处理器管理

Posted 2021-03-08 ygjzs

处理器与寄存器

处理器部件的简单示意

用户程序可见寄存器

可以使程序员减少访问主存储器的次数，提高指令执行的效率,所有程序可使用，包括应用程序和系统程序

• 数据寄存器：又称通用寄存器
• 地址寄存器：索引、栈指针、段地址等寄存器

控制与状态寄存器

用于控制处理器的操作；主要被具有特权的操作系统程序使用，以控制程序的执行,程序计数器PC：存储将取指令的地址,指令寄存器IR：存储最近使用的指令,条件码CC：CPU为指令操作结果设置的位，标志正/负/零/溢出等结果,标志位：中断位、中断允许位、中断屏蔽位、处理器模式位、内存保护位、...，等

程序状态字PSW

PSW既是操作系统的概念，指记录当前程序运行的动态信息，通常包含：程序计数器，指令寄存器，条件码,中断字，中断允许/禁止，中断屏蔽，处理器模式，内存保护、调试控制

PSW也是计算机系统的寄存器,通常设置一组控制与状态寄存器,也可以专设一个PSW寄存器

指令与处理器模式

机器指令

机器指令是计算机系统执行的基本命令，是中央处理器执行的基本单位,指令由一个或多个字节组成，包括操作码字段、一个或多个操作数地址字段、以及一些表征机器状态的状态字以及特征码,指令完成各种算术逻辑运算、数据传输、控制流跳转

指令执行过程

CPU根据PC取出指令，放入IR，并对指令译码，然后发出各种控制命令，执行微操作系列，从而完成一条指令的执行

一种指令执行步骤如下：

• 取指：根据PC从存储器或高速缓冲存储器中取指令到IR
• 解码：解译IR中的指令来决定其执行行为
• 执行：连接到CPU部件，执行运算，产生结果并写回，同时在CC里设置运算结论标志；跳转指令操作PC，其他指令递增PC值

特权指令与非特权指令

用户程序并非能够使用全部机器指令，那些与计算机核心资源相关的特殊指令会被保护,如：启动I/O指令、置PC指令、等等,核心资源相关的指令只能被操作系统程序使用

• 特权指令：只能被操作系统内核使用的指令
• 非特权指令：能够被所有程序使用的指令

处理器模式

计算机通过设置处理器模式实现特权指令管理,计算机一般设置0、1、2、3等四种运行模式，建议分别对应：0操作系统内核、1系统调用、2共享库程序、3用户程序等保护级别,0模式可以执行全部指令；3模式只能执行非特权指令；其他每种运行模式可以规定执行的指令子集,一般来说，现代操作系统只使用0和3两种模式，对应于内核模式和用户模式,处理器模式的切换,简称模式切换，包括“用户模式→内核模式”和“内核模式→用户模式”的转换

中断、异常或系统异常等事件导致用户程序向OS内核切换，触发：用户模式→内核模式:程序请求操作系统服务,程序运行时发生异常,程序运行时发生并响应中断;OS内核处理完成后，调用中断返回指令（如Intel的iret）触发：内核模式→用户模式

中断

中断的概念

中断是指程序执行过程中，遇到急需处理的事件时，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被中断处或调度其他程序执行的过程,操作系统是“中断驱动”的；换言之，中断是激活操作系统的唯一方式,中断有广义和狭义之分，上述中断是指广义的中断

中断、异常与系统异常

• 狭义的中断指来源于处理器之外的中断事件，即与当前运行指令无关的中断事件，如I/O中断、时钟中断、外部信号中断等
• 异常指当前运行指令引起的中断事件，如地址异常、算术异常、处理器硬件故障等
• 系统异常指执行陷入指令而触发系统调用引起的中断事件，如请求设备、请求I/O、创建进程等

陷入指令：也称访管指令，或异常中断指令，计算机系统为实现系统调用而引起处理器中断的指令

中断源–处理器硬件故障中断事件

由处理器、内存储器、总线等硬件故障引起,处理原则为：保护现场，停止设备，停止CPU，向操作员报告，等待人工干预

中断源-程序性中断事件

处理器执行机器指令引起,除数为零、操作数溢出等算术异常：简单处理，报告用户；也可以由用户编写中断续元程序处理,非法指令、用户态使用特权指令、地址越界、非法存取等指令异常：终止进程,终止进程指令：终止进程,虚拟地址异常：调整内存后重新执行指令

中断源-自愿性中断事件

处理器执行陷入指令请求OS服务引起；在操作系统中，它一般又被称作系统调用,请求分配外设、请求I/O、等等,处理流程是：陷入OS，保护现场，根据功能号查入口地址，跳转具体处理程序

中断源-I/O中断事件

来源于外围设备报告I/O状态的中断事件,I/O完成：调整进程状态，释放等待进程,I/O出错：等待人工干预,I/O异常：等待人工干预

中断源-外部中断事件

由外围设备发出的信号引起的中断事件,时钟中断、间隔时钟中断：记时与时间片处理,设备报到与结束中断：调整设备表,键盘/鼠标信号中断：根据信号作出相应反应,关机/重启动中断：写回文件，停止设备与CPU