操作系统概念与计算机硬件介绍之CPU

一句话介绍操作系统：架在用户与底层系统之间的桥梁。

软件中最基础的部分是操作系统，它运行在 内核态 中，内核态也称为 管态 和 核心态。操作系统具有硬件的访问权，可以执行机器能够运行的任何指令。软件的其余部分运行在 用户态 下。
用户接口程序(shell 或者 GUI) 处于用户态中，并且它们位于用户态的最低层，允许用户运行其他程序，例如 Web 浏览器、电子邮件阅读器、音乐播放器等。

管态和目态：

是什么

1 . 管态又叫特权态，系统态或核心态。CPU在管态下可以执行指令系统的全集。通常，操作系统在管态下运行。

目态又叫常态或用户态。机器处于目态时，程序只能执行非特权指令。
特点

用户态 不能直接使用系统资源，也不能改变CPU的工作状态，并且只能访问这个用户程序自己的存储空间
管态 则该程序就可以访问计算机的任何资源，即它的资源访问权限不受限制。

目的

区分内核态和用户态两种操作方式的目的是为了保护操作系统程序通常CPU执行两种不同性质的程序：一种是操作系统内核程序；另一种是用户自编程序或系统外层的应用程序。对操作系统而言，这两种程序的作用不同，前者是后者的管理者，因此“管理程序”要执行一些特权指令，而“被管理程序”出于安全考虑不能执行这些指令。所谓特权指令，是指计算机中不允许用户直接使用的指令，如I/O指令、 置中断指令，存取用于内存保护的寄存器、送程序状态字到程序状态字寄存器等指令。

用户态切换到内核态

系统调用：
这是用户态进程主动要求切换到内核态的一种方式，用户态进程通过系统调用申请使用操作系统提供的的服务程序完成 工作。系统调用机制的核心还是使用了操作系统为用户特别开放的一个中断来实现。申请使用操作系统提供的的服务程序完成 工作。系统调用机制的核心还是使用了操作系统为用户特别开放的一个中断来实现。
异常：
当CPU在执行用户态程序时，发生了某些事先不可知的异常，这时会触发由当前运行进程切换到处理此异常的内核相关程序中，也就转到了内核态，例如缺页异常。进程切换到处理此异常的内核相关程序中，也就转到了内核态，例如缺页异常。
I/O设备的中断：
当I/O设备完成用户请求操作后，会向CPU发出相应的中断信号，这时CPU
会暂停执行下一条即将要执行的指令，转 而去执行与中断信号对应的的处理程序，如果先前执行的指令是用户态下的程序，那么这个转换的过程自然也就发生了由用户态到内核态 的切换。例如硬盘读写操作完成，系统会切换到硬盘读写的中断处理程序中执行后续的操作。会暂停执行下 一条即将要执行的指令，转 而去执行与中断信号对应的的处理程序，如果先前执行的指令
是用户态下的程序，那么这个转换的过程自然也就发生了由用户态到内核态 的切换。例如硬盘读写操作完成，系统会切换到硬盘读写的中断处理程序中执行后续的操作。

其中系统调用可以认为是用户进程主动发起的，异常和外部设备中断则是被动的。

计算机的硬件介绍

从概念上来看，一台简单的个人电脑可以被抽象这样的模型：CPU、内存、I/O 设备都和总线串联起来并通过总线与其他设备进行通信。现代操作系统有着更为复杂的结构，会设计很多条总线。需注意的是总线分别连到XX控制器，再由XX控制器连到各种设备，而不是总线直接连接各种设备。

CPU

1.CPU是什么
CPU 是计算机的大脑，它主要和内存进行交互，从内存中提取指令并执行它。一个 CPU 的执行周期是从内存中提取第一条指令、解码并决定它的类型和操作数，执行，然后再提取、解码执行后续的指令。重复该循环直到程序运行完毕。
2.CPU的指令集
每个 CPU 都有一组可以执行的特定指令集。因此，x86 的 CPU 不能执行 ARM 的程序并且 ARM 的 CPU 也不能执行 x86 的程序。
3.寄存器
由于访问内存获取执行或数据要比执行指令花费的时间长，因此所有的 CPU 内部都会包含一些寄存器来保存关键变量和临时结果。因此，在指令集中通常会有一些指令用于把关键字从内存中加载到寄存器中，以及把关键字从寄存器存入到内存中。还有一些其他的指令会把来自寄存器和内存的操作数进行组合，例如 add 操作就会把两个操作数相加并把结果保存到内存中。

在时间多路复用(time multiplexing) 的 CPU 中，操作系统往往停止运行一个程序转而运行另外一个。每次当操作系统停止运行一个程序时，操作系统会保存所有寄存器的值，以便于后续重新运行该程序。

4.三个特殊寄存器
除了用于保存变量和临时结果的通用寄存器外，大多数计算机还具有几个特殊的寄存器，这些寄存器对于程序员是可见的。
程序计数器(program counter)：程序计数器会指示下一条需要从内存提取指令的地址。提取指令后，程序计数器将更新为下一条需要提取的地址。

堆栈指针(stack pointer)：它指向内存中当前栈的顶端。堆栈指针会包含输入过程中的有关参数、局部变量以及没有保存在寄存器中的临时变量。

PSW(Program Status Word) 程序状态字寄存器：这个寄存器是由操作系统维护的8个字节(64位) long 类型的数据集合。它会跟踪当前系统的状态。除非发生系统结束，否则我们可以忽略 PSW 。用户程序通常可以读取整个PSW，但通常只能写入其某些字段。PSW 在系统调用和 I / O 中起着重要作用。

5.CPU处理指令的流程
为了提升性能， CPU 设计人员早就放弃了同时去读取、解码和执行一条简单的指令。许多现代的 CPU 都具有同时读取多条指令的机制。例如，一个 CPU 可能会有单独访问、解码和执行单元，所以，当 CPU 执行第 N 条指令时，还可以对 N + 1 条指令解码，还可以读取 N + 2 条指令。像这样的组织形式被称为 流水线(pipeline)
比流水线更先进的设计是 超标量(superscalar) CPU。在这个设计中，存在多个执行单元，例如，一个用来进行整数运算、一个用来浮点数运算、一个用来布尔运算。两个或者更多的指令被一次性取出、解码并放入缓冲区中，直至它们执行完毕。只要一个执行单元空闲，就会去检查缓冲区是否有可以执行的指令。如果有，就把指令从缓冲区中取出并执行。这种设计的含义是应用程序通常是无序执行的。在大多数情况下，硬件负责保证这种运算的结果与顺序执行指令时的结果相同。

6.PSW寄存器
通常情况下，PSW 寄存器中的一个二进制位会控制当前状态是内核态还是用户态，一般情况下，在用户态下，有关 I/O 和内存保护的所有指令是禁止执行的。当然，设置 PSW 模式的二进制位为内核态也是禁止的。

为了获取操作系统的服务，用户程序必须使用 系统调用(system call)，系统调用会转换为内核态并且调用操作系统。TRAP 指令用于把用户态切换为内核态并启用操作系统。

7.Ring0和Ring3

Intel的CPU将特权级别分为4个级别：RING0,RING1,RING2,RING3。Windows只使用其中的两个级别RING0和RING3，RING0只给操作系统用，RING3谁都能用。如果普通应用程序企图执行RING0指令，则Windows会显示“非法指令”错误信息。

ring0是指CPU的运行级别，ring0是最高级别，ring1次之，ring2更次之…… 拿Linux+x86来说， 操作系统（内核）的代码运行在最高运行级别ring0上，可以使用特权指令，控制中断、修改页表、访问设备等等。 应用程序的代码运行在最低运行级别上ring3上，不能做受控操作。如果要做，比如要访问磁盘，写文件，那就要通过执行系统调用（函数），执行系统调用的时候，CPU的运行级别会发生从ring3到ring0的切换，并跳转到系统调用对应的内核代码位置执行，这样内核就为你完成了设备访问，完成之后再从ring0返回ring3。这个过程也称作用户态和内核态的切换。