处理器管理
处理器与寄存器
处理器部件的简单示意
用户程序可见寄存器
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可以使程序员减少访问主存储器的次数， 提高指令执行的效率。
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所有程序可使用， 包括应用程序和系统程序。
- 数据寄存器： 又称通用寄存器。
- 地址寄存器： 索引、 栈指针、 段地址等寄存器。
控制与状态寄存器
- 用于控制处理器的操作， 主要被具有特权的操作系统程序使用， 以控制程序的执行。
- 程序计数器PC： 存储将取指令的地址。
- 指令寄存器IR： 存储最近使用的指令。
- 条件码CC： CPU为指令操作结果设置的位， 标志正/负/零/溢出等结果。
- 标志位： 中断位、 中断允许位、 中断屏蔽位、 处理器模式位、 内存保护位等。
程序状态字PSW
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PSW是操作系统的概念， 指记录当前程序运行的动态信息， 通常包含：
- 程序计数器， 指令寄存器， 条件码。
- 中断字， 中断允许/禁止， 中断屏蔽， 处理器模式， 内存保护、 调试控制。
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PSW是计算机系统的寄存器。
- 通常设置一组控制与状态寄存器。
- 也可以专设一个PSW寄存器。
指令与处理器模式
机器指令
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机器指令是计算机系统执行的基本命令， 是中央处理器执行的基本单位。
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指令由一个或多个字节组成， 包括操作码字段、 一个或多个操作数地址字段、 以及一些表征机器状态的状态字以及特征码。
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指令完成各种算术逻辑运算、 数据传输、 控制流跳转。
指令执行过程
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CPU根据PC取出指令， 放入IR， 并对指令译码，然后发出各种控制命令， 执行微操作系列，从而完成一条指令的执行。
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一种指令执行步骤如下：
- 取指： 根据PC从存储器或高速缓冲存储器中取指令到IR。
- 解码： 解译IR中的指令来决定其执行行为。
- 执行： 连接到CPU部件， 执行运算， 产生结果并写回， 同时在CC里设置运算结论标志； 跳转指令操作PC， 其他指令递增PC值。
特权指令与非特权指令
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用户程序并非能够使用全部机器指令， 那些与计算机核心资源相关的特殊指令会被保护，如： 启动I/O指令、 置PC指令、 等等。核心资源相关的指令只能被操作系统程序
使用。 -
特权指令： 只能被操作系统内核使用的指令。
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非特权指令： 能够被所有程序使用的指令。
处理器模式
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计算机通过设置处理器模式实现特权指令管理。
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计算机一般设置0、 1、 2、 3等四种运行模式，建议分别对应： 0操作系统内核、 1系统调用、2共享库程序、 3用户程序等保护级别。
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0模式可以执行全部指令； 3模式只能执行非特权指令； 其他每种运行模式可以规定执行的指令子集。
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一般来说， 现代操作系统只使用0和3两种模式，对应于内核模式和用户模式。
处理器模式的切换
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简称模式切换， 包括“用户模式→内核模式”和“内核模式→用户模式” 的转换。
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中断、 异常或系统异常等事件导致用户程序向OS内核切换， 触发： 用户模式→内核模式。
- 程序请求操作系统服务。
- 程序运行时发生异常。
- 程序运行时发生并响应中断。
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OS内核处理完成后， 调用中断返回指令触发： 内核模式→用户模式。