什么叫操作系统啊 | 战术后仰 (2)

操作系统必须了解所有的寄存器。在时间多路复用(time multiplexing) 的 CPU 中,操作系统往往停止运行一个程序转而运行另外一个。每次当操作系统停止运行一个程序时,操作系统会保存所有寄存器的值,以便于后续重新运行该程序。

为了提升性能, CPU 设计人员早就放弃了同时去读取、解码和执行一条简单的指令。许多现代的 CPU 都具有同时读取多条指令的机制。例如,一个 CPU 可能会有单独访问、解码和执行单元,所以,当 CPU 执行第 N 条指令时,还可以对 N + 1 条指令解码,还可以读取 N + 2 条指令。像这样的组织形式被称为 流水线(pipeline),

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比流水线更先进的设计是 超标量(superscalar)CPU,下面是超标量 CPU 的设计

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在上面这个设计中,存在多个执行单元,例如,一个用来进行整数运算、一个用来浮点数运算、一个用来布尔运算。两个或者更多的指令被一次性取出、解码并放入缓冲区中,直至它们执行完毕。只要一个执行单元空闲,就会去检查缓冲区是否有可以执行的指令。如果有,就把指令从缓冲区中取出并执行。这种设计的含义是应用程序通常是无序执行的。在大多数情况下,硬件负责保证这种运算的结果与顺序执行指令时的结果相同。

除了用在嵌入式系统中非常简单的 CPU 之外,多数 CPU 都有两种模式,即前面已经提到的内核态和用户态。通常情况下,PSW 寄存器中的一个二进制位会控制当前状态是内核态还是用户态。当运行在内核态时,CPU 能够执行任何指令集中的指令并且能够使用硬件的功能。在台式机和服务器上,操作系统通常以内核模式运行,从而可以访问完整的硬件。在大多数嵌入式系统中,一部分运行在内核态下,剩下的一部分运行在用户态下。

用户应用程序通常运行在用户态下,在用户态下,CPU 只能执行指令集中的一部分并且只能访问硬件的一部分功能。一般情况下,在用户态下,有关 I/O 和内存保护的所有指令是禁止执行的。当然,设置 PSW 模式的二进制位为内核态也是禁止的。

为了获取操作系统的服务,用户程序必须使用 系统调用(system call),系统调用会转换为内核态并且调用操作系统。TRAP 指令用于把用户态切换为内核态并启用操作系统。当有关工作完成之后,在系统调用后面的指令会把控制权交给用户程序。我们会在后面探讨操作系统的调用细节。

需要注意的是操作系统在进行系统调用时会存在陷阱。大部分的陷阱会导致硬件发出警告,比如说试图被零除或浮点下溢等你。在所有的情况下,操作系统都能得到控制权并决定如何处理异常情况。有时,由于出错的原因,程序不得不停止。

多线程和多核芯片

Intel Pentinum 4也就是奔腾处理器引入了被称为多线程(multithreading) 或 超线程(hyperthreading, Intel 公司的命名) 的特性,x86 处理器和其他一些 CPU 芯片就是这样做的。包括 SSPARC、Power5、Intel Xeon 和 Intel Core 系列 。近似地说,多线程允许 CPU 保持两个不同的线程状态并且在纳秒级(nanosecond) 的时间完成切换。线程是一种轻量级的进程,我们会在后面说到。例如,如果一个进程想要从内存中读取指令(这通常会经历几个时钟周期),多线程 CPU 则可以切换至另一个线程。多线程不会提供真正的并行处理。在一个时刻只有一个进程在运行。

对于操作系统来讲,多线程是有意义的,因为每个线程对操作系统来说都像是一个单个的 CPU。比如一个有两个 CPU 的操作系统,并且每个 CPU 运行两个线程,那么这对于操作系统来说就可能是 4 个 CPU。

除了多线程之外,现在许多 CPU 芯片上都具有四个、八个或更多完整的处理器或内核。多核芯片在其上有效地承载了四个微型芯片,每个微型芯片都有自己的独立CPU。

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