《《微机与操作系统贯通教程》CPU与进程管理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《微机与操作系统贯通教程》CPU与进程管理（38页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、LOGO新世纪高职高专实用规划教材 微机与操作系统贯通教程王宝军 著 清华大学出版社第4章 CPU与进程管理4.1 80x86 CPU4.2 进程的概念及描述4.3 进程控制与通信4.4 进程同步和死锁v 学习目的与要求CPU是微机系统中最珍贵的核心资源，而Intel 80x86系列CPU一直是微机市场中 的主流产品。现代多任务操作系统中，CPU管理的主要任务是以进程为单位对 CPU资源实施分配和有效管理，因而对CPU的管理可归结为对进程的管理。本章 首先介绍8086/8088 CPU的引脚信号、工作方式、操作时序以及80x86 CPU的性 能特点；然后引入进程概念，介绍进程描述、基本状态、进
2、程控制与通信、进 程同步及其实现、死锁及其对抗等内容。通过本章的学习和上机操作，对80x86 CPU乃至微机的原理、工作特性以及多道程序环境下的进程管理等都将会有更深 刻的理解，并能利用Windows任务管理器、系统监视器、系统信息查看和任务计 划来监视、管理进程与任务。 4.1 80x86 CPU主要内容1. 8086/8088引脚信号2. 8086/8088工作方式3. 8086/8088操作时序4. 80486和Pentium重点关注： 8086/8088引脚基本功能及最大和最小工作方式的连接 8086/8088总线读写访问周期及系统复位操作1. 8086/8088引脚信号（一）（1）8
3、086/8088 CPU芯片引脚图CPU负责微机系统中绝大部分的控制与执行工作，其本身的工作效率基本 上决定了整机的速度与性能，主要指标有：主频、外频、工作电压、制造工艺 以及地址线宽度、数据线宽度、高速缓存（Cache）容量等。 n8086/8088 CPU为双列直插式 封装、共40个引脚的大规模集 成芯片。 n由于引脚数目的限制，部分 引脚具有双重功能，这部分引 脚有两种工作方式：一种是分 时工作，即在总线周期的不同 时间其引脚功能不同；另一种 是按不同模式进行工作，即在 最小方式或最大方式下其引脚 功能不同。说 明1. 8086/8088引脚信号（二）（2）8086/8088主要引脚信号
4、nAD15AD0地址/数据分时共用引脚 nA19/S6A16/S3地址/状态分时共用 n /S7高8位数据线允许/状态共用 nCLK时钟输入信号（由8284提供） n 读信号（读内存或I/O设备） nREADY准备就绪信号（输入） nINTR可屏蔽中断请求输入信号 nNMI非屏蔽中断请求输入信号 nRESET系统复位输入信号 n 测试输入信号 n 最小/最大方式选择信号 nVcc+5V电源 nGND接地信号 由于8086/8088既可以字操作，也可 以字节操作，所以CPU连接的内存分 为偶地址体和奇地址体，低8位数据 线连接偶地址体，高8位数据线连接 奇地址体，由AD0和 组合选择。 注意：A
5、D0作用 00同时传送偶地址开始 的2Byte(AD15AD0) 01传送奇地址单元的 1Byte(AD15AD8) 10传送偶地址单元的 1Byte(AD7AD0) 11无操作2. 8086/8088工作方式（一）（1）最小工作方式当CPU只需连接小容量存储器和少量 外部设备时，由于系统规模小、负载轻， 可直接使用CPU控制信号线作为系统控制 线，而不需要外接总线控制器，系统中的 总线控制电路被减到最少，即工作在最小 方式下（ 引脚接+5V） 。n 中断响应输出信号 n ALE地址锁存输出信号 n 数据允许输出信号 n 数据发送与接收输出信号 n 内存与I/O设备选择输出信号 n 写命令输出
6、信号 nHOLD总线保持请求输入信号 nHLDA总线保持响应输出信号 2. 8086/8088工作方式（二）（2）最大工作方式如果8086/8088应用于 中等规模或大型系统中，往 往需要连接较大容量的内存 和较多数量的外设，而且除 了主处理器CPU外，还要求 包含一个或多个协处理器（ 如8087等），从而构成多 微处理器系统，以提高处理 能力。此时，8086/8088 按 最大工作方式（ 引脚 接地）与外部电路相连，通 过8288总线控制器将CPU 状态信号进行译码产生相应 控制信号，既提高了总线负 载能力，还可以使8087共 享总线。3. 8086/8088操作时序（一）（1）基本概念计算
7、机一旦加电，CPU所有操作都在时钟脉冲信号CLK的统一控制下进行。 在8086/8088系统中，CLK信号由时钟发生器8284A产生。每个时钟脉冲都有相 同的时间跨度，称为一个时钟周期。相应地，该CPU的时钟频率=1/T，也就是 CPU的主频。CPU通过总线与内存或外设完成一次数据通信所需要的时间称为总 线周期，或称为机器周期，一个基本总线周期由4个时钟周期（即4个T状态）组 成。执行一条8086/8088指令所需的时间称为一个指令周期。对于那些通过总线 访问数据的指令来说，一个指令周期由若干个总线周期组成。 时钟周期T1T2T3TwT4T1T2T3T4总线周期总线周期指令周期T CL K3.
8、 8086/8088操作时序（二）（2）总线读/写操作时序8086在最大工作方式下，基本总线周期由4个时钟周期组成，称为T1、T2、 T3、T4状态。但是，对于低速存储器或外设，可能在规定的时间内未能准备好 CPU需要读取的数据，或者未能将CPU输出的数据写入完成，则可以在T3和T4 状态之间插入一个或多个等待状态Tw。 T1 状态 T2 状态 T3 状态 T4 状态 Tw 状态 由8086送出20位 地址到A19 A16、AD15 AD0，锁存地址 信息后输出到地 址总线上。 多路转换开关将 AD15AD0上 的地址撤消，切 换成数据总线， 为读写数据做准 备。 采样READY或 BUSY信
9、号，若为 有效则读入或写出 数据，进入T4状态 ；若无效则插入等 待周期Tw。 完成本次总线 数据传送，恢 复各信号线的 初始状态，准 备执行下一个 总线周期。 3. 8086/8088操作时序（三）（3）系统复位与启动操作n复位信号RESET用于初启或重启系统，有效的RESET信号是一个至少维持4个 时钟周期的高电平。当RESET由高电平向低电平跳变时触发CPU内部复位逻辑 电路，终结CPU的其他所有操作，进行一系列的复位操作，直到RESET变为低 电平，一般历时7个时钟周期。 n在复位时，CPU内部各寄存器及指令队列被初始化，除CS为FFFFH外，其他所 有寄存器全部清0。因此，复位后CP
10、U读取的第一条指令存放在FFFF:0000H地址 （即物理地址为FFFF0H）的单元中，显然这是ROM BIOS空间（FE000H起始的 8KB）中的单元，通常该单元存放了一条无条件转移指令，使CPU转移到BIOS中 的系统启动程序入口，随后启动计算机。 n由于复位时FLAG也被清0而处于关中断状态（IF=0），所以系统初始化时，系 统软件应立即用STI指令来开放中断。计算机初启时也是先产生RESET信号使系 统总清的；当电源达到额定电压值后，稳定的电源信号使RESET为低电平。 在8086/8088获得巨大成功之后，Intel公司又相继推出了80286、80386、80486、 Pentiu
11、m、Pentium 、Pentium 、Pentium 等一系列CPU。尽管著名的CPU生产商还 有AMD、Cyrix等多家，但Intel CPU一直是微机市场中的主流产品。下面重点介绍微处理 器技术演变过程中取得突破性进展的Intel 80486和Pentium CPU。 4. 80486和Pentium CPU（一）（1）80486 CPUn首次集成浮点数值协处理器和一个8KB的代码/数据高速缓冲存储器（Cache）。 n指令系统首次采用RISC（精简指令集计算机）思想设计，使80486既与以往的CISC CPU兼容，又具有RISC类微处理器的特色，核心指令只需1个时钟周期即可完成。 n在
12、总线接口部件中设有突发式总线控制和Cache控制电路，支持CPU能在突发式总 线周期中，几乎以每个时钟周期传送1个字（4B）的速度连续从主存或外部Cache读 取指令或数据，送入内部Cache。重大技术改进：80486是Intel公司在80386基础上推出的第二代32位微处理器，其内部寄存器及外部 数据总线、地址总线都是32位。 n由9大功能部件组成：总线接口部件（BIU）、指令预取部件、指令译码器、算术与 逻辑运算部件（ALU）、浮点运算部件、分段部件、分页部件、8KB Cache部件以及 控制和保护部件。 n总线接口部件、指令预取部件、指令译码部件和执行部件构成了指令流水线。地址 流水线具
13、体体现在有效地址的形成、逻辑地址到线性地址的转换、线性地址到物理地 址的转换三个动作的重叠进行中。 内部结构与流水线技术：4. 80486和Pentium CPU（二）（2）Pentium CPUPentium CPU主要由总线接口部件、分页部件、片内Cache、控制部件、执行部件、 浮点部件、分支目标缓冲器等部件组成。其主要技术特点是： n内部采用32位结构，但其64位的外部数据总线及64位、128位、256位宽度可变的内 部数据通道使CPU的内外部数据传输能力增强不少。 n采用超标量双流水线结构（U和V），这使得一个时钟周期内可执行2条指令。 n内部设置了程序和数据完全分开的两个8KB C
14、ache，减少了冲突。 n对MOV、PUSH、DEC、INC等常用指令不用微程序而用硬件实现。 n采用分支预测技术，提高流水线效能。 n浮点运算执行过程分为8个流水步级，且常用的浮点指令也采用硬件实现。n实地址模式在加电或复位时被初始化为实地址模式，它与8086具有相同的存储空 间和管理方式，最大寻址空间为1MB。 n保护模式在保护模式下能支持4GB物理内存空间，并借助于存储管理部件MMU的 功能将磁盘等存储设备有效地映射到内存，使程序可在64TB的虚拟存储器空间中运行 ，为现代多任务操作系统的顺利运行提供了强大的硬件基础。 n虚拟8086模式这是实地址和保护模式的结合，可执行8086应用程序
15、的同时使用分 页技术，将1MB空间分为256个页面，每页4K，并映射到整个4GB的线性空间。基于 80486的操作系统可以构筑多个MS-DOS虚拟机。三种工作模式：4.2 进程的概念及描述主要内容1. 进程概念的引入2. 进程的定义与描述3. PCB的组织4. 进程状态及转换重点关注： 为何要引入进程概念以及进程的定义与描述方法 进程的状态及相互转换的条件1. 进程概念的引入进程概念的引入是由于多道程序运行环境的变化。多个程序同时驻留在系统中运行，而 系统资源总是有限的，仅有的一个CPU必然要为系统中的多个程序分时轮流使用。因此，从 宏观上看多个程序同时在系统中并行执行，但从微观上看每个程序都以“走走停停”的方式串 行占用CPU而运行。而且操作系统处理着随时可能发生的外部事件，用户执行的某个程序跟 其他哪些程序并发、何时被调度占有CPU执行、何时暂停、以怎样的速度向前推进，这些都 是不确定的。正是由于多道程序环境有着并发性、随机性和资源共享的特点，如果操作系统4 3 2 1to p栈 S4 3 2 1to p4 3 2 1to p执行语句 toptop+1 后getdata 取数失 败( a ) ( b ) ( c )堆栈操作中入栈和出栈 操作并发执行的
