【操作系统】处理器管理

指令与处理器模式

• 指令执行周期：取指、译码、执行
• 指令分类（根据权限）
  • 特权指令：只能被操作系统内核使用（启动 IO，置 PC 值）
  • 非特权指令：所有程序都能使用
• 处理器模式：
  • 共有四种：0内核模式，1系统调用，2共享库程序，3用户模式
  • 一般来说：只有0内核模式（能执行全部指令）和3用户模式（只能执行非特权指令）
  • 模式切换：
    • 用户模式 --> 内核模式（系统调用、异常、响应中断）
    • 内核模式 --> 用户模式（中断返回指令）

中断

• 概念：
  • 操作系统是中断驱动的。即 中断是激活操作系统的唯一方式
  • 广义中断：停止 CPU 正在执行的进程，转而执行中断处理程序，处理完后返回原进程或调度新进程
  • 狭义中断：源于处理器之外的中断事件，IO 中断、时钟中断、外部信号中断
• 中断源：
  • 处理器硬件故障中断事件：内存故障
  • 程序性中断事件：除 0 异常、缺页异常
  • 自愿性中断事件：系统调用
  • IO中断事件：IO 完成
  • 外部中断事件：鼠标点击
• 中断系统：
  • 实现：硬件完成中断响应，软件完成中断处理
    
  • 中断装置：
    • 处理器外中断：由中断控制器实现
    • 处理器内中断（陷阱）：由指令控制逻辑实现
    • 系统调用（系统陷阱）：执行陷入指令时直接触发，即系 统陷阱
  • 中断处理流程
    
  • 多中断处理：中断屏蔽、中断优先级、中断嵌套

进程

• 进程：操作系统进行资源分配和调度的独立单位
• 进程解剖：OS管理进程的数据结构P + 内存代码 + 内存数据 + 通用寄存器R + PSW
• 进程状态：
  
• 进程数据：
  • 进程控制块PCB：是 OS 用于记录进程状态和环境信息的数据结构
    • 标识信息：进程标识（进程标识号、进程组标识号）
    • 现场信息：用户可见寄存器内容、控制/状态寄存器内容、栈指针内容
    • 控制信息：进程调度信息、进程组成信息、队列指引元、通信相关、进程特权信息、处理器使用信息、资源清单信息
  • 进程映像：某一时刻进程的内容及执行状态集合
    • 进程控制块、进程程序块、进程数据块、核心栈
      
  • 进程上下文：进程执行的环境支持（CPU 现场、Cache 中的执行信息）
    • 用户级、寄存器级、系统级
• 进程的管理
  • 进程实现的队列模型
    
  • 进程控制流程
    • 进程创建：进程表增加一项，申请 PCB 并初始化，生成标识，建立映像，分配资源，移入就绪队列
    • 进程撤销：从队列中移除，归还响应资源。。。
    • 进程阻塞：保存现场，修改 PCB，移入等待队列
    • 进程唤醒：从等待队列移出，修改 PCB，进入就绪队列
    • 进程挂起：修改进程状态并出入相关队列，收回内存等资源送至对换区
    • 进程激活：分配内存，修改状态并出入相关队列
  • 原语
    • 概念：由若干指令构成的完成某种特定功能，有原子性
    • 应用：修改 OS 核心数据结构（进程表、PCB 池）
• 进程切换与模式切换
  • 流程：俩进程上下文切换（保存被中断的上下文、进程调度、恢复待运行的上下文）
  • 模式切换：用户态到内核态这种。进程切换必须在内核态完成，所以必须经理模式切换

线程

• 多线程技术：一个进程内有多个线程
• 思路：将进程的两个功能“独立分配资源”和“调度执行”功能分开
  
  
• 分类：
  • KLT：内核级多线程
  • ULT：用户级别多线程
• 多线程实现的混合策略
  • 一个 ULT 绑定多个 KLT
    

处理器调度

• 处理器调度的层次：高级、中级、低级
  
• 处理器调度算法
  • 原则：资源利用率、响应时间、周转时间（进入系统到出系统时间）、吞吐量（单位时间处理进程数）、公平性
  • 算法：优先数算法、时间片轮转、分级调度算法、彩票算法