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操作系统（处理器管理） 徐锋 Email: xf@ics.nju.edu.cn 南京大学计算机科学与技术系 主要内容 什么是处理器管理？ 处理器的相关知识 中断技术 进程与线程 处理器调度 作业管理与调度 低级调度 什么是处理器管理？ 处理器管理是操作系统的重要组成部分，负责管理、调度和分派计算机系统的重要资源——处理器，并控制程序执行。 涉及两方面内容 处理器 运行的程序（进程） 处理器的相关知识 处理器 寄存器 机器指令 处理器状态 程序状态字(PSW, Program Status Word) 处理器 内部组成： 控制器 运算器 寄存器 中断装置 定时器 输入/输出电路 高速缓存(Cache) … 寄存器 通用寄存器 数据寄存器 地址寄存器 I/O地址寄存器 I/O缓冲寄存器 控制寄存器 程序计数器 指令寄存器 中断寄存器 内存和I/O控制寄存器 机器指令 指令是指示计算机执行某些操作的命令，一台计算机的所有指令的集合，称为指令系统，反映机器的功能和能力 指令系统可分为： 复杂指令系统(CISC)、精简指令系统(RISC) 指令分类 按功能分： 运算（算术运算、逻辑运算、移位运算） 程序控制（转移、子程序调用、返回） 数据传送（一般传送、堆栈操作、数据交换） 输入/输出指令 按使用者分： 特权指令，仅供操作系统内核调用 非特权指令 处理器状态 特权指令的执行限制，使处理器必须能区分当前运行的程序是操作系统还是普通应用程序 处理器状态： 管理状态（特权状态、系统状态、特态、管态），能执行所有机器指令 用户状态（目标状态、用户模式、常态、目态），只能执行非特权指令 中断导致状态转换 程序请求操作系统服务 产生中断事件 程序状态字(PSW) 用于区别不同的处理器工作状态 每个程序都有一个与其执行相关的PSW，而每个处理器均设置一组相关寄存器用于存储PSW信息 PSW的主要内容 程序基本状态（程序计数器、条件码、状态位） 中断码 中断屏蔽位 中断技术 什么是中断？ 中断源分类 中断装置 中断处理程序 中断的优先级和多重中断 什么是中断？ 中断是用来向CPU报告某设备已完成某项操作的手段，是并发程序的基础。 中断是指程序执行过程中，当发生某个事件时，？终止CPU上现行程序的运行，引出处理该事件的服务程序执行的过程。 中断事件处理需要硬件（中断装置）和软件（中断处理程序）配合完成。 中断源分类 中断源： 引起中断的事件 按中断事件的性质和激活的手段分： 强迫性中断事件 机器故障、程序性错误（异常）、外部中断、输入输出中断事件、… 自愿性中断事件 调用访管指令 中断源分类 内外的划分标准： 处理器和主存为内，其他硬件为外 按中断信号的来源分： 外中断（中断） 电源故障中断、时钟中断（外部）、控制台中断、输入输出中断、… 内中断（异常） 通路校验错、主存奇偶校验错、非法操作码、地址越界、页面失效、调试指令、访管中断、算术操作溢出、… 中断与异常的区别 中断特点： 与现行指令无关 发生时间与CPU所处状态无关 两条指令之间才能响应中断 可被屏蔽 可嵌套 异常特点： 由现行指令执行而引起 在目态发生 可在一个指令周期内处理 不可屏蔽、不可嵌套 可细分为： 出错，处理完后回到当前出错指令 陷入，处理完后执行下一条指令（常用于系统功能调用） 中断装置 定义： 发现中断源并产生中断的硬件，通常包括逻辑电路和中断寄存器 具体功能： 捕获中断源，响应中断请求 保护现场 启动处理中断事件的中断处理程序，CPU从目态切换为管态 32位处理器的PC机通常的中断硬件结构 中断装置工作过程演示 中断处理程序 处理中断事件的程序 具体功能： 保护一些未被硬件保护的现场信息 识别中断源，分析中断产生的原因 处理发生的中断事件 恢复正常操作 实现方法： 向量地址是中断服务程序的入口 中断向量表 Minix中断处理 类似于linux的低半处理方式 目的:为了缩短屏蔽中断的时间, 提高系统并发工作的能力 一种任务延迟处理机制, 核心代码在关中断的核心态完成与中断事件有关的基本处理, 另外一部分耗时的工作留在中断处理例程之外, 在开中断的非核心态完成。 这些非核心态的运行的代码，在Minix中被组织成与设备基本相对应的任务（驱动程序）进程，如磁盘任务、终端任务、时钟任务等等, 其中中断任务需要对应如键盘, RS232串口等硬件. 中断的优先级和多重中断 优先级 同时有多个中断事件发生时，中断装置按一定顺序对其作出响应，其先后顺序即优先级 优先级设定的原则 按造成计算机系统出错的严重程度划分 例，机器校验中断 》自愿性中断 》程序性中断 》外部中断 》输入输出中断 》重启动中断 中断的优先级和多重中断 中断优先级的设计导致： 中断屏蔽 高优先级