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1、1,第三章 處理程序的說明及控制Process Description and Control,所有多重程式(multi-programmed)作業系統都建立在process的概念大部分作業系統需滿足的需求交錯多個process的執行,在理想反應時間下達到最大的處理器使用率。遵從特定的政策(例如,高優先權)來配置資源給process,且避免死結的發生。支援process間的相互通訊(inter-process communication)、使用者process的建立。從了解process的表示與控制,開始學習作業系統!,2,3.1 處理程序的狀態,從處理器的觀點看process交錯執行處理器藉
2、由改變程式計數器(Program Counter, PC)的數值,依序執行指令。追蹤process的軌跡(trace):列出每個process執行指令的順序。,處理程序A, B, C的軌跡,50008000120005001 800112001500280021200250038003120035004120045005 120055006 12006500712007500812008500912009501012010501112011(a)(b)(c),Figure 3.1 Snapshot of Example Execution (Figure 3.3) at Instruction
3、 Cycle 13,3,4,所有處理程序結合的軌跡,500050015002500350045005-時間到1001011021031041058000 8001,80028003-I/O請求100101102103104105120001200112002120031200412005,-時間到100101102103104105500650075008500950105011-時間到100101,102103104105120061200712008120091201012011-時間到,Figure 3.3 Combined Trace of Processes of Figure 3.
4、1,5,雙狀態(two-state)處理程序模型,Process的兩種狀態:執行(Running) 未執行(Not Running) 。中斷的process被移至等待佇列中。分派程式由佇列中選擇一個process執行。,6,建立處理程序的原因,新的批次工作:讀入下一個工作控制命令(Job Control Command) 。互動式登入:使用者在終端機登入到系統。被作業系統建立來提供服務:產生新process以進行特定功能,避免使用者等待。由現有的process產生:為了模組化或平行處理,使用者程式可建立其他process。Process產生另一Process時,彼此為親子關係 (Parent
5、and Child)。,7,處理程序終止的原因,正常完成 (Normal completion)批次工作下達停止(Halt)指令或系統呼叫。使用者登出。Process發出終止執行的請求。執行時發生錯誤:超過時間限制(Time limit exceeded)、記憶體不足(Memory unavailable)、違反記憶體邊界(Memory bounds violation)保護錯誤(Protection error):write to read-only file算術錯誤(Arithmetic error):除以0,或超出最大值。時間超過(Time overrun) :process waite
6、d longer than a specified maximum for an event管理者或作業系統介入(如發生deadlock) 、輸出入失敗(I/O failure)、不合法指令(Invalid instruction)、特權指令(Privileged instruction)、資料誤用、parent process要求、parent process終止。,8,五狀態(five-state)處理程序模型,雙狀態模型不完備之處未執行狀態的process有兩種情形:(1)可以執行;(2)等待I/O動作的完成而被懸置(blocked) 。分派程式必須掃描整個佇列,找出未被懸置且等待最久的
7、process。擴充雙狀態模型成為五種狀態執行中(Running)未執行狀態再區分為: 備妥(Ready);懸置(Blocked)另為方便管理process,新增二種狀態:新建(New):剛被系統建立,尚未允許進入執行區。(尚未載入主記憶體,僅建立表格)離開(Exit):因停止或取消,被系統由執行區離開。(釋放佔用的主記憶體,但保留相關表格),9,五狀態處理程序模型(續),10,Figure 3.6 Process States for Trace of Figure 3.3,圖3.7(a)有兩個佇列:備妥佇列與懸置佇列圖3.7(b)對每一事件分別有一佇列,Figure 3.7 Queuing
8、 Model of Figure 3.5,11,12,置換的需要 The need for swapping,在未使用虛擬記憶體的系統,每個process必須完全地載入記憶體中才能執行。由於處理器比I/O動作快太多,即使在多工環境下,處理器大部分時間仍處於閒置狀態。解決方法:容納更多的process擴充主記憶體:如此會增加成本。置換(swapping) :將process的部分或全部由主記憶體移至磁碟上,本身也是I/O動作。使用置換,需增加新的狀態:暫停(suspend ) 當所有主記憶體中的process都處於懸置狀態時,系統可將某個process暫停,並置換至磁碟,其所佔據的主記憶體空間就
9、可釋放出來給其他process使用。,13,置換之後,選擇載入process的方法容許新process的產生。問題:將增加系統的負擔。載入一處於暫停狀態的process。問題:所有暫停process都是被懸置的process,即使載入也仍無法執行。,單一暫停狀態,14,雙暫停狀態,有兩個獨立的概念:是否等待事件(懸置)、是否被置換(暫停)2 * 2組合:共四種狀態:(1)備妥;(2)懸置;(3)懸置,暫停;(4)備妥,暫停。,15,暫停的其他使用,暫停process的概念Process無法立即被執行。Process可能在等待某個事件。Process可被其他process或作業系統置於暫停狀態。
10、Process不能離開這個狀態,直到讓它陷入暫停狀態的人解除為止。process暫停的原因置換:作業系統必須釋出主記憶體空間,以容許載入其他process。其他作業系統理由:作業系統可能會暫停背景、工具或產生問題的process。互動使用者要求:使用者希望暫停某一process。時間:如週期性執行的process。parent process要求。,16,3.2 處理程序描述 Process Description,作業系統控制結構作業系統要管理process與資源,必須擁有各process與資源目前狀態的資訊。最簡單的方法:作業系統建立並維護所管理實體的資訊表格,包括:記憶體、輸出入(I/O
11、)、檔案、Process。,Figure 3.9 Processes and Resources (resource allocation at one snapshot in time),17,Figure 3.10 General Structure of Operating System Control Tables,18,Process的控制結構,Process的位置影像(image):即Process的構成,包含:程式、資料、堆疊與屬性。Process的image的位置:(a) 連續的記憶體區塊; 或(b) 一系列不一定連續的區塊。區塊可為不同長度(區段, Segment) ,或使用
12、固定長度(頁, page) ,或二者結合。Process的屬性Process控制區塊(Process Control Block):所有屬性的集合。,19,Process控制區塊,Process識別資訊(identification information):該process的識別碼、parent process的識別碼、使用者識別碼Process狀態資訊(state information):使用者可見暫存器;控制與狀態暫存器:Program Counter, Program Status Word, 堆疊指標。Process控制資訊(control information):優先權、排班相
13、關資訊、事件、結構資訊(process間的資料結構鏈結)、process間通訊(inter-process communication)、process的權限、記憶體管理、資源所有權與使用率。,20,處理程序的屬性- Pentium EFLAGS暫存器,控制位元:ID識別碼:是否支援CPUID指令,該指令提供製造商、型號資訊。RF:繼續旗標(Resume flag)。IOPL:輸出入特權層級(I/O privilege level)IF:中斷致能旗標(Interrupt enable flag)。TF:陷阱旗標(Trap flag) ,使所有指令的執行產生中斷,以用來偵錯。運作模式位元VM:虛
14、擬8086模式(Virtual 8086 mode)。VIF (Virtual interrupt flag):用於虛擬8086模式,取代中斷致能旗標(IF)。狀況代碼CF:進位旗標(Carry flag)。,21,Figure 3.12 User Processes in Virtual Memory,22,Figure 3.13 Process List Structures,23,3.3 處理程序控制,大部分處理器支援至少兩種執行模式較低特權的模式:稱使用者模式(user mode)。較高特權的模式:稱系統模式(system mode )、控制模式(control mode)、或核心模式
15、(kernel mode)。理由:作業系統本身及其表格有保護的必要。執行模式的區別及改變程式狀態字組(Program Status Word, PSW)有一位元表示執行模式。VAX的改變模式指令(CHM):使用者呼叫系統服務,或發生中斷控制轉移至系統常式時,常式就執行CHM指令返回控制權給使用者process前,再執行一次CHM進入較低特權模式。Process的建立配置一process識別碼,在process表格中加入一新項目。分配空間,包含process影像(image)的所有元素。Process控制區塊(Process Control Block)的初始化。設定Process的鏈結、各種P
16、rocess佇列、其他資料結構。,24,處理程序切換 (process switch),何時process切換?作業系統取得控制權的事件:中斷(Interrupt):由外部發出,例如:I/O動作完成。時鐘中斷(Timer Interrupt),輸出入中斷(I/O Interrupt),記憶體錯誤。陷阱(Trap) :與目前執行的指令相關,例如:非法存取檔案。An error resulted from the last instruction. It may cause the process to be moved to the Exit state. 監督者呼叫 (Supervisor Call):程式明確要求,例如:開啟檔案。explicit request by the program (ex: file open). The process will probably be blocked. 中斷週期的模式切換(Mode Switch)儲存目前執行中程式的序文(context):PSW, PC, 其他暫存器、堆疊。將程式計數器(PC)設至中斷處理器的位址。由使用者模式切換至核心模式,讓中斷處理程式可執行特權指令。,