第 3 回　 CPU の管理と例外処理

第3回　CPUの管理と例外処理 • OSによるハードウェアの管理 • CPUの構成、動作 • CPUの管理 • 例外処理、割り込み処理 • コンテキストスイッチ • システムの起動と終了

OSによるハードウェア管理 • 管理対象 • 計算資源（メインプロセッサ（CPU）、メモリ、入出力装置など） • ハードウェア環境の把握 • システム起動時（ブート時）のハードウェアの設定 • 故障デバイスの検出 • ハードウェアの制御 • アドレスマッピングによるデバイス制御 • 割り込み装置

CPUの管理とは？ • CPUの状態を管理（実行管理の一部） • プロセス制御（コンテキストスイッチ：プロセスの切り替え）の実装で使用される • 例外処理 • 割り込み処理

ALU IR （非パイプライン）CPUの構成例 data bus address bus RDR PC R1 R2 MAR R3 CCR WDR 主記憶装置命令制御装置

CPUの構成 • ALU…算術演算装置 • PC…プログラムカウンタ • MAR…Memory Address Register. アドレスを指定する • RDR…Read Data Register • WDR … Write Data Register • IR … Instruction Register. 命令(Instruction: Operation Code)を入れる • CCR … Condition Code Register. 条件コードレジスタ。分岐命令などに使用

CPUの管理 • プロセッサには動作レベルがある • 特権モード • 非特権モード • 割り込み可 • 割り込み禁止 • PSW (Processor Status Word)を通してプロセッサの状態を把握し、管理・制御する • 割り込み制御 • 条件コード • PSWを構成するものの例 • CCR • PC • etc.

CPU動作レベルの例

例外処理 • 実行中に異常が発生した場合（ゼロ除算など）に、異常に対処する機構 • ゼロ除算例外、ページ例外など • 通常、CPUは例外を感知すると、OSによって事前に登録された例外処理ルーチン（例外処理プログラム）に制御を移す

割込み処理 • そもそもは、入出力デバイスの制御のために必要となった • cf.) ポーリング（polling) • 割込み信号を受け取ると、実行中のプロセス（プログラム）を一旦中断して、割り込みベクタの示す割り込み処理ルーチンに制御を移し、その後再び中断したプロセスを再開する動作・仕組み • 割込み信号　…　各デバイスの状態の変化を CPUに通知する信号 • 割込みベクタ　…　割込みハンドラの開始アドレスが書かれているアドレス • 割込み処理ルーチン（割込みハンドラ）　… 割込みがかかった時に行わせる処理が書かれたプログラム • 割込みは、特権モードで実行される

割込みの種類 • 内部割込み　…　プログラム実行の結果発生する割込み • プログラム割込み：プログラム実行中のエラー • ゼロ除算、オーバフロー、メモリアクセス保護違反 • SVC割込み：システムコールによる特権モード移行 • 外部割込み　…　プログラム実行とは別に発生する割込み • 入出力割込み • タイマー割込み • 接続されたデバイスからの障害などによる割込み

割込み処理の大まかな流れ • 割込み信号（シグナル）を受け取る • 現在実行中のプロセスのPSWを退避する • 動作モードを特権モードにする • 割込みベクタに示されたアドレスに飛ぶ • 割込み処理ルーチンを実行する • 動作モードを非特権モードに戻す • 退避させたPSWを回復する • 中断したプロセスを再開する

システムコールを例とした割込み ユーザプログラム関数からの復帰 syscall(x,y) 非特権モードパラメータ、システムコール番号の設定などライブラリ戻り値の設定など • SVC命令の実行 • 　割込みの発生ユーザプログラムの復帰システムコールのサブルーチン特権モード • 割り込み処理 • 　割込みの分析 • 　パラメータ取得割り込みハンドラシステムコールを処理するサブルーチンの選択

割り込みレベル・割込みベクタ・割込みハンドラー割り込みレベル・割込みベクタ・割込みハンドラー • 割込みレベル • 割込みには、種類を識別するための番号が定義（割込みレベル） • 割込みレベルで、処理の緊急度を示す • 割込み中の他の割込み処理の対応 • 割り込み禁止にセット • より高いレベルの割込みを許可（多重レベル割込み） • 割込みベクタ • 割込みの種類・レベルごとに用意されている • 割込みベクタにセットされた番地へ飛ぶ • 割込みハンドラー • 割込み処理の内容が記述されたルーチン（プログラム） • 割込みベクタに種類に応じて予め登録される

コンテキストスイッチ • プロセスの切り替えをコンテキストスイッチという • コンテキストスイッチも割込み機構が使用されている • タイマー割込み • コンテキストスイッチが起こる場合 • プロセスが終了した • 時分割処理において規定の時間（定時間：quantum time)が経過 • 優先して実行すべきプロセスが変わった（横取り） • 入出力の完了待ち（待ち状態）になった

遊休状態 遊休状態コンテキストスイッチの流れプロセスA プロセスB タイマー割込みまたは SVC割込み PSW（レジスタ）退避 PSW（レジスタ）復元タイマー割込みまたは SVC割込み PSW（レジスタ）退避 PSW（レジスタ）復元

システムの起動（boot)の流れ 電源投入初期チェック接続デバイスのチェック、初期化ブートストラップ初期プログラムIPL （Initial Program Loader) IPL OS コマンドインタープリタ

ブートストラップ • IPLをHDDなどからメモリに書き出す • 入力装置（HDD）のハードウェアの状況確認 • CPUがもっているカウンタをセット（書き込むバイト数） • 指定されたデバイスから1バイト読み込む • 読み取ったデータデータをMARが指すメモリ番地に書き込む • メモリアドレスレジスタの値を１増やす • カウンタを１減らす • カウンタの値が０になるまで、３－６を繰り返す • ０になったら、PCを書き込み始めたメモリ番地に設定してそこからプログラム（IPL）を開始する

システムの終了（shutdown） • 新しいプロセスの生成の停止 • 実行中のプロセスの停止と停止の確認 • システムの統計情報、システムプログラムのファイルのクローズ • システム自体の停止 • ファイルシステムのマウントの解除 • 各デバイスの終了処理

第 3 回 CPU の管理と例外処理