处理器管理

处理器状态

1. 处理器管理是操作系统中重要组成部分，负责管理、调度和分配计算机系统的重要资源——处理器，并控制程序执行

2. 由于处理器管理是操作系统最核心的部分，无论是应用程序还是系统程序，最终都要在处理器上执行以实现其功能，因此处理器管理的优劣性直接影响系统性能

3. 程序以进程的形式来占用处理器和系统资源，处理器管理中最重要的是处理器调度，即进程调度，也就是控制、协调进程对处理器的竞争

4. 进程可以被调度在一个处理器上交替地执行，或者在多个处理器上并行执行。不同类型的操作系统可能采取不同的调度策略

5. 交替执行和并行执行都是并发的类型

6. 计算机系统中运行的程序可以分为两大类：系统程序和应用程序，前者实现系统任务，后者实现应用任务

7. 中断和异常是用户态到内核态转换的仅有途径

中断技术

1. 中断概念

中断指在程序执行的过程中遇到紧急处理的事件时，暂时中止现行程序在 CPU 上的运行，转而执行相应的紧急事件处理的程序，待处理完成后再返回断点或者或者调度其他程序执行的过程

2. 中断源分类

由硬件发出或者产生的中断称为硬中断，按硬中断事件的来源和实现手段可将中断分为外中断和内中断

1. 外中断又叫中断或者异步中断，是指来自处理器之外的中断信号，包括时钟中断、键盘中断、它机中断和外部设备中断等。外中断又分为可屏蔽中断和不可屏蔽中断，各个中断具有不同中断优先级，表示事件的紧急状态，在处理高一级中断时，往往会部分或者全部屏蔽低级中断

2. 内中断又称异常中断或者同步中断，是指来自处理器内部的中断信号，通常是由于在程序执行过程中，发现与当前指令关联的、不正常的或者错误的事件

内中断又可细分为：

1. 访管中断，由执行系统调用而引起的

2. 硬件故障中断（处理器内部的硬件），如电源失效、奇偶校验错误、总线超时等

3. 程序性异常，如非法操作、地址越界、页面故障、调试指令、除数为0和浮点数溢出

所有这些事件均由异常处理程序处理，并且通常依赖于执行程序的当前现场

3. 中断和异常的响应以及服务

无论是处理器外部产生的中断还是内部出现的异常，或是程序执行系统调用自愿访管；无论中断源是被动的还是主动的，cpu的响应过程基本上是一致的，即在执行完当前指令后，根据中断源所提供的得“中断向量”，在内核中找到相应中断服务例程并调度执行

中断向量：中断服务程序的入口地址

中断响应：由硬件对中断和异常事件做出反应的过程称为中断响应

中断：外部设备、时钟部件、或者其他计算机发出的，发现中断源并产生中断的硬件称为中断控制器，这些硬件包括中断逻辑线路和中断寄存器，当前指令执行结束后，CPU会检查中断寄存器是否有中断事件发生，若无中断信号或中断信号被屏蔽，继续执行程序的后序指令，否则将暂停执行当前程序，转向内核的中断处理程序运行

异常：在执行指令的时候，由指令本身的原因发生的，指令的控制逻辑和实现线路一旦发现异常情况便转向内核的异常处理程序

中断/异常的响应需要顺序做四件事：

1. 发现中断源

在中断没有被屏蔽的情况下，硬件（中断控制器）发现中断/异常事件，并由 CPU 响应中断/异常请求。当发现多个中断源的时候，将根据预设的中断优先级先后响应中断请求

2. 保护现场

暂停当前程序的运行，硬件将中断点的现场信息（PSW）保存至核心栈，使得中断/异常处理程序在运行的时候不会破坏中断程序中的有用信息，以便在处理结束后返回原程序继续运行

3. 转向中断/异常事件处理程序执行

此时处理器已经从用户态转换至内核态，中断/异常程序开始工作

4. 恢复现场

当中断处理结束后，恢复原运行程序的 PSW ，重新返回中断点以便执行后续指令

4. 中断事件处理原则

1. 硬件故障中断

硬件故障导致，如电源故障、内存故障、设备故障等，需要人工干预。同时中断处理程序需要保护现场，停止设备工作，停止处理机运行，向操作员报告故障信息并对故障造成的破坏进行估计和恢复

2. 程序性中断

语法错误：编译程序发现并报错

逻辑错误：测试程序发现并报错

程序运行的额过程中产生的异常，如定点溢出、阶下溢、除数为 0 等

3. I/O中断

4. 访管中断

5. 时钟中断

时钟是操作系统进行调度的重要工具，如维护系统绝对日期和时间、让分时进程按照时间片轮转等

进程及其实现

进程定义和属性

1. 进程是操作系统中资源分配的基本单位，它是由一组机器指令，数据和堆栈等组成的，是一个能独立运行的活动实体，多个进程可以并发执行和交换信息

2. 进程的提出是为了刻画程序的并发性、解决资源的共享性

3. 进程的属性：动态性、共享性、独立性、制约性、并发性

进程状态和转换

等待态：又称阻塞态或者睡眠态，指进程不具备运行条件，正在等待某个事件完成的状态

就绪态：进程具备运行条件，等待系统分配处理器以便运行的状态

运行态：进程占有处理器正在运行的状态

进程的描述和组成

进程的四个组成要素：控制块、程序块、数据块、核心栈

进程控制块：每一个进程捆绑一个，用来存储存储进程的标志信息、现场信息和控制信息。进程创建时建立进程控制块，进程撤销时回收进程控制块，它与进程一一对应

进程程序块：进程执行的程序，规定进程一次运行所应完成的功能

进程核心栈：每一个进程绑定一个，进程在内核态工作时使用，用来保存中断/异常现，保存函数调用的参数、局部变量和函数返回地址等

进程数据块：是进程的私有地址空间，存放各种私有数据，用户栈也在数据块中开辟，用在函数调用时存放栈帧、局部变量和返回地址等

进程控制块