06-课件：任务与处理机管理

1.程序执行的基本过程
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。
2.指令功能分类
机器指令的集合称指令系统。指令分为以下五类： (1)数据处理类指令：执行算术和逻辑运算。 (2)转移类指令：改变指令执行序列，如无条件转移、条件转移 等。 (3)数据传送类指令：用于在处理器的寄存器和寄存器、寄存器 和存储器单元、存储器单元和存储器之间交换数据。
一、单处理器系统和多处理器系统(4)
§ 对称式多处理器系统(SMP)中有两个或两个以上的处理器，操
作系统内核可以运行在任意一个处理器上。每个处理器都可以自 我调度运行的进程和线程，单个进程的多个线程可在不同处理器 上同时运行。操作系统内核也被设计成多进程或多线程，内核的 各个部分可以并行执行。
2）松散耦合MIMD系统 每个处理单元都有一个独立的内存储器， 各个处理单元之间通过设定的线路或网络通信，多计算机系统和 集群（Cluster）系统都是松散耦合MIMD系统的例子。
这些寄存器可分成以下几类：
§ 通用寄存器：可由程序设计者指定许多功能，如存放操作
数或用作寻址寄存器。
§ 数据寄存器：存放操作数，作为内存数据的高速缓存。 § 地址寄存器：指明内存地址，如索引寄存器、段寄存器、
堆栈指针寄存器等。
§ I/O地址寄存器：指定I/O设备。 § I/O缓冲寄存器：用于处理器和I/O设备交换数据。
三、特权指令与非特权指令 (2)
(4)移位与字符串指令：算术、逻辑、循环移位；字符串的传送、 比较、查询、转换。 (5)I/O类指令：用于启动外围设备，让主存和外围设备之间交 换数据。

第3章 处理机管理
3.1 处理机调度概述
3.1.1 处理机调度的三个层次 3.1.2 进程调度的功能、时机和基本策略 3.1.3 调度算法的性能评价指标 3.3.3 优先级调度算法 3.3.4 多级队列调度算法
3.3.5 多级反馈队列调度算法
3.4 实时处理与实时调度算法
3.4.1 实时处理的特征
3.4.2 最早截止时间优先调度算法 3.4.3 速率单调调度算法
. 中级调度是介于高级调度和低级调度之间的一种调度，如果系统为进程
时间片到 高级调度 后备作业队列 作业 中级调度 交互用户 事 件 发 生 就绪/挂起队列 就绪队列 低级调度 CPU 释放
.
阻塞/挂起队列
中级调度
高级调度执行的频繁程度很低，它 只是粗略地决定是否接受一个新进程以 阻塞队列 及接受哪一个；中级调度为了实施交换 决策，执行的频率相对要频繁一些；低 级调度要精确地决定执行哪一个进程，因此执行的频度为最高。
.
开始运行时间 完成时间 周转时间 0 3 11 15 9 3 9 15 20 11 3 7 11 14 3
带权周转时间 1 1.17 2.75 2.80 1.50
. 作业调度的gantt图 ：
作业A 作业B 6 作业E 2 作业C 4 作业D 5
.
3
五个作业的调度顺序是A→B→E→C→D。
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3.2.3 最短剩余时间优先调度算法
列里挑选所需运行时间最短的作业投入运行。运行过程中，若有运行时间更 短的作业达到，那么它就抢占CPU，让当前正在运行的作业暂停执行。 例3-5 ： 有5个作业A~E，情况如表所示，按照SRTF进 作业 到达时间 所需CPU时间 行作业调度。计算它们的开始运行时间、完成时间、周 A 0 3 转时间以及带权周转时间。 B 2 6 解： 各自的开始运行时间、完成时间、周转时间以及 C 4 4 D 6 5 带权周转时间如下所示。

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例题2：哲学家吃通心面问题
有五个哲学家围坐在一 圆桌旁，桌中央有一盘 通心面，每人面前有一 只空盘于，每两人之间 放一把叉子。每个哲学 家思考、饥饿、然后吃 通心面。为了吃面，每 个哲学家必须获得两把 叉子，且每人只能直接 从自己左边或右边去取 叉子 。
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var forki:array[0..4] of semaphore;
forki:=1;
cobegin
process Pi
/*i=0,1,2,3,4*/
begin
L1:
思考；
P(fork[i]);
P(fork[(i+1)mod 5]);
吃通心面；
V(fork[i]);
V(fork[(i+1)mod 5]);
goto L1;
end;
coend
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V(s)：将信号量s加1，若结果不大于0， 则释放一个等待信号量s的进程。
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信号量与PV操作——记录型信号量(2)
推论1：若信号量s为正值，则该值等于在封锁 进程之前对信号量s可施行的P操作数、亦等于 s所代表的实际还可以使用的物理资源数
推论2：若信号量s为负值，则其绝对值等于登 记排列在该信号量s队列之中等待的进程个数、 亦即恰好等于对信号量s实施P操作而被封锁起 来并进入信号量s队列的进程数
临界区：进程访问临界资源的那段代码
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例题：
Lock和Unlock
X：代表临界资源状态Fra bibliotekX＝0表示资源可用；X＝1表示资源正在使用
Lock(x)
L: if x=1 then goto L ;/*正在使用,继续测试*/

进程的定义与状态
总结词
进程是程序的一次执行，具有动态性、并发性和独立 性。进程的状态包括新建、就绪、运行和阻塞。
详细描述
进程是程序在某个数据集合上的一次执行过程，是系 统进行资源分配和调度的基本单位。进程具有动态性 ，即进程的创建、撤销和切换是动态发生的。进程还 具有并发性和独立性，即多个进程可以同时执行，且 每个进程拥有独立的地址空间和系统资源。进程的状 态根据其执行情况和资源需求的不同而有所变化，包 括新建、就绪、运行和阻塞等状态。
个进程可以相互交换数据、协调工作，共同完成复杂的任务。
进程的优先级与调度
总结词
操作系统根据一定的调度算法为就绪状态的进程分配 处理机，以实现资源的合理利用和提高系统的吞吐量 。
详细描述
在多道程序环境下，操作系统需要根据一定的调度算 法为就绪状态的进程分配处理机，以实现资源的合理 利用和提高系统的吞吐量。常见的调度算法包括先来 先服务、最短作业优先、优先级调度等。这些算法各 有优缺点，适用于不同的场景和需求。在选择调度算 法时，需要考虑系统的负载情况、资源的利用率、响 应时间等因素，以确保系统的性能和稳定性。
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线程管理
线程的定义与状态
总结词
理解线程的定义和状态是线程管理的 基础。
详细描述
线程是操作系统中的基本执行单元， 具有独立执行的特性。根据其执行状 态，线程可分为就绪状态、阻塞状态 和运行状态。
线程的创建与终止
总结词
掌握线程的创建和终止方法是实现多线程程序的关键。
详细描述
线程可以通过系统调用或库函数创建，并为其分配资源。当线程完成其任务或 需要终止时，应正确地释放资源并结束线程。
产生条件
互斥条件、请求和保持条件、不剥夺 条件、环路等待条件。

1. 算法
我们可以把算法定义为：问题求解步骤 的准确描述。算法具有如下性质：
解题算法是一个有穷动作序列； 动作序列仅有一个初始动作； 序列中每一个动作仅有一个后继动作； 序列终止表示问题解决还是没有得到解
决。
2. 程序
程序是对一个复杂的计算〔问题〕用一种形 式化的语言对其初始数据与操作进展形式化 描述的一个算法。
4. 程序并行执行的特征
程序的并行执行虽然增加了系统的处理能 力和机器的利用率，但也产生了与顺序程 序不同的新特征。
〔1〕失去了程序的封闭性 〔2〕程序并行执行时的相互制约关系
3．1．2 进程的定义
通过上述分析可知，程序在并行执行时已不能 描述不封闭性和“执行-暂停-执行〞活动规律， 需要有一种新的概念工具来描述以下特征：
一步都应在下一步开场之前完成〔不存在并行〕。这 一特点就是我们所说的程序的顺序性。 (2) 环境处在“程序〞的完全控制之下，它决不以任何 方式变化，除非这种变化是程序所采取的步骤导致的 结果。这个特点被称为程序的封闭性。 (3) 除了要求在合理的时间内获得结果外，任一操作所 花费的时间对程序的运行而言是无关紧要的，即使在 任一操作之间有一暂时间歇也没有关系。程序所产生 的结果是其输入数据的函数而与时间无关。只要程序 执行的初始条件一样，其结果是可以再现的 。
3. 程序的并行执行和资源的共享
为了合理地使用系统资源，充分发挥各种资源的 作用，最大限度地提高系统的效率，引进多道程 序设计技术。又由于计算机技术的不断开展而出 现了中断技术、分时处理和各种新型构造，如多 CPU系统的出现，导致现代操作系统出现了许多 诸如并发性、资源共享性等许多新的特征。
〔1〕并行操作 〔2〕资源共享
位。 〔4〕异步特征 进程按照各自独立的，不可预知的速度向前推进，所以要求系统

事实上许多计算机资源是不可能同时使用的，他们的共享也只能是时间 上的分割。
从微观上看，各用户程序并没有同时使用计算机的资源。
这种宏观上和微观上的巨大差异，要求操作系统经过特殊处理，通过微 观上细致地分配与管理来达到宏观上的效果
-
4
概述
•程序
由于程序具有以上这三个特点，因而称程序是
程序是适合于计算机处理的一系静列态的的指，令而，程按序照概一念定刚的刚逻产辑生要时求期被的划外分部成环多境个，相关
如C在造处所于P果运成于有就U将行等等时能绪操。待待间够状作的状轴态运系条态上。行统件的的而的是进任没运各程何有行种也时被也各按刻运看样不，行作的同都的进的有进程等一程，待个都则条进处在程 当然件或进被处少程运于处行不于。同运的行等态待时队，列它之中所，拥有数的量程或序多必
7
进程及其状态
并发程序的存在是进程产生的直接原因，因此，进程必然具有并发程序 的特征，即动态性、制约性、并发性。一般情况它存在于多道程序环境 中，是操作系统直接处理的实体
•进程的定义 •进程的状态及其转换 •进程描述机构和进程实体
-
8
进程及其状态
•进程的定义
比较典型的定义是：进程是并发程序的一次执行过程；进程是一个具有
在多用户系统中，每一个用户都通过执行他的程序来争夺系统资源，而系统资
源是有限的，这就可能产生冲突
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5
概述
•并发程序
并并发发程程序序在三逻辑个上特并点行：，而在物
理上串行
动态性 ：并发程序的外部环境在不
C序断用可P地户预片U发决测断串生定的，行着的，这地变，这就执化其要是行运看。物着行当程理一时时序上间系定运和统的大行顺的串是小序情由行的是况联程不机

1. 程序执行是断断续续的； 2. 程序与其它程序共享资源； 3. 程序的执行过程不可再现。
.
34
１、程序执行的不连续性
单道程序执行： 等待CPU 输入输出
执行
3 2 1
多道程序执行（以分时系统为例）：
3 2 1
.
35
2、与其它程序共享资源
• 从上例可以看出，多道程序在执行时， 一个程序要与其它程序共享CPU资源， 实际上，在多道程序运行时，包括内存、 外部设备在内的各种资源都需要共享 （竞争），在后面的内存管理和设备管 理章节中会有更详细的阐述。
后备作业和作业控制块
• 被接纳到辅助存储器的作业，在没有投入运 行之前，被称为后备作业。
• 系统在接纳后备作业的时候，会为其建立一 个作业控制块（Job Control Block）。所有 后备作业的JBC形成一个后备作业队列。
• 作业控制块（JCB）包括了作业说明书的主 要内容，也包括一些作业状态等信息。 （P31 图2-18）
.
30
程序的概念
• 程序是人们为了让计算机完成某 项任务，按照执行时间顺序而编 写的指令序列。
.
31
程序的特点
1. 连续执行——人们在编写时都假设， 自己的程序将一次执行完毕。
2. 独占资源——人们在编写时都假设， 自己的程序将无条件享有所需要的各 种资源。
3. 过程再现——人们在编写时都假设， 当程序重复运行时，每一时刻的状态 和结果都能够重复再现。
.
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SJF算法的缺点
但如果在系统运行过程中，仍不断有短作业 进入后备，则长作业前面就不断有“插队” 的，在极端情况下造成长作业永远得不到运 行，这对长作业是不公平的。
因此希望有一种算法能兼顾作业申请CPU 时间和在辅存中已等待时间这两方面的因素。

第3章 处理机管理
3.3 常用的调度算法
7、多级反馈队列轮转法 特点 （1）多个就绪队列 （2）各个队列进程的优先级不同， 时间片长度也不同。
第3章 处理机管理
3.3 常用的调度算法
进程调度的时机和过程 1、时机
（1）进程主动放弃CPU ★进程运行结束 ★正在运行的进程调用阻塞原语将自己阻塞并进行等待 （2）进程被动放弃CPU（即CPU被抢占） ★时间片用完 ★有更高优先级进程进入就绪队列
第3章 处理机管理
3.3 常用的调度算法
进程调度的时机和过程
2、过程 （1）保存原运行进程现场 （2）根据算法选择一个就绪进程占用CPU （3）恢复新选中进程的现场
进程调度程序流程
输入：无
输出：无
{ while（没有进程被选中运行） { 提高CPU优先级为最高；
for （所有在就绪队列中的进程）
系统性能最好
实现算法较难
第3章 处理机管理
3.3 常用的调度算法
3、最高响应比优先
宗旨 优点 缺点
响应比高者就先占用CPU！
系统性能折中
实现算法有点难
第3章 处理机管理
3.3 常用的调度算法
4、优先级算法
宗旨
将CPU分给优先级最高的进程！关键来自如何确定各进程的优先级！
第3章 处理机管理
3.3 常用的调度算法
（切换）。系统为用户态下的进程定期计算其优先数。
（2）对p-cpu的处理方式 A、在每次时钟中断处理程序中，都对当前运行进程的p-cpu加1。 B、每秒一次对所有进程的p-cpu值用一个衰减函数进行衰减 （p-cpu = p-cpu/2），同时按公式对用户态的进程重新计算其ppri的值。
第3章 处理机管理

过去设备使用部门大都只管设备的后半生（设备使用
期），因为设备由基建或技措部门选型、购置进厂后，才 由设备使用部门验收，开始管理到报废为止。而目前设备 的日常管理，分设备的构成期与设备的使用期两个阶段。 自制设备从计划开始到设备装配试车完毕是设备的构成期； 其后一阶段直至设备的报废为使用期。
二、设备管理的内容： 1、设备物质运动形态的管理：指设备的选型、 购置、安装、调试、验收、使用、维护、修理、更 新、改造、直到报废。 2、设备价值运动形态的管理：指从设备的 决策、自制费、维护费、修理费、折旧费、占用税、 更新改造资金的筹措到支出，实行企业设备的经济 管理，使其设备一生总费用最经济。 3、主要工作内容：设备的合理购置、设备的正 确使用与维护、设备的检查与修理、设备的更新改 造、设备的安全经济运行、合理组织生产
设备管理的任务和前期管理
一、设备管理 的定义：设备管理的全过程，就是设备
的日常管理。它是从设备的计划开始，对研究、设计、制 造、检验、购置、安装、使用、维修、改造、更新、直至 报废的全过程管理，是一项兼有技术、经济、业务三方面 的技术管理工作。
设备管理的全过程涉及到设备的设计、制造、安装、
使用等许多部门和单位，所以从宏观范围来看，设备的日 常管理是社会管理。而对使用设备的企业来说，企业的设 备日常管理是一个企业范围内的微观管理。
合；技术管理与经济管理相结合；设备管理与生产相结 合；设计、制造与使用相结合；设备维护保养与计划检 修相结合；设备维修与技术改造相结合；设备管理与技 术开发及智力开发相结合；思想政治工作与物质奖励相 结合
七、设备管理的发展过程：1、事后维修阶段； 2、 设备预防维修管理阶段；3、设备系统管理阶段；4、设 备综合管理阶段
三、设备管理的主要目装备，采取有效 措 行 行 础 对 产施，生。保品四，来产它证更、保 保 和 标 企 新设证 证 再 志 业 换备设 企 生 着 增 代管备 业 产 国 加 和理高获的家生降的效得物现产低意率最质代、成义、好基化确本：长的础程保等设周经，度产，备期济也和品都管、是科质效具理安现学量益有是全 代 技 、。十保、 化 术 发分证经 生 水 展重企济 产 平 品要业地 的 。 种的进运 基 它 、意 一合而空管①造的 ①过开设2设2二其设 其⑤4二2措设空更二2设一个2④三、、、、．、、理目气理环、是去始备备、后备后做、施备气新、备、环、设 设设 设 设 设南 其设 地 前 压 ， 境 设 用设 管 管 维 设 一 维一 好 设 ， 管 压 改 设 管 设 节 设备备 备备备备宁它备选设缩使和备技 备理理修备阶修 阶初备保理缩造备理备备预价 综价的预市相管购备机其设的术 使到的与管段与 段期管证与机资前与前使防值 合值安防的关理设的站设备安上 用报全技理直技 直故理设生站金期生期用维运 管运装维交的备日应备的全先 部废过术的至术 至障的备产应的管产管初的修动 理动修通信，常远一相经进 门为程改内设改 设的内高相远筹理相理期定管形 阶形管管息可管离生互济、 大止涉造容备造 备原容效结离措的结的管义理态 段态理制处以理仪总影运经 都。及相：的相 的始：率合仪到重合定理：阶的的阶情理使，器费响行济只到结报结报记、；器支要；义的设段管 管段况企分仪用、上 管设合废合 废录长仪出性：主备；理 理；（业设表最合合 设备；为； 为周表，：设要管： ：什以备控经理理 备的使使期控实设备内理指 指么有的制济组的 的设用用、制行备的容的从 从车限构中。织装 后计期期安中企的规：全设 设型的成心生备 半、。。全心业规划过备 备适设期。产， 生制、。设划决程的 的合备与采 （造经备关策，在设取 设、济的系、就获南备有 备安地经到外是得宁的效 使装运济企购设最市使用、行业设备大行用期使，规备的的驶期）用来划的日生）两，等保决选常产个因许证策型管经阶为多企的采理济段设部业大购。效。备门获局和益由和得。自。基单最制建位好设或，的备技所经的措以济设部从效计门宏益制选观。造型范，、围设购来备置 看 的进，安厂设装后备调，的试才日和由常设设管备备理使使是用用社的部会初门管期验理管收。理，四