[科普中国]-中央处理器状态

简介

中央处理器状态一般可以分为运行状态和空闲状态。为了充分利用CPU资源，一般尽可能使CPU处于繁忙状态，这样可以提高CPU的利用率。但是CPU速度与I/O速度不在一个数量级，为了弥补速度上的不足，计算机一般采取多级存储器结构。在计算机有很多应用都有用的到处理机状态，例如调度、中断。

空闲状态空闲状态也可以称为等待时间，空闲时间这个术语在计算机科学中是指等待时间，这里并没有指出哪个部分的等待时间。因为在计算机中不同对象的空闲时间的含义是不相同的。例如CPU空闲时间是指PU等待I/O设备完成I/O请求的时间。

运行状态在操作系统中，中央处理器运行状态根据运行环境不同，可以将运行状态分为核心态和用户态。核心态是操作系统内核所运行的模式，运行在该模式的代码，可以无限制地对系统存储、外部设备进行访问。用户态（user mode）在计算机结构指两项类似的概念。在CPU的设计中，用户态指非特权状态。在此状态下，执行的代码被硬件限定，不能进行某些操作，比如写入其他进程的存储空间，以防止给操作系统带来安全隐患。在操作系统的设计中，用户态也类似，指非特权的执行状态。内核禁止此状态下的代码进行潜在危险的操作，比如写入系统配置文件、杀掉其他用户的进程、重启系统等。

调度调度在计算机中是分配工作所需资源的方法。资源可以指虚拟的计算资源，如线程、进程或数据流；也可以指硬件资源，如处理器、网络连接或扩展卡。

进行调度工作的程序叫做调度器。调度器通常的实现使得所有计算资源都处于忙碌状态（在负载均衡中），允许多位用户有效地同时共享系统资源，或达到指定的服务质量。调度是计算自身的基础，同时也是编程语言计算模型固有的部分。调度器使得在单处理器上通过多任务处理，从而让执行多个进程成为可能。

调度器可能会针对不同的目标设计，例如：吞吐率最大化、响应时间最小化、最低延迟、或最大化公平。在实践中，这些目标通常是互相冲突的，因此，调度器会实现一个权衡利弊的折中方案，而侧重点则可能是前文提到的任何一种，这取决于用户的需求和目的。

当一个新作业或进程调入内存时，一般会先检查处理机状态，如果空闲立即执行，否则采取一定调度策略。

多级存储器结构对于通用计算机而言，存储层次至少应具有三级：最高层为 CPU 寄存器，中间为主存，最底层是辅存。在较高档的计算机中，还可以根据具体的功能分工细划为寄存器、高速缓存、主存储器、磁盘缓存、固定磁盘、可移动存储介质等 6 层。如图 4-1 所示，在存储层次中越往上，存储介质的访问速度越快，价格也越高，相对存储容量也越小。其中，寄存器、高速缓存、主存储器和磁盘缓存均属于操作系统存储管理的管辖范畴，掉电后它们存储的信息不再存在。固定磁盘和可移动存储介质属于设备管理的管辖范畴，它们存储的信息将被长期保存1。

在计算机系统存储层次中，寄存器和主存储器又被称为可执行存储器，存放于其中的信息与存放于辅存中的信息相比较而言，计算机所采用的访问机制是不同的，所需耗费的时间也是不同的。 进程可以在很少的时钟周期内使用一条 load 或 store 指令对可执行存储器

进行访问，但对辅存的访问则需要通过 I/O 设备来实现，因此，访问中将涉及到中断、设备驱动程序以及物理设备的运行，所需耗费的时间远远高于对可执行存储器访问的时间，一般相差 3 个数量级甚至更多。

CPU物理结构CPU包括运算逻辑部件、寄存器部件和控制部件等。

逻辑部件英文Logic components；运算逻辑部件。可以执行定点或浮点算术运算操作、移位操作以及逻辑操作，也可执行地址运算和转换。

寄存器寄存器部件，包括寄存器、专用寄存器和控制寄存器。 通用寄存器又可分定点数和浮点数两类，它们用来保存指令执行过程中临时存放的寄存器操作数和中间（或最终）的操作结果。 通用寄存器是中央处理器的重要部件之一。

控制部件英文Control unit；控制部件，主要是负责对指令译码，并且发出为完成每条指令所要执行的各个操作的控制信号。

其结构有两种：一种是以微存储为核心的微程序控制方式；一种是以逻辑硬布线结构为主的控制方式。

微存储中保持微码，每一个微码对应于一个最基本的微操作，又称微指令；各条指令是由不同序列的微码组成，这种微码序列构成微程序。中央处理器在对指令译码以后，即发出一定时序的控制信号，按给定序列的顺序以微周期为节拍执行由这些微码确定的若干个微操作，即可完成某条指令的执行。

简单指令是由（3～5）个微操作组成，复杂指令则要由几十个微操作甚至几百个微操作组成。