《中断与处理机调度》课件

中断与处理机调度本节课程将深入探讨中断机制及其在操作系统中的应用并介绍处理机调度策略,通过理解这些关键概念您将掌握如何构建高效可靠的操作系统,课程内容简介中断机制中断响应流程12介绍中断的概念、分类、硬件详细阐述中断的响应流程和中与软件中断的处理机制断服务程序的工作原理中断管理处理机调度策略34探讨中断屏蔽、优先级和常见介绍不同的处理机调度算法及中断类型的处理方法其在实际应用中的表现什么是中断？中断是计算机系统中一种突发事件它打断正常的程序执行流程并要求系统立即,,对其进行响应和处理中断可以来自硬件设备或者软件操作它能够及时地通知,有事件需要处理中断机制是操作系统实现高效并发的关键技术之一CPU中断的分类硬件中断软件中断时钟中断异步中断由外部硬件设备产生的中断信由程序指令引发的中断信号由系统内部时钟设备周期性产由外部设备在任意时间产生的,号触发如键盘、鼠标、磁盘如除零错误、缺页异常、系统生的中断信号用于实现各种中断信号不依赖于处理器的,,,驱动器等调用等时间相关的功能执行状态硬件中断系统硬件设备硬件中断产生于系统的各种硬件设备,如键盘、鼠标、磁盘等,当这些设备需要处理器注意时就会产生中断请求时钟中断系统时钟会定期产生中断请求,用于实现系统的定时功能,如进程调度、任务切换等错误中断当系统发生各种错误时,如除零错误、非法访问等,也会产生中断请求,以通知处理器进行处理软件中断原因多样响应灵活优先级可调软件中断可能由程序本身引起，如除零与硬件中断相比，软件中断由程序触发软件中断可以根据优先级进行调度确保,错误、非法访问等也可能由操作系统并由操作系统来处理响应更加灵活关键任务优先得到响应,引起，如系统调用、定时器到期等中断处理机制中断检测1系统监测外部设备和内部状态变化中断请求2向CPU发送中断请求信号中断响应3CPU暂停当前程序执行,转而处理中断中断处理4执行相应的中断服务程序中断返回5处理完成后,恢复被中断的程序中断处理机制描述了系统如何检测、响应和处理中断事件从检测中断请求到执行中断服务程序,再到恢复原有程序执行,整个过程涉及多个关键步骤这一机制确保了系统能够及时、有序地处理各种外部设备和内部状态变化,提高了系统的响应能力和可靠性中断响应流程中断请求1当硬件设备或软件程序发生中断事件时，会向发出CPU中断请求信号中断响应2接收到中断请求后，会暂停当前执行的程序，转而CPU去处理中断事件保存现场3会保存当前程序的执行状态，包括程序计数器、寄CPU存器等，以便在中断处理完成后恢复执行中断服务4会根据中断类型查找对应的中断服务程序并执CPU ISR行完成中断事件的处理,现场恢复5中断服务程序执行完毕后会恢复之前保存的程序执,CPU行状态继续执行被中断的程序,中断服务程序中断服务程序的执行流程中断优先级处理中断嵌套处理中断服务程序是系统接收到中断请求后执行中断服务程序需要根据中断的优先级进行合在中断服务程序执行过程中可能会出现新,的一段代码负责保存现场、确定中断源、理调度确保高优先级中断得到及时响应和的中断请求操作系统需要合理地处理中断,,,处理中断请求并在完成后恢复现场处理嵌套避免死锁等问题的发生,,中断向量表定义作用12中断向量表是一个数据结构用当发生中断时处理器通过查询,,于存储每种中断类型对应的中中断向量表来定位相应的中断断服务程序的入口地址服务程序并跳转执行,存储位置编号规则34中断向量表通常存储在内存的每种中断类型都有一个唯一的低地址空间以便快速访问中断向量号用于索引中断向量,,表中断屏蔽与优先级中断屏蔽中断优先级通过启用或禁用硬件中断信号，不同类型的中断具有不同的优先可以暂时屏蔽某些中断，以级，当多个中断同时发生时，CPU避免中断服务程序被过于频繁地会按照预先设置的优先级顺CPU调用，影响系统性能序进行处理优先级管理系统可以动态调整中断优先级，以确保关键任务的中断能够及时得到响应和处理时钟中断时钟中断的重要性时钟中断的功能时钟中断的实现时钟中断的频率时钟中断是操作系统中最基本时钟中断可用于任务切换、进时钟中断通常由专门的计时硬现代操作系统通常会设置较高和最重要的中断类型之一它程调度、性能监控、超时检测件电路（如晶振）定期产生的时钟中断频率如每毫秒一,用于定期触发中断以维护系统等多种操作系统功能它确保操作系统会处理这些中断并更次以提高系统的时间精度和,时间和进行各种时间相关的任系统能够按时完成各种任务和新系统时间和执行相关任务响应能力务响应用户输入键盘中断键盘输入中断处理流程工作原理用户通过键盘输入数据和命令触发相应的系统检测到键盘中断请求后会暂停当前程键盘通过发送编码信号告知操作系统用户,,,键盘中断请求供操作系统处理序执行转而执行键盘中断服务程序按下了哪个按键操作系统根据编码识别输,,,入内容磁盘中断磁盘I/O事件磁盘的读写操作完成后会触发磁盘中断通知数据传输已就绪,CPU快速响应磁盘中断需要及时处理以确保数据能迅速传输到内存提高系统性能,,中断优先级磁盘中断通常具有较高的优先级确保存储操作优先获得时间片,CPU处理机调度概述处理机调度是操作系统管理多道程序执行的重要功能它决定何时将哪个就绪进程分配给处理器执行合理的调度算法可以提高系统的资源利用率和响应时间批处理调度任务列表批处理调度系统会将用户提交的任务以批量的形式组成一个待执行的任务列表预定执行时间系统可以根据任务优先级和资源可用情况来预定任务的执行时间先来先服务批处理调度通常采用先到先得的原则按照任务到达的先后顺序进行排队执行,互交式调度即时响应公平分配互交式调度针对需要快速响应用为了让所有用户获得公平的服务,户输入的交互式应用程序，提供互交式调度会轮流处理各用户的即时的反馈和交互体验请求避免某些用户长时间等待,优先级机制可以根据用户的优先级来调整处理顺序确保重要用户可以得到及时响应,实时调度特点目标算法挑战实时调度针对的是必须在严格确保任务在截止时间前完成常见的实时调度算法有最早截需要精准预测任务的执行时间,的时间限制内完成的任务比同时最大化整体系统的吞吐量止时间优先、最短剩余时间优并动态调整以应对不确定因,,如工业控制系统、航空管制和和资源利用率先和率优先等素和突发事件医疗监护等场景先来先服务调度算法最简单的调度算法公平性高12先来先服务调度算法是最简单该算法能够保证每个作业都能直观的处理机调度算法之一，得到公平对待，不会出现某些它按照作业到达的先后顺序进作业长期得不到调度的情况行调度实现简单不重视作业优先级34先来先服务调度算法的实现非算法没有考虑作业的优先级和常简单，只需要维护一个先进紧急程度，可能会导致某些重先出的作业队列即可要作业长时间得不到执行最短作业优先调度算法及时响应减少平均等待时间适用于密集型作业CPU该算法根据作业的预计执行时间长短进行调通过优先执行最短作业可以最大程度地减最短作业优先算法适用于密集型作业,CPU,度优先执行最短作业可以快速响应用户需少作业的等待时间降低用户的等待成本可以有效调度资源提高利用率,,,,CPU求提高整体系统效率,时间片轮转调度算法时间片分配公平性12将处理器的时间划分成固定长保证每个进程都能获得公平的度的时间片，按照时间片轮流处理器使用时间，防止某些进分配给就绪队列中的进程程长时间得不到执行实现简单缺点34通过时间片轮转的方式进行进不考虑进程的实际需求和优先程调度，实现方式简单高效级，可能导致响应时间增加和资源利用率降低多级反馈队列调度算法多级队列自适应调度将进程划分为不同的优先级级别优先级较低的进程如果长时间得，每个级别有一个独立的就绪队不到调度，会自动升级到更高的列优先级队列时间片轮转系统效率每个级别内部采用时间片轮转算兼顾了交互性进程和批处理进程法，保证公平性和响应性，可以较好地平衡系统的响应时间和吞吐量优先级调度算法概念实现优点缺点优先级调度算法根据每个进程该算法使用就绪队列维护进程可以确保关键任务或高优先级可能导致低优先级进程长期得的优先级来决定执行顺序优优先级顺序当有新进程就绪业务得到及时处理提高系统不到执行产生饥饿问题需,,先级可以由系统分配或由用户时会根据优先级插入到合适响应性同时也可以灵活调整要设计合理的优先级分配策略,指定该算法确保高优先级进位置处理器总是执行就绪队进程优先级满足不同应用场平衡各类进程的需求,,程优先获得处理器时间列中优先级最高的进程景需求实时调度算法实时操作系统任务优先级调度固定优先级调度实时操作系统必须满足确定性和实时性要求实时调度算法根据任务的优先级和截止时间固定优先级调度算法为每个任务分配一个固确保系统能够及时响应关键事件并快速做对任务进行调度确保关键任务能够按时完定的优先级并按照优先级顺序执行任务,,,出反应成饥饿问题任务等待时间过长某些任务在处理机调度算法下可能长时间得不到执行机会，导致任务饥饿等待优先级不合理不合理的优先级设置可能导致低优先级任务长期得不到执行机会资源分配不均对于共享资源的不公平分配可能导致某些任务长期得不到所需资源调度算法的评价指标响应时间吞吐量衡量从任务提交到任务完成之间衡量系统在单位时间内完成的任的时间长度，反映系统的实时性务数量，反映系统的整体处理能和交互性力公平性资源利用率衡量调度算法在对待不同优先级衡量系统资源使用效率，反映调任务时的公平程度度算法的资源管理能力调度算法的比较与选择性能指标1考虑系统吞吐量、响应时间等衡量指标适用场景2针对不同任务类型选择合适算法算法复杂度3权衡算法的时间和空间复杂度系统开销4评估算法实施过程中的系统消耗在比较和选择调度算法时需全面考虑系统性能指标、适用场景、算法复杂度和系统开销等因素通过权衡评估选择最合适的调度算法以满足不同,,,应用环境下的需求总结与展望总结本课程系统地介绍了中断机制和处理机调度的基本概念、分类、处理流程以及相关算法全面掌握这些知识对于提高操作系统的性能和稳定性至关重要展望随着计算机系统不断发展,中断机制和处理机调度将面临新的挑战未来的研究方向可能包括实时性、并行性和分布式系统等方面我们需要不断探索和创新,以满足日益复杂的计算需求教学建议在教学过程中,可以通过实验和案例分析的方式,帮助学生更好地理解和应用所学知识同时鼓励学生参与讨论和交流,增进对本课程的兴趣和理解讨论与交流在本课程结束之际，我们鼓励学生积极参与讨论和交流通过大家的互动交流，我们可以进一步巩固所学知识深化对中断与处理机调度的,理解老师将耐心解答大家提出的各种问题并就相关议题展开讨论希望同学们能主动发言畅所欲言为这门课程画上一个圆满的句号,,,。