第二章操作系统的硬件环境操作系统运行的硬件环境组成概述简单的个人计算机中的部件2.1中央处理器（CPU）CPU的构成与基本工作方式寄存器是指令在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：MemoryManagementUnit）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。处理器中的寄存器用户可见寄存器控制和状态寄存器指令执行的基本过程5类指令特权指令和非特权指令处理器的状态实例：x86系列处理器各个级别有保护性检查（地址校验、I/O限制）特权级别之间的转换方式不尽相同四个级别运行不同类别的程序：R0-运行操作系统核心代码R1-运行关键设备驱动程序和I/O处理例程R2-运行其他受保护共享代码，如语言系统运行环境R3-运行各种用户程序现有基于x86处理器的操作系统，多数UNIX、Linux以及Windows系列大都只用了R0和R3两个特权级别管态和目态的差别在PSW中专门设置一位，根据运行程序使用指令的权限而设置CPU状态。CPU的工作状态码——指明管态还是目态，用来说明当前在CPU上执行的是操作系统还是一般用户，从而决定其是否可以使用特权指令或拥有其他的特殊权力。条件码——反映指令执行后的结果特征。中断屏蔽码——指出是否允许中断。例:微处理器M68000的程序状态字例:微处理器Pentium的程序状态字CPU状态的转换2.2存储系统存储器的类型只读型存储器ROM（Read-OnlyMemory）：只能从其中读取数据，但不能随意用普通方法写入数据（写入数据只能用特殊方法）在微机中，一些常驻内存的模块以微程序形式固化在ROM中，如:PCBIOS和CBASIC解释程序被固化于ROM中PROM：可编程只读存储器，使用特殊PROM写入器写入数据EPROM：电可擦写可编程只读存储器，用特殊的紫外线光照射此芯片，以“擦去”信息，恢复原来状态，再使用特殊EPROM写入器写入数据闪存（flashmemory）存储器的层次结构容量、速度和成本三个目标不可能同时达到最优，要作权衡存取速度快，每比特价格高容量大，每比特价格越低，同时存取速度也越慢解决方案：采用层次化的存储体系结构当沿着层次下降时每比特的价格将下降，容量将增大速度将变慢，处理器的访问频率也将下降存储访问局部性原理设计多级存储的体系结构一个简单二级存储系统的性能存储分块存储保护设施保护的硬件支持界地址寄存器（界限寄存器）界地址寄存器存储保护技术存储键2.3缓冲技术多缓冲区（Cache）技术一级Cache，CPU先访问，性能对系统性能作用很大2.4中断技术中断的概念中断/异常：指系统发生某个异步/同步事件后,处理机暂停正在执行的程序,转去执行处理该事件程序的过程。中断的引入：为了开发CPU和通道(或设备)之间的并行操作，当CPU启动通道(或设备)进行输入/输出后，通道便(或设备)可以独立工作了，CPU也可以转去做与此次输入/输出不相关的事情，那么通道(或设备)输入/输出完成后，还必须告诉CPU继续输入/输出以后的事情，通道(或设备)通过向CPU发中断告诉CPU此次输入/输出结束。异常引入：用于表示CPU执行指令时本身出现算术溢出、零做除数、取数时的奇偶错，访存指令越界或就是执行了一条所谓“异常指令”（用于实现系统调用）等情况，这时中断当前的执行流程，转到相应的错误处理程序或异常处理程序。注意：最早中断和异常并没有区分，都把它们叫做中断。随着它们的发生原因和处理方式的差别愈发明显，才有了以后的中断和异常。中断(外中断)中断系统中断系统中的相关概念中断优先级和中断屏蔽处理机优先级：指出处理机正运行程序的中断响应级别。即当处理机处于某一优先级时，只允许处理机去响应比该优先级高的中断,而屏蔽低于或等于该优先级的中断。可以通过置处理机优先级来通知硬件：屏蔽优先级小于等于处理机优先级的中断。中断屏蔽：指禁止处理机响应中断或禁止中断出现。中断屏蔽有两种方法：硬件实现——由软件置处理机优先级，硬件按系统设计时的约定，屏蔽那些低优先级中断。软件实现——由软件按操作系统优先级约定,设置屏蔽寄存器。中断类型强迫性中断输入/输出(I/O)中断：主要来自外部设备通道程序性中断：运行程序中本身的中断(如溢出,缺页中断,缺段中断,地址越界)时钟中断控制台中断硬件故障自愿性中断执行I/O，创建进程，分配内存信号量操作，发送/接收消息微机中的中断IBM370中的中断中断响应处理器如何发现中断信号？处理器的控制部件中设一个能检测中断的机