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1、1,第三章 處理程序的說明及控制Process Description and Control,所有多重程式(multi-programmed)作業系統都建立在process的概念大部分作業系統需滿足的需求交錯多個process的執行，在理想反應時間下達到最大的處理器使用率。遵從特定的政策(例如，高優先權)來配置資源給process，且避免死結的發生。支援process間的相互通訊(inter-process communication)、使用者process的建立。從了解process的表示與控制，開始學習作業系統!,2,3.1 處理程序的狀態,從處理器的觀點看process交錯執行處理器藉
2、由改變程式計數器(Program Counter,PC)的數值，依序執行指令。追蹤process的軌跡(trace)：列出每個process執行指令的順序。,處理程序A,B,C的軌跡,50008000120005001 800112001500280021200250038003120035004120045005 120055006 12006500712007500812008500912009501012010501112011(a)(b)(c),Figure 3.1 Snapshot of Example Execution(Figure 3.3)at Instruction Cycl
3、e 13,3,4,所有處理程序結合的軌跡,500050015002500350045005-時間到1001011021031041058000 8001,80028003-I/O請求100101102103104105120001200112002120031200412005,-時間到100101102103104105500650075008500950105011-時間到100101,102103104105120061200712008120091201012011-時間到,Figure 3.3 Combined Trace of Processes of Figure 3.1,5,雙
4、狀態(two-state)處理程序模型,Process的兩種狀態：執行(Running)未執行(Not Running)。中斷的process被移至等待佇列中。分派程式由佇列中選擇一個process執行。,6,建立處理程序的原因,新的批次工作：讀入下一個工作控制命令(Job Control Command)。互動式登入：使用者在終端機登入到系統。被作業系統建立來提供服務：產生新process以進行特定功能，避免使用者等待。由現有的process產生：為了模組化或平行處理，使用者程式可建立其他process。Process產生另一Process時，彼此為親子關係(Parent and Child
5、)。,7,處理程序終止的原因,正常完成(Normal completion)批次工作下達停止(Halt)指令或系統呼叫。使用者登出。Process發出終止執行的請求。執行時發生錯誤：超過時間限制(Time limit exceeded)、記憶體不足(Memory unavailable)、違反記憶體邊界(Memory bounds violation)保護錯誤(Protection error)：write to read-only file算術錯誤(Arithmetic error)：除以0，或超出最大值。時間超過(Time overrun)：process waited longer th
6、an a specified maximum for an event管理者或作業系統介入(如發生deadlock)、輸出入失敗(I/O failure)、不合法指令(Invalid instruction)、特權指令(Privileged instruction)、資料誤用、parent process要求、parent process終止。,8,五狀態(five-state)處理程序模型,雙狀態模型不完備之處未執行狀態的process有兩種情形：(1)可以執行；(2)等待I/O動作的完成而被懸置(blocked)。分派程式必須掃描整個佇列，找出未被懸置且等待最久的process。擴充雙狀態
7、模型成為五種狀態執行中(Running)未執行狀態再區分為：備妥(Ready)；懸置(Blocked)另為方便管理process，新增二種狀態：新建(New)：剛被系統建立，尚未允許進入執行區。(尚未載入主記憶體，僅建立表格)離開(Exit)：因停止或取消，被系統由執行區離開。(釋放佔用的主記憶體，但保留相關表格),9,五狀態處理程序模型(續),10,Figure 3.6 Process States for Trace of Figure 3.3,圖3.7(a)有兩個佇列：備妥佇列與懸置佇列圖3.7(b)對每一事件分別有一佇列,Figure 3.7 Queuing Model of Figu
8、re 3.5,11,12,置換的需要 The need for swapping,在未使用虛擬記憶體的系統，每個process必須完全地載入記憶體中才能執行。由於處理器比I/O動作快太多，即使在多工環境下，處理器大部分時間仍處於閒置狀態。解決方法：容納更多的process擴充主記憶體：如此會增加成本。置換(swapping)：將process的部分或全部由主記憶體移至磁碟上，本身也是I/O動作。使用置換，需增加新的狀態：暫停(suspend)當所有主記憶體中的process都處於懸置狀態時，系統可將某個process暫停，並置換至磁碟，其所佔據的主記憶體空間就可釋放出來給其他process使用
9、。,13,置換之後，選擇載入process的方法容許新process的產生。問題：將增加系統的負擔。載入一處於暫停狀態的process。問題：所有暫停process都是被懸置的process，即使載入也仍無法執行。,單一暫停狀態,14,雙暫停狀態,有兩個獨立的概念：是否等待事件(懸置)、是否被置換(暫停)2*2組合：共四種狀態：(1)備妥；(2)懸置；(3)懸置，暫停；(4)備妥，暫停。,15,暫停的其他使用,暫停process的概念Process無法立即被執行。Process可能在等待某個事件。Process可被其他process或作業系統置於暫停狀態。Process不能離開這個狀態，直到讓
10、它陷入暫停狀態的人解除為止。process暫停的原因置換：作業系統必須釋出主記憶體空間，以容許載入其他process。其他作業系統理由：作業系統可能會暫停背景、工具或產生問題的process。互動使用者要求：使用者希望暫停某一process。時間：如週期性執行的process。parent process要求。,16,3.2 處理程序描述 Process Description,作業系統控制結構作業系統要管理process與資源，必須擁有各process與資源目前狀態的資訊。最簡單的方法：作業系統建立並維護所管理實體的資訊表格，包括：記憶體、輸出入(I/O)、檔案、Process。,Figur
11、e 3.9 Processes and Resources(resource allocation at one snapshot in time),17,Figure 3.10 General Structure of Operating System Control Tables,18,Process的控制結構,Process的位置影像(image)：即Process的構成，包含：程式、資料、堆疊與屬性。Process的image的位置:(a)連續的記憶體區塊;或(b)一系列不一定連續的區塊。區塊可為不同長度(區段,Segment)，或使用固定長度(頁,page)，或二者結合。Proces
12、s的屬性Process控制區塊(Process Control Block)：所有屬性的集合。,19,Process控制區塊,Process識別資訊(identification information)：該process的識別碼、parent process的識別碼、使用者識別碼Process狀態資訊(state information)：使用者可見暫存器；控制與狀態暫存器：Program Counter,Program Status Word,堆疊指標。Process控制資訊(control information)：優先權、排班相關資訊、事件、結構資訊(process間的資料結構鏈結)、
13、process間通訊(inter-process communication)、process的權限、記憶體管理、資源所有權與使用率。,20,處理程序的屬性-Pentium EFLAGS暫存器,控制位元：ID識別碼：是否支援CPUID指令，該指令提供製造商、型號資訊。RF：繼續旗標(Resume flag)。IOPL：輸出入特權層級(I/O privilege level)IF：中斷致能旗標(Interrupt enable flag)。TF：陷阱旗標(Trap flag)，使所有指令的執行產生中斷，以用來偵錯。運作模式位元VM：虛擬8086模式(Virtual 8086 mode)。VIF(
14、Virtual interrupt flag)：用於虛擬8086模式，取代中斷致能旗標(IF)。狀況代碼CF：進位旗標(Carry flag)。,21,Figure 3.12 User Processes in Virtual Memory,22,Figure 3.13 Process List Structures,23,3.3 處理程序控制,大部分處理器支援至少兩種執行模式較低特權的模式：稱使用者模式(user mode)。較高特權的模式：稱系統模式(system mode)、控制模式(control mode)、或核心模式(kernel mode)。理由：作業系統本身及其表格有保護的必要
15、。執行模式的區別及改變程式狀態字組(Program Status Word,PSW)有一位元表示執行模式。VAX的改變模式指令(CHM)：使用者呼叫系統服務，或發生中斷控制轉移至系統常式時，常式就執行CHM指令返回控制權給使用者process前，再執行一次CHM進入較低特權模式。Process的建立配置一process識別碼，在process表格中加入一新項目。分配空間，包含process影像(image)的所有元素。Process控制區塊(Process Control Block)的初始化。設定Process的鏈結、各種Process佇列、其他資料結構。,24,處理程序切換(process
16、 switch),何時process切換？作業系統取得控制權的事件：中斷(Interrupt)：由外部發出，例如：I/O動作完成。時鐘中斷(Timer Interrupt)，輸出入中斷(I/O Interrupt)，記憶體錯誤。陷阱(Trap)：與目前執行的指令相關，例如：非法存取檔案。An error resulted from the last instruction.It may cause the process to be moved to the Exit state.監督者呼叫(Supervisor Call)：程式明確要求，例如：開啟檔案。explicit request by
17、 the program(ex:file open).The process will probably be blocked.中斷週期的模式切換(Mode Switch)儲存目前執行中程式的序文(context)：PSW,PC,其他暫存器、堆疊。將程式計數器(PC)設至中斷處理器的位址。由使用者模式切換至核心模式，讓中斷處理程式可執行特權指令。,25,處理程序切換(Process Switch)(續),模式切換(mode switching)vs.處理程序切換(process switching)(也有稱context switch,但容易與thread切換混淆)模式切換不會改變proces
18、s從執行狀態至另一狀態。在此情況下，序文(context)的儲存及之後的回存，額外的負擔較少。但執行中的Process被移至其他狀態，則必須做完整的process切換。Process切換的步驟：儲存處理器的序文，包括：程式計數器與其他暫存器。更新Process控制區塊：改變Process執行狀態至另一狀態。將Process移至適當的佇列。選擇另一Process來執行(課本第4部分討論)。更新選擇的Process的控制區塊。更新記憶體管理資料結構。回存處理器的序文到該Process被切換之前。,26,作業系統的執行方式,作業系統的特殊角色作業系統是電腦軟體，也就是處理器執行的程式。作業系統時常放
19、棄控制，且依賴處理器允許它取回控制權。作業系統是個Process嗎？它如何控制？非Process核心(Non-process Kernel)：常在舊作業系統見到的方法。作業系統在所有Process外執行，是分開執行的實體，擁有特權模式。所謂Process即為User Process。,Figure 3.14(a)Separate kernel,27,將整個作業系統視為User Process的內容作業系統是常式的集合，讓使用者呼叫來執行各種功能在User Process的環境中執行。當中斷、陷阱或管理者呼叫發生，處理器就進入核心模式，並將控制權交給作業系統。並未做處理程序切換，只進行了模式切換
20、。作業系統碼以共享的方式，被User Process所執行。,與User Process一起執行,Figure 3.14(b)OS functions execute within user processes,與User Process一起執行(續),在核心模式時，使用分開的核心堆疊(kernel stack)管理呼叫/返回。作業系統在共享的位址區域，可被所有User Process共享,28,Figure 3.15 Process Image:Operating System Executes Within User Space,29,處理程序為基礎的作業系統Process-based O
21、perating System,將作業系統視為許多Process的集合主要的核心函數組織成分離的Process優點：模組化的設計。採Process設計，各函數可以設定不同的優先權執行，並與其他Process交錯執行。對多處理器或分散式系統而言，可將作業系統服務移至其他處理器上執行，來提昇效率。,Figure 3.14(c)OS functions execute as separate processes,30,3.4 Unix SVR4 Process管理,大部分Unix作業系統的功能，都在User Process的環境下執行。(圖3.14(b)的模式)使用兩種類型的ProcessSyste
22、m Process:核心模式下執行，例如：配置記憶體、置換Process。User Process:(1)run in user mode for user programs;(2)run in kernel modes for system calls,traps,and interrupts.Process狀態：共9種狀態，類似之前的7狀態轉移圖。Created=New;Zombie(僵屍)=Exit；。執行中(Running)分為:User Running,Kernel Running，表示在使用者模式或核心模式內執行。區分備妥Ready to Run in Memory及被先佔Pree
23、mpted:二者本質上相同，只是區別進入此狀態的途徑，二者也放在同一佇列上。先佔動作(Preemption)只發生在Process由 kernel轉移至user mode時。使得Unix不適於即時處理(Real-time processing)。,31,Figure 3.16 UNIX Process State Transition Diagram,32,Unix System Processes,Process 0 是在系統啟動時(boot time)建立的特殊process，預先定義成一個啟動時載入的資料結構。稱為置換者處理程序(“swapper process”)。Process 0
24、fork process 1(the init process)所有系統中的process都是Process 1的child process。當使用者登錄系統，Process 1 建立一User Process 給該使用者。,33,Unix處理程序影像(Process Image),使用者階層序文(User-level context)Process本文(Text)：程式的可執行機器指令(code:read-only)Process資料(Data)使用者堆疊(User Stack)：calls/returns in user mode共享記憶體(Shared memory)：用於行程間通訊(I
25、PC)。只有一份實體，但藉由虛擬記憶體，出現在每個Process的位址空間中。暫存器序文(Register context):處理器狀態資訊。系統階層序文(System-level context)Process表格項:Process的狀態,UID,PID,優先權(priority),等待的事件(event awaiting),已送出但尚未處理的訊號(signals),指向text、data的記憶體指標。使用者區域：額外的Process控制資訊，包括：生效的UID(effective UID),計時器,使用中的檔案(files in use).每個Process的區域表(Per Process
26、 Region Table)：記憶體管理用。核心堆疊(Kernel stack)：calls/returns in kernel mode,34,處理程序控制 Process Control,建立Process:fork()在Process表格中，配置一個槽(slot)給新的Process。指派唯一的識別碼(unique PID)給child process。child process得到parent process的image的複本。child process擁有parent process所有檔案。分配child process至備妥執行狀態。fork()返回child的 PID給parent process;返回0給child process。上述工作都在parent process的核心模式下執行，核心的分派常式選擇進行下列其中一項工作：停留在parent process，控制權回到使用者模式呼叫fork後的位置。轉移控制權至child process，child process在由fork呼叫返回後同時開始執行。轉移控制權至其他process，但child及parent仍停留在備妥執行狀態。,
