操作系统（处理器管理）.ppt

1、操作系统 （处理器管理）,主要内容,什么是处理器管理？ 处理器的相关知识 中断技术 进程与线程 处理器调度 作业管理与调度 低级调度,什么是处理器管理？,处理器管理是操作系统的重要组成部分，负责管理、调度和分派计算机系统的重要资源处理器，并控制程序执行。 涉及两方面内容 处理器 运行的程序（进程）,处理器的相关知识,处理器 寄存器 机器指令 处理器状态 程序状态字(PSW, Program Status Word),处理器,内部组成： 控制器 运算器 寄存器 中断装置 输入/输出电路 高速缓存(Cache) ,寄存器,通用寄存器 数据寄存器 地址寄存器 I/O地址寄存器 I/O缓冲寄存器 控制

2、寄存器 程序计数器 指令寄存器 中断寄存器 内存和I/O控制寄存器,机器指令,指令是指示计算机执行某些操作的命令，一台计算机的所有指令的集合，称为指令系统，反映机器的功能和能力 指令系统可分为： 复杂指令系统(CISC)、精简指令系统(RISC) 指令分类 按功能分： 运算（算术运算、逻辑运算、移位运算） 程序控制（转移、子程序调用、返回） 数据传送（一般传送、堆栈操作、数据交换） 输入/输出指令 按使用者分： 特权指令，仅供操作系统内核调用 非特权指令,处理器状态,特权指令的执行限制，使处理器必须能区分当前运行的程序是操作系统还是普通应用程序 处理器状态： 管理状态（特权状态、系统状态、特态

3、、管态），能执行所有机器指令 用户状态（目标状态、用户模式、常态、目态），只能执行非特权指令 中断导致状态转换 程序请求操作系统服务 产生中断事件,程序状态字(PSW),用于区别不同的处理器工作状态 每个程序都有一个与其执行相关的PSW，而每个处理器均设置一组相关寄存器用于存储PSW信息 PSW的主要内容 程序基本状态（程序计数器、条件码、状态位） 中断码 中断屏蔽位,中断技术,什么是中断？ 中断源分类 中断装置 中断处理程序 中断的优先级和多重中断,什么是中断？,中断是用来向CPU报告某设备已完成某项操作的手段，是并发程序的基础。 中断是指程序执行过程中，当发生某个事件时，？终止CPU上现行

4、程序的运行，引出处理该事件的服务程序执行的过程。 中断事件处理需要硬件（中断装置）和软件（中断处理程序）配合完成。,中断源分类,中断源： 引起中断的事件 按中断事件的性质和激活的手段分： 强迫性中断事件 机器故障、程序性错误（异常）、外部中断、输入输出中断事件、 自愿性中断事件 调用访管指令,中断源分类,内外的划分标准： 处理器和主存为内，其他硬件为外 按中断信号的来源分： 外中断（中断） 电源故障中断、时钟中断（外部）、控制台中断、输入输出中断、 内中断（异常） 通路校验错、主存奇偶校验错、非法操作码、地址越界、页面失效、调试指令、访管中断、算术操作溢出、,中断与异常的区别,中断特点： 与现

5、行指令无关 发生时间与CPU所处状态无关 两条指令之间才能响应中断 可被屏蔽 可嵌套 异常特点： 由现行指令执行而引起 在目态发生 可在一个指令周期内处理 不可屏蔽、不可嵌套 可细分为： 出错，处理完后回到当前出错指令 陷入，处理完后执行下一条指令（常用于系统功能调用）,中断装置,定义： 发现中断源并产生中断的硬件，通常包括逻辑电路和中断寄存器 具体功能： 捕获中断源，响应中断请求 保护现场 启动处理中断事件的中断处理程序，CPU从目态切换为管态,32位处理器的PC机通常的中断硬件结构,系统数据总线,CPU,INT,INTA,主中断 控制器,主中断 控制器,IRQ0 时钟,键盘,tty2,tt

6、y1,IRQ8实时时钟,中断装置工作过程演示,中断寄存器,中断装置,中断控制部件,内存,PSW寄存器,1#中断向量,现行PSW,中断处理程序,处理中断事件的程序 具体功能： 保护一些未被硬件保护的现场信息 识别中断源，分析中断产生的原因 处理发生的中断事件 恢复正常操作 实现方法： 向量地址是中断服务程序的入口 中断向量表,0,1,3,0#入口地址,1#入口地址,3#入口地址,处理程序段,中断事件处理,中断和异常的一般处理过程 硬件故障中断 程序性中断（浮点溢出、非法指令） 输入输出中断 I/O操作正常结束 I/O操作发生故障 I/O操作发生异常 设备报道或设备结束 访管中断 时钟中断,中断的

7、优先级,优先级 同时有多个中断事件发生时，中断装置按一定顺序对其作出响应，其先后顺序即优先级 优先级设定的原则 按造成计算机系统出错的严重程度划分 例，机器校验中断 自愿性中断 程序性中断 外部中断 输入输出中断 重启动中断,中断的优先级和多重中断,中断优先级的设计导致： 中断屏蔽 高优先级的中断响应过程中，应屏蔽低优先级的中断 有些中断是不能被屏蔽的，如自愿访管中断,多重中断事件的处理,中断处理过程中，又产生了新的中断事件 串行处理 中断处理过程中关中断 嵌套处理 开中断，暂停当前执行的中断处理程序，转而执行更高优先级的中断处理程序 即时处理 主要针对中断处理程序执行过程中发生的程序性中断,

8、Linux中断处理,快中断与慢中断区别,慢中断处理前需要保存所有寄存器的值，而快中断仅需保存会被内核使用的寄存器的值 慢中断处理时，不关中断，快中断处理时，关中断 慢中断处理完成后，通常不立即返回被中断进程，而是转而执行调度程序。快中断处理完成后，通常返回被中断进程继续执行,Minix中断处理,类似于linux的低半处理方式 目的:为了缩短屏蔽中断的时间, 提高系统并发工作的能力 一种任务延迟处理机制, 核心代码在关中断的核心态完成与中断事件有关的基本处理, 另外一部分耗时的工作留在中断处理例程之外, 在开中断的非核心态完成。 这些非核心态运行的代码，在Minix中被组织成与设备基本相对应的任

9、务（驱动程序）进程，如磁盘任务、终端任务、时钟任务等等, 其中中断任务需要对应如键盘, RS232串口等硬件.,信号机制,一种模拟硬件中断的简单通信机制（软件中断） 内核向进程（进程发生异常，向其通知） 进程向进程（进程间通信，发送某个事件） signal, kill POSIX定义的信号类型（终端，Ctrl+C，2） Ctrl + Z，SIGSTOP,信号的检测与处理流程,系统空间,中断或异常服务,当前进程因中断/异常而进入核心态,在返回用户态之前，调用do_signal( )，handle_signal( )转向用户空间执行信号处理程序,陷入内核后执行善后工作,从内核返回用户空间,进程,进

10、程是现代操作系统中最基本、最重要的概念 两个角度看进程概念： 从理论角度看，进程是对正在运行的程序活动规律的抽象 从实现角度看，进程是一种数据结构 为什么引入进程？ 刻画系统的动态性、发挥系统的并发性，提高资源利用率（并发程序设计的工具） 解决共享性，正确描述程序的执行状态（标识程序的多次运行）,程序共享性可再入，可再用,可再入程序，只有代码部分，调用方提供工作区，可同时被多个程序调用 可再用程序，调用过程中可修改自身数据，一次只能被一个程序调用，串行 对于可再入程序的多次运行，难以用程序本身来标识，需引入新的概念进程,进程的定义与性质,定义 进程(process)是一个可并发执行的具有独立功

11、能的程序关于某个数据集合的一次执行过程，也是操作系统进行资源分配和保护的基本单位。 性质 结构性 共享性 动态性 独立性 制约性 并发性,进程的状态和转换,三态模型,运行态,就绪态,等待态,落选,选中,等待结束,出现等待事件,阻塞态、睡眠态,进程的状态和转换,五态模型,运行态,就绪态,等待态,落选,选中,等待结束,出现等待事件,新建态,终止态,具有挂起功能的系统,什么是进程挂起？ 将进程对换到外部存储器上，释放其占有的系统资源，排除在进程调度之外 为什么要挂起进程？ 提高系统资源的利用率 减轻系统的负载 调试程序、排除故障,具有挂起状态的状态转换模型,挂起就绪态,挂起等待态,新建态,就绪态,等

12、待态,运行态,终止态,提交,提交,等待事件结束,等待事件结束,挂起,挂起,挂起,解除挂起,解除挂起,进程的描述,操作系统的控制结构 通常以表的方式来管理和维护 常见的四类表,进程的描述,进程的内存映像,进程控制块 (PCB),用户堆栈,用户私有地址空间 （代码段、数据段）,共享地址空间,代码段,数据段,堆栈段,Minix进程结构,进程上下文,进程物理实体和支持进程运行的环境合称为进程上下文 用户级上下文 程序段、数据段、共享存储区、用户栈 寄存器上下文 程序状态字寄存器、栈指针寄存器、控制寄存器、通用寄存器 系统级上下文 进程控制块、主存管理信息（如页表）、核心栈,进程的描述,进程控制块的结构

13、 每个进程都有且只有一个进程控制块,进程标识信息（外部标识+内部标识）,进程现场信息 （通用寄存器、PSW寄存器、各种指针）,进程控制信息 （调度、组成、通信等信息、资源清单等）,Minix进程控制表内容,进程控制块,单个进程块刻画一个进程的运行状态 进程控制块的集合，则刻画了一个操作系统的当前状态 进程控制块的使用和修改，只能由操作系统内核来完成,进程队列,将处于同一状态的所有进程控制块链接在一起的数据结构，称为进程队列 便于操作系统进行统一的管理和调度,先进先出,PCB,进程队列管理和状态转换示意,CPU,提交,完成,指派,就绪队列,超时,事件1等待队列,事件n等待队列,等待事件1,等待事

14、件n,等待事件2,事件出现,进程切换与模式切换,模式切换进程切换 模式切换是中断驱动的，在用户态和核心态之间切换 进程切换只能在核心态（管理态）完成，是一个进程与另一个进程之间的切换 进程切换一定是先产生模式切换，而模式切换不一定导致进程切换。（模式切换频繁、进程切换较少）,进程切换与模式切换,用户态运行(1),核心态运行(2),等待态(4),就绪态 (3),中断引起的模式切换,模式切换,中断、中断返回,调度进程,唤醒,等待,用户进程,系统进程,用户进程/系统进程,用户进程和系统进程是一个进程的两个侧面，对应一个进程实体(PCB) 系统进程是在核心态执行操作系统代码的进程 用户进程是在用户态执

15、行用户程序的进程,进程控制,原语： 在管态下执行、完成系统特定功能的过程。 其执行不可中断 操作系统内核实现 操作系统用于进行进程控制的工具,进程控制的内容,进程创建 进程阻塞和唤醒 进程撤消（终止） 进程挂起和激活,进程创建,常见原语：fork, clone fork, 派生，父子进程关系 clone, 克隆，对等关系 主要内容： 申请PCB 分配进程映像空间 分配资源 将进程内容装入分配空间 初始化PCB，分配唯一标识 加入就绪队列，或投入运行 通知操作系统其他模块,进程阻塞与唤醒,常见原语（阻塞）：wait, waitpid 进程阻塞内容： 保存现场到PCB 修改进程状态（运行等待） 将

16、PCB加入相应等待队列 转入进程调度程序，调度其他进程 进程唤醒内容： 从相应等待队列中取出PCB 修改进程状态（等待 就绪） PCB加入就绪队列,进程撤消（终止）,常见原语: exit 原因： 完成 出现严重异常 主要内容： 根据进程标识号，找到相应的PCB 将该进程资源归还给父进程或系统 若有子进程，则要撤消其所有子（孙）进程 PCB出队，将PCB归还PCB池,线程,引入线程的动机（原因）： 以进程为单位的并发程序设计效率不高： 进程时空开销大 频繁调度耗费大量CPU时间 空间（内存资源）占用大 进程通信代价高 进程间并发粒度大 解决思路： 将进程的两项功能：独立分配资源、独立分派调度分离

17、,单线程进程与多线程进程比较,用户地址空间,PCB,用户堆栈,系统堆栈,单线程进程,用户地址空间,PCB,用户堆栈,系统堆栈,多线程进程,管理者,执行控制,用户堆栈,系统堆栈,执行控制,执行序列,多线程环境下进程与线程的定义,进程： 操作系统中进行保护和资源分配的基本单位 线程： 操作系统中能够独立执行的实体，是处理器调度和分配的基本单位 轻量级进程 同一进程中的所有线程共享进程获得的主存空间和资源,线程结构,线程控制块(TCB),用户堆栈,系统堆栈（可选）,线程的特征,并发性： 可在一个或多个CPU上并发或并行执行 共享性： 共享进程资源，通信和同步更容易实现 动态性： 一个执行序列的执行过

18、程 结构性 TCB,线程的状态与转换,运行态,就绪态,等待态,落选,选中,等待结束,出现等待事件,线程的管理与实现,通过提供线程包（库）来提供一整套关于线程管理的原语实现对多线程的支持 基本的线程管理（控制）： spawn 孵化 block 阻塞/封锁 unblock 活化/恢复 finish 撤消 线程的实现方式： 内核级实现 KLT 用户级实现 ULT 混合实现,三种线程实现方式示意,线程库,用户级线程,用户空间,内核空间,内核级线程,线程库,混合式线程,ULT,KLT,Process,用户空间,用户空间,内核空间,内核空间,内核级实现的优缺点,优点： 能够在多个处理器上同时执行多个线程

19、某个进程中一个线程被阻塞，不会影响其他线程的运行 缺点： 线程间的切换代价高，需要涉及两次模式切换,用户级实现的优缺点,优点： 线程切换不涉及模式切换（代价小） 调度算法的选择较灵活 缺点： 同一进程的多个线程不能同时在多个处理器上运行 一个线程的阻塞将导致整个进程的阻塞,混合型实现的优缺点,优点： 设计得当，将可结合前两者的优点，并避开其缺点 缺点： 设计不当，将产生更差的效果,并发多线程程序设计的优点,易于实现多个活动间的通信 更低的管理开销 I/O密集型应用能获得更好的性能 能更好地利用多（核）处理器，加快程序执行,处理器调度,主要内容： 挑选作业进入内存 在进程之间分配处理器时间 处理

20、调度细可分为： 高级调度，作业管理（用户接口） 中级调度，决定作业（进程）进入内存 低级调度，决定作业（进程）占用处理器,处理器调度层次示意,中级调度,新建态,挂起就绪态,挂起等待态,高级调度,低级调度,运行态,就绪态,等待态,终止态,处理器调度模型,CPU,提交,指派,就绪队列,超时,挂起就绪队列,等待队列,等待事件,事件出现,低级调度,高级调度,挂起等待队列,中级调度,中级调度,高级调度,又称作业调度、长程调度 多道批处理系统中的主要内容： 后备作业进程 作业准备启动善后工作 分时系统中的主要内容： 是否接受一个终端用户的连接？ 交互作业能否被接纳，并创建进程？,中级调度,又称平衡负载调度

21、、中程调度 主要内容： 控制主存储器中能容纳的进程数 保证在合理数目的进程间竞争处理器及相关资源 具有“挂起”功能的操作系统 “挂起”状态的进程不参与低级调度,低级调度,又称（进）线程调度、短程调度 两类低级调度方式： 剥夺方式 优先级剥夺 限时剥夺 非剥夺方式 剥夺方式开销通常大于非剥夺方式，但可避免一个进程或线程长时间独占处理器,调度算法,任何层次的处理器调度均由操作系统相应的调度程序实施，调度程序所使用的算法，被称为调度算法。,如何评价调度算法？,考虑的主要因素： 资源利用率， CPU有效工作时间/CPU总运行时间 响应时间（分时系统、实时系统） 从作业提交到收到回应的时间 周转时间（批

22、处理系统） 作业提交开始到作业完成的时间 平均周转时间、平均带权周转时间 吞吐率 单位时间内处理的作业数 公平性 确保每个用户，每个进程获得合理的CPU份额或其他资源份额，不会出现“饿死”现象,批处理作业的管理与调度,作业的生命周期： 提交收容执行完成,输入状态,后备状态,执行状态,完成状态,高级调度,中级调度低级调度,批处理作业调度考虑,用户角度： 每个用户希望自己的作业周转时间等于或接近作业执行时间 操作系统角度： 处理器的利用率高，作业平均周转时间小,几个典型的作业（高级）调度算法,先来先服务算法 最短作业优先算法 最短剩余时间优先算法 响应比最高优先算法 另外，还有： 优先数法 分类调

23、度算法 用磁带与不用磁带的作业搭配,先来先服务算法FCFS,按照作业进入系统的作业后备队列的先后次序挑选作业，先进入系统的作业优先被挑选 优点： 实现简单 缺点： 不利于短作业而优待长作业 效率低,最短作业优先算法SJF,以进入系统的作业所要求的CPU时间长短为标准，总是选取时间最短的作业投入运行 优点： 实现简单 缺点： 实际系统中，往往很难预测作业的运行时间 导致长作业等待时间过长，甚至出现“饥饿”现象 效率高,最短剩余时间优先SRTF,每次调度时，总选择预测剩余运行时间最短的作业优先运行 优点： 效率相对较高 缺点： 调度频繁 与最短作业优先类似,响应比最高优先算法HRRF,在FCFS和

24、SJF之间的折中，既考虑作业的等待时间，而考虑作业的运行时间 响应比=作业响应时间/作业估计计算时间 优点： 防止了饥饿发生,几个典型的低级调度算法,先来先服务 时间片轮转 优先数调度 多级反馈队列调度 保证调度 彩票调度,先来先服务调度算法,非抢占调度方式 使用就绪队列实现，先进先出 特点： 实现容易，但效率低，不利于I/O频繁操作的进程,时间片轮转调度算法,抢占调度方式 实现： 时钟中断，轮流执行 分类： 基本时间片轮转法，时间片相同 动态时间片轮转法，时间片不同 时间片的选取 时间片太长 = FCFS 时间片太短，调度频繁,优先数调度算法,抢占和非抢占调度方式 实现： 取优先数最大的进程

25、执行 分类： 静态优先数 动态优先数 如何计算优先数？ 何时计算优先数？,动态优先数调度算法的基本原则,一个进程连续占用处理器的时间越长，则其再次获得调度的优先数越小 一个进程等待处理器的时间越长，则其再次获得调度的优先数越大,动态优先数调度算法举例,早期UNIX版本的动态优先数计算公式： p pri = min 127, (p cpu/16 + PUSER + p nice) 值越小，优先权越高（取值范围：-100127） 重要参数： p nice 描述进程的紧急程度（基本优先数） p cpu 描述进程的动态情况，反映了进程使用处理器的时间，每20ms对当前运行进程的该参数加一，每1s检查所

26、有进程的参数，小于10则置0，大于则减10。,动态优先数调度算法举例,调度的实施： 动态优先数调度算法，计算各进程的优先数需要占用较多的CPU时间，为降低调度开销，应选择合适的时机和合适的计算对象 UNIX算法的实现： 对于优先数大于100的进程，系统每秒种计算一次优先数 每次系统调用命令处理完成后，重新对现进程的优先数进行计算,多级反馈队列调度算法,又称：反馈循环队列或多队列策略 主要思想： 将就绪队列分为多级队列，较高的队列分配的时间片较短，但具有较高的优先权占有处理器，同一队列按先来先服务原则调度 进程分级方式： 静态分级 动态分级,多级反馈队列调度算法示意,低级就绪队列,运行,等待其他

27、外设,高级就绪队列,中级就绪队列,等待磁盘/磁带,选中，时间片500ms,超过时间片,启动磁盘/磁带,启动其他外设,选中，时间片200ms,选中，时间片100ms,保证调度算法,基本思想： 向用户做出明确的性能保证，并在调度中实现该保证 例： 在有n运行的用户系统中，每个进程将获得处理器能力的1/n。 实现： 计算实际获得的CPU时间和应获得的CPU时间之比，调度转向比率最低的进程。,彩票调度算法,基本思想： 为进程发放针对系统各资源的彩票。当调度程序需要作出决策时，随机选择一张彩票，持有该彩票的进程将获得系统资源。 进程所持有的彩票越多，获得系统资源的机会越大 特点： 对系统的情况反应迅速

28、允许多个进程进行协作,实时调度与调度算法,什么是实时系统？ 时间因素非常关键的系统，强调响应时间 分类： 软实时系统、硬实时系统 构成： 将程序分为多个进程，每个进程负责处理相应的周期性出现的事件 特点： 规模小、进程切换快、中断可屏蔽、处理时间短、能够管理多个高精度的定时器,实时调度与调度算法,什么是可调度？ 在忽略调度本身所花费CPU时间的前提下，系统能够在各事件规定的响应时间处理完这些事件。 对于周期事件，判断系统任务是否可调度的数学公式： C1/P1 + C2/P2 + + Cm/Pm = 1 其中m为事件总数，Ci为某个事件的处理时间，Pi为事件发生的周期,实时调度与调度算法,几个典

29、型的实时调度算法： 单比率调度算法（静态） 进程的优先级与对应的事件出现频率成正比 该算法最优 限期调度算法（动态） 进程就绪队列按照对应事件处理的截止期限排序 最少裕度调度算法（动态） 裕度 = 截止时间 - （就绪时间 + 计算时间） 选择裕度最小的进程先执行,实时调度算法举例,A, B两进程于当前时间点12ms处同时被创建，并进入就绪队列。各进程的相关信息： A进程的截止时间是15ms，估计计算时间为1ms B进程的截止时间是16ms，估计计算时间为2.5ms 采用上述三种调度算法，当前时间应选择哪个进程运行？,12ms,A,B进程就绪,15ms,A进程截止,16ms,B进程截止,多处理

30、器调度与调度算法,多处理器系统： 松散耦合多处理器系统 紧密耦合多处理器系统 同步粒度： 是指进程之间同步的频率 可分为： 细粒度（指令） 中粒度（线程） 粗粒度（进程） 超粗粒度（网络分布系统） 独立,多处理器调度与调度算法,多处理器调度设计的要点： 为进程分配处理器 在主从方式、对等方式和混合方式之间选择？ 在单个处理器上支持多道程序设计 是否需要支持多道程序并发执行？ 如何指派进程 如何进行低级调度？,多处理器调度与调度算法,进程调度算法不是关注的重点 多处理器调度主要是线程调度 几个典型的调度算法 负载共享调度算法 群调度算法 处理器专派调度算法 动态调度算法,负载共享调度算法,基本思

31、想： 进程并不分配给一个特定的处理器，系统维护一个全局的就绪线程队列，当某个处理器空闲时，就选择一个就绪线程占有处理器运行。,CPU1,CPU2,CPU1,全局就绪线程队列,负载共享调度算法,优点： 把负载均匀分派到所有可用的处理器，保证了处理器的高效率 不需要一个集中的调度程序 运行进程的选择可以采用各种可行的策略 先来先服务、最少线程数优先、有剥夺的最少线程数优先 缺点： 就绪线程队列必须互斥访问，可能成为性能瓶颈 被抢占的线程很难在同一个处理器恢复执行，处理器高速缓存的恢复带来性能的下降 线程间没有优先级差别,群调度算法,基本思想： 把一组进程在同一时间一次性调度到一组处理器上运行。 优点： 当紧密相关的进程同时执行时，同步造成的等待将减少，进程切换也相应减少，提高系统运行效率 由于是一次调度一组进程，调度的代价减少,处理器专派调度算法,基本思想： 给一个应用专门指派一组处理器，一旦一个应用被调度，它的每个线程被分配一个处理器并一直占有该处理器，直到整个应用运行结束。 特点： 仅考虑单个应用的执行效率，不考虑处理器的利用率,动态调度算法,基本思想： 由操作系统和应用进程共同完成调度。 操作系统负责在应用进程间划分处理器，应用进程自主决定其内部线程的执行情况,