《课件操作系统处理机调度》课件

操作系统处理机调度工作负载管理是操作系统关键功能之一处理机调度决定每个进程何时获得CPU资源及运行时长,直接关系到系统性能和用户体验本课件将深入探讨处理机调度的基本概念和主要算法课件目标明确学习目标深入理解知识点培养实际应用能力课件将针对操作系统处理机调度的核心概念课件将通过案例分析、对比讨论等方式,帮课件将引导学生将所学知识应用到实际的操和主要算法进行深入讲解,帮助学生全面掌助学生更好地理解处理机状态、上下文切换作系统设计与实现中,提高学生的问题分析握操作系统中处理机调度的原理与实现以及各种调度算法的概念和特点和解决能力课件大纲处理机概述处理机状态和上下文切12换介绍处理机的基本概念、功能和属性探讨处理机状态的定义以及上下文切换的过程处理机调度概述常见调度算法34概括调度的目标、分类和调度详细介绍先来先服务、优先级时机、时间片轮转和多级反馈队列等调度算法处理机概述处理机是操作系统中最基础的资源之一了解处理机的基本概念、功能和属性有助于深入理解后续的处理机调度算法什么是处理机定义功能处理机是计算机系统中负责执行处理机的主要功能包括取指令、指令并控制整个计算机工作的核解码指令、执行指令以及与内存心部件它可以根据预定的程序和外设进行数据交换等对输入数据进行运算处理特点处理机具有高速运算和高度并行等特点,可以快速高效地执行各种算法和计算任务处理机的功能任务执行资源管理进程调度中断处理处理机负责执行操作系统和应处理机协调和管理计算机的各处理机负责对就绪进程进行调处理机能够及时响应和处理来用程序的各种任务和指令,实种硬件资源,如内存、输入输度,按照特定算法分配CPU时自硬件或软件的中断请求,保现计算机的基本功能出设备等,确保资源的高效利间,提高计算机的整体性能证系统的实时响应能力用处理机的属性处理速度内存容量处理机的执行速度是其最重要的属性较大的内存容量可以支持更复杂的程之一，决定了系统的整体性能序和更多的并发处理可靠性成本处理机的稳定性和故障容忍能力是衡处理机的成本是系统设计时需要考虑量其可靠性的重要指标的重要因素之一处理机状态和上下文切换处理机的状态包括正在运行、就绪、阻塞等上下文切换是操作系统在处理机之间切换的过程，需要保存当前处理机的状态并加载新的处理机的状态处理机状态运行状态处理机正在执行指令，在系统资源和内存中占有独立的空间就绪状态处理机拥有所需的全部资源，随时可以投入执行阻塞状态处理机由于某种原因暂时无法投入执行，需要等待特定事件发生上下文切换的定义切换处理机状态保存和恢复环境12上下文切换指的是操作系统在在切换过程中,操作系统需要保不同的进程或线程之间切换处存当前处理机的状态,并在切换理机的过程回该进程时恢复环境提高系统吞吐量3通过上下文切换,操作系统可以在多个任务之间高效地分配处理机资源,提高系统整体的吞吐量上下文切换的过程保存当前处理机状态1当需要进行上下文切换时，操作系统首先会保存当前处理机的寄存器值、程序计数器等信息，以便稍后恢复调度新的进程2操作系统选择下一个要运行的进程，并将其控制权移交给处理机恢复新进程状态3系统从保存的信息中恢复新进程的状态，包括重新加载寄存器、程序计数器等关键信息，以便处理机可以继续执行该进程处理机调度概述处理机调度是操作系统的核心功能之一它负责根据不同的调度算法，决定各个进程在处理机上的执行顺序和时间分配这是一个复杂而重要的主题，涉及各种算法和策略的比较与选择调度的目标最大化系统吞吐量公平性最小化响应时间保证实时性通过合理地分配处理器资源,各作业都能获得公平的处理器对于交互式作业,应尽量缩短对于实时性要求严格的作业,尽可能多地执行作业,提高系使用时间,避免某些作业长时从用户提交到获得响应的时间应确保它们能在截止时间前完统的总体生产力间得不到服务,提高系统的交互性能成,满足实时性要求调度的分类按照调度的时间按照调度的目标分为静态调度和动态调度静态分为高吞吐量调度、低响应时间调度在作业执行前确定调度顺序,调度和实时调度等不同目标的调动态调度在作业运行时根据情况度算法调整调度顺序按照调度的优先级分为先来先服务调度、优先级调度和多级反馈队列调度等不同优先级策略的调度算法调度时机队列调度进程切换资源上限在进程/线程排队等待时刻进行调度,确保公当进程/线程切换时需要及时调度,以确保系当系统资源负荷达到上限时,需要合理调度平性和效率统响应迅速以避免过载先来先服务调度算法先来先服务调度算法是最简单且应用广泛的处理机调度算法它遵循谁先来谁先服务的原则,为每一个就绪进程分配处理器时间片先来先服务调度算法算法描述先来先服务FCFS,First-Come,First-Served是最简单和最基本的调度算法它按照作业或进程进入系统的先后顺序进行调度当有新的作业或进程进入系统时,会被放在就绪队列的末尾,等待被分配到处理机系统会选择就绪队列中等待时间最长的作业或进程进行调度先来先服务调度算法特点简单易懂效率不高先来先服务调度算法的逻辑易于理解和实现,不需要额外的数该算法无法考虑任务的优先级和紧迫性,可能导致长时间任务据结构和计算开销阻塞短时任务公平性差适合场景有限短任务可能一直被长任务阻塞,无法得到及时处理,导致响应时该算法适合处理简单、无优先级要求的任务,在复杂环境中效间过长果不佳先来先服务调度算法简单易实现公平性先来先服务算法是一种简单易实现的处理机该算法能够确保所有进程都能得到公平的处调度算法,无需复杂的逻辑和计算理机使用时间应用于FCFS实时性较差该算法通常应用于先到先服务FCFS这类该算法无法保证关键任务的实时性,对于实无需考虑优先级的系统中时系统的应用受到限制优先级调度算法优先级调度算法根据任务的优先级来确定处理机的分配顺序这种算法可以确保紧急任务得到及时处理，提高系统的响应性和交互性优先级调度算法算法描述算法特点应用场景优先级调度算法为每个进程分配一个优先级优先级调度算法能够根据不同进程的特性进优先级调度算法广泛应用于实时系统、交互,按照优先级由高到低的顺序进行调度优行灵活调度,满足不同类型任务的需求但式系统等对响应时间要求较高的场景,能够先级可以根据进程的特性如CPU时间、I/O是需要重点考虑如何合理设置优先级以避免确保关键任务优先执行操作频率等动态调整当有多个就绪进程时优先级反转等问题,调度器选择具有最高优先级的进程执行算法特点快速响应优先级调度可以快速做出调度决策,响应时间短公平性根据任务的优先级分配处理器资源,可以体现公平性高优先级优先高优先级任务总是优先得到处理器资源分配优先级调度算法医疗系统实时系统操作系统在医疗系统中,优先级调度算法用于根据病在实时系统中,优先级调度算法用于控制关在操作系统中,优先级调度算法用于分配患的病情严重程度进行分诊和分配资源,确键任务的及时执行,如交通信号灯、航空管CPU资源,确保重要进程优先执行,提高系统保关键病例得到及时治疗制等,确保安全和效率响应性和吞吐量时间片轮转调度算法时间片轮转调度算法是一种简单高效的调度算法,通过将系统运行时间划分为固定长度的时间片,轮流给予每个就绪进程使用处理器的机会时间片轮转调度算法时间片划分任务排队时间片轮转将处理时间划分为固定长度的时间片，每个任务按先来先服务的顺序排队等待处理当前执行任务的时间片用完后,转到下一个任务在一个时间片内执行任务执行时间片轮转调度算法简单易行公平合理12该算法实现简单,不需要事先了解进程的每个进程都能获得均等的CPU时间片,不优先级或服务时间,适合初期系统设计会产生某些进程长期得不到服务的问题响应时间可控开销较低34通过调整时间片长度,可以在平衡吞吐量调度器只需维护一个就绪队列,不需要过和响应时间之间进行权衡多的资源消耗时间片轮转调度算法公平性交互式应用系统开销低时间片轮转算法能够保证每个进程都有在回应时间要求较低的交互式应用中,时时间片轮转算法实现简单,系统开销较低机会被执行,提高了整体的公平性间片轮转算法能提供良好的用户体验,适合资源受限的嵌入式系统多级反馈队列调度算法多级反馈队列调度算法通过动态调整进程在不同优先级队列中的移动,为不同类型的进程提供公平的调度它可以根据进程的特性灵活地进行调度,提高系统的整体性能多级反馈队列调度算法算法描述多级反馈队列调度算法将进程划分成不同的优先级队列较高优先级的进程优先得到处理，只有在较高优先级的进程全部完成后，才会调度较低优先级的进程同时每个队列都采用时间片轮转的方式进行调度多级反馈队列调度算法灵活性强处理器利用率高高效和公平该算法根据进程的优先级和动态运行情况来通过动态调整优先级，可以确保处理器始终该算法能够兼顾高优先级任务的及时响应和动态调整进程的优先级，能够更好地适应不有任务可以执行，提高了整体的处理器利用低优先级任务的公平性，实现了较好的时间同类型任务的调度需求率效率和公平性多级反馈队列调度算法分层队列管理将进程按优先级划分到不同的队列中，每个队列采用不同的调度策略时间片轮转每个就绪队列采用时间片轮转的方式调度进程，确保公平性动态调整根据进程的运行情况动态调整其优先级和所在的队列多级反馈队列调度算法广泛应用于需要兼顾响应时间、资源利用率和公平性的通用操作系统中它能够适应各种工作负载特点，为用户提供良好的交互体验实时调度算法实时调度算法用于确保关键任务在严格的时间限制内得到及时执行这种算法在实时系统中广泛应用,如飞机航班管理、工厂自动化控制等场景实时调度算法基于优先级的调度动态响应变化实时调度算法会根据每个进程的实时系统需要快速对外部事件作紧迫性和重要性来确定执行顺序出反应算法需要动态调整调度紧急任务将优先得到处理策略以应对系统状态的变化时间限制保证实时算法必须确保关键任务在截止时间内完成,避免错过期限造成严重后果实时调度算法的特点及时响应时间敏感12实时调度算法能够快速响应任算法会根据任务的紧急程度和务的变化,确保任务能在指定的截止时间进行动态调度,确保关时间内完成键任务能优先执行资源利用率高确定性强34算法会合理分配处理机资源,尽算法的调度结果是可以预知和量减少处理机空闲时间,提高整验证的,能够保证关键任务能在体的资源利用率截止时间内完成应用场景实时系统嵌入式设备网络服务多媒体应用实时调度算法广泛应用于实时实时调度算法也被广泛应用于在网络服务器中,实时调度算实时调度算法广泛用于音视频系统,如航空航天、医疗设备智能手机、机器人等嵌入式设法有助于确保关键任务和高优编解码、流媒体传输等多媒体等,确保关键任务在严格时间备,确保系统响应迅速、流畅先级请求得到及时处理,提高应用,保证实时性和质量内得到及时处理用户体验总结通过对各种处理机调度算法的详细介绍和分析,我们全面了解了操作系统处理机调度的基本概念和实现方法每种算法都有其适用的场景,根据实际需求选择合适的调度算法至关重要总的来说,处理机调度是操作系统研究的一个关键领域,对提高系统性能和用户体验有着重要作用。