處理器與寄存器
處理器部件的簡單示意
用戶程序可見寄存器
可以使程序員減少訪問主存儲器的次數，提高指令執行的效率,所有程序可使用，包括應用程序和系統程序
- 數據寄存器：又稱通用寄存器
- 地址寄存器：索引、棧指針、段地址等寄存器
控制與狀態寄存器
用於控制處理器的操作；主要被具有特權的操作系統程序使用，以控制程序的執行,程序計數器PC：存儲將取指令的地址,指令寄存器IR：存儲最近使用的指令,條件碼CC：CPU為指令操作結果設置的位，標志正/負/零/溢出等結果,標志位：中斷位、中斷允許位、中斷屏蔽位、處理器模式位、內存保護位、...，等
程序狀態字PSW
PSW既是操作系統的概念，指記錄當前程序運行的動態信息，通常包含：程序計數器，指令寄存器，條件碼,中斷字，中斷允許/禁止，中斷屏蔽，處理器模式，內存保護、調試控制
PSW也是計算機系統的寄存器,通常設置一組控制與狀態寄存器,也可以專設一個PSW寄存器
指令與處理器模式
機器指令
機器指令是計算機系統執行的基本命令，是中央處理器執行的基本單位,指令由一個或多個字節組成，包括操作碼字段、一個或多個操作數地址字段、以及一些表征機器狀態的狀態字以及特征碼,指令完成各種算術邏輯運算、數據傳輸、控制流跳轉
指令執行過程
CPU根據PC取出指令，放入IR，並對指令譯碼，然后發出各種控制命令，執行微操作系列，從而完成一條指令的執行
一種指令執行步驟如下：
- 取指：根據PC從存儲器或高速緩沖存儲器中取指令到IR
- 解碼：解譯IR中的指令來決定其執行行為
- 執行：連接到CPU部件，執行運算，產生結果並寫回，同時在CC里設置運算結論標志；跳轉指令操作PC，其他指令遞增PC值
特權指令與非特權指令
用戶程序並非能夠使用全部機器指令，那些與計算機核心資源相關的特殊指令會被保護,如：啟動I/O指令、置PC指令、等等,核心資源相關的指令只能被操作系統程序使用
- 特權指令：只能被操作系統內核使用的指令
- 非特權指令：能夠被所有程序使用的指令
處理器模式
計算機通過設置處理器模式實現特權指令管理,計算機一般設置0、1、2、3等四種運行模式，建議分別對應：0操作系統內核、1系統調用、2共享庫程序、3用戶程序等保護級別,0模式可以執行全部指令；3模式只能執行非特權指令；其他每種運行模式可以規定執行的指令子集,一般來說，現代操作系統只使用0和3兩種模式，對應於內核模式和用戶模式,處理器模式的切換,簡稱模式切換，包括“用戶模式→內核模式”和“內核模式→用戶模式”的轉換
中斷、異常或系統異常等事件導致用戶程序向OS內核切換，觸發：用戶模式→內核模式:程序請求操作系統服務,程序運行時發生異常,程序運行時發生並響應中斷;OS內核處理完成后，調用中斷返回指令（如Intel的iret）觸發：內核模式→用戶模式
中斷
中斷的概念
中斷是指程序執行過程中，遇到急需處理的事件時，暫時中止CPU上現行程序的運行，轉去執行相應的事件處理程序，待處理完成后再返回原程序被中斷處或調度其他程序執行的過程,操作系統是“中斷驅動”的；換言之，中斷是激活操作系統的唯一方式,中斷有廣義和狹義之分，上述中斷是指廣義的中斷
中斷、異常與系統異常
- 狹義的中斷指來源於處理器之外的中斷事件，即與當前運行指令無關的中斷事件，如I/O中斷、時鍾中斷、外部信號中斷等
- 異常指當前運行指令引起的中斷事件，如地址異常、算術異常、處理器硬件故障等
- 系統異常指執行陷入指令而觸發系統調用引起的中斷事件，如請求設備、請求I/O、創建進程等
陷入指令：也稱訪管指令，或異常中斷指令，計算機系統為實現系統調用而引起處理器中斷的指令
中斷源–處理器硬件故障中斷事件
由處理器、內存儲器、總線等硬件故障引起,處理原則為：保護現場，停止設備，停止CPU，向操作員報告，等待人工干預
中斷源-程序性中斷事件
處理器執行機器指令引起,除數為零、操作數溢出等算術異常：簡單處理，報告用戶；也可以由用戶編寫中斷續元程序處理,非法指令、用戶態使用特權指令、地址越界、非法存取等指令異常：終止進程,終止進程指令：終止進程,虛擬地址異常：調整內存后重新執行指令
中斷源-自願性中斷事件
處理器執行陷入指令請求OS服務引起；在操作系統中，它一般又被稱作系統調用,請求分配外設、請求I/O、等等,處理流程是：陷入OS，保護現場，根據功能號查入口地址，跳轉具體處理程序
中斷源-I/O中斷事件
來源於外圍設備報告I/O狀態的中斷事件,I/O完成：調整進程狀態，釋放等待進程,I/O出錯：等待人工干預,I/O異常：等待人工干預
中斷源-外部中斷事件
由外圍設備發出的信號引起的中斷事件,時鍾中斷、間隔時鍾中斷：記時與時間片處理,設備報到與結束中斷：調整設備表,鍵盤/鼠標信號中斷：根據信號作出相應反應,關機/重啟動中斷：寫回文件，停止設備與CPU