2.1.2指令与处理器模式

《操作系统》第二章指令与处理器模式知识点整理，分享给计算机专业的小伙伴们，希望对你们有所帮助。

2.1.2指令与处理器模式

• 机器指令及流水线
  • 机器指令
    • 地位
      • 计算机系统执行的基本命令
      • 处理器执行的重要基本单位
    • 组成：由一个或多个字节组成
    • 包括：操作码字段、一个或多个操作数地址字段、一些表征处理器状态字、特征码
    • 用途：用以完成各种算术逻辑运算、数据传输、控制流跳转
    • 执行步骤
      • 取指
        • 处理器根据程序计数器的指向，从主存中取指令到指令寄存器
      • 解码
        • 解译指令寄存器中的指令来决定其执行行为
      • 执行
        • 连接到CPU部件，执行运算，产生结果并写回。 同时在条件码里设置结果标志
          • 运算结果标志
            • 跳转指令：操作程序计数器
            • 其他指令：递增程序计数器值
      • 简单的指令周期
  • 指令流水线
    • 在“取指1”的时候，仅“取指1”执行
    • 在“解码1”的时候，“取指1”结束，“取指2”执行
    • 在“执行1”的时候，“取指2”结束，“取指3”执行 “解码1”结束，“解码2”执行
• 特权指令和非特权指令
  • 操作系统程序可使用全部特权与非特权指令 应用程序只能使用非特权指令
  • 计算机软件系统
    • 操作系统内核程序
      • 较高特权
      • 全部机器指令
      • 完成系统任务
      • 有权管理与分配资源
    • 普通应用程序 （运行于操作系统环境）
      • 较低权限
      • 只能使用指令系统子集 （资源管理命令之外）
      • 实现应用任务
      • 只能申请与使用系统资源
  • 多道程序设计环境中
    • 从资源管理、控制程序执行的角度出发
    • 特权指令
      • 仅在内核态下才能使用
      • 涉及改变处理器状态、修改控制与状态寄存器内容、启动设备I/O等
      • 执行这些指令不仅影响运行程序自身，而且干扰其他程序及操作系统
    • 非特权指令
      • 内核态、用户态都能用
    • 若应用程序强行使用特权指令，属非法执行 产生保护中断 转向操作系统的“用户非法执行特权指令”的异常处理程序进行处理
• 用户态和内核态
  • 内核态(kernel mode)
    • 又称“管态”
    • 操作系统管理程序运行时所处的状态
    • 此时所有指令都被允许在CPU上执行，程序可访问所有主存单元和系统资源，并具有改变处理器状态的能力
  • 用户态(user mode)
    • 又称“目态”
    • 处理器运行非可信的应用程序时所处的状态
    • 此时无法执行特权指令，且访问仅限于当前正在处理器上执行程序所在的地址空间
      • 防止操作系统程序受到应用程序的侵害 防止在多道程序设计中多个用和程序之间相互打扰
  • 界分方式： 为处理器建立硬件标志位，成为“处理器状态位”，用以设置内核态或用户态
  • 在内核态运行执行
    • 执行：处理器、主存、设备等资源管理程序(以保障安全)
    • 意义：设计核心数据结构的各种原语(防止系统混乱)
    • 运行：创建进程管理数据结构、为进程分配主存、启动外围设备、构造文件系统核心数据
  • 在用户态运行执行
    • 执行：应用程序逻辑与数据处理
    • 运行：支撑程序、命令解释程序、页面调度程序、图形界面处理程序、记账程序、审计程序
  • 为了提高效率， 可以将一部分用户态运行的程序放在内核态， 以减少切换节约时间
• 处理器状态转换
  • 只有中断才会时处理器从用户态向内核态转换
    • 情况1：异步中断事件（如I/O操作完成），转向中断处理程序
    • 情况2：程序主动同步请求操作系统服务，自愿性中断
    • 情况3：执行指令出现问题产生的同步异常事件，程序性中断事件
  • 从内核态返回用户态
    • 计算机系统提供一条称作“加载程序状态字”的特权指令(如iret)，控制权转交给应用进程
• 用户栈和核心栈
  • 硬件栈指针只有一个，会变化
  • 用户栈
    • 用途：保护应用程序的子程序（函数）间相互调用的参数、返回值、返回点以及子程序的局部变量。
    • 环境：用户态
  • 核心栈（系统栈、内核栈）
    • 用途
      • 保存中断现场，将被中断程序的现场信息压入核心栈，中断返回时逆序弹出
      • 保存操作系统程序（函数）间相互调用的参数、返回值、返回点以及程序局部变量
    • 环境：内核态
    • 特征
      • 每个进程被创建时都捆绑一个核心栈
      • 可读可写不可执行
      • 有大小限制
  • 进程都有