操作系统的运行环境PPT
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
• 从R0到R3特权能力依次降低 • R0相当于双状态系统的管态 • R3相当于目态 • R1和R2则介于两者之间，它们能够运行的指令
集合具有包含关系：
• 程 序 状 态 字 （ PSW ： Program Status Word），记录处理器的运行模式信息等 等
6
指令执行的基本过程（1）
两个步骤： • 先从存储器中每次读取一条指令 • 然后执行这条指令 一个单条指令处理过程称为一个指令周期 程序的执行是由不断取指和执行的指令周期组成
7
指令执行的基本过程（2）
2
处理器中的寄存器
• 寄存器提供了一定的存储能力 • 速度比主存快得多 • 造价高，容量一般都很小
两类寄存器： • 用户可见寄存器 高级语言编译器通过算法分配
并使用之，以减少程序访问主存次数。 • 控制和状态寄存器 用于控制处理器的操作wk.baidu.com由
OS的特权代码使用，以控制其它程序的执行。
3
用户可见寄存器
• 算术逻辑指令（数据处理指令）： 执行数据算术和逻辑操作
• 控制转移指令： 指定一个新的指令的执行起点
• 处理器控制指令： 修改处理器状态，改变处理器工作方式
9
特权指令和非特权指令
• 使用多道程序设计技术的计算机指令系统必 须要区分为特权指令和非特权指令
• 特权指令：只能由操作系统使用的指令。如 启动I/O设备、设置时钟、控制中断屏蔽位、 清主存、设置中断向量，修改PSW等。
1.7 操作系统的运行环境
1.7.1 中央处理器CPU
一、CPU的构成与基本工作方式：
CPU包含：运算器、控制器、寄存器、高速缓存。
处理器
数据寄存器 地址寄存器 控制和状态寄存器
PC IR PSW
高速缓存Cache
运算器
控制器
总线
内存
1
运算器实现指令中的算术和逻辑运算，是计算机计 算的核心。 控制器负责控制程序运行的流程，包括取指令、维 护CPU状态、CPU与内存的交互等等。 寄存器是指令在CPU内部作处理的过程中暂存数据、 地址以及指令信息的存储设备，在计算机的存储系 统中它具有最快的访问速度。 高速缓存处于CPU和物理内存之间，一般由控制器中 的内存管理单元（MMU：Memory Management Unit） 管理，访问速度快于内存，低于寄存器。利用程序 局部性原理使得高速指令处理和低速内存访问得以 匹配，从而提高CPU的效率。
• 非特权指令：一般用户使用的指令。如算术 逻辑运算、访问内存、访管指令等
• CPU如何知道当前运行的是操作系统还是一 般应用软件？
依赖于处理器状态
10
Which of the following instructions should be privileged?
a. Set value of timer. b. Read the clock. c. Clear memory. d. Issue a trap instruction. e. Turn off interrupts. f. Modify entries in device-status table. g. Switch from user to kernel mode. h. Access I/O device.
12
核态（Kernel Mode)：
CPU执行操作系统程序时所处的状态。
在此状态下允许CPU使用全部资源和全部指令，其中 包括一组特权指令（如涉及外设的I/O、改变处理机 状态、修改存储保护的指令），实现对系统资源的 分配与管理，为用户提供使用外部设备的服务。
管态比核态的权限低，在此状态下允许使用一些 用户态下不能使用的资源，但不能使用修改CPU状态 的指令。无核态时，管态执行核态的全部功能。
控制和状态寄存器
• 用于控制处理器的操作 • 大部分对于用户是不可见的 • 一部分可以在某种特权模式（由OS使用）下
访问
5
常见的控制和状态寄存器
• 程序计数器（PC：Program Counter）， 记录将要取出的指令的地址
• 指令寄存器（IR：Instruction Register）， 包含最近取出的指令
11
处理器的状态
为了保护操作系统，将处理器工作状态划分为管态 和用户态：
管态：操作系统管理程序执行时机器所处的状态， 较高的特权级别，又称为特权态（特态）、系统 态 、核心态
用户态：用户程序执行时机器所处的状态，较低的 特权级别，又称为普通态（普态）、目态
有些系统将处理器状态划分核心状态，管理状态和 用户程序状态（目标状态）三种
• 每个指令周期开始时，依据在程序计数器中的指 令地址从存储器中取一条指令
• 在取指完成后根据指令类别自动将程序计数器的 值变成下条指令的地址
• 取到的指令放在指令寄存器（IR）中 • 处理器解释并执行所要求的动作
8
5类指令
• 访问存储器指令： 处理器和存储器间数据传送
• I/O指令： 处理器和I/O设备间数据传送和命令发送
• 机器语言（汇编语言）直接引用 • 包括数据寄存器、地址寄存器等
• 数据寄存器（data register）又称通用寄存器 • 地址寄存器（address register）用于存储数据及指
令的物理地址。如index register、segment pointer、 stack pointer
4
在下列情况下，由用户态转向核态：
• 用户程序要求操作系统的服务，系统调用； • 发生一次中断； • 在用户程序中产生了一个错误的状态； • 在用户程序中企图执行一条特权指令；
从核态转回用户态用一条指令实现，这条指令也是特权指令。 一般情况下是中断返回指令。
14
实例：x86系列处理器
• 386、486、Pentium系列都支持4个处理器特权 级别（特权环：R0、R1、R2和R3）
用户态(User Mode)：
用户程序执行时CPU所处的状态。
在此状态下禁止使用特权指令，不能直接使用系统
资源与改变CPU状态，并且只能访问用户程序所在的
存储空间。
13
在核态下操作系统可以使用所有指令，包括 一组特权指令。
• 允许和禁止中断； • 在进程之间切换处理机； • 存取用于内存保护的寄存器； • 执行输入和输出操作； • 停止一个中央处理机的工作。
集合具有包含关系：
• 程 序 状 态 字 （ PSW ： Program Status Word），记录处理器的运行模式信息等 等
6
指令执行的基本过程（1）
两个步骤： • 先从存储器中每次读取一条指令 • 然后执行这条指令 一个单条指令处理过程称为一个指令周期 程序的执行是由不断取指和执行的指令周期组成
7
指令执行的基本过程（2）
2
处理器中的寄存器
• 寄存器提供了一定的存储能力 • 速度比主存快得多 • 造价高，容量一般都很小
两类寄存器： • 用户可见寄存器 高级语言编译器通过算法分配
并使用之，以减少程序访问主存次数。 • 控制和状态寄存器 用于控制处理器的操作wk.baidu.com由
OS的特权代码使用，以控制其它程序的执行。
3
用户可见寄存器
• 算术逻辑指令（数据处理指令）： 执行数据算术和逻辑操作
• 控制转移指令： 指定一个新的指令的执行起点
• 处理器控制指令： 修改处理器状态，改变处理器工作方式
9
特权指令和非特权指令
• 使用多道程序设计技术的计算机指令系统必 须要区分为特权指令和非特权指令
• 特权指令：只能由操作系统使用的指令。如 启动I/O设备、设置时钟、控制中断屏蔽位、 清主存、设置中断向量，修改PSW等。
1.7 操作系统的运行环境
1.7.1 中央处理器CPU
一、CPU的构成与基本工作方式：
CPU包含：运算器、控制器、寄存器、高速缓存。
处理器
数据寄存器 地址寄存器 控制和状态寄存器
PC IR PSW
高速缓存Cache
运算器
控制器
总线
内存
1
运算器实现指令中的算术和逻辑运算，是计算机计 算的核心。 控制器负责控制程序运行的流程，包括取指令、维 护CPU状态、CPU与内存的交互等等。 寄存器是指令在CPU内部作处理的过程中暂存数据、 地址以及指令信息的存储设备，在计算机的存储系 统中它具有最快的访问速度。 高速缓存处于CPU和物理内存之间，一般由控制器中 的内存管理单元（MMU：Memory Management Unit） 管理，访问速度快于内存，低于寄存器。利用程序 局部性原理使得高速指令处理和低速内存访问得以 匹配，从而提高CPU的效率。
• 非特权指令：一般用户使用的指令。如算术 逻辑运算、访问内存、访管指令等
• CPU如何知道当前运行的是操作系统还是一 般应用软件？
依赖于处理器状态
10
Which of the following instructions should be privileged?
a. Set value of timer. b. Read the clock. c. Clear memory. d. Issue a trap instruction. e. Turn off interrupts. f. Modify entries in device-status table. g. Switch from user to kernel mode. h. Access I/O device.
12
核态（Kernel Mode)：
CPU执行操作系统程序时所处的状态。
在此状态下允许CPU使用全部资源和全部指令，其中 包括一组特权指令（如涉及外设的I/O、改变处理机 状态、修改存储保护的指令），实现对系统资源的 分配与管理，为用户提供使用外部设备的服务。
管态比核态的权限低，在此状态下允许使用一些 用户态下不能使用的资源，但不能使用修改CPU状态 的指令。无核态时，管态执行核态的全部功能。
控制和状态寄存器
• 用于控制处理器的操作 • 大部分对于用户是不可见的 • 一部分可以在某种特权模式（由OS使用）下
访问
5
常见的控制和状态寄存器
• 程序计数器（PC：Program Counter）， 记录将要取出的指令的地址
• 指令寄存器（IR：Instruction Register）， 包含最近取出的指令
11
处理器的状态
为了保护操作系统，将处理器工作状态划分为管态 和用户态：
管态：操作系统管理程序执行时机器所处的状态， 较高的特权级别，又称为特权态（特态）、系统 态 、核心态
用户态：用户程序执行时机器所处的状态，较低的 特权级别，又称为普通态（普态）、目态
有些系统将处理器状态划分核心状态，管理状态和 用户程序状态（目标状态）三种
• 每个指令周期开始时，依据在程序计数器中的指 令地址从存储器中取一条指令
• 在取指完成后根据指令类别自动将程序计数器的 值变成下条指令的地址
• 取到的指令放在指令寄存器（IR）中 • 处理器解释并执行所要求的动作
8
5类指令
• 访问存储器指令： 处理器和存储器间数据传送
• I/O指令： 处理器和I/O设备间数据传送和命令发送
• 机器语言（汇编语言）直接引用 • 包括数据寄存器、地址寄存器等
• 数据寄存器（data register）又称通用寄存器 • 地址寄存器（address register）用于存储数据及指
令的物理地址。如index register、segment pointer、 stack pointer
4
在下列情况下，由用户态转向核态：
• 用户程序要求操作系统的服务，系统调用； • 发生一次中断； • 在用户程序中产生了一个错误的状态； • 在用户程序中企图执行一条特权指令；
从核态转回用户态用一条指令实现，这条指令也是特权指令。 一般情况下是中断返回指令。
14
实例：x86系列处理器
• 386、486、Pentium系列都支持4个处理器特权 级别（特权环：R0、R1、R2和R3）
用户态(User Mode)：
用户程序执行时CPU所处的状态。
在此状态下禁止使用特权指令，不能直接使用系统
资源与改变CPU状态，并且只能访问用户程序所在的
存储空间。
13
在核态下操作系统可以使用所有指令，包括 一组特权指令。
• 允许和禁止中断； • 在进程之间切换处理机； • 存取用于内存保护的寄存器； • 执行输入和输出操作； • 停止一个中央处理机的工作。