第二章操作系统的硬件环境概述简单的个人计算机中的部件一、中央处理器（CPU）1、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（1）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，自增1取到的指令放在指令寄存器中处理器解释并执行所要求的动作5类指令2、特权指令和非特权指令3、处理器的状态实例：x86系列处理器（1）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-运行其它受保护共享代码，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4、程序状态字PSW例:微处理器M68000的程序状态字CPU状态的转换二、存储系统1、存储器的类型只读型的存储器: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）称为只读存储器（ROM：Read-OnlyMemory）变型：PROM和EPROMPROM：一种可编程只读存储器，使用特殊PROM写入器写入数据EPROM：用特殊的紫外线光照射此芯片，以“擦去”信息，恢复原来状态，然后使用特殊EPROM写入器写入数据在微机中，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2、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层次化的存储体系结构存储访问局部性原理设计多级存储的体系结构T1：I级存储器的存取时间T2：II级存储器的存取时间3、存储分块4、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地址转换CPUcodedataheapstack三、中断技术中断机制什么是中断?指CPU对系统中或系统外发生异步事件的响应异步事件是指无一定时序关系的随机发生事件如外部设备完成数据传输，实时设备出现异常等“中断”名称源于：当异步事件发生后，打断了对当前程序的执行而转去处理该异步事件直到处理完了后，再转回原程序中断点继续执行中断定义从用户角度看中断引入中断的目的解决主机与外设的并行工作问题提高可靠性实现多机联系实现实时控制特点：1)中断随机的2)中断是可恢复的3)中断是自动处理的中断源：引起中断发生的事件中断寄存器：记录中断中断字：中断寄存器的内容系统堆栈:在内存开辟的一块区域，用于临时保存现场中断类型（1）中断类型（2）中断类型（3）微机中的中断IBM370中的中断2、中断系统中断装置的基本功能3、中断逻辑与中断寄存器（1）中断寄存器：有的计算机中，为了区分和不丢失中断信号对应每个中断源分别用一固定触发器寄存中断信号规定值为1时，表示有中断信号，为0时表示无这些触发器的全体称为中断寄存器每个触发器称为一个中断位所以中断寄存器是由若干个中断位组成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构称为中断扫描机构在每条指令执行周期的最后时刻扫描中断寄存器，询问是否有中断信号若无中断信号，继续执行下一条指令若有中断，中断硬件将该中断触发器内容按规定编码送入PSW的相应位，称为中断码4、多级中断和中断屏蔽5、中断响应开始用软件指令去查询各设备接口这种方法比较费时多数微型机对此问题的解决方法：使用一种“向量中断”的硬件设施“向量中断”：当CPU接受某中断请求时，该设备接口给处理器发送具有唯一性的“中断向量”，以标识该设备“中断向量”在各计算机上实现方法差别比较大中断向量表中断优先级中断屏蔽6、中断处理（1）（5）处理器根据中断源查询中断向量表，获得与该中断相联系的处理程序入口地址，并将PC置成该地址，处理器开始一个新的指令周期，控制转移到中断处理程序