处理器管理

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

所有程序可使用
- 数据寄存器（通用寄存器）
- 地址寄存器（索引、栈指针、段指针等寄存器）

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：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

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 其执行可能有损系统的安全性 不等价于系统管理员可用的指令
- 有关对I/O设备使用的指令 如启动I/O设备指令、测试I/O设备工作状态和控制I/O设备动作的指令等。
- 有关访问程序状态的指令 如对程序状态字（PSW）的指令等。
- 存取特殊寄存器指令如存取中断寄存器、时钟寄存器等指令。
非特权指令：能够被所有程序使用的命令

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

现代操作系统一般只使用0和3两种模式，分别对应内核模式和用户模式

处理器模式的切换

简称模式切换，包括“用户模式→内核模式”和“内核模式→用户模式”的转换
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
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

2.2.1 中断

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

操作系统是“中断驱动”的
中断是激活操作系统的唯一方式
中断有广义与狭义之分，上述为广义

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

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
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

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，加入到就绪进程队列
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
中断响应由硬件子系统完成
中断处理由软件子系统完成
充分体现了软硬件协同设计的思想

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
由于中断源的多样性，硬件实现的中断装置有多种，分别处理不同类型的中断
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

中断控制器

中断控制器：CPU中的一个控制部件，包括中断控制逻辑线路和中断寄存器
- 外部设备向其发出中断请求IRQ,在中断寄存器中设置已发生的中断
- 指令处理结束前，会检查中断寄存器，若有不被屏蔽的中断产生，则改变处理器内操作的顺序，引出操作系统中的中断处理程序(查询中断向量表)
- 中断向量表(interrupt vector table)包含中断服务程序地址的特定内存区域，这些服务程序是处理中断请求的代码

陷阱与系统陷阱

陷阱与系统陷阱：指令的逻辑和实现线路的一部分
- 执行指令出现异常后，会根据异常情况转向操作系统的异常处理程序
- 虚拟地址异常后，需要重新执行指令，往往越过陷阱设置页面异常处理程序
- 执行陷入指令后，越过陷阱处理，触发系统陷阱，激活系统调用处理程序

中断响应过程

（PSW：程序状态字）

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(查中断向量表，执行中断处理子程序)
恢复正常操作

恢复正常操作

情况一：对于某些中断，在处理完毕后，直接返回刚刚被中断的进程
情况二：对于其他一些中断，需要中断当前进程的运行，调整进程队列，启动进程调度(处理器低级调度),选择下一个执行的进程并恢复其执行

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

2.3.1 进程及其状态

操作系统必须全方位地管理计算机系统中运行的程序
操作系统为正在运行程序建立了一个管理实体-进程

进程

进程是一个具有一定独立功能的程序关于某个数据集合的一次运行活动
进程是操作系统进行资源分配和调度的一个独立单位

程序是指令的集合而进程是程序的一次执行，是动态的，有生命周期的

进程的形式化定义

一个进程包括五个实体部分
- (OS管理运行程序的)数据结构P
- (运行程序的)内存代码C
- (运行程序的)内存数据D
- (运行程序的)通用寄存器信息R
- (OS控制程序执行的)程序状态字信息PSW

前述程序和数据集均是内存级的，所以在不同时段针对同一个外存数据文件运行同一个外存程序文件构成两个不同的进程，有不同的P、C、D、R、PSW

概念级的进程状态

运行态指进程占用处理器运行
就绪态指进程具备运行条件等待处理器运行
等待态指进程由于等待资源、输入输出、信号等而不具备运行条件

P(s) 是“等待”操作，用于请求资源

V(s) 是“信号”操作，用于释放资源

进程挂起

OS无法预期进程的数目与资源需求，计算机系统在运行过程中可能出现资源不足的情况
运行资源不足表现为性能低和死锁两种情况
解决办法：剥夺某些进程的内存及其他资源，调入OS管理的对换区，不参加进程调度，待适当时候再调入内存、恢复资源、参与运行
这就是进程挂起
挂起态与等待态有着本质区别，后者占有已申请到的资源处于等待，前者没有任何资源

当操作系统决定将CPU从一个进程切换到另一个进程时，会保存当前进程的执行状态（上下文），并加载下一个要运行进程的上下文。这个过程称为进程上下文切换。

2.3.2进程的数据描述

进程控制块 Process Control Block

进程控制块PCB是OS用于记录和刻画进程状态及环境信息的数据结构
借助PCB，OS可以全面管理进程的物理实体，刻画进程的执行现状，控制进程的执行

进程控制块——标识信息

用于存放唯一标识该进程的信息
- 系统分配的标识号
- 系统分配的进程组标识号
- 用户定义的进程名
- 用户定义的进程组名

进程控制块——现场信息

用于存放该进程运行时的处理器现场信息
- 用户可见寄存器内容：数据寄存器、地址寄存器
- 控制与状态寄存器内容：PC、IR、PSW
- 栈指针内容：核心栈与用户栈指针

进程控制块——控制信息

用于存放与管理、调度进程相关的信息

调度相关信息：状态、等待事件/原因、优先级
进程组成信息：代码/数据地址、外存映像地址
队列指引元：进程队列指针、父子兄弟进程指针
通信相关信息：消息队列、信号量、锁
进程特权信息：如内存访问权限、处理器特权
处理器使用信息：占用的处理器、时间片、处理器使用时间/已执行总时间、记账信息
资源清单信息：如正占有的资源、已使用的资源

进程映像 Process Image

某一时刻进程的内容及其执行状态集合：
- 进程控制块(PCB):保存进程的标识信息、状态信息和控制信息
- 进程程序块：进程执行的程序空间
- 进程数据块：进程处理的数据空间，包括数据、处理函数的用户栈和可修改的程序
- 核心栈：进程在内核模式下运行时使用的堆栈，中断或系统调用使用
进程映像是内存级的物理实体，又称为进程的内存映像
进程映像≠进程控制块(PCB)

进程上下文 Process Context

进程的执行需要环境支持，包括CPU现场和Cache中的执行信息
OS中的进程物理实体和支持进程运行的环境合成进程上下文，包括以下：
- 用户级上下文：用户程序块/用户数据区/用户栈/用户共享内存
- 寄存器上下文：PSW/栈指针/通用寄存器
- 系统级上下文：PCB/内存区表/核心栈
进程上下文刻画了进程的执行情况

2.3.3 进程管理的实现

概念级的OS进程管理软件

关键的进程管理软件包括：

系统调用/中断/异常处理程序
队列管理模块
进程控制程序
进程调度程序(独立进程居多)
进程通信程序(多个程序包)
终端登录与作业控制程序、性能监控程序、审计程序等外围程序

队列管理模块

队列管理模块是操作系统实现进程管理的核心模块
操作系统建立多个进程队列，包括就绪队列和等待队列
按需组织为先进先出队列与优先队列
队列中的进程可以通过PCB中的队列指引元采用单/双指引元或索引连接
出队和入队操作
进程与资源调度围绕进程队列展开

进程的控制与管理（原语-Primitive）

进程创建：进程表加一项，申请PCB并初始化，生成标识，建立映像，分配资源，移入就绪队列
- 创建进程步骤：
  1. 申请空白PCB（进程控制块）；
  2. 为新进程分派资源；
  3. 初始化PCB；
  4. 将新进程插入就绪队列；
进程撤销：从队列中移除，归还资源，撤销标识，回收PCB,移除进程表项
进程阻塞：保存现场信息，修改PCB,移入等待队列，调度其他进程执行
进程唤醒：等待队列中移出，修改PCB,移入就绪队列(该进程优先级高于运行进程触发抢占)
- 从等待态到就绪态
进程挂起：修改状态并出入相关队列，收回内存等资源送至对换区
进程激活：分配内存，修改状态并出入相关队列
其他：如修改进程特权

进程的控制与管理（原语-Primitive）

进程控制过程中涉及对OS核心数据结构(进程表/PCB池/队列/资源表)的修改
为防止与时间有关的错误，应使用原语
原语是由若干条指令构成的完成某种特定功能的程序，执行上具有不可分割性(原子性)
原语的执行可以通过关中断实现
进程控制使用的原语称为进程控制原语
另一类常用原语是进程通信原语

[!IMPORTANT]

可重入代码(Reentry code)也叫纯代码是一种允许多个进程同时访问的代码。为了使各进程所执行的代码完全相同，故不允许任何进程对其进行修改。程序在运行过程中可以被打断，并由开始处再次执行，并且在合理的范围内（多次重入，而不造成堆栈溢出等其他问题），程序可以在被打断处继续执行，且执行结果不受影响