【操作系统】处理器管理

指令与处理器模式

指令执行周期：取指、译码、执行
指令分类（根据权限）
- 特权指令：只能被操作系统内核使用（启动 IO，置 PC 值）
- 非特权指令：所有程序都能使用
处理器模式：
- 共有四种：0内核模式，1系统调用，2共享库程序，3用户模式
- 一般来说：只有0内核模式（能执行全部指令）和3用户模式（只能执行非特权指令）
- 模式切换：
  - 用户模式 --> 内核模式（系统调用、异常、响应中断）
  - 内核模式 --> 用户模式（中断返回指令）

中断

概念：
- 操作系统是中断驱动的。即中断是激活操作系统的唯一方式
- 广义中断：停止 CPU 正在执行的进程，转而执行中断处理程序，处理完后返回原进程或调度新进程
- 狭义中断：源于处理器之外的中断事件，IO 中断、时钟中断、外部信号中断
中断源：
- 处理器硬件故障中断事件：内存故障
- 程序性中断事件：除 0 异常、缺页异常
- 自愿性中断事件：系统调用
- IO中断事件：IO 完成
- 外部中断事件：鼠标点击
中断系统：
- 实现：硬件完成中断响应，软件完成中断处理
- 中断装置：
  - 处理器外中断：由中断控制器实现
  - 处理器内中断（陷阱）：由指令控制逻辑实现
  - 系统调用（系统陷阱）：执行陷入指令时直接触发，即系统陷阱
- 中断处理流程
- 多中断处理：中断屏蔽、中断优先级、中断嵌套

进程

进程：操作系统进行资源分配和调度的独立单位
进程解剖：OS管理进程的数据结构P + 内存代码 + 内存数据 + 通用寄存器R + PSW
进程状态：
进程数据：
- 进程控制块PCB：是 OS 用于记录进程状态和环境信息的数据结构
  - 标识信息：进程标识（进程标识号、进程组标识号）
  - 现场信息：用户可见寄存器内容、控制/状态寄存器内容、栈指针内容
  - 控制信息：进程调度信息、进程组成信息、队列指引元、通信相关、进程特权信息、处理器使用信息、资源清单信息
- 进程映像：某一时刻进程的内容及执行状态集合
  - 进程控制块、进程程序块、进程数据块、核心栈
- 进程上下文：进程执行的环境支持（CPU 现场、Cache 中的执行信息）
  - 用户级、寄存器级、系统级
进程的管理
- 进程实现的队列模型
- 进程控制流程
  - 进程创建：进程表增加一项，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
  - 进程撤销：从队列中移除，归还响应资源。。。
  - 进程阻塞：保存现场，修改 PCB，移入等待队列
  - 进程唤醒：从等待队列移出，修改 PCB，进入就绪队列
  - 进程挂起：修改进程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
- 原语
  - 概念：由若干指令构成的完成某种特定功能，有原子性
  - 应用：修改 OS 核心数据结构（进程表、PCB 池）
进程切换与模式切换
- 流程：俩进程上下文切换（保存被中断的上下文、进程调度、恢复待运行的上下文）
- 模式切换：用户态到内核态这种。进程切换必须在内核态完成，所以必须经理模式切换