操作系统-2.1-cpu管理的初步了解
操作系统 2.1-cpu管理的初步了解
使用CPU
首先管理cpu首先要使用cpu。CPU的工作基于冯·诺依曼体系结构，程序存储在内存中，CPU通过程序计数器（PC）获取指令地址，从内存中取出指令并执行。 CPU的工作过程是自动的，只要给定初始地址（PC的初值），CPU就会不断取指、执行。
所以我们只要给给pc附上初值，计算机就会自动运行。
单程序执行的局限性
程序的主要功能是计算从1到用户输入的数字（通过命令行参数传入）的累加和，并输出结果。以下是程序的代码：
int main(int argc, char* argv[])
{
int i, to, sum = 0;
to = atoi(argv[1]);
for(i = 1; i <= to; i++)
{
sum = sum + i;
// fprintf(fp, "%d", sum); // 这行被注释掉了
}
// fprintf(fp, "%d", sum); // 这行也被注释掉了
}图中展示了两种情况的执行时间：
没有使用
fprintf的情况 ：- 命令行执行：
sum 10000000 - 执行时间：0.015秒
- 由于循环执行了1000万次，所以每次循环的执行时间大约是 (0.015 \times 10^7) 秒。
- 命令行执行：
使用
fprintf的情况 ：- 命令行执行：
sum 1000 - 执行时间：0.859秒
- 由于循环执行了1000次，所以每次循环的执行时间大约是 (0.859 \times 10^3) 秒。
- 命令行执行：
两种情况下每次循环的执行时间比值，即 5.7×10^5:1。这个比值表明，当程序中包含
fprintf
语句时，每次循环的执行时间显著增加，
这是因为
fprintf
涉及到文件I/O操作
，而文件I/O操作通常比内存操作要慢得多。
所以这就出现了一个问题：
如果只运行一个程序，CPU的利用率会很低。
例如，当程序中包含I/O操作（如磁盘读写）时， CPU需要等待I/O完成才能继续执行，导致CPU大部分时间处于空闲状态 。
引入多道程序的概念
解决方案 ：
程序执行流程 ：
程序首先执行一系列指令，如
mov ax, [100]
（将内存地址100处的值移动到寄存器ax中）、
mov bx, [101]
（将内存地址101处的值移动到寄存器bx中）和
add ax, bx
（将寄存器ax和bx的值相加，结果存回ax）。
接着，程序执行到指令
53: 启动磁盘读写
，这里程序需要等待磁盘I/O操作完成。
磁盘I/O操作的影响 ：
当程序执行到磁盘读写操作时，由于磁盘操作相对较慢，程序需要等待磁盘操作完成才能继续执行后续指令（图中标记为
54: xxxx
的未知指令）。在等待磁盘操作完成期间，CPU实际上处于空闲状态，这导致CPU资源的浪费。
多程序执行的情境 ：
当一个程序在等待磁盘I/O操作时，其他程序也因为同样的原因处于等待状态，导致整个系统的效率降低。这种等待磁盘I/O操作的情况在多程序环境中尤为突出，因为每个程序可能都需要访问磁盘，从而导致多个程序连续等待，增加了等待时间。
为了提高CPU利用率，可以同时在内存中加载多个程序，并让CPU交替执行这些程序。
当一个程序因I/O操作而暂停时，CPU可以切换到另一个程序继续执行。 这种交替执行的方式称为“并发”。
并发执行的优势
提高CPU利用率 ：CPU不再因等待I/O操作而空闲，而是切换到其他程序继续工作。
提高任务执行效率 ：多个程序并发执行，整体任务完成时间缩短。
带动外设工作 ：CPU的高效工作也会带动其他外设（如磁盘、打印机等）的高效利用。
切换机制
程序切换的背景
在多任务操作系统中，CPU需要在多个程序之间切换，以实现并发执行。 这种切换不仅仅是改变程序计数器（PC）的值，还需要保存和恢复每个程序的执行状态 。
程序1和程序2的指令 ：
- 程序1从地址50开始执行，指令包括
mov ax, 1、mov bx, 1和add ax, bx。 - 程序2从地址200开始执行，指令包括
mov ax, 10、mov bx, 10和add ax, bx。
- 程序1从地址50开始执行，指令包括
程序切换 ：
- 当程序1执行到某一点时，操作系统可能会决定切换到程序2执行。
- 切换时，需要保存程序1的当前状态（包括PC和其他寄存器的值），以便之后可以恢复执行。
PCB（进程控制块） ：
- 每个程序都有一个PCB，用于存储程序的执行状态，包括PC、寄存器的值等。
- 当程序1被切换出去时，其PC值（53）和其他寄存器的值（如ax=2, bx=1）需要保存在对应的PCB中。
- 当程序1再次被切换回来时，操作系统需要从其PCB中恢复这些值，以便从上次中断的地方继续执行。
切换机制的详细步骤
保存当前程序的状态 ：
- 当操作系统决定从程序1切换到程序2时，首先需要保存程序1的当前状态，包括PC值和其他寄存器的值。
加载下一个程序的状态 ：
- 然后，操作系统加载程序2的状态，包括设置PC值和其他寄存器的值，以便程序2可以从正确的位置开始执行。
执行程序2 ：
- 程序2开始执行，直到操作系统再次决定切换。
恢复程序1的状态 ：
- 当程序1再次被切换回来时，操作系统从其PCB中恢复保存的状态，包括PC值和其他寄存器的值。
总结
在并发执行中，CPU需要在多个进程之间切换。切换时，不仅要修改程序计数器（PC），还需要保存和恢复进程的上下文（如寄存器的值）。这种切换机制是操作系统管理CPU的核心功能之一。
进程的概念
引入“进程”概念
运行的程序和静态程序不一样 ：
- 静态程序是指存储在磁盘上未被执行的程序，它们不占用系统资源，也没有执行状态。
- 运行的程序则是指那些正在内存中执行的程序，它们占用CPU时间和其他资源，并且具有执行状态。
需要描述这些不一样 ：
- 由于运行的程序和静态程序之间存在差异，需要有一种方式来描述这些差异。
- 这些差异包括程序的执行状态、资源占用情况等。
程序 + 所有这些不一样 → 一个概念 ：
- 将程序本身及其执行状态结合起来，形成了一个新的概念，即“进程”。
- 进程是程序的一次执行过程，它不仅包含程序代码，还包括程序的执行状态和资源占用情况。
所有的不一样都表现在PCB中 ：
- PCB（进程控制块）是操作系统用来记录进程信息的数据结构。
- PCB中包含了进程的所有状态信息，如程序计数器（PC）、寄存器值（如ax、bx等）、内存管理信息等。
进程的特点
进程是进行（执行）中的程序 ：
- 进程是程序的执行实例，它具有开始和结束，而程序本身是静态的代码，没有开始和结束的概念。
进程会走走停停 ：
- 进程在执行过程中可能会因为等待I/O操作、资源竞争等原因而暂停执行（即“停”）。
- 这种走走停停的状态对于静态程序是没有意义的，因为静态程序没有执行状态。
进程需要记录ax, bx, … ：
- 进程在执行过程中需要记录其状态信息，如寄存器的值（ax、bx等），以便在进程被切换时能够保存状态，并在恢复执行时能够从正确的位置继续执行。
- 静态程序不需要记录这些信息，因为它们没有执行状态。
总结
当程序开始执行时，它就变成了一个“进程”。 进程是运行中的程序，与静态的程序不同，它需要记录当前的执行状态（如寄存器的值、程序计数器的值等）。这些状态信息存储在进程控制块（PCB）中。进程的概念用于描述运行中的程序，并支持并发执行。
