处理器与寄存器

用户程序可见寄存器

• 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
• 所有程序可使用，包括应用程序和系统程序
  • 数据寄存器：又称为通用寄存器
  • 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（Program Counter）：存储将取指令的地址。
• 指令寄存器 IR（Instruction Register）：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

• PSW 即是操作系统的概念，指记录当前程序运行的动态信息，通常包括：
  • 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
• PSW 也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

• 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。
• 指令由一个或多个字节组成，包括操作吗字段、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。
• 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

• CPU 根据 PC 取出指令，放入 IR，并对指令进行译码，然后发出各种控制指令，执行微操作系列，从而完成一条指令的执行。
• 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

• 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
• 非特权指令：能够被所有程序使用的指令

处理器模式

• 计算机通过设置处理器模式实现特权指令管理
• 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
• 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
• 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

• 简称模式切换，包括“用户模式 $\rightarrow$ 内核模式”和“内核模式 $\rightarrow$ 用户模式”的转换
• 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
• OS内核处理完成后，调用中断返回指令（如 Intel 的 iret 指令）触发：内核模 $\rightarrow$ 用户模式

中断

中断的概念

• 中断是指执行过程中，遇到急需处理的事件时，暂时中止 CPU 上现行程序的运行，转去执行相应的事件处理程序，待处理完成后再返回原程序被中断处或调度其他程序执行的过程。
• 操作系统是“中断驱动”的，换言之：中断是激活操作系统的唯一方式。
• 中断有广义和狭义之分，上述中断时指广义的中断。

中断、异常与系统异常

• 狭义的中断指来源于处理器之外的中断事件，即与当前运行指令无关的中断事件，如 I/O 中断、时钟中断、外部信号中断等。
• 异常指当前运行指令引起的中断事件，如地址异常、算术异常、处理器硬件故障等。
• 系统异常指执行陷入指令而触发系统调用引起的中断事件，如请求设备、请求 I/O、创建进程等。

中断源

处理器硬件故障中断事件

• 由处理器、内存储器、总线等硬件故障引起
• 处理原则为：保护现场，停止设备，停止 CPU，向操作员报告，等待人工干预

程序性中断事件

处理器执行机器指令引起

• 除数为零、操作数溢出等算术异常：简单处理，报告用户；也可以由用户编写中断续元程序处理。
• 非法指令、用户态使用特权指令、地址越界、非法存取等指令异常：终止进程。
• 终止进程指令：终止进程
• 虚拟地址异常：调整内存后重新执行指令

自愿性中断事件

处理器执行陷入指令请求 OS 服务引起；在操作系统中，它一般又被称作系统调用

• 请求分配外设、请求 I/O、等等
• 处理流程是：陷入 OS，保护现场，根据功能号查入口地址，跳转具体处理程序。

I/O 中断事件

来源于外围设备报告 I/O 状态的中断事件

• I/O 完成：调整进程状态，释放等待进程
• I/O 出错：等待人工干预
• I/O 异常：等待人工干预

外部中断事件

由外围设备发出的信号引起的中断事件

• 时钟中断、间隔时钟中断：记时与时间片处理
• 设备报到与结束中断：调整设备表
• 键盘 / 鼠标信号中断：根据信号作出相应反应
• 关机 / 重启动中断：写回文件，停止设备与 CPU

中断系统

• 中断系统是计算机系统中响应和处理中断的系统，包括硬件子系统和软件子系统两部分。
• 中断响应由硬件子系统完成
• 中断处理由软件子系统完成

中断装置

• 计算机系统中发现并响应中断/异常的硬件装置称为中断装置。
• 由于中断源的多样性，硬件实现的中断装置有多种，分别处理不同类型的中断。
• 这些中断装置因计算机而异，通常有：
  • 处理器外的中断：由中断控制器发现和响应。
  • 处理器内的异常：由指令的控制逻辑和实现线路发现和响应，相应机制称为陷阱。
  • 请求OS服务的系统异常：处理器执行陷入指令时直接触发，相应机制称为系统陷阱。

中断控制器

中断控制器是 CPU 的一个控制部件，包括中断控制逻辑线路和中断寄存器。

• 外部设备向其发出中断请求 IRQ，在中断寄存器中设置已发生的中断。
• 指令处理结束前，会检查中断寄存器，若有不被屏蔽的中断产生，则改变处理器内操作的顺序，引出操作系统中的中断处理程序。

陷阱与系统陷阱

指令的逻辑和实现线路的一部分

• 执行指令出现异常后，会根据异常情况转向操作系统的异常处理程序。
• 出现虚拟地址异常后，需要重新执行指令，往往越过陷阱独立设置页面异常处理程序。
• 执行陷入指令后，越过陷阱处理，触发系统陷阱，激活系统调用处理程序。

中断响应过程

1. 发现中断源，提出中断请求
   1. 发现中断寄存器中记录的中断
   2. 决定这些中断是否应该被屏蔽
   3. 当有多个要响应的中断源时，根据规定的优先级选择一个
2. 中断当前程序的执行：保存当前程序的 PSW/PC 到核心栈
3. 转向操作系统的中断处理程序

中断的处理

1. 中断处理程序：操作系统处理中断事件的控制程序, 主要任务是处理中断事件和恢复正常操作。
2. 中断处理过程：
   1. 保护未被硬件保护的处理器状态。
   2. 通过分析被中断进程的 PSW 中断码字段，识别中断源。
   3. 分别处理发生的中断事件。
   4. 恢复正常操作。

恢复正常操作

1. 对于某些中断，在处理完毕后，直接返回刚刚被中断的进程
2. 对于其他一些中断，需要中断当前进程的运行，调整进程队列，启动进程调度，选择下一个执行的进程并恢复其执行

多中断的响应与处理

Reference

1. 南京大学软件学院本科三年级课程《计算机与操作系统》