操作系统是如何管理CPU的

CPU的工作原理

1.将一个程序放在内存中，然后设置一个地址
2.cpu根据地址发出取指指令，将设置的地址中的指令放在地址总线上，将该指令传到CPU中
3.CPU开始解释执行该指令  
4.地址自动累加，看取一条指令，执行一条指令

tips

io指令与正常指令的执行时间比为570000:1(电脑不同可能比值不同，不过还是很大)
大部分时间都在读取数据（io操作），意味着CPU几乎是空闲的

如何让CPU忙碌起来？？

多个程序，交替执行（并发）
切换的时候记录信息，切时程序的样子。

如何查看电脑中的进程

打开任务管理器就能看到有多少进程，每一个程序都会开启一个进程

多进程如何组织（操作系统组织的核心）

PCB(Process Control Block):用来记录进程信息和数据结构
多个进程所对应的PCB（磁盘队列、就绪队列等）分别放在不同的地方，操作系统都知道。

操作系统进程状态图：

image.png

多个进程是如何交替的

1.  启动磁盘读写    //假设正在启动
2. pCur.state = 'W'   //将状态设置为wait
3.  然后将pCur放到等待队列DiskWaitQueue
4.  schedule();          //开始切换进程

schedule()
{
  pNew=getNext(ReadyQueue);      //从就绪态取一个
  switch_to(pCur,pNew);                  //切换
}

switch_to(pCur,pNew){
    定义一个结构体，将CPU的东西保存
    将新的信息在赋值给CPU
}

多个进程通过映射表使得不同的进程不会影响

生产者模型

while(true)
{
  while(counter==BUFFER_SIZE);          //缓存区满，消费者停滞
  
  buffer[in]=item;
  in =(in+1)%BUFFER_SIZE;
  counter++;
}

消费者模型

while(true)
{
  while(counter==0);                    //缓冲区空，消费者停
  
  item=buffer[out];
  out=(out+1)%BUFFERSIZE;
  out--;
}

线程切换

TCB原来保存栈以及栈执行的地址（切换不同的线程，就有不同的栈）(一套栈中切换)
指令切换，映射表资源不切换
缺点：切一个进程这个进程里面所有的线程都不执行了

多处理器每个处理器（CPU）都有自己的MMU
多核多个CPU都共享一个MMU（内存映射）

操作系统两套栈

TCB切换两套栈
用户栈
内核栈

CPU调度策略

周转时间：到达的时间到任务完成的时间
响应时间：任务从到达到开始处理的时间
平均周转时间：周转时间/任务数

FCFS(First Come,First Served)
先来先服务

SJF(短作业优先)
周转时间最短

GCC(优先级调度)
指按优先级进行执行

RR(时间片)

进程同步

让进程走走停停，保证多进程合作的合理有序

轮换法

image.png

标记法

image.png

非对称标记（结合标记和轮转）

image.png

多个进程----面包店算法（标记轮转结合）

image.png

特点
互斥进入
有空让进
有限等待

硬件原子指令

while(TestAndSet(&lock));
        临界区
lock=false;
剩余区

boolean TestAndSet(boolean &x)
{
    boolean lv=x;
    x=true;
    return lv;
}