计算机操作系统管理-CPU解析
简述计算机控制系统基本组成
简述计算机控制系统基本组成计算机控制系统是指对计算机硬件和软件进行有效管理、协调和控制的系统，以实现计算机正常运行和完成特定任务。
计算机控制系统的基本组成包括以下几个方面：1. 中央处理器（Central Processing Unit, CPU）：-功能：CPU是计算机的大脑，负责执行指令、进行算术和逻辑运算。
-组成：包括控制单元（Control Unit）和算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit）。
2. 存储器（Memory）：-功能：存储器用于存放程序和数据，分为主存储器（RAM）和辅助存储器（如硬盘、固态硬盘）。
-作用：主存储器用于存放当前运行的程序和数据，辅助存储器用于永久性存储数据和程序。
3. 输入设备（Input Devices）：-功能：输入设备用于向计算机输入数据，例如键盘、鼠标、触摸屏等。
-作用：通过输入设备，用户可以与计算机进行交互，向计算机提供操作指令和数据。
4. 输出设备（Output Devices）：-功能：输出设备用于将计算机处理的结果显示给用户，例如显示器、打印机、音响等。
-作用：通过输出设备，计算机可以向用户呈现运算结果、图形、声音等信息。
5. 系统总线（System Bus）：-功能：系统总线是连接计算机内部各个组件的数据通道，包括地址总线、数据总线和控制总线。
-作用：系统总线负责在各个硬件组件之间传递数据、地址和控制信号。
6. 输入/输出控制器（I/O Controller）：-功能：输入/输出控制器负责管理输入和输出设备的数据传输。
-作用：控制器将数据从输入设备传输到主存储器，或者将主存储器中的数据传输到输出设备。
7. 系统时钟（System Clock）：-功能：系统时钟用于同步计算机中的各个部件的工作。
-作用：时钟信号驱动CPU执行指令，确保各个部件协调一致地工作。
8. 操作系统（Operating System）：-功能：操作系统是计算机控制系统的核心，负责管理和协调计算机硬件和软件资源，提供用户界面和执行应用程序的环境。
操作系统处理器管理作业
操作系统处理器管理作业在计算机系统中，操作系统起着至关重要的作用，它就像是一个大管家，负责管理和协调计算机的各种资源，让计算机能够高效、稳定地运行。
而处理器管理则是操作系统中的一个关键部分，它直接影响着计算机系统的性能和效率。
处理器，也就是我们常说的 CPU（Central Processing Unit），是计算机的核心部件，负责执行各种指令和计算任务。
操作系统的处理器管理主要涉及到进程和线程的管理、处理器调度以及中断处理等方面。
首先，我们来谈谈进程和线程。
进程可以理解为正在运行的程序的实例，它包含了程序执行所需的各种资源，如代码、数据、堆栈等。
而线程则是进程中的执行单元，一个进程可以包含多个线程，它们共享进程的资源，但又能独立执行。
在操作系统中，进程和线程的管理是非常复杂和重要的。
操作系统需要为每个进程和线程分配资源，如内存空间、CPU 时间等，并对它们的状态进行监控和管理。
进程的状态通常包括就绪、运行、阻塞等。
当一个进程准备好执行但还没有被分配到 CPU 资源时，它处于就绪状态；当它正在 CPU 上执行时，处于运行状态；而当它因为等待某个事件（如输入输出操作完成）而暂时无法执行时，就处于阻塞状态。
接下来，处理器调度是操作系统处理器管理的核心任务之一。
处理器调度的目标是合理地分配 CPU 资源，以满足各个进程和线程的执行需求，同时提高系统的整体性能和效率。
常见的处理器调度算法有先来先服务（FCFS）、短作业优先（SJF）、时间片轮转（RR）等。
先来先服务算法按照进程到达的先后顺序来分配 CPU 资源，这种算法简单直观，但可能会导致短作业等待时间过长，影响系统的整体性能。
短作业优先算法则优先选择执行时间短的进程，能够有效地减少平均等待时间，但可能会对长作业不公平。
时间片轮转算法将 CPU 时间分成固定大小的时间片，每个进程轮流在一个时间片内执行，如果时间片用完但进程还没有执行完，就会被放回就绪队列等待下一次调度。
CPU的结构和功能解析
CPU的结构和功能解析CPU（Central Processing Unit，中央处理器）是计算机中的核心部件，负责执行指令、进行算术和逻辑运算以及控制外部设备的操作。
CPU的结构和功能是计算机硬件设计中的重要内容。
本文将对CPU的结构和功能进行解析。
一、CPU的结构1. 控制器（Control Unit）：控制器是CPU的指挥中心，负责协调和控制整个计算机系统的运行。
它从内存中读取指令并对其进行解释与执行。
控制器由指令寄存器（Instruction Register，IR）、程序计数器（Program Counter，PC）和指令译码器（Instruction Decoder）等构成。
-指令寄存器（IR）：用于存储当前从内存中读取的指令。
-程序计数器（PC）：存储下一条需要执行的指令在内存中的地址。
- 指令译码器（Instruction Decoder）：对指令进行解码，将其转化为相应的操作信号。
2.运算器（ALU）：运算器是负责执行算术和逻辑运算的部件。
它可以进行整数运算、浮点数运算、位操作等。
运算器通常包含多个加法器、乘法器和逻辑门电路，以实现不同的运算功能。
3. 寄存器（Registers）：寄存器是CPU内部的高速存储器，用于存储指令、数据、地址等信息。
寄存器分为通用寄存器、程序计数器和状态寄存器等多种类型。
-通用寄存器：用于存储临时数据和计算结果，供运算器使用。
-程序计数器：存储下一条需要执行的指令的地址。
- 状态寄存器：用于存储CPU的运行状态，如零标志（Zero Flag）、进位标志（Carry Flag）等。
二、CPU的功能CPU的功能主要包括指令执行、运算处理、控制管理和数据存取等方面。
1.指令执行：CPU从内存中读取指令，进行解码并执行相应的操作。
不同指令的功能包括数据传输、算术运算、逻辑运算、条件分支、循环等。
2.运算处理：CPU通过运算器进行各种算术和逻辑运算。
算术运算包括加法、减法、乘法和除法等操作，逻辑运算包括与、或、非、异或等操作。
(完整版)操作系统第五版费祥林_课后习题答案解析参考
第一章操作系统概论1、有一台计算机，具有IMB 内存，操作系统占用200KB ，每个用户进程各占200KB 。
如果用户进程等待I/O 的时间为80 % ，若增加1MB 内存，则CPU 的利用率提高多少？答：设每个进程等待I/O 的百分比为P ，则n 个进程同时等待刀O 的概率是Pn ，当n 个进程同时等待I/O 期间CPU 是空闲的，故CPU 的利用率为1-Pn。
由题意可知，除去操作系统，内存还能容纳4 个用户进程，由于每个用户进程等待I/O的时间为80 % , 故：CPU利用率＝l-（80%)4 = 0.59若再增加1MB 内存，系统中可同时运行9 个用户进程，此时：cPu 利用率＝l-（1-80%)9 = 0.87故增加IMB 内存使CPU 的利用率提高了47 % :87 ％/59 ％=147 %147 ％-100 % = 47 %2 一个计算机系统，有一台输入机和一台打印机，现有两道程序投入运行，且程序A 先开始做，程序B 后开始运行。
程序A 的运行轨迹为：计算50ms 、打印100ms 、再计算50ms 、打印100ms ，结束。
程序B 的运行轨迹为：计算50ms 、输入80ms 、再计算100ms ，结束。
试说明（1 ）两道程序运行时，CPU有无空闲等待？若有，在哪段时间内等待？为什么会等待？( 2 ）程序A 、B 有无等待CPU 的情况？若有，指出发生等待的时刻。
答：画出两道程序并发执行图如下：（1）两道程序运行期间，CPU存在空闲等待，时间为100 至150ms 之间（见图中有色部分）（2）程序A 无等待现象，但程序B 有等待。
程序B 有等待时间段为180rns 至200ms 间（见图中有色部分）3 设有三道程序，按A 、B 、C优先次序运行，其内部计算和UO操作时间由图给出。
试画出按多道运行的时间关系图（忽略调度执行时间）。
完成三道程序共花多少时间？比单道运行节省了多少时间？若处理器调度程序每次进行程序转换化时lms , 试画出各程序状态转换的时间关系图。
电脑CPU架构解析常见的处理器有哪些优势和劣势
电脑CPU架构解析常见的处理器有哪些优势和劣势电脑CPU架构，作为计算机硬件的核心组成部分，直接影响着计算机的性能和稳定性。
不同的处理器架构在设计思想、指令集、运算速度等方面存在着差异。
本文将解析常见的处理器架构，并探讨它们各自的优势和劣势。
一、x86架构x86架构是目前最为广泛应用的处理器架构，它由英特尔公司于20世纪80年代推出，目前代表产品为英特尔的酷睿系列处理器。
x86架构具有以下优势和劣势：优势：1.应用广泛：x86架构广泛应用于个人电脑和服务器领域，具有良好的兼容性，可以运行绝大多数的软件和操作系统。
2.生态完善：基于x86架构的处理器拥有庞大的生态系统，有大量的研发和生产厂商，从而带来更多的硬件和软件选择。
3.性能强劲：x86架构在同等工艺制程下，可以提供较高的性能，具备较高的单核和多核处理能力，适用于多线程和计算密集型任务。
劣势：1.功耗较高：由于x86架构的复杂性和发展历史的积累，导致其功耗比其他架构要高一些。
这也限制了其在移动设备等低功耗领域的应用。
2.价格较高：鉴于x86架构的成熟度和市场份额，其产品价格一般较高，不利于低成本应用领域的推广。
3.指令冗余：x86架构的指令集较为冗余，指令执行效率不如精简指令集架构（RISC）。
二、ARM架构ARM架构是一种精简指令集计算机（RISC）架构，广泛应用于移动设备领域，代表产品为高通、苹果等公司的处理器。
ARM架构具有以下优势和劣势：优势：1.低功耗：ARM架构以其简洁而高效的设计，具备较低的功耗，适用于移动设备等对续航能力要求较高的领域。
2.强大的图形处理能力：基于ARM架构的处理器通常搭载了较为先进的图形核心，具备出色的图形处理能力，适用于游戏和媒体应用。
3.灵活性高：ARM架构可根据需求进行定制和扩展，非常适合于定制芯片和嵌入式系统领域。
劣势：1.兼容性较弱：由于ARM架构相对于x86架构有所不同，存在着较弱的兼容性。
某些PC软件和操作系统可能无法直接在ARM架构上运行。
操作系统 ---- 处理器管理
具体对内中断（异常）的产生原因，做一 下分类： 访管中断：主动引发进行系统调用 硬件故障：处理器内部的硬件问题 程序性异常：运算过程中出现错误，比如 除数为0、页故障、地址越界等
①
② ③
异常均不可屏蔽，因为其不是错误，就是 有意为之，都是有目的的，而中断则是要 分情况，有些可屏蔽，有些不可屏蔽
外中断信号，不一定是代表了一定发生了 需要CPU处理的事情，很多时候，只是告 诉一下CPU设备完成了某项工作，这个时 候，CPU其实并不一定要知道这个中断发 生了
因此，外中断可以分为可屏蔽中断与不可 屏蔽中断
有一些中断，是比较紧急的情况，是不可 以忽略的，CPU在收到这些中断信号后， 必须马上进行处理，否则会引起系统的问 题，这些就是不可屏蔽中断
举例：Intel x86规定的一些中断和异常：
①
②
Linux中把异常按照发生之后处理的方式， 分为以下四种： 故障（Fault）：发生问题处理完毕后， 再执行一次原来的指令 陷阱（Trap）：执行特定的调试指令时 触发，被调试的进程遇到所设置的断点 处会暂停等待
③
④
终止（Abort）：某些错误发生后，无法 恢复，不会返回原进程，有时甚至需要重 启计算机 编程异常（Programmed Exception）： 用于实现系统调用
①
②
③
④
中断与信号有很多类似之处： 概念上一致：都是中断源向某个目的地发 送中断信号 均是异步：不知道何时会发生中断事件 实现方式均采用向量表，以向量号做索引 查找中断处理程序 均设有“中断屏蔽位”，可以对于一些中 断信号，置之不理
中断与信号的区别：
中断由硬件和软件实现，信号则专门由软 件实现 中断向量表与中断处理程序位于内核空间， 而信号向量表属于内核空间，但信号处理 程序一般位于用户空间 中断会立即处理，而信号则可能会延时
操作系统重点概念
1.CPU的两种运行模式：内核态（又称核心态、系统态、管态）与用户态（又称目态）。
2.指令是控制计算机执行某种操作的命令。
3.特权指令：是一类具有特殊权限的指令，只用于操作系统或其他系统软件，普通用户不能直接使用4.非特权指令：也称为用户指令或普通指令，是普通用户能够直接使用的指令。
这是指令集中除特权指令外的所有指令。
5.操作系统的用户观点与系统观点:用户观点：为用户提供使用计算机系统的接口与各种资源管理服务（从系统外部看）系统观点：管理与分配计算机系统硬件及软件资源。
因此，操作系统是计算机资源的管理者（从系统内部看6.操作系统：是控制与管理计算机系统内各种硬件与软件资源、有效地组织多道程序运行的系统软件（或程序集合），是用户与计算机之间的接口。
功能：处理机管理、存储器管理、设备管理、文件管理、用户接口7.多道程序设计的基本思想：在内存中同时存放多道程序，在管理程序的控制下交替地执行。
这些作业共享CPU与系统中的其他资源。
8.多道批处理系统优缺点：优点:系统资源利用率高；系统吞吐量大。
缺点:用户作业等待时间长；无交互性，用户一旦提交作业就失去了对其运行的控制能力9.多道：系统在内存中存放多个作业，并且在外存上还保存大量的后备作业。
10.成批：系统按批次调度作业，而在系统运行过程中不允许用户与机器之间发生交互作用。
11.分时：对时间的共享。
在分时系统中，分时主要是指若干并发程序对CPU时间的共享12.Linux系统特点:与UNIX兼容；自由软件，源码公开；性能高，安全性强；便于定制与再开发；互操作性高；全面的多任务与真正的32位操作系统13.进程概念：程序在并发环境中的执行过程进程最根本的属性：是动态性与并发性进程的特征：动态性并发性独立性异步性批处理系统的特征：脱机多道成批处理分时系统的特征：多路性独立性及时性交互性14.进程间的相互关系主要分为如下三种形式：1.互斥——竞争同一资源而发生相互制约2. 同步——协同完成一项任务3. 通信——交换信息，合作完成一项工作15.进程与程序的区别与联系：（1）进程是动态概念，程序是静态概念（2）进程有并发性，程序没有（3）一个程序对应多个进程（4）进程有三个基本状态进程的三种状态及其转换16.进程控制块的作用：每个进程有唯一的进程控制块；操作系统根据PCB对进程实施控制与管理；进程的动态、并发等特征是利用PCB表现出来的；PCB是进程存在的唯一标识17.临界资源：一次仅允许一个进程访问的资源18.临界区：简称CS区进程中访问临界资源的那段程序代码19.原语是为完成某些特定的功能而编制的一段系统程序。
操作系统处理器管理
信号机制
一种模拟硬件中断的简单通信机制（软件 中断）
– 内核向进程（进程发生异常，向其通知） – 进程向进程（进程间通信，发送某个事件）
signal, kill POSIX定义的信号类型（终端，Ctrl+C，2）
– Ctrl + Z，SIGSTOP
信号的检测与处理流程
发送信号 断点
执行信号处 理程序
应用程序 继续执行
从内核 返回用 户空间
进程
进程是现代操作系统中最基本、最重要的概念 两个角度看进程概念：
– 从理论角度看，进程是对正在运行的程序活动规律的 抽象
– 从实现角度看，进程是一种数据结构
为什么引入进程？
– 刻画系统的动态性、发挥系统的并发性，提高资源利 用率（并发程序设计的工具）
– 解决共享性，正确描述程序的执行状态（标识程序的 多次运行）
– 按使用者分：
特权指令，仅供操作系统内核调用 非特权指令
处理器状态
特权指令的执行限制，使处理器必须能区分当前 运行的程序是操作系统还是普通应用程序 处理器状态：
– 管理状态（特权状态、系统状态、特态、管态），能 执行所有机器指令
– 用户状态（目标状态、用户模式、常态、目态），只 能执行非特权指令
– 程序段、数据段、共享存储区、用户栈
寄存器上下文
– 程序状态字寄存器、栈指针寄存器、控制寄存器、 通用寄存器
系统级上下文
– 进程控制块、主存管理信息（如页表）、核心栈
进程的描述
进程控制块的结构
– 每个进程都有且只有一个进程控制块
进程标识信息（外部标识+内部标识）
进程现场信息 （通用寄存器、PSW寄存器、各种指针）
PCB
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输出设备之间一次实际传输数据的位数。
11、CPU扩展指令集 （1）指令集就是CPU中所有指令的集合/ （2）常见指令集有：
MMX（多媒体扩展指令集，Intel）、 SSE（因特网数据流单指令扩展，Intel）、 3DNOW!（可以大幅度提高3D处理性能，AMD）
一级高速缓存（L1 Cache ）： 作用是CPU内部指令集与数据的交换区
二级高速缓存（L2 Cache ）： 作用是CPU与内存之间的交换区
寄存器 CPU
L1 cache L2 cache
内存条
其它设备
注：CPU二级缓存速度等于CPU的速度 缓存越大，CPU性能越好，价格越高。
Байду номын сангаас
7、制造工艺
指内部各元器件的连接宽度，一般用微米um或纳 米nm表示，值越小，制作工艺越先进，CPU可达到的 频率越高，集成的晶体管的数量就越多，目前，Intel和 AMD以达到0.09微米，先在Intel将达到0.065/0.045微米 的制造工艺。
存储单元
寄存器 缓存
一 认识CPU（Central Processing Unit,中央处理器）
CPU是电脑中最重要的组成部分，它相当于人的大脑， 是整个电脑系统的核心。
其内部结构可分为控制单元、逻辑单元和存储单元3大 部分。
其工作原理就像一个工厂对产品的加工过程：进入工厂 的原料（指令），经过物资管理部门（控制单元）的调度 分配，被送往生产线（逻辑运算单元），生产出成品（处 理后的数据）后，再存储在仓库（存储器）中，等着拿到 市场上去交易（交由应用程序使用）
3DNow！指令集：由AMD公司开发，出现在SSE指令集之前， 并被广泛应用于其K6-2、K6-3以及Athlon（K7）处理器上。 与Intel公司的MMX技术侧重于整数运算有所不同，3DNow！ 指令集主要针对三维建模、坐标变换和效果渲染等三维应用 场合，在软件的配合下，可以大幅度提高3D处理性能。
1
主要知识点： 一、认识CPU 二、CPU 的发展 三、CPU的工作原理 四、CPU的技术参数 五、CPU的分类 六、CPU的型号和品牌 七、CPU的超频
CPU
（了解） （了解） （了解） （掌握） （掌握） （了解） （了解）
CPU
CPU内部可分为三大部分：
运算器
算术运算 逻辑运算
CPU 控制器
8、CPU工作电压
一般制作工艺越小，工作电压越低；电压一般都在 1.6v~3v，低电压能解决功耗和发热大的问题。 而当 CPU正常工作时电压称工作电压,其数值是保持不变最 佳。
9、地址总线宽度 CPU一次能接纳和处理多少位数据，其宽度越大
（一次处理的二进制数的位数），就意味着CPU的性 能越高。如8位，16位，32位，64位。
指令集技术
指令集是为了增强CPU在某些方面（如多媒体）的功能而特意 开发的一组程序代码集合。目前常见的指令集有以下几种。
MMX指令集：它是Intel公司于1996年推出的一项多媒体扩展指 令技术。指令集中包括有57条多媒体指令。通过这些指令可 以一次处理多个数据，在处理结果超过实际处理能力时也能 进行正常处理
SSE 2指令集：是INTER在SSE指令集基础上扩展而成的，该指 令新添加了144条新建指令，进一步提高了浮点运算能力，主 要集成在P4以上的CPU上。能够加快许多应用程序的运行， 包括视频、话音、图像、照片处理、加密、财务、工程和科 学应用。
SSE 3指令集：SSE3是在SSE2基础上，又新增了13条指令，主要 加强了复杂算法，视频压缩与编码和线程同步等方面。
3DNow！+指令集：针对3DNOW！的不足，在原有基础上， 增加了52条指令，包含部分SSE指令，主要用在64位以上的 AMD CPU上
14、几样流行的CPU术语：
1、流水线技术 2、超流水线 3、超标量技术
与主频多少的P4CPU性能相当 一般AMD的CPU性能的表示方法
4、前端总线（FSB）频率 （1）前端总线频率即总线频率。是CPU和北桥芯片之间
的数据通道;是整个电脑系统中，数据吞吐量最大的总线;直 接影响CPU和内存的数据交换速度。
（2）前端总线频率与外频的区别：
前端总线的速度指的是数据传输的速度。 外频,通常为系统总线的工作频率（系统时钟频率），CPU与
周边设备传输数据的频率,具体是指 CPU到芯片组之间的总 线速度。 外频是 CPU与主板之间同步运行的速度。
5、高速缓存（Cache）
缓存（Cache）又称为高速缓存，是可以进行高速数据传 输的存储器。
由于CPU运行速度远远高于内存和硬盘等存储器，因此有 必要将常用的指令和数据等放进缓存，让CPU在缓存中直 接读取，以提升电脑的性能。 Cache的功能是用来减少 CPU因等待慢速设备（如内存）所导致的延迟，进而改善 系统的性能。
一 CPU的技术参数
1、主频 CPU运行时的时钟频率。主频直接影响 CPU的 运行速度，主频越高速度越快，但主频相同的 CPU性能不一定相同。
2、外频 CPU的基准频率，单位为MHz，外频是CPU与主 板、内存之间同步运行的速度。
3、倍频系数： 倍频系数是指CPU主频与外频之间的相对比
例关系，在相同外频下，倍频越高CPU的频率越 高。
主频、外频、倍频之间的关系
主频 = 外频 × 倍频
例：Pentium 4 2.4G的CPU 主频 2400MHZ =外频400MHZ ×倍频6= 2400
补充：
1、CPU性能：
IPC是指CPU每一时钟周期内所执行的指令多少 CPU性能 =IPC×频率（主频）
2、PR值：
指的是TPI (True Performance Initiative) 即所谓“真实性能标准” ——频率并不是一切，性能才是关键“
SSE指令集：它是Intel公司在Pentium III处理器中率先推出的。 此指令集包括了70条指令，其中包含50条提高3D图形运算效 率的SIMD浮点运算指令、12条MMX整数运算增强指令、8条 优化内存指令。这些指令理论上这些指令对目前流行的图像 处理、浮点处理、3D运算、视频处理、音频处理等诸多多媒 体应用起到全面强化的作用。