操作系统每秒的指令数

Question

我是计算机体系结构和设计的新手。我的问题是一个高级程序指令集在CPU中一个接一个地执行。在执行这些指令时，是否涉及到作为开销的操作系统指令？例如:如果在2个GHz处理器中，有2*10^9条指令可以在2*10^9个时钟周期内执行。那么操作系统每秒执行大约1*10^9条指令。这个开销是否总是存在，并且只有1*10^9条指令可供其他自定义调度程序执行？

这是否意味着操作系统应该总是执行尽可能少的指令，以便它可以容纳更多要执行的其他程序？

Answer 1

这两个问题都是肯定的，在一定范围内。

首先，是的，如果操作系统使用1e9指令/秒，那么只剩下1e9指令/秒。

其次，是的，您希望尽可能地减少开销；这就是所谓的“开销”。

“限制”是操作系统确实为你做了好事。举个例子，考虑一下miltitasking，操作系统允许你同时运行几个程序，并在它们之间共享处理器。一方面，这涉及到开销。另一方面，如果没有它，你要么在没有程序可以运行的情况下让机器空闲很长一段时间，要么你必须自己模拟多任务--这至少需要操作系统的指令数量。

Answer 2

在Martin先生的回答上稍微扩展一下：(注意，这是高度简化的)操作系统的工作是处理那些程序不想自己做的事情-比如处理I/O中断和调度多个任务来共享机器。在运行一个应用程序的机器上的完美世界中，程序将控制CPU，直到它需要操作系统为它做一些事情，如从磁盘文件中读取下一条记录(它调用分层“服务”来确定哪个磁盘、哪个文件、哪个记录、哪个字节，并计算从磁盘控制器请求哪个磁道上的哪个磁盘块。一个典型的“真实”机器也有一堆后台任务在运行，保持屏幕更新，读取时钟，检查新邮件，下载补丁，等等。有些任务的优先级较低，因为我们不关心它们什么时候完成，比如在Windows中更新系统托盘图标以接收新邮件通知。其他任务的优先级很高，但非常短，比如跟随屏幕上的鼠标，将鼠标从指针改为手。请记住，一个典型的任务在需要一些操作系统服务之前只执行几百条指令，并在它发生时进入睡眠状态。大型应用程序可能有数十万条“指令”，但仍会花费一些时间等待其他操作，从按下按钮或键盘输入到另一台计算机上数据库查找的响应。CPU最密集的应用程序，比如计算Pi到小数点后一百万位，可能会长时间占用99.9%的处理器，但操作系统会周期性地中断它，看看是否需要做其他事情。回到DOS时代(20世纪80年代)，程序实际上可以占用谁的CPU一段时间，但如果它需要读或写或在屏幕上键入一些东西，它将不得不作为BIOS来完成这些操作，除非程序是自己编写的来完成这些基本操作。其中一些是电脑游戏的反应，通过直接执行修改屏幕所需的特定操作，并直接从键盘或鼠标设备缓冲区读取，绕过操作系统。希望我没有把你弄糊涂。