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1、第二章 处理器管理n处理器管理是操作系统最核心的部分。n负责管理、调度和分配计算机系统的重 要资源处理器。12.1 中央处理器（CPU） 一、处理器的构成n处理器由运算器、控制器、一组寄存器以及高速缓 存构成。n运算器：实现指令中的算术和逻辑运算，是计算机 计算的核心。n控制器：负责控制程序运行的流程，包括取指令、 维护CPU状态、CPU与内存的交互等等。n寄存器：是指令在CPU内部作处理的过程中暂存数据 、地址以及指令信息的存储设备，在计算机的存储 系统中它具有最快的访问速度。n高速缓存：处于CPU和物理内存之间，访问速度快于 内存，低于寄存器。利用程序局部性原理使得高速 指令处理和低速内存
2、访问得以匹配，从而提高CPU的 效率。2二、寄存器两类寄存器：n用户可见寄存器：高级语言编译器通过算法分 配并使用之，以减少程序访问主存次数。n控制和状态寄存器：用于控制处理器的操作。 由OS的特权指令使用, 以控制其它程序的执行 。n计算机系统的处理器包括一组寄存器，其个数 根据机型的不同而不同，它们构成了一级存储 ，比主存容量小 ，但访问速度快。n这组寄存器所存储的信息与程序的执行有很大关系，构成了处理器现场。 31.用户可见寄存器n机器语言（汇编语言）直接引用n包括数据寄存器、地址寄存器等n数据寄存器（data register）：又称通用寄存 器n地址寄存器（address regis
3、ter）：用于存储 数据及指令的物理地址。如index register、 segment pointer、stack pointer42.控制和状态寄存器n用于控制处理器的操作n大部分对于用户是不可见的n一部分可以在某种特权模式（由OS使用）下访 问常见的控制和状态寄存器:n程序计数器（PC：Program Counter）：记录 将要取出的指令的地址n指令寄存器（IR：Instruction Register）：包 含最近取出的指令n程序状态字（PSW：Program Status Word） ：记录处理器的运行模式信息等等5三、特权指令和非特权指令1.处理器执行指令过程n处理器依据在程序
4、计数器中的指令地址从 存储器中取一条指令n取到的指令放在指令寄存器（IR）中n处理器解释并执行指令n自动将程序计数器的值变成下条指令的地 址62.五类指令(1)数据处理类指令；(2)转移类指令；(3)数据传送类指令；(4)移位与字符串类指令；(5)I/O类指令。7处理器如何知道当前运行的是操作系 统还是一应用软件？执行时有不同的权限。有赖 于处理器状态。3.特权指令与非特权指令n从资源管理和控制程序执行的角度出发，必 须把指令系统中的指令分作两部分：特权指 令和非特权指令。n特权指令：只能由操作系统的内核程序使用 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
5、PSW等。n内核能够执行全部指令，应用程序只能使用 非特权指令。8四、处理器的状态根据运行程序对资源和机器指令的使用权限将处理 器设置为不同状态，处理器状态又称为处理器模式。 多数系统将处理器工作状态划分为核心态和用户态 。 1.核心态（Kernel Mode)nCPU执行操作系统程序时所处的状态。较高的特权级别， 又称为特权态（特态）、系统态 、管态。n处理器处于核心态时，程序可以执行全部指令，使用所 有资源，具有改变处理器状态的能力。 2.用户态(User Mode) n用户程序执行时CPU所处的状态。较低的特权级别，又称 为普通态（普态）、目态。n处理器处于用户状态时，程序只能执行非特权
6、指令，不 能直接使用系统资源，只能访问用户程序所在的存储空 间，不能改变CPU状态。9实例：x86系列处理器n386、486、Pentium系列处理器都支持4个 处理器特权级别（R0、R1、R2和R3）n从R0到R3特权能力依次降低nR0相当于双状态系统的核心态nR3相当于用户态nR1和R2则介于两者之间，它们能够运行的 指令集合具有包含关系：10n四个级别运行不同类别的程序：R0-运行操作系统核心代码 R1-运行关键设备驱动程序和I/O处理例程 R2-运行其它受保护共享代码，如语言系统运行环 境R3-运行各种用户程序n现有基于x86处理器的操作系统，如UNIX 、Linux以及Windows
7、系列大都只用了R0和 R3两个特权级别。113.处理器模式转换 （1）用户态核心态n有两种情况会导致处理器从用户态向核心态转 换：一是程序请求操作系统服务，执行系统调 用；二是程序运行时，产生中断或异常事件， 运行程序被中断，转向中断处理或异常处理程 序工作。n两类情况都通过中断机制发生，中断和异常是 用户态到内核态转换仅有的途径，当系统中产 生中断或异常，处理器作出响应且交换程序状 态字，会导致处理器从用户态转向核心态，处 理事件的中断或异常处理程序的程序状态字中 ，处理器模式位一定为“核心态”。12（2）核心态用户态n计算机提供一条特权指令称作加载程序状 态字(IBM370为load PS
8、W指令，Intel x86 为iret指令)，用来实现从系统(核心态) 返回到用户态，控制权交给应用进程。13五、程序状态字PSWn计算机如何知道当前处于何种工作状态？这时 能否执行特权指令？通常操作系统都引入程序 状态字PSW（Program Status Word）来区别不 同的处理器工作状态。nPSW用来控制指令执行顺序并保留和指示与程序 有关的系统状态，主要作用是实现程序状态的 保护和恢复。n每个程序都有一个与其执行相关的PSW，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 14PSW包括以下内容：n程序基本状态：(1) 程序计数器；(2) 条
9、件码；(3）处理器状态位。n中断码：保存程序执行时当前发生的 中断事件。n中断屏蔽位：指明程序执行中发生中 断事件时，是否响应出现的中断事件 。15实例：IBM360/370系列计算机程序状态字的基本格式 XX X X XXXX X X XXXXXX 8位系统 屏蔽4位CMWP 字段4位程序 屏蔽4位保护键16位中断码 字段 指令长和 条件码24位指令 地址162.2 中断技术中断对于操作系统的重要性就像机器中的驱动齿轮一样所以有人把操作系统称为是由“中断驱动”或者 “（中断）事件驱动 ”17n中断：是指程序执行过程中，遇到急需处理的事 件（例如电源掉电、俘点运算溢出、外部设备传 输完成或出错
10、等）时，暂时中止CPU上现行程序 的运行，转去执行相应的事件处理程序，待处理 完成后再返回原程序断点处或调度其他程序执行 的过程。n中断源：引起中断的事件称中断源，如打印完成 中断，其中断源是打印机。n断点：发生中断时正在运行的程序被暂时停止， 程序的暂停点称为断点。例如，某程序正在执行 0200地址的指令被中断，那么，0200地址就是断 点， 在中断返回时就执行0200的下一条指令。一、 中断概念18从用户角度看中断19二、中断源分类1.按中断事件的性质和激活方式划分 （1）强迫性中断：强迫性中断事件肯定不是正在运行 的程序所期待的，是由随机事件或外部请求引起的 。分为：机器故障中断程序性中
11、断外部中断输入输出中断（2）自愿性中断：自愿性中断事件是正在运行的程序 所期待的。是由于用户在编制程序时因为要求操作 系统提供服务，有意使用“访管”指令或系统调用 ，使中断发生。202.按事件来源和实现手段分类硬中断软中断外中断(中断、异步中断)内中断(异常、同步中断)信号软件中断按事件 来源和 实现手 段分类21（1）硬中断n外中断(中断或异步中断)-是指来自处理器之外的中 断信号，包括时钟中断、键盘中断、它机中断和设备 中断等；外中断又分可屏蔽中断和不可屏蔽中断，每 个不同中断具有不同的中断优先级，表示事件的紧急 程度，在处理高一级中断时，往往会屏蔽部分或全部 低级中断。n内中断(异常或同
12、步中断)-是指来自处理器内部的中 断信号，通常由于程序执行中，发现与当前指令关联 的、不正常的、或是错误的事件。内中断可细分为三 种：访管中断、硬件故障中断、程序性异常。 n中断和异常要通过硬件设施来产生中断请求，是硬中 断。22（2）软中断n软中断是利用硬中断的概念，用软件方 法对中断机制进行模拟，实现宏观上的 异步执行。n软中断分两种：“信号”和“软件中断 ”。 23（3）中断的通常用法 n“中断”(硬中断)用于外部设备对CPU的中断(中断 的是正在运行的任何程序)，转向中断处理程序上半 部分执行；n“异常”(硬中断)因指令执行不正常而中断CPU(中 断的是正在执行这条指令的程序)，转向异
13、常处理程 序；n“软件中断”(软中断)用于硬中断服务程序对内核 的中断，在上半部分中发出软件中断(即标记下半部 分)，使得中断下半部分在适当时刻获得处理；n“信号”(软中断)用于内核或进程对某个进程的中 断，通知进程某个特定事件发生或迫使进程执行信 号处理程序。24三、中断和异常的响应过程1.发现中断源：2.保护现场：3.转向处理中断/异常事件的处理程序：4.恢复现场：现场：是被中断断点时刻处理机的各种信息 ，包括程序状态字；各寄存器的值；打开文 件的状态.25四、中断优先级和多重中断1.中断优先级 在一些机器中，中断优先级按中断类型划分 ：n 以机器故障中断的优先级最高 n 程序中断和访管中
14、断次之 n 外部中断更次之 n 输入输出的优先级最低262.中断屏蔽在CPU上运行的程序，有时由于种种原 因，不希望其在执行过程中被别的事件所 中断，称为中断屏蔽。n在PSW中设置中断屏蔽位以屏蔽某些指定 的中断类型n各设备接口中也有中断禁止位，以禁止该 设备的中断273.多个中断的处理 若中断处理过程中又发生中断，引起多中断处理问 题。两种策略方法： （1）串行处理n处理一个中断时禁止中断，对任何新中断置之不 理，当再次允许中断时，新中断才被响应。n可以通过屏蔽中断来实现。n这种方法简单易行，所有中断严格按照发生顺序 处理，不考虑中断紧急程度，无法达到较严格时 间要求。28多中断处理第一种策略方法29（2）嵌套处理n允许优先级高中断打断优先级低的中断 处理过程，这样中断优先级技术将引起 中断处理的嵌套。n只要合适地定义中断的优先级别n方法一的弊端大都可以克服30多中断处理第二种策略方法31
