2025/4/181第2章處理器管理

2.1 中央處理器

2.2 中斷技術(shù)

2.3 進程及其實現(xiàn)2.4 線程及其實現(xiàn)

2.7 處理器調(diào)度2.8 處理器調(diào)度算法2025/4/1822.1 中央處理器

主要內(nèi)容：2.1.1處理器2.1.2程序狀態(tài)字

2025/4/1832.1.1處理器1、單處理器系統(tǒng)和多處理器系統(tǒng)2、寄存器3、特權(quán)指令和非特權(quán)指令4、處理器狀態(tài)

1、單處理器系統(tǒng)和多處理器系統(tǒng)串行和并行

早期計算機系統(tǒng)是基于單個處理器的順序處理機器，程序員編寫串行執(zhí)行的代碼，讓其在處理器上串行執(zhí)行，每條指令的執(zhí)行也是串行的（取指令、取操作數(shù)、執(zhí)行操作、存儲結(jié)果）提高計算機處理速度，首先發(fā)展起來的是聯(lián)想存儲器系統(tǒng)和流水線系統(tǒng)，前者提出了數(shù)據(jù)驅(qū)動的思想，后者解決了指令并行執(zhí)行問題，都是計算機并行化發(fā)展的例子2025/4/184

單處理器系統(tǒng)和多處理器系統(tǒng)(續(xù))

聯(lián)想存儲器：不按地址而按給定內(nèi)容的特征進行存取的存儲器聯(lián)想存儲器的特點是：①除有存儲功能外，還具有信息處理功能。它能根據(jù)送來內(nèi)容的特征查找存儲單元②對各個存儲單元并行進行查找，因而能顯著提高查找速度這些特點與人腦的“聯(lián)想”功能有所相似，因而被稱為聯(lián)想存儲器2025/4/185

單處理器系統(tǒng)和多處理器系統(tǒng)(續(xù))流水線技術(shù)：計算機中的流水線是把一個過程分解為若干個子過程，每個子過程與其他子過程并行進行由于這種工作方式與工廠中的生產(chǎn)流水線十分相似，因此稱為流水線技術(shù)2025/4/186

2025/4/187單處理器系統(tǒng)和多處理器系統(tǒng)(續(xù))計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類

按照Flynn分類法目前計算機系統(tǒng)可以分作以下四類：單指令流單數(shù)據(jù)流（SISD）單指令流多數(shù)據(jù)流（SIMD）向量機陣列機多指令流單數(shù)據(jù)流（MISD）多指令流多數(shù)據(jù)流（MIMD）共享內(nèi)存緊密耦合MIMD系統(tǒng)內(nèi)存分布松散耦合MIMD系統(tǒng)兩大類

2025/4/188單處理器系統(tǒng)和多處理器系統(tǒng)(續(xù))緊密耦合MIMD系統(tǒng)主從式系統(tǒng)MSP（Main/Slave

Multiprocessor）對稱式系統(tǒng)SMP（Symmetric

Multi-Processor）

單處理器系統(tǒng)和多處理器系統(tǒng)(續(xù))主從式系統(tǒng)基本思想：在一個特別的處理器上運行操作系統(tǒng)內(nèi)核，其他處理器上則運行用戶程序和操作系統(tǒng)例行程序，內(nèi)核負責分配和調(diào)度各個處理器，并向其他程序提供各種服務(wù)2025/4/189

2025/4/1810單處理器系統(tǒng)和多處理器系統(tǒng)(續(xù))對稱式多處理器系統(tǒng)基本思想：有兩個或兩個以上的處理器，操作系統(tǒng)內(nèi)核可以運行在任意一個處理器上每個處理器都可以自我調(diào)度運行的進程和線程，單個進程的多個線程可在不同處理器上同時運行操作系統(tǒng)內(nèi)核也被設(shè)計成多進程或多線程，內(nèi)核的各個部分可以并行執(zhí)行

單處理器系統(tǒng)和多處理器系統(tǒng)(續(xù))松散耦合MIMD系統(tǒng)每個處理單元都有一個獨立的內(nèi)存儲器，各個處理單元之間通過設(shè)定的線路或網(wǎng)絡(luò)通信多計算機系統(tǒng)集群（Cluster）系統(tǒng)2025/4/1811

單處理器系統(tǒng)和多處理器系統(tǒng)(續(xù))集群（Cluster）系統(tǒng)是一組互連的計算機系統(tǒng)，屬于分布式系統(tǒng)的一種集群操作系統(tǒng)也是分布式操作系統(tǒng)的一種集群系統(tǒng)運行時構(gòu)成統(tǒng)一的計算資源，給人以一臺機器的感覺集群系統(tǒng)中的每一臺計算機離開集群后自己可以獨立工作2025/4/1812

2025/4/18132、寄存器計算機系統(tǒng)的處理器包括一組寄存器其個數(shù)根據(jù)機型的不同而不同，它們構(gòu)成了一級存儲，比主存容量小，但訪問速度快這組寄存器所存儲的信息與程序的執(zhí)行有很大關(guān)系，構(gòu)成了處理器現(xiàn)場

寄存器(續(xù))這些寄存器可分成以下幾類：通用寄存器（EAX、EBX、ECX、EDX）指針及變址寄存器(ESP、EBP、ESI、EDI)段選擇寄存器(CS、DS、SS、ES、FS、GS)指令指針寄存器和標志寄存器(EIP、EFLAGS)控制寄存器(CR0、CR1、CR2、CR3)外部設(shè)備使用的寄存器數(shù)據(jù)寄存器或緩沖區(qū)狀態(tài)寄存器控制寄存器2025/4/1814

寄存器(續(xù))CPU和控制寄存器、數(shù)據(jù)寄存器及緩沖區(qū)之間的通信方式有三種：

為每個控制寄存器分配一個I/O端口號，通過使用核心態(tài)I/O指令，CPU可以讀寫端口把所有控制寄存器映射到主存空間，為每個寄存器分配唯一的主存地址，且與用戶的可用主存地址不重疊混合方式，既在主存空間開辟數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，而控制寄存器又有其單獨的I/O端口，基本過程如下：CPU讀取數(shù)據(jù)時，把所需數(shù)據(jù)地址放在地址總線上在控制總線上插入讀信號，同時另一條信號線表明數(shù)據(jù)來自I/O空間還是主存空間由相應(yīng)的對象（設(shè)備或主存）對請求作出響應(yīng)2025/4/1815

2025/4/18163、特權(quán)指令與非特權(quán)指令1.程序執(zhí)行的基本過程

計算機的基本功能是執(zhí)行程序，最終被執(zhí)行的程序是存儲在內(nèi)存中的機器指令程序處理器根據(jù)程序計數(shù)器(PC)從內(nèi)存中取指令到指令寄存器并執(zhí)行它，PC將自動增長或改變?yōu)檗D(zhuǎn)移地址指明下條執(zhí)行的指令

2025/4/1817特權(quán)指令與非特權(quán)指令(續(xù))2.指令功能分類

機器指令的集合稱指令系統(tǒng)，反映了一臺機器的功能和處理能力指令分為以下五類：(1)數(shù)據(jù)處理類指令：執(zhí)行算術(shù)和邏輯運算(2)轉(zhuǎn)移類指令：改變指令執(zhí)行序列，如無條件轉(zhuǎn)移、條件轉(zhuǎn)移等(3)數(shù)據(jù)傳送類指令：用于在處理器的寄存器和寄存器、寄存器和存儲器單元、存儲器單元和存儲器之間交換數(shù)據(jù)(4)移位與字符串指令：算術(shù)、邏輯、循環(huán)移位；字符串的傳送、比較、查詢、轉(zhuǎn)換(5)I/O類指令：用于啟動外圍設(shè)備，讓主存和外圍設(shè)備之間交換數(shù)據(jù)

2025/4/1818特權(quán)指令與非特權(quán)指令(續(xù))3.指令使用權(quán)限分類引入操作系統(tǒng)后，從資源管理和控制程序執(zhí)行的角度出發(fā)，必須把指令系統(tǒng)中的指令分作兩部分：特權(quán)指令非特權(quán)指令

特權(quán)指令與非特權(quán)指令(續(xù))特權(quán)指令是指只能提供給操作系統(tǒng)的核心程序使用的指令只有操作系統(tǒng)才能執(zhí)行指令系統(tǒng)中的全部指令（特權(quán)指令和非特權(quán)指令）用戶程序只能執(zhí)行指令系統(tǒng)中的非特權(quán)指令2025/4/1819

2025/4/1820特權(quán)指令與非特權(quán)指令(續(xù))如，置程序狀態(tài)字指令屬于特權(quán)指令啟動外圍設(shè)備進行輸入/輸出的指令也屬于特權(quán)指令，只能在操作系統(tǒng)程序中執(zhí)行，否則會出現(xiàn)多個用戶程序競爭使用外圍設(shè)備而導致I/O混亂設(shè)置時鐘、清空內(nèi)存、建立存儲鍵、加載psw等如果用戶程序試圖執(zhí)行特權(quán)指令，將會產(chǎn)生保護性中斷，轉(zhuǎn)交給操作系統(tǒng)的“用戶非法執(zhí)行特權(quán)指令”的特殊處理程序處理

2025/4/18214、處理器狀態(tài)中央處理器怎么知道當前是操作系統(tǒng)還是一般用戶程序在運行呢?依賴于處理器狀態(tài)的標志在執(zhí)行不同程序時，根據(jù)執(zhí)行程序?qū)Y源和機器指令的使用權(quán)限把處理器設(shè)置成不同狀態(tài)

處理器狀態(tài)(續(xù))處理器狀態(tài)分類處理器狀態(tài)又稱為處理器的運行模式有些系統(tǒng)把處理器狀態(tài)劃分為核心狀態(tài)管理狀態(tài)用戶狀態(tài)大多數(shù)系統(tǒng)把處理器狀態(tài)簡單劃分為管理狀態(tài)（特權(quán)狀態(tài)、系統(tǒng)模式、特態(tài)或管態(tài)）用戶狀態(tài)（目標狀態(tài)、用戶模式、常態(tài)或目態(tài)）2025/4/1822

處理器狀態(tài)(續(xù))處理器狀態(tài)與資源和機器指令使用權(quán)限的關(guān)系

當處理器處于管理狀態(tài)時，程序可以執(zhí)行全部指令，訪問所有資源，并具有改變處理器狀態(tài)的能力當處理器處于用戶狀態(tài)時，程序只能執(zhí)行非特權(quán)指令2025/4/1823

2025/4/1824處理器狀態(tài)(續(xù))IntelPentium的處理器狀態(tài)

0級為操作系統(tǒng)內(nèi)核級：處理I/O、存儲管理和其他關(guān)鍵操作1級為系統(tǒng)調(diào)用處理程序級：用戶程序可以通過調(diào)用這里的過程執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用，但是只有一些特定的和受保護的過程可以被調(diào)用2級為共享庫過程級：它可以被很多正在運行的程序共享，用戶程序可以調(diào)用這些過程，讀取它們的數(shù)據(jù)，但是不能修改它們3級為用戶程序級：受到的保護最少注意：各個操作系統(tǒng)在實現(xiàn)過程中可以根據(jù)具體策略有選擇地使用硬件提供的保護級別，如運行在Pentium上的Windows操作系統(tǒng)只使用了0級和3級

2025/4/1825處理器狀態(tài)(續(xù))處理器模式轉(zhuǎn)換

用戶狀態(tài)向管理狀態(tài)的轉(zhuǎn)換管理狀態(tài)向用戶狀態(tài)的轉(zhuǎn)換每臺計算機通常會提供一條特權(quán)指令稱作加載程序狀態(tài)字IBM370提供LPSW（LoadPSW）指令I(lǐng)ntelx86為IRET指令

2025/4/1826處理器狀態(tài)(續(xù))用戶狀態(tài)向管理狀態(tài)的轉(zhuǎn)換

下面兩種情況會導致從用戶狀態(tài)向管理狀態(tài)的轉(zhuǎn)換一是程序請求操作系統(tǒng)服務(wù)，執(zhí)行一條系統(tǒng)調(diào)用二是程序運行時，產(chǎn)生了一個中斷事件，運行程序被中斷，讓中斷處理程序工作這兩種情況都是通過中斷機構(gòu)發(fā)生的中斷是目態(tài)到管態(tài)轉(zhuǎn)換的唯一途徑當系統(tǒng)響應(yīng)中斷交換程序狀態(tài)字時，處理中斷事件的處理程序的程序狀態(tài)字的處理器狀態(tài)位一定為“管態(tài)”

2025/4/18272.1.2程序狀態(tài)字寄存器計算機如何知道當前處于何種工作狀態(tài)這時能否執(zhí)行特權(quán)指令？通常操作系統(tǒng)都引入程序狀態(tài)字PSW（ProgramStatusWord）來區(qū)別不同的處理器工作狀態(tài)

程序狀態(tài)字寄存器(續(xù))PSW寄存器包括的內(nèi)容

每個正在執(zhí)行的程序都有一個與其執(zhí)行相關(guān)的PSW，而每個處理器都設(shè)置一個程序狀態(tài)字寄存器2025/4/1828

程序狀態(tài)字寄存器(續(xù))程序狀態(tài)字寄存器一般包括以下內(nèi)容：程序基本狀態(tài)：程序計數(shù)器：指明下一條執(zhí)行的指令地址條件碼：表示指令執(zhí)行的結(jié)果狀態(tài)處理器狀態(tài)位：指明當前的處理器狀態(tài)，如目態(tài)或管態(tài)、運行或等待中斷碼：保存程序執(zhí)行時當前發(fā)生的中斷事件中斷屏蔽位:指明程序執(zhí)行中發(fā)生中斷事件時，是否響應(yīng)出現(xiàn)的中斷事件

注意：大多數(shù)計算機的處理器現(xiàn)場中可能找不到一個稱為程序狀態(tài)字寄存器的具體寄存器，但總是有一組控制與狀態(tài)寄存器實際上起到了這一作用2025/4/1829

2025/4/1830程序狀態(tài)字寄存器(續(xù))IBM360/370系列計算機程序狀態(tài)字的基本格式

8位系統(tǒng)屏蔽（0~7位）：表示允許或禁止某個中斷事件發(fā)生4位保護鍵（8~11位）：設(shè)置存儲器保護時，PSW中的這4位保護鍵與欲訪問的存儲區(qū)的存儲鍵相匹配，否則指令不能執(zhí)行4位CMWP字段（12~15位）：PSW基本/擴充控制方式位、開/關(guān)中斷位、運行/等待位、目態(tài)/特態(tài)位16位中斷碼字段：與中斷事件對應(yīng)，記錄當前產(chǎn)生的中斷源指令長（32，33位）：01/10/11分別表示半字長指令、整字長指令、和一字半長指令條件碼（34，35位）4位程序屏蔽（36~39位）：表示允許或禁止程序性中斷24位指令地址（40~63位）

2025/4/1831程序狀態(tài)字寄存器(續(xù))

XXXXXXXXXXXXXXXX8位系統(tǒng)屏蔽4位CMWP字段4位程序屏蔽4位保護鍵16位中斷碼字段指令長和條件碼24位指令地址

2025/4/1832程序狀態(tài)字寄存器(續(xù))Intelx86的程序狀態(tài)字

由標志寄存器EFLAGS和指令指針寄存器EIP組成，均為32位指令指針寄存器EIP的低16位稱為IP，存放下一條順序執(zhí)行的指令相對于當前代碼段開始地址的一個偏移地址EFLAGS的低16位稱FLAGS，可當作一個單元來處理標志可劃分為：狀態(tài)標志控制標志系統(tǒng)標志

程序狀態(tài)字寄存器(續(xù))狀態(tài)標志使得一條指令的執(zhí)行結(jié)果影響后面的指令OF(溢出標志)SF(符號標志)ZF(結(jié)果為零標志)AF(輔助進位標志)CF(進位標志)PF(奇偶校驗標