[No000038]操作系统Operating Systems -CPU

管理CPU ，先要使用CPU…

CPU 的工作原理

CPU上电以后发生了什么? 自动的取指 — 执行

• CPU 怎么工作?
• CPU怎么管理?

管理CPU 的最直观方法

设好PC 初值就完事!

看看这样做有没有问题? 提出问题

怎么解决?

现在变成了这个样子

多道程序、交替执行，好东西啊!

 

	单道程序	多道程序
CPU 利用率	40/80=50%	40/45=89%
DEV1 利用率	15/80=18.75%	15/45=33%
DEV2 利用率	25/80=31.25%	25/45=56%

 

一个CPU面对多个程序?

一个CPU 上交替的执行多个程序： 并发

怎么做到?

修改寄存器PC 就行了吗?

运行的程序和静态程序不一样了…

引入"进程"概念

运行的程序和静态程序不一样!

• 需要描述这些不一样…(这些不一样就成了进程概念的外延)

• 程序 + 所有这些不一样 -> 一个概念(所有的不一样都表现在PCB 中…)

 

进程是进行（执行）中的程序

• 进程有开始、有结束，程序没有
• 进程会走走停停，走停对程序无意义
• 进程需要记录ax,bx,… ，程序不用
• …………

多进程图像Multiple Processes…

多个进程使用CPU的图像

如何使用CPU 呢?

• 让程序执行起来

如何充分利用CPU 呢?

• 启动多个程序，交替执行

启动了的程序就是进程，所以 是多个进程推进

• 操作系统只需要把这些进程 记录 好、要按照合理的次序推进(分配资源、进行调度)
• 这就是多进程图像…

多进程图像从启动开始到关机结束

main 中的fork() 创建了第1 个进程

• init 执行了shell(Windows 桌面)

  if(!fork()){init();}

shell再启动其他进程

int main(int argc, char * argv[])

{ while(1) { scanf("%s", cmd);

if(!fork()) {exec(cmd);} wait(); } }

一命令启动一个进程，返回shell 再启动其他进程…

多进程图像：多进程如何组织?

有一个进程在执行

有一些进程等待执行

有一些进程再等待某事件

多进程的组织：PCB+ 状态+ 队列

运行 → 等待; 运行 → 就绪; 就绪 → 运行……

• 该图称为 进程状态图
• 它能给出进程生存期的清晰描述
• 它是认识操作系统进程管理的一个窗口

多进程图像：多进程如何交替?

启动磁盘读写;

pCur.state = 'W';

将pCur 放到DiskWaitQueue;

schedule();

 

schedule()

{

pNew = getNext(ReadyQueue);

switch_to(pCur,pNew);

}

交替的三个部分：队列操作+ 调度+ 切换

就是进程调度，一个很深刻的话题

FIFO?

FIFO 显然是公平的策略

FIFO 显然没有考虑进程执行的任务的区别

Priority?

优先级该怎么设定? 可能会使某些进程饥饿

 

switch_to(pCur,pNew) {

pCur.ax = CPU.ax;

pCur.bx = CPU.bx;

...

pCur.cs = CPU.cs;

pCur.retpc = CPU.pc;

CPU.ax = pNew.ax;

CPU.bx = pNew.bx;

...

CPU.cs = pNew.cs;

CPU.retpc = pNew.pc; }

多进程图像：多进程如何影响?

多个进程同时在存在于内存会出现下面的问题

解决的办法：限制对地址100 的读写

多进程的地址空间分离： 内存管理的主要内容

进程执行时的100…

• 进程1 的映射表将访问限制在进程1 范围内
• 进程1 根本访问不到其他进程的内容
• 内存管理…

进程带动内存的使用

为什么说进程管理连带内存管理形成多进程图像？

多进程图像：多进程如何合作？

想一想打印工作过程

• 应用程序提交打印任务
• 打印任务被放进打印队列
• 打印进程从队列中取出任务
• 打印进程控制打印机打印

从纸上到实际：生产者− 消费者实例

两个合作的进程都要修改counter

    

                         

核心在于进程同步(合理的推进顺序)

写counter 时阻断其他进程访问counter

如何形成多进程图像？

• 读写PCB ，OS 中最重要的结构，贯穿始终
• 要操作寄存器完成切换
• 要写调度程序
• 要有进程同步与合作
• 要有地址映射