操作系统硬件基础：处理器与I/O交互

"本文档探讨了操作系统与硬件环境的关系，特别是处理器在I/O操作中的角色。其中，处理器提供I/O相关指令来实现I/O操作，包括控制指令、状态指令和数据传送指令。然而，这种程序控制I/O技术会导致处理器频繁轮询I/O单元状态，降低系统性能。此外，文档还提到了计算机系统硬件的基础知识，如中央处理器（CPU）、存储系统、中断机制和I/O系统。CPU结构的发展，从80486到Pentium Pro，以及现代双核CPU的设计，如AMD和Intel的对比，都是讲解的重点。" 操作系统硬件基础的讨论中，中央处理器（CPU）是关键组件之一，它负责执行指令并协调整个系统的运行。在I/O操作中，CPU通过提供特定的I/O指令来与外围设备交互。这些指令包括： 1. **控制指令**：这些指令用于启动和控制外部设备，指示设备执行特定的操作。 2. **状态指令**：CPU使用这些指令检查I/O设备的状态，例如设备是否准备好进行数据传输，或者是否存在错误。 3. **数据传送指令**：数据在CPU和I/O设备之间传输时，这些指令负责管理和执行实际的数据移动。 然而，程序控制I/O方式存在一个问题，即处理器必须不断检查I/O设备的状态，这消耗了大量的处理时间，降低了系统的整体效率。为了改善这种情况，后来发展出了中断机制和其他高级I/O技术，如DMA（直接内存访问），以减轻处理器的负担。 存储系统是另一个关键部分，包括高速缓存（L1和L2缓存），它们提高了CPU访问数据的速度。例如，Pentium Pro的结构显示了从16KB到512KB的二级高速缓存的增长，这是为了进一步提升性能。 中断机制允许CPU在执行其他任务时被外部事件（如I/O操作完成）中断，然后在适当的时候恢复原任务，提高了处理效率。中断处理通常涉及中断处理单元和中断向量表。 I/O系统由控制器、适配器、磁盘、显示器、键盘、网络等设备组成，它们通过总线与CPU和内存相连。北桥和南桥芯片组在主板上扮演着协调角色，北桥主要负责高速数据传输，而南桥则管理低速I/O设备。 操作系统设计者需要考虑硬件特性，如CPU的特权级别和保护机制，以确保安全性和稳定性。这些硬件基础对理解操作系统如何管理资源和与硬件交互至关重要。