【重學計算機】操做系統D2章：處理器管理

1. 指令與處理器模式

• 指令執行週期：取指、譯碼、執行
• 指令分類（根據權限）
  • 特權指令：只能被操做系統內核使用（啓動IO，置PC值）
  • 非特權指令：全部程序都能使用
• 處理器模式：
  • 共有四種：0內核模式，1系統調用，2共享庫程序，3用戶模式
  • 通常來講：只有0內核模式（能執行所有指令）和3用戶模式（只能執行非特權指令）
  • 模式切換：
    • 用戶模式 --> 內核模式（系統調用、異常、響應中斷）
    • 內核模式 --> 用戶模式（中斷返回指令）

2. 中斷

• 概念：
  • 操做系統是中斷驅動的。即中斷是激活操做系統的惟一方式
  • 廣義中斷：中止CPU正在執行的進程，轉而執行中斷處理程序，處理完後返回原進程或調度新進程
  • 狹義中斷：源於處理器以外的中斷事件，IO中斷、時鐘中斷、外部信號中斷
• 中斷源：
  
  • 處理器硬件故障中斷事件：內存故障
  • 程序性中斷事件：除0異常、缺頁異常
  • 自願性中斷事件：系統調用
  • IO中斷事件：IO完成
  • 外部中斷事件：鼠標點擊
• 中斷系統：
  • 實現：硬件完成中斷響應，軟件完成中斷處理
  • 中斷裝置：
    • 處理器外中斷：由中斷控制器實現
    • 處理器內中斷（陷阱）：由指令控制邏輯實現
    • 系統調用（系統陷阱）：執行陷入指令時直接觸發，即系統陷阱
  • 中斷處理流程
  • 多中斷處理：中斷屏蔽、中斷優先級、中斷嵌套

3. 進程

• 進程：操做系統進行資源分配和調度的獨立單位
• 進程解剖：OS管理進程的數據結構P + 內存代碼 + 內存數據 + 通用寄存器R + PSW
• 進程狀態：
• 進程數據：
  • 進程控制塊PCB：是OS用於記錄進程狀態和環境信息的數據結構
    • 標識信息：進程標識（進程標識號、進程組標識號）
    • 現場信息：用戶可見寄存器內容、控制/狀態寄存器內容、棧指針內容
    • 控制信息：進程調度信息、進程組成信息、隊列指引元、通訊相關、進程特權信息、處理器使用信息、資源清單信息
  • 進程映像：某一時刻進程的內容及執行狀態集合
    • 進程控制塊、進程程序塊、進程數據塊、核心棧
  • 進程上下文：進程執行的環境支持（CPU現場、Cache中的執行信息）
    • 用戶級、寄存器級、系統級
• 進程的管理
  • 進程實現的隊列模型
  • 進程控制流程
    • 進程建立：進程表增長一項，申請PCB並初始化，生成標識，創建映像，分配資源，移入就緒隊列
    • 進程撤銷：從隊列中移除，歸還響應資源。。。
    • 進程阻塞：保存現場，修改PCB，移入等待隊列
    • 進程喚醒：從等待隊列移出，修改PCB，進入就緒隊列
    • 進程掛起：修改進程狀態並出入相關隊列，收回內存等資源送至對換區
    • 進程激活：分配內存，修改狀態並出入相關隊列
  • 原語
    • 概念：由若干指令構成的完成某種特定功能，有原子性
    • 應用：修改OS核心數據結構（進程表、PCB池）
• 進程切換與模式切換
  • 流程： 倆進程上下文切換（保存被中斷的上下文、進程調度、恢復待運行的上下文）
  • 模式切換：用戶態到內核態這種。進程切換必須在內核態完成，因此必須經理模式切換

4. 線程

• 多線程技術：一個進程內有多個線程
• 思路：將進程的兩個功能「獨立分配資源」和「調度執行」功能分開
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• 分類：
  • KLT：內核級多線程
  • ULT：用戶級別多線程
• 多線程實現的混合策略
  • 一個ULT綁定多個KLT

5. 處理器調度

• 處理器調度的層次：高級、中級、低級
• 處理器調度算法
  • 原則：資源利用率、響應時間、週轉時間（進入系統到出系統時間）、吞吐量（單位時間處理進程數）、公平性
  • 算法：優先數算法、時間片輪轉、分級調度算法、彩票算法