操作系统第二章处理机管理

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1、第二章处理器管理处理器管理是操作系统最核心的部分。负责管理、调度和分配计算机系统的重要资源——处理器。12.1中央处理器（CPU）一、处理器的构成处理器由运算器、控制器、一组寄存器以及高速缓存构成。运算器：实现指令中的算术和逻辑运算，是计算机计算的核心。控制器：负责控制程序运行的流程，包括取指令、维护CPU状态、CPU与内存的交互等等。寄存器：是指令在CPU内部作处理的过程中暂存数据、地址以及指令信息的存储设备，在计算机的存储系统中它具有最快的访问速度。高速缓存：处于CPU和物理内存之间，访问速度快于内存，低于寄存器。利用程序局部性原理使得高速指

2、令处理和低速内存访问得以匹配，从而提高CPU的效率。2二、寄存器两类寄存器：用户可见寄存器：高级语言编译器通过算法分配并使用之，以减少程序访问主存次数。控制和状态寄存器：用于控制处理器的操作。由OS的特权指令使用,以控制其它程序的执行。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。31.用户可见寄存器机器语言（汇编语言）直接引用包括数据寄存器、地址寄存器等数据寄存器（dataregister）：又称通用寄存器地址寄存器（

3、addressregister）：用于存储数据及指令的物理地址。如indexregister、segmentpointer、stackpointer42.控制和状态寄存器用于控制处理器的操作大部分对于用户是不可见的一部分可以在某种特权模式（由OS使用）下访问常见的控制和状态寄存器:程序计数器（PC：ProgramCounter）：记录将要取出的指令的地址指令寄存器（IR：InstructionRegister）：包含最近取出的指令程序状态字（PSW：ProgramStatusWord）：记录处理器的运行模式信息等等5三、特权指令和非特权指令1.处

4、理器执行指令过程处理器依据在程序计数器中的指令地址从存储器中取一条指令取到的指令放在指令寄存器（IR）中处理器解释并执行指令自动将程序计数器的值变成下条指令的地址62.五类指令(1)数据处理类指令；(2)转移类指令；(3)数据传送类指令；(4)移位与字符串类指令；(5)I/O类指令。7处理器如何知道当前运行的是操作系统还是一应用软件？执行时有不同的权限。有赖于处理器状态。3.特权指令与非特权指令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：只能由操作系统的内核程序使用的指令，如启动I/O设备

5、、设置时钟、控制中断屏蔽位、清主存、建立存储键，加载PSW等。内核能够执行全部指令，应用程序只能使用非特权指令。8四、处理器的状态根据运行程序对资源和机器指令的使用权限将处理器设置为不同状态，处理器状态又称为处理器模式。多数系统将处理器工作状态划分为核心态和用户态。1.核心态（KernelMode)CPU执行操作系统程序时所处的状态。较高的特权级别，又称为特权态（特态）、系统态、管态。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。2.用户态(UserMode)用户程序执行时CPU所处的状态。较低的特权级别，又称

6、为普通态（普态）、目态。处理器处于用户状态时，程序只能执行非特权指令，不能直接使用系统资源，只能访问用户程序所在的存储空间，不能改变CPU状态。9实例：x86系列处理器386、486、Pentium系列处理器都支持4个处理器特权级别（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核心态R3相当于用户态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：10四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

7、种用户程序现有基于x86处理器的操作系统，如UNIX、Linux以及Windows系列大都只用了R0和R3两个特权级别。113.处理器模式转换（1）用户态→核心态有两种情况会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。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“

8、核心态”。12（2）核心态→用户态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