操作系统（2）处理器管理

1、程序以进程的形式来占用处理器和系统资源。进程可被调度在一个处理器上交替地执行，或在多个处理器上并行执行。进程是资源分配和管理的单位，线程则成为处理器调度的基本单位。

2、处理器：

任务是按照程序计数器的指向从主存读取指令，对指令进行译码，取出操作数，然后执行指令。

3、共享存储（紧密耦合）多处理器系统， 分布存储（松散耦合）多处理器系统。

4、寄存器：用于存放数据、变量和运算的中间结果。

通用寄存器共4个：EAX、EBX、ECX、EDX，通常保存32位数据。16位的为AX、BX、CX、DX。

5、指针及变址寄存器共4个：

ESP堆栈指针寄存器，保存栈顶元素的地址。

EBP栈帧指针寄存器，指向栈中当前帧的位置。

ESI源变址寄存器。

EDI目的变址寄存器。

6、段选择寄存器是6个16位的段寄存器：CS、DS、SS、ES、FS、GS。

7、指令指针寄存器和标志寄存器，控制寄存器等。（以上可以参考微机原理与接口技术一书）

8、数据寄存器或缓冲区：

存放当前要在设备和主机之间传送的I/O数据，程序可以访问数据寄存器或缓冲区。

1）状态寄存器：保存外部设备或接口的状态信息，以便完成CPU在必要时测试状态。

2）控制寄存器：CPU传送给外部设备或接口的控制命令通过控制寄存器发送。

9、CPU和控制寄存器、数据寄存器及缓冲区之间的通信方式有以下三种：

1）为每个控制寄存器分配一个I/O端口号(8位或16位)，通过使用核心态I/O指令(IN/OUT)，CPU可以读写端口。

2）把所有控制寄存器映射到主存空间，为每一个寄存器分配唯一的主存地址，且与用户的可用主存地址不重叠。

3）混合方式，既在主存空间开辟数据缓冲区，而控制寄存器又有其单独的I/O端口。

注意：上述工作过程为：

1）CPU读取数据时，把所需地址总线（主存地址或I/O端口号）放在地址总线上。

2）早控制总线上插入读信号，同时另一条信号线表明数据来自I/O空间还是主存空间。

3）由相应的对象（设备或主存）对请求做出响应。

10、指令分为5类：数据处理类、转移类、数据传送类、移位与字符串类、I/O类。

特权指令是指仅供内核程序使用的指令，如敏感性操作。应用程序只能使用非特权指令。

11、当处理器处于核心态时，CPU运行可信软件，硬件允许执行全部机器指令，可以访问所有主存单元和系统资源，并具有改变处理器状态的能力。用户态时，非可信软件，程序无法执行特权指令，且访问仅限于当前CPU上进程的地址空间，这样就能防止内核收到应用程序的侵害。

12、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。二是在程序运行时产生中断或异常事件，运行程序被中断，转向中断处理程序或异常处理程序工作。

13、OS通过程序状态字（psw）区分不同的处理器状态。psw用来指示处理器状态，控制指令的执行顺序，并且保留和指示与运行程序有关的各种信息，主要作用是实现程序状态的保护和恢复。

标志3种：状态标志、控制标志、系统标志。

14、中断：

在程序执行过程中，遇到急需处理的事件时，暂时中止现行程序在CPU上的运行，转而执行相应的事件处理程序，待处理完成后再返回断点或调度其他应用程序。是随机发生的。

中断分类：

1）强迫性：机器故障中断、程序性中断、外部中断、输入输出中断。

2）自愿性：它表示运行程序对操作系统有某种需求，是由于执行“访管命令”而引起的。

3）硬中断：外中断、内中断。

4）软中断：信号和软件中断。

15、中断和异常的区别：

中断与cpu是异步的，cpu对中断的响应完全是被动的。中断的发送与cpu的模式无关，可以发生在用户态和核心态，通常在两条机器指令之间才能响应中断。

异常是由cpu控制单元产生的，源于现行程序执行指令过程中检测到例外。异常与cpu是同步的，允许指令在执行期间多次响应异常，大部分异常发生在用户态。

异常处理程序在当前进程的上下文中执行。分为4种：故障、陷阱、终止、编程异常。中断的嵌套发生是允许的，但异常多为一重，异常处理过程中可能会产生中断，反之则不会发生。

16、信号是一种软中断机制，信号的发送者相当于中断源，而信号的接收者必然是一个进程（相当于cpu）。一个典型的例子就是windows中由内核发出的Dispatch/DPC和APC等中断，用于启动线程调度，延迟过程调用和异步过程调用的执行。

17、cpu的响应过程：

在执行完当前指令后或中途，根据中断源所提供的“中断向量”，在主存中找到相应服务程序的入口地址并调用此服务程序。中断向量由硬件或操作系统内核预先分配和设置，系统调用所对应的向量则在访管指令中给出，各种异常的向量在cpu的硬件结构中预先规定。

18、中断/异常的响应需要做4件事：

发现中断源、保护现场、转向中断/异常事件的处理程序、恢复现场。

对于当前进程而言，中断是异步事件，中断处理程序工作在核心态的中断上下文中，不允许被阻塞。

注意：异常处理过程：

1）将硬件错误代码和异常向量号存入当前进程的PCB(进程控制块)中。

2）判断异常是核心还是用户态，前者将直接转向内核预定义服务程序进行处理，未被处理的核心态异常是OS的致命错误。对于后者终止当前进程的运行，调用force_sig()函数向当前进程发信号。

3）从ret_from_exception返回用户空间时，将检查进程是否有信号等待处理，若有则根据信号类型调用相应的函数进行处理。

//典型例子：页面故障处理。它是分页式虚存管理的硬件支撑，由系统来处理这种异常，异常处理程序最终转向do_page_fault()执行页面调度。

中断处理过程与异常相似，只是产生异常时硬件并不清除中断标志位，而中断时立即清除。

中断调度器将硬件级中断映射到由操作系统识别的中断请求级别。（IRQL）

 19、程序性中断：语法错误、逻辑错误、程序运行过程中所产生的异常。

I/O中断：I/O操作正常结束、操作发生故障、操作发生异常。

访管中断：由访管指令引起，表示当前运行程序对操作系统功能的调用。有操作码和访管参数。

时钟中断：陷入死循环的进程最终会因为时间片耗尽而被迫让出处理器。

绝对时钟：update_clock()更新当前时间，get_time()返回当前时钟值，set_clock()把当前时间设置为新的时钟值。

间隔定时器：进程可以被延迟或阻塞，直至被间隔定时器的中断信号唤醒。实现如下：

                          delay(tdel)

                          { set_timer(tdel);  //硬件间隔定时器设置为tdel

                            p(delsem);     //进程执行p操作而发生阻塞，等待中断

                           }                     //delsem为二元信号量，其初值为0

                            timeout()

                             { V(delsem);  };  //中断产生，执行V操作以释放进程

逻辑定时器：使用带有绝对唤醒定时器的优先队列、使用带有时间差值的有限队列。

20、cpu可以通过指令设置可编程中断控制器的屏蔽码，中断屏蔽位的作用是暂时禁止对某些中断做出响应。

21、对于多重中断，可能是同一优先级的不同中断，也可是不同优先级的中断。对于前者通常由同一个中断处理程序按自左向右的顺序逐个清理。后者视情况：

1）串行处理：在运行一个中断处理程序时，禁止再次发生中断，可通过屏蔽中断来实现。

2）嵌套处理：OS必须预先规定赋予每类中断以一定的优先级，运行高优先级中断打断低的。嵌套至多3层。

3）即时处理：表明此时中断处理程序有例外，应对其立即响应并处理。

22、任务队列：

由内核定义的，每个队列包含一个由等待调用的函数所组成的链表，不同队列中的函数在某个时刻会被触发并执行。由tq_struct单向链表结构组成，每个tq_struct数据结构是任务队列的结点，包含处理函数routine()的地址、避免重复入队标志sync、函数参数的指针data和下一任务结点的指针next。

分为：定时器队列、即时队列、进程调度队列、磁盘队列。

23、windows使用中断分派表(IDT)来查找处理特定中断的中断处理程序，以中断源的的IRQL作为表的索引，找到中断服务程序的入口地址，将控制权转交给它。

大多数的中断处理程序都在内核中，当一个线程运行结束或进入等待状态时，内核直接调用线程调度程序进行描述表的切换。内核所定义的异常有：主存访问越界、被0除、整数溢出、浮点异常、调试程序断点。

24、每个线程都有一个指向系统服务表的指针，windows有两个内置的系统服务表，一个默认表在NTOSKPNL.EXE核心执行系统服务，另一个表在Win32子系统Win32K.SYS的核心态实现Win32USER及GDI服务。

用于执行服务的系统服务调度命令存放于系统动态链接库NTDLL.DLL中。