第2章 处理器管理

1、2020/7/10,1,计算机组成和操作系统,2,第2章 处理机管理,处理机分类 CPU的功能 CPU的内部总线结构 指令系统 进程的基本概念 进程的状态及其组成 进程控制 线程,2.1 处理机分类,MPU(micro processor unit，微处理器单元) 主要应用在嵌入式系统中，体积功耗较小 MCU (micro controller unit，微控制单元) 又称单片机，将整个计算机系统集成到一块芯片中 DSP(digital signal processing/ processor,数字信号处理 ),3,4,2.2 CPU的功能,指令控制 按顺序执行指令，指令的先后次序不能颠倒。

2、操作控制 指令的执行就是一系列微操作序列，CPU协调各个功能部件按指令的要求完成操作。 时间控制 指令的执行过程受到时间的严格控制。 数据加工 对数据进行算术运算和逻辑运算。,5,CPU主要由运算器和控制器两大部分组成,2.2 CPU的组成,6,CPU模型图,2.3.1 控制器,1 控制器的功能 控制指令执行的流程 控制程序计数器PC的内容 控制每条指令的具体执行 取指令：从内存取出指令（码）送CPU。 分析指令：对指令码进行分析译码，判断其功能、操作数寻址方式等。 执行指令：根据指令分析的结果，执行计算操作数地址、取操作数、运算等操作。 中断处理和响应特殊请求。,7,8,2.3.1 控制器,

3、2 控制器的组成 指令部件 程序计数器PC：存放下一条指令的地址 指令寄存器IR：存放当前正在执行的指令 指令译码器ID：对指令的操作码进行译码 时序部件 脉冲源 启停控制电路 控制信号形成部件,9,运算器由算术逻辑部件ALU，累加器AC ，数据缓冲寄存器DR和状态条件寄存器（PSWR）和附加的控制线路组成。 功能 执行所有的算数运算 执行所有的逻辑运算,2.3.2 运算器,2.3.2 运算器,算数逻辑单元：算数运算和逻辑运算 累加器AC：暂存ALU的计算结果 数据缓冲寄存器DR: 暂存由内存读/写的一条指令或一个数据 状态条件寄存器PSWR：保存由算数指令和逻辑指令运行时或测试的结果建立的各

4、种条件码内容。,10,11,通用寄存器 用于数据处理过程中临时存放地址和数据，可用于不同 用途。 控制类寄存器 程序计数器PC：存放下一条指令的地址 指令寄存器IR：存放当前正在执行的指令 地址寄存器MAR：存放CPU要访问的主存地址 数据寄存器MDR：CPU和主存或外设之间的数据中转站，弥补他们之间的速度差异 累加器AC：暂存ALU的计算结果 状态条件寄存器PSR：ALU运算结果、中断信息，系统工作状态信息,2.3.3 寄存器,2.4 CPU的内部总线结构,所谓内部总线是指连接CPU、寄存器和运算器之间的一条公共信息传送线路，它能分时地发送和接收各部件的信息。 单总线结构：ALU和所有寄存器

5、通过单一的总线连接 双总线结构：所有寄存器的输出端连接到一条总线上，所有输入端连接到另一条总线上 三总线结构：ALU的两个输入端和两条总线相连，输出端连接到另一条总线,12,13,2.5 指令系统,计算机工作的过程就是执行程序的过程，而程序是一组机器指令的有序集合。 指令就是计算机执行某种操作的命令 指令系统是CPU能够识别并执行的所有指令的集合。,14,50年代 指令系统只有定点加减、逻辑运算、数据传送、转 移等十几至几十条指令。 60年代 增加了乘除运算、浮点运算、十进制运算、字符串 处理等指令，指令数目多达几百条，寻址方式也 有十几种，这些计算机又称为复杂指令集计算机(CISC)。 70

6、年代 复杂指令集计算机(CISC)的指令系统庞大、指令系统难以保证正确性，不易调试维护，人们又提出了便于实现的精简指令集计算机(RISC)。,2.5.1 指令系统的发展,15,CISC : Complex Instruction Set Computer 指令数量多，指令功能复杂。 CISC处理的是不等长指令集，指令需进行分割后才能执行，因此需要较多的处理工作 应用广泛（DOS，windows） RISC:Reduced Instruction Set Computer 只包含使用频率很高的少量指令，并提供一些必要的指令以支持操作系统和高级语言 RISC执行的是等长精简指令集，执行速度较快且性

7、能稳定 制造工艺简单，成本低廉 支持的应用程序少,2.5.2 CISC与RISC指令,16,一条指令说明计算机硬件应该执行什么样的操作，其基本格式如下所示：,其中： 操作码字段表示指令的操作功能 地址码字段指定操作数的地址 指令字长为机器字长的整数倍,2.5.3 指令格式,17,三地址指令： D1和D2为操作数地址，D3位存放操作结果的地址。一般用于大、中型计算机。 二地址指令： D1和D2为操作数地址，其中D1兼作存放结果的地址。 一地址指令：对单个操作数进行加工。 零地址指令：由堆栈提供操作数。,2.5.3 指令格式,18,固定长度：指令的操作码部分所占的二进制位数不变 可变长度：指令的操

8、作码部分所占的二进制位数可变,2.5.4 操作码的编码方式,一条指令语句可以含有0个或最多三个用逗号分开的操作数。 对于有两个操作数的指令语句，第一个是源操作数，第二个是目的操作数，即指令操作结果保存在第二个操作数中。,19,2.5.5 指令的操作数,20,设计一台计算机的指令系统的功能时，以下4个原则必须考虑以下四个原则： (1) 完备性或完整性 (2) 兼容性 (3)均匀性 (4)可扩充性,2.5.6 常用指令类型,21,算数和逻辑运算指令 该类指令主要用于定点或浮点的算术运算，包括加、减、乘、除、与、或等指令等。 例如：ADD SUB AND OR,2.5.6 常用指令类型,22,移位运

9、算指令 该类指令分为算术移位、逻辑移位和循环移位3 种，可以对操作数左移或右移一位或若干位。 数据传送指令 该类指令用于实现主存和寄存器之间，或寄存器和寄存器之间的数据传送。 例如: MOV XCHG,2.5.6 常用指令类型,23,串指令 对字符串进行操作的指令，如串传送、比较、 检索等 顺序控制指令 该类指令的功能是控制程序运行的顺序和方向，包括无条件转移指令和条件转移指令。 例如： JMP address;（有条件转移） JNZ loop;（无条件转移）,2.5.6 常用指令类型,24,CPU控制指令 停机，开关中断，大多数机器将这一类指令称为“特权指令” 输入输出指令 用于CPU与外部

10、设备交换数据或者传送控制命令及状态信息,2.5.6 常用指令类型,25,2.6 进程的基本概念,2.6.1 程序的顺序执行 程序是指令的有序集合，是一个在时间上按严格次序前后相继的操作序列，仅当一个操作执行完成后，才能执行后继操作。 当一个程序独占处理器执行的时候有下列特点： 顺序性：多个程序之间，同一程序内部 封闭性：独占系统中所有资源 可再现性：只要初始条件相同，运行结果也相同,2.6.2 程序的并发执行 多个程序并发执行时，具有以下特点： 间断：由于共享资源或相互合作，程序并发运行时相互制约 失去封闭：程序执行受到外界影响 失去可再现：程序的每次运行，其执行周期、执行过程中系统资源的状态

11、都会不同,26,2.6 进程的基本概念,27,2.6.3 进程的引入 进程是并发执行的程序在一个数据集合上的执行过程，进程有以下几个特征： 动态性：进程是程序的一次执行过程，由创建而产生，撤销而消亡，而程序是静态的 并发性：多个进程存于内存中，能在一段时间内同时运行 独立性：进程是能独立运行的基本单位 异步性：进程按各自独立的不可预知的速度向前推进 结构特征：进程由程序段、数据段和进程控制块三部分组成,2.6 进程的基本概念,28,2.7.1 进程的三种基本状态 就绪状态(ready state) 进程已获得运行所需的除处理器之外的所有资源，只等处理器空闲。所有就绪状态进程按照一定的规则排列在

12、就绪队列中。 运行状态(running state) 进程正在占用CPU运行。 阻塞状态(waiting state) 等待外部事件发生，暂停运行，无法竞争使用CPU。系统可按等待原因不同，分成多个阻塞队列。,2.7 进程的状态及其组成,2.7.1 进程的三种基本状态,29,2.7 进程的状态及其组成,30,2.7.2 进程的创建状态和退出状态 创建状态(new state) 分配PCB结构，填写相关内容 分配所需资源 建立地址空间，填写内存管理的相关表格 加载程序 等待进入就绪队列 退出状态(terminated state) 进程正常结束或异常结束，释放资源。 进程释放资源后会暂留内存，等

13、待其它进程收集PCB模块中的相关信息。如：CPU使用时间，使用资源类型等。,2.7 进程的状态及其组成,2.7.2 进程的创建状态和退出状态,31,2.7 进程的状态及其组成,32,2.7.3 进程的挂起状态 内外存对换的需要 将内存中处于阻塞状态的进程换至外存 用户调试程序的需要 便于用户研究进程的执行情况，或对程序进程修改 实时系统中调节负载的需要 将不太重要和不太紧急的进程挂起以保证对紧急事件的及时处理,2.7 进程的状态及其组成,2.7.3 进程的挂起状态,33,挂起就绪,挂起阻塞,挂起,激活,挂起,激活,2.7 进程的状态及其组成,2.7.4 进程控制块(PCB) 为了管理和控制进程

14、的运行，操作系统为每个进程定义了一个数据结构进程控制块(process control block, PCB),用于记录进程的属性信息。系统根据PCB而感知进程的存在，PCB是进程存在的唯一标示。,34,2.7 进程的状态及其组成,35,2.7.4 进程控制块(PCB) 进程描述信息 进程名（用户） 进程标识符（系统） 家族关系 控制信息 进程当前状态 进程优先级 程序首地址 计时信息 通信信息,2.7 进程的状态及其组成,36,2.7.4 进程控制块(PCB) 资源管理信息 占用内存大小及其管理用数据结构指针 对换或覆盖用的有关信息 共享程序段大小及起始地址 输入/输出设备的设备号、数据长度

15、、缓冲区地址等 指向文件系统的指针及有关标识等。 CPU现场保护结构 通用寄存器 指令计数器 程序状态字寄存器（PSW） 栈指针,2.7 进程的状态及其组成,37,2.8 进程控制,进程从产生到消亡的整个过程由操作系统控制。 处理器的状态分成两种：核心态和用户态 1.核心态 又称管态、系统态，是操作系统管理程序执行机器所处的状态，能执行一切指令。 2. 用户态 又称目态，用户程序执行时机器所处的状态，只能执行规定的指令。 3. 原语 原语由若干指令组成，用于完成一定功能的操作。 原语执行过程中不可中断。,38,2.8.1 进程的创建与撤销 1. 进程创建 由系统进程模块统一创建 由父进程创建

16、使用创建原语，为一个程序分配一个工作区和建立一个进程控制块，并设置该进程为就绪状态。,2.8 进程控制,2.8.1 进程的创建与撤销 2. 进程撤销 进程完成了所要求的功能而正常终止 某种错误导致非正常终止 祖先进程要求撤销某个子进程。 使用撤销原语，收回进程的工作区和进程控制块,39,2.8 进程控制,2.8.2 进程的阻塞与唤醒 1. 进程阻塞 一个进程期待某一事件发生，单发生条件尚不具备时，由进程调用阻塞原语来阻塞自己 保护进程现场，把进程改为阻塞态，插入阻塞队列中,40,2.8 进程控制,2.8.2 进程的阻塞与唤醒 2. 进程唤醒 当阻塞进程等待的事件发生时，等待该事件的进程被唤醒

17、唤醒原语，把进程的状态改为就绪态，从阻塞队列中退出，加入就绪队列,41,2.8 进程控制,2.8.3 进程的挂起与激活 1. 进程的挂起 当需要挂起某个进程时可调用挂起原语 阻塞状态的进程改为挂起阻塞，运行态或者就绪态的进程改为挂起就绪。 2. 进程的激活 激活原语使处于挂起状态的进程变成活动 挂起阻塞状态的进程改为活动阻塞，挂起就绪态改为活动就绪,42,2.8 进程控制,43,2.9.1 线程的引入 1. 进程的基本属性 1）进程是可以拥有资源的独立单位。 2）进程又是一个可以独立调度和分派的基本单位。1.引入目的 2.进程并发执行，OS执行的操作 1）创建进程：建立PCB，分配内存等； 2）撤销进程：回收资源，撤销PCB； 3）进程切换：保存现场,2.9 线程,44,2.9.1 线程的引入 3.引入目的 减少程序并发执行时所付出的时间和空间开销。,2.9 线程,2.9