进程管理

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1、,计算机科学与技术专业2005 操作系统,第二章,2007年春 操作系统 2005级,第一章内容回顾,操作系统的作用 操作系统的发展 操作系统的特征与功能 多道程序设计的概念 操作系统的模型,1.1 OS的目标和作用 1.2 OS的发展过程 1.3 OS的基本特征 1.4 OS的主要功能 1.5 OS的结构设计,2007年春 操作系统 2005级,OS的地位和作用,图1.2 操作系统在计算机系统中位置,参考教材P2：图1-1,2007年春 操作系统 2005级,OS的作用,用户与系统的接口 命令方式 系统调用方式 图形、窗口方式 资源管理者 扩充机器,2007年春 操作系统 2005级,OS的

2、设计目标,方便性 有效性 可扩充性 层次化结构 开放性 互连 OSI,2007年春 操作系统 2005级,OS的概念,从系统观点： 从用户观点： 从软件观点：操作系统在计算机系统中的位置：操作系统是计算机硬件的首次扩展。,操作系统是对计算机资源管理；这些资源包括硬件和软件。操作系统向用户提供了高级而调用简单的服务，掩盖了绝大部分硬件设备复杂的特性和差异，使得用户可以免除大量的乏味的杂物，而把精力集中在自己所要处理的任务上。,操作系统是用户使用计算机的界面。操作系统是用户与计算机硬件之间的接口，一般可以分为三种：命令方式，系统调用，图形界面,操作系统是程序和数据结构的集合。操作系统是直接和硬件相

3、邻的第一层软件，它是又大量极其复杂的系统程序和众多的数据结构集成的。,参考教材P8：概念,2007年春 操作系统 2005级,无操作系统的计算机 人工操作 脱机I/O方式 批处理系统 联机批处理系统 单道批处理系统 多道批处理系统 分时系统 实时系统 微机操作系统、网络操作系统与分布式操作系统,发展过程,参考教材P5：图1-2,参考教材P5：图1-3,2007年春 操作系统 2005级,OS特征,并发特征（Concurrence） 并发与并行 共享特征（Sharing） 互斥共享 同时访问 虚拟特征（Virtual） 异步性（Asynchronism）,2007年春 操作系统 2005级,OS

4、特征并发,并发特征（Concurrence） 多个事件在同一时间段内发生。操作系统是一个并发系统，各进程间的并发，系统与应用间的并发。操作系统要完成这些并发过程的管理。 并行(parallel)是指在同一时刻发生。 在多道程序处理时，宏观上并发，微观上交替执行（在单处理器情况下）。 程序的静态实体是可执行文件，而动态实体是进程（或称作任务），并发指的是进程。,2007年春 操作系统 2005级,OS特征共享,共享特征（Sharing） 多个进程共享有限的计算机系统资源。操作系统要对系统资源进行合理分配和使用。资源在一个时间段内交替被多个进程所用。 互斥共享（如音频设备）：资源分配后到释放前，不

5、能被其他进程所用。 同时访问（如可重入代码，磁盘文件） 资源分配难以达到最优化,2007年春 操作系统 2005级,OS特征虚拟,虚拟特征（Virtual） 一个物理实体映射为若干个对应的逻辑实体分时或分空间。虚拟是操作系统管理系统资源的重要手段，可提高资源利用率。 CPU每个用户（进程）的“虚处理机” 存储器每个进程都占有的地址空间（指令数据堆栈） 显示设备多窗口或虚拟终端(Virtual Terminal),2007年春 操作系统 2005级,OS特征异步,异步性(Asynchronism，也称不确定性) 指进程的执行顺序和执行时间的不确定性； 进程的运行速度不可预知：分时系统中，多个进程

6、并发执行，“时走时停”，不可预知每个进程的运行推进快慢 判据：无论快慢，应该结果相同通过进程互斥和同步手段来保证 难以重现系统在某个时刻的状态（包括重现运行中的错误） 性能保证：实时系统与分时系统相似，但通过资源预留以保证性能,2007年春 操作系统 2005级,2007年春 操作系统 2005级,计算机系统的层次结构,用户1,用户2,用户3,用户4,用户n,财务系统,航空订票,上网浏览,电子商务,科学计算,（应用程序）,编译程序,汇编程序,编辑程序,数据库,（系统程序）,操作系统,计算机 硬件,2007年春 操作系统 2005级,本章主要内容,相关内容介绍（补充） 进程的基本概念 进程控制

7、进程同步 经典进程的同步问题 管程机制 进程通信 线程,2007年春 操作系统 2005级,补充内容,处理器管理 单处理器和多处理器 计算机系统结构分类 寄存器 特权指令与非特权指令 处理器状态 PSW 中断处理,2007年春 操作系统 2005级,单处理器和多处理器,计算机系统的核心是中央处理器 单处理器系统 一个计算机系统只包括一个运算处理器。 多处理器系统 一个计算机系统有多个运算处理器。,2007年春 操作系统 2005级,计算机系统结构分类,单指令流单数据流（SISD） 一个处理器在一个存储器中的数据上执行单条指令流。 单指令流多数据流（SIMD） 单条指令流控制多个处理单元同时执行

8、，每个处理单元包括处理器和相关的数据存储，一条指令控制了不同的处理器对不同的数据进行操作。向量机和阵列机是这类计算机系统的代表 。,2007年春 操作系统 2005级,计算机系统结构分类,多指令流单数据流（MISD） 一个数据流被传送给一组处理器，通过处理器上不同指令操作最终得到处理结果。 多指令流多数据流（MIMD） 多个处理器对各自不同的数据集同时执行不同的指令流。可以把MIMD系统划分为共享内存紧密耦合系统和内存分布松散耦合系统两大类。,2007年春 操作系统 2005级,寄存器,基本概念 计算机系统的处理器包括一组寄存器，其个数根据机型的不同而不同，它们构成了一级存储，比主存容量小 ，

9、但访问速度快。这组寄存器所存储的信息与程序的执行有很大关系，构成了处理器现场。,2007年春 操作系统 2005级,寄存器,类型 通用寄存器 数据寄存器 基地址寄存器 I/O地址寄存器 I/O缓冲寄存器 控制寄存器 其他寄存器,2007年春 操作系统 2005级,特权指令与非特权指令,原理 计算机的基本功能是执行程序，最终被执行的程序是存储在内存中的机器指令程序。 处理器根据程序计数器(PC)从内存中取指令到指令寄存器并执行它，PC将自动增长或改变为转移地址指明下条执行的指令。,2007年春 操作系统 2005级,特权指令与非特权指令,指令 机器指令的集合称指令系统，反映了一台机器的功能和处理

10、能力。 指令类型 数据处理类指令 转移类指令 数据传送类指令 移位与字符串指令 I/O类指令,2007年春 操作系统 2005级,特权指令与非特权指令,特权指令 指只能提供给操作系统的核心程序使用的指令，如启动I/O设备、设置时钟、控制中断屏蔽位、清内存、建立存储键，加载PSW等。指令类型,2007年春 操作系统 2005级,处理器状态,管理状态 特权状态、系统模式、特态或管态 该状态下，程序可以执行全部指令，使用所有资源，具有改变处理器状态的能力 用户状态 目标状态、用户模式、常态或目态 该状态下，程序只能执行非特权指令,2007年春 操作系统 2005级,PSW,程序状态字寄存器 作用：用

11、于区别不同的处理器工作状态 PSW用来控制指令执行顺序并保留和指示与程序有关的系统状态，主要作用是实现程序状态的保护和恢复。 每个程序都有一个与其执行相关的PSW，每个处理器都设置一个PSW寄存器。程序占有处理器执行，它的PSW将占有PSW寄存器。,2007年春 操作系统 2005级,PSW,内容 程序基本状态 程序计数器、条件码、处理器状态位 中断码 保存程序执行时当前发生的中断事件。 中断屏蔽位 指明程序执行中发生中断事件时，是否响应出现的中断事件。,2007年春 操作系统 2005级,补充内容,处理器管理 中断处理 中断基本概念 中断源 中断装置 中断处理程序 中断的优先级和多重中断,2

12、007年春 操作系统 2005级,中断基本概念,产生需求 请求系统服务 实现并行工作 处理突发事件 满足实时要求需要打断处理器正常的工作，为此，提出了中断概念,2007年春 操作系统 2005级,中断基本概念,概念 指程序执行过程中，当发生某个事件时，中止CPU上现行程序的运行，引出处理该事件的程序执行的过程。 当中断事件发生后，它能改变处理器内操作执行的顺序。 中断源 中断装置,2007年春 操作系统 2005级,中断源,分类一 强迫性中断 自愿性中断,2007年春 操作系统 2005级,中断源,强迫性中断 概念：不是正在运行的程序所期待的，而是由于某种事故或外部请求信息所引起的机器故障中断

13、事件。 细类 程序性中断事件 外部中断事件 输入输出中断事件,2007年春 操作系统 2005级,中断源,自愿性中断 概念：是正在运行的程序所期待的事件 正在运行的程序对操作系统有某种需求，一旦机器执行到一条访管指令时，便自愿停止现行程序的执行而转入访管中断处理程序处理,2007年春 操作系统 2005级,中断源,分类二 外中断 内中断,2007年春 操作系统 2005级,中断源,外中断 概念：又称中断，指来自处理器和主存之外的中断。 细类：电源故障中断、时钟中断、控制台中断、它机中断和I/O中断等。 不同的中断具有不同的中断优先级，处理高一级中断时，往往会屏蔽部分或全部低级中断。,2007年

14、春 操作系统 2005级,中断源,内中断 概念：又称异常，指来自处理器和主存内部的中断。 细类：通路校验错、主存奇偶错、非法操作码、地址越界、页面失效、调试指令、访管中断、算术操作溢出等各种程序性中断。 异常是不能被屏蔽的，一旦出现应立即响应并加以处理。,2007年春 操作系统 2005级,中断源,分类三 硬中断 软中断,2007年春 操作系统 2005级,中断源,分类三： 硬中断 中断和异常要通过硬件设施来产生中断请求 软中断 不必由硬件发信号而能引发的中断称软中断，软中断是利用硬件中断的概念，用软件方式进行模拟，实现宏观上的异步执行效果。,2007年春 操作系统 2005级,中断装置,发现

15、中断源并产生中断的硬件称中断装置。 所有计算机系统都采用硬件和软件结合的方法实现中断处理。 任务： 发现中断源 保护现场 启动处理中断事件的程序,2007年春 操作系统 2005级,IBM PC中断响应过程,外中断旧PSW 访管中断旧PSW 程序中断旧PSW 机器故障中断旧PSW I/O中断旧PSW外中断新PSW 访管中断新PSW 程序中断新PSW 机器故障中断新PSW I/O中断新PSW,18 20 28 30 3858 60 68 70 78,现行PSW,中断时保存现行PSW,中断时装入 现行PSW,中断后恢复PSW,主存专用双字单元(16进制),装配中断码,2007年春 操作系统 200

16、5级,中断处理程序,概念： 处理中断事件的程序称为中断处理程序。 主要任务是处理中断事件和恢复正常操作。 不同中断源对应不同中断处理程序，故快速找到中断处理程序的入口地址是一个关键问题。,2007年春 操作系统 2005级,中断处理程序,任务： 保护未被硬件保护的一些必需的处理状态； 识别各个中断源，分析产生中断的原因； 处理发生的中断事件； 恢复正常操作。,2007年春 操作系统 2005级,中断优先级与多重中断,中断优先级 计算机执行的每一瞬间，可能有几个中断事件同时发生，中断装置如何来响应同时发生的中断呢?它按照预定顺序来响应，这个预定顺序称中断的优先级，首先响应优先级高的中断事件。 中断的屏蔽 主机可允许或禁止某类中断的响应，如允许或禁止所有的I/O中断、外部中断、及某些程序性中断。 有些中断是不能被禁止的，例如，计算机中的自愿性访管中断就不能被禁止。,