操作系统讲义 06 第二章 处理机管理(2.1中央处理器 )学习资料

2025/4/181第2章处理器管理

2.1 中央处理器

2.2 中断技术

2.3 进程及其实现2.4 线程及其实现

2.7 处理器调度2.8 处理器调度算法2025/4/1822.1 中央处理器

主要内容：2.1.1处理器2.1.2程序状态字

2025/4/1832.1.1处理器1、单处理器系统和多处理器系统2、寄存器3、特权指令和非特权指令4、处理器状态

1、单处理器系统和多处理器系统串行和并行

早期计算机系统是基于单个处理器的顺序处理机器，程序员编写串行执行的代码，让其在处理器上串行执行，每条指令的执行也是串行的（取指令、取操作数、执行操作、存储结果）提高计算机处理速度，首先发展起来的是联想存储器系统和流水线系统，前者提出了数据驱动的思想，后者解决了指令并行执行问题，都是计算机并行化发展的例子2025/4/184

单处理器系统和多处理器系统(续)

联想存储器：不按地址而按给定内容的特征进行存取的存储器联想存储器的特点是：①除有存储功能外，还具有信息处理功能。它能根据送来内容的特征查找存储单元②对各个存储单元并行进行查找，因而能显著提高查找速度这些特点与人脑的“联想”功能有所相似，因而被称为联想存储器2025/4/185

单处理器系统和多处理器系统(续)流水线技术：计算机中的流水线是把一个过程分解为若干个子过程，每个子过程与其他子过程并行进行由于这种工作方式与工厂中的生产流水线十分相似，因此称为流水线技术2025/4/186

2025/4/187单处理器系统和多处理器系统(续)计算机系统结构分类

按照Flynn分类法目前计算机系统可以分作以下四类：单指令流单数据流（SISD）单指令流多数据流（SIMD）向量机阵列机多指令流单数据流（MISD）多指令流多数据流（MIMD）共享内存紧密耦合MIMD系统内存分布松散耦合MIMD系统两大类

2025/4/188单处理器系统和多处理器系统(续)紧密耦合MIMD系统主从式系统MSP（Main/Slave

Multiprocessor）对称式系统SMP（Symmetric

Multi-Processor）

单处理器系统和多处理器系统(续)主从式系统基本思想：在一个特别的处理器上运行操作系统内核，其他处理器上则运行用户程序和操作系统例行程序，内核负责分配和调度各个处理器，并向其他程序提供各种服务2025/4/189

2025/4/1810单处理器系统和多处理器系统(续)对称式多处理器系统基本思想：有两个或两个以上的处理器，操作系统内核可以运行在任意一个处理器上每个处理器都可以自我调度运行的进程和线程，单个进程的多个线程可在不同处理器上同时运行操作系统内核也被设计成多进程或多线程，内核的各个部分可以并行执行

单处理器系统和多处理器系统(续)松散耦合MIMD系统每个处理单元都有一个独立的内存储器，各个处理单元之间通过设定的线路或网络通信多计算机系统集群（Cluster）系统2025/4/1811

单处理器系统和多处理器系统(续)集群（Cluster）系统是一组互连的计算机系统，属于分布式系统的一种集群操作系统也是分布式操作系统的一种集群系统运行时构成统一的计算资源，给人以一台机器的感觉集群系统中的每一台计算机离开集群后自己可以独立工作2025/4/1812

2025/4/18132、寄存器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

寄存器(续)这些寄存器可分成以下几类：通用寄存器（EAX、EBX、ECX、EDX）指针及变址寄存器(ESP、EBP、ESI、EDI)段选择寄存器(CS、DS、SS、ES、FS、GS)指令指针寄存器和标志寄存器(EIP、EFLAGS)控制寄存器(CR0、CR1、CR2、CR3)外部设备使用的寄存器数据寄存器或缓冲区状态寄存器控制寄存器2025/4/1814

寄存器(续)CPU和控制寄存器、数据寄存器及缓冲区之间的通信方式有三种：

为每个控制寄存器分配一个I/O端口号，通过使用核心态I/O指令，CPU可以读写端口把所有控制寄存器映射到主存空间，为每个寄存器分配唯一的主存地址，且与用户的可用主存地址不重叠混合方式，既在主存空间开辟数据缓冲区，而控制寄存器又有其单独的I/O端口，基本过程如下：CPU读取数据时，把所需数据地址放在地址总线上在控制总线上插入读信号，同时另一条信号线表明数据来自I/O空间还是主存空间由相应的对象（设备或主存）对请求作出响应2025/4/1815

2025/4/18163、特权指令与非特权指令1.程序执行的基本过程

计算机的基本功能是执行程序，最终被执行的程序是存储在内存中的机器指令程序处理器根据程序计数器(PC)从内存中取指令到指令寄存器并执行它，PC将自动增长或改变为转移地址指明下条执行的指令

2025/4/1817特权指令与非特权指令(续)2.指令功能分类

机器指令的集合称指令系统，反映了一台机器的功能和处理能力指令分为以下五类：(1)数据处理类指令：执行算术和逻辑运算(2)转移类指令：改变指令执行序列，如无条件转移、条件转移等(3)数据传送类指令：用于在处理器的寄存器和寄存器、寄存器和存储器单元、存储器单元和存储器之间交换数据(4)移位与字符串指令：算术、逻辑、循环移位；字符串的传送、比较、查询、转换(5)I/O类指令：用于启动外围设备，让主存和外围设备之间交换数据

2025/4/1818特权指令与非特权指令(续)3.指令使用权限分类引入操作系统后，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：特权指令非特权指令

特权指令与非特权指令(续)特权指令是指只能提供给操作系统的核心程序使用的指令只有操作系统才能执行指令系统中的全部指令（特权指令和非特权指令）用户程序只能执行指令系统中的非特权指令2025/4/1819

2025/4/1820特权指令与非特权指令(续)如，置程序状态字指令属于特权指令启动外围设备进行输入/输出的指令也属于特权指令，只能在操作系统程序中执行，否则会出现多个用户程序竞争使用外围设备而导致I/O混乱设置时钟、清空内存、建立存储键、加载psw等如果用户程序试图执行特权指令，将会产生保护性中断，转交给操作系统的“用户非法执行特权指令”的特殊处理程序处理

2025/4/18214、处理器状态中央处理器怎么知道当前是操作系统还是一般用户程序在运行呢?依赖于处理器状态的标志在执行不同程序时，根据执行程序对资源和机器指令的使用权限把处理器设置成不同状态

处理器状态(续)处理器状态分类处理器状态又称为处理器的运行模式有些系统把处理器状态划分为核心状态管理状态用户状态大多数系统把处理器状态简单划分为管理状态（特权状态、系统模式、特态或管态）用户状态（目标状态、用户模式、常态或目态）2025/4/1822

处理器状态(续)处理器状态与资源和机器指令使用权限的关系

当处理器处于管理状态时，程序可以执行全部指令，访问所有资源，并具有改变处理器状态的能力当处理器处于用户状态时，程序只能执行非特权指令2025/4/1823

2025/4/1824处理器状态(续)IntelPentium的处理器状态

0级为操作系统内核级：处理I/O、存储管理和其他关键操作1级为系统调用处理程序级：用户程序可以通过调用这里的过程执行系统调用，但是只有一些特定的和受保护的过程可以被调用2级为共享库过程级：它可以被很多正在运行的程序共享，用户程序可以调用这些过程，读取它们的数据，但是不能修改它们3级为用户程序级：受到的保护最少注意：各个操作系统在实现过程中可以根据具体策略有选择地使用硬件提供的保护级别，如运行在Pentium上的Windows操作系统只使用了0级和3级

2025/4/1825处理器状态(续)处理器模式转换

用户状态向管理状态的转换管理状态向用户状态的转换每台计算机通常会提供一条特权指令称作加载程序状态字IBM370提供LPSW（LoadPSW）指令Intelx86为IRET指令

2025/4/1826处理器状态(续)用户状态向管理状态的转换

下面两种情况会导致从用户状态向管理状态的转换一是程序请求操作系统服务，执行一条系统调用二是程序运行时，产生了一个中断事件，运行程序被中断，让中断处理程序工作这两种情况都是通过中断机构发生的中断是目态到管态转换的唯一途径当系统响应中断交换程序状态字时，处理中断事件的处理程序的程序状态字的处理器状态位一定为“管态”

2025/4/18272.1.2程序状态字寄存器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（ProgramStatusWord）来区别不同的处理器工作状态

程序状态字寄存器(续)PSW寄存器包括的内容

每个正在执行的程序都有一个与其执行相关的PSW，而每个处理器都设置一个程序状态字寄存器2025/4/1828

程序状态字寄存器(续)程序状态字寄存器一般包括以下内容：程序基本状态：程序计数器：指明下一条执行的指令地址条件码：表示指令执行的结果状态处理器状态位：指明当前的处理器状态，如目态或管态、运行或等待中断码：保存程序执行时当前发生的中断事件中断屏蔽位: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

注意：大多数计算机的处理器现场中可能找不到一个称为程序状态字寄存器的具体寄存器，但总是有一组控制与状态寄存器实际上起到了这一作用2025/4/1829

2025/4/1830程序状态字寄存器(续)IBM360/370系列计算机程序状态字的基本格式

8位系统屏蔽（0~7位）：表示允许或禁止某个中断事件发生4位保护键（8~11位）：设置存储器保护时，PSW中的这4位保护键与欲访问的存储区的存储键相匹配，否则指令不能执行4位CMWP字段（12~15位）：PSW基本/扩充控制方式位、开/关中断位、运行/等待位、目态/特态位16位中断码字段：与中断事件对应，记录当前产生的中断源指令长（32，33位）：01/10/11分别表示半字长指令、整字长指令、和一字半长指令条件码（34，35位）4位程序屏蔽（36~39位）：表示允许或禁止程序性中断24位指令地址（40~63位）

2025/4/1831程序状态字寄存器(续)

XXXXXXXXXXXXXXXX8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

2025/4/1832程序状态字寄存器(续)Intelx86的程序状态字

由标志寄存器EFLAGS和指令指针寄存器EIP组成，均为32位指令指针寄存器EIP的低16位称为IP，存放下一条顺序执行的指令相对于当前代码段开始地址的一个偏移地址EFLAGS的低16位称FLAGS，可当作一个单元来处理标志可划分为：状态标志控制标志系统标志

程序状态字寄存器(续)状态标志使得一条指令的执行结果影响后面的指令OF(溢出标志)SF(符号标志)ZF(结果为零标志)AF(辅助进位标志)CF(进位标志)PF(奇偶校验标