計算機(jī)組成原理第9章ppt課件

1、2022-4-25第九章操作系統(tǒng)支持第九章操作系統(tǒng)支持前往計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心2022-4-25第九章操作系統(tǒng)支持第九章操作系統(tǒng)支持 操作系統(tǒng)是管理計算機(jī)資源并為用戶操作系統(tǒng)是管理計算機(jī)資源并為用戶提供服務(wù)的系統(tǒng)軟件，作為硬件與應(yīng)用軟提供服務(wù)的系統(tǒng)軟件，作為硬件與應(yīng)用軟件之間的接口，操作系統(tǒng)起著承上啟下的件之間的接口，操作系統(tǒng)起著承上啟下的作用。了解操作系統(tǒng)與硬件之間的相互關(guān)作用。了解操作系統(tǒng)與硬件之間的相互關(guān)系有助于理解計算機(jī)系統(tǒng)的整體工作過程。系有助于理解計算機(jī)系統(tǒng)的整體工作過程。本章僅就操作系統(tǒng)與硬件關(guān)系最密切的處本章僅就操作系統(tǒng)與硬件關(guān)系最密切的處理機(jī)調(diào)度與存儲

2、管理問題進(jìn)行討論。理機(jī)調(diào)度與存儲管理問題進(jìn)行討論。計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心2022-4-259.19.1操作系統(tǒng)概述操作系統(tǒng)概述一、操作系統(tǒng)的概念一、操作系統(tǒng)的概念 計算機(jī)系統(tǒng)大體上可以分為三個部分：硬件、系統(tǒng)計算機(jī)系統(tǒng)大體上可以分為三個部分：硬件、系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。硬件是所有軟件運(yùn)行的物質(zhì)基礎(chǔ)。軟件和應(yīng)用軟件。硬件是所有軟件運(yùn)行的物質(zhì)基礎(chǔ)。 操作系統(tǒng)簡稱操作系統(tǒng)簡稱OSOS則是最重要的系統(tǒng)軟件，是管則是最重要的系統(tǒng)軟件，是管理計算機(jī)系統(tǒng)資源、控制程序執(zhí)行的系統(tǒng)軟件。操理計算機(jī)系統(tǒng)資源、控制程序執(zhí)行的系統(tǒng)軟件。操作系統(tǒng)作為計算機(jī)用戶與計算機(jī)硬件之間的接口程作系統(tǒng)作為計算機(jī)

3、用戶與計算機(jī)硬件之間的接口程序，向用戶和應(yīng)用軟件提供各種服務(wù)，合理組織計序，向用戶和應(yīng)用軟件提供各種服務(wù)，合理組織計算機(jī)工作流程，并為用戶使用計算機(jī)提供良好運(yùn)行算機(jī)工作流程，并為用戶使用計算機(jī)提供良好運(yùn)行環(huán)境。環(huán)境。 操作系統(tǒng)已經(jīng)成為現(xiàn)代計算機(jī)系統(tǒng)不可分割的重要操作系統(tǒng)已經(jīng)成為現(xiàn)代計算機(jī)系統(tǒng)不可分割的重要組成部分。操作系統(tǒng)依托計算機(jī)硬件并在其基礎(chǔ)上組成部分。操作系統(tǒng)依托計算機(jī)硬件并在其基礎(chǔ)上提供許多新的服務(wù)和功能，從而使用戶能夠方便、提供許多新的服務(wù)和功能，從而使用戶能夠方便、可靠、平安、高效地操縱計算機(jī)硬件并運(yùn)行應(yīng)用程可靠、平安、高效地操縱計算機(jī)硬件并運(yùn)行應(yīng)用程序。序。計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心

4、計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心2022-4-25二、操作系統(tǒng)的主要目標(biāo)歸結(jié)為以下幾點(diǎn)：二、操作系統(tǒng)的主要目標(biāo)歸結(jié)為以下幾點(diǎn)：管理系統(tǒng)資源管理系統(tǒng)資源: :操作系統(tǒng)能有效管理系統(tǒng)中的所有硬操作系統(tǒng)能有效管理系統(tǒng)中的所有硬件資源和軟件資源，使資源得到充分利用。件資源和軟件資源，使資源得到充分利用。提高系統(tǒng)效率提高系統(tǒng)效率: :操作系統(tǒng)能合理地組織計算機(jī)的工作操作系統(tǒng)能合理地組織計算機(jī)的工作流程，改進(jìn)系統(tǒng)性能，提高系統(tǒng)效率。流程，改進(jìn)系統(tǒng)性能，提高系統(tǒng)效率。方便用戶使用方便用戶使用: :通過向用戶提供友好的用戶界面，操通過向用戶提供友好的用戶界面，操作系統(tǒng)能讓用戶更方便、更輕松地使用計算機(jī)系作系統(tǒng)能讓用戶更

5、方便、更輕松地使用計算機(jī)系統(tǒng)。統(tǒng)。增強(qiáng)機(jī)器功能增強(qiáng)機(jī)器功能: :操作系統(tǒng)能通過擴(kuò)充改造硬件部件并操作系統(tǒng)能通過擴(kuò)充改造硬件部件并提供新的服務(wù)來增強(qiáng)機(jī)器功能。提供新的服務(wù)來增強(qiáng)機(jī)器功能。構(gòu)筑開放環(huán)境構(gòu)筑開放環(huán)境: :操作系統(tǒng)通過遵循相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的方操作系統(tǒng)通過遵循相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的方式支持體系結(jié)構(gòu)的可伸縮性和可擴(kuò)展性，支持應(yīng)式支持體系結(jié)構(gòu)的可伸縮性和可擴(kuò)展性，支持應(yīng)用程序在不同平臺上的移植和互操作。用程序在不同平臺上的移植和互操作。計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心2022-4-259.1.29.1.2操作系統(tǒng)的功能操作系統(tǒng)的功能操作系統(tǒng)的核心任務(wù)：管理計算機(jī)系統(tǒng)中的資源。操作系統(tǒng)的核心任

6、務(wù)：管理計算機(jī)系統(tǒng)中的資源。從資源管理的角度來看，作為資源管理器的操作系從資源管理的角度來看，作為資源管理器的操作系統(tǒng)對計算機(jī)硬件資源的管理主要體現(xiàn)在以下三個統(tǒng)對計算機(jī)硬件資源的管理主要體現(xiàn)在以下三個方面：方面：處理器管理處理器管理存儲器管理存儲器管理設(shè)備管理設(shè)備管理計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心2022-4-259.1.29.1.2操作系統(tǒng)的功能操作系統(tǒng)的功能 處理機(jī)管理：處理機(jī)是最重要的硬件資源，因處理機(jī)管理：處理機(jī)是最重要的硬件資源，因?yàn)樗熊浖膱?zhí)行和系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)都依賴為所有軟件的執(zhí)行和系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)都依賴于處理機(jī)。因此，能否充分發(fā)揮處理機(jī)的效能，于處理機(jī)。因此，能否充

7、分發(fā)揮處理機(jī)的效能，是系統(tǒng)功能和性能的關(guān)鍵。是系統(tǒng)功能和性能的關(guān)鍵。 早期的計算機(jī)系統(tǒng)是單用戶、單任務(wù)系統(tǒng)，處早期的計算機(jī)系統(tǒng)是單用戶、單任務(wù)系統(tǒng)，處理機(jī)僅為一個用戶的一個任務(wù)服務(wù)見圖所示。理機(jī)僅為一個用戶的一個任務(wù)服務(wù)見圖所示。計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心2022-4-259.1.29.1.2操作系統(tǒng)的功能操作系統(tǒng)的功能 現(xiàn)代的計算機(jī)系統(tǒng)廣泛采用多任務(wù)機(jī)制支持多現(xiàn)代的計算機(jī)系統(tǒng)廣泛采用多任務(wù)機(jī)制支持多個程序或多個用戶并行使用計算機(jī)。在引入多個程序或多個用戶并行使用計算機(jī)。在引入多任務(wù)機(jī)制后，當(dāng)一個作業(yè)需等待任務(wù)機(jī)制后，當(dāng)一個作業(yè)需等待I/O操作等外操作等外部條件滿足時，處理機(jī)

8、轉(zhuǎn)去執(zhí)行另一個作業(yè)，部條件滿足時，處理機(jī)轉(zhuǎn)去執(zhí)行另一個作業(yè)，從而實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的并行執(zhí)行。操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)組從而實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的并行執(zhí)行。操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)組織多個任務(wù)的并行執(zhí)行，并負(fù)責(zé)解決處理機(jī)的織多個任務(wù)的并行執(zhí)行，并負(fù)責(zé)解決處理機(jī)的調(diào)度、分配和回收等問題。調(diào)度、分配和回收等問題。多務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行兩道程序時處理機(jī)的使用效率見圖多務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行兩道程序時處理機(jī)的使用效率見圖計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心2022-4-259.1.29.1.2操作系統(tǒng)的功能操作系統(tǒng)的功能存儲管理：存儲管理：1 1存儲分配存儲分配: :即根據(jù)程序的需要為其分配存儲器資源，即根據(jù)程序的需要為其分配存儲器資源，在方便存儲器使用的

9、同時又要保證存儲器的高利用率。在方便存儲器使用的同時又要保證存儲器的高利用率。2 2存儲共享存儲共享: :允許主存中的多個任務(wù)或多個用戶程序共允許主存中的多個任務(wù)或多個用戶程序共享存儲器資源，這一方面可以提高存儲器的利用率，享存儲器資源，這一方面可以提高存儲器的利用率，另一方面又便于多任務(wù)間的數(shù)據(jù)交換。另一方面又便于多任務(wù)間的數(shù)據(jù)交換。3 3存儲保護(hù)存儲保護(hù): :確保用戶程序不會有意或無意地訪問或破確保用戶程序不會有意或無意地訪問或破壞操作系統(tǒng)的關(guān)鍵代碼和數(shù)據(jù)。各個用戶程序之間也壞操作系統(tǒng)的關(guān)鍵代碼和數(shù)據(jù)。各個用戶程序之間也需要相互隔離、互不干擾。需要相互隔離、互不干擾。4 4存儲擴(kuò)充存儲擴(kuò)充

10、: :基于存儲器的層次結(jié)構(gòu)，存儲管理需要為基于存儲器的層次結(jié)構(gòu)，存儲管理需要為用戶提供與實(shí)際物理內(nèi)存空間不直接相關(guān)的邏輯編程用戶提供與實(shí)際物理內(nèi)存空間不直接相關(guān)的邏輯編程空間，并在主存和輔助存儲器的支持下實(shí)現(xiàn)邏輯地址空間，并在主存和輔助存儲器的支持下實(shí)現(xiàn)邏輯地址空間與物理地址空間之間的映射與變換，方便用戶的空間與物理地址空間之間的映射與變換，方便用戶的編程和使用。編程和使用。計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心2022-4-259.1.29.1.2操作系統(tǒng)的功能操作系統(tǒng)的功能設(shè)備管理：設(shè)備管理的主要任務(wù)是進(jìn)行各類外設(shè)備管理：設(shè)備管理的主要任務(wù)是進(jìn)行各類外圍設(shè)備的調(diào)度與管理，協(xié)調(diào)各個用戶

11、提出的圍設(shè)備的調(diào)度與管理，協(xié)調(diào)各個用戶提出的I/OI/O請求，提高各請求，提高各I/OI/O設(shè)備操作與處理機(jī)運(yùn)行設(shè)備操作與處理機(jī)運(yùn)行的并行性，提高處理機(jī)和的并行性，提高處理機(jī)和I/OI/O設(shè)備的利用率。設(shè)備的利用率。設(shè)備管理還需提供每種設(shè)備的設(shè)備驅(qū)動程序，設(shè)備管理還需提供每種設(shè)備的設(shè)備驅(qū)動程序，向用戶屏蔽硬件使用細(xì)節(jié)。向用戶屏蔽硬件使用細(xì)節(jié)。計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心2022-4-259.1.39.1.3操作系統(tǒng)的特性及其需要解決的問題操作系統(tǒng)的特性及其需要解決的問題操作系統(tǒng)作為計算機(jī)系統(tǒng)的管理者，必須操作系統(tǒng)作為計算機(jī)系統(tǒng)的管理者，必須解決一系列復(fù)雜的管理問題。而計算機(jī)解決

12、一系列復(fù)雜的管理問題。而計算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的特性決定著操作系統(tǒng)的策略。系統(tǒng)運(yùn)行的特性決定著操作系統(tǒng)的策略。并發(fā)性并發(fā)性共享性共享性隨機(jī)性等特征。隨機(jī)性等特征。計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心2022-4-259.1.49.1.4操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境處理機(jī)狀態(tài)控制：為了支持操作系統(tǒng)的特權(quán)，中央處理機(jī)需要知道當(dāng)前執(zhí)行的程序是操作系統(tǒng)代碼還是一般用戶程序代碼。為此，處理機(jī)中設(shè)置了狀態(tài)標(biāo)志。大多數(shù)系統(tǒng)把處理機(jī)的狀態(tài)劃分為管理狀態(tài)又稱超級用戶狀態(tài)、管態(tài)或特權(quán)狀態(tài)和用戶狀態(tài)又稱目標(biāo)狀態(tài)、常態(tài)、目態(tài)或解題狀態(tài)）。特權(quán)指令：為了防止用戶程序執(zhí)行有關(guān)資源管理的機(jī)器指令從而破壞系統(tǒng)正常工作

13、狀態(tài)，在多任務(wù)環(huán)境中，通常把指令系統(tǒng)中的指令分為兩類：特權(quán)指令(Privileged Instructions)和非特權(quán)指令。特權(quán)指令是只能由操作系統(tǒng)核心程序執(zhí)行的機(jī)器指令，用于系統(tǒng)資源管理與程序執(zhí)行控制等操作，如啟動輸入輸出設(shè)備、設(shè)置系統(tǒng)時鐘、控制中斷屏蔽位、設(shè)置存儲管理狀態(tài)、加載程序狀態(tài)字等。計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心2022-4-259.1.49.1.4操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境寄存器訪問權(quán)限：計算機(jī)系統(tǒng)的中央處理機(jī)內(nèi)設(shè)置了很多寄存寄存器訪問權(quán)限：計算機(jī)系統(tǒng)的中央處理機(jī)內(nèi)設(shè)置了很多寄存器，包括用于暫存數(shù)據(jù)的通用數(shù)據(jù)寄存器和用于存放處理器器，包括用于暫存數(shù)據(jù)的通

14、用數(shù)據(jù)寄存器和用于存放處理器的控制和狀態(tài)信息的控制寄存器。后者主要有：程序計數(shù)器的控制和狀態(tài)信息的控制寄存器。后者主要有：程序計數(shù)器PCPC、程序狀態(tài)字寄存器、程序狀態(tài)字寄存器PWSRPWSR、指令寄存器、指令寄存器IRIR等，也包括和系等，也包括和系統(tǒng)存儲管理、中斷管理等相關(guān)的寄存器。統(tǒng)存儲管理、中斷管理等相關(guān)的寄存器。程序狀態(tài)字和程序執(zhí)行現(xiàn)場：為了記錄計算機(jī)系統(tǒng)當(dāng)前的工作程序狀態(tài)字和程序執(zhí)行現(xiàn)場：為了記錄計算機(jī)系統(tǒng)當(dāng)前的工作狀態(tài)，需要專門設(shè)置程序狀態(tài)字狀態(tài)，需要專門設(shè)置程序狀態(tài)字PSWPSW用于控制指令的執(zhí)行用于控制指令的執(zhí)行并存儲與程序有關(guān)的系統(tǒng)狀態(tài)。并存儲與程序有關(guān)的系統(tǒng)狀態(tài)。 程序狀

15、態(tài)字寄存器保存的信息通常包括以下幾類：程序狀態(tài)字寄存器保存的信息通常包括以下幾類：（1 1當(dāng)前正在執(zhí)行的指令地址這由程序計數(shù)器給出。當(dāng)前正在執(zhí)行的指令地址這由程序計數(shù)器給出。（2 2狀態(tài)條件碼表示指令執(zhí)行結(jié)果的狀態(tài)特征，例如算術(shù)運(yùn)算狀態(tài)條件碼表示指令執(zhí)行結(jié)果的狀態(tài)特征，例如算術(shù)運(yùn)算指令運(yùn)行結(jié)果是否為零、是否有溢出、是否是負(fù)數(shù)等。指令運(yùn)行結(jié)果是否為零、是否有溢出、是否是負(fù)數(shù)等。（3 3處理機(jī)狀態(tài)指明當(dāng)前的處理機(jī)狀態(tài)，如目態(tài)或管態(tài)，是否處理機(jī)狀態(tài)指明當(dāng)前的處理機(jī)狀態(tài)，如目態(tài)或管態(tài)，是否允許某類中斷，是否處于中斷嵌套狀態(tài)，當(dāng)前的存儲保護(hù)狀允許某類中斷，是否處于中斷嵌套狀態(tài)，當(dāng)前的存儲保護(hù)狀態(tài)等。態(tài)等

16、。（4 4控制標(biāo)志能夠影響某些指令執(zhí)行方式的一些標(biāo)志位?？刂茦?biāo)志能夠影響某些指令執(zhí)行方式的一些標(biāo)志位。計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心2022-4-259.1.49.1.4操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 中斷機(jī)制：中斷機(jī)制：現(xiàn)代的計算機(jī)系統(tǒng)都支持中斷異常）。通過檢測中斷源并現(xiàn)代的計算機(jī)系統(tǒng)都支持中斷異常）。通過檢測中斷源并進(jìn)行中斷響應(yīng)，中斷機(jī)制提供了一種程序隨機(jī)切換的方式。進(jìn)行中斷響應(yīng)，中斷機(jī)制提供了一種程序隨機(jī)切換的方式。通過響應(yīng)硬件定時器中斷，操作系統(tǒng)可以執(zhí)行周期性的例行通過響應(yīng)硬件定時器中斷，操作系統(tǒng)可以執(zhí)行周期性的例行管理任務(wù)，例如進(jìn)程調(diào)度。這可以確保某個進(jìn)程不會獨(dú)占

17、管理任務(wù)，例如進(jìn)程調(diào)度。這可以確保某個進(jìn)程不會獨(dú)占系統(tǒng)資源。以中斷方式實(shí)現(xiàn)處理機(jī)與外界進(jìn)行信息交換的系統(tǒng)資源。以中斷方式實(shí)現(xiàn)處理機(jī)與外界進(jìn)行信息交換的握手聯(lián)絡(luò)，能保證握手聯(lián)絡(luò)，能保證CPU與外設(shè)的并行工作。與外設(shè)的并行工作。計算機(jī)工作時可能發(fā)生軟件或硬件故障，故障發(fā)生的時間相計算機(jī)工作時可能發(fā)生軟件或硬件故障，故障發(fā)生的時間相對于對于CPU的指令執(zhí)行是完全隨機(jī)的。常見的硬件故障有掉的指令執(zhí)行是完全隨機(jī)的。常見的硬件故障有掉電、校驗(yàn)錯、運(yùn)算出錯等；常見的軟件故障有運(yùn)算溢出、電、校驗(yàn)錯、運(yùn)算出錯等；常見的軟件故障有運(yùn)算溢出、地址越界、使用非法指令等。一旦發(fā)生故障，應(yīng)由地址越界、使用非法指令等。一旦

18、發(fā)生故障，應(yīng)由CPU執(zhí)執(zhí)行中斷處理程序進(jìn)行處理。行中斷處理程序進(jìn)行處理。計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心2022-4-259.1.49.1.4操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境存儲管理：系統(tǒng)硬件通過存儲管理部件支持操作存儲管理：系統(tǒng)硬件通過存儲管理部件支持操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多級存儲體系和存儲保護(hù)功能。在后系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多級存儲體系和存儲保護(hù)功能。在后面將詳盡討論與存儲管理相關(guān)的問題。面將詳盡討論與存儲管理相關(guān)的問題。計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心2022-4-259.2 9.2 調(diào)度調(diào)度 9.2.1進(jìn)程 1、進(jìn)程的概念： 操作系統(tǒng)除了負(fù)責(zé)管理用戶程序的執(zhí)行外，也需要處理各種系統(tǒng)

19、任務(wù)。在操作系統(tǒng)中，通常使用進(jìn)程(process)這一概念描述程序的動態(tài)執(zhí)行過程。程序是靜態(tài)實(shí)體；進(jìn)程是動態(tài)實(shí)體，是執(zhí)行中的程序。進(jìn)程不僅僅包含程序代碼，也包含了當(dāng)前的狀態(tài)這由程序計數(shù)器和處理機(jī)中的相關(guān)寄存器表示和資源。因此，如果兩個用戶用同樣一段代碼分別執(zhí)行相同功能的程序，那么其中的每一個都是一個獨(dú)立的進(jìn)程。雖然其代碼是相同的，但是數(shù)據(jù)卻未必相同。計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心2022-4-259.2.19.2.1進(jìn)程的概念進(jìn)程的概念2、進(jìn)程的狀態(tài)： 進(jìn)程在不同階段會處于不同狀態(tài)。進(jìn)程的狀態(tài)會隨著進(jìn)程當(dāng)前進(jìn)行的活動而改變。 創(chuàng)建進(jìn)程：正在被創(chuàng)建，并未準(zhǔn)備好運(yùn)行。 就緒進(jìn)程：已經(jīng)

20、準(zhǔn)備好運(yùn)行，并正等待分配處理器時間。 運(yùn)行進(jìn)程：正占用處理機(jī)執(zhí)行。 阻塞進(jìn)程：由于等待I/O操作完成或某些事件出現(xiàn)而被系統(tǒng)掛起。 終止進(jìn)程：完成操作結(jié)束運(yùn)行。 在不同的系統(tǒng)中，進(jìn)程的狀態(tài)種類和名稱不盡相同。系統(tǒng)中可能有多個進(jìn)程處于創(chuàng)建、就緒、阻塞和終止等狀態(tài)，但是處理機(jī)在任意時刻只能運(yùn)行一個進(jìn)程。計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心2022-4-253.進(jìn)程控制塊：為了管理和控制進(jìn)程，操作系統(tǒng)必須保存與每個進(jìn)程有關(guān)的狀態(tài)等信息。為此，操作系統(tǒng)為每個進(jìn)程設(shè)置一個進(jìn)程控制塊PCBProcess Control Block）。PCB中記錄了操作系統(tǒng)所需要的用于描述進(jìn)程情況及控制進(jìn)程運(yùn)行所需的

21、全部信息。PCB通常包含以下信息：(1)進(jìn)程標(biāo)識符用于唯一標(biāo)識當(dāng)前進(jìn)程；(2)狀態(tài)記錄進(jìn)程當(dāng)前狀態(tài)；(3)程序計數(shù)器將要執(zhí)行的下一條指令的地址；(4)進(jìn)程上下文進(jìn)程執(zhí)行時CPU內(nèi)部寄存器的取值，是進(jìn)程執(zhí)行的現(xiàn)場數(shù)據(jù)；(5)存儲管理信息指明進(jìn)程占用的內(nèi)存空間的范圍；(6)I/O狀態(tài)信息例如打開的文件、未完成的I/O請求、占用的I/O設(shè)備等。計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心2022-4-254.4.進(jìn)程調(diào)度的模式進(jìn)程調(diào)度的模式進(jìn)程調(diào)度是操作系統(tǒng)必備的功能。通常將進(jìn)程調(diào)度分為搶占式和非搶占式兩種模式。 1)非搶占模式：非搶占模式是指一旦將處理機(jī)時間分配給某個進(jìn)程后，便讓該進(jìn)程一直運(yùn)行，直

22、到該進(jìn)程因運(yùn)行完畢或因發(fā)生某事件而被阻塞，才把處理機(jī)時間重新分配給其它進(jìn)程。否則，不允許其他進(jìn)程搶占已經(jīng)分配出去的處理機(jī)時間?！跋葋硐确?wù)策略就是一種非搶占調(diào)度模式，先進(jìn)入就緒隊(duì)列的進(jìn)程首先運(yùn)行，直到運(yùn)行結(jié)束或被阻塞為止。這種調(diào)度模式的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡單、系統(tǒng)開銷小，但無法滿足實(shí)時系統(tǒng)對緊急事件處理的時間要求。 2)搶占模式：在搶占調(diào)度模式中，允許進(jìn)程調(diào)度程序根據(jù)某種策略，暫停某個正在運(yùn)行的進(jìn)程，將處理機(jī)時間重新分配給另一個進(jìn)程。計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心2022-4-25常用的搶占策略有：時間片策略處理機(jī)時間被分割為等長的時間單位，稱為時間片。每個進(jìn)程被分配一個時間片運(yùn)行，當(dāng)該

23、時間片超時時，由操作系統(tǒng)重新進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度，將處理機(jī)時間交給另一個就緒進(jìn)程。這種策略適用于分時系統(tǒng)和要求較高的批處理系統(tǒng)。優(yōu)先權(quán)策略操作系統(tǒng)為某些重要或緊急的進(jìn)程指定較高的優(yōu)先級。當(dāng)這種進(jìn)程就緒時，如果其優(yōu)先級比正在運(yùn)行的進(jìn)程的優(yōu)先級高，便暫停正在運(yùn)行的進(jìn)程，將處理機(jī)時間分配給優(yōu)先級高的進(jìn)程。短進(jìn)程優(yōu)先策略當(dāng)就緒隊(duì)列中的某個進(jìn)程比正在運(yùn)行的進(jìn)程的運(yùn)行時間明顯地短時，操作系統(tǒng)將剝奪長進(jìn)程的執(zhí)行，將處理機(jī)分配給短進(jìn)程，使之優(yōu)先運(yùn)行。該調(diào)度策略能有效地降低進(jìn)程的平均等待時間，提高系統(tǒng)的吞吐量。計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心2022-4-259.2.2 9.2.2 調(diào)度的層次調(diào)度的層次調(diào)度

24、的層次：調(diào)度的層次： 高級調(diào)度：作業(yè)調(diào)度高級調(diào)度：作業(yè)調(diào)度 中級調(diào)度：內(nèi)存調(diào)度中級調(diào)度：內(nèi)存調(diào)度 低級調(diào)度：進(jìn)程調(diào)度低級調(diào)度：進(jìn)程調(diào)度 1. 1.高級調(diào)度高級調(diào)度: : 是指按一定原則把輔存上處于后備隊(duì)列中的作業(yè)是指按一定原則把輔存上處于后備隊(duì)列中的作業(yè)調(diào)入內(nèi)存，并為它們創(chuàng)建進(jìn)程、分配必要的資源，調(diào)入內(nèi)存，并為它們創(chuàng)建進(jìn)程、分配必要的資源，再將新創(chuàng)建的進(jìn)程排在就緒隊(duì)列上準(zhǔn)備執(zhí)行。高再將新創(chuàng)建的進(jìn)程排在就緒隊(duì)列上準(zhǔn)備執(zhí)行。高級調(diào)度決定哪些作業(yè)可以進(jìn)入系統(tǒng)競爭系統(tǒng)資源。級調(diào)度決定哪些作業(yè)可以進(jìn)入系統(tǒng)競爭系統(tǒng)資源。計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心2022-4-25操作系統(tǒng)在進(jìn)行高級調(diào)度時

25、必須考慮兩個因素：(1)接納多少個作業(yè)系統(tǒng)允許有多少個作業(yè)同時在內(nèi)存中運(yùn)行用多道程序度表征。內(nèi)存中同時運(yùn)行的作業(yè)太多可能會影響到系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量，同時運(yùn)行的作業(yè)太少又會導(dǎo)致系統(tǒng)資源利用率和系統(tǒng)吞吐量太低。因此，多道程序度的確定應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的規(guī)模和運(yùn)行速度等做適當(dāng)折衷。(2)接納哪些作業(yè)操作系統(tǒng)根據(jù)所采用的調(diào)度算法決定哪些作業(yè)從輔存調(diào)入內(nèi)存。例如，先來先服務(wù)調(diào)度算法將最早進(jìn)入輔存的作業(yè)最先調(diào)入內(nèi)存；短作業(yè)優(yōu)先調(diào)度算法將輔存上最短的作業(yè)最先調(diào)入內(nèi)存；而基于作業(yè)優(yōu)先權(quán)的調(diào)度算法則需根據(jù)作業(yè)的重要程度與輕重緩急選擇調(diào)入內(nèi)存的作業(yè)。高級調(diào)度在較大的粒度上決定對處理機(jī)時間的使用權(quán)分配，故又稱作業(yè)調(diào)度、收容調(diào)度

26、或長程調(diào)度。計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心2022-4-252.低級調(diào)度即進(jìn)程調(diào)度， 決定當(dāng)存在多個就緒進(jìn)程時，哪一個就緒進(jìn)程將分配到中央處理機(jī)的運(yùn)行時間，并且把中央處理機(jī)實(shí)際分配給這個進(jìn)程。 低級調(diào)度在較小的粒度上決定對處理機(jī)時間的使用權(quán)分配，又稱為短程調(diào)度。低級調(diào)度執(zhí)行非常頻繁，進(jìn)程調(diào)度程序每秒鐘可執(zhí)行多次進(jìn)程調(diào)度，故進(jìn)程調(diào)度程序必須常駐內(nèi)存。計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心2022-4-25 3.中級調(diào)度的目的是為了提高內(nèi)存的利用率和系統(tǒng)吞吐量。 為了讓那些因?yàn)槟承┰驎簳r不能運(yùn)行的進(jìn)程不再占用寶貴的內(nèi)存資源，操作系統(tǒng)通過中級調(diào)度將這些進(jìn)程調(diào)出至輔存等待。當(dāng)這些

27、處于掛起狀態(tài)的進(jìn)程再次準(zhǔn)備好運(yùn)行，且內(nèi)存又出現(xiàn)空閑空間時，由中級調(diào)度決定將輔存上的哪些處于就緒駐外存狀態(tài)的進(jìn)程重新調(diào)入內(nèi)存。被調(diào)入的進(jìn)程將轉(zhuǎn)換為就緒狀態(tài)掛在就緒隊(duì)列上，等待進(jìn)程調(diào)度。計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心2022-4-259.2.3 9.2.3 處理機(jī)調(diào)度的實(shí)現(xiàn)處理機(jī)調(diào)度的實(shí)現(xiàn): : 為了調(diào)度的方便，操作系統(tǒng)會建立并維護(hù)若干個進(jìn)為了調(diào)度的方便，操作系統(tǒng)會建立并維護(hù)若干個進(jìn)程隊(duì)列。每個隊(duì)列均用于維護(hù)一個等待某些資源的程隊(duì)列。每個隊(duì)列均用于維護(hù)一個等待某些資源的進(jìn)程的列表。進(jìn)程的列表。 在批處理系統(tǒng)中，作業(yè)進(jìn)入系統(tǒng)后，先駐留在輔存在批處理系統(tǒng)中，作業(yè)進(jìn)入系統(tǒng)后，先駐留在輔存的

28、后備隊(duì)列中，作業(yè)調(diào)度從輔存的后備隊(duì)列中選擇的后備隊(duì)列中，作業(yè)調(diào)度從輔存的后備隊(duì)列中選擇作業(yè)調(diào)入內(nèi)存，并為之創(chuàng)建進(jìn)程，然后送入內(nèi)存就作業(yè)調(diào)入內(nèi)存，并為之創(chuàng)建進(jìn)程，然后送入內(nèi)存就緒隊(duì)列，并等待進(jìn)程調(diào)度。交互型作業(yè)則直接進(jìn)入緒隊(duì)列，并等待進(jìn)程調(diào)度。交互型作業(yè)則直接進(jìn)入內(nèi)存就緒隊(duì)列。內(nèi)存就緒隊(duì)列。計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心2022-4-25三級處理機(jī)調(diào)度隊(duì)列模型三級處理機(jī)調(diào)度隊(duì)列模型計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心2022-4-259.3 9.3 存儲管理存儲管理 存儲管理主要解決存儲器的分配與回收，存儲器地址變換，存儲器擴(kuò)充，存儲器共享與保護(hù)等問題。計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中

29、心計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心2022-4-259.3.1 分區(qū)式存儲管理分區(qū)式存儲管理 早期的單用戶、單任務(wù)的操作系統(tǒng)將內(nèi)存空間簡單地分為早期的單用戶、單任務(wù)的操作系統(tǒng)將內(nèi)存空間簡單地分為 兩個區(qū)域：系統(tǒng)區(qū)和用戶區(qū)。操作系統(tǒng)使用系統(tǒng)區(qū)；應(yīng)用兩個區(qū)域：系統(tǒng)區(qū)和用戶區(qū)。操作系統(tǒng)使用系統(tǒng)區(qū)；應(yīng)用程序則裝入到用戶區(qū)，并使用用戶區(qū)全部空間。這種方式程序則裝入到用戶區(qū)，并使用用戶區(qū)全部空間。這種方式管理簡單，但浪費(fèi)內(nèi)存空間。管理簡單，但浪費(fèi)內(nèi)存空間。 為了支持多個程序并發(fā)執(zhí)行，現(xiàn)代操作系統(tǒng)引入了分區(qū)式為了支持多個程序并發(fā)執(zhí)行，現(xiàn)代操作系統(tǒng)引入了分區(qū)式存儲管理。內(nèi)存被分為若干個區(qū)域，操作系統(tǒng)占用其中一存儲管理。

30、內(nèi)存被分為若干個區(qū)域，操作系統(tǒng)占用其中一個分區(qū)，其余的分區(qū)則提供給應(yīng)用程序使用，每個應(yīng)用程個分區(qū)，其余的分區(qū)則提供給應(yīng)用程序使用，每個應(yīng)用程序占用其中一個或幾個分區(qū)。序占用其中一個或幾個分區(qū)。 根據(jù)分區(qū)的大小是否固定，可以將分區(qū)式存儲管理機(jī)制分根據(jù)分區(qū)的大小是否固定，可以將分區(qū)式存儲管理機(jī)制分為固定分區(qū)和動態(tài)分區(qū)兩種類型。動態(tài)分區(qū)在進(jìn)程申請內(nèi)為固定分區(qū)和動態(tài)分區(qū)兩種類型。動態(tài)分區(qū)在進(jìn)程申請內(nèi)存空間時按其要求的容量分配內(nèi)存，或根據(jù)進(jìn)程的要求在存空間時按其要求的容量分配內(nèi)存，或根據(jù)進(jìn)程的要求在其執(zhí)行過程中動態(tài)改變分區(qū)大小。其執(zhí)行過程中動態(tài)改變分區(qū)大小。 分區(qū)存儲管理的優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)，但缺點(diǎn)是容易造

31、成空間分區(qū)存儲管理的優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)，但缺點(diǎn)是容易造成空間浪費(fèi)，產(chǎn)生碎片。浪費(fèi)，產(chǎn)生碎片。計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心2022-4-259.3.2 交換技術(shù)和分頁技術(shù)交換技術(shù)和分頁技術(shù) 交換過程由換入和換出兩個過程組成：換入過程將外存交換區(qū)的數(shù)據(jù)和程序代碼換至內(nèi)存，而換出過程將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)換到外存交換區(qū)中。分頁技術(shù)引申出一種非常重要的存儲管理策略虛擬存儲器(簡稱虛存)。在存儲管理部件(MMU)的支持下，虛擬存儲器技術(shù)可以徹底解決存儲器的調(diào)度與管理問題。 計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心2022-4-259.49.4虛擬存儲器虛擬存儲器9.4.1 9.4.1 虛擬存儲器

32、的基本概念虛擬存儲器的基本概念1 1、實(shí)地址與虛地址、實(shí)地址與虛地址: :用戶編制程序時使用的地址用戶編制程序時使用的地址稱為虛地址或邏輯地址，其對應(yīng)的存儲空間稱稱為虛地址或邏輯地址，其對應(yīng)的存儲空間稱為虛存空間或邏輯地址空間；而計算機(jī)物理內(nèi)為虛存空間或邏輯地址空間；而計算機(jī)物理內(nèi)存的訪問地址則稱為實(shí)地地或物理地址，其對存的訪問地址則稱為實(shí)地地或物理地址，其對應(yīng)的存儲空間稱為物理存儲空間或主存空間。應(yīng)的存儲空間稱為物理存儲空間或主存空間。程序進(jìn)行虛地址到實(shí)地址轉(zhuǎn)換的過程稱為程序程序進(jìn)行虛地址到實(shí)地址轉(zhuǎn)換的過程稱為程序的再定位。的再定位。計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心2022-4-

33、252 2、虛存的訪問原理、虛存的訪問原理 虛存空間的用戶程序按照虛地址編程并存放在輔虛存空間的用戶程序按照虛地址編程并存放在輔存中。程序運(yùn)行時，由地址變換機(jī)構(gòu)依據(jù)當(dāng)時分配給存中。程序運(yùn)行時，由地址變換機(jī)構(gòu)依據(jù)當(dāng)時分配給該程序的實(shí)地址空間把程序的一部分調(diào)入實(shí)存。每次該程序的實(shí)地址空間把程序的一部分調(diào)入實(shí)存。每次訪存時，首先判斷該虛地址所對應(yīng)的部分是否在實(shí)存訪存時，首先判斷該虛地址所對應(yīng)的部分是否在實(shí)存中：如果是，則進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換并用實(shí)地址訪問主存；中：如果是，則進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換并用實(shí)地址訪問主存；否則，按照某種算法將輔存中的部分程序調(diào)度進(jìn)內(nèi)存，否則，按照某種算法將輔存中的部分程序調(diào)度進(jìn)內(nèi)存，再按同樣

34、的方法訪問主存。由此可見，每個程序的虛再按同樣的方法訪問主存。由此可見，每個程序的虛地址空間可以遠(yuǎn)大于實(shí)地址空間，也可以遠(yuǎn)小于實(shí)地地址空間可以遠(yuǎn)大于實(shí)地址空間，也可以遠(yuǎn)小于實(shí)地址空間。前一種情況以提高存儲容量為目的，后一種址空間。前一種情況以提高存儲容量為目的，后一種情況則以地址變換為目的。后者通常出現(xiàn)在多用戶或情況則以地址變換為目的。后者通常出現(xiàn)在多用戶或多任務(wù)系統(tǒng)中：實(shí)存空間較大，而單個任務(wù)并不需要多任務(wù)系統(tǒng)中：實(shí)存空間較大，而單個任務(wù)并不需要很大的地址空間，較小的虛存空間則可以縮短指令中很大的地址空間，較小的虛存空間則可以縮短指令中地址字段的長度。地址字段的長度。計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心計

35、算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心2022-4-253、cache與虛存的異同 從虛存的概念可以看出，主存輔存的訪問機(jī)制與cache主存的訪問機(jī)制是類似的。這是由cache存儲器、主存和輔存構(gòu)成的三級存儲體系中的兩個層次。 cache和主存之間以及主存和輔存之間分別有輔助硬件和輔助軟硬件負(fù)責(zé)地址變換與管理，以便各級存儲器能夠組成有機(jī)的三級存儲體系。cache和主存構(gòu)成了系統(tǒng)的內(nèi)存，而主存和輔存依靠輔助軟硬件的支持構(gòu)成了虛擬存儲器。計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心2022-4-254、虛存機(jī)制要解決的關(guān)鍵問題(1)調(diào)度問題決定哪些程序和數(shù)據(jù)應(yīng)被調(diào)入主存。(2)地址映射問題在訪問主存時把虛地址變?yōu)橹?/p>

36、存物理地址這一過程稱為內(nèi)地址變換）；在訪問輔存時把虛地址變成輔存的物理地址這一過程稱為外地址變換），以便換頁。此外還要解決主存分配、存儲保護(hù)與程序再定位等問題。(3)替換問題決定哪些程序和數(shù)據(jù)應(yīng)被調(diào)出主存。(4)更新問題確保主存與輔存的一致性。 在操作系統(tǒng)的控制下，硬件和系統(tǒng)軟件為用戶解決了上述問題，從而使應(yīng)用程序的編程大大簡化。計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心2022-4-259.4.29.4.2頁式虛存存儲器頁式虛存存儲器1 1、頁式虛存地址映射、頁式虛存地址映射 頁式虛擬存儲系統(tǒng)中，虛地址空間被分成等頁式虛擬存儲系統(tǒng)中，虛地址空間被分成等長大小的頁，稱為邏輯頁；主存空間也被分

37、成同長大小的頁，稱為邏輯頁；主存空間也被分成同樣大小的頁，稱為物理頁。相應(yīng)地，虛地址分為樣大小的頁，稱為物理頁。相應(yīng)地，虛地址分為兩個字段：高字段為邏輯頁號，低字段為頁內(nèi)地兩個字段：高字段為邏輯頁號，低字段為頁內(nèi)地址偏移量）；實(shí)存地址也分兩個字段：高字段址偏移量）；實(shí)存地址也分兩個字段：高字段為物理頁號，低字段為頁內(nèi)地址。通過頁表可以為物理頁號，低字段為頁內(nèi)地址。通過頁表可以把虛地址邏輯地址轉(zhuǎn)換成物理地址。把虛地址邏輯地址轉(zhuǎn)換成物理地址。 頁式虛擬存儲器的地址映射過程見下圖。頁式虛擬存儲器的地址映射過程見下圖。計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心2022-4-25頁式虛擬存儲器的地址映

38、射過程見下圖頁式虛擬存儲器的地址映射過程見下圖計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心2022-4-25 在大多數(shù)系統(tǒng)中，每個進(jìn)程對應(yīng)一個頁表。頁表中對應(yīng)每一個虛存頁面有一個表項(xiàng)，表項(xiàng)的內(nèi)容包含該虛存頁面所在的主存頁面的地址物理頁號），以及指示該邏輯頁是否已調(diào)入主存的有效位。地址變換時，用邏輯頁號作為頁表內(nèi)的偏移地址索引頁表將虛頁號看作頁表數(shù)組下標(biāo)并找到相應(yīng)物理頁號，用物理頁號作為實(shí)存地址的高字段，再與虛地址的頁內(nèi)偏移量拼接，就構(gòu)成完整的物理地址。現(xiàn)代的中央處理機(jī)通常有專門的硬件支持地址變換。 每個進(jìn)程所需的頁數(shù)并不固定，所以頁表的長度是可變的，因此通常的實(shí)現(xiàn)方法是把頁表的基地址保存在寄存

39、器中，而頁表本身則放在主存中。由于虛存地址空間可以很大，因而每個進(jìn)程的頁表有可能非常長。例如，如果一個進(jìn)程的虛地址空間為2G字節(jié)，每頁的大小為512字節(jié)，則總的虛頁數(shù)為231/29=222。計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心計算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心2022-4-252、轉(zhuǎn)換后援緩沖器、轉(zhuǎn)換后援緩沖器 由于頁表通常在主存中，因而即使邏輯頁已經(jīng)在主由于頁表通常在主存中，因而即使邏輯頁已經(jīng)在主存中，也至少要訪問兩次物理存儲器才能實(shí)現(xiàn)一次存中，也至少要訪問兩次物理存儲器才能實(shí)現(xiàn)一次訪存，這將使虛擬存儲器的存取時間加倍。為了避訪存，這將使虛擬存儲器的存取時間加倍。為了避免對主存訪問次數(shù)的增多，可以對頁表本身實(shí)行二免對主存訪問次數(shù)的增多，可以對頁表本身實(shí)行二級緩存，把頁表中的最活躍的部分存放在高速存儲級緩存，把頁表中的最活躍的部分存放在高速存儲器中，組成快表。這