《中斷與處理器調度》課件

中斷與處理器調度中斷是計算機系統(tǒng)中重要的機制之一，它允許外部事件打斷當前程序執(zhí)行并轉向處理該事件。處理器調度則是操作系統(tǒng)管理CPU資源，決定哪個進程或線程獲得CPU的使用權。課程大綱中斷的概念和特點了解中斷的定義、作用以及分類。處理器響應中斷學習處理器如何響應中斷，以及中斷處理過程。中斷驅動設備掌握中斷驅動設備的工作原理和相關技術。處理器調度深入理解處理器調度的概念、目標以及常用算法。中斷的定義和特點1定義中斷是指一個事件或信號，通知處理器停止當前執(zhí)行的任務并處理一個更緊急的任務。2特點中斷是異步事件，發(fā)生時間不可預測。3特點中斷能夠改變程序執(zhí)行流程，提高系統(tǒng)效率。4特點中斷可用于處理各種事件，例如硬件故障、外設請求、用戶輸入。中斷的分類外部中斷外部中斷是由外部設備發(fā)起的。這些中斷通常用于信號硬件設備事件，例如按下鍵盤上的鍵，或硬盤驅動器完成數據傳輸。內部中斷內部中斷是由處理器本身發(fā)起的。這些中斷通常用于處理異常情況，例如算術溢出或除以零錯誤。軟件中斷軟件中斷是由程序員通過執(zhí)行特定的指令發(fā)起的。這些中斷通常用于請求操作系統(tǒng)執(zhí)行特定的任務，例如調用系統(tǒng)調用。硬件中斷來自硬件設備硬件中斷是由外部設備觸發(fā)的，例如鍵盤、鼠標、硬盤等。信號傳遞這些設備通過發(fā)送中斷請求信號給處理器，通知處理器發(fā)生了事件。中斷控制器中斷控制器負責接收中斷請求，并將中斷請求傳遞給處理器。軟件中斷軟件中斷由程序指令觸發(fā)。例如，執(zhí)行系統(tǒng)調用指令。軟件中斷用于訪問操作系統(tǒng)服務。例如，創(chuàng)建文件、讀取數據。軟件中斷允許程序與操作系統(tǒng)交互。例如，程序可以請求操作系統(tǒng)分配內存。處理器如何響應中斷1中斷發(fā)生處理器檢測到中斷信號2保存現場處理器將當前執(zhí)行狀態(tài)信息保存3尋找中斷向量確定相應的中斷服務程序地址4跳轉執(zhí)行處理器跳轉到中斷服務程序處理器接收中斷信號后，會保存當前程序執(zhí)行狀態(tài)，并根據中斷類型尋找對應的中斷服務程序。然后，處理器跳轉到中斷服務程序，執(zhí)行相應的處理操作。中斷向量和中斷優(yōu)先級中斷向量中斷向量表是操作系統(tǒng)用于保存每個中斷服務程序地址的表格。每個中斷類型都有唯一的向量值。當發(fā)生中斷時，CPU使用向量值索引中斷向量表以找到對應的中斷服務程序地址，從而執(zhí)行相應的操作。中斷優(yōu)先級中斷優(yōu)先級用于解決多個中斷同時發(fā)生時的處理順序。優(yōu)先級高的中斷會先被處理。操作系統(tǒng)通常會根據中斷的類型和重要性分配優(yōu)先級。中斷服務程序專用代碼中斷服務程序(ISR)是專門為處理特定中斷事件而編寫的代碼段。它包含了處理中斷事件所需的指令?？焖夙憫狪SR需要在中斷發(fā)生后快速執(zhí)行，以確保及時響應中斷事件，避免系統(tǒng)出現異常。保護現場在執(zhí)行ISR之前，需要保存當前程序的執(zhí)行狀態(tài)，以便在ISR執(zhí)行完后恢復正常執(zhí)行?；謴同F場在ISR執(zhí)行完畢后，需要恢復中斷發(fā)生之前的程序執(zhí)行狀態(tài)，并返回到中斷發(fā)生時的指令位置繼續(xù)執(zhí)行。中斷處理的過程1中斷響應處理器暫停當前任務2中斷向量查找對應中斷服務程序3中斷服務程序執(zhí)行中斷處理邏輯4恢復現場恢復中斷前的狀態(tài)5返回繼續(xù)執(zhí)行被打斷的任務中斷處理過程需要快速高效，保證系統(tǒng)正常運行。中斷屏蔽和中斷嵌套1中斷屏蔽中斷屏蔽是指暫時禁止特定中斷的處理，以避免干擾關鍵任務的執(zhí)行。2中斷嵌套中斷嵌套是指在處理一個中斷時，另一個中斷被觸發(fā)，導致新的中斷處理程序被調用。3中斷優(yōu)先級中斷優(yōu)先級決定了多個中斷同時發(fā)生時，哪個中斷優(yōu)先得到處理。4中斷處理中斷處理程序會保存當前進程的執(zhí)行狀態(tài)，并處理中斷事件，最后恢復進程狀態(tài)，繼續(xù)執(zhí)行。中斷驅動設備鍵盤當用戶按下鍵盤上的鍵時，鍵盤會向系統(tǒng)發(fā)送中斷請求，通知系統(tǒng)輸入事件發(fā)生。鼠標鼠標移動或單擊操作也會觸發(fā)中斷，將用戶操作信息傳遞給系統(tǒng)。硬盤硬盤驅動器通過中斷通知系統(tǒng)數據傳輸完成，或發(fā)生錯誤事件。網卡網卡接收到數據包時，會向系統(tǒng)發(fā)送中斷，通知系統(tǒng)進行數據處理。設備中斷處理1中斷發(fā)生設備完成操作并發(fā)送中斷信號，處理器接收到中斷信號。2中斷處理處理器保存當前進程的上下文，跳轉到中斷服務程序。3中斷服務程序中斷服務程序根據設備類型和中斷原因處理相應操作，例如讀寫數據或更新設備狀態(tài)。4恢復上下文中斷處理完成后，處理器恢復中斷前的進程上下文，繼續(xù)執(zhí)行之前的程序。時鐘中斷的作用定時器時鐘中斷可以作為系統(tǒng)定時器，用于實現系統(tǒng)時間管理、定時任務調度和任務執(zhí)行時間限制。處理器調度時鐘中斷可以用來觸發(fā)處理器調度，確保不同進程能夠公平地獲取處理器資源。任務同步時鐘中斷可以幫助實現不同任務之間的同步和協(xié)調，例如在多任務系統(tǒng)中實現任務切換和協(xié)調。時鐘中斷的處理過程中斷請求時鐘中斷發(fā)生，向處理器發(fā)送中斷請求信號，并保存當前進程的上下文信息，包括寄存器值和內存狀態(tài)。切換進程處理器進入內核模式，根據調度算法選擇新的進程，并加載新的進程的上下文信息。中斷服務程序執(zhí)行時鐘中斷服務程序，更新系統(tǒng)時間，進行一些必要的系統(tǒng)維護操作，例如進程切換和時間片輪轉。返回用戶模式執(zhí)行完中斷服務程序后，處理器返回用戶模式，繼續(xù)執(zhí)行新選擇的進程。進程切換和上下文切換1進程切換操作系統(tǒng)將CPU從一個進程切換到另一個進程2上下文切換保存當前進程狀態(tài)，加載下一個進程狀態(tài)3進程控制塊保存進程運行狀態(tài)，如寄存器值、內存地址進程切換發(fā)生在系統(tǒng)決定將CPU資源分配給另一個進程時，例如，當一個進程等待I/O操作完成時，操作系統(tǒng)會切換到另一個準備運行的進程。上下文切換是進程切換過程中不可或缺的一部分，它確保了不同進程在運行時互不干擾，也使系統(tǒng)能夠高效地管理CPU資源。處理器調度的概念資源分配處理器是計算機的核心資源，對多個任務的資源進行分配，決定每個任務的執(zhí)行時間和順序。調度策略調度策略決定了處理器分配的原則，例如優(yōu)先級、時間片分配等。任務管理調度程序管理著運行中的任務，負責任務的創(chuàng)建、終止、掛起和恢復。處理器調度的目標提高CPU利用率處理器調度旨在最大程度地利用CPU資源，減少空閑時間，提高系統(tǒng)整體效率。保證公平性不同進程和任務應該公平地分配CPU時間，避免某些進程長時間占用CPU資源?？s短響應時間對于交互式系統(tǒng)，快速響應時間至關重要，調度算法應盡可能減少用戶等待時間。提高系統(tǒng)吞吐量調度算法應該有效地管理多個進程和任務，從而提高系統(tǒng)整體吞吐量。批處理調度算法先來先服務(FCFS)FCFS是最簡單的調度算法。它按照作業(yè)到達的順序執(zhí)行。最短作業(yè)優(yōu)先(SJF)SJF根據作業(yè)的執(zhí)行時間進行排序，優(yōu)先執(zhí)行時間最短的作業(yè)。最短剩余時間優(yōu)先(SRJF)SRJF是SJF的改進版本，它優(yōu)先執(zhí)行剩余執(zhí)行時間最短的作業(yè)。優(yōu)先級調度每個作業(yè)都有一個優(yōu)先級，優(yōu)先級高的作業(yè)優(yōu)先執(zhí)行。交互式調度算法11.響應時間交互式系統(tǒng)需要快速響應用戶的輸入，以提供流暢的用戶體驗。22.時間片輪轉為每個進程分配一個時間片，輪流執(zhí)行，以確保所有進程都能得到及時處理。33.多級反饋隊列將進程劃分到多個隊列，根據優(yōu)先級分配時間片，并進行動態(tài)調整。44.優(yōu)先級調度算法根據進程優(yōu)先級分配CPU時間，確保高優(yōu)先級進程得到及時執(zhí)行。實時調度算法實時調度算法實時調度算法主要用于需要對時間有嚴格要求的系統(tǒng)，例如工業(yè)控制系統(tǒng)、航空航天系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)需要保證任務在規(guī)定的時間內完成，否則會導致系統(tǒng)故障或嚴重后果。多處理器調度算法分配策略多個處理器可以同時處理多個進程，提升系統(tǒng)性能，需要有效分配策略。進程同步多個處理器同時訪問共享資源時，需要協(xié)調進程同步，避免沖突。負載均衡將多個處理器上的工作量平衡，保證每個處理器都能充分利用。資源分配合理分配處理器、內存、磁盤等資源，提高系統(tǒng)資源利用率。調度算法的性能指標CPU利用率吞吐量響應時間調度算法的性能指標主要包括CPU利用率、吞吐量和響應時間。CPU利用率越高越好，吞吐量越高越好，響應時間越短越好。不同的調度算法對這三個指標的影響不同，需要根據實際情況選擇合適的調度算法。系統(tǒng)中斷與調度的關系中斷觸發(fā)調度中斷是操作系統(tǒng)進行處理的必要條件。例如，時鐘中斷會導致操作系統(tǒng)執(zhí)行調度算法，選擇下一個要執(zhí)行的進程。調度響應中斷調度算法會決定何時需要執(zhí)行中斷服務程序。例如，當一個進程請求I/O操作時，調度算法會暫停該進程并執(zhí)行中斷服務程序來處理I/O請求。系統(tǒng)引導過程中的中斷處理1引導加載系統(tǒng)啟動時，BIOS完成硬件自檢，將控制權交給引導程序，加載操作系統(tǒng)內核到內存。2內核初始化內核啟動，初始化系統(tǒng)資源，建立中斷處理機制，準備接收中斷請求。3啟動用戶模式內核啟動用戶模式，用戶程序開始運行，系統(tǒng)進入正常工作狀態(tài)。操作系統(tǒng)中的中斷處理機制11.中斷向量表操作系統(tǒng)維護一個中斷向量表，它包含每個中斷的地址。22.中斷處理程序操作系統(tǒng)提供用于處理各種中斷的特定程序。33.中斷上下文操作系統(tǒng)保存和恢復中斷發(fā)生時的處理器狀態(tài)，以確保程序執(zhí)行的連續(xù)性。44.中斷優(yōu)先級操作系統(tǒng)管理中斷優(yōu)先級，確保緊急中斷優(yōu)先處理。中斷和調度的典型案例分析中斷和調度是操作系統(tǒng)的重要組成部分，在各種應用場景中發(fā)揮著至關重要的作用。例如，在實時操作系統(tǒng)中，中斷用于處理來自外部設備的事件，例如傳感器數據或用戶輸入，而調度算法則用于確保實時任務的及時完成。在服務器操作系統(tǒng)中，中斷用于處理網絡請求，而調度算法則用于優(yōu)化任務的執(zhí)行效率，提高服務器的吞吐量和響應速度。通過分析這些典型案例，可以更深入地理解中斷和調度的機制和應用。中斷和調度的發(fā)展趨勢云計算環(huán)境中的中斷和調度云計算環(huán)境中，虛擬化和資源動態(tài)分配對中斷和調度提出了新的挑戰(zhàn)，需要更靈活高效的處理機制。人工智能和機器學習人工智能