1、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,第2章 處理器管理,主要內(nèi)容： 單處理器系統(tǒng)和多處理器系統(tǒng) 寄存器 特權(quán)指令與非特權(quán)指令 處理器狀態(tài) 程序狀態(tài)字,2.1中央處理器,進程可以被調(diào)度在一個處理器上交替執(zhí)行（并發(fā)），或在多個處理器上同時執(zhí)行(并行)。交替執(zhí)行和同時執(zhí)行都是并發(fā)的類型。,一、單處理器系統(tǒng)和多處理器系統(tǒng)(1),計算機系統(tǒng)的核心是中央處理器。 1.單處理器系統(tǒng)：一個計算機系統(tǒng)只包括一個運算處理器。 2.多處理器系統(tǒng)：一個計算機系統(tǒng)有多個運算處理器。 3.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

2、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，發(fā)展了流水線系統(tǒng)，以至于發(fā)射體系結(jié)構(gòu)，計算機向并行化發(fā)展。,一、單處理器系統(tǒng)和多處理器系統(tǒng)(2),4.計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類 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）：一個處理器在一個存儲器中的數(shù)據(jù)上執(zhí)行單條指令流。,單指令流多數(shù)據(jù)流（SIMD）：單條指令流控制多個處理單元同時執(zhí)行，每個處理單元包括處理器和相關(guān)的數(shù)據(jù)存儲，一條指令控制了不同的處理器對不同的數(shù)據(jù)進行操作。向量機和陣列機是這類計算機系統(tǒng)的代表 。 SIMD 在一臺SIMD計

3、算機中，有一個控制部件（又稱為控制單元，control unit）和許多處理單元（processing unit）。大量的處理單元通常構(gòu)成陣列，因此SIMD計算機有時也稱為陣列處理機。所有的處理單元在控制部件的統(tǒng)一控制下工作?？刂撇考蛩械奶幚韱卧獜V播同一條指令，所有的處理單元同時執(zhí)行這條指令，但是每個處理單元操作的數(shù)據(jù)不同?？刂撇考梢杂羞x擇地屏蔽掉一些處理單元，被屏蔽掉的處理單元不執(zhí)行控制部件廣播的指令。,一、單處理器系統(tǒng)和多處理器系統(tǒng)(2),多指令流單數(shù)據(jù)流（MISD）：一個數(shù)據(jù)流被傳送給一組處理器，通過這一組處理器上的不同指令操作最終得到處理結(jié)果。 不同的處理器按照不同的模式來協(xié)同處

4、理同一組數(shù)據(jù)，期望以最快最好的方式得到結(jié)果。 目前正在研究中,一、單處理器系統(tǒng)和多處理器系統(tǒng)(3),多指令流多數(shù)據(jù)流（MIMD）：多個處理器對各自不同的數(shù)據(jù)集同時執(zhí)行不同的指令流?？梢园袽IMD系統(tǒng)劃分為共享內(nèi)存緊密耦合MIMD系統(tǒng)和內(nèi)存分布松散耦合MIMD系統(tǒng)兩大類。 根據(jù)處理器分配策略，緊密耦合MIMD系統(tǒng)可以分為主從式系統(tǒng)MSP（Main/Slave Multiprocessor）和對稱式系統(tǒng)SMP（Symmetric Multi-Processor）兩類。 主從式系統(tǒng)(MSP)基本思想是：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(fù)責(zé)分配和

5、調(diào)度各個處理器，并向其他程序提供各種服務(wù)。,一、單處理器系統(tǒng)和多處理器系統(tǒng)(4),在對稱式多處理器系統(tǒng)(SMP)中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。 在松散耦合MIMD系統(tǒng)中，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，集群（Cluster）系統(tǒng)都是松散耦合MIMD系統(tǒng)的例子。 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)

6、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。,一、單處理器系統(tǒng)和多處理器系統(tǒng)(5),單指令流單數(shù)據(jù)流（SISD）：傳統(tǒng)的計算機系統(tǒng)。 單指令流多數(shù)據(jù)流（SIMD）和多指令流多數(shù)據(jù)流（MIMD）都屬于并行計算機！ 多指令流單數(shù)據(jù)流（MISD）：目前并沒有一致公認(rèn)的定義，相關(guān)的研究仍然存在爭議,二、寄存器 (1),計算機系統(tǒng)的處理器包括一組寄存器，用于存放數(shù)據(jù)、變量和中間結(jié)果，其個數(shù)根據(jù)處理器型號的不同而不同，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。 每一

7、個進程被暫時中止執(zhí)行時，操作系統(tǒng)就要保存相關(guān)的信息（包括處理器現(xiàn)場）以保證未來某個時刻，該進程可以繼續(xù)執(zhí)行。 這些寄存器可分成以下幾類： 通用寄存器 指針及變址寄存器,段選擇符寄存器 I/O地指令指針址寄存器和標(biāo)志寄存器 控制寄存器：存放處理器的控制和狀態(tài)信息，至少包括程序計數(shù)器PC和指令寄存器IR，中斷寄存器以及用于存儲器和I/O模塊控制的寄存器。還有存放將被訪問的存儲單元地址的存儲器地址寄存器，以及存放從存儲器讀出或欲寫入的數(shù)據(jù)的存儲器數(shù)據(jù)寄存器。 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,CPU和控制寄存器、數(shù)據(jù)寄存器以及緩沖寄存器中的通信方式有三種： 為每一個控

8、制寄存器分配一個I/O端口，通過使用核心態(tài)I/O指令，CPU可以讀寫該端口。 把所有的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)，而控制寄存器也有其單獨的I/O端口。 （1）CPU讀取數(shù)據(jù)時，把所需的數(shù)據(jù)地址（主存地址或者I/O端口）放在地址總線上。 （2）在控制總線上插入讀信號，同時另一條信號線標(biāo)明數(shù)據(jù)來自I/O空間還是主存空間； （3）由相應(yīng)的對象（設(shè)備或主存）對請求做出響應(yīng)。,三、特權(quán)指令與非特權(quán)指令 (1),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

9、。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。 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)。,三、特權(quán)指令與非特權(quán)指令 (2),(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

10、間交換數(shù)據(jù)。 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)指令和非特權(quán)指令。 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，如啟動I/O設(shè)備、設(shè)置時鐘、控制中斷屏蔽位、清內(nèi)存、建立存儲鍵，加載PSW（程序狀態(tài)字）等。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。,三、特權(quán)指令與非特權(quán)指令 (3),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(dǎo)致I/O混亂。 如

11、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。,中央處理器怎么知道當(dāng)前是操作系統(tǒng)還是一般用戶程序在運行呢?這將依賴于處理器狀態(tài)的標(biāo)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)。 1.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，一般的系統(tǒng)把處理器狀態(tài)簡單劃分為核心狀態(tài)（特權(quán)狀態(tài)、系統(tǒng)模式、特態(tài)或管態(tài)）和用戶狀態(tài)（目標(biāo)狀態(tài)、用戶模式、常態(tài)或目態(tài)）。 2.處理器狀態(tài)與資源和機器指令使用權(quán)限的關(guān)系 當(dāng)處理器處于核心狀態(tài)時，運行可信軟件，程序可以執(zhí)行全部指令，訪問所有主存和系統(tǒng)資源，并具有改變處理器

12、狀態(tài)的能力；當(dāng)處理器處于用戶狀態(tài)時，運行非可信軟件，程序只能執(zhí)行非特權(quán)指令，只能訪問當(dāng)前CPU執(zhí)行的進程的地址空間。 處理器模式位擴展了操作系統(tǒng)的保護權(quán)限，意味著在核心態(tài)執(zhí)行的程序有比用戶態(tài)更多的權(quán)限去訪問主存和執(zhí)行特權(quán)指令，所以模式位被用來區(qū)分可信與非可信軟件。,4 處理器狀態(tài),3. Intel x86 的處理器狀態(tài) Intel x86 的處理器狀態(tài)有四種，支持4個保護級別，0級權(quán)限最高，3級權(quán)限最低 。 一般典型的應(yīng)用把4個特權(quán)級別依次設(shè)定為： 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

13、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。,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x86上的Windows操作系統(tǒng)只使用了0級和3級。 4.處理器狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換 (1)用戶狀態(tài)向核心狀態(tài)的轉(zhuǎn)換 下面兩種情況會導(dǎo)致從用戶狀態(tài)向核心狀態(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（或者異常）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（異常）是用戶態(tài)

14、到核心態(tài)轉(zhuǎn)換的唯一途徑。當(dāng)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“核心態(tài)”。,四、處理器狀態(tài)(4),(2)核心狀態(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LPSW（Load PSW），用來實現(xiàn)操作系統(tǒng)向用戶程序的轉(zhuǎn)換。 加載程序狀態(tài)字指令的作用：把哪個程序的程序狀態(tài)字加載到程序狀態(tài)字寄存器中，就意味著該程序獲得CPU控制權(quán)執(zhí)行。,四、處理器狀態(tài)(5),進程切換的完整過程 簡化的：,進程1 CPU（用戶態(tài)）,中斷,中斷,內(nèi)核 CPU（核心態(tài)）,加載程序狀態(tài)字,進程2 CPU（用戶態(tài)）,進程1 CPU（用戶態(tài)）,進程2 CP

15、U（用戶態(tài)）,五、程序狀態(tài)字寄存器,計算機如何知道當(dāng)前處于何種狀態(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（Program Status Word）來區(qū)別不同的處理器狀態(tài)。 1. 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（07位）：表示允許或禁止某個中斷事件發(fā)生。 4位保護鍵（811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（1215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(dāng)前產(chǎn)生的中斷源。,指令長（32，

16、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（3639位）：表示允許或禁止程序性中斷。 24位指令地址（4063位）,2.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。 程序狀態(tài)字寄存器一般包括以下內(nèi)容： (1)狀態(tài)標(biāo)志 (2)控制標(biāo)志 (3)系統(tǒng)標(biāo)志,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。 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。 3. Intel x86的程序狀態(tài)字 在Intel x86中，PSW由標(biāo)志寄存器EFLAGS和指令指針寄存器EIP組成，均為32位。EFLAGS的低16位稱FLAGS，標(biāo)志可劃分為三組：狀態(tài)標(biāo)志、控制標(biāo)志、系統(tǒng)標(biāo)志。 狀態(tài)標(biāo)志：使得一條指令的執(zhí)行結(jié)果影響后面的指令。算術(shù)運算指令使用溢出標(biāo)志，符號標(biāo)志，結(jié)果為零標(biāo)志，輔助進位標(biāo)志，進位標(biāo)志，奇偶校驗標(biāo)