處理器管理

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的處理器包括一組寄存器，其個(gè)數(shù)根據(jù)機(jī)型的不同而不同，它們構(gòu)成了一級(jí)存儲(chǔ)，比主存容量小，但訪問(wèn)速度快。這組寄存器所存儲(chǔ)的信息與程序的執(zhí)行有很大關(guān)系，構(gòu)成了處理器現(xiàn)場(chǎng)。

·每一個(gè)進(jìn)程被暫時(shí)中止執(zhí)行時(shí)，操作系統(tǒng)就要保存相關(guān)的信息(包括處理器現(xiàn)場(chǎng))以保證未來(lái)某個(gè)時(shí)刻，該進(jìn)程可以繼續(xù)執(zhí)行。

這些寄存器可分成以下幾類:

·通用寄存器:可由程序設(shè)計(jì)者指定許多功能，如存放操作數(shù)或用作尋址寄存器。

·數(shù)據(jù)寄存器:存放操作數(shù)，作為內(nèi)存數(shù)據(jù)的高速緩存。

·地址寄存器:指明內(nèi)存地址，如索引寄存器、段寄存器、堆棧指針寄存器等。

·I/O地址寄存器:指定I/O設(shè)備。

·I/O緩沖寄存器:用于處理器和I/O設(shè)備交換數(shù)據(jù)。

·控制寄存器:存放處理器的控制和狀態(tài)信息，至少包括程序計(jì)數(shù)器PC和指令寄存器IR，中斷寄存器以及用于存儲(chǔ)器和I/O模塊控制的寄存器。還有存放將被訪問(wèn)的存儲(chǔ)單元地址的存儲(chǔ)器地址寄存器，以及存放從存儲(chǔ)器讀出或欲寫入的數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器。

·其他寄存器

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心是中央處理器。

1.單處理器系統(tǒng):一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)只包括一個(gè)運(yùn)算處理器。

2.多處理器系統(tǒng):一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有多個(gè)運(yùn)算處理器。

3.串行和并行

·早期計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是基于單個(gè)處理器的順序處理機(jī)器，程序員編寫串行執(zhí)行的代碼，讓其在處理器上串行執(zhí)行，每條指令的執(zhí)行也是串行的(取指令、取操作數(shù)、執(zhí)行操作、存儲(chǔ)結(jié)果)。

4.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類

目前計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以分作以下四類:

·單指令流單數(shù)據(jù)流(SISD):一個(gè)處理器在一個(gè)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)上執(zhí)行單條指令流。

單指令流多數(shù)據(jù)流(SIMD):單條指令流控制多個(gè)處理單元同時(shí)執(zhí)行，每個(gè)處理單元包括處理器和相關(guān)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，一條指令控制了不同的處理器對(duì)不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。向量機(jī)和陣列機(jī)是這類計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的代表 。

SIMD

在一臺(tái)SIMD計(jì)算機(jī)中，有一個(gè)控制部件(又稱為控制單元，control unit)和許多處理單元(processing unit)。大量的處理單元通常構(gòu)成陣列，因此SIMD計(jì)算機(jī)有時(shí)也稱為陣列處理機(jī)。所有的處理單元在控制部件的統(tǒng)一控制下工作?？刂撇考蛩械奶幚韱卧獜V播同一條指令，所有的處理單元同時(shí)執(zhí)行這條指令，但是每個(gè)處理單元操作的數(shù)據(jù)不同?？刂撇考梢杂羞x擇地屏蔽掉一些處理單元，被屏蔽掉的處理單元不執(zhí)行控制部件廣播的指令。

·多指令流單數(shù)據(jù)流(MISD):一個(gè)數(shù)據(jù)流被傳送給一組處理器，通過(guò)這一組處理器上的不同指令操作最終得到處理結(jié)果。

不同的處理器按照不同的模式來(lái)協(xié)同處理同一組數(shù)據(jù)，期望以最快最好的方式得到結(jié)果。

目前正在研究中…

·多指令流多數(shù)據(jù)流(MIMD):多個(gè)處理器對(duì)各自不同的數(shù)據(jù)集同時(shí)執(zhí)行不同的指令流。可以把MIMD系統(tǒng)劃分為共享內(nèi)存緊密耦合MIMD系統(tǒng)和內(nèi)存分布松散耦合MIMD系統(tǒng)兩大類。

根據(jù)處理器分配策略，緊密耦合MIMD系統(tǒng)可以分為主從式系統(tǒng)MSP(Main/Slave Multiprocessor)和對(duì)稱式系統(tǒng)SMP(Symmetric Multi-Processor)兩類。

主從式系統(tǒng)基本思想是:在一個(gè)特別的處理器上運(yùn)行操作系統(tǒng)內(nèi)核，其他處理器上則運(yùn)行用戶程序和操作系統(tǒng)例行程序，內(nèi)核負(fù)責(zé)分配和調(diào)度各個(gè)處理器，并向其他程序提供各種服務(wù)。

在對(duì)稱式多處理器系統(tǒng)中有兩個(gè)或兩個(gè)以上的處理器，操作系統(tǒng)內(nèi)核可以運(yùn)行在任意一個(gè)處理器上。每個(gè)處理器都可以自我調(diào)度運(yùn)行的進(jìn)程和線程，單個(gè)進(jìn)程的多個(gè)線程可在不同處理器上同時(shí)運(yùn)行。操作系統(tǒng)內(nèi)核也被設(shè)計(jì)成多進(jìn)程或多線程，內(nèi)核的各個(gè)部分可以并行執(zhí)行。

在松散耦合MIMD系統(tǒng)中，每個(gè)處理單元都有一個(gè)獨(dú)立的內(nèi)存儲(chǔ)器，各個(gè)處理單元之間通過(guò)設(shè)定的線路或網(wǎng)絡(luò)通信，多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和集群(Cluster)系統(tǒng)都是松散耦合MIMD系統(tǒng)的例子。

例如，數(shù)學(xué)協(xié)處理器可以控制數(shù)字處理;圖形協(xié)處理器可以處理視頻繪制。例如，intel pentium 微處理器就包括內(nèi)置的數(shù)學(xué)協(xié)處理器。

協(xié)處理器可以附屬于ARM處理器。一個(gè)協(xié)處理器通過(guò)擴(kuò)展指令集或提供配置寄存器來(lái)擴(kuò)展內(nèi)核處理功能。一個(gè)或多個(gè)協(xié)處理器可以通過(guò)協(xié)處理器接口與ARM內(nèi)核相連。

協(xié)處理器可以通過(guò)一組專門的、提供load-store類型接口的ARM指令來(lái)訪問(wèn)。例如協(xié)處理器15(CP15)，ARM處理器使用協(xié)處理器15的寄存器來(lái)控制cache、TCM和存儲(chǔ)器管理。

協(xié)處理器也能通過(guò)提供一組專門的新指令來(lái)擴(kuò)展指令集。例如，有一組專門的指令可以添加到標(biāo)準(zhǔn)ARM指令集中，以處理向量浮點(diǎn)(VFP)運(yùn)算。

這些新指令是在ARM流水線的譯碼階段被處理的。如果在譯碼階段發(fā)現(xiàn)是一條協(xié)處理器指令，則把它送給相應(yīng)的協(xié)處理器。如果該協(xié)處理器不存在，或不認(rèn)識(shí)這條指令，則ARM認(rèn)為發(fā)生了未定義指令異常。這也使得編程者可以用軟件來(lái)仿真協(xié)處理器的行為(使用未定義指令異常服務(wù)子程序)。