Linux操作系统分析与实践

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1、Linux操作系统分析与实践第二讲：计算机系统硬件基础《Linux操作系统分析与实践》课程建设小组北京大学二零零八年春季*致谢：感谢Intel对本课程项目的资助本讲主要内容概述中央处理器（CPU）存储系统中断机制I/O系统时钟以及时钟队列Linux启动过程SMP及多核技术操作系统的硬件环境讨论操作系统对运行硬件环境的要求讨论操作系统设计者考虑的硬件问题中央处理器（CPU）存储系统中断机制I/O系统时钟以及时钟队列一、概述任何系统软件都是硬件功能的延伸操作系统直接依赖于硬件条件OS的硬件环境以较分散的形式同各种管理相结合实现操

2、作系统时必须理解的计算机基本结构操作系统管理的重要资源计算机系统的组成中央处理器（CPU）专门设计了一系列基本机制：-具有特权级别的处理器状态，能在不同特权级运行的各种特权指令-硬件机制使得OS可以和普通程序隔离实现保护和控制1.1CPU的构成与基本工作方式处理器由运算器、控制器、一系列的寄存器以及高速缓存构成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

3、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由OS的特权代码使用,以控制其他程序的执行用户可见寄存器机器语言直接引用包括

4、数据寄存器、地址寄存器以及条件码寄存器数据寄存器（dataregister）又称通用寄存器主要用于各种算术逻辑指令和访存指令地址寄存器（addressregister）用于存储数据及指令的物理地址、线性地址或者有效地址，用于某种特定方式的寻址。如indexregister、segmentpointer、stackpointer条件码寄存器保存CPU操作结果的各种标记位如算术运算产生的溢出、符号等等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）下访问常见的控制和状态寄存器:程

5、序计数器（PC：ProgramCounter），记录将要取出的指令的地址指令寄存器（IR：InstructionRegister），包含最近取出的指令程序状态字（PSW：ProgramStatusWord），记录处理器的运行模式信息等等1.2、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处理器通过特殊的机制将处理器状态切换到操作系统运行的特权状态（管态）•CPU如何知道当前运行的是操作系统还是一般应用软件？有赖于处理器状态的标识1.3、处理器的状态

6、根据运行程序对资源和机器指令的使用权限将处理器设置为不同状态多数系统将处理器工作状态划分为管态和目态管态：操作系统管理程序运行的状态，较高的特权级别，又称为特权态（特态）、核心态、系统态目态：用户程序运行时的状态，较低的特权级别，又称为普通态（普态）、用户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）三种实例：x86系列处理器（1）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）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

7、介于两者之间，它们能够运行的指令集合具有包含关系：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R3两个特权级别实例：x86系列处理器（2）1.4、程序状态字PSW(ProgramStatusWord)在PSW中专门设置一位，根据运行程序使用

8、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的程序状态字条件位：C：进位标志位