计算机操作系统笔记（二）

第二章处理器管理

2-1 处理器与寄存器

用户可见寄存器
DR：AX、BX、CX、DX
AR：索引SI、DI；栈指针SP、BP；段地址：CS、DS、SS、ES
控制与状态寄存器：PC、IR、条件码CC、标志位（中断位、中断允许位、内存保护位）
程序状态字PSW

2-2指令与处理模式

U 机器指令机器执行过程
U 指令流水线
M 特权指令与非特权指令
M 处理器模式及其切换

机器指令：计算机系统执行的基本指令，是处理器执行的基本单位。

机器指令由一个字节或多个字节组成，包括操作码、操作数地址、表征状态字特征码

指令执行过程：CPU根据程序计数器取出指令放入指令寄存器，并对指令译码，发出控制命令，执行微操系列。

STEP 1.取指令
STEP 2.解码
STEP 3.执行

执行周期与指令流水线

特权指令：只能被操作系统内核使用，如启动IO指令，置DC指令等重要资源

处理器模式：0.内核；1.系统调用；2.共享库程序；3.用户程序等保护级别

模式切换：内核模式和用户模式相互切换

中断、异常引发用户模式切换到内核

OS内核处理完成后又从内核模式切换到内核模式

2-3中断

M概念

操作系统是中断驱动的，中断时激活操作系统的唯一方式

狭义中断：来源处理器的中断事件，如IO中断，时钟中断，外部信号中断（关机）

异常：CPU运行当前指令引起的中断事件，比如地址异常，读写异常，虚存异常，算术异常，硬件故障

系统异常：执行陷入指令而触发系统调用引起的中断时间，如请求设备、请求IO，创建进程。

2-4中断源

2-5中断系统1

K 中断系统
K 中断管理与指令运行周期
K 中断响应与中断装置
中断系统：硬件中断系统（响应系统）、软件中断系统（处理中断）

中断装置：计算机发现并响应中断/异常的硬件装置
处理器外的中断：中断控制器发现和响应
处理器内部的中断：由指令的控制逻辑和实现线路发现和响应，相应机制称为陷进
请求OS服务的系统响应：处理器执行陷入指令时直接出发，响应机制为系统陷进
中断控制器：CPU的一个控制部件，包括中断控制逻辑线路和中断寄存器，外部设备向其发出中断请求IRQ，在中断寄存器中设置已发生的中断，指令中断结束前，会检查中断寄存器，若有不被屏蔽的中断产生，则改变处理器的操作顺序

陷进与系统陷进
指令的逻辑实现线路的一部分
执行指令出现异常，激活操作系统异常处理程序，出现虚拟地址异常后，需要重新执行指令，越过陷进独立设置异常处理程序。

中断响应的过程
1.发现中断，提出中断请求
①发现中断寄存器中记录的中断
②决定是否可屏蔽
③当有多个响应中断源，根据优先级选择一个
2.中断当前程序的执行
保存当前程序的PSW/PC核心栈
3.转向操作系统的中断处理程序

2-6 中断系统2

中断处理程序：处理中断事件的程序，恢复正常操作

处理中断：保护未被硬件保护的处理器状态，通过分析被中断进程的PSW中断码字段，分别处理发生的中断时间，恢复正常操作（可能恢复到原进程，也有可能恢复到另一个进程）。

2-7多中断的响应

M 中断屏蔽
M 中断优先级
M 中断的嵌套处理
M 多中断的响应处理

中断屏蔽->中断装置有选择的响应中断
中断优先级->中断装置响应中断的顺序
一种可能的处理次序：
硬件故障
资源性中断
程序性中断
时钟中断、外部事件中断
I/O中断
重启和关机中断

不同的OS有不同的优先级

2-8 进程及其状态

M 进程的基本概念
M 进程的三状态模型
U 进程挂起的概念

进程的五个实体：数据机构P，内存代码C，内存数据D，通用寄存器信息R，PSW
OS必须全方位管理计算机系统中运行的程序
操作系统为正在进行的程序建立一个管理实体，这就是进程。
进程是一个具有独立功能的程序，是关于某个数据集合的一次运行活动。
进程是OS进行资源分配和调度的一个独立单位。

不同程序在不同数据集合上运行构成两个无关的进程

概念级的进程状态
运行态：进程占有处理器运行
就绪态：进程具备运行条件，等待处理器
等待态：进程由于等待资源、输入输出、信号等而不具备运行条件

进程三态模型

进程挂起的概念：
OS无法预期进程的数目与资源需求，计算机系统在运行过程中可能出现资源不足的情况，表现为性能低、死锁。解决办法是，剥夺进程的内存及其他资源，调入OS管理的对换区，不参加进程调度，待到适当时候在调入内存，恢复资源参与运行。

挂起态：没有任何资源
等待态:占有已申请到的资源，处于等待态

等待态->挂起等待态->挂起就绪态
就绪态->挂起就绪态->进入内存->就绪态
运行态->挂起就绪态

2-9 进程的数据描述

M 进程控制块的概念
K 进程控制块的内容
U 进程的内存映像
U 进程上下文的概念

进程控制块 PCB PRocess Control BLOCK

是进程用于记录和刻画进程状态及环境的数据结构
借助于PCB，OS可全面管理进程的物理实体，刻画进程的执行现状，控制进程的执行。

PCB内容
标识信息：存放唯一标识该进程的信息
系统分配的标识号
系统分配的进程组
用户定义的进程名
用户定义的进程组名

现场信息：用于存放进程运行时的处理器现场信息
用户可见寄存器的内容：DR、AR
控制与状态寄存器的内容：PC、IR、PSW
栈指针的内容：核心栈与用户栈

PCB控制信息：用于存放与管理调度进程相关的信息
调度相关：状态、等待事件/原因）、优先级
进程的组成信息：代码/数据地址，外村映像

队列指引元：进程队列指针，父子兄弟进程指针
通信相关信息：消息队列，信号量，锁

进程特权信息：如内存访问权限，处理器特权
处理器使用信息
资源清单信息

进程映像 Process IMage
某一时刻进程的内容及其执行状态的集合：PCB、PCB、PDB、核心栈
进程映像是内存级的物理实体，又称进程的内存映像。

进程上下文 PRocess Context
进程的执行需要环境支持，包括CPU现场，Cache中的执行信息
OS中的进程物理实体和支持进程运行的环境合成进程上下文，包括用户级上下文，寄存器上下文，系统级上下文

2-10 进程的管理

K 进程管理程序的概念级组成
M 进程队列管理和队列管理模块
U 进程控制与进程管理程序的实现

概念级OS进程管理软件
关键的进程管理软件包括 系统调用/中断/异常处理程序
队列管理模块->操作系统管理PCB的程序
进程控制程序->操作系统控制进程状态转化
进程调度程序
进程通信程序
终端登录与作业控制程序、性能监控程序、审计程序等外围程序

进程实现的队列模型

队列管理模块是OS实现进程管理的核心模块
OS建立多个队列，包括就绪队列和等待队列，按需组织先进先出，以及优先队列。队列中的进程可通过PCB中的队列指引元采用单/双指引元或索引完成出队和入队操作。
进程与资源调度围绕进程队列展开，涉及
进程创建
进程撤销
进程阻塞
进程唤醒
进程挂起
进程激活

原语primitive与进程控制原语

2-11 进程切换与模式切换

M 概念
U 流程

进程切换：指从正在运行的程序的进程中收回处理器，让待运行进程来占有处理器运行。

进程切换的实质就是被中断运行进程的上下文切换，处理过程是
①保存被中断程序的上下文
②转向进程调度程序
③恢复待运行程序的上下文

模式切换：进程切换必须在OS内核模式下完成，这就必须模式切换，模式切换又

称处理器状态切换，包括
用户模式切换到内核模式，由（中断/异常/系统调用）中断用户进程而触发。

模式切换的基本工作任务
中断装置完成正向模式切换，包括
①处理器模式->内核模式
②保存当前进程的PC/PSW值到核心栈
③转向中断/异常/系统调用处理程序

中断返回指令完成逆向模式切换，包括：
①从待运行进程核心栈中弹出PSW/PC
②处理器模式切换为用户模式

进程切换的工作过程
①中断/异常等触发正向模式切换并压入PSW/PC
②保存被中断进程的现场信息
③处理具体中断/异常
④把被中断进程的系统堆栈指针SP保存到PCB
⑤调整被中断进程的PCB信息，如进程状态
⑥把被中断进程的PCB加入相关队列
⑦选择下一个占用CPU运行的进程
⑧修改被选中进程的PCB的信息，如进程状态
⑨设置被选中进程的地址空间，恢复存储器管理信息

恢复被选中进程的SP值到处理器寄存器SP
恢复被选中进程的现场信息，进入处理器
（中断返回指令触发）->逆向模式转换，并弹出PSW/PC

进程切换的发生时机
进程切换一定发生在中断/异常/系统调用处理过程中，常见的情况是：
阻塞式系统调用，虚拟地址异常寻址杯中的进程进入等待态
时间片中断，I/O中断后发现更高优先级进程导致被中断进程转入就绪态
终止用系统调用，不能继续执行的异常导致被中断进程进入终止态

进程切换与模式切换
一些中断/异常不会引起进程切换，只是在处理完成后把控制权交回给被中断进程。

处理流程是：
①（中断/异常触发）正向模式切换压入PSW/PC
②保存被中断进程的现场信息，处理中断/异常
③恢复被中断进程的现场信息
④(中断返回指令触发）逆向模式切换弹出PSW/PC

2-12多线程技术

M 单线程结构进程
M 多线程结构进程
M 多线程环境下进程与线程的概念
U 多线程并发程序设计的优势与应用

单线程结构进程

问题：1.进程切换开销大；2.进程通信开销大，限制了进程并发，降低了并行计算的效率。

多线程结构进程

多线程环境下进程的概念：OS进行保护和资源分配的独立单位。
容纳进程映像的虚拟地址空间
对进程、文件和设备存取保护机制

线程是进程的一条执行路径，是调度的基本单位，同一个进程中的所有线程共享进程获得的主存空间和资源。它具有线程执行状态、受保护的线程上下文，当线程不运行时，用于存储现场信息独立的程序指令计数器PC
执行堆栈容纳局部变量的静态存储器。

多线程环境下线程的状态与调度
线程状态：运行、就绪、休眠、无挂起态

与线程状态变化有关的线程操作有：孵化、封锁、活化、剥夺、指派、结束

操作系统感知线程，处理器调度对象是线程，进程无三态（只有挂起态）
操作系统不感知线程环境下，处理器调度仍是进程，用户空间中的用户调度程序调度线程。

线程的优点：快速线程切换，减少系统管理开销，线程通信易于实现。

2-13 KLT和 ULT

M 内核级多线程KLT
M 用户级多线程ULT
U KLT和ULT的区别

内核级多线程Kernel Level Threads
由OS内核来做，OS提供一个API，供开发者使用KLT
特点：进程中的一个线程被阻塞了，内核能调度同一进程的其他线程占有处理器继续使用。

多处理器环境中，内核能同时调度同一进程中的多个线程执行，内核自身也可用多线程技术来实现，能提高OS的速度和效率

用户级多线程 USer Level Thread
如Java 可移植

不能利用多处理器的优点。OS调度进程，仅有一个ULT能执行
一个ULT的阻塞将引起整个进程阻塞。

Jacketing技术
不进入进程等待状态，用户调度线程调度选择下一个用户级线程程序继续占有进程运行。

KLT和ULT的区别
相同：进程是资源保护的单位，进程有多个线程，线程接口类似，共享资源通信块。
不同：ULT适用于解决逻辑并行问题，KLT适用于解决物理并行问题。

2-14 多线程实现的混合策略

组合ULT和KLT，线程创建完全在用户空间中完成，线程调度和同步也在应用程序中进行。

KLT三态 Running Runnable Blocked

ULT三态

强调，Active ULT代办绑定KLT的三态
Active ULT运行时可激活用户调度，非阻塞系统调度可使用Jacketing启动用户调度。

2-15 处理器调度的层次

高级调度：长程调度，作业调度，决定能否加入到进程池中。
低级调度：短程调度，进程调度，决定哪个可用进程占有处理器执行
中级调度：平衡负载调度，决定主存中国的可用进程集合

进程七态模型

高级调度决定：
①是否接受一个终端用户连接
②是否接纳命令构成进程
③创建进程是否加入就绪进程队列

批处理OS中，高级调度又称作业调度，从后备作业中选择一定的作业让它进入内存执行。

中级调度：平衡CPU和内存使用，剥夺某些进程的资源送入磁盘兑换器，暂时让它不参与组成调度，与进程挂起密切相关。

低级调度：处理器调度，把处理器分配给就绪进程或内核级线程。

进程调度程序：分派程序，OS实现进程的程序，是操作系统最核心的部分。

处理器调度策略直接影响到整个OS的性能。

低级调度的功能：
①记住进程或内核级线程的状态
②决定某个进程或KLT什么时候获得处理器以及占用多长时间
③把处理器分配给进程或KLT
④收回处理器

2-16 处理器调度算法1

U 选择原则
U 先来先服务调度算法
M 时间片轮转调度算法
M 优先数调度算法

原则：资源利用率高，CPU或其他资源使用率高，且能够并行工作。
响应时间短、周转时间短、吞吐量大、公平

优先数调度算法
抢占式 CPU忙时抢占
非抢占式 CPU空闲时占有

优先数确定准则：紧迫性、交互性、使用外设频度、进入系统时间

计算时间短进程优先，剩余计算时间短进程优先，响应比高优先
响应比等于等待时间除估计计算时间

先来先服务用于高级调度，用于低级调度中过于优越。

时间片轮转调度算法
占有一个时间片
时间片中断
时间片的确定

2-17 处理器调度算法2

M 分级调度算法
M 彩票调度算法

分级调度：多队列策略。
基本思想：建立多个不同优先级的就绪进程队列，多个就绪进程队列按照优先数调度，高优先级就绪队列进程分配时间片短，单个就绪进程队列中进程的优先数和时间片相同。

一般考虑：外设访问、交互性、时间紧迫性、系统效率、用户现场

彩票调度算法