2.1处理器管理(精品).ppt

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1、2.12.1中央处理中央处理器器 2.2中断技术中断技术 2.3进程及其实现进程及其实现 2.4线程及其实现线程及其实现 2.7处理器调度处理器调度 2.8 处理器调度算法处理器调度算法第第2章章 处理器管理处理器管理 1 1主要内容：主要内容：n单处理器系统和多处理器系统单处理器系统和多处理器系统 n寄存器寄存器 n特权指令与非特权指令特权指令与非特权指令 n处理器状态处理器状态 n程序状态字程序状态字2.1 中央处理器 进程可以被调度在一个处理器上交替执行（并发），或在多个处理器上同时执行(并行)。交替执行和同时执行都是并发的类型。2 2一、单处理器系统和多处理器系统(1)计算机系统的核心

2、是中央处理器。1.单处理器系统：一个计算机系统只包括一个运算处理器。2.多处理器系统：一个计算机系统有多个运算处理器。3.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，发展了流水线系统，以至于发射体系结构，计算机向并行化发展。3 3一、单处理器系统和多处理器系统(2)4.计算机系统结构分类 目前计算机系统可以分作以下四类：单指令流单数据流（SISD）：一个处理器在一个存储器中的数据上执行单条指令流。4 4单指令流多数据流（SIMD）：单条指令流控制

3、多个处理单元同时执行，每个处理单元包括处理器和相关的数据存储，一条指令控制了不同的处理器对不同的数据进行操作。向量机和阵列机是这类计算机系统的代表。SIMD在一台SIMD计算机中，有一个控制部件（又称为控制单元，control unit）和许多处理单元（processing unit）。大量的处理单元通常构成阵列，因此SIMD计算机有时也称为阵列处理机。所有的处理单元在控制部件的统一控制下工作。控制部件向所有的处理单元广播同一条指令，所有的处理单元同时执行这条指令，但是每个处理单元操作的数据不同。控制部件可以有选择地屏蔽掉一些处理单元，被屏蔽掉的处理单元不执行控制部件广播的指令。5 5一、单处

4、理器系统和多处理器系统(2)多指令流单数据流（MISD）：一个数据流被传送给一组处理器，通过这一组处理器上的不同指令操作最终得到处理结果。不同的处理器按照不同的模式来协同处理同一组数据，期望以最快最好的方式得到结果。目前正在研究中6 6一、单处理器系统和多处理器系统(3)多指令流多数据流（MIMD）：多个处理器对各自不同的数据集同时执行不同的指令流。可以把MIMD系统划分为共享内存紧密耦合MIMD系统和内存分布松散耦合MIMD系统两大类。根据处理器分配策略，紧密耦合MIMD系统可以分为主从式系统MSP（Main/Slave Multiprocessor）和对称式系统SMP（Symmetric

5、Multi-Processor）两类。主从式系统(MSP)基本思想是：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。7 7一、单处理器系统和多处理器系统(4)在对称式多处理器系统(SMP)中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。在松散耦合MIMD系统中，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

6、通信，集群（Cluster）系统都是松散耦合MIMD系统的例子。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。8 8一、单处理器系统和多处理器系统(5)单指令流单数据流（SISD）：传统的计算机系统。单指令流多数据流（SIMD）和多指令流多数据流（MIMD）都属于并行计算机！多指令流单数据流（MISD）：目前并没有一致公认的定义，相关的研究仍然存在争议9 9二、寄存器(1)计算机系统的处理器包括一组寄存器，用于存放数据、变量

7、和中间结果，其个数根据处理器型号的不同而不同，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，构成了处理器现场处理器现场。每一个进程被暂时中止执行时，操作系统就要保存相关的信息（包括处理器现场）以保证未来某个时刻，该进程可以继续执行。这些寄存器可分成以下几类：通用寄存器指针及变址寄存器1010段选择符寄存器I/O地指令指针址寄存器和标志寄存器控制寄存器：存放处理器的控制和状态信息，至少包括程序计数器PC和指令寄存器IR，中断寄存器以及用于存储器和I/O模块控制的寄存器。还有存放将被访问的存储单元地址的存储器地址寄存器，以及存放从存储器读出或欲写入的

8、数据的存储器数据寄存器。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1111CPU和控制寄存器、数据寄存器以及缓冲寄存器中的通信方式有三种：为每一个控制寄存器分配一个I/O端口，通过使用核心态I/O指令，CPU可以读写该端口。把所有的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，而控制寄存器也有其单独的I/O端口。（1）CPU读取数据时，把所需的数据地址（主存地址或者I/O端口）放在地址总线上。（2）在控制总线上插入读信号，同时另一条信号线标明数据来自I/O空间还是主存空间；（3）由相应的对象（设备

9、或主存）对请求做出响应。1212三、特权指令与非特权指令 (1)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。2.指令功能分类 机器指令的集合称指令系统指令系统，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。1313三、特

10、权指令与非特权指令 (2)(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。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：特权指令和非特权指令。特权指令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，如启动I/O设备、设置时钟、控制中断屏蔽位、清内存、建立存储键，加载PSW（程序状态字）等。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。1414三、特权指令与非特权指令 (3)

11、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。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。1515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?这将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。1.处理器状态分类 处理器状态又称为处理器的运行模式，一般的系统把处理器状态简单划分为核心状态（特权状态、系统模式、特态或管态）和用户状态（目标状态、用

12、户模式、常态或目态）。2.处理器状态与资源和机器指令使用权限的关系 当处理器处于核心状态时，运行可信软件，程序可以执行全部指令，访问所有主存和系统资源，并具有改变处理器状态的能力；当处理器处于用户状态时，运行非可信软件，程序只能执行非特权指令，只能访问当前CPU执行的进程的地址空间。处理器模式位扩展了操作系统的保护权限，意味着在核心态执行的程序有比用户态更多的权限去访问主存和执行特权指令，所以模式位被用来区分可信与非可信软件。16164 处理器状态 3.Intel x86 的处理器状态 Intel x86 的处理器状态有四种，支持4个保护级别，0级权限最高，3级权限最低。一般典型的应用把4个特

13、权级别依次设定为：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。1717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x86上的Windows操作系统只使用了0级和3级。4.处理器状态之间的转换(1)用户状态向核心状态的转换 下面两种情况会导致从用户状态向核心状态的转换，一是程序请求操作系统服

14、务，执行一条系统调用；二是程序运行时，产生了一个中断（或者异常）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（异常）是用户态到核心态转换的唯一途径。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“核心态”。1818四、处理器状态(4)(2)核心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LPSW（Load PSW），用来实现操作系统向用户程序的转换。1919四、处理器状态(5)进程切换的完整过程简化的：进程1CPU（用户态）中断中断 内核CPU（核心态）加载程序状态字 进程2CPU（用户态）

15、进程1CPU（用户态）进程2CPU（用户态）2020五、程序状态字寄存器(1)计算机如何知道当前处于何种状态？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状态。1.IBM360/370系列计算机程序状态字的基本格式 8位系统屏蔽（07位）：表示允许或禁止某个中断事件发生。4位保护键（811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（1215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

16、前产生的中断源。2121五、程序状态字寄存器(2)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（3639位）：表示允许或禁止程序性中断。24位指令地址（4063位）XX X X XXXX X X XXXXXX8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2222五、程序状态字寄存器(3)2.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。程序状态字寄存器一般包括以下内容：(1)状态标志(2)控制标志(3)

17、系统标志2323五、程序状态字寄存器(4)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。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。3.Intel x86的程序状态字 在Intel x86中，PSW由标志寄存器EFLAGS和指令指针寄存器EIP组成，均为32位。EFLAGS的低16位称FLAGS，标志可划分为三组：状态标志、控制标志、系统标志。状态标志：使得一条指令的执行结果影响后面的指令。算术运算指令使用溢出标志，符号标志，结果为零标志，辅助进位标志，进位标志，奇偶校验标志；串扫描、串比较、循环指令使用ZF通知其操作结束。2424五、程序状态字寄存器(5)控制标志：串指令操作方向标志。虚拟86方式标志(为1时，从保护模式进入虚拟8086模式)。步进标志(为1时，使处理器执行单步操作)。陷阱标志(为1时，允许响应中断，否则关中断)。系统标志：与进程管理有关：I/O特权级标志、嵌套任务标志和恢复标志，被用于保护模式。指令指针寄存器低16位（保护模式使用32位）。2525