CH2处理器管理 ■处理器管理是操作系统的重要组成 部分,它负责管理、调度和分派计 算机系统的重要资源处理器,并控 制程序的执行。由于处理器管理是 操作系统中最内核的组成部分,任 何程序的执行都必须真正占有处理 器,因此处理器管理直接影响系统 的性能
CH2 处理器管理 n 处理器管理是操作系统的重要组成 部分，它负责管理、调度和分派计 算机系统的重要资源处理器，并控 制程序的执行。由于处理器管理是 操作系统中最内核的组成部分，任 何程序的执行都必须真正占有处理 器，因此处理器管理直接影响系统 的性能
21中央处理器 2.1.1单处理器系统和多处理器系统 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 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,一条指令事实上控 制了不同的处理器对不同的数据进行了操作 向量机和阵列机是这类计算机系统的代表。 ●多指令流单数据流(MISD):一个数据流被 传送给一组处理器,通过这一组处理器上的不 同指令操作最终得到处理结果 ●多指令流多数据流(MIMD):多个处理器 对各自不同的数据集同时执行不同的指令流
2.1 中央处理器 2.1.1 单处理器系统和多处理器系统 目前计算机系统可以分作以下四类： n l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。 n l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，一条指令事实上控 制了不同的处理器对不同的数据进行了操作。 向量机和阵列机是这类计算机系统的代表。 n l多指令流单数据流（MISD）：一个数据流被 传送给一组处理器，通过这一组处理器上的不 同指令操作最终得到处理结果。 n l多指令流多数据流（MIMD）：多个处理器 对各自不同的数据集同时执行不同的指令流
紧密耦合MMD系统可以分为主从式系统和对称 式系统(SMP)两类。 主从式系统的基本思想是:在一个特别 的处理器上运行操作系统内核,其他处 理器上则运行用户程序和操作系统例行 程序,内核负责分配和调度各个处理器, 并向其它程序提供各种服务(如输入输 出)。这种方式实现简单,但是主处理 器的崩溃会导致整个系统的崩溃,并且 极可能在主处理器形成性能瓶颈
紧密耦合MIMD系统可以分为主从式系统和对称 式系统(SMP）两类。 n 主从式系统的基本思想是：在一个特别 的处理器上运行操作系统内核，其他处 理器上则运行用户程序和操作系统例行 程序，内核负责分配和调度各个处理器， 并向其它程序提供各种服务（如输入输 出）。这种方式实现简单，但是主处理 器的崩溃会导致整个系统的崩溃，并且 极可能在主处理器形成性能瓶颈
■对称式多处理器系统(SMP)中,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,并且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。 对称多处理机( Symmetric Multiprocessor, SMP)是迄今开 发出的最成功的并行机,有一种SMP机最多可支持64个 处理器,多个处理器之间采用共享主存储器。SMP机有 对称性、单一地址空间、低通信延迟和一致的高速缓存 等特点,具有高可靠性、可扩充性、易伸缩性。这一系 统中任何CPU可访问任何存储单元及IO设备;CPU间 通信代价很低,而并行度较高;由于共享存储器中只要 保存一个操作系统和数据库副本,既有利于动态负载平 衡,又有利于保证数据的完整性和一致性。 Dec alpha Server、HP9000/T600、 IBMRS600/40、 Sun ultra Enterprise6000、 SGI Power Challenge XL都是SMP机 主要用于在线数据服务、数据库和数据仓库等应用
n 对称式多处理器系统（SMP）中，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，并且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。 n 对称多处理机(Symmetric Multiprocessor,SMP)是迄今开 发出的最成功的并行机，有一种SMP机最多可支持64个 处理器，多个处理器之间采用共享主存储器。SMP机有 对称性、单一地址空间、低通信延迟和一致的高速缓存 等特点，具有高可靠性、可扩充性、易伸缩性。这一系 统中任何CPU可访问任何存储单元及I/O设备；CPU间 通信代价很低，而并行度较高；由于共享存储器中只要 保存一个操作系统和数据库副本，既有利于动态负载平 衡，又有利于保证数据的完整性和一致性。Dec Alpha Server、HP9000/T600、IBMRS600/40、Sun Ultra Enterprise 6000、SGI Power Challenge XL都`是SMP机， 主要用于在线数据服务、数据库和数据仓库等应用
2.1.2寄存器 ●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。 ■●数据寄存器它们作为内存数据的高速缓存,可以被 系统程序和用户程序直接使用并进行计算。用以存放 操作数 ●地址寄存器用于指明内存地址。如索引寄存器、段 寄存器(基址/限长)、堆栈指针寄存器等等。 ●IO地址寄存器用于指定ⅣO设备。 ●IO缓冲寄存器用于处理器和I/O设备交换数据 ●控制寄存器用于存放处理器的控制和状态信息,包 括程序计数器和指令寄存器,中断寄存器以及用于存 储器和ⅣO模块控制的寄存器也属于这一类。此外还有: 存放将被访问的存储单元地址的存储器地址寄存器和 存放从存储器读出或欲写入的数据的存储器数据寄存 器
2.1.2 寄存器 n l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。 n l数据寄存器 它们作为内存数据的高速缓存，可以被 系统程序和用户程序直接使用并进行计算。用以存放 操作数。 n l 地址寄存器 用于指明内存地址。如索引寄存器、段 寄存器（基址/限长）、堆栈指针寄存器等等。 n l I/O地址寄存器 用于指定I/O设备。 n l I/O缓冲寄存器 用于处理器和I/O设备交换数据。 n l 控制寄存器 用于存放处理器的控制和状态信息，包 括程序计数器和指令寄存器，中断寄存器以及用于存 储器和I/O模块控制的寄存器也属于这一类。此外还有： 存放将被访问的存储单元地址的存储器地址寄存器和 存放从存储器读出或欲写入的数据的存储器数据寄存 器。 n l程序状态字寄存器也属于CPU
2.1.3机器指令 计算机机器指令的集合称指令系统,它反映了 台机器的功能和处理能力,可以分为以下四 类 ●数据处理类指令:用于执行算术和逻辑运算 ●控制类指令:如转移,用于改变执行指令序 列 ●寄存器数据交换类指令:用于在处理器的寄 存器和存储器之间交换数据 ●I/0类指令:用于启动外围设备,让主存和 设备交换数据
2.1.3 机器指令 计算机机器指令的集合称指令系统，它反映了 一台机器的功能和处理能力,可以分为以下四 类： n l 数据处理类指令：用于执行算术和逻辑运算。 n l 控制类指令：如转移，用于改变执行指令序 列。 n l 寄存器数据交换类指令：用于在处理器的寄 存器和存储器之间交换数据。 n l I/O类指令：用于启动外围设备，让主存和 设备交换数据
2.1.4特权指令 在多道程序设计环境中,从资源管理和控制程序 执行的角度出发,把指令系统中的指令分作两类 特权指令( Privileged Instructions)和非特权指令。 所谓特权指令是指那些只能在特态下才能正常执 行的,提供给操作系统的核心程序使用的指令, 如启动输入输出设备、设置时钟、控制中断屏蔽 位、清内存、建立存储键,加载PSW,…,等 般用户在目态下运行,只能执行非特权指令 否则会导致非法执行特权指令而产生中断。只有 操作系统才能执行全部指令(特权指令和非特权 指令)
2.1.4 特权指令 n 在多道程序设计环境中，从资源管理和控制程序 执行的角度出发，把指令系统中的指令分作两类 ： 特权指令(Privileged Instructions)和非特权指令。 所谓特权指令是指那些只能在特态下才能正常执 行的，提供给操作系统的核心程序使用的指令， 如启动输入输出设备、设置时钟、控制中断屏蔽 位、清内存、建立存储键，加载PSW，…，等。 一般用户在目态下运行，只能执行非特权指令， 否则会导致非法执行特权指令而产生中断。只有 操作系统才能执行全部指令（特权指令和非特权 指令）
2.1.5处理器状态 处理器状态又称为处理器的运行模式, 有些系统把处理器状态划分为核心状 态、管理状态和用户状态,而大多数 系统把处理器状态简单的划分为管理 状态(又称特权状态、系统模式、特 态或管态)和用户状态(又称目标状 态、用户模式、常态或目态)
2.1.5 处理器状态 n 处理器状态又称为处理器的运行模式， 有些系统把处理器状态划分为核心状 态、管理状态和用户状态，而大多数 系统把处理器状态简单的划分为管理 状态（又称特权状态、系统模式、特 态或管态）和用户状态（又称目标状 态、用户模式、常态或目态）
■当处理器处于管理状态时,可以执 行全部指令,使用所有资源,并具 有改变处理器状态的能力;当处理 器处于用户状态时,只能执行非特 权指令。没有硬件支持的多运行模 式会引起系统严重后果,如Ms-DOS 是为 lIntel8088结构配的操作系统,它 没有双模式,可能发生用户把数据 写到操作系统区,或几个用户同时 使用一台设备
n 当处理器处于管理状态时，可以执 行全部指令，使用所有资源，并具 有改变处理器状态的能力；当处理 器处于用户状态时，只能执行非特 权指令。没有硬件支持的多运行模 式会引起系统严重后果，如MS-DOS 是为Intel8088结构配的操作系统，它 没有双模式，可能发生用户把数据 写到操作系统区，或几个用户同时 使用一台设备
PDP系列计算机具有两个处理器状态,用户态和 核心态 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。一种典型的应用 是把4个保护级别依次设定为: ●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。 ■●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,都去 它们的数据,但是不能修改它们 ■●3级为用户程序级。它受到的保护最少
n PDP系列计算机具有两个处理器状态, 用户态和 核心态。 n 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。一种典型的应用 是把4个保护级别依次设定为： n l 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。 n l 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。 n l 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，都去 它们的数据，但是不能修改它们。 n l 3级为用户程序级。它受到的保护最少