第2章处理器管理.ppt
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1、1,第二章 处理器管理,计算机系统中,最宝贵的资源是CPU。为了提高它的利用率,需要引入多道程序设计的概念。,2,2.1 多道程序设计,2.1.1 程序的顺序执行 程序:是一个在时间上严格有序的指令集合。 一个计算问题往往按照一定的顺序执行,执行的 顺序由编制的程序确定。,输入数据,处 理,输出结果,3,4,例 如:,数据,过程,5,程序的顺序执行,资源利用率低,t,数据三,数据二,数据一,0,4,6,9,14,18,20,23,26,30,程序的顺序执行图,黑线:表示输入 红线:表示处理 灰线:表示输出,6,2.1.2 程序的并行执行,t,t1,t2,数据1,数据2,数据3,t3,t4,7,
2、t,0,4,6,9,13,12,15,16,20,8,2.1.3 多道程序设计 多道程序设计:让多个程序(作业)同时进入主存储器并行执行,9,在多道程序设计环境下,系统具有如下特点: 资源利用率高 系统吞吐量大 程序间制约性,t,0,4,6,9,13,12,15,16,20,10,举例说明: 有A、B两个任务 需要计算机完 成,各自流程: A: 计算50ms ,打印100ms, 再计算50ms 打印100ms结束 B: 计算50ms, 输入数据80ms, 再计算100ms, 打印100ms结束,50,150,200,300,350,430,530,630,CPU利用率=250/630*100%
3、=39.7%,50,150,100,180,200,300,400,11,多道程序设计环境:内存中允许有多个程序存在,它们轮流地使用着CPU。,12,执行的并发性:从宏观上看,同时在内存的多个程序都在执行着,在按照自己程序规定的步骤向前推进;从微观上看,由于CPU在任何时刻只能执行一个程序,因此这些程序轮流占用CPU,交替地执行着。,13,2009-4 4一个计算问题的程序分成三个可以独立执行的程序模块:输入程序、处理程序和打印程序,每一批数据都需顺序被这些模块执行。当有多批数据时,这三个程序模块中可以并行运行的是( ) A输入程序、处理程序和打印程序 B输入程序和处理程序 C处理程序和打印程
4、序 D打印程序和输入程序,A,14,2010-4,5.多道程序设计的意义是( ) A.允许多个作业同时入驻主存储器,中央处理器轮流执行各个作业,各个作业有可能同时使用所需的外围设备 B.允许多个作业轮流入驻主存储器,中央处理器轮流执行各个作业,各个作业同时使用所需的外围设备 C.允许多个作业轮流入驻主存储器,中央处理器轮流执行各个作业,各个作业轮流使用所需的外围设备 D.允许多个作业同时入驻主存储器,中央处理器轮流执行各个作业,各个作业不同时使用所需的外围设备,A,15,2010-4,6.采用多道程序设计方法的计算机系统,( ) A.提高了处理器的利用率和增加了完成计算所需的总时间,提高了单位
5、时间内的算题能力 B.提高了处理器的利用率和增加了完成计算所需的总时间,降低了单位时间内的算题能力 C.降低了处理器的利用率和单位时间内的算题能力,增加了完成计算所需的总时间 D.提高了处理器的利用率和单位时间内的算题能力,可能延长完成某算题所需的总时间,D,16,2.2 进程的概念 “进程(Process)”是现代操作系统设计中的一个基本概念,也是一个管理实体。它最早被用于美国麻省理工学院的MULTICS系统和IBM的CTSS/360系统,不过那里称其为“任务(Task)”,其实是两个等同的概念。,17,进程是一个程序关于某个数据集合的一次执行过程。,18,2.2.2 为什么引入进程,提高资
6、源利用率,正确描述程序的执行情况,19,20,2.2.3 进程的属性 (1)进程是动态概念,而程序是静态概念,21,(2)程序和进程无一一对应关系,一个程序可能对应多个进程;一个进程可以包含多个程序,22,(3)多个进程可并发执行 并发: 两个或以上进程在同一时间段内都向前推进。,23,(4)进程的存在是暂时的,因为它有一个从创建到撤销,有一个生命周期;程序存在是永久的。,24,(5) 进程的状态 通常在操作系统中,进程至少要有三种基本状态(进程控制状态):运行态、就绪态和等待态(等待态)。,25,26,(1) 运行态(running) 运行状态是指当进程已经分配到CPU,它所在的程序正在处理
7、机上执行时的状态。 (2) 就绪态(ready) 就绪态是指进程已具备了运行条件,因为其它进程正占用CPU,所以暂时不能运行而处于等待分配CPU的状态。在操作系统中,处于就绪态的进程数目可以是多个。,27,(3) 等待态 等待状态是指进程等待某种事件的发生(例如等待某一输入、输出操作的完成,等待其它进程发来的信号等)而暂时不能运行的状态。,28,进程在其生存期内不断发生状态转化从一种状态转化成为另一种状态,29,2010-4,7.进程有三种基本状态,不可能的状态转换是( ) A.运行态到就绪态、运行态到等待态 B.就绪态到运行态、等待态到就绪态 C.运行态到就绪态、等待态到就绪态 D.运行态到
8、就绪态、等待态到运行态,D,30,应注意的问题: 进程从等待态不能直接转换到运行态。 一个进程由运行态转换为等待态一般是由进程自己主动提出的。 一个进程由等待态变为就绪态总是由外界事件引起的而不是有该进程自己引起的。,主动等待,被唤醒,31,思考,进程所请求的一次打印输出结束后,将使进程状态从( ) A、运行态变为就绪态 B、运行态变为等待态 C、就绪态变为运行态 D、等待态变为就绪态,D,32,2. 下列进程状态转换中,哪一个是不正确的( ) A. 就绪运行 B. 运行等待 C. 就绪等待 D. 等待就绪,C,33,3.某进程在运行过程中需要等待从磁盘上读入数据,此时该进程的状态将( )。
9、A.从就绪变为运行 B.从运行变为就绪 C.从运行变为等待 D.从等待变为就绪,C,34,4.在单CPU环境下,存在10个进程,这些进程中处于运行态的进程最多有( )个,最少( )个;处于就绪态的进程最多有( )个,最少( )个;处于等待态的进程最多( )个,最少( )个,1,0,9,0,10,0,35,5进程的基本属性是( ) A进程是动态的、多个进程可以含有相同的程序和多个进程可以并发运行 B进程是动态的、多个进程对应的程序必须是不同的和多个进程可以并发运行 C进程是动态的、多个进程可以含有相同的程序和多个进程不能并发运行 D进程是静态的、多个进程可以含有相同的程序和多个进程可以并发运行,
10、A,36,27让多个程序同时进入计算机系统的主存储器并行执行,这种程序设计方法称为_。 28一个程序在一个数据集上的一次执行称为一个_。,多道程序设计,进程,37,22、引入进程的原因是( ) A、提高资源的利用率 B、提高程序运行的速度 C、概念“程序”不能正确描述程序的执行情况 D、使多个程序能并发运行 E、概念“进程”能正确描述程序的执行情况,ACE,38,2.3 进程控制块 一、 进程的组成部分 进程包括三部分:程序、数据、进程控制块,这三部分统称为“进程映象” “进程控制块”PCB(Process Control Block):用于表示一个进程相关信息的数据结构。它是进程存在的唯一标
11、志。,39,进程控制块一般应包括如下内容: (1)标识信息(进程名) 它是惟一的对应进程的一个标志符或数字。 (2)说明信息 进程状态、等待原因、进程程序及数据存放位置,40,(3)现场信息 保留进程让出CPU时,CPU内的各种信息,以便能继续运行时得以恢复 主要指各种寄存器中的内容(psw寄存器),书签,41,(4)管理信息 如进程优先权,队列指针等,表示进程获取CPU的优先级别,42,二、 PCB的作用 (1)PCB是进程存在的惟一标志 系统创建进程时,就为之创建一个PCB;进程结束时,系统又回收其PCB,进程便随之消亡。,43,(2)操作系统依据进程控制块对进程进行控制和管理。 例如,当
12、进程因某种原因而暂停运行时,其断点现场信息要保存在PCB中。,44,1、每个进程都有一个进程控制块,用以记录各个进程执行时的情况,保存在各个进程控制块中的信息允许( ) A、本进程查阅 B、编译进程读取 C、操作系统修改 D、当前运行进程修改,C,45,三、 进程控制 系统创建、撤消进程,完成进程各种状态的转换等功能是通过进程控制原语实现的 原语:执行过程不可中断的,具有特定功能的程序段。,46,用于进程控制的原语有:创建原语、撤消原语、阻塞原语、唤醒原语。,47,(1)创建原语 主要工作:为一个程序分配一个工作区和建立一个进程控制块,并置状态为就绪状态 (2)撤销原语 主要工作:进程完成后,
13、收回其工作区和进程控制块,48,(3)阻塞原语 进程运行过程中发生等待事件时,将进程状态改为等待态。 (4)唤醒进程原语 当进程所等待的事件出现时,把进程状态改为就绪态,49,2010-7,21.控制进程的原语有( ) A.创建原语 B.撤销原语 C.等待原语 D.唤醒原语 E.延迟原语,ABCD,50,2.4 进程队列 为了对系统中的进程控制块进行有效的管理,通常把所有的PCB统一组织起来,形成若干个队列,51,一般把具有相同状态的进程的PCB组成队列,形成运行队列、就绪队列、等待队列等,52,53,出队,入队,队列管理,一个进程从所在队列中退出,一个进程排入到一个指定的队列,系统中负责进程
14、入队和出队的工作,54,模拟:PCB1进程等待,归于等待队列1的过程,0,55,2.5 中断和中断处理,2.5.1 中断,聚精会神看书中,听到敲门声,晚上12点熟睡中,闹钟响起,某程序段执行过程中,执行到x=y/0指令时,中 断,56,中 断,由于某些事件的出现,中止现行进程的运行,而由操作系统去处理出现的事件,待适当的时候让被中止的进程继续运行,这个过程称为中断,57,中断源,引起中断的事件,中断处理程序,对出现的事件进行处理的程序,58,2.5.2 中断类型,从中断事件的性质来说,一般分为成下述几类:,硬件故障中断,程序中断,外部中断,输入/输出中断,访管中断,59,硬件故障中断,由机器故
15、障造成的,如电源故障,主存出错等,60,由于程序执行到某条机器指时可能出现的各种问题而引起的中断。 如:定点操作数溢出,除数为0,地址越界等,程序中断,61,有各种外部事件引起的中断 ,如:按中断键,定时时钟的时间周期到,外部中断,62,输入输出控制系统发现外围设备完成了输入输出操作而引起的中断,或在执行输入输出操作时通道或外围设备产生错误而引起的中断,输入/输出中断,63,正在运行的进程为了请求调用操作系统的某个功能而执行一条访管指令所引起的中断,访管中断,64,22.中断有若干类型,它们是( ) A.硬件故障中断 B.软件中断 C.外部中断 D.输入/输出中断 E.程序中断,ACDE,65
16、,总 结: 硬件故障中断、程序中断、外部中断 输入/输出中断这四类中断是由于外界原因迫使正在运行的程序被打断,称为强迫性中断事件。 而访管中断为正在运行的进程所期待的,故称为自愿性中断事件,66,2.5.3 中断响应,自愿中断事件是由处理器执行指令时根据指令中的操作码捕俘到的。强迫性中断事件是由硬件的中断装置发现的 中断发生时,硬件的中断装置暂停现行进程的运行,而让操作系统的中断处理程序占用CPU,此过程称为中断响应,67,指令n,指令n+1,中 断 处 理 程 序,断 点,程序A,68,程序状态字(Program Status Word:PSW) : 用来控制指令执行顺序并且保留和指示与程序
17、有关的系统状态。,1.5.3 程序状态字,程序基本状态,中断码,中断屏蔽位,69,程序状态字PSW存放与寄存器中,该寄存器被称为“程序状态字寄存器”,70,当前psw,存放在程序状态字寄存器中的,当前正在运行的进程的PSW,旧 psw,保护好的被中断进程的PSW,新 psw,中断处理程序的PSW,71,5、一个正在运行的进程由于某个事件被中断后,中断装置都要进行交换PSW的工作,以完成( ) A、中断检查 B、中断响应 C、中断处理 D、中断请求,B,72,2.5.4 中断处理,中断处理程序对中断事件的处理分两步进行:,保护被中断进程的现场信息,根据中断事件转入相应的中断处理程序进行具体处理,
18、73,1.硬件故障处理 2.程序中断处理 3.外部中断处理 4.输入/输出中断处理 5.访管中断事件处理,必须进行人工干预,与程序的具体编制有关,不同用户往往有不同处理要求,所以可转交给用户自行处理,根据中断键的编号把处理转交给一个特定的例行程序,分为“I/O正常结束”和“I/O异常结束”,74,2009-4,21进程控制块是对进程进行管理和调度的信息集合,所含信息是( ) A标识信息 B说明信息 C网络信息 D现场信息 E管理信息 22操作系统中有许多进程队列,它们是( ) A就绪队列 B挂起队列 C运行队列 D要求使用设备的等待队列 E等待其他资源的队列,ABDE,ACDE,75,2009
19、-4,29访管中断是进程为请求调用操作系统的某个功能,执行 _ 所引起的中断。 48说明中断发生和中断响应的处理过程。(需说明程序状态字在此过程中是如何变化的。),访管指令,76,2009-7,3、进程控制块中的说明信息是( ) A、进程状态、进程等待原因、进程程序存放位置、进程数据存放位置 B、进程状态、通用寄存器内容、控制寄存器内容、进程程序存放位置 C、通用寄存器内容、控制寄存器内容、进程程序存放位置、进程数据存放位置 D、进程状态、进程等待原因、通用寄存器内容、控制寄存器内容,A,77,4、等待状态的进程是处于队列中的,设备的等待队列的组织方式是( ) A、系统有一个等待队列 B、系统
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