第二章 - 处理器管理

处理器与寄存器

处理器

时钟信号：时间片轮转调度

用户程序可见寄存器

控制与状态寄存器

程序状态字PSW

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CCcondition code条件码，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 interrupt return）触发：内核模式→用户模式

中断与中断源

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
• 中断是实现多道程序设计的基础

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

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

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

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

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

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