特权与非特权指令，处理器内部结构，处理器状态及其转换

处理器是啥？

什么是处理器呢？先插入一个处理器的结构图，看看他长啥样

CPU 的核心是从程序或应用程序获取指令并执行计算，CPU从系统的主存（内存）中提取指令，然后解码该指令的实际内容，然后再由 CPU 的相关部分执行该指令。

看到上面的图片，我们可以知道：从功能来看，CPU 的内部由寄存器、控制器、运算器和时钟四部分组成，各部分之间通过电信号连通。

• 寄存器是中央处理器内的组成部分。它们可以用来暂存指令、数据和地址。可以将其看作是内存的一种。根据种类的不同，一个 CPU 内部会有 20 - 100个寄存器。
• 控制器负责把内存上的指令、数据读入寄存器，并根据指令的结果控制计算机
• 运算器负责运算从内存中读入寄存器的数据
• 时钟 负责发出 CPU 开始计时的时钟信号

在 CPU 的四个结构中，我们程序员只需要了解寄存器就可以了，其余三个不用过多关注，为什么这么说？因为程序是把寄存器作为对象来描述的。看下面的图片：

下面对各个寄存器进行说明：

1.程序计数器(Program Counter)：是用来存储下一条指令所在单元的地址。

程序执行时，PC的初值为程序第一条指令的地址，在顺序执行程序时，控制器首先按程序计数器所指出的指令地址从内存中取出一条指令，然后分析和执行该指令，同时将PC的值加1指向下一条要执行的指令。

我们还是以一个事例为准来详细的看一下程序计数器的执行过程：

这是一段进行相加的操作，程序启动，在经过编译解析后会由操作系统把硬盘中的程序复制到内存中，示例中的程序是将 123 和 456 执行相加操作，并将结果输出到显示器上。

地址 0100 是程序运行的起始位置。Windows 等操作系统把程序从硬盘复制到内存后，会将程序计数器作为设定为起始位置 0100，然后执行程序，每执行一条指令后，程序计数器的数值会增加1（或者直接指向下一条指令的地址），然后，CPU 就会根据程序计数器的数值，从内存中读取命令并执行，也就是说，程序计数器控制着程序的流程。

2.标志寄存器（Program Status Word）：区别不同的处理器工作状态

每个程序都有一个与其执行相关的PSW（即程序状态字），每个处理器都设置一个PSW寄存器。程序占有处理器执行，它的PSW将占有PSW寄存器

特权指令和非特权指令：

对处理器就简单的介绍完了，那接下来要说一下，什么是特权指令和非特权指令

计算机的机器指令的集合称指令系统；指令系统包括数据处理类指令，转移类指令，数据传送类指令，移位与字符串指令，I/O类指令；我们从从资源管理和控制程序执行的角度出发，把指令系统中的指令分作两部分：特权指令和非特权指令；特权指令是指只能提供给操作系统的核心程序使用的指令，如启动I/O设备、设置时钟、控制中断屏蔽位、清主存、建立存储键，加载PSW等。 应用程序只能使用非特权指令。

内核态和用户态：

处理器怎么知道当前是操作系统还是一般用户程序在运行呢?

处理器状态标志: 管理状态（核心状态、特态或管态）和用户状态（目标状态、常态或目态)。

处理器处于管理状态时，程序可以执行全部指令，使用所有资源，具有改变处只能执行非特权指令

处理器状态的转换：用户态-->内核态

中断和异常是用户态到内核态转换仅有的途径