计算机系统组成及其体系结构
处理器、内存、接口、网卡、控制器、光盘、软盘、硬盘
内存系统 Memory Systems
所有的程序在运行的时候首先要装入到内存
主存 Main Memory
- 硬件的构成:RAM(只读存储器)ROM(随机访问存储器)
- 实际地址空间 real address space
或称作物理地址空间,按字节编制Bytes
RAM&ROM
保留用于设备或以后它用 - 高速缓冲Cache Memories(存储可能访问的数据,增加速度)
因内存寻址访问效率和局部性原理(时间局部性和空间局部性)而引入
由硬件管理,对软件不可见
输入输出系统
用户指令集体系结构 User ISA
寄存器架构
- 通用寄存器、特定类型寄存器(如浮点数)
- 专用寄存器(PC、链接/栈指针/条形码/循环计数存储器)
内存架构
- 逻辑/虚拟地址空间(指令)
1. 线性编址 eg.0x0000 0000-0x8000 0000-0xFFFF FFFF
2.分段编址 eg. 0#-15#分段基址-段寄存器值
用户指令——运算型
- 内存存取指令、分支跳转指令
- 整数算数、逻辑及移位指令
- 浮点指令
系统指令集体系结构及陷入机制
启动特权级别来对操作系统进行保护
系统指令集体系结构System ISA
系统寄存器架构(用户指令访问系统指令)
- 系统时钟寄存器、陷入与中断寄存器
- 陷入与中断屏蔽寄存器、页/段表指针寄存器
处理器资源管理支持
- 虚拟地址空间到物理地址空间的映射(页表&TLB)
I/O资源管理支持
- I/O设备寻址与I/O指令*(端口的访问指令输入和输出)
陷入与中断
陷入
- 指令执行时因异常情况(如运算溢出、缺页、违规内存访问、非法操作码等)产生的控制迁移副效应
- 陷入流程(异常-设置陷入寄存器-查看陷入屏蔽寄存器裁决-终止“陷入”指令并置处理器准确状态-保存程序计数及各寄存器值-处理器置特权模式并交操作系统控制权- 操作系统保存未被硬件保存的“陷入”进程的关键状态信息,经分析转特定异常陷入处理例程,待完成返回后恢复现场和转原“陷入”进程“异常”指令处继续执行)
- 另“系统调用”式陷入(访管指令 int 21H/int 0x80)
中断
- 由相对于当前执行进程的外部事件(如I/O操作、定时)引起。与特定指令执行无关
陷入和中断的处理方式相似
操作系统硬件基础举例说明
IA-32体系结构说明
系统寄存器架构
- 标志寄存器EFLAGS(通用标志、系统标志)
- 内存管理寄存器 GDTR、IDTR、LDTR、TR
- 控制寄存器CR0、CR1、CR2、CR3 、
保护模式内存管理
- 内存寻址(分段寻址技术)
- 地址变换(分段【段选择符->段描述符】+分页)
- 内存保护(全局/局部描述符表、特权级)
中断和异常处理
中断向量与中断描述符表、中断源与异常源
任务管理(任务状态段)