关于程序状态字寄存器PSW(Program Status Word)与多核多线程
内核态(Kernel Mode)与用户态(User Mode)
CPU通常有两种工作模式即:内核态和用户态,而在PSW中有一个二进制位控制这两种模式。
内核态:当CPU运行在内核态时,程序可以访问所有指令集,操作所有硬件设备,也可以将自己从一个程序切换到另一个程序。
用户态:当CPU运行在用户态时,程序只能执行cpu整个指令集的一个子集(不包含操作硬件功能的部分),只能受限的访问内存,无法操作硬件设备,无法占用CPU,CPU资源可以被其他程序获取。在用户态下,将PSW中的模式设置成内核态也是禁止的。
为什么要有用户态和内核态
为了限制不同程序之间的访问能力,防止他们获取别的程序的内存数据,或者获取外围设备的数据,并发送到网络,CPU划分出两个权限等级——用户态 和 内核态。
intel cpu提供Ring0-Ring3三种级别的运行模式。Ring0级别最高,Ring3最低。其中特权级0(Ring0)是留给操作系统代码,设备驱动程序代码使用的,它们工作于系统核心态;而特权极3(Ring3)则给普通的用户程序使用,它们工作在用户态。
Linux使用了Ring3级别运行用户态,Ring0作为内核态,没有使用Ring1和Ring2。Ring3状态不能访问Ring0的地址空间,包括代码和数据。
内核态与用户态切换
用户态下工作的软件不能操作硬件,但是影音播放软件一定会有操作硬件的需求,比如从磁盘上读一个电影文件,那就必须经历从用户态切换到内核态的过程。为此,用户程序必须使用系统调用(system call)。用户态程序切换到内核态,但是不能控制在内核态中执行的指令。
系统调用, 在CPU中的实现称之为陷阱指令(Trap Instruction)
工作流程如下:
- 用户态程序将一些数据值放在寄存器中, 或者使用参数创建一个堆栈(stack frame), 以此表明需要操作系统提供的服务.
- 用户态程序执行陷阱指令
- CPU切换到内核态, 并跳到位于内存指定位置的指令, 这些指令是操作系统的一部分, 他们具有内存保护, 不可被用户态程序访问
- 这些指令称之为陷阱(trap)或者系统调用处理器(system call handler). 他们会读取程序放入内存的数据参数, 并执行程序请求的服务
- 系统调用完成后, 操作系统会重置CPU为用户态并返回系统调用的结果
多核多线程与缓存一致性
- 多核多线程处理器在单任务处理上无明显优势。
- 双核四线程CPU未必比四核CPU差。(具体视程序支持而论)
- 独立缓存相对于共享缓存而言,容量小,延迟低,一致性差。
- PS:程序员需要关心多线程程序的顺序一致性,即多线程并发导致语句运行顺序变化对最终变量的影响。