操作系统管理CPU的直观想法

Posted 2020-11-01 yuliangbin

CPU的工作原理

要想管理CPU，就要先学会如何使用CPU。我们先从一个程序的执行来看看CPU是如何工作的。

void main(){
    int i , sum;
    for(i = 0; i < 100000; i++){
        sum = sum + i;
    }
    printf("%d",sum);
}

如果我们想要执行上面的一个程序，首先我们需要把该程序放到内存中，然后给PC寄存器设置成存放该程序的内存首地址，比如把PC设置成50，CPU通过地址总线找到地址为50的内存，取出第一条指令并执行，并使PC加1指向下一条指令，CPU再取址执行。这个过程CPU是自动取址执行的。

从上面的程序可以知道，如果想让CPU工作起来，只需要给PC寄存器设置一个初值，就可以让CPU自动工作了。

什么是并发

我们来分别运行一下下面两个程序

//程序1
void main(){
    int i , sum;
    for(i = 0; i < 100000; i++){
        sum = sum + i;
    }
    sum = sum + 1;

}
//运行时间为：0.324s

//程序2
void main(){
    int i , sum;
    for(i = 0; i < 100000; i++){
        sum = sum + i;
    }
    //sum = sum + 1;
    printf("%d",sum);
}
//运行时间为：0.413s

实际上第二个程序是用一个IO操作指令代替了一条运算指令。上述结果表明执行一条运算指令的时间和执行一条IO指令的时间之比为1：10⁵，IO操作比计算操作慢非常多，一般来说是好几个数量级。在进行IO操作的时候CPU是不工作的，如果让一个程序执行完后再去处理另一个程序，势必会造成CPU的利用率变低。所以为了CPU的利用率，在多道程序之间来回切换着使用CPU使CPU的利用率有效提高是非常重要的。

我们称一个CPU交替执行多个程序为：并发。

进程概念的引入

我们知道要提高CPU的利用率，可以让CPU并发的执行多道程序，那么如何做到并发呢？

需要把程序执行的地址切换到另外一个程序的首地址，然后CPU自动的取址、执行。通过PC寄存器(指示指令在存储器中的存放位置，也就是地址信息，在汇编中用寄存器IP表示PC)进行地址的切换。实际上仅仅切换PC是不够的，还需要还原该程序之前执行的信息，所以每个程序有了一个存放信息的结构:PCB。进程控制块(PCB)相当于一个结构体，包含进程状态程序计数器、CPU寄存器、CPU调度信息、内存管理信息、计数信息、IO状态等信息。

为了与静态程序相区分，我们称运行中的程序为进程。与静态程序相比，进程保存着用于控制和管理进程的所有信息，以便当程序再次执行的时候能够恢复到上次执行的状态进行执行。

多进程视图

我们知道操作系统的核心功能就是管理计算机硬件资源，由如何更好的利用CPU资源引出了对CPU的管理（操作系统对CPU的切换、调度和控制）。由对CPU的管理以便更好的利用CPU资源引出了多进程视图（多个进程在CPU上交替执行的样子）。