2.1 处理器
2.1.1 处理器与寄存器
处理器部件的简单示意
用户程序可见寄存器
- 可以使程序员减少访问主存储器的次数，提高指令执行的效率
- 所有程序可使用，包括应用程序和系统程序
- 数据寄存器：又称通用寄存器
- 地址寄存器：索引、栈指针、段地址等寄存器
控制与状态寄存器
- 用于控制处理器的操作；主要被具有特权的操作系统程序使用，以控制程序的执行
- 程序计数器PC：存储将取指令的地址
- 指令寄存器IR：存储最近使用的指令
- 条件码CC：CPU为指令操作结果设置的位，标志正/负/零/溢出等结果 标志位：中断位、中断允许位、中断屏蔽位、处理器模式位、内存保护位、…，等
程序状态字PSW
- PSW既是操作系统的概念，指记录当前程序运行的动态信息，通常包含： 程序计数器，指令寄存器，条件码 中断字，中断允许/禁止，中断屏蔽，处理器模式，内存保护、调试控制 PSW也是计算机系统的寄存器 通常设置一组控制与状态寄存器 也可以专设一个PSW寄存器
2.1.2 指令与处理器模式
机器指令
- 机器指令是计算机系统执行的基本命令，是中央处理器执行的基本单位
- 指令由一个或多个字节组成，包括操作码字段、一个或多个操作数地址字段、以及一些表征机器状态的状态字以及特征码
- 指令完成各种算术逻辑运算、数据传输、控制流跳转
指令执行过程
- CPU根据PC取出指令，放入IR，并对指令译码，然后发出各种控制命令，执行微操作系列，从而完成一条指令的执行
- 一种指令执行步骤如下： #取指-解码-执行
- 取指：根据PC从存储器或高速缓冲存储器中取指令到IR
- 解码：解译IR中的指令来决定其执行行为
- 执行：连接到CPU部件，执行运算，产生结果并写回，同时在CC里设置运算结论标志；跳转指令操作PC，其他指令递增PC值
指令执行周期与指令流水线
特权指令与非特权指令
- 特权指令：只能被操作系统内核使用的指令 #特权只有系统内核用
- 非特权指令：能够被所有程序使用的指令 #非特权所有程序可以用
处理器模式
- 设置处理器模式实现特权指令管理 一般设置0、1、2、3等四种运行模式，建议分别对应：0OS内核、1系统调用、2共享库程序、3用户程序等保护级别
- 0模式可以执行全部指令；3模式只能执行非特权指令；其他每种运行模式可以规定执行的指令子集
- 操作系统常用的处理器模式
- 一般来说，现代操作系统只使用0和3两种模式，分别对应于内核模式和用户模式 #目前os只用0内核3用户
处理器模式的切换
- 中断、异常或系统异常等事件导致用户程序向OS内核切换，触发：用户模式→内核模式
- 程序请求操作系统服务
- 程序运行时发生异常
- 程序运行时发生并响应中断 #程序请求系统服务、运行异常、中断
- OS内核处理完成后，调用中断返回指令（如Intel的iret）触发：内核模式→用户模式
2.2 中断管理
2.2.1 中断
中断的概念
- 中断是指程序执行过程中，遇到急需处理事件时，暂时中止CPU上现行程序的运行，转去执行相应的事件处理程序，待处理完成后再返回原程序被中断处或调度其他程序执行的过程 #程序进行中中断现行程序处理另一个程序再返回原程序被中断处
- 中断是激活操作系统的唯一方式
中断、异常与系统异常
- 狭义的中断指来源于处理器外的中断事件，即与当前运行指令无关的中断事件，如I/O中断、时钟中断、外部信号中断等
- 异常指运行指令引起的中断事件，如地址异常、算术异常、处理器硬件故障等
- 系统异常指执行陷入指令而触发系统调用引起的中断事件，如请求设备、请求I/O、创建进程等
2.2.2 中断源
处理器硬件故障中断事件
- 由处理器、内存储器、总线等硬件故障引起的中断事件
- 处理原则为：保护现场，停止设备，停止CPU，向操作员报告，等待人工干预 #硬件故障解决=保现+停机+停cpu+报告+人工
程序性中断事件
- 处理器执行机器指令引起的中断事件
- 除数为零、操作数溢出等算术异常：简单处理，报告用户；也可以由用户编写中断续元程序处理
- 非法指令、用户态使用特权指令、地址越界、非法存取等指令异常：终止进程
- 终止进程指令：终止进程
- 虚拟地址异常：调整内存重新执行指令
自愿性中断事件（系统调用）
- 处理器执行陷入指令请求OS服务引起的中断事件；又被称作系统调用
- 请求分配外设、请求I/O、等等
- 处理流程是：陷入OS，保护现场，根据功能号查入口地址，跳转具体处理程序
I/O中断事件
- 来源于外围设备，用于报告I/O状态的中断事件
- I/O完成：调整进程状态，释放等待进程，加入就绪进程队列
- I/O出错：等待人工干预
- I/O异常：等待人工干预
外部中断事件
- 由外围设备发出的信号引起的中断事件
- 时钟/间隔时钟中断：记时与时间片处理
- 设备报到与结束中断：调整设备表
- 键盘/鼠标信号中断：根据信号作出相应反应
- 关机/重启动中断：写回文件，停止设备与CPU
2.2.3 中断系统1
中断系统
- 中断系统是计算机系统中响应和处理中断的系统，包括硬件子系统和软件子系统两部分 #中断os=硬件子os+软件子os
- 断响应由硬件子系统完成
- 中断处理由软件子系统完成 #断响应
中断响应处理与指令执行周期
中断装置
- 计算机系统中发现并响应中断/异常的硬件装置称为中断装置
- 这些中断装置因计算机而异，通常有：
- 处理器外的中断：由中断控制器发现和响应
- 处理器内的异常：由指令的控制逻辑和实现线路发现和响应，相应机制称为陷阱
- 请求OS服务的系统异常：处理器执行陷入指令时直接触发，相应机制称为系统陷阱
中断响应过程
- 发现中断源，提出中断请求
- 发现中断寄存器中记录的中断
- 决定这些中断是否应该屏蔽
- 当有多个要响应的中断源时，根据规定的优先级选择一个
- 中断当前程序的执行
- 保存当前程序的PSW/PC到核心栈
- 转向操作系统的中断处理程序 #发现源-请求中断-看记录决定屏蔽-多个优先级高先-中断-保存psw/pc-os中断程序
2.2.3 中断系统2
中断处理程序
- OS处理中断事件的控制程序, 主要任务是处理中断事件和恢复正常操作
中断处理过程
- 保护未被硬件保护的处理器状态
- 通过分析被中断进程的PSW中断码字段，识别中断源
- 分别处理发生的中断事件
- 恢复正常操作
中断系统处理流程
2.2.4 多中断的响应与处理
中断屏蔽
- 当计算机检测到中断时，中断装置通过中断屏蔽位决定是否响应已发生的中断
- 有选择的响应中断
中断优先级
- 当计算机同时检测到多个中断时, 中断装置响应中断的顺序,有优先度的响应中断
- 一种可能的处理次序：
- 处理机硬件故障中断事件
- 自愿性中断事件
- 程序性中断事件
- 时钟等外部中断事件
- 输入输出中断事件
- 重启动和关机中断事件 #不同类型操作系统有不同的中断优先级
中断的嵌套处理
- 当计算机响应中断后，在中断处理过程中，可以再响应其他中断
- 操作系统是性能攸关程序系统，且中断响应处理有硬件要求，考虑系统效率和实现代价问题，中断的嵌套处理应限制在一定层数内，如3层
- 中断的嵌套处理改变中断处理次序，先响应的有可能后处理
多中断的响应与处理
- 中断屏蔽可以使中断装置不响应某些中断 #可屏蔽
- 中断优先级决定了中断装置响应中断的次序 #可前后
- 中断可以嵌套处理，但嵌套层数应有限制 #有限制
- 中断的嵌套处理改变了中断处理的次序 #可改序
多重中断处理-顺序
- X、Y两个中断同时发生
- 先响应X
- 因Y被屏蔽，继续处理X
- 再响应并处理Y #同时发生 某个被屏蔽不响应 响应并处理未屏蔽 再处理屏蔽
多重中断处理-嵌套
- X、Y两个中断同时发生
- 根据中断优先级，先响应X
- 因未屏蔽Y，再响应并处理Y
- Y处理完成后，再处理X #同时发生 优先级优先响应 响应并处理未屏蔽 再处理优先响应
