第二章处理机管理

第二章处理机管理

丰耍内容

:•中断及其功能

:•多道程序设计

:•进程

T•处理机调度

学习目标

:•了解中断的产生和功能

•理解多道程序设计和进程概念

，掌握处理机调度几种算法

•领会进程的几种状态转换

第一节中断

••中断机构对于操作系统的实现非常重要。它

:是现代计算机系统中基本设施之一，在计算

•机系统中起着通信联络作用，协调计算机系

Z统对各种异步事件（无一定时序关系的随机

■事件）的响应与处理。

:•中断是指CPU对系统中发生的异步事件的响应

Z或处理。

:•异步事件是指无一定时序关系而随机发生的

■事件。

:•中断点，读书，书签

:中断在操作系统中的作用与地位

••中断能强迫处理机去执行各中断处理程序

中断具有以下作用

z-能充分发挥处理机的使用效率

2-提高系统的实时处理能力

：•中断是CPU和外部设备并行工作的基础之

：一，是多道程序并发执行的推动力，也是

•整个操作系统的推动力一操作系统是由中

Z断驱动的。

-

中断的功能

:•发现中断源,提出中断请求

:-引起中断的事件称为“中断源”。

Z•保护现场,使得中断处理结束后能继续运行原

:程序。

X-启动并运行处理中断事件的程序

z-对中断进行处理的程序称为“中断处理程序”。

Z•中断类型

X-硬件故障中断、程序中断、外部中断、

--输入'输出中断、访管中断

中断处理

•中断概念：CPU正在执行某程序时，发生了某彳

异步事件，此时CPU打断正在执行的程序，转去

处理该异步事件，这就是所谓中断。

•处理完异步事件（执行一段处理该事件的有关市

序），被打断的程序可以继续执行。

•中断源向CPU发出的请求处理信号称为中断请求;

•发生中断时现行程序的暂停点称为断点;

•CPU暂停现行程序而转去响应中断请求的过程称

为中断响应；I

中断处理

:•CPU执行相关的中断处理程序称为中断处理；

:•CPU处理完中断事件返回断点的过程称为中断

Z返回。

Z•例如：某人（相当于CPU）正在看书，此时电

Z话（相当于中断源）铃响了（异步事件），

Z（发出了中断请求），于是标记正在看的地

一方（断点）；再去接电话（中断响应）；电

:话接听（中断处理）完毕，挂机，然后接着

:往下看书（中断返回）。

••在单CPU的计算机系统中，整个系统设置一个

:寄存器，即“程序状态字寄存器"，用来存

•放当前执行程序的PSW。CPU按程序状态字

:寄存器中的这令地址和设置的其他状态来控

x制某个程序的执行。

:•当操作系统调度到某个程序运行时，必须把

Z该程序的PSW送入程序状态字寄存器，这时

:CPU就控制该程序的运行。

:­同样，当某个程序暂时让出CPU时，也必须把

:它的PSW保存好，一旦它能继续执行时又可

•把它的PSW送入程序状态字寄存器中，再继

Z续执行。

E中断响应

:­中断响应即解决发现中断和接受中断请求的

Z问题。具体工作包括交换PSW和当有多个中

：断请求同时发生时，响应中断优先级最高的

■由航请求。

:­中断响应通常发生在CPU执行完一条指令后，

Z中断机构立即检测有无中断事件发生；

若有，则暂停现行程序（当前PSW）的运行，

Z并将该程序的PSW保存起来（旧PSW）,将中

Z断处理程序的PSW（新PSW）装入程序状态

■字寄存器；

Z­然后由中断处理程序独占CPU,这就是中断响

T应。

中断处理和中断返回

Z­通常由硬件实现中断请求和中断响应；由软

:件完成中断处理和中断返回。

:•中断处理就是执行中断处理程序。中断处理

•程序的人口地址被存放在程序状态字寄存器

:中。不同的中断类型有不同的处理原则，但

一都有保护现场、分析中断事件性质等原则性

z的处理，具体的中断处理由中断处理程序来

■完成。

••中断返回即CPU转去执行前面被中断的程序，

Z通常通过执行特权指令，如iRet,将老PSW单

•元的内容送入现行程序状态字寄存器中。

E第二节多道程序设计

:•多道程序设计的提出

CPU和外设共同工作

资源的合理使用

E程序的顺序执行

:•计算机上运行的是程序，而程序是指令的集

:合，每一个程序完成预先规定的任务和操作。

:•早期的计算机系统基本上都是单处理器系统，

:即系统中只有一个处理器（CPU）,只有单道

Z程序的执行功能。也就是说，每一次只允许

■一道程序运行，在这个程序运行时，它将独

：占整个计算机系统的资源，而且系统按照程

:序步骤顺序地执行，在该程序执行完之前，

Z其他程序只能等待，从而不存在共享资源的

•问题。这种程序的执行方式，称为顺序执行。

程序的顺序执行特点

:•1）顺序性（不同程序之间是按一定顺序执行的）|

Z-2）封闭性（程序在运行时独占系统资源，只有程

:序本身能改变系统资源状态（除初始状态外））1

二•3）无关性（即确定性，程序执行结果与其执行力

Z度无关）。[

4）可再现性（程序运行不受外界因素影响，只嘲

:初始条件相同，运行结果也相同）。]

:­顺序执行的特点，使得系统管理简单，程序编制

：调试容易。但系统的资源利用率非常低，因为大

・部分时间，尤其是对外部设备操作时，系统CPU

:一直在等待。I

：•例如：进行计算。I：输入操作C：计

:算操作P:打印操作。在进行计算时，

一总是先输入用户的程序和数据，然后进

:行计算，最后将结果打印出来。

■•一•一•一•一•一•

••在单处理器系统中，处理器只有一个，

:每一时刻也只能执行一条指令。那么，

•如何提高单处理器系统的效率呢？能否

:在单处理器上让多个程序同时执行呢？

•这就是程序的并发执行的思想。

••多道程序设计图示。

:•http:〃www.Urtvu.edu.cn/teaching/2001b/o

:s/jiaoxue/index.htm

Z第二节多道程序设计

••多道程序的特点

：•优点：可以使CPU和输入输出设备以及

：其他系统资源得到充分利用。

:-并行性

::多道程序的并行性

Z-共享性

:共享所有的系统资源：CPU、主存

多道程序示例

:•在对一批程序进行处理时，可以并发执行。

:•例如，输入、计算、打印三个程序对一批作

2业进行处理时，存在以下的前趋关系：

三Ii-Ci,,Ci-Pi,Ci-Ci+1,

■PifPi+1

多道程序设计的特征

••不可再现性：由于程序的并发执行，打破了

z由另一程序独占系统资源的封闭性，因而破

•坏了可再现性。

:•间断性：程序并发执行时，由于它们共享资

:源或程序之间相互合作完成一项共同任务，

・因而使程序之间相互制约。

:•通信性：对于相互合作的程序，为了更有效

z地协调运行，相互之间进行通信。

z•独立性：并发程序在运行过程中，既然是作

•为一个独立的运行实体，它也必然具有作为

:一个单位去获得资源的独立性。

Z多道程序设计定义

.定义：Multiprogramming

,多道程序设计是指允许多个程序同时进入内存并运行

Z（引入目的是为了提高系统效率）

与并发不完全是一个概念，但效果相似

,考虑由素：

z♦在多道程序环境下如何向用户提供服务

■•在并发程序之间如何正确传递消息（通讯）

一•如何对CPU进行调度，保证每个用户相对公平地得到

:CPU

■如何管理其他资源

••当各用户对资源使用上发生冲突时，如何处理竞争

:对CPU只能通过调度来解决竞争问题，而对于其他资

•源通过申请一分配一使用一回收的办法进行管理，当

,且仅当占有CPU的时候才可以申请，否则要排队等候

第二节多道程序设计

:•多道程序的目标、方法和主要问题

•主要目标：充分使用系统所有资源并

尽可能地使他们并行工作。

•方法是在一个正在运行的程序不使用

某设备时，让另一程序去使用该设备。

:第二节多道程序设计

••多道程序设计的实现

2-存储保护与程序浮动

X存储器管理

2-处理机的管理和调度

Z处理机调度。运行态、就绪态、等待态

Z负责管理程序占有或释放处理机的软件模

z块称为处理机调度程序。

z-资源的管理和调度

Z资源共享

第二节多道程序设计

=•多道程序系统必须解决的问题

X-提出解决各种冲突的策略

*资源共享引起的问题。独占、死锁

:-协调并发活动的关系

*并发、制约、互斥

Z-保证数据的一致性

Z内存保护

*-实现数据的存取控制

Z文件存取权限管理

第三节进程

••计算机的处理器是重要的系统资源，如

:何充分发挥处理器的功能是历来系统设

Z计者要解决的问题。

:­处理器的管理实际上是进程的管理，因

:此，首先需要对进程有一个深刻的认识

2和理解。

：•进程是操作系统中独立运行的单位，是

：程序关于某个数据集合的可并发的一次

・运行活动，是“执行中的程序”。

第三节进程

:•进程的提出

:•多道程序系统的特性

Z-并行性

:-制约性

•-动态性

:•由于程序具有以上特征，因此程序难以

;刻划和反映系统的状况。

:进程的概念

:­进程的引入是为了更好地描述系统中的并发

:活动。由于并发活动的复杂性，所以各个操

•作系统中对进程的定义未能统一：

Z•1）进程是程序在处理机上的执行（Dijkstra）。

：•2）进程是可以与别的计算并发执行的计算

:（Donovan）。

:•3）进程是一个程序及其数据在处理机上顺序

Z地执行时所发生的活动（ALanShow）。

：•4）进程是系统资源和程序代码的执行位置的

:集合（Java）o

:•5）进程是进程映像的执行（Unix）。

:进程的描述

:­进程是程序关于某个数据集合的可并发的一

•次运行活动。其含义是：

1•1）进程是一次运行活动，即具有动态性。

2）进程的实体是程序和数据集合，即具有结

：构性（每个进程都有相对应的数据结构，人

■们通过这些数据结构及其变化才感觉到进程

Z的存在）。

Z-3）进程是可并发的运行单位，即具有并发性

•和独立性。

••4）并发进程相互制约，呈现走走停停状态，

Z即具有异步性。

z­进程具有动态性、并发性、异步性、独立性

邮韶n

••进程是一个动态的概念，程序及其相关的数据由

:合是进程存在的实体，它们均是静态文本。那4

•如何表示一个进程？又如何知道进程的存在呢?

Z在操作系统中，进程通过三个部分被感知，即走

一序、数据集合和进程控制块。

1)程序(program)o进程运行所对应的执行代

z码，一个进程可以对应一个程序，也可以只对瓜

•一个程序的一部分，多个进程也可同时对应一彳

;程序，即这个程序被多个进程所共享，可共享白

・程序代码叫纯代码(pure)或叫可重入代码

Z(reentry),在运行过程中不能被改变。

：•2）数据（data）。进程运行中必需的数据资源,

：包括对CPU的占用、存储器、堆栈、缓冲区、

:I/O通道和I/O设备等的需求信息。

:•3）进程控制块（ProcessControlBlock）。系

：统为进程定义的一种专门的数据结构，简记

■为PCB,用PCB描述进程的运动变化过程，记

Z忆进程的外部特征和与其他进程的联系。PCB

•与进程一一对应，系统创建一个进程，在系

:统区就为进程设置一个PCB,再利用PCB对进

:程进行管理和控制，进程被撤消时，系统就

:收回它的PCB,进程随之消亡。所以，PCB是

T进程存在的惟一标志。

Z­PCB包含了进程的描述信息和控制信息：标识

：符二存储信息、现行状态等（不同操作系统

•中采用的PCB不一定相同）。如图所示是一种

XPCB的结构示意图。

z­进程状态

Z•进程优先级

2•进程标识符

*•现场保护区

:•进程信号量

Z•进程消息

Z­进程名

”•进程参数

顺序执行与并发执行的区别

■顺序执行:并发执行:

•:程序顺序执行间断执行，

三程序具有封闭性程序失去封闭性

£独享资源共享资源（互为存在条件）

:可再现性程序与“计算，，不再一一对应

:有相互制约有直接和间接的相互制约

:设备利用率不高

E为什么要引入“进程”的概念

■:关键是“共享资源”引起的，从资源观

:点看,有效管理共享资源（同步操作、

:异步操作、通信）是操作系统的重要内

:容。

二生活例子:同步:单行道公路和公共汽

二车都是共享资源。只有前面车开走,后

\面的才能开。

二互斥:交叉路口是共享资源。谁先走取

：决于交通指挥。我走时,对方不能走。

进程的定义及特征

:­进程是OS动态分配和执行的基本单元

:（构件）。操作系统的五大功能是由许

Z多进程组合完成的。

••程序和进程的区别

:•进程的五个基本特征

程序和进程的区别

■程序进程

，静态的指令序列•动态的程序执行过程

;一程序可对应•一个进程对应至少有

手个进程一个程序在工作

I永久性软件资源•暂存资源,动态产生过程

进程的五个基本特征

:进程是程序在并发系统内的一次执行,

:一个进程有一个从产生到消失的生命期；

正是为了描述程序在并发系统内执行

•的动态特性才引入了进程，没有并发就没有进

•工口

L♦不王；

[Z每个进程的程序都是相对独立的顺序

,程序，可以按照自己的方向和速度独立地向前

:推进；

:进程之间的相互制约，主要表现在互

:斥地使用资源和相关进程之间必要的同步和通

I•讯；

■进程=PCB+程序+数据集合。

进程与线程

:进程是程序的一次执行过程。

I线程是由进程派生出来的一组代码

:（指令组）的执行过程。

/线程二进程优越之处是执行中占有

I

:同的内存空间。在现代操作系统

中，进程是分配单元，而线程是执

:行单元。

E进程的状态及其变化

••进程具有动态特性，各个进程在执行过

:程中交替进行，使它的执行状态不断发

:生变化，操作系统中进程的状态有许多

:种，这些状态的设置和规定与实际的操

X作系统设计有关。

••最基本也是代表进程生命周期的三种状

•态：运行（running）、就绪（ready）和

Z等待（waited或blocked）状态，如图2-3

Z所示。此外还有停止（stop）状态、死

锁（deadlock）状态等。

图2-3进程的状态及其转换

具有挂起操作的进程状态转换图

有的系统有时希望能人为地把进程挂起，使

之处于静止状态，以便研究其执行情况或对它进行

修改。下图示出了具有挂起状态的进程状态演变图。

具有挂起状态的进程状态演变图

:•运行状态：进程的物理运行。

••就绪和等待状态：进程的逻辑运行。

••运行、就绪和等待状态都是宏观上的活

Z动进程。

••停止状态：进程无需再运行。

Z•死锁状态：进程无法执行。

:•停止和死锁状态是静止的状态。

一进程在某个时刻总是处于某种状态，随着进

:程自身的推进和外界条件的变化，进程的状

:态也随之变化。

:1）就绪一运行：处于就绪状态的进程，已具备

：执行的条件，但还未能获得CPU,故还不能执

:行。当有多个进程等待分配处理器时，系统

•按照一定的策略（优先级或时间片）从多个

:处于就绪状态的进程中选择一个进程，让它

■占有CPU,被选中的进程的状态由就绪变为运

[Z行状态。

22）运行一就绪：分配给进程的CPU时间片

・用完而强迫进程让出CPU。或者当优先级高的

:进程要运行，迫使正在运行的进程让出CPU,

・于是正在运行的进程的状态由运行状态变为

Z就绪状态，等待时机再获得CPU控制权。

：•3）运行一等待：处于运行状态的进程能否继

:续运行，除了受CPU时间限制外，还受其他因

•素的影响，如在运行中启动外部设备，等待

2外设进行I/O传输。或进程申请系统资源（内

•存空间、外设）得不到满足。或进程运行中

Z出错时，都使得运行中的进程由运行状态变

■为等待彳犬态。

:­4）等待一就绪：被阻塞的进程在某事件被解

Z除后，如I/O结束，或获得了等待的资源，或

一进程故障得到排除等情况下，等待的进程的

•状态由等待状态变为就绪状态，当系统再次

x分配CPU给它，它才能继续运行。

五状态进程模型

•准备退出：父进程可中止子进程

七状态进程模型

挂起

——Suspend

/■活动\调度"、工

「cad"，上小唯Dispatch、/释放

Release

肝沙、飞uspend5Ready工叫Running

人挂起八超时

Event事件Event事件

Occurs发生Occurs发生/Event等待

Wait事祚

活动

Activate

<'^BIockcd、十Blocked

<Suspend

Suspend

处理机调度

•进程调度的职能

•(1)记录系统中所有进程的有关情况。

卜I

•(3)分配处理机给进程。

•(4)从进程收回处理机。

进程调度算法

,1.先来先服务

卜2.优先数法

[3.轮转调度

[4.分级轮转法

•http:〃5:7999/czxt/text/ch03/s

e04/342l.htm

:先来先服务

:•这种调度算法按照进程进入就绪队列的

・先后顺序来调度进程，到达得越早，其

一优先数越高。获得处理机的进程，未遇

:到其他情况时，一直运行下去，系统只

二需具备一个先进先出的队列，在管理优

:先数的就绪队列时，这种方法是一种最

;常见策略，并且在没有其他信息时，也

:是一种最合理的策略。

:该算法总是把处理机分配给最先进入就绪队列

Z的进程，一个进程一旦分得处理机，便执行下去，

z直到该进程完成或阻塞时，才释放处理机。

■优点:实现简单.缺点:没考虑进程的优先级

开始执带权周

进程名到达时间服务时间完成时间周转时间

行时间转时间

A010111

B11001101"1001

C21-101102,100(100

D3:100102202*1991.99

优先数法

Z•根据已占有处理机的进程是否可被剥夺而分

:为优先占有法和优先剥夺法两种。

:•优先占有法的原理是：一旦某个最高优先数

•的就绪进程分得处理机之后，只要不是其自

:身的原因被阻塞（如要求I/O操作）而不能继

・续运行时，就一直运行下去，直至运行结束。

:•优先剥夺法的原理是：当一个正在运行的进

z程即使其时间片未用完，无论什么时候，只

•要就绪队列中有一个比它的优先数高的进程,

Z优先数高的进程就可以取代以前正在运行的

・进程，投入运行

z该算法总是把处理机分配给就绪队列中具有最

:高优先权的进程。常用以下两种方法来确定进

:程的优先权（优先级根据优先数来决定）

5静态优先数法：静态优先权是在创建进程时确

:定的，在整个运行期间不再改变。依据有：进

•程类型、进程对资源的要求、用户要求的优先

:权。

5动态优先数法：在进程创建时创立一个优先数,

:但在其生命周期内优先数可以动态变化。如等

•待时间长优先数可改变

:轮转调度

:•先来先服务的一个重要变形，就是轮转规则。

:轮转调度算法是系统把所有就绪进程按先后

•次序排队，处理机总是优先分配给就绪队列

Z中的第一个就绪进程，并分配它一个固定的

•时间片（如100毫秒）。当该运行进程用完规

Z定的时间片时，被迫释放处理机给下一个处

•于就绪队列中的第一个进程，分给这个进程

Z相同的时间片，每个运行完时间片的进程，

:当未遇到任何阻塞时，就回到就绪队列的尾

•部，并等待下次转到它时再投入运行。于是,

:只要是处于就绪队列中的进程，按此种算法

♦迟早总可以分得处理机投入运行。

：把CPU划分成若干时间片，并且按顺序赋

•给就绪队列中的每一个进程，进程轮流占有

：CPU,当时间片用完时，即使进程未执行完

：毕，系统也剥夺该进程的CPU,将该进程排

•在就绪队列末尾。同时系统选择另一个进程

:运行

2简单轮转法：系统将所有就绪进程按FIFO规

•则排队，按一定的时间间隔把处理机分配给

Z队列中的进程。这样，就绪队列中所有进程

•均可获得一个时间片的处理机而运行。

二多级队列方法：将系统中所有进程分成若干

z类，每类为一级。

三分时系统中常用时间片轮转法

:时间片选择问题：

:固定时间片

•可变时间片

三与时间片大小有关的因素:

:系统响应时间

•就绪进程个数

•CPU能力

1）简单轮转法的调度模型

2•分级轮转法

：•所谓分级轮转法就是将先前的一个就绪

：队列。根据进程的优先数不同划分两个

：或两个以上的就绪队列，并赋给每个队

:列不同的优先数。以两个就绪队列为例,

：一个具有较高优先数，另一个具有较低

：优先数，前者称为前台队列，后者称为

二后台队列。

：