操作系统的运行环境与机制

中央处理器（CPU）

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

两类寄存器

• 用户可见寄存器：高级语言编译器通过优化算 法分配并使用之，以减少程序访问内存次数

• 控制和状态寄存器：用于控制处理器的操作，通常由操作系统代码使用，在某种特权级别下可以访问、修改

  • 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），记录最近取出的指令

    • 程序状态字（PSW：Program Status Word），记录处理器的运行状态如条件码、模式、控制位等信息

操作系统的“保护”需求

• 从操作系统的特征考虑

  • 并发、共享

• 提出要求

  • 实现保护与控制

• 需要硬件提供基本运行机制

  • 处理器具有特权级别，能在不同的特权级运行的不同指令集合

  • 硬件机制可将OS与用户程序隔离

处理器的状态（模式 MODE）

• 现代处理器通常将CPU状态设计划分为两种、三种或四种

• 在程序状态字寄存器PSW中专门设置一位，根据运行程序对资源和指令的使用权限而设置不同的 CPU状态

• 例：X86架构中的EFLAGS寄存器描述符中也设置了权限级别

操作系统需要两种CPU状态

• 内核态(Kernel Mode)：运行操作系统程序

• 用户态(User Mode)：运行用户程序

特权指令和非特权指令

• 特权(privilege)指令：只能由操作系统使用、用户程序不能使用的指令

• 非特权指令：用户程序可以使用的指令

实例：X86 系列处理器

• X86支持4个处理器特权级别特权环：R0、R1、R2和R3

  • 从R0到R3，特权能力由高到低

  • R0相当于内核态；R3相当于用户态；R1和R2则 介于两者之间

  • 不同级别能够运行的指令集合不同

• 目前大多数基于x86处理器的操作系统只用了R0和R3两个特权级别

CPU 状态之间的转换

• 用户态 → 内核态

  • 唯一途径 → 中断/异常/陷入机制

• 内核态 → 用户态

  • 设置程序状态字PSW

一条特殊的指令：陷入指令（又称访管(因为内核态也被称为supervisor mode，管态)指令） 提供给用户程序的接口，用于调用操作系统的功能（服务） 例如：int，trap，syscall，sysenter/sysexit