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1、2022/12/201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vMPU(micro processor unit，微处理器单元)l主要应用在嵌入式系统中，体积功耗较小vMCU(micro controller unit，微控制单元)l又称单片机，将整个计算机系统集成到一块芯片中vDSP(digital signal processing/processor,数字信号处理)342.2 CPU的功能v指令控制 按顺序执行指令，指令的先后次序不能颠倒。v操作控制 指令的执行就是一系列
2、微操作序列，CPU协调各个功能部件按指令的要求完成操作。v时间控制 指令的执行过程受到时间的严格控制。v数据加工 对数据进行算术运算和逻辑运算。5vCPU主要由运算器和控制器两大部分组成2.2 CPU的组成6CPU模型图程序计数器PC地址寄存器AR执行指令控制指令译码器ID操作控制器OC时序产生器TG缓冲寄存器DR算术逻辑部件ALU累加器ACPSWRCPUCPU状态寄存器CLAADD 30STA 40NOPJMP 21000 006000 00420212223243040数据总线DBUS地址总线ABUSOP|ADDR指令寄存器IRIR开始2.3.1 控制器1 控制器的功能v控制指令执行的流程
3、l控制程序计数器PC的内容v控制每条指令的具体执行l取指令：从内存取出指令（码）送CPU。l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。l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。l中断处理和响应特殊请求。782.3.1 控制器2 控制器的组成v指令部件l程序计数器PC：存放下一条指令的地址l指令寄存器IR：存放当前正在执行的指令l指令译码器ID：对指令的操作码进行译码v时序部件l脉冲源l启停控制电路v控制信号形成部件9v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。v功能l执行所有的
4、算数运算l执行所有的逻辑运算2.3.2 运算器2.3.2 运算器v算数逻辑单元：算数运算和逻辑运算v累加器AC：暂存ALU的计算结果v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v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种条件码内容。1011v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。v控制类寄存器 l程序计数器PC：存放下一条指令的地址l指令寄存器IR：存放当前正在执行的指令l地址寄存器MAR：存放CPU要访问的主存地址l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l累加器AC：暂存ALU的计
5、算结果l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v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。v单总线结构：ALU和所有寄存器通过单一的总线连接v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v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12132.5 指令系统v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。v指令就是计算机执行某种操作的命令v指令系统是CPU能够识别并执行的所有指令的集合。
6、14v50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。v60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)。v70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15vCISC:Complex Instruction Set Computerl指令数量多，指令功能复杂。lCISC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
7、作 l应用广泛（DOS，windows）vRISC:Reduced Instruction Set Computerl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lRISC执行的是等长精简指令集，执行速度较快且性能稳定l制造工艺简单，成本低廉 l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：操作码字段 地址码字段地址码字段 其中：l操作码字段表示指令的操作功能l地址码字段指定操作数的地址l指令字长为机器字长的整数倍2.5.3 指令格式17v三地址指令：D1和D2为操作数地址，D3位存放操作结
8、果的地址。一般用于大、中型计算机。v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。v一地址指令：对单个操作数进行加工。v零地址指令：由堆栈提供操作数。操作码 D1 D3 D2 操作码 D1 D2 操作码 D1 2.5.3 指令格式18v固定长度：指令的操作码部分所占的二进制位数不变v可变长度：指令的操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v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。v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。192.5.5 指令的操作数20v设计一台计算机的指令系统的功能
9、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21v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 OR2.5.6 常用指令类型22v移位运算指令 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。v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 XCHG2.5.6 常用指令类型23v串指令对字符串进行操作的指令，如串传送、比较、检索等v顺序控制指令 该类指令的
10、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24vCPU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”v输入输出指令 用于CPU与外部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252.6 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：F顺序性：多个程序之间，同一程序内部F封闭性：独占系统中所
11、有资源F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：F间断：由于共享资源或相互合作，程序并发运行时相互制约F失去封闭：程序执行受到外界影响F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都会不同262.6 进程的基本概念I1I2I3C1C3P1C2P2P3272.6.3 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：F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F并发性：多个进程存于内存中，能在一段时间内同时运行F独立性：进程是能独立运行的基本单位F异步
12、性：进程按各自独立的不可预知的速度向前推进F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282.7.1 进程的三种基本状态v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就绪队列中。v运行状态(running state)进程正在占用CPU运行。v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运行阻塞就绪选中时间片用完等待某一事件等待的时间发生
13、2.7 进程的状态及其组成302.7.2 进程的创建状态和退出状态v创建状态(new state)l分配PCB结构，填写相关内容l分配所需资源l建立地址空间，填写内存管理的相关表格l加载程序l等待进入就绪队列v退出状态(terminated state)l进程正常结束或异常结束，释放资源。l进程释放资源后会暂留内存，等待其它进程收集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运行阻塞就绪选中落选等待某一事件等待的事件完成创建接纳退出完成2.7 进程的状态及其组成322.7.3 进程的挂起状态v内外存对换的需要l将
14、内存中处于阻塞状态的进程换至外存v用户调试程序的需要l便于用户研究进程的执行情况，或对程序进程修改v实时系统中调节负载的需要l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运行活动阻塞活动就绪选中落选等待某一事件等待的事件完成创建接纳退出完成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
15、唯一标示。342.7 进程的状态及其组成352.7.4 进程控制块(PCB)v进程描述信息l进程名（用户）l进程标识符（系统）l家族关系v控制信息l进程当前状态l进程优先级l程序首地址l计时信息l通信信息2.7 进程的状态及其组成362.7.4 进程控制块(PCB)v资源管理信息l占用内存大小及其管理用数据结构指针l对换或覆盖用的有关信息l共享程序段大小及起始地址l输入/输出设备的设备号、数据长度、缓冲区地址等l指向文件系统的指针及有关标识等。vCPU现场保护结构l通用寄存器l指令计数器l程序状态字寄存器（PSW）l栈指针 2.7 进程的状态及其组成372.8 进程控制进程从产生到消亡的整个过
16、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v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v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v原语由若干指令组成，用于完成一定功能的操作。v原语执行过程中不可中断。382.8.1 进程的创建与撤销1.进程创建(1)由系统进程模块统一创建(2)由父进程创建(3)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(1)进程完成了所要求的功能而正常终止(2)某种错误导致非正常终止(3)祖
17、先进程要求撤销某个子进程。(4)使用撤销原语，收回进程的工作区和进程控制块392.8 进程控制2.8.2 进程的阻塞与唤醒1.进程阻塞(1)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(2)保护进程现场，把进程改为阻塞态，插入阻塞队列中402.8 进程控制2.8.2 进程的阻塞与唤醒2.进程唤醒(1)当阻塞进程等待的事件发生时，等待该事件的进程被唤醒(2)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412.8 进程控制2.8.3 进程的挂起与激活1.进程的挂起(1)当需要挂起某个进程时可调用挂起原语(2)阻塞状态的进程改为挂起阻塞，运行态或者
18、就绪态的进程改为挂起就绪。2.进程的激活(1)激活原语使处于挂起状态的进程变成活动(2)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422.8 进程控制432.9.1 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442.9.1 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 线程2.9.2 线程的定义 线程是进程内的一个相对独立的、可调度的执行单元。v一个进程可以有多个线程，但至少要有一个线程（主线程）；v一个线程只能在一个进程的地址空间内活动;v同一进程的所有线程共享该进程的所有资源。45462.9.3 线程和进程的比较v调度 线程不拥有资源，在调度和切换时系统开销小。v并发性 进程间可以并发，进程内部的各个线程间也可以并发，提高系统吞吐量。v拥有资源 进程拥有资源，线程不拥有资源，但可以共享进程资源。v系统开销 由于进程拥有资源，在进程状态转换时，需要对其资源进行处理，系统开销大。2.9 线程