操作系统
课件：
操作系统运行环境
处理器状态
常见的控制和状态寄存器：
- 程序计数器（PC：program counter）， 记录即将要去除的指令的地址
- 指令寄存器（IR：instruction register），记录最近取出的指令
- 程序状态字（PSW：program status word），记录处理器的运行状态如条件码、模式、控制位等信息
需要硬件提供基本运行机制：
- 处理器具有特权级别，能在不同的特权级运行的不同指令集合
- 硬件机制可将OS与用户程序隔离
现代处理器通常将CPU状态设计划分为多种状态， 在PSW中专门设置以为，根据运行程序对资源和指令的使用权限而设置不同的CPU状态。
操作系统需要
两种CPU状态：
内核态（Kernel Mode）：运行操作系统程序
用户态（User Mode）：运行用户程序
特权指令 只能由操作系统使用，用户程序不能使用的指令
非特权指令 用户程序可以使用的指令
x86支持4个处理器特权级别：R0，R1，R2和R3， R0相当于内核态，R3相当于用户态，R1和R2介于两者之间，不同级别能够运行的指令集合不同。
CPU状态之间的转换
用户态 -> 内核态
唯一途径： 中断/异常/陷入机制
内核态 -> 用户态
设置程序状态字PSW
中断与异常机制
中断/异常的概念
- CPU对系统发生的某个事件作出的一种反应
- CPU暂停正在执行的程序，把刘现场后自动转去执行相应事件的处理程序，处理完成后返回断点，继续执行被打断的程序
特点：
- 是随机发生的
- 是自动处理的
- 是可以恢复的
中断： 为了支持CPU和设备之间的并行操作。当设备完成I/O后，通过向CPU发送中断报告，让CPU界定如何处理后续的事情。包括：
- I/O中断
- 时钟中断（如CPU时间片到了）
- 硬件故障
异常： 表示CPU执行指令时本身出现的问题，如算数溢出，访问内存地址时越界或者执行了陷入指令等。这时硬件改变了CPU当前的执行流程，转到相应的错误处理程序或异常处理程序或系统调用。包括：
- 系统调用
- 页故障/页错误
- 保护性异常
- 断点指令
- 其他程序性异常
中断与异常的工作原理
- 硬件该做什么事？ --- 中断/异常响应
- 捕获中断源发出的中断/异常请求，以一定的方式响应，将处理器控制权交给特定的处理程序
- 软件要做什么事？ --- 中断/异常处理程序
- 识别中断/异常类型并完成相应的处理
中断与异常的工作原理
中断响应过程示意 
CPU在每条执行周期的最后扫描中断寄存器，查看是否有中断信号。
中断响应过程示意
系统调用机制
系统调用是操作系统提供给编程人员的唯一接口，使得CPU状态从用户态陷入内核态。
进程线程模型
进程的定义
进程是具有独立功能的程序，关于某个数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的独立单位。
- 程序的一次执行过程
- 是正在运行程序的抽象
- 系统资源以进程为单位分配，如内存，文件等，每个进程具有独立的地址空间
- 操作系统将CPU调度给需要的进程
进程控制块PCB（Process Control Block）
- 操作系统用于管理控制进程的一个专门数据结构
- 记录进程的各种属性，描述进程的动态变化过程
- 进程表： 所有进程的PCB集合
进程控制块包含的信息：
- 进程描述信息，如进程ID，用户标示符，进程组关系
- 进程控制信息，如果优先级，代码入口地址
- 所拥有的资源和使用情况，如虚拟地址空间的状况，打开文件列表
- CPU现场信息，寄存器值（PC，PSW，栈指针等）
进程状态和状态转换
三种基本状态：
- 运行态（Running）： 占有CPU，并在CPU上运行
- 就绪态（Ready）：已经具备运行的条件，但是由于没有空闲CPU而暂时不能运行
- 等待态（Waiting/Blocked）：又称为阻塞态，因等待某一事件而暂时不能运行
三状态模型和状态转换
操作系统为每一类进程建立一个或多个队列,队列元素为PCB，伴随进程状态的改变，其PCB从一个队列进入另一个队列。
进程控制
进程的创建
给新进程分配一个唯一标示以及进程控制块
为进程分配地址空间
初始化进程控制块，设置默认值
设置相应的队列指针
结束进程
- 收回进程所占有的资源
- 撤销该进程的PCB
进程阻塞
- 处于运行状态的进程，在其运行过程中 期待某一事件发生，如等待键盘输入、等待 磁盘数据传输完成、等待其它进程发送消息， 当被等待的事件未发生时，由进程自己执行 阻塞原语，使自己由运行态变为阻塞态
Unix的fork()实现
为子进程分配一个空闲的进程描述符 proc 结构
分配给子进程唯一标识pid
以一次一页的方式复制父进程地址空间
从父进程处继承共享资源，如打开的文件和当前工
作目录等
将子进程的状态设为就绪，插入到就绪队列
对子进程返回标识符0
向父进程返回子进程的pid
Linux采用了写时复制技术COW(Copy-On-Write)加快创建进程。
进程地址空间
上下文切换
将CPU硬件从一个进程切换到另一个进程的过程称为上下文切换。
- 进程运行时，其硬件状态保存在CPU上的寄存器中。寄存器：程序计数器，程序状态字寄存器，栈指针，通用寄存器和其他控制寄存器的值
- 进程不运行时，这些寄存器的值保存在进程控制块PCB中
- 当操作系统要运行一个新的进程时，将PCB中的相关值送到对应的寄存器中
线程
http://www.chinesemooc.org/live/685646