【正文】 中央處理器 中斷技術(shù) 進(jìn)程及其實(shí)現(xiàn) 線程及其實(shí)現(xiàn) 處理器調(diào)度 批處理作業(yè)的管理與調(diào)度 低級(jí)調(diào)度 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)字寄存器 中央處理器 進(jìn)程可以被調(diào)度在一個(gè)處理器上交替執(zhí)行，或在多個(gè)處理器上同時(shí)執(zhí)行。交替執(zhí)行和同時(shí)執(zhí)行都是并發(fā)的類(lèi)型。 一、單處理器系統(tǒng)和多處理器系統(tǒng) (1) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心是中央處理器。 ：一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)只包括一個(gè)運(yùn)算處理器。 ：一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有多個(gè)運(yùn)算處理器。 ? 早期計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是基于單個(gè)處理器的順序處理機(jī)器，程序員編寫(xiě)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(chǔ)結(jié)果）。 ? 提高計(jì)算機(jī)處理速度的技術(shù)： 流水線技術(shù)、發(fā)射體系結(jié)構(gòu)（超標(biāo)量結(jié)構(gòu)、超流水線結(jié)構(gòu)、超長(zhǎng)指令字結(jié)構(gòu)） 一、單處理器系統(tǒng)和多處理器系統(tǒng) (2) 目前計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以分作以下四類(lèi)： ? 單指令流單數(shù)據(jù)流（ SISD） 一個(gè)處理器在一個(gè)存儲(chǔ)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(gè)處理單元同時(shí)執(zhí)行 ， 每個(gè)處理單元包括處理器和相關(guān)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ) ， 一條指令控制了不同的處理器對(duì)不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作 。 向量機(jī)和陣列機(jī) 是這類(lèi)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的代表 。 ? 多指令流單數(shù)據(jù)流 （ MISD） 一個(gè)數(shù)據(jù)流被傳送給一組處理器 ， 通過(guò)這一組處理器上的不同指令操作最終得到處理結(jié)果 。 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(gè)處理器對(duì)各自不同的數(shù)據(jù)集同時(shí)執(zhí)行不同的指令流 。 MIMD系統(tǒng)劃分為： 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) 1）緊密耦合 MIMD系統(tǒng) 可以分為 主從式系統(tǒng) MSP（ Main/Slave Multiprocessor） 對(duì)稱(chēng)式系統(tǒng) SMP（ Symmetric MultiProcessor） ? 主從式系統(tǒng) (MSP)基本思想是： 在一個(gè)特別的處理器上運(yùn)行操作系統(tǒng)內(nèi)核，其他處理器上則運(yùn)行用戶程序和操作系統(tǒng)例行程序，內(nèi)核負(fù)責(zé)分配和調(diào)度各個(gè)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) ? 對(duì)稱(chēng)式多處理器系統(tǒng) (SMP)中有兩個(gè)或兩個(gè)以上的處理器，操作系統(tǒng)內(nèi)核可以運(yùn)行在任意一個(gè)處理器上。每個(gè)處理器都可以自我調(diào)度運(yùn)行的進(jìn)程和線程，單個(gè)進(jìn)程的多個(gè)線程可在不同處理器上同時(shí)運(yùn)行。操作系統(tǒng)內(nèi)核也被設(shè)計(jì)成多進(jìn)程或多線程，內(nèi)核的各個(gè)部分可以并行執(zhí)行。 2）松散耦合 MIMD系統(tǒng) 每個(gè)處理單元都有一個(gè)獨(dú)立的內(nèi)存儲(chǔ)器，各個(gè)處理單元之間通過(guò)設(shè)定的線路或網(wǎng)絡(luò)通信， 多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和集群（ 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(jì)算機(jī)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(yùn)行時(shí)構(gòu)成統(tǒng)一的計(jì)算資源，給人以一臺(tái)機(jī)器的感覺(jué)。集群系統(tǒng)中的每一臺(tái)計(jì)算機(jī)離開(kāi)集群后自己可以獨(dú)立工作。 二、寄存器 (1) 處理器包括一組寄存器 ， 其個(gè)數(shù)根據(jù)機(jī)型的不同而不同 ，它們構(gòu)成了一級(jí)存儲(chǔ) ， 比主存容量小 ， 但訪問(wèn)速度快 。 這組寄存器與程序的執(zhí)行有很大關(guān)系 ， 構(gòu)成了 處理器現(xiàn)場(chǎng) 。 這些寄存器可分成以下幾類(lèi)： ? 通用寄存器：可由程序設(shè)計(jì)者指定許多功能，如存放操作數(shù)或用作尋址寄存器。 ? 數(shù)據(jù)寄存器：存放操作數(shù) ， 作為內(nèi)存數(shù)據(jù)的高速緩存 。 ? 地址寄存器：指明內(nèi)存地址 ， 如索引寄存器 、 段寄存器 、堆棧指針寄存器等 。 ? I/O地址寄存器：指定 I/O設(shè)備 。 ? I/O緩沖寄存器：用于處理器和 I/O設(shè)備交換數(shù)據(jù) 。 二、寄存器 (2) ? 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(jì)數(shù)器 PC和指令寄存器 IR， 中斷寄存器以及用于存儲(chǔ)器和 I/O模塊控制的寄存器 。 還有存放將被訪問(wèn)的存儲(chǔ)單元地址的存儲(chǔ)器地址寄存器 ， 以及存放從存儲(chǔ)器讀出或欲寫(xiě)入的數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器 。 ? 其他寄存器 三、特權(quán)指令與非特權(quán)指令 (1) 計(jì)算機(jī)的基本功能是執(zhí)行程序，最終被執(zhí)行的程序是存儲(chǔ)在內(nèi)存中的機(jī)器指令程序。處理器根據(jù) 程序計(jì)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(dòng)增長(zhǎng)或改變?yōu)檗D(zhuǎn)移地址指明下條執(zhí)行的指令。 機(jī)器指令的集合稱(chēng) 指令系統(tǒng) 。指令分為以下五類(lèi)： (1)數(shù)據(jù)處理類(lèi)指令：執(zhí)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算 。 (2)轉(zhuǎn)移類(lèi)指令：改變指令執(zhí)行序列 ， 如無(wú)條件轉(zhuǎn)移 、 條件轉(zhuǎn)移等 。 (3)數(shù)據(jù)傳送類(lèi)指令：用于在處理器的寄存器和寄存器 、 寄存器和存儲(chǔ)器單元 、 存儲(chǔ)器單元和存儲(chǔ)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(lèi)指令：用于啟動(dòng)外圍設(shè)備 ， 讓主存和外圍設(shè)備之間交換數(shù)據(jù) 。 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(dòng) I/O設(shè)備、設(shè)置時(shí)鐘、控制中斷屏蔽位、清內(nèi)存、建立存儲(chǔ)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(dòng)外圍設(shè)備進(jìn)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(huì)出現(xiàn)多個(gè)用戶程序競(jìng)爭(zhēng)使用外圍設(shè)備而導(dǎo)致 I/O混亂。 如果用戶程序試圖執(zhí)行特權(quán)指令，將會(huì)產(chǎn)生 保護(hù)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 。 四、處理器狀態(tài) (1) 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(yùn)行呢 ?這將依賴(lài)于處理器狀態(tài)的標(biāo)志。 處理器狀態(tài)又稱(chēng)為 處理器的運(yùn)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) 和 用戶狀態(tài) ，大多數(shù)系統(tǒng)把處理器狀態(tài)簡(jiǎn)單劃分為 核心態(tài) （ 特權(quán)狀態(tài) 、 系統(tǒng)模式 、 特態(tài)或管態(tài) ）和 用戶態(tài) （ 目標(biāo)狀態(tài) 、 用戶模式 、 常態(tài)或目態(tài) ）。 當(dāng)處理器處于核心態(tài)時(shí)，程序可以執(zhí)行全部指令，訪問(wèn)所有資源，并具有改變處理器狀態(tài)的能力；當(dāng)處理器處于用戶狀態(tài)時(shí)，程序只能執(zhí)行非特權(quán)指令。 四、處理器狀態(tài) (2) 3. Intel x86處理器狀態(tài) Intel x86處理器狀態(tài) 有四種，支持 4個(gè)保護(hù)級(jí)別， 0級(jí)權(quán)限最高，3級(jí)權(quán)限最低 。 一般典型的應(yīng)用把 4個(gè)特權(quán)級(jí)別 依次設(shè)定為： ? 0級(jí)為 操作系統(tǒng)內(nèi)核級(jí) 。處理 I/O、 存儲(chǔ)管理和其他關(guān)鍵操作。 ? 1級(jí)為 系統(tǒng)調(diào)用處理程序級(jí) 。用戶程序可以通過(guò)調(diào)用這里的過(guò)程執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用，但是只有一些特定的和受保護(hù)的過(guò)程可以被調(diào)用。 ? 2級(jí)為 共享庫(kù)過(guò)程級(jí) 。它可以被很多正在運(yùn)行的程序共享，用戶程序可以調(diào)用這些過(guò)程，讀取它們的數(shù)據(jù)，但是不能修改它們。 ? 3級(jí)為 用戶程序級(jí) 。受到的保護(hù)最少。 四、處理器狀態(tài) (3) 各個(gè)操作系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中可以根據(jù)具體策略有 選擇地使用硬件 提供的保護(hù)級(jí)別，如運(yùn)行在 Intel x86上的 Windows操作系統(tǒng)只使用了 0級(jí)和 3級(jí)。 （狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換 ） (1)用戶態(tài)向核心態(tài)的轉(zhuǎn)換 兩種情況會(huì)導(dǎo)致從用戶狀態(tài)向核心態(tài)的轉(zhuǎn)換： ? 一是程序請(qǐng)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(yùn)行時(shí)，產(chǎn)生了一個(gè) 中斷事件 ，運(yùn)行程序被中斷，讓中斷處理程序工作。 這兩種情況都是通過(guò)中斷機(jī)構(gòu)發(fā)生的。 中斷是用戶態(tài)到核心態(tài)轉(zhuǎn)換的唯一途徑 。 四、處理器狀態(tài) (4) (2)核心態(tài)向用戶狀態(tài)的轉(zhuǎn)換 每臺(tái)計(jì)算機(jī)通常會(huì)提供一條特權(quán)指令稱(chēng)作加載程序狀態(tài)字 LPSW（ Load PSW）， 用來(lái)實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)向用戶程序的轉(zhuǎn)換。 五、程序狀態(tài)字寄存器 (1) 計(jì)算機(jī)如何知道當(dāng)前處于何種工作狀態(tài)？這時(shí)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(lái)區(qū)別不同的處理器工作狀態(tài)。 1. IBM360/370系列計(jì)算機(jī)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(gè)中斷事件發(fā)生。 ? 4位保護(hù)鍵（ 8~11位）：設(shè)置存儲(chǔ)器保護(hù)時(shí)， PSW中的這 4位保護(hù)鍵與欲訪問(wèn)的存儲(chǔ)區(qū)的存儲(chǔ)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(kuò)充控制方式位、開(kāi) /關(guān)中斷位、運(yùn)行 /等待位、 用戶態(tài) /核心態(tài)位 。 ? 16位中斷碼字段：與中斷事件對(duì)應(yīng)，記錄當(dāng)前產(chǎn)生的中斷源 。 五、程序狀態(tài)字寄存器 (2) ? 指令長(zhǎng)（ 32， 33位）： 01/10/11分別表示半字長(zhǎng)指令、整字長(zhǎng)指令、和一字半長(zhǎng)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） XX X X XXXX X X XXXXXX 8位系統(tǒng)屏蔽 4位 CMWP字段 4位程序屏蔽 4位保護(hù)鍵 16位中斷碼字段 指令長(zhǎng)和條件碼 24位指令地址 五、程序狀態(tài)字寄存器 (3) 每個(gè)正在執(zhí)行的程序都有一個(gè)與其執(zhí)行相關(guān)的 PSW， 而每個(gè)處理器都設(shè)置一個(gè)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： ? 程序基本狀態(tài)： (1)程序計(jì)數(shù)器：指明下一條執(zhí)行的指令地址； (2)條件碼：表示指令執(zhí)行的結(jié)果狀態(tài)； (3)處理器狀態(tài)位 ：指明當(dāng)前的處理器狀態(tài)，如目態(tài)或管態(tài)、運(yùn)行或等待。 ? 中斷碼。保存程序執(zhí)行時(shí)當(dāng)前發(fā)生的中斷事件。 五、程序狀態(tài)字寄存器 (4) ? 中斷屏蔽位。指明程序執(zhí)行中發(fā)生中斷事件時(shí)，是否響應(yīng)出現(xiàn)的中斷事件。 3. Intel x86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(chēng) 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(yùn)算指令使用溢出標(biāo)志，符號(hào)標(biāo)志，結(jié)果為零標(biāo)志，輔助進(jìn)位標(biāo)志，進(jìn)位標(biāo)志，奇偶校驗(yàn)標(biāo)志；串掃描、串比較、循環(huán)指令使用 ZF通知其操作結(jié)束。 五、程序狀態(tài)字寄存器 (5) ? 控制標(biāo)志 ：串指令操作方向標(biāo)志。虛擬 86方式標(biāo)志 (為 1時(shí)，從保護(hù)模式進(jìn)入虛擬 8086模式 )。步進(jìn)標(biāo)志 (為 1時(shí)，使處理器執(zhí)行單步操作 )。陷阱標(biāo)志 (為 1時(shí)，允許響應(yīng)中斷，否則關(guān)中斷 )。 ? 系統(tǒng)標(biāo)志： 與進(jìn)程管理有關(guān)： I/O特權(quán)級(jí)標(biāo)志、嵌套任務(wù)標(biāo)志和恢復(fù)標(biāo)志，被用于保護(hù)模式。指令指針寄存器低 16位（保護(hù)模式使用 32位）。 主要內(nèi)容： ? 中斷的概念 ? 中斷源分類(lèi) ? 中斷 和異常的響應(yīng)及服務(wù) ? 中斷處理程序 ? 中斷事件的具體處理方法 ? 中斷的優(yōu)先級(jí)和多重中斷 中斷技術(shù) 一、中斷的概念 中斷技術(shù)的引入 :I/O 廣泛的應(yīng)用 OS是由中斷驅(qū)動(dòng)的 ? 中斷 是指程序執(zhí)行過(guò)程中，當(dāng)發(fā)生某個(gè)事件時(shí)，中止 CPU上現(xiàn)行程序的運(yùn)行，引出處理該事件的程序執(zhí)行的過(guò)程。 ? 中斷檢測(cè) ： 在每?jī)蓷l指令或某些特殊指令執(zhí)行期間 都檢查是否有中斷事件發(fā)生，若無(wú)則立即執(zhí)行下一條或繼續(xù)執(zhí)行，否則響應(yīng)并處理中斷事件。 ? 中斷源 是引起中斷的事件。 ? 中斷裝置 是發(fā)現(xiàn)中斷源并產(chǎn)生中斷的硬件。 中斷機(jī)制的共性：當(dāng)中斷事件發(fā)生后，它能改變處理器內(nèi)操作執(zhí)行的順序。 中斷是現(xiàn)代操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)并發(fā)性的基礎(chǔ)之一 。 二、中斷源分類(lèi) (1) 可以分成兩類(lèi)：強(qiáng)迫性中斷事件和自愿性中斷事件。 (1)強(qiáng)迫性中斷事件 強(qiáng)迫性中斷事件不是 正在運(yùn)行的程序 所期待的，而是由于 隨機(jī) 發(fā)生的某種 事故 或 外部請(qǐng)求 信息所引起的。 這類(lèi)中斷事件大致有： ? 機(jī)器故障中斷事件 如電源故障 、 主存儲(chǔ)器出錯(cuò)等 。 ? 程序性中斷事件 如定點(diǎn)溢出 、 除數(shù)為 0、 地址越界等 。 又稱(chēng)異常 ? 外部中斷事件 如時(shí)鐘的定時(shí)中斷 、 控制臺(tái)發(fā)控制信息等 。 ? 輸入輸出中斷事件 如設(shè)備出錯(cuò) 、 傳輸結(jié)束等 。 二、中斷源分類(lèi) (2) (2)自愿性中斷事件 自愿性中斷事件是 正在運(yùn)行的程序 所期待的事件。這種事件是由于執(zhí)行了一條 訪管指令 而引起的，它表示正在運(yùn)行的程序?qū)Σ僮飨?