第三章 处理器管理

第三章处理器管理3.1多道程序设计3.1.1何谓多道程序设计？多道程序中应注意的问题：1、多道程序同时驻留内存，各道程序只能访问自己的区域。2、各道程序能在任何区域正常执行。程序浮动——程序可以随意地从主存的一个区域移动到另一个区域，程序移动后不影响他的执行。3、多道程序要竞争CPU，OS必须进行合理的调度选择一道占用CPU执行。4、多道程序的系统中，必须对各种资源按一定的策略进行分配和调度。3.1.2为什么采用多道程序设计？单道系统中的处理过程多道程序设计使CPU和I/O设备能并行工作。采用多道程序设计后提高了整个系统的效率，主要表现：1、提高CPU利用率，减少CPU空闲时间。2、使不同设备间能并行工作。3、由于多道程序设计提高了系统的吞吐率3.1.3采用多道程序设计应注意的问题：（一）可能延长程序执行时间举例:P38-4行（二）并行工作道数与系统效率不成正比见P39-2行所述3.2进程概念3.2.1定义什么叫进程？P39-倒8行进程与程序的区别？1、程序——代码和数据的集合。（静态）2、进程——在程序、数据上的处理，并能获得结果。（动态的）3.2.2为什么要引入“进程”？引入“进程”可以同时并发执行，提高系统的性能。进程分为：系统进程和用户进程3.2.3进程的属性（一）进程的动态特性（二）多个不同的进程可以包含相同的程序何为“可再入”的程序？(P41-14)（三）进程的三种基本状态及变化(P41-倒8)（四）进程可以并发执行何谓并发执行？进程的特性:(P42-18)3.3进程队列3.3.1进程控制块3.3.2进程的创建与撤消1、进程的创建（1）为程序分配一个工作区（2）建立一个进程控制块2、进程撤消当一个进程完成了特定任务后，系统回收进程占用的工作区和取消进程的PCB原语:(P44-12)3.3.3进程队列的连接把经常处于相同状态的进程连接再一起,称为进程状态。进程队列：单向连接和双向连接。（P45-图3-8）3.4UNIX系统中的进程Unix系统中的进程1、系统进程——工作在核心态2、用户进程——工作在用户态3.4.2UNIX进程的组成UNIX进程由3部分组成：（一）进程控制块1、基本控制块（称proc结构）P46-倒15行2、扩充控制块（称user结构）P48-8行（二）正文段（P50-倒17行）（三）数据段（P51-倒9行）进程3部分的结构图3.4.3Unix的进程状态3.4.4进程的创建和终止1.UNIX的进程树2.进程的创建除0号和1号进程外,其他进程由fork创建。调用fork函数来创建子进程。进程的创建过程：（P53-倒2行）子进程等待,父进程执行父进程等待,子进程执行进程的创建过程3.进程的终止进程在用户态运行时可以使用系统调用exit终止执行.Exit的主要任务（P55-倒6行）Wait的主要任务（P55-倒1行）3.4.5进程的换进换出进程的换进换出:磁盘与主存的信息交换.（P56图3-14）3.4.6进程的睡眠与唤醒1.进程的睡眠多种原因可引起进程的睡眠.一个进程需要睡眠时调用sleep程序,就可以进入睡眠,并挂在睡眠队列.由于进程的睡眠,则根据runin标志判断是否有进程要进入,如果有则唤醒交换进程,实现等待区的进程进入内存,睡眠进程进交换区.2.进程的唤醒由于资源释放等原因,释放资源的进程调用wakeup程序将等待资源的进程唤醒.在主存唤醒的进程放就绪队列,在对换区唤醒的进程仍在对换区,放在就绪唤出队列.3.5中断技术3.5.1、中断和中断类型何谓中断、中断源和中断处理程序？根据中断性质可分为两大类：（一）强迫性中断事件1、由于外部的请求或某些意外事故而迫使正在运行的进程被打断。2、强迫性中断的类型（P58-16行）（二）自愿性中断事件（软中断）在进程中请求操作系统服务，通过系统调用所引起的。3.5.2中断响应何谓中断响应？（P59-6行）（一）中断寄存器：记录强迫性中断事件的寄存器。（二）程序状态字：记录程序执行的相关状态。（P60）（三）中断响应：是通过交换PSW完成。（P61图3-15）3.5.3中断事件的处理中断事件的处理过程：（一）保护现场（二）分析中断原因（三）处理发生的中断事件（1）由于各种中断事件的性质不同，因此，也要进行不同的处理，甚至对同一种中断的不同事件的处理也不相同。（例如：调度中断、定时中断）（2）各种中断事件的处理原则：（P61-倒1行）3.5.4中断优先级和中断屏蔽中断优先级是按中断事件的重要性和紧迫程度来确定的。中断的嵌套处理（P63图3-16）中断屏蔽可设置对某些中断不响应。自愿中断是不能屏蔽的。3.6UNIX系统的中断技术3.6.1中断事件和异常情况UNIX把可能出现的事件分为两种:(1)中断事件(P63-倒3行)(2)异常情况(P63-倒1行)3.6.2处理机状态字每个进程都有自己的处理机状态字(PSW)处理机状态字包含的内容(见图P64)3.6.3中断处理1.中断响应中断处理入口表:(P64-倒9行)2.中断处理过程:3.7处理机调度•处理机调度负责为作业分配处理机的操作。3.7.1处理机的两级调度1．作业调度：用于决定把外存上处于后备队列中的哪些作业调入内存，并为它们创建进程、分配必要的资源，然后，再将新创建的进程排在就绪队列上，准备执行。2．进程调度：用来决定就绪队列中的哪个进程应获得处理机，并占用处理机执行。作业调度与进程调度的层次关系。（见图3-17P67）分时操作系统控制下的作业称为终端作业。3.7.2批处理作业的调度算法调度算法的准则（1）极大的流量是指在单位时间内系统所完成的作业数。（2）公平性。（3）各类资源的平衡利用。周转时间Ti:是指从作业被提交给系统开始，到作业完成为止的这段时间间隔（称为作业周转时间）。Ti=Ei(完成时间)-Si(进输入#时间)•周转时间包括四部分时间：①作业在外存后备队列上等待调度的时间②进程在就绪队列上等待进程调度的时间③进程在CPU上执行的时间④进程等待I／O操作完成的时间。•平均周转时间描述为：•作业调度算法（一）先来先服务算法(P68倒5行)（二）计算时间短的作业优先算法(P69倒3行)（三）响应比高者优先算法•响应比高者优先算法既照顾了短作业，又考虑了作业到达的先后次序，不会使长作业长期得不到服务。•利用该算法时，每次调度之前，都须先做响应比的计算，会增加系统开销。•举例（P71-1行）4.优先权调度算法优先权的类型:静态优先权和动态优先权.静态优先权是在创建进程时确定的，且在进程的整个运行期间保持不变。动态优先权是指在创建进程时所赋予的优先权，是可以随进程的推进或随其等待时间的增加而改变的，以便获得更好的调度性能。5.均衡调度算法根据作业对系统的资源要求来进行调度.3.7.3进程调度算法进程调度程序是按照某种调度算法从就绪队列中选择一个进程，让他占用处理器，称为进程切换。引起进程切换的原因:(P72–3行)1、一个进程从运行状态变成等待状态。2、一个进程从运行状态变成就绪状态。3、一个进程完成工作后被撤消。进程切换是由进程状态的变化引起的。常见的进程调度算法：（一）先来先服务算法：按进程进入就绪队列的先后次序来选择进程占用处理器。举例(P72–21行)（二）优先数调度算法：按进程优先级来选择最高优先权的进程占用处理器。1、优先数的确定；（1）固定优先数（2）可变优先数2、占用处理器的方式有两种：（1）非抢占方式（2）可抢占方式（三）时间片轮转调度算法时间片轮转调度算法：将就绪进程按先后次序排队，按时间片依次轮流让进程占用处理机执行。（四）分级调度算法（多级调度算法）设置多个就绪队列，每个队列按时间片轮转调度算法占用处理机。每个就绪队列的优先级不同。进程执行从高优先级开始，逐渐会降低。（如图3-18P74）3.7.4UNIX系统的进程调度算法UNIX系统对进程调度采用动态优先数调度算法，进程的优先数随进程的执行情况而变化。UNIX系统优先数越小，则优先级越高。UNIX系统优先数确定的原则（P75-15行））UNIX系统中确定优先数有两种方法：（1）设置优先数——进程进入睡眠状态时，系统按其睡眠原因设置优先数。（2）优先数的计算——进程正在或即将转入用户态运行时，用计算方法确定优先数。P_PRI=P_CPU/2+PUSER+P_nice+NZER0（3）优先数的计算时机选择有2个：•利用时钟中断，每1秒钟对大于PUSER、NZER0的P_CPU数进行除2计算。•进程请求系统调用之后重新计算P_CPU优先数。进程调度Swtch•UNIX系统中进程调度是由Swtch程序来完成的。•Swtch程序什么时间开始启动执行：1.进程完成了预定的工作而终止。2.进程因某事件等待而睡眠.3.进程运行时间片到.4.有更高优先权的进程要占用CPU5.异常处理时强迫对处理器进行再调度.•Swtch程序睡眠时给以最小的优先数(-100),一但唤醒就具有最高优先权,可首先占用处理器运行.•Swtch程序的主要任务(P77-4行)