2012年自考工學(xué)類“操作系統(tǒng)原理”復(fù)習(xí)資料(2)

　　本章考核知識點：1.多道程序設(shè)計2.進(jìn)程3.進(jìn)程狀態(tài)4.進(jìn)程控制塊5.進(jìn)程隊列6.可再入程序7.中斷及中斷響應(yīng)8.中斷優(yōu)先級9.進(jìn)程調(diào)度自學(xué)要求：通過本章學(xué)習(xí)應(yīng)該掌握多道程序設(shè)計是如何提高計算機系統(tǒng)效率的;進(jìn)程與程序有什么區(qū)別;進(jìn)程的基本狀態(tài)以及狀態(tài)變化;進(jìn)程隊列及進(jìn)程調(diào)度策略;中斷的作用。

　　重點是：多道程序設(shè)計;進(jìn)程的定義和屬性;進(jìn)程調(diào)度策略。

　　一、多道程序設(shè)計(領(lǐng)會)

　　1、什么是多道程序設(shè)計。

　　讓多個計算問題同時裝入一個計算機系統(tǒng)的主存儲器并行執(zhí)行，這種設(shè)計技術(shù)稱“多道程序設(shè)計”，這種計算機系統(tǒng)稱“多道程序設(shè)計系統(tǒng)”或簡稱“多道系統(tǒng)”。

　　存儲保護：在多道程序設(shè)計的系統(tǒng)中，主存儲器中同時存放了多個作業(yè)的程序。為避免相互干擾，必須提供必要的手段使得在主存儲器中的各道程序只能訪問自己的區(qū)域。這樣，每道程序執(zhí)行時，都不會破壞其他各道的程序和數(shù)據(jù)。特別是當(dāng)某道程序發(fā)生錯誤的時，也不至于影響其它的程序。

　　程序浮動：在多道程序設(shè)計系統(tǒng)中，對程序有一些特殊要求，也就是說，程序可以隨機地從主存的一個區(qū)域移動到另一個區(qū)域，程序被移動后仍絲毫不影響它的執(zhí)行，這種技術(shù)稱為“程序浮動”。

　　在多道程序設(shè)計的系統(tǒng)中，有三點基本要求：

　　用“存儲保護”的方法保證各道程序互不侵犯;

　　用“程序浮動”技術(shù)讓程序能靈活地改變存放區(qū)域且能正確執(zhí)行;

　　必須對資源按一定的策略分配和調(diào)度。

　　2、多道程序設(shè)計利用了系統(tǒng)與外圍設(shè)備的并行工作能力，從而提高工作效率。具體表現(xiàn)為：

　　提高了處理器的利用率;

　　充分利用外圍設(shè)備資源：計算機系統(tǒng)配置多種外圍設(shè)備，采用多道程序設(shè)計并行工作時，可以將使用不同設(shè)備的程序搭配在一起同時裝入主存儲器，使得系統(tǒng)中各外圍設(shè)備經(jīng)常處于忙碌狀態(tài)，系統(tǒng)資源被充分利用;

　　發(fā)揮了處理器與外圍設(shè)備以及外圍設(shè)備之間的并行工作能力;

　　從總體上說，采用多道程序設(shè)計技術(shù)后，可以有效地提高系統(tǒng)中資源的利用率，增加單位時間內(nèi)的算題量，從而提高了吞吐率。

　　3、多道程序設(shè)計對算題量和算題時間的影響。采用多道程序設(shè)計能改變系統(tǒng)資源的使用情況，提高系統(tǒng)效率。但是應(yīng)注意以下兩個問題：

　　可能延長程序的執(zhí)行時間;

　　并行工作道數(shù)與系統(tǒng)效率不成正比。從表面上看，增加并行工作道數(shù)就可提高系統(tǒng)效率，但實際上并行工作道數(shù)與系統(tǒng)效率是不成正比，因為并行的道數(shù)要根據(jù)系統(tǒng)配置的資源和用戶對資源的要求而定：

　　(1)主存儲器的大小限制了可同時裝入的程序數(shù)量;

　　(2)外圍設(shè)備的數(shù)量也是一個制約條件;

　　(3)多個程序同時要求使用同一資源的情況也會經(jīng)常發(fā)生。

　　總之，多道程序設(shè)計能提高系統(tǒng)資源的使用效率，增加單位時間的算題量;但是對每個計算問題來說，從算題開始到全部完成所需要的時間可能延長，另外在確定并行工作道數(shù)時應(yīng)綜合系統(tǒng)的資源配置和用戶對資源的要求。

　　二、進(jìn)程(領(lǐng)會)

　　1、進(jìn)程的定義：把一個程序在一個數(shù)據(jù)集上的一次執(zhí)行稱為一個“進(jìn)程”。

　　2、進(jìn)程是由程序、數(shù)據(jù)集和進(jìn)程控制塊三部分組成。

　　我們舉一個例子，比如在有一個用戶程序notepad.exe(記事本)，當(dāng)它存放在磁盤上時，就是一個程序，在windows操作系統(tǒng)下運行它時，就會在內(nèi)存中建立一個記事本程序的進(jìn)程，而我們在記事本中編輯的當(dāng)前文字就是這個進(jìn)程的數(shù)據(jù)集，操作系統(tǒng)會為當(dāng)前的進(jìn)程設(shè)置一個進(jìn)程控制塊。如果我們再打開一個記事本程序的窗口，就會建立另一個進(jìn)程，此時運行的是同一個程序，但存在兩個進(jìn)程，第二個窗口中的編輯內(nèi)容就是第二個進(jìn)程的數(shù)據(jù)集。

　　3、進(jìn)程與程序的區(qū)別及關(guān)系。程序是靜止的，進(jìn)程是動態(tài)的。進(jìn)程包括程序和程序處理的對象(數(shù)據(jù)集)，進(jìn)程能得到程序處理的結(jié)果。進(jìn)程和程序并非一一對應(yīng)的，一個程序運行在不同的數(shù)據(jù)集上就構(gòu)成了不同的進(jìn)程。通常把進(jìn)程分為“系統(tǒng)進(jìn)程”和“用戶進(jìn)程”兩大類，把完成操作系統(tǒng)功能的進(jìn)程稱為系統(tǒng)進(jìn)程，而完成用戶功能的進(jìn)程則稱為用戶進(jìn)程。

　　三、進(jìn)程狀態(tài)(領(lǐng)會)

　　1、進(jìn)程的三種基本狀態(tài)。通常，根據(jù)進(jìn)程執(zhí)行過程中不同時刻的狀態(tài)，可歸納為三種基本狀態(tài)：

　　。等待態(tài)：等待某個事件的完成;

　　。就緒態(tài)：等待系統(tǒng)分配處理器以便運行;

　　。運行態(tài)：占有處理器正在運行。

　　2、進(jìn)程的狀態(tài)變化

　　進(jìn)程在執(zhí)行中狀態(tài)會不斷地改變，每個進(jìn)程在任何時刻總是處于上述三種基本狀態(tài)的某一種基本狀態(tài)，進(jìn)程狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換關(guān)系如下圖所示：

　　運行態(tài)→等待態(tài)往往是由于等待外設(shè)，等待主存等資源分配或等待人工干預(yù)而引起的。

　　等待態(tài)→就緒態(tài)則是等待的條件已滿足，只需分配到處理器后就能運行。

　　運行態(tài)→就緒態(tài)不是由于自身原因，而是由外界原因使運行狀態(tài)的進(jìn)程讓出處理器，這時候就變成就緒態(tài)。例如時間片用完，或有更高優(yōu)先級的進(jìn)程來搶占處理器等。

　　就緒態(tài)→運行態(tài)系統(tǒng)按某種策略選中就緒隊列中的一個進(jìn)程占用處理器，此時就變成了運行態(tài)。

　　進(jìn)程有四個基本屬性：

　　。多態(tài)性從誕生、運行，直至消滅。

　　。多個不同的進(jìn)程可以包括相同的程序

　　。三種基本狀態(tài)它們之間可進(jìn)行轉(zhuǎn)換

　　。并發(fā)性并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程輪流占用處理器

　　四、進(jìn)程控制塊(領(lǐng)會)

　　1、進(jìn)程控制塊的基本內(nèi)容。通常進(jìn)程控制塊包含四類信息：

　　。標(biāo)志信息含唯一的進(jìn)程名

　　。說明信息有進(jìn)程狀態(tài)、等待原因、進(jìn)程程序存放位置和進(jìn)程數(shù)據(jù)存放位置

　　?，F(xiàn)場信息包括通用、控制和程序狀態(tài)字寄存器的內(nèi)容

　　。管理信息存放程序優(yōu)先數(shù)和隊列指針

　　2、進(jìn)程控制塊的作用

　　進(jìn)程控制塊(ProcessControlBlock，簡稱PCB)，是操作系統(tǒng)為進(jìn)程分配的用于標(biāo)志進(jìn)程，記錄各進(jìn)程執(zhí)行情況的。進(jìn)程控制塊是進(jìn)程存在的標(biāo)志，它記錄了進(jìn)程從創(chuàng)建到消亡動態(tài)變化的狀況，進(jìn)程隊列實際也是進(jìn)程控制塊的鏈接。操作系統(tǒng)利用進(jìn)程控制塊對進(jìn)程進(jìn)行控制和管理。

　　進(jìn)程控制塊的作用有：

　　(1)記錄進(jìn)程的有關(guān)信息，以便操作系統(tǒng)的進(jìn)程調(diào)度程序?qū)M(jìn)程進(jìn)行調(diào)度。這些信息包括標(biāo)志信息、說明信息、現(xiàn)場信息和管理信息等;

　　(2)標(biāo)志進(jìn)程的存在，進(jìn)程控制塊是進(jìn)程存在的唯一標(biāo)志

　　五、進(jìn)程隊列(領(lǐng)會)

　　1、進(jìn)程隊列的鏈接。

　　在多道程序設(shè)計的系統(tǒng)中往往會同時創(chuàng)建多個進(jìn)程。在單處理器的情況下，每次只能讓一個進(jìn)程運行，其他的進(jìn)程處于就緒狀態(tài)或等待狀態(tài)。為了便于管理，經(jīng)常把處于相同狀態(tài)的進(jìn)程鏈接在一起，稱“進(jìn)程隊列”，由于進(jìn)程控制塊能標(biāo)志進(jìn)程的存在和動態(tài)刻畫進(jìn)程的特性，因此，進(jìn)程隊列可以用進(jìn)程控制塊的連接來形成。鏈接的方式有兩種：單向鏈接和雙向鏈接。

　　2、進(jìn)程基本隊列

　　就緒隊列：由若干就緒進(jìn)程按一定次序鏈接起來的隊列。

　　等待隊列：把等待資源或等待某些事件的進(jìn)程排列的隊列

　　3、進(jìn)程的入隊和出隊。

　　出隊和入隊：當(dāng)發(fā)生的某個事件使一個進(jìn)程的狀態(tài)發(fā)生變化時，這個進(jìn)程就要退出所在的某個隊列而排入到另一個隊列中去。

　　出隊：一個進(jìn)程從所在的隊列退出的操作稱為出隊

　　入隊：一個進(jìn)程排入到一個指定的隊列的操作稱為入隊。

　　系統(tǒng)中負(fù)責(zé)進(jìn)程入隊和出隊的工作稱為隊列管理。

　　無論單向鏈接還是雙向鏈接，解決入，出隊問題，都是首先找到該隊列的隊首指針，沿鏈找出要入隊的進(jìn)程以及它要插入的位置，或找出要出隊的進(jìn)程，然后修改本進(jìn)程指針(入隊情況)和相鄰進(jìn)程的有關(guān)指針值即可。

　　六、可再入程序(識記)

　　(1)什么是可再入程序。一個能被多個用戶同時調(diào)用的程序稱做“可再入”的程序。

　　(2)可再入程序的性質(zhì)。

　　可再入程序必須是純代碼，在執(zhí)行時自身不改變;

　　一個可再入程序要求調(diào)用者提供工作區(qū)，以保證程序以同樣方式為各用戶服務(wù)。

　　編譯程序和操作系統(tǒng)程序通常都是“可再入”程序，能同時被不同用戶調(diào)用而構(gòu)成不同的進(jìn)程。

　　七、中斷及中斷響應(yīng)(領(lǐng)會)

　　1、中斷的定義。

　　一個進(jìn)程占有處理器運行時，由于自身或者外界的原因(出現(xiàn)了事件)使運行被打斷，讓操作系統(tǒng)處理所出現(xiàn)的事件，到適當(dāng)?shù)臅r候再讓被打斷的進(jìn)程繼續(xù)運行，這個過程稱為“中斷”。

　　2、中斷的類型。

　　從中斷事件的性質(zhì)出發(fā)，中斷可以分為兩大類：

　　。強迫性中斷事件包括硬件故障中斷，程序性中斷，外部中斷和輸入輸出中斷等

　　。自愿性中斷事件是由正在運行的進(jìn)程執(zhí)行一條訪管指令用以請求系統(tǒng)調(diào)用而引起的中斷，這種中斷也稱為“訪管中斷”。

　　自愿中斷的斷點是確定的，而強迫性中斷的斷點可能發(fā)生在任何位置。

　　3、中斷的響應(yīng)和處理。

　　中斷響應(yīng)(硬件即中斷裝置操作)

　　處理器每執(zhí)行一條指令后，硬件的中斷位置立即檢查有無中斷事件發(fā)生，若有中斷事件發(fā)生，則暫停現(xiàn)行進(jìn)程的執(zhí)行，而讓操作系統(tǒng)的中斷處理程序占用處理器，這一過程稱為“中斷響應(yīng)”。

　　中斷響應(yīng)過程中，中斷裝置要做以下三項工作：

　　是否有中斷事件發(fā)生

　　判別自愿性中斷，只要檢查操作碼是否為訪管指令。

　　判別強迫性中斷，則要檢查中斷寄存器內(nèi)容。若為0，則無中斷;若非0，則表示有中斷事件發(fā)生。

　　若有中斷發(fā)生，保護斷點信息

　　每個程序都有一個程序狀態(tài)字(PSW)來反映本狀態(tài)的執(zhí)行狀態(tài)，如基本狀態(tài)、中斷碼和中斷屏蔽位等內(nèi)容。處理器設(shè)有一個“程序狀態(tài)字寄存器”用來存放當(dāng)前運行程序的PSW.程序狀態(tài)字可分為當(dāng)前PSW、舊PSW和新PSW.

　　當(dāng)出現(xiàn)中斷事件后，把被中斷進(jìn)程的PSW保存為舊PSW，即完成斷點信息保護。

　　啟動操作系統(tǒng)的中斷處理程序工作

　　中斷裝置通過“交換PSW”過程完成此項任務(wù)，即把出現(xiàn)的中斷事件存放到當(dāng)前PSW中斷碼位置，然后把該當(dāng)前PSW保存為舊PSW，再把操作系統(tǒng)中斷處理程序的新PSW送到程序狀態(tài)字寄存器中，成為當(dāng)前的PSW.

　　中斷處理(軟件即操作系統(tǒng)操作)

　　操作系統(tǒng)的中斷處理程序?qū)χ袛嗍录M(jìn)行處理時，大致要做三方面的工作：

　　保護被中斷進(jìn)程的現(xiàn)場信息

　　把中斷時的通用寄存器，控制寄存器內(nèi)容及舊PSW保存到被中斷進(jìn)程的進(jìn)程控制塊中。

　　分析中斷原因

　　根據(jù)舊PSW的中斷碼可知發(fā)生該中斷的具體原因。

　　處理發(fā)生的中斷事件

　　一般只做一些簡單處理，在多數(shù)情況下把具體的處理交給其他程序模塊去做。

　　八、中斷優(yōu)先級和中斷屏蔽(識記)

　　1、中斷優(yōu)先級是硬件設(shè)計時確定的。中斷裝置按預(yù)定的順序來響應(yīng)同時出現(xiàn)的中斷事件，這個預(yù)定的順序稱為“中斷優(yōu)先級”。中斷優(yōu)先級是按中斷事件的重要性和緊迫程度來確定的，是由硬件設(shè)計時固定下來的。一般情況下，優(yōu)先級的高低順序依次為：硬件故障中斷、自愿中斷、程序性中斷，外部中斷和輸入輸出中斷。

　　2、中斷的嵌套處理

　　3、中斷屏蔽的作用。中斷優(yōu)先級只是規(guī)定了中斷裝置響應(yīng)同時出現(xiàn)的中斷的次序，當(dāng)中斷裝置響應(yīng)了某個中斷后中斷處理程序在進(jìn)行處理時，中斷裝置也可能去響應(yīng)另一個中斷事件。因此會出現(xiàn)優(yōu)先級低的中斷事件的處理打斷優(yōu)先級高的中斷事件的處理，使得中斷事件的處理順序與響應(yīng)順序不一致，而且會形成多重嵌套處理，使多現(xiàn)場保護、程序返回等工作變的復(fù)雜。

　　中斷屏蔽技術(shù)就是為了解決上述問題而提出的在一個中斷處理沒有結(jié)束之前不響應(yīng)其他中斷事件，或者只響應(yīng)比當(dāng)前級別高的中斷事件。于是，當(dāng)中斷裝置檢查到有中斷事件后，便去查看PSW中中斷屏蔽標(biāo)志，如果沒有屏蔽就響應(yīng)該中斷;否則，暫時不響應(yīng)該中斷，待屏蔽標(biāo)志消除后再響應(yīng)。自愿中斷是不能屏蔽的。

　　九、進(jìn)程調(diào)度(領(lǐng)會)

　　1、進(jìn)程調(diào)度的職責(zé)。按選定的進(jìn)程調(diào)度算法從就緒隊列中選擇一個進(jìn)程，讓它占用處理器。

　　2、選擇進(jìn)程調(diào)度算法的幾個準(zhǔn)則：

　　。提高處理器利用率

　　。增大吞吐量

　　。減少等待時間

　　?？s短響應(yīng)時間

　　3、進(jìn)程調(diào)度的常用算法：先來先服務(wù)、優(yōu)先數(shù)法、輪轉(zhuǎn)法、分級調(diào)度。

　　先來先服務(wù)調(diào)度算法該算法按進(jìn)程進(jìn)入就緒隊列的先后次序選擇可以占用處理器的進(jìn)程。

　　優(yōu)先數(shù)調(diào)度算法對每個進(jìn)程確定一個優(yōu)先數(shù)，該算法總是讓優(yōu)先數(shù)最高的進(jìn)程先使用處理器。對具有相同優(yōu)先數(shù)的進(jìn)程，再采用先來先服務(wù)的次序分配處理器。系統(tǒng)常以任務(wù)的緊迫性和系統(tǒng)效率等因素確定進(jìn)程的優(yōu)先數(shù)。進(jìn)程的優(yōu)先數(shù)可以固定的，也可隨進(jìn)程執(zhí)行過程動態(tài)變化。一個高優(yōu)先數(shù)的進(jìn)程占用處理器后，系統(tǒng)處理該進(jìn)程時有兩種方法，一是“非搶占式”，另一種是“可搶占式”。前者是此進(jìn)程占用處理器后一直運行到結(jié)束，除非本身主動讓出處理器，后者則是嚴(yán)格保證任何時刻總是讓優(yōu)先數(shù)最高的進(jìn)程在處理器上運行。

　　時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度法把規(guī)定進(jìn)程一次使用處理器的最長時間稱為“時間片”。時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法讓就緒進(jìn)程按就緒的先后次序排成隊列，每次總選擇該隊列中第一個進(jìn)程占用處理器，但規(guī)定只能使用一個時間片，如該進(jìn)程尚未完成，則排入隊尾，等待下一個供它使用的時間片。各個進(jìn)程就這樣輪轉(zhuǎn)運行。時間片輪轉(zhuǎn)算法經(jīng)常用于分時操作系統(tǒng)中。

　　分級調(diào)度算法由系統(tǒng)設(shè)置多個就緒隊列，每個就緒隊列中的進(jìn)程按時間片輪轉(zhuǎn)法占用處理器，這就是分級調(diào)度算法。

　　4、進(jìn)程的切換進(jìn)程調(diào)度將從就緒隊列中另選一個進(jìn)程占用處理器，使一個進(jìn)程讓出處理器，由另一個進(jìn)程占用處理器的過程稱“進(jìn)程切換”。

　　若有一個進(jìn)程從運行態(tài)變成等待態(tài)，或完成工作后就撤消，則必定會發(fā)生進(jìn)程切換。若一個進(jìn)程從運行態(tài)或等待態(tài)變成就緒態(tài)，則不一定發(fā)生進(jìn)程切換。

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