回顾一下编译原理课上的知识,程序的控制流(Flow of Control or Control Flow) 是指以一个程序的指令、语句或基本块为单位的执行序列。再回顾一下计算机组成原理课上的知识,处理器的控制流 是指处理器中程序计数器的控制转移序列。最简单的一种控制流(没有异常或中断产生的前提下)是一个“平滑的”序列,其中每个要执行的指令地址在内存中都是相邻的。如果站在程序员的角度来看控制流,会发现控制流是程序员编写的程序的执行序列,这些序列程序员预设好的。程序运行时能以多种简单的控制流(顺序、分支、循环结构和多层嵌套函数调用)组合的方式,来一行一行的执行源代码(以编程语言级的视角),也是一条一条的执行汇编指令(以汇编语言级的视角)。对于上述的不同描述,我们可以统称其为普通控制流(CCF,Common Control Flow)。在应用程序是视角下,它只能接触到它所在的执行环境,不会跳到其他执行环境,所以应用程序执行基本上是以普通控制流的形式完成整个运行的过程。
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异常控制流
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首先,处理器的控制流 (Flow of Control or Control Flow) 是指处理器中程序计数器的控制转移序列。最简单的一种控制流是一个“平滑的”序列,其中每个要执行的指令地址在内存中都是相邻的。如果前一条指令和后一条指令位于两个完全不同的位置,即不同的 **执行环境** ,比如,前一条指令还在应用程序的代码段中,后一条指令就跑到操作系统的代码段中去了,这就是一种控制流的“突变”,即控制流脱离了其所在的 **执行环境** 。
所以,站在系统的层面,还是需要有一种办法能强制打断应用程序的执行,来提高整个系统的效率,让在整个系统中执行的多个程序之间占用计算机资源的情况相对公平一些。于是就想到了,通过时钟中断来强制打断一个程序的执行,这样一个程序只能运行一段时间(可以简称为一个时间片, Time Slice)就一定会让出处理器,且操作系统可以通过一个程序占用处理器的执行时间来评估程序对资源的消耗。
而操作系统可进一步利用某种以固定时长为时间间隔的外设中断(比如时钟中断)来强制打断一个程序的执行,这样一个程序只能运行一段时间(可以简称为一个时间片, Time Slice)就一定会让出处理器,且操作系统可以在处理外设的I/O响应后,让不同应用程序分时占用处理器执行,并可通过程序占用处理器的总执行时间来评估运行的程序对处理器资源的消耗。
当多道程序的初始化放置工作完成,或者是某个应用程序运行结束或出错的时候,我们要调用 run_next_app 函数切换到下一个应用程序。此时 CPU 运行在 S 特权级的操作系统中,而操作系统希望能够切换到 U 特权级去运行应用程序。这一过程与上章的 :ref:`执行应用程序 <ch2-app-execution>` 一节的描述类似。相对不同的是,操作系统知道每个应用程序加载在内存中的位置,要设置应用程序返回的不同 Trap 上下文:
当多道程序的初始化放置工作完成,或者是某个应用程序运行结束或出错的时候,我们要调用 run_next_app 函数切换到下一个应用程序。此时 CPU 运行在 S 特权级的操作系统中,而操作系统希望能够切换到 U 特权级去运行应用程序。这一过程与上章的 :ref:`执行应用程序 <ch2-app-execution>` 一节的描述类似。相对不同的是,操作系统知道每个应用程序预先加载在内存中的位置,这就需要设置应用程序返回的不同 Trap 上下文(Trap上下文中保存了 放置程序起始地址的``epc`` 寄存器内容):