处理器管理

2.1 处理器

2.1.1 处理器与寄存器

• 用户程序可见寄存器：减少访问主存储器
• 控制与状态寄存器
• 程序状态字

2.1.2 指令与处理器模式

• 机器指令：计算机系统执行的基本命令，中央处理器执行的基本单位
• 指令执行过程：取指——解码——执行
• 特权指令和非特权指令
• 模式切换

2.2 中断管理

2.2.1 中断与中断源

• ==中断==：程序执行过程中，遇到急需处理的事件时，暂时中止CPU上现行的程序，转去执行相应的事件处理程序，待处理完成后再返回原程序被中断处或者调度其他程序执行的过程
• 操作系统是中断驱动的，中断是激活操作系统的唯一方式
• 狭义的中断：来源于处理器之外的中断事件，与当前执行指令无关的中断事件
• 异常：当前运行指令引起的中断事件=》非正常
• 系统异常：执行陷入指令出发系统调用：请求设备、请求I/O、创建进程等
• 中断源：
  • 硬件故障
  • 程序性中断——异常
  • 自愿性中断——系统调用、陷入指令
  • I/O中断事件——IO处理
  • 外部中断事件——设备引起的中断（时钟、键盘）

2.2.2 中断系统

• 中断系统是计算机系统响应并处理中断的系统

  • 硬件子系统=》中断响应
  • 软件子系统=》中断处理

• 中断响应处理 =》在每个指令周期的最后进行

• 中断装置：计算机系统发现并相应中断的硬件装置

  • 处理器以外的中断：中断控制器发现并响应
  • 处理器以内的异常：指令的控制逻辑和实现线路发现并响应
  • 请求OS服务的系统异常

• 中断控制器：控制部件，中断控制逻辑线路+中断寄存器

  • 外部设备发出IRQ=》在中断寄存器中设置已发生的中断
  • 在指令处理结束前，检查中断的产生

• 中断响应过程

  

2.2.3 多中断的响应与处理

• 中断屏蔽可以使中断装置不响应某些中断
• 中断优先级决定了中断装置响应中断的次序
• 中断嵌套有层数限制
• 中断的嵌套处理改变了中断处理的次序（先响应后处理）

2.3 进程管理

2.3.1 进程及其状态

• 进程：一个具有一定独立功能的程序关于某个数据集合的一次运行活动

• 进程是操作系统进行资源分配和调度的一个独立单位

• 一个进程包括五个实体部分：P（管理运行程序的数据结构）、C（内存代码）、D（内存数据）、R（通用寄存器信息）、PSW（程序状态字信息）

• 代码、数据、运行时间的不同都意味着不同的进程

• 状态

  • 运行态：进程占有处理器
  • 就绪态：进程具备运行条件等待被处理器选中运行
  • 等待态：等待资源、输入输出、信号等而不具备运行条件

  

• 挂起态：某些进程被剥夺了内存及其他资源，调入OS管理的对换区，不参加进程调度，等待适当时候再调入内存、恢复资源、参与运行 =》 进程挂起（不占据任何资源）

2.3.2 进程的数据描述

• 进程控制块：PCB，OS用于记录和刻画进程状态及环境信息的数据结构，借以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
  • 标识信息：唯一标识进程
  • 现场信息：用户可见寄存器、控制与状态寄存器、栈指针内容
  • 控制信息
• 进程映像：某一时刻进程的内容及其执行状态集合。进程映像是内存级的物理实体，又称为进程的内存映像
  • 进程控制块
  • 进程程序块
  • 进程数据块
  • 核心栈（内核模式）
• 进程上下文：进程物理实体+支持进程运行的环境=》进程上下文
  • 用户级上下文
  • 寄存器上下文
  • 系统级上下文

2.3.3 进程管理的实现

• 建立多个进程队列=》就绪队列和等待队列=》先进先出队列和优先队列

• 进程的控制和管理

• 进程控制过程中涉及对OS核心数据结构的修改需要使用原语

• 进程切换

  

2.4 多线程技术

2.4.1 多线程环境概述

• 单线程结构进程的问题：
  • 进程切换开销大
  • 进程通信开销大
  • 限制了并发进程的粒度
  • 降低了并行计算的效率
• 多线程环境下，进程是OS进行保护和资源分配的基本单位；线程是调度的基本单位，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。
• 多线程优点：线程切换快速；减少管理开销；通信易于实现；并行程度提高；节省内存空间
• 多线程应用：前后台工作、C/S应用模式、加快执行速度、设计用户接口

2.4.2 多线程的实现技术

• 内核级多线程（KLT）：线程管理的所有工作由OS内核来做

  • 线程切换需要内核参与=》模式切换=》系统开销大
  • 物理并行性问题

• 用户级多线程（ULT）：线程管理的所有工作都由应用程序完成，内核没有意识到线程的存在

  • 线程切换不需要内核参与；但是不能利用多处理器的优点，线程的阻塞会引起整个进程的阻塞
  • 逻辑并行性问题

• Jacketing技术

  

  • 解决ULT中一个线程的阻塞引起整个进程阻塞的问题
  • 线程不是直接进行系统调用，而是调用jacketing程序，由jacketing程序来检查线程所需资源是否空闲，如果不空闲的话就进行线程切换（如果不使用jacketing技术，该线程就会陷入系统调用然后被阻塞），当该线程再次被赋予时间片的时候，jacket程序会再次检查资源是否空闲
    • 阻塞式系统调用=》非阻塞式

• 混合式策略：组合用户级线程和内核级线程

  • 一个应用中的ULT会被映射到一个或多个KLT上

  • 线程的创建、调度和同步完全是在用户空间完成的

  • 调度图

    

内核级线程	用户级线程	混合式线程

2.5 处理器调度

2.5.1 处理器调度层次

• 高级调度（长程/作业调度）：决定能否加入到执行的进程池中
  • 新建态=》就绪态/就绪挂起态
  • 是否新建？是否加入进程池中？运行前的准备
• 中级调度（平衡负载调度）：决定主存中可用的进程集合（挂起相关）
  • 为了提高内存利用率和作业吞吐量
  • 决定哪些进程留在主存中参与处理器竞争，哪些进程换出主存
• 低级调度（短程/进程调度）：决定哪个可用进程可以占用处理器执行（核心三态模型之间的调度）

2.5.2 处理器调度算法

• 优先数调度算法：根据分配给进程的优先数
  • 抢占式/非抢占式
  • 优先数确定准则：任务紧迫程度、交互性、使用外设频率、进入系统时间长短
  • 计算时间短、剩余计算时间短、响应比（等待时间/进入时间）高优先、先来先服务
• 时间片轮转调度算法：根据进入就绪队列的时间先后轮流占有CPU一个时间片
• 分级调度算法：多级队列策略
  • 
• 彩票调度算法：随机？根据优先级发放彩票数量（优先级高彩票数量多）调度=》随机抽彩票