操作系统

第三章并发进程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低级调度第2章处理机管理第三章并发进程2.1中央处理器2.1.1单处理器系统和多处理器系统2.1.2寄存器2.1.3特权指令与非特权指令2.1.4处理器状态2.1.5程序状态字寄存器第三章并发进程2.1.1单处理器和多处理器系统计算机系统的核心是中央处理器•处理器的任务：按照程序计数器的指向从主存读取指令，对指令进行译码，取出操作数，执行指令。–单处理器系统：一个计算机系统只包括一个运算处理器。–多处理器系统：一个计算机系统有多个运算处理器。第三章并发进程从串型到并行(1)•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。•为了提高计算机处理速度，出现了指令并行执行问题。第三章并发进程计算机系统结构分类(1)•单指令流单数据流（SISD）•单指令流多数据流（SIMD）•多指令流单数据流（MISD）•多指令流多数据流（MIMD）第三章并发进程计算机系统结构分类(2)•单指令流单数据流：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：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。第三章并发进程计算机系统结构分类(3)•多指令流单数据流：一个数据流被传送给一组处理器，通过处理器上不同指令操作最终得到处理结果。•多指令流多数据流：多个处理器对各自不同的数据集同时执行不同的指令流。分为两类：–共享存储(紧密耦合)多处理机系统–分布存储(松散耦合)多处理机系统第三章并发进程2.1.2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。第三章并发进程寄存器以intelx86为例，介绍各种寄存器：•通用寄存器--EAX，EBX，ECX和EDX•指针及变址寄存器--ESP，EBP，ESI及EDI•段选择符寄存器--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和CR3•外部设备使用的寄存器第三章并发进程外部设备使用的寄存器•数据寄存器或缓冲区•状态寄存器•控制寄存器每个设备控制器都有上述3类寄存器用于和CPU间的通信。第三章并发进程2.1.3特权指令与非特权指令•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。第三章并发进程特权指令与非特权指令•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；(2)转移类指令；(3)数据传送类指令；(4)移位与字符串指令；(5)I/O类指令。第三章并发进程特权指令与非特权指令(3)•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等。这些指令不允许用户使用。•内核可以执行全部指令，用户只能执行非特权指令。第三章并发进程2.1.4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?•处理器状态标志和设置处理器成不同状态。•核心态（特权状态、系统模式、管态）和用户态（目标状态、用户模式、目态）。第三章并发进程处理器状态•处理器处于核心态时，程序可以执行全部指令，使用所有资源，具有改变处理器状态的能力；处理器处于用户态时，程序只能执行非特权指令。•IntelX86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。第三章并发进程实例：x86系列处理器•386、486、Pentium系列都支持4个处理器特权级别（特权环：R0、R1、R2和R3）•从R0到R3特权能力依次降低•R0相当于双状态系统的管态•R3相当于目态•R1和R2则介于两者之间，它们能够运行的指令集合具有包含关系：3210RRRRIIII第三章并发进程各个级别有保护性检查（地址校验、I/O限制）特权级别之间的转换方式不尽相同四个级别运行不同类别的程序：•R0-运行操作系统核心代码•R1-运行关键设备驱动程序和I/O处理例程•R2-运行其它受保护共享代码，如语言系统运行环境•R3-运行各种用户程序现有基于x86处理器的操作系统，多数UNIX、Linux以及Windows系列大都只用了R0和R3两个特权级别实例：x86系列处理器-2第三章并发进程处理器模式转换•导致处理器从用户态向核心态转换:–一是程序请求操作系统服务，执行系统调用；–二是程序运行时，产生中断或异常事件，运行程序被中断，转向中断处理或异常处理程序工作。第三章并发进程处理器模式转换•两类情况都通过中断机制发生，中断和异常是用户态到内核态转换仅有的途径，当系统中产生中断或异常，处理器作出响应且交换程序状态字，会导致处理器从用户态转向核心态，处理事件的中断或异常处理程序的程序状态字中，处理器模式位一定为“核心态”。第三章并发进程处理器模式转换•如何从内核模式转向用户模式？计算机提供一条特权指令称作加载程序状态字(IBM370为loadPSW指令，Intelx86为iret指令)，用来实现从系统(核心态)返回到用户态，控制权交给应用进程。第三章并发进程2.1.5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。第三章并发进程程序状态字寄存器•PSW用来控制指令执行顺序并保留和指示与运行程序有关的系统状态，主要作用是实现程序状态的保护和恢复。•每个程序都有一个与其执行相关的PSW，每个处理器都设置一个PSW寄存器。程序占有处理器执行，它的PSW将占有PSW寄存器。第三章并发进程程序状态字寄存器(2)PSW寄存器包括以下内容：•程序基本状态：(1)程序计数器；(2)条件码；(3）处理器状态位。•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。第三章并发进程IBM360/370系列计算机程序状态字的基本格式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位指令地址第三章并发进程•系统屏蔽位8位（0-7位）表示允许或禁止某个中断事件发生，相应位为0或1时分别表示屏蔽或响应中断。0-7依次为通道0-6和外中断屏蔽位。•保护键4位（8-11位）当没有设置存储器保护时，该4位为0；当设置存储器保护时，PSW中的这四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。•CMWP位（12-15位）依次为PSW基本/扩充控制方式位、开/关校验中断位、运行/等待位、目态/特态位。•中断码16位，中断码字段与中断事件对应，记录当前产生的中断源。第三章并发进程•指令长度字段2位（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2位（34-35位），用以表示各种指令执行的结果状态。•程序屏蔽4位（36-39位）表示允许（为1）或禁止（为0）程序性中断，自左向右各位体对应的程序性事件是：定点溢出、十进溢出、阶下溢、39位备用。•指令地址24位（40-63位）：指明下一条执行指令的绝对地址。第三章并发进程Intelx86程序状态字•Intelx86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，可以当做一个单元来处理，标志可划分为三组：状态标志、控制标志、系统标志。