一，机器指令

• 机器指令是计算机系统执行的基本命令，是中央处理器执行的基本单位

• 指令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、以及一些表征机器状态的状态字以及特征码

• 指令完成各种算术逻辑运算、数据传输、控制流跳转征码

1.1 指令执行过程

• CPU 根据 PC（程序计数器） 取出指令，放入 IR（指令暂存器），并对指令译码，然后发出各种控制命令，执行一系列的微操作，从而完成一条指令的执行

• 一种指令执行步骤如下：

  • 取指： 根据 PC，从存储器或高速缓冲存储器中取出指令，放到 IR 中

  • 解码：由译码器来解译 IR 当中的指令，以决定其执行的行为

  • 执行：连接到 CPU 的各个部件，执行运算，产生结果并写回。同时在 CC 位中设置运算结论标志。

    • 跳转指令会重新操作 PC

    • 其他指令则递增 PC 值

1.2 指令执行周期与指令流水线

• 指令执行周期

  

• 指令流水线

  

  • 在解码一指令的时候，取指二指令就开始了

  • 在执行一指令的时候，解码二指令和取指三指令就开始了

  • 极大地提高了 CPU 的处理效率

1.3 特权指令和非特权指令

• 用户程序并非能够使用全部机器指令，那些与计算机核心资源相关的特殊指令会被保护

  • 如：启动 I/O 指令、置 PC 指令等等

  • 核心资源相关的指令只能被操作系统程序使用

• 特权指令：只能被操作系统内核使用的指令

• 非特权指令：可以被所有程序使用的指令

二，处理器模式

操作系统如何实现特权指令和非特权指令在执行上的界分呢？

• 计算机通过设置处理器模式位，来实现特权指令管理

• 计算机一般设置 0、1、2、3 等四种运行模式，分别对应：

  • 0 操作系统内核

  • 1 系统调用

  • 2 共享库程序

  • 3 用户程序等保护级别

• 0 模式可以执行全部指令，3 模式只能执行非特权指令；其他每种模式可以规定执行的指令子集

• 一般来说，现代操作系统只使用了 0 和 3 两种模式，对应内核模式和用户模式

2.1 处理器模式的切换

• 简称模式切换，包括“用户模式 => 内核模式”和“内核模式 => 用户模式”的转换

• 中断、异常或系统异常等事件导致用户程序向 OS 内核切换，触发：用户模式 => 内核模式

  • 程序运行时发生并响应中断

  • 程序运行时发生异常

  • 程序请求操作系统服务

• OS 内核处理完成后，调用中断返回指令（如 intel 的 iret）触发：内核模式 => 用户模式