操作系统 第八节 CPU管理的直观想法

1 CPU的工作原理

CPU通过地址总线来指定存储器单元，CPU与内存或其它器件之间的数据传输是通过数据总线来进行的

CPU从CS：IP指向的内存单元取出指令并执行，执行完后IP+1指向下一条指令，接着CPU取出下一条指令并执行

CPU不断地取指，执行，只要设置好CS：IP的初值即可，让它指向一段程序的开始地址，CPU就从这里开始不断地取指执行

2 CPU进行不同工作时的效率

对于下面的一段程序，fprintf()是一条I/O指令，如果将这条指令更换成一条任意的计算指令，那么效率会提高(10^6)倍，也就是说执行一条I/O指令所耗费的时间是足以执行大量的计算指令

在程序中I/O指令执行耗费的时间远大于单纯计算用的时间，I/O指令执行非常慢

如果在一个程序中，前面有10^6条计算指令，后面只有一条I/O指令，那么当CPU执行完前面的计算指令后，会等待处理I/O，这段执行I/O的时间约等于执行前面计算指令的时间，CPU在I/O处理时，只是在等待，那么CPU的效率只有50%

实际中，每二三十条计算指令就会伴随一条I/O指令，如果CPU在I/O处理这段时间只是等待，那么效率会更低，如何让CPU在等待的这段时间工作，使其高效，不停息工作是CPU管理的问题，我们需要使CPU忙碌起来

3 如何管理CPU使其高效率运行

管理CPU使其高效工作可以类比时间分配的问题，做饭时，先去烧水，烧水的时间淘米，洗菜，烧完水后蒸米，蒸米的时间炒菜

CPU的管理思想：多道程序，交替执行

对于单道程序想要执行两个任务，需要先完成任务A，其中包括A任务对于CPU的需求和对于设备dev1(如打印机)和dev2的使用，只有等完成程序A后，才可以去执行程序B，但是在任务A中使用dev1时，CPU是空闲的

如果使用多道程序，交替执行的方式，当任务A使用dev1时，CPU不要等待转去为任务B服务，当任务A需要CPU时，发出提示，这时CPU再回去为任务A服务，这样的处理思想，对于多个程序也仍适用，交替执行不仅提高了CPU的工作效率，且提高了设备的使用效率，从而提高整体工作效率

一个CPU上交替地执行多个程序称为 并发

4 如何完成程序间地切换

CPU根据CS：IP的指向取指执行，在恰当的时刻更改CS：IP的指向就可以完成并发

但是切换到另一个程序后，新的程序也要使用CPU，即使用CPU内的各个寄存器，并更改里面的值以便使用，所以我们需要保存切换前程序的详细信息

只更改CS：IP是不够的，还需要记录一些内容，为了继续成功执行切换前的程序，我们需要记录切换前程序的一些信息，如切换前程序的各个寄存器内值，每个程序有了一个存放信息的结构：PCB

5 进程与程序

将正在执行的程序称为进程，磁盘中的没跑起来的程序称为静态程序

运行的程序和静态的程序是不一样的，对于所有进程，需要保存它们的“样子”，即将它们的信息，状态保存起来，存到各自对应的PCB中

进程是正在执行的程序：
1，进程有开始，有结束，程序没有
2，进程会走走停停，走停对程序没有意义
3，进程需要记录寄存器的值ax，bx等，程序不需要
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