操作系统如何管理CPU

CPU工作原理

CPU工作原理很简单，就是不断的取指执行。CPU根据PC寄存器中的值到内存中取指令，PC会自动+1，当执行完本条指令后，CPU又根据PC寄存器取指执行。

所以我们让CPU执行一段程序最直接的做法就是让PC的值设置为程序的起始地址，这样CPU会自动的执行这段程序直到程序结束。

这样做本身没什么问题，但会导致CPU的利用率比较低。我们来看两段代码执行时间。

# 计算任务
import time
start = time.time()
sum = 0
for i in range(100000):sum += i
print(time.time()-start)执行时间为： 0.007977724075317383

# IO任务
import time
start = time.time()
for i in range(100000):print(i)
print(time.time()-start)执行时间为 0.29421424865722656

可以看到同样的循环次数，但IO任务的执行时间远远大于计算任务，但在执行IO任务时，CPU是空闲的，此时CPU利用率很低。

当我们将PC的值设置为程序的起始地址，如果我们不对CPU进行特别的管理，让CPU自动的取指执行，如果程序有大量的IO任务时，CPU的利用率极低，这是对宝贵的CPU资源的极大浪费！！！所以我们要对CPU进行管理，提高CPU的利用率。

CPU管理

怎么办呢？当在执行IO任务时，我们可以将CPU分配给其他程序使用，当IO任务完成时，CPU又切换到该程序继续执行。

现实生活中，这样的例子比比皆是。拿我们平时烧开水举例。我们拿着热水瓶到炉子旁边，我们会一直傻傻的站在炉子旁边等着水烧开在装水吗，不会的，我们会去做其他事，等到炉子发出嘀嘀嘀的声音，我们才回到炉子旁装水。

这里的核心是任务的切换。做法就是内存存放多个程序，多个程序交替执行。

如何做到

直观的做法：当一个程序执行IO任务时，我们把PC的值设置为另一个程序的执行地址就可以去执行另一个程序，然后IO任务完成，又切回原来的程序执行。

说起来简单，做起来难啊！你考虑下仅仅修改PC的值能正常进行切换吗？

当程序1执行到52时，修改PC为200就可以执行程序2，当在程序2的202执行完切换到程序1，仅仅修改PC为53可以吗？

程序1执行到53时，ax的值为2，但由于执行了程序2，ax的值为20，导致切回去的时候程序1的上下文环境不一致，程序1肯定出错。

所以在进程切换的时候有个专门的步骤——保存上下文，只要切回来的时候，回复上下文才能保证程序不出错。

进程的引入

放在磁盘上的静态程序和运行中的程序不一样，运行中的程序时刻在变化，为了抽象运行中的程序，引入进程的概念。其实进程的概念和系统的快照类似，都是描述一个变化的物体在某个时刻的状态。

进程和程序的一些区别：

进程是有状态的。有开始、结束等运行状态，而程序没有。
进程会记录一些寄存器的值，这些值就是上下文。
进程会走走停停，程序没有这个概念。

结语

CPU的管理是为了提高CPU的利用率，提高的核心思想就是多道程序交替执行，为了实现多道程序交替执行，通过进程来管理程序的运行。

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