2.1处理器管理

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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。
•单指令流多数据流（SIMD）：单条指令流控制多个处理单元 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 。
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三、特权指令与非特权指令 (3)
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。
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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）。
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四、处理器状态(4)
4.处理器状态之间的转换 (1)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”。 (2)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LPSW（Load PSW），用来实现操作系统向用户程 17 序的转换。
三、特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。
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三、特权指令与非特权指令 (3)
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。
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
2.5 处理器调度
2.6 批处理作业的管理与调度
2.7 低级调度
习题作业：
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2.1 中央处理器
主要内容： 一、单处理器系统和多处理器系统 二、寄存器 三、特权指令与非特权指令
四、处理器状态
五、程序状态字寄存器
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16位中断码字段 24位指令地址 19 4位保护键 指令长和条件码
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： •程序基本状态： (1)程序计数器：指明下一条执行的指令地址；
•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。
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四、处理器状态(3)
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。
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 6 立工作。
二、寄存器 (1)
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。 这些寄存器可分成以下几类：
•通用寄存器：可由程序设计者指定许多功能，如存放操作数 或用作寻址寄存器。
•数据寄存器：存放操作数，作为内存数据的高速缓存。 •地址寄存器：指明内存地址，如索引寄存器、段寄存器、堆 栈指针寄存器等。 •I/O地址寄存器：指定I/O设备。 •I/O缓冲寄存器：用于处理器和I/O设备交换数据。
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二、寄存器 (2)
六、Linux进程控制
进程可以被调度在一个处理器上交替执行，或在多个处理器 上同时执行。交替执行和同时执行都是并发的类型。
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一、单处理器系统和多处理器系统(1)
计算机系统的核心是中央处理器。
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，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。
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五、程序状态字寄存器 (4)
3. Intel Pentium的程序状态字 在Intel Pentium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。
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(2)条件码：表示指令执行的结果状态；
(3)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。
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五、程序状态字寄存器 (4)
•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。
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。
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四、处理器状态(1)
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。
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四、处理器状态(2)
3. Intel Pentium的处理器状态 Intel Pentium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。
•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数据的 存储器数据寄存器。
•其他寄存器
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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，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 9 器和存储器单元、存储器单元和存储器之间交换数据。
•16位中断码字段：与中断事件对应，记录当前产生的中断源。
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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（36~39位）：表示允许或禁止程序性中断。 •24位指令地址（40~63位） 8位系统屏蔽 4位CMWP字段 XX X X XXXX X 4位程序屏蔽 X XXXXXX
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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通信， 多计算机系统和集群（Cluster）系统都是松散耦合MIMD系统 的例子。
五、程序状态字寄存器 (1)
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（Program Status Word）来 区别不同的处理器工作状态。
1. IBM360/370系列计算机程序状态字的基本格式 •8位系统屏蔽（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。