《执行系统设计》课件

执行系统设计系统设计是软件开发的重要环节，涉及架构、组件、数据流等方面的规划和决策。课程简介课程目标本课程旨在帮助学生深入理解执行系统的设计原理，掌握任务调度、资源分配等关键技术。课程内容执行系统概念与特点执行系统的基本组成部分任务调度算法资源配置算法进程同步机制死锁问题实时执行系统执行系统的概念及特点执行系统是操作系统的一部分，负责管理计算机系统资源，为用户提供运行环境。执行系统的主要特点包括：并发性、共享性、异步性和虚拟性。执行系统的基本组成部分处理器处理器的核心是中央处理器(CPU)，它负责执行程序指令，处理数据，控制系统运行。处理器是执行系统中的核心组件，负责所有程序的运行。内存内存是用于存储程序和数据的临时存储空间，快速访问和写入数据。内存容量和速度直接影响系统性能，是执行系统不可或缺的一部分。I/O设备I/O设备包括键盘、鼠标、硬盘、显示器等，负责与外部世界进行数据交互。I/O设备负责数据输入和输出，是连接执行系统与外部世界的桥梁。系统总线系统总线是连接处理器、内存和I/O设备的桥梁，负责数据传输和控制信号传递。总线速度和带宽直接影响系统数据传输效率，是执行系统的重要基础设施。执行系统的运行机制1.任务接收执行系统接收来自用户的程序或任务请求。2.任务分配系统根据任务的优先级和资源需求进行分配，将任务分配给相应的处理器或资源。3.任务调度系统根据预定的调度算法决定任务的执行顺序，并管理任务的执行时间。4.资源管理系统分配和管理各种系统资源，如内存、外设、文件系统等。5.任务执行分配到的任务在系统中执行，并在执行过程中管理程序状态和资源分配。6.任务完成任务完成后，释放所占用的资源，并向用户提供执行结果。执行系统的性能指标执行系统的性能指标用于评估系统的效率和可靠性。这些指标可以帮助我们了解系统在不同负载情况下的表现，从而优化系统设计，提高系统性能。常见的性能指标包括吞吐量、响应时间、CPU使用率、内存使用率等，通过监控这些指标，我们可以及时发现系统性能问题，并采取相应的措施进行优化。执行系统的设计方法论11.需求分析确定系统的功能需求、性能需求和可靠性需求，并进行详细分析。22.系统设计设计系统的整体架构、模块划分、数据结构、接口设计等，并进行系统建模。33.代码实现根据设计文档进行编程，并进行单元测试、集成测试和系统测试。44.系统部署将系统部署到目标环境中，并进行系统维护和更新。任务调度算法任务调度操作系统中的核心机制，用于管理和分配系统资源，特别是CPU资源，以确保多个任务高效运行。任务管理调度算法决定了哪些任务获得CPU时间，以及每个任务运行多长时间。系统性能调度算法直接影响系统性能，包括CPU利用率、系统吞吐量、响应时间等。任务调度算法的分类非抢占式调度算法一旦一个进程开始执行，它将一直运行，直到完成或主动放弃CPU。抢占式调度算法一个正在运行的进程可以被其他优先级更高的进程中断，并被暂停。静态调度算法在系统启动前，所有任务的调度策略就已经确定，不会在运行时改变。动态调度算法根据任务到达时间、运行时间等动态信息进行调度，调度策略会随着系统状态的改变而调整。先来先服务算法1FIFO先来先服务(FIFO)算法2简单易于实现3公平每个任务等待时间相同4低效长任务可能阻塞短任务先来先服务(FIFO)算法是最简单、最常用的调度算法之一。它按照任务到达顺序执行，不考虑任务的优先级或执行时间。这种算法简单易于实现，对所有任务都是公平的。然而，它可能导致效率低下，因为长任务可能会阻塞短任务的执行。最短作业优先算法1算法思路选择最短作业时间，先执行。2优势平均周转时间短，资源利用率高。3缺点长作业等待时间长，可能造成饥饿现象。最短作业优先算法(SJF)是非抢占式调度算法。当有多个作业等待执行时，选择最短作业时间（即执行时间最短的作业）优先执行，优先级由作业的执行时间决定。最短剩余时间优先算法1算法原理该算法优先选择剩余运行时间最短的任务，旨在提高系统吞吐量。2优点能够有效减少平均等待时间，提高系统效率。3缺点可能导致较长的任务长期得不到执行，需要结合其他算法进行优化。抢占式最短作业优先算法基本原理该算法会选择剩余执行时间最短的任务进行执行。抢占机制当一个新的任务到达，并且其剩余执行时间比当前正在执行的任务更短时，会立即抢占当前任务的执行。优点能够有效地减少平均等待时间，提高系统的吞吐量，并能更好地满足短任务的需要。缺点对长任务不利，可能导致长任务长时间无法获得执行机会，从而影响系统的整体性能。资源配置算法11.资源分配执行系统需要根据任务需求分配系统资源，如CPU时间、内存空间、外设等。22.资源管理系统需要合理管理和调度分配的资源，保证资源的有效利用，防止资源浪费和冲突。33.算法选择根据系统需求和性能目标选择合适的资源配置算法，例如最大可用资源算法、最少剩余资源算法等。44.性能评估评估不同资源配置算法的性能，如资源利用率、吞吐量、响应时间等，选择最优的算法。资源配置算法的分类静态资源配置算法在系统启动时分配资源，运行期间不会改变。适用于批处理系统或资源需求相对固定的情况。动态资源配置算法在系统运行过程中根据实际情况动态分配资源，更灵活，适应性强。混合资源配置算法结合静态和动态分配方式，在保证系统稳定性的基础上，提高资源利用率。最大可用资源算法1分配策略根据当前系统中所有可用的资源进行分配2最大分配优先分配给请求资源最多的进程3公平性确保所有进程都能获得必要的资源4效率最大限度地利用系统资源最大可用资源算法是一种常见的资源配置算法。此算法通过评估当前系统中所有可用的资源，然后将其分配给请求资源最多的进程，以确保系统资源的最佳利用率。最少剩余资源算法1算法原理该算法根据进程请求资源数量与系统中剩余资源数量的差值，选择差值最小的进程进行资源分配。2算法流程计算每个进程所需的资源和系统剩余资源之间的差值，选择差值最小的进程优先分配资源，这样可以最大限度地利用系统资源。3算法优点可以有效地提高资源利用率，减少系统资源的浪费，提高系统整体性能。优先级资源分配算法优先级资源分配算法是根据任务或进程的优先级来分配系统资源的算法。它可以有效地将资源分配给更重要的任务，从而提高系统的整体效率。1高优先级任务优先获得资源2中等优先级任务获得次级资源3低优先级任务最后获得资源常见的优先级资源分配算法包括：基于时间片的优先级算法和基于资源需求的优先级算法。时间片优先级算法将时间划分为多个时间片，根据任务的优先级分配不同长度的时间片，而资源需求优先级算法则根据任务对资源的需求量进行优先级排序。进程同步机制进程同步机制进程同步机制是指在多道程序环境下，多个进程访问共享资源时，必须协调它们的操作，以防止多个进程对共享资源的错误访问。实现进程同步进程同步机制通过信号量、管程、消息传递等方法来实现，保证对共享资源访问的互斥性，防止数据不一致问题。应用场景进程同步机制广泛应用于操作系统、数据库系统、网络通信等领域，确保系统稳定可靠地运行。信号量机制1定义信号量是一种抽象数据类型，用于控制对共享资源的访问。2操作信号量提供两种原子操作：等待和信号。3作用信号量用于同步进程，确保资源安全地共享。信号量通过计数器来跟踪可用资源的数量。等待操作会检查计数器是否大于零，如果大于零，则减计数器并继续执行；否则，等待操作会阻塞当前进程，直到计数器大于零。信号操作会增加计数器，并唤醒一个或多个等待的进程。管程机制1概念管程是一种高级同步机制，用于管理共享资源。它包含数据结构和操作共享资源的一组过程。2结构管程封装了数据结构和操作它们的进程，仅允许经过管程内部定义的入口才能访问共享数据。它是一种抽象的数据类型。3优势管程可以简化同步代码，降低并发程序的复杂性，防止竞争条件，提高代码可读性和可维护性。死锁的概念和产生条件死锁定义多个进程互相等待对方持有的资源，造成互相阻塞，无法继续执行。产生条件互斥条件、占有且等待条件、不可剥夺条件、循环等待条件。死锁的影响系统资源浪费，系统吞吐量降低，系统性能下降。死锁的预防与避免预防预防死锁是指在系统设计和运行过程中采取措施，防止死锁的发生。例如，采用资源有序分配策略，避免多个进程竞争同一资源，并使用信号量机制实现进程同步，确保进程之间的正常协作。避免避免死锁是指在系统运行过程中动态地检测和处理潜在的死锁，采取措施避免死锁的发生。例如，使用银行家算法，在分配资源之前进行检查，确保资源分配不会导致死锁发生。死锁的检测与解决检测死锁使用资源分配图或算法来检测系统中是否存在死锁。解除死锁重新启动系统或撤销部分进程以打破死锁状态。预防死锁采用措施防止死锁的发生，例如使用资源分配算法。避免死锁通过动态资源分配策略来避免死锁的发生。实时执行系统的特点实时执行系统强调时间敏感性，需要在严格的时间限制内完成任务。实时性要求系统对事件做出快速反应，并及时处理数据。实时执行系统通常需要处理高数据流速率和低延迟需求。此外，实时执行系统还需要保证可靠性，防止错误发生，并具有容错能力。实时执行系统的设计原则及时性实时系统需要满足严格的时间要求，确保在特定时间内完成任务，避免延误导致错误或失效。可靠性实时系统需要具备高度的可靠性，即使在故障或异常情况下也能正常运行，保证系统稳定性和安全性。可预测性实时系统需要具备可预测性，保证系统在不同的负载和环境下也能保持稳定的性能，例如响应时间、吞吐量等。资源管理实时系统需要有效管理系统资源，例如内存、CPU、网络等，保证关键任务获得充足的资源，防止资源竞争或耗尽。实时系统的任务调度1周期性任务调度定期执行，例如每秒执行一次2事件驱动任务调度由外部事件触发，例如传感器触发3混合任务调度结合周期性任务和事件驱动任务实时系统的任务调度是指根据实时性要求，将任务分配到不同的处理器上，并决定任务的执行顺序和时间。实时系统的任务调度必须满足严格的时间约束，以保证系统能够及时响应外部事件。实时系统的资源管理内存管理实时系统需要确保关键任务能够访问到足够的内存资源，防止内存泄漏或碎片化。处理器管理实时系统需要根据任务优先级分配处理器时间片，保证高优先级任务及时完成。设备管理实时系统需要有效管理各种硬件设备，如传感器、执行器等，确保它们能够按需使用。通信管理实时系统需要确保任务之间能够可靠地进行通信，保证数据传输的及时性和安全性。实时系统的错误处理错误检测实时系统通常使