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  • 多处理机Cache一致性问题及解决办法

    万次阅读 2016-07-17 15:25:30
    2. 解决办法解决多处理机Cache一致性问题提出了两种解决办法:侦听一致性协议和基于目录的一致性协议。由于多数SMP(对称多处理机)结构是采用总线互连的,侦听一致性协议是基于侦听总线事务来保持Cache一致性的协议...

    1. 造成Cache一致性问题的原因

    • 出现不一致的原因有三个:共享可写的数据、进程迁移和I/O传输。

    2. 解决办法

    解决多处理机Cache一致性问题提出了两种解决办法:侦听一致性协议和基于目录的一致性协议。由于多数SMP(对称多处理机)结构是采用总线互连的,侦听一致性协议是基于侦听总线事务来保持Cache一致性的协议,所以多数产品采用侦听协议。

    • 基于总线互连的SMP是通过高速共享总线将若干个商用的微处理器(包括高速缓存)与共享存储器连接起来,因此,可以利用总线来实现高速缓存一致性。
    • 总线上的每个设备都能侦听到总线上出现的事务,当一个处理器向存储系统发出一个读/写请求时,它的本地高速缓存控制器将检查自己的状态,并采取相应的动作。
    • 所有的高速缓冲器都侦听总线上出现的事务,一旦发现与自己有关的事务,就执行相应的动作来保证高速缓存的一致性。

    侦听一致性协议是利用总线的一下两个特点来实现一致性的

    • 一是总线上的所有事务对所有的高速缓存控制器都是可见的。
    • 二是总线上所有事务以相同的次序内所有的高速缓存控制器可见。
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  • 通道处理机

    千次阅读 2016-05-24 18:06:24
    之前准备讲通道处理机时,发现网上的资料很少,所以我自己总结一下。  对于工作方式、工作速度、工作性质不同的外围设备,采用三种常用的三种不同的输入输出方式:程序控制输入输出方式、中断输入输出方式以及DMA...

              之前准备讲通道处理机时,发现网上的资料很少,所以我自己总结一下。

              对于工作方式、工作速度、工作性质不同的外围设备,采用三种常用的三种不同的输入输出方式:程序控制输入输出方式、中断输入输出方式以及DMA方式。程序控制方式不论何时何地都受cpu的控制,不能与cpu并行工作;中断方式虽然可以克服不能并行的缺点,但数据输入输出都要经过cpu;DMA方式需要cpu在开始时对其进行初始化,结束时要向cpu申请中断;
              所以,为了把对外围设备的管理工作从cpu分离出来,产生了通道处理机技术。

              通道处理机一次数据传送过程,如下:



            


            1、cpu执行到访管指令时,按其提供的入口地址,第一次进入管态(特权态),将管理程序调出来执行。这个管理程序的任务是利用所带的参数来编制通道程序。
        在通道程序编好并且存入主存中某个通道缓冲区时,置好相应的通道地址字(即就是在主存的地址),当管理程序执行到“启动I/O”的管态程序时,开始选择设备。
          2、cpu选择指定的通道、子通道、设备控制器和设备后,发出启动命令,设备成功启动后,cpu就退出管态,返回目态(用户态)去执行其他的用户程序。

          3、被启动的通道开始执行存放于通道缓冲区的通道程序具体组织I/O操作,直至执行到断开通道指令完成了通道程序后,又向cpu发出I/O中断请求。
          4、cpu在响应I/O中断请求后,第二次进入管态,调出相应的管理程序,进行善后登记和处理后(正常结束则进行登记工作,异常情况则进行额外处理),重新返回目态。

                 若是看明白所描述的过程,那么就很容易可以看懂下图了




               其中,在cpu发中断请求和响应中断请求之间的时间是中断响应时间。

       通道可划分为三类:字节多路通道,选择通道,数组多路通道

             对数据传送时间作以解释:


               


             Ts是设备选择时间,Td是传送一个字节所用的时间。

           通道流量是指一个数据在传送期间,单位时间内能够传送的最大数据量,一般用字节个数表示。

           传送过程说明:

           通道在每个工作周期里,对设备发出的请求进行一次排队,选出优先级高的设备请求予以响应和处理,只有在此刻之前或与此刻同时发出的请求传送数据的设备,才能参加本次排队,错过这个时间,必须等到下一次设备选择期,开始参加排队。
            流量设计的要求:要求实际流量接近极限流量,但可能会造成数据丢失,所以一般会增加通道最大流量,保证请求都可以被响应,或者动态改变优先级增加数据缓冲寄存器

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  • 处理机调度

    千次阅读 2016-08-28 00:06:57
    处理机调度是对处理机进行分配,就是从就绪队列中,按照一定的算法(公平、髙效)选择一个进程并将处理机分配给它运行,以实现进程并发地执行。处理机调度是道程序操作系统的基础,它是操作系统设计的核心问题。...

    调度的基本概念

    在多道程序系统中,进程的数量往往多于处理机的个数,进程争用处理机的情况就在所难免。处理机调度是对处理机进行分配,就是从就绪队列中,按照一定的算法(公平、髙效)选择一个进程并将处理机分配给它运行,以实现进程并发地执行。

    处理机调度是多道程序操作系统的基础,它是操作系统设计的核心问题。

    调度的层次

    一个作业从提交开始直到完成,往往要经历以下三级调度:

    • 1) 作业调度。又称高级调度,.其主要任务是按一定的原则从外存上处于后备状态的作业中挑选一个(或多个)作业,给它(们)分配内存、输入/输出设备等必要的资源,并建立相应的进程,以使它(们)获得竞争处理机的权利。简言之,就是内存与辅存之间的调度。对于每个作业只调入一次、调出一次。
      多道批处理系统中大多配有作业调度,而其他系统中通常不需要配置作业调度。作业调度的执行频率较低,通常为几分钟一次。

    • 2) 中级调度。又称内存调度。引入中级调度是为了提高内存利用率和系统吞吐量。为此,应使那些暂时不能运行的进程,调至外存等待,把此时的进程状态称为挂起状态。当它们已具备运行条件且内存又稍有空闲时,由中级调度来决定,把外存上的那些已具备运行条件的就绪进程,再重新调入内存,并修改其状态为就绪状态,挂在就绪队列上等待。

    • 3) 进程调度。又称为低级调度,其主要任务是按照某种方法和策略从就绪队列中选取一个进程,将处理机分配给它。进程调度是操作系统中最基本的一种调度,在一般操作系统中都必须配置进程调度。进程调度的频率很高,一般几十毫秒一次。

    三级调度的联系

    作业调度从外存的后备队列中选择一批作业进入内存,为它们建立进程,这些进程被送入就绪队列,进程调度从就绪队列中选出一个进程,并把其状态改为运行状态,把CPU分配给它。中级调度是为了提高内存的利用率,系统将那些暂时不能运行的进程挂起来。当内存空间宽松时,通过中级调度选择具备运行条件的进程,将其唤醒。

    1) 作业调度为进程活动做准备,进程调度使进程正常活动起来,中级调度将暂时不能运行的进程挂起,中级调度处于作业调度和进程调度之间。

    2) 作业调度次数少,中级调度次数略多,进程调度频率最高。

    3) 进程调度是最基本的,不可或缺。

    调度的时机、切换与过程

    进程调度和切换程序是操作系统内核程序。当请求调度的事件发生后,才可能会运行进程调度程序,当调度了新的就绪进程后,才会去进行进程间的切换。理论上这三件事情应该顺序执行,但在实际设计中,在操作系统内核程序运行时,如果某时发生了引起进程调度的因素,并不一定能够马上进行调度与切换。

    现代操作系统中,不能进行进程的调度与切换的情况有以下几种情况。

    1) 在处理中断的过程中:中断处理过程复杂,在实现上很难做到进程切换,而且中断处理是系统工作的一部分,逻辑上不属于某一进程,不应被剥夺处理机资源。

    2) 进程在操作系统内核程序临界区中:进入临界区后,需要独占式地访问共享数据,理论上必须加锁,以防止其他并行程序进入,在解锁前不应切换到其他进程运行,以加快该共享数据的释放。

    3) 其他需要完全屏蔽中断的原子操作过程中:如加锁、解锁、中断现场保护、恢复等原子操作。在原子过程中,连中断都要屏蔽,更不应该进行进程调度与切换。

    如果在上述过程中发生了引起调度的条件,并不能马上进行调度和切换,应置系统的请求调度标志,直到上述过程结束后才进行相应的调度与切换。

    应该进行进程调度与切换的情况有:

    1) 当发生引起调度条件,且当前进程无法继续运行下去时,可以马上进行调度与切换。如果操作系统只在这种情况下进行进程调度,就是非剥夺调度。

    2) 当中断处理结束或自陷处理结束后,返回被中断进程的用户态程序执行现场前,若置上请求调度标志,即可马上进行进程调度与切换。如果操作系统支持这种情况下的运行调度程序,就实现了剥夺方式的调度。

    进程切换往往在调度完成后立刻发生,它要求保存原进程当前切换点的现场信息,恢复被调度进程的现场信息。现场切换时,操作系统内核将原进程的现场信息推入到当前进程的内核堆栈来保存它们,并更新堆栈指针。内核完成从新进程的内核栈中装入新进程的现场信息、更新当前运行进程空间指针、重设PC寄存器等相关工作之后,开始运行新的进程。
    进程调度方式

    所谓进程调度方式是指当某一个进程正在处理机上执行时,若有某个更为重要或紧迫的进程需要处理,即有优先权更髙的进程进入就绪队列,此时应如何分配处理机。

    通常有以下两种进程调度方式:

    1) 非剥夺调度方式,又称非抢占方式。是指当一个进程正在处理机上执行时,即使有某个更为重要或紧迫的进程进入就绪队列,仍然让正在执行的进程继续执行,直到该进程完成或发生某种事件而进入阻塞状态时,才把处理机分配给更为重要或紧迫的进程。

    在非剥夺调度方式下,一旦把CPU分配给一个进程,那么该进程就会保持CPU直到终止或转换到等待状态。这种方式的优点是实现简单、系统开销小,适用于大多数的批处理系统,但它不能用于分时系统和大多数的实时系统。

    2) 剥夺调度方式,又称抢占方式。是指当一个进程正在处理机上执行时,若有某个更为重要或紧迫的进程需要使用处理机,则立即暂停正在执行的进程,将处理机分配给这个更为重要或紧迫的进程。.

    釆用剥夺式的调度,对提高系统吞吐率和响应效率都有明显的好处。但“剥夺”不是一种任意性行为,必须遵循一定的原则,主要有:优先权、短进程优先和时间片原则等。
    调度的基本准则

    不同的调度算法具有不同的特性,在选择调度算法时,必须考虑算法所具有的特性。为了比较处理机调度算法的性能,人们提出很多评价准则,下面介绍主要的几种:

    1) CPU利用率。CPU是计算机系统中最重要和昂贵的资源之一,所以应尽可能使CPU 保持“忙”状态,使这一资源利用率最髙。

    2) 系统吞吐量。表示单位时间内CPU完成作业的数量。长作业需要消耗较长的处理机时间,因此会降低系统的吞吐量。而对于短作业,它们所需要消耗的处理机时间较短,因此能提高系统的吞吐量。调度算法和方式的不同,也会对系统的吞吐量产生较大的影响。

    3) 周转时间。是指从作业提交到作业完成所经历的时间,包括作业等待、在就绪队列中排队、在处迤机上运行以及进行输入/输出操作所花费时间的总和。

    作业的周转时间可用公式表示如下:
    周转时间 = 作业完成时间 - 作业提交时间

    平均周转时间是指多个作业周转时间的平均值:
    平均周转时间 = (作业1的周转时间 + … + 作业 n 的周转时间) / n

    带权周转时间是指作业周转时间与作业实际运行时间的比值:

    平均带权周转时间是指多个作业带权周转时间的平均值:
    平均带权周转时间 = (作业1的带权周转时间 + … + 作业 n 的带权周转时间) / n

    4) 等待时间。是指进程处于等处理机状态时间之和,等待时间越长,用户满意度越低。处理机调度算法实际上并不影响作业执行或输入/输出操作的时间,只影响作业在就绪队列中等待所花的时间。因此,衡量一个调度算法优劣常常只需简单地考察等待时间。

    5) 响应时间。是指从用户提交请求到系统首次产生响应所用的时间。在交互式系统中,周转时间不可能是最好的评价准则,一般釆用响应时间作为衡量调度算法的重要准则之一。从用户角度看,调度策略应尽量降低响应时间,使响应时间处在用户能接受的范围之内。

    要想得到一个满足所有用户和系统要求的算法几乎是不可能的。设计调度程序,一方面要满足特定系统用户的要求(如某些实时和交互进程快速响应要求),另一方面要考虑系统整体效率(如减少整个系统进程平均周转时间),同时还要考虑调度算法的开销。

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  • 处理机调度基本概念

    千次阅读 2018-10-18 00:10:29
    道程序环境下,动态的把处理机分配给就绪队列中的一个进程使之执行。 提高处理机的利用率、改善系统性能,很大程度上取决于处理机调度的性能。 处理机调度便成为OS设计的中心问题之一。分配的任务由处理机调度...

    处理机调度:

    多道程序环境下,动态的把处理机分配给就绪队列中的一个进程使之执行。

    提高处理机的利用率、改善系统性能,很大程度上取决于处理机调度的性能。

    处理机调度便成为OS设计的中心问题之一。分配的任务由处理机调度程序完成。

    一、处理机调度的基本概念

    作业进入系统驻留在外存的后备队列上,再至调入内存运行完毕,可能要经历下述三级调度。

    • 高级调度(High Scheduling)
    • 中级调度(Intermediate-Level Scheduling)
    • 低级调度(Low Level Scheduling)

    1、高级调度(High Scheduling)

    又称作业调度长程调度(Long-Term Scheduling),接纳调度(Admission Scheduling)         

    主要在早期批处理阶段,处理在外存上的作业。

    决定外存后备队列中的哪些作业调入内存;

    为它们创建进程、分配必要的资源;

    将新创建的进程排在就绪队列上,准备执行。

    作业调度决定的细节

    在每次执行作业调度时,都须作出两个决定:

    • 接纳多少作业——取决于多道程序度。应根据系统的规模和运行速度等情况综合考虑。
    • 接纳哪些作业——取决于采用的调度算法。如先来先服务,短作业优先等

    系统运行并不一定存在高级调度

    • 批处理系统:作业进入系统后先驻留外存,故需要有作业调度。
    • 分时系统:为及时响应,作业由终端直接送入内存,故不需作业调度。
    • 实时系统中,通常也不需作业调度。

    2、低级调度(Low Level Scheduling)

    也称为进程调度微观调度短程调度(Short-Term Scheduling)

            决定内存就绪队列中的哪个进程获得处理机,进行分配工作。是最基本的一种调度,在三种基本OS中都有

    进程调度方式

    1)非抢占方式(Non-preemptive Mode)         

    一旦处理机分配给某进程,该进程一直执行。决不允许其他进程抢占已分配运行进程的处理机。

    2)抢占方式(Preemptive Mode)         

    允许调度程序根据某种原则,暂停某个正在执行的进程,将处理机重新分配给另一进程。

     

    调度程序的任务职能:调度和分派。

    (1) 记录系统中所有进程的有关情况 (PCB)

    (2) 确定分配处理机的原则 (算法)

    (3) 分配处理机给进程 (保存、更新cpu现场

    (4) 从进程收回处理机     进场队列处理)

    3、中级调度(Intermediate-Level Scheduling)

    又称交换调度或中程调度(Medium-Term Scheduling)         

    引入目的:提高内存利用率和系统吞吐量。根据条件将一些进程调出或再调入内存。

     

    三种调度的频率和复杂度

    • 进程调度:运行频率最高,算法不能太复杂,以免占用太多的CPU时间。分时系统通常10~100ms便进行一次。
    • 作业调度:一个作业运行完毕退出系统时即触发重新调度一个新作业入内存,周期较长,大约几分钟一次。因而也允许作业调度算法花费较多的时间。
    • 中级调度:运行频率基本上介于上述两种调度之间。

    三级调度比较

     

    4、调度队列模型

    不论高级、中级或者低级调度,都涉及到进程队列,由此形成了三类调度队列模型。从这三种方式中体验调度的过程。

    • 仅有进程调度的调度队列模型
    • 具有高级和低级调度的调度队列模型
    • 同时具有三级调度的调度队列模型

    1)仅有进程调度的调度队列模型

    常见情况

    分时系统。

    通常仅设置进程调度,用户键入的命令和数据,都直接送入内存。

    调度对象

    处于就绪状态的进程。

    组织形式

    栈、树或一个无序链表

    用何种形式取决于OS类型和采用的调度算法。如:分时系统中把就绪进程组织成FIFO队列形式:按时间片轮转方式运行。

    每个进程在执行时按规定的时间片算法,在给定时间片内任务有三种执行情况:

    • 完成工作,释放处理机进入完成状态
    • 未完成,将该任务再放入就绪队列末尾
    • 因某事件而被阻塞,被OS放入阻塞队列

    进程调度什么时候发生?或者说什么时候需要进程调度程序执行去给CPU做选择?

    • 正在执行的进程结束
    • 正在执行的进程阻塞
    • 正在执行的进程未完成转就绪(时间片到)
    • 新就绪了更高优先级的进程(抢占式)

    2)具有高级和低级调度的调度队列模型

    批处理系统中,还需要作业调度

    3)同时具有三级调度的调度队列模型

    引入中级调度后,进程的状态变化:

    • 就绪状态:分为内存就绪和外存就绪。
    • 阻塞状态:分为内存阻塞和外存阻塞。

            中级调度使进程在上述状态间变化,并使数据在内外存间互换。

     

    5. 选择调度方式和调度算法的若干准则

    什么算法是好算法? :不同的情况和对象需求不同,适用的方式和算法也不同。

    • 1)面向用户的准则     
    • 2)面向系统的准则

    1)面向用户的准则

    周转时间短:

            针对批处理系统的性能指标。作业从提交到完成所经历的时间。

    CPU执行用时Ts

    总的等待时间Tw = 在后备队列中等待 + 就绪队列上等待 + 阻塞队列中等待(等待I/O操作用时)

    周转时间T=Ts+Tw

    带权周转时间W= T/Ts

    平均周转时间

    平均带权周转时间

    • 响应时间快:针对分时系统。用户输入一个请求(如击键)到系统给出首次响应(如屏幕显示)的时间
    • 均衡性:系统响应时间的快慢与用户所请求的复杂性相适应。
    • 截止时间的保证:针对实时系统的性能指标。开始截止时间和完成截止时间。任务必须按规定的时间开始或完成,调度方式和算法必须能保证该要求。
    • 优先权准则:三大基本OS在调度算法的选择时都可遵循。可以使关键任务达到更好的指标。

    2)面向系统的准则

    • 系统吞吐量高:批处理系统的重要指标

             单位时间内所完成的作业数,跟作业本身(与作业平均长度密切相关)和调度算法都有关系;

    • 处理机利用率好(主要针对大中型主机)
    • 各类资源的平衡利用(主要针对大中型主机)

    不同系统需求各有侧重

    批处理系统

    • 平均周转时间短
    • 系统吞吐量高
    • 处理机利用率好

    分时系统

    • 响应时间快
    • 均衡

    实时系统

    • 截至时间的保证
    • 可预测性

     

    处理机调度相关基本概念完

     

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多处理机主要实现的是什么