计算机硬件结构及操作系统原理

1.现代计算机体系结构

现代计算机体系结构基本上仍沿用Von Neumann（冯·诺依曼）体系结构，采用存储程序工作原理，即：把计算过程描述为由许多条命令按一定顺序组成的程序，然后把程序和所需的数据一起输入计算机存储器中保存起来，工作时控制器执行程序，控制计算机自动连续地进行运算。

大家知道，现代通用计算机系统是由CPU、内存和若干I/O设备组成的。它们由系统总线连接在一起，实现彼此通信。从功能上讲，计算机系统由五大功能部件组成，即运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。这五大功能部件相互配合，协同工作。其中，运算器和控制器集成在一片或几片大规模或超大规模集成电路中，称为中央处理器（CPU）。

每个设备控制器负责对特定类型的设备进行控制和管理，如硬盘控制器用来控制硬盘驱动器，视频控制器用来控制监视器，等等。CPU和设备控制器可以并行工作，它们都要存取内存中的指令或数据。为保障对共享内存的有序存取，内存控制器对这些访问实施同步管理。

2.特权指令和CPU工作模式(www.xing528.com)

指令是控制计算机执行某种操作（如加、减、传送、转移等）的命令。一台计算机所能执行的全部指令的集合称作指令系统或指令集。不同型号的CPU有不同的指令集，也就是说，指令集与计算机系统密切相关，没有可移植性。

在指令集中，有一类指令具有特殊权限，称为特权指令，只用于操作系统或其他系统软件，普通用户不能直接使用。它主要用于系统资源的分配和管理，包括改变系统工作方式，检测用户的访问权限，控制I/O设备动作，等等。

大多数CPU都提供两种运行模式：内核态（又称核心态、系统态、管态）和用户态（又称目态）。这是为了保护操作系统程序（特别是其内核部分）免受用户程序的干扰和损害。当用户程序在机器上运行时，CPU处于用户态，其权限较低，只能执行非特权指令。当发生中断或者系统调用时，CPU状态就转为内核态，这样就可以执行操作系统的程序。此时，CPU具有较高的权限，可以执行机器指令集中的全部指令，包括特权指令。这样，在内核态下，操作系统就具有对所有硬件的完全访问权，从而实施有效的控制和管理。