處理器管理

處理器與寄存器

處理器部件的簡單示意

用戶程序可見寄存器

可使程序員減小訪問主存儲器的次數，提升指令執行的效率,全部程序可以使用，包括應用程序和系統程序

• 數據寄存器：又稱通用寄存器
• 地址寄存器：索引、棧指針、段地址等寄存器

控制與狀態寄存器

用於控制處理器的操做；主要被具備特權的操做系統程序使用，以控制程序的執行,程序計數器PC：存儲將取指令的地址,指令寄存器IR：存儲最近使用的指令,條件碼CC：CPU爲指令操做結果設置的位，標誌正/負/零/溢出等結果,標誌位：中斷位、中斷容許位、中斷屏蔽位、處理器模式位、內存保護位、...，等

程序狀態字PSW

PSW既是操做系統的概念，指記錄當前程序運行的動態信息，一般包含：程序計數器，指令寄存器，條件碼,中斷字，中斷容許/禁止，中斷屏蔽，處理器模式，內存保護、調試控制

PSW也是計算機系統的寄存器,一般設置一組控制與狀態寄存器,也能夠專設一個PSW寄存器

指令與處理器模式

機器指令

機器指令是計算機系統執行的基本命令，是中央處理器執行的基本單位,指令由一個或多個字節組成，包括操做碼字段、一個或多個操做數地址字段、以及一些表徵機器狀態的狀態字以及特徵碼,指令完成各類算術邏輯運算、數據傳輸、控制流跳轉

指令執行過程

CPU根據PC取出指令，放入IR，並對指令譯碼，而後發出各類控制命令，執行微操做系列，從而完成一條指令的執行

一種指令執行步驟以下：

• 取指：根據PC從存儲器或高速緩衝存儲器中取指令到IR
• 解碼：解譯IR中的指令來決定其執行行爲
• 執行：鏈接到CPU部件，執行運算，產生結果並寫回，同時在CC裏設置運算結論標誌；跳轉指令操做PC，其餘指令遞增PC值

特權指令與非特權指令

用戶程序並不是可以使用所有機器指令，那些與計算機核心資源相關的特殊指令會被保護,如：啓動I/O指令、置PC指令、等等,核心資源相關的指令只能被操做系統程序使用

• 特權指令：只能被操做系統內核使用的指令
• 非特權指令：可以被全部程序使用的指令

處理器模式

計算機經過設置處理器模式實現特權指令管理,計算機通常設置0、一、二、3等四種運行模式，建議分別對應：0操做系統內核、1系統調用、2共享庫程序、3用戶程序等保護級別,0模式能夠執行所有指令；3模式只能執行非特權指令；其餘每種運行模式能夠規定執行的指令子集,通常來講，現代操做系統只使用0和3兩種模式，對應於內核模式和用戶模式,處理器模式的切換,簡稱模式切換，包括「用戶模式→內核模式」和「內核模式→用戶模式」的轉換

中斷、異常或系統異常等事件致使用戶程序向OS內核切換，觸發：用戶模式→內核模式:程序請求操做系統服務,程序運行時發生異常,程序運行時發生並響應中斷;OS內核處理完成後，調用中斷返回指令（如Intel的iret）觸發：內核模式→用戶模式

中斷

中斷的概念

中斷是指程序執行過程當中，遇到急需處理的事件時，暫時停止CPU上現行程序的運行，轉去執行相應的事件處理程序，待處理完成後再返回原程序被中斷處或調度其餘程序執行的過程,操做系統是「中斷驅動」的；換言之，中斷是激活操做系統的惟一方式,中斷有廣義和狹義之分，上述中斷是指廣義的中斷

中斷、異常與系統異常

• 狹義的中斷指來源於處理器以外的中斷事件，即與當前運行指令無關的中斷事件，如I/O中斷、時鐘中斷、外部信號中斷等
• 異常指當前運行指令引發的中斷事件，如地址異常、算術異常、處理器硬件故障等
• 系統異常指執行陷入指令而觸發系統調用引發的中斷事件，如請求設備、請求I/O、建立進程等

陷入指令：也稱訪管指令，或異常中斷指令，計算機系統爲實現系統調用而引發處理器中斷的指令

中斷源–處理器硬件故障中斷事件

由處理器、內存儲器、總線等硬件故障引發,處理原則爲：保護現場，中止設備，中止CPU，向操做員報告，等待人工干預

中斷源-程序性中斷事件

處理器執行機器指令引發,除數爲零、操做數溢出等算術異常：簡單處理，報告用戶；也能夠由用戶編寫中斷續元程序處理,非法指令、用戶態使用特權指令、地址越界、非法存取等指令異常：終止進程,終止進程指令：終止進程,虛擬地址異常：調整內存後從新執行指令

中斷源-自願性中斷事件

處理器執行陷入指令請求OS服務引發；在操做系統中，它通常又被稱做系統調用,請求分配外設、請求I/O、等等,處理流程是：陷入OS，保護現場，根據功能號查入口地址，跳轉具體處理程序

中斷源-I/O中斷事件

來源於外圍設備報告I/O狀態的中斷事件,I/O完成：調整進程狀態，釋放等待進程,I/O出錯：等待人工干預,I/O異常：等待人工干預

中斷源-外部中斷事件

由外圍設備發出的信號引發的中斷事件,時鐘中斷、間隔時鐘中斷：記時與時間片處理,設備報到與結束中斷：調整設備表,鍵盤/鼠標信號中斷：根據信號做出相應反應,關機/重啓動中斷：寫回文件，中止設備與CPU