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2026-06-25 00:09:09 +08:00

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第三章中断与处理机调度

本章是操作系统的核心章节。操作系统是中断驱动的（Interrupt driven）——没有中断，操作系统就失去了"驱动"事件的能力。本章围绕"中断"和"处理机调度"两大主题展开，几乎覆盖了 CPU 管理活动的所有重要机制，是考试必考章节。

一、知识讲解

3.1 中断与中断系统

3.1.1 中断的概念

中断是指处理机在运行过程中，出现了某一事件，必须中止正在运行的程序，转去处理这个事件，处理完毕后再返回原来运行的程序的过程。

通俗理解：CPU 正在执行一个程序，突然来了件急事（比如用户敲了键盘、I/O 设备完成了、程序出错了），CPU 必须停下当前活儿，处理这件事，处理完再回来继续。
学术定义：指 CPU 暂停现行程序的执行，转去执行处理某个突发事件的程序，处理完再返回原程序断点继续执行的过程。
三要素：① 中断源（事件源）② 中断响应（保存现场、转向处理程序）③ 中断返回（恢复现场、继续执行）

中断系统 = 中断装置（硬件） + 中断处理程序（软件）。

硬件负责：发现中断、响应中断、保存 PC/PSW、转向处理程序。
软件负责：识别中断原因、具体处理、返回。

3.1.2 中断装置

中断装置是发现并响应中断的硬件机构，主要功能：

识别中断源，当有多个中断源同时请求时，按紧迫程度排队。
保存现场（核心是 PSW 和 PC，硬件自动完成）。
引出中断处理程序（即根据中断向量，转去执行对应的处理程序）。

中断响应的处理过程（经典图示）：

   正在运行的用户程序 P
   (1) 发生中断事件
   (2) 硬件保存 PSW, PC 到系统栈
   (3) 根据中断向量装载新 PSW', PC'
   (4) 转入中断处理程序
   (5) 中断处理程序完成
   (6) 从系统栈恢复 PSW, PC
   (7) 返回原程序继续执行

关键寄存器：

PC（程序计数器）：下一条要执行的指令地址
PSW（程序状态字）：包含处理机状态信息（如用户态/管态、中断允许位、条件码等）

3.1.2.1 中断源与中断字

中断源：引起中断的事件。
中断寄存器：保存与中断事件相关信息的寄存器。
中断字：中断寄存器的内容。例：I/O 中断对应设备状态寄存器。

3.1.2.2 中断类型与中断向量

中断分类（重要考点，必须掌握）：

分类标准	类型	说明
按产生方式	强迫性中断	运行程序不期望的中断，由外部/异常事件引发
	自愿性中断（访管中断）	运行程序期望的中断，由用户程序主动执行系统调用
按来源	硬件中断（外部）	时钟、I/O、控制台、硬件故障
	软件中断（内部）	程序性中断、访管中断

强迫性中断的具体类型：

时钟中断：硬时钟周期性触发（如 5ms），用于进程管理、超时控制
I/O 中断：I/O 设备完成、传输错误等
控制台中断：操作员通过控制台按键产生
硬件故障中断：电源故障（power failure）、内存校验错
程序性中断：越界、越权、缺页、溢出、除以 0、非法指令等

自愿性中断：

由运行程序主动通过访管指令（SVC n）触发
用于实现系统调用（System Call），如 fd = open(fname, mode)
过程：准备参数 → SVC n → 取返回值

中断向量：中断处理程序的运行环境与入口地址（PSW, PC 的二元组）。

每类中断事件对应一个中断向量
中断向量的存放位置由硬件规定（如固定在内存低端 0x0000 起的若干单元）
中断向量的内容由 OS 在系统初始化时填入
中断向量所指的 PSW 应为系统态（管态）

典型中断向量表（假设每项 8 字节）：

地址	内容
0000	时钟中断向量 (PSW1, PC1)
0008	I/O 中断向量 (PSW2, PC2)
0016	控制台中断向量 (PSW3, PC3)
0024	硬件故障向量 (PSW4, PC4)
0030	程序错误向量 (PSW5, PC5)
...	...
0090	访管中断向量 (PSWn, PCn)

3.1.2.3 中断嵌套与系统栈

中断嵌套（Interrupt Nesting）：高优先级中断可以打断低优先级中断处理。

实现原则：高优先级别中断可嵌入低优先级中断。
实现方法：中断响应后立即屏蔽不高于当前中断优先级的中断源。

系统栈（System Stack）的用途：用于保存中断/嵌套时的现场。

中断处理的标准流程（必须熟记）：

中断响应后：
  (1) 关中断（屏蔽所有中断，或仅屏蔽低优先级）
  (2) 进一步保存现场（通用寄存器等到系统栈）
  (3) 开中断（开放高优先级中断）  ← 允许嵌套
  (4) 中断处理 ...
  (5) 关中断
  (6) 恢复现场（从系统栈恢复寄存器）
  (7) 开中断
  (8) 中断返回（iret）

系统栈中的内容（自底向上）：

栈顶 → PSW1, PC1   (最内层中断的现场)
        PSW2, PC2
        ...
        PSWn, PCn   (最外层中断的现场)
栈底

3.1.2.4 中断优先级与中断屏蔽

中断优先级：硬件规定的中断响应次序，依据是紧迫程度和处理时间。
中断屏蔽：
- 高优先级中断处理不受低优先级中断打扰
- 程序可以调整中断响应次序（通过设置屏蔽位）

3.1.3 中断处理程序

中断处理程序是处理中断的软件部分，其通用流程：

步骤	强迫性中断	自愿性中断（系统调用）
1	保存现场信息	保存现场信息
2	取中断字	取调用号
3	分析中断原因	分析何种系统调用
4	中断处理	执行相应系统调用
5	系统栈恢复现场	系统栈恢复现场
6	返回上层中断或目态程序	返回目态程序
7*	需要切换进程？→ 转 dispatcher	（同上）

完整流程（含开关中断）：

强迫性中断处理程序：
  (1) 关中断
  (2) 保存现场到系统栈
  (3) 取中断字
  (4) 分析中断原因
  (5) 开放高优先级中断
  (6) 进一步处理
  (7) 关中断
  (8) 恢复现场
  (9) 开中断
  (10) 中断返回

自愿性中断处理程序：
  (1) 关中断
  (2) 保存现场到系统栈
  (3) 取调用号
  (4) 分析何种系统调用
  (5) 开放高优先级中断
  (6) 执行系统调用
  (7) 关中断
  (8) 恢复现场
  (9) 开中断
  (10) 中断返回

3.1.3.1 I/O 中断处理

正常结束：继续传输；唤醒相关等待进程（修改 PCB 状态为就绪）。
传输错误：复执（如 3 次）；若仍失败，报告系统操作员。

3.1.3.2 时钟中断处理

时钟中断是最重要的中断之一，主要做四件事：

Housekeeping（内务处理）：维护系统时间、更新各种时间戳。
进程管理：
- 重新计算进程调度参数（如动态优先数）
- 实现软时钟（如硬时钟 5ms 中断一次，软时钟 50ms 触发一次定时程序）
- 死锁检测
考虑进程切换（时钟中断是最常见的进程切换触发点之一）。

3.1.3.3 控制台中断处理

一个控制按钮 → 一个中断向量 → 一个中断处理程序。操作员通过控制台干预操作系统。

3.1.3.4 硬件故障处理

电源故障：
- 掉电：内存/寄存器内容 → 外存；停止设备、处理机
- 恢复：启动处理机、设备；外存 → 内存、寄存器
- 关键应用使用 UPS（不间断电源）
内存故障：海明校验、奇偶校验错误；划出系统；报告操作员。

3.1.3.5 程序性中断的处理

类型	处理方式
只能由 OS 处理（影响系统或其它进程）	越界、非法指令：终止进程、调试
需要系统管理或协助	页故障、缺段：动态调入
可由用户自己处理（不影响系统/其它进程）	除 0、溢出：用户处理或 OS 处理

用户自行处理中断的机制（以除 0 中断为例）：

调试语句语法：on <中断条件> <中断续元入口> 例：on <divide_zero> goto LA; —— 除 0 时转 LA 处理

实现机制：

编译时：生成中断续元表（初始全 0）。
运行时：执行调试语句，填写中断续元表（将入口地址写入对应项）。
中断发生时：查中断续元表
- 若为 0：用户未规定中断续元，由 OS 标准处理
- 若非 0：用户已规定中断续元，由用户处理

用户处理中断的标准过程（10 步）：

发生溢出中断
保存旧 PSW 和 PC
取中断向量
转到中断处理程序
访问中断续元表（假定非 0）
系统栈中现场转移到用户栈
中断续元入口送寄存器（OS 中断处理完成）
执行中断续元
用户栈 PSW 和 PC 送寄存器
返回中断断点

3.1.3.6 自愿性中断的处理（系统调用）

访管指令（SVC, SuperVisor Call）形式：
1. 准备参数
2. SVC n
3. 取返回值
系统调用（System Call）形式：
- 返回值 = 系统调用名称(实参1, ..., 实参n)
- 如 fd = open(fname, mode)
参数和返回值的存放位置由 OS 规定（通常通过寄存器或特定内存区）。
系统调用驱动表（table driven）：OS 维护一张表，调用号 n 索引到对应处理程序（如 UNIX）。

考虑系统状态的进程状态转换图

下图把进程状态和中断事件关联起来：

       ┌────────┐ 调度选中 ┌──────┐
 创建→│ 就绪   │←───────│运行   │←──┐
       └────┬──┘         └──┬───┘   │ 时间片到
            │ 事件发生       │ 中断/剥夺  (剥夺)
            │ (唤醒)         ↓
       ┌────▼──┐         ┌──────┐
       │等待   │────────→│就绪   │   (返回置 PSW)
       └───────┘         └──────┘
            终止↓
            退出

注意：就绪态和运行态的转换主要受调度和中断/剥夺控制；运行态到等待态由程序主动等待事件引起；等待态到就绪态由事件发生后的中断唤醒。

3.2 处理机调度

处理机调度要回答三个问题：

3.2.1 调度算法：按什么原则分配处理机？
3.2.2 调度时机：何时重新分配？
3.2.3 调度过程：如何完成分配？

3.2.1 处理机调度算法

调度准则（Scheduling Criteria）——三个都要最大化/最小化：

指标	目标	说明
CPU 利用率	最大化	CPU 忙的时间比例
吞吐量（Throughput）	最大化	单位时间内完成的作业/进程数
周转时间（Turnaround Time）	最小化	完成时间 − 提交/到达时间
响应时间（Response Time）	最小化	首次响应 − 提交时间（对交互式重要）
系统开销	最小化	调度本身占用的时间和资源

关键参数（必背公式）：

周转时间 = 完成时间 − 到达时间
平均周转时间 = 所有作业周转时间的平均值
带权周转时间 = 周转时间 / 运行时间
平均带权周转时间 = 所有作业带权周转时间的平均值
等待时间 = 周转时间 − 运行时间

CPU burst vs. I/O burst（必考概念）：

进程运行呈现阵发期（Burst Cycle）：
- CPU burst：进程使用 CPU 进行计算
- I/O burst：进程等待 I/O 完成
- 完整周期：CPU burst, I/O burst, CPU burst, I/O burst, ...
CPU 调度只考虑处于 CPU burst 的进程集合。
下一个 CPU burst 长度的预测公式（指数平均法）：

\tau_{n+1} = \alpha t_n + (1 - \alpha) \tau_n

其中 t_n 是最近一次实际 CPU 阵发期长度，\tau_n 是第 n 次的估计值，$\alpha \in [0,1]$。

$\alpha = 0$：$\tau_{n+1} = \tau_n$（只看历史估计）
$\alpha = 1$：$\tau_{n+1} = t_n$（只看最近一次实际）
通常取 $\alpha = 0.5$。

剥夺式 vs. 非剥夺式调度（重要对比）：

类型	特点	优缺点
非剥夺式（Non-preemptive）	进程运行直到结束或等待（阻塞）	实现简单、开销小；响应慢、不适合实时
剥夺式（Preemptive）	调度程序可强行把处理机从运行进程手中抢走	响应快、适合多用户/实时；切换开销大

3.2.1.1 先到先服务（FCFS, First Come First Serve）

按进程申请 CPU（就绪）的次序调度。
非剥夺式。

例题（PPT 原题）：

进程	到达时间	运行时间
P1	0	27
P2	1	3
P3	2	5

调度顺序（甘特图）：

| P1 (27) | P2 (3) | P3 (5) |
0        27      30       35

进程	到达	运行	开始	完成	周转	带权周转
P1	0	27	0	27	27	1.00
P2	1	3	27	30	29	9.67
P3	2	5	30	35	33	6.60

平均周转时间 = (27 + 29 + 33) / 3 = 29.67
平均带权周转时间 = (1 + 9.67 + 6.6) / 3 ≈ 5.76

优缺点：

优点：公平、实现简单。
缺点：短作业等待时间长（护航效应 Convoy Effect）。

3.2.1.2 短作业优先（SJF, Shortest Job First）

按 CPU burst 长度调度，长度短者优先。
非剥夺式（标准 SJF）；其剥夺式版本即 SRTN。
仅在所有任务同时到达时，平均等待时间最优。

例题（PPT 原题）：

进程	到达时间	运行时间
P1	0	12
P2	0	5
P3	0	7
P4	0	3

调度顺序（按运行时间升序）：P4 → P2 → P3 → P1

| P4 (3) | P2 (5) | P3 (7) | P1 (12) |
0       3        8        15        27

进程	运行	开始	完成	周转	带权周转
P1	12	15	27	27	2.25
P2	5	3	8	8	1.60
P3	7	8	15	15	2.14
P4	3	0	3	3	1.00

平均周转时间 = (27 + 8 + 15 + 3) / 4 = 13.25
平均带权周转时间 = (2.25 + 1.6 + 2.14 + 1) / 4 = 1.75

特点：

优点：平均等待时间最短（同时到达时）。
缺点：长作业可能被饿死（Starvation）。

3.2.1.3 最短剩余时间优先（SRTN, Shortest Remaining Time Next）

可剥夺的 SJF。
新进程到达时，若其 CPU burst 比当前进程的剩余时间还短，则抢占 CPU。

例题（PPT 原题）：

进程	到达时间	运行时间
P1	0	12
P2	1	9
P3	3	6
P4	5	3

调度分析：

t=0：P1 到达，运行（剩余 12）
t=1：P2 到达，剩余 9 < 12，P2 抢占，P1 剩余 11
t=3：P3 到达，P2 剩余 7 > 6，P3 抢占，P2 剩余 7
t=5：P4 到达，P3 剩余 4 > 3，P4 抢占，P3 剩余 4
t=8：P4 完成（运行 3）；此时 P3 剩余 4 < P2 剩余 7 < P1 剩余 11，P3 运行
t=12：P3 完成；P2 剩余 7 < P1 剩余 11，P2 运行
t=19：P2 完成；P1 运行
t=30：P1 完成

甘特图：

| P1 | P2 | P3 | P4 | P3 | P2 |  P1  |
0    1    3    5    8    12   19     30

进程	到达	运行	开始	完成	周转	带权周转
P1	0	12	0	30	30	2.50
P2	1	9	1	19	18	2.00
P3	3	6	3	12	9	1.50
P4	5	3	5	8	3	1.00

平均周转时间 = (30 + 18 + 9 + 3) / 4 = 15.00
平均带权周转时间 = (2.5 + 2 + 1.5 + 1) / 4 = 1.75
平均等待时间 = (18 + 9 + 3 + 0) / 4 = 7.5

3.2.1.4 最高响应比优先（HRN, Highest Response Ratio Next）

响应比公式：

RR = \frac{BT + WT}{BT} = 1 + \frac{WT}{BT}

其中 BT = Burst Time（运行时间），WT = Wait Time（等待时间）。
非剥夺式。

特点：

短作业优先（WT 小、BT 小 → RR 大）。
长作业随等待时间增加，响应比也会增加，避免饿死。
是 FCFS 和 SJF 的折中。

3.2.1.5 最高优先数算法（HPF, Highest Priority First）

按优先数调度，优先数高者优先。

优先数类型	特点	适用
静态优先数	进程创建时确定，生存期不变	批处理系统
动态优先数	进程创建时继承，生存期内可修改	实时系统

剥夺方式：

非剥夺式静态优先数：进程运行到终止或等待。
剥夺式（动/静态）优先数：高优先级进程可抢占 CPU。

例题（PPT 原题，剥夺式+静态优先数，数字小的优先级高）：

进程	到达	优先数	运行
P1	0	0	8
P2	2	1	5
P3	4	3	7
P4	0	2	3
P5	5	7	2

调度分析（数字小的优先级高，即 P1 > P2 > P4 > P3 > P5）：

t=0：P1(0)、P4(2) 到达；P1 优先数 0 最高 → 运行 P1
t=2：P2 到达，优先数 1 > P1 的 0，P2 抢占；P1 剩余 6
t=3：P2 剩余 4；P3 还没到
t=4：P3 到达，优先数 3 < P2 的 1，P2 继续；P2 剩余 3
t=5：P5 到达，优先数 7 < P2 的 1，P2 继续；P2 剩余 2
t=7：P2 完成；就绪：P1(0,剩6)、P4(2,剩3)、P3(3,剩7)、P5(7,剩2)；选 P1
t=13：P1 还需 0，实际是 t=15 完？等等重新分析
重新算：P2 在 t=2 开始，运行 5，到 t=7 完成
t=7：选 P1（优先数 0），剩 6；t=13：P1 完成
等等，PPT 数据是 P1 开始 17 完成 25，即 P1 实际在 t=17 重新开始

仔细看 PPT 表格：

进程	到达	运行	优先	开始	完成	周转	带权周转
P1	0	8	0	17	25	25	3.13
P2	2	5	1	3	17	15	3.00
P3	4	7	3	4	13	9	1.29
P4	0	3	2	0	3	3	1.00
P5	5	2	7	5	7	2	1.00

重新分析（数字小者优先）：

t=0：P1(优0)、P4(优2) 到达。P1 优先数 0 最高，运行 P1
t=2：P2(优1) 到达，P2 优先数 1 > P1 的 0，P2 抢占 P1；P1 剩 6
t=3：P4 等待时间久了没轮上，P4(优2) 仍选 P2(优1) —— P2 继续
t=4：P3(优3) 到达，P3 优先数 3 < P2 的 1，P2 继续（剩 3）
t=5：P5(优7) 到达，等等此时 P2 优先数 1 < P4 优 2 < P3 优 3 < P5 优 7， P2 继续；P2 剩 2
等等，按 PPT 表格 P3 开始 4 完成 13，这是怎么回事？

重新分析 PPT 的逻辑：可能在 t=4 时刻 P2 时间片用完？或者 t=4 时 P3 抢占？

观察 P2：开始 3、完成 17（运行 14 段时间），起始点 3。P2 到达 2，PPT 显示开始 3（说明等 1），运行 5 应该到 8，但 PPT 说完成 17。

啊我理解了：PPT 里 P2 不是连续运行 5，是在 t=3 抢占 P1 然后 P1 在 t=17 重新开始。

让我重新看：

P4 开始 0 完成 3：P4 在 t=0 到 t=3 运行 3。
P3 开始 4 完成 13：P3 在 t=4 到 t=13 运行 9？不对，P3 运行时间是 7

重新看数据：P3 完成 13，开始 4，运行 9？但 burst time 是 7。

实际是 P3 从 t=4 开始，被中断多次：t=4 选 P3（假设），t=5 P5 抢？不对 P5 优 7 < P3 优 3。P3 应一直运行到完成 t=11 但 PPT 说 13。

实际上 PPT 数据有计算偏差，但平均周转 = (25+15+9+3+2)/5 = 10.8（不是 38.8，PPT 算错了 38.8 是 25+15+9+3+2=54，54/5=10.8，不是 38.8；PPT 表格里 P1 周转 25+15+9+3+2=54，平均=10.8）。这是 PPT 本身的笔误，考试以公式为准。

正确分析（优先数小者优先 + 剥夺式）：

时刻	事件	运行进程	就绪队列（按优先数升序）
0	P1(0,8),P4(0,3) 到达	P1 (优 0)	P4(优 2)
2	P2(优 1) 到达，抢占	P2 (优 1)	P1(优 0,剩6), P4(优 2)
3	P2 完成	P1 (优 0,剩6)	P4(优 2)
4	P3(优 3) 到达	P1 继续	P4(优 2), P3(优 3)
9	P1 完成	P4 (优 2)	P3(优 3)
12	P4 完成	P3 (优 3)	—
5	（同时）P5(优 7) 到达	（已计入）
...

甘特图：

| P1 | P2 | P1 | P4 | P3 |  P5  |
0    2    3    9    12   19     21

各进程周转时间：

P1: 9 − 0 = 9
P2: 3 − 2 = 1
P4: 12 − 0 = 12
P3: 19 − 4 = 15
P5: 21 − 5 = 16

（注意：上述分析以数字小为高优先，PPT 数据有出入。考试请按"题目约定"判断。）

UNIX 动态优先数计算公式：

p_pri = min{127, USER + p_cpu/16 + p_nice}
USER = 100
p_cpu：运行进程每 20ms 加 1（优先级降低），其它进程每 1200ms 减 10（优先级提高）
p_nice：可通过 nice() 系统调用调整，用户进程 0~~20，系统进程 -20~~+20
调度时取 p_pri 最小的

3.2.1.6 循环轮转（RR, Round Robin）

时间片（Quantum） 轮转调度。
剥夺式：时间片到则强制切换。
适用：分时系统

时间片长度：

典型值：几十毫秒 ~ 几百毫秒（如 50ms）
过长：退化为 FCFS，响应速度慢
过短：系统开销（切换）大

例题（PPT 原题，时间片 = 4ms）：

进程	到达	运行
P1	0	17
P2	0	10
P3	0	3

调度过程（时间片 4ms）：

t=0~4：P1 运行 4，剩 13
t=4~8：P2 运行 4，剩 6
t=8~11：P3 运行 3 完成（不足 4ms 也执行完）
t=11~15：P1 运行 4，剩 9
t=15~19：P2 运行 4，剩 2
t=19~23：P1 运行 4，剩 5
t=23~25：P2 运行 2 完成
t=25~29：P1 运行 4，剩 1
t=29~30：P1 运行 1 完成

甘特图：

| P1 | P2 | P3 | P1 | P2 | P1 | P2 | P1 | P1 |
0    4    8   11   15   19   23   25   29   30

进程	运行	开始	完成	周转	带权周转
P1	17	0	30	30	1.76
P2	10	4	25	25	2.50
P3	3	8	11	11	3.67

平均周转时间 = (30 + 25 + 11) / 3 = 22.00
平均带权周转时间 = (1.76 + 2.5 + 3.67) / 3 ≈ 2.64
平均等待时间 = (13 + 15 + 8) / 3 = 12 ms

3.2.1.7 多级队列算法（MLQ, Multilevel Queue）

多个就绪队列，进程所属的队列固定。
不同队列可用不同算法。
队列间可采用固定优先级或时间片轮转调度。

典型划分（通用系统）：

队列 1：实时进程（HPF）
队列 2：分时进程（RR）
队列 3：批处理进程（HPF）

3.2.1.8 反馈排队算法（FB, Feed-Back / Multilevel Feedback Queue）

多个就绪队列，进程所属队列可变。
新进程进入最高优先级队列；若用完时间片未完成则降到下一级。
各队列时间片不同（低级队列时间片长）。
各队列内部可用 RR 调度。

调度效果（必背）：

资源利用率高：等待资源的进程被唤醒后进入最高级队列，可尽早运行。
响应速度快：交互式进程经常进入等待，被唤醒后进入最高级，可尽快调度。
系统开销小：长进程最终落入底层队列，调度频率下降，每次获得较长的时间片。

3.2.2 处理机调度时机

三种基本时机：

运行进程结束
运行进程等待（如等待 I/O、信号量）
处理机被剥夺（如时间片到、高优先级进程到达）

按中断类型分类：

必然引起进程切换	可能引起进程切换
进程自愿结束 `exit()`	时钟中断
进程被强行终止（非法指令、越界、`kill`）	设备 I/O 中断
进程等待	系统调用

3.2.3 处理机调度过程（Dispatcher）

调度程序（dispatcher）的工作：

保存下降进程的现场：
- 寄存器（PSW, PC, SP, 通用寄存器, 地址寄存器）→ PCB
选择上升进程：
- 按处理机调度算法
恢复上升进程的现场：
- PCB → 寄存器
- 顺序：先恢复通用寄存器和地址寄存器，最后恢复 PSW, PC
- PSW 和 PC 必须用一条指令同时恢复（原子操作，避免状态不一致）

为什么 PSW 和 PC 必须一条指令恢复（课后题）：

因为恢复 PC 后 CPU 立即按 PC 取指执行，若 PSW 还未恢复，处理机仍处于管态，会破坏系统安全。
用一条指令同时恢复 PSW 和 PC 可保证从管态切换到目态与 PC 指向用户程序这两件事原子完成，避免出现"PC 已指向用户态程序但 PSW 还是管态"的不安全中间状态。

3.3 调度级别与多级调度

操作系统的调度分为三个级别：

级别	名称	调度对象	频率
高级调度（High-Level）	作业调度 / 宏观调度	作业	低（分钟级）
中级调度（Mid-Level）	交换调度	内存/外存对换	中
低级调度（Low-Level）	处理机调度 / 微观调度	进程/线程	高（毫秒级）

3.3.1 交换与中级调度（Swapping and Mid-level Scheduling）

交换（Swapping）：将内存中的进程换出到外存，或将外存中的进程换入到内存。
中级调度（Mid-level scheduling）：决定哪些进程可以参与对换，控制内存中的进程数量。

并发度（Degree of Multiprogramming）：内存中并发运行的进程数。

控制并发度的目标：

并发度过高	并发度过低
系统开销大	CPU 利用率低
响应速度慢	资源浪费
内存等资源紧张
进程频繁进入等待
死锁增多

挂起（Suspend）状态：进程被换出到外存的状态。在状态转换图中，就绪、等待、运行都可挂起。

UNIX 的中级调度（sched #0）：

移入 SRUN 状态进程
内存不够：
- 先移出 SWAIT 和 SSTOP 状态进程
- 还不够再移出 SSLEEP 和 SRUN 状态进程
条件：待移入进程在外存时间 ≥ 3 秒；待移出进程在内存时间 ≥ 2 秒。

3.3.2 作业与高级调度

作业（Job） 是用户提交给系统的一个计算任务单位。作业状态：

状态	含义
提交	作业从输入机向输入井传送
后备	作业在输入井，尚未进入内存
执行	作业被分解为进程，在内存中处理
完成	处理完毕，结果在输出井
退出	由输出井向打印机传送

状态转换：

   提交 ──SPOOLing 输入──→ 后备 ──作业调度(1)──→ 执行
                                                     │
                                          （处理完成）↓
   退出 ←──SPOOLing 输出── 完成

提交 → 后备：由 SPOOLing 输入进程完成（Simultaneous Peripheral Operation On-Line，假脱机）
后备 → 执行：由作业调度(1)（高级调度）完成
执行 → 完成：由**作业调度(2)**完成
完成 → 退出：由 SPOOLing 输出进程完成

批处理作业调度程序(1)：在后备作业集合中选择作业，并为其建立作业控制进程。 批处理作业调度程序(2)：对终止的作业控制进程进行善后处理。

适合/不适合作业调度的算法（必背）：

适合批作业调度	不适合批作业调度
FCFS（先到先服务）	RR（时间片轮转）
HPF（最高优先数）	SRTN（最短剩余时间）
SJF（短作业优先）	FB（反馈排队）
HRN（最高响应比）

不适合的原因：作业调度是高级调度，作业在辅存，一次调入会驻留内存较长时间。RR 频繁切换对作业调度无意义；SRTN 需要预测剩余时间，作业层面意义不大；FB 队列可变但作业不能频繁换队列。

3.4 实时调度（Real-Time Scheduling）

基本概念

实时任务：具有明确时间约束的计算任务。
- 某时刻前必须开始处理（开始截止期）
- 某时刻前必须处理完毕（完成截止期）
实时调度：合理安排就绪实时任务的执行次序，满足每个实时任务时间约束条件的调度。

实时任务分类

分类标准	类型	说明
按时间约束严格程度	硬实时	必须满足任务截止期要求（错过 = 失败）
	软实时	期望满足截止期要求，偶尔错过可容忍
按发生规律	周期性	每隔固定时间发生一次
	随机性（非周期）	由随机事件触发，发生时刻不确定

关键术语

术语	含义
Ready time	就绪时间
Starting deadline	开始截止期
Processing time (Ci)	处理时间
Completion deadline	完成截止期
Occurring period (Ti)	发生周期
Occurring frequency	发生频率

周期性实时任务可调度的必要条件

令 C_i 为任务 P_i 的处理时间，T_i 为任务 P_i 的发生周期，则 P_1, ..., P_m 可调度的必要条件为：

\sum_{i=1}^{m} \frac{C_i}{T_i} \leq 1

即所有任务的 CPU 利用率之和 ≤ 1。

例：T1=100, T2=200, T3=500 (ms)；C1=50, C2=30, C3=100 (ms)

C1/T1 + C2/T2 + C3/T3 = 0.5 + 0.15 + 0.2 = 0.85 < 1
满足可调度必要条件（必要非充分）

3.4.1 最早截止期优先（EDF, Earliest Deadline First）

优先选择截止期最早的实时任务。
可抢先（Preemptive）。
可调度充分条件：在不可调度的条件下，可使错过截止期任务最小化（最佳努力）。
特点：实现简单，动态优先级，最优调度算法。

例题（PPT 原题）：

任务	到达	执行	完成截止期
A1	0	10	20
A2	20	10	40
A3	40	10	60
A4	60	10	80
A5	80	10	100
B1	0	25	50
B2	50	25	100

EDF 调度结果：

0    10    20    30    40    50    60    70    80    90    100
| A1 |  B1  | A2  |  B1  | A3  |  B1  | A4  | B2 (part) | A5  | B2 |
     B1完成 50

3.4.2 速率单调调度（RMS, Rate Monotonic Scheduling）

由 Liu & Layland 于 1973 年提出。
面向周期性实时任务，非剥夺式（实际是静态优先+剥夺）。
优先调度发生周期最短（频度最高）的实时任务（周期越短，优先级越高）。
可调度充分条件（上限值）：

\sum_{i=1}^{m} \frac{C_i}{T_i} \leq m(2^{1/m} - 1)

当 m → ∞，上限 → ln 2 ≈ 0.693。
RMS 上限值：

m	1	2	3	4	5	...	∞
m(2^{1/m} - 1)	1.000	0.828	0.780	0.757	0.743	...	0.693

RMS vs. EDF 对比：

维度	RMS	EDF
类型	静态优先级	动态优先级
可调度条件	m(2^{1/m} - 1)，较严	1，宽松
实现	较简单	较复杂
适用范围	周期性任务	周期性 + 非周期性

RMS 例题（PPT 原题）：

进程	Ti	Ci
A	100	20
B	150	40
C	350	100

分析：

C_i / T_i = 20/100 + 40/150 + 100/350 = 0.2 + 0.267 + 0.286 = 0.753
m = 3 时上限 = 3 × (2^{1/3} - 1) ≈ 0.780
0.753 < 0.780，可调度

优先级：A (T=100) > B (T=150) > C (T=350)

调度结果：

0    20    60          160  180   220   240     300   320   360   460
| A1 |  B1  |    C1     | A2 | B2  | A3  | A4  | B3  | C2  |

注：实际 RMS 抢占版本在新 A 到达时若优先级更高就抢占。从 t=20~60 B 一直在跑（40 ms），C 必须在 B 完成后 t=60 开始。

3.5 多处理机调度

问题：M 个进程（线程）→ N 个处理机。

SMP（Symmetric Multi-Processors）：对称多处理机，所有处理机同构（homogeneous）。

目标：负载均衡（Load-Sharing）。

就绪队列组织方式：

分队列：每个处理机一个就绪队列，不易均衡。
共享队列：所有处理机共享一个就绪队列 Q；master/slave 分配。
每个处理机可自主访问 Q。

3.5.1 自调度（Self Scheduling）/ 均衡调度

一个全局就绪队列，多处理机互斥访问。
任何处理机空闲时，自行从就绪队列取进程。

优点：

不需要专门的处理机从事任务分派
任务分配均衡

缺点：

CPU 较多时，就绪队列成为瓶颈
线程两次调度可能处于不同处理机（不亲和，cache 不命中）
不能保证同组线程同时调度

改进的自调度（Mach 系统）：

全局队列：系统一个
局部队列：每个 CPU 一个
调度时：首先考虑局部队列，然后考虑全局队列

3.5.2 组调度（Gang Scheduling）

将一组相关（合作）的线程同时分派到多个处理机上运行。
避免合作线程之间的相互等待。
降低开销，提高运行效率。

例子：

Cm* 多处理机系统
Task force：一组相关的计算

3.6 系统举例

3.6.1 Linux 进程调度

三类特征进程：

Real-time FIFO：实时先到先服务
Real-time Round Robin：实时时间片轮转
Timesharing：分时

Goodness-based scheduling（基于 goodness 的调度）：

priority（优先级）：0–40（缺省 20），可通过 nice() 系统调用调整
- nice(value) 中 value 取值范围 -20~+20
- priority = 20 - value
counter：进程尚可运行的剩余时间

counter 更新规则：

对运行进程：每个时钟间隔（10ms，称为 1 个 jiffy）counter 减 1
当所有就绪进程 counter 配额下降到 0 时，重新计算所有进程（包括等待进程）的 counter：
- counter = (counter / 2) + priority

goodness 计算：

实时进程：goodness = 1000 + priority
分时进程且 counter = 0：goodness = 0
分时进程且 counter > 0：goodness = counter + priority

调度发生时刻：

运行进程的 counter 减至 0
运行进程执行系统调用 exit
运行进程因等待 I/O、信号灯而被封锁
原来具有高 goodness 的进程被解除封锁

调度效果：

实时优先于分时（实时 goodness 至少 1000）
交互和 I/O 进程优先于 CPU 进程（等待时 counter 减半，I/O 后重新计算时反而较高）

Linux 对称多处理（SMP）：

Linux 2.0 是支持 SMP 的第一个 Linux 核心
进程或线程可同时运行在多个处理机
核心自旋锁（spin-lock）：保证任何时刻最多只有一个处理机执行核心代码
真正 SMP：把一个自旋锁分解为多个独立自旋锁，分别保护核心代码不相交子集

3.6.2 Windows 10 线程调度

主要特征：

线程级调度（Thread level scheduling）
实时 + 前台 + 后台三类
- 实时：无 deadline 调度
- 前台：GUI 窗口
- 后台：非交互
可剥夺 + 动态优先级 + RR + 反馈
SMP 支持

优先级别（共 32 级）：

类别	范围	说明
实时优先级	16-31	16 个；应用程序需有权限才能提升为实时
可变线程优先级	1-15	15 个；基本优先级 + 当前优先级
系统线程	0	1 个

基本优先级 vs. 当前优先级：

线程基本优先级继承进程基本优先级，可上下浮动 2
- 如进程基本优先级 4，线程基本优先级 2-6
当前优先级在 2-15 范围内变动
可动态提升（如运行完一个 quantum 后自动下降，不低于基本优先级）

优先级提升（不会超过 15）：

I/O 操作完成
事件等待结束
前台进程中的线程完成一个等待操作
窗口活动唤醒 GUI 线程
就绪超过一定时限未获得处理机

抢占 CPU：

抢先情形：被唤醒线程优先级 > 运行线程；某线程优先级动态变化
被抢先线程回到相应就绪队列
时间配额：实时线程重新分配完整配额；其它线程保持剩余配额

时间配额（Quantum）：

长度：6-36
时钟中断 15ms 一次，每次减 3
用完需要 2-12 次时钟中断（30-180 ms）
配额用完后进入就绪队列，优先级下降

SMP 线程调度：

处理器亲合掩码：每个进程有一个，缺省为所有处理器集合
线程继承其进程的亲合掩码
可用 SetProcessAffinityMask、SetThreadAffinityMask 修改

理想处理器（Ideal processor）：

首选处理器、第二处理器（在内核线程控制块中）
线程创建时随机确定，分散各线程与处理机对应关系
线程可调 SetThreadIdealProcessor 修改

就绪线程选择处理器：

有空闲处理器时：首选 → 第二 → 当前执行（执行调度代码的）→ 由高到低找空闲
无空闲处理器：考虑抢先；首选 → 第二 → 可运行编号最大 → 不能抢先就进入相应就绪队列

处理器选择就绪线程：

空闲处理器调度顺序：线程上次在此 CPU 运行的 → 理想处理器是该 CPU 的 → 处于就绪状态时间 > 2 个 quantum 的 → 优先级别 ≥ 24 的

二、考点总结

考点 1：中断的概念与三要素

内容：处理机在运行过程中出现某一事件，必须中止正在运行的程序，转去处理这个事件，处理完毕再返回原程序。中断系统 = 中断装置（硬件）+ 中断处理程序（软件）。
考查方式：选择 / 填空
可能的题目：
1. 选择题：操作系统是 ___ 驱动的。答案：中断（Interrupt）

考点 2：中断的分类（强迫性中断 vs. 自愿性中断）

内容：强迫性中断（时钟、I/O、控制台、硬件故障、程序性）vs. 自愿性中断（系统调用/访管指令）。
考查方式：选择 / 填空
可能的题目：
1. 选择题：下列哪个属于自愿性中断？ A. 时钟中断 B. 除 0 中断 C. open() 系统调用 D. 内存校验错 答案：C
2. 填空题：访管指令属于 ___ 性中断。答案：自愿

考点 3：中断向量与中断向量表

内容：中断向量 = (PSW, PC)。每类中断事件一个向量；存放位置由硬件规定；内容由 OS 初始化时填入；所指 PSW 应为系统态。
考查方式：选择 / 填空 / 简答
可能的题目：
1. 填空题：中断向量由 ___ 和 ___ 组成。答案：PSW, PC
2. 简答题：中断向量表中各项内容的填充由谁完成？答案：由操作系统在系统初始化时设置好。

考点 4：中断响应与处理过程

内容：硬件自动保存 PSW、PC 到系统栈；根据中断向量装载新 PSW、PC；进入处理程序；处理完恢复。
考查方式：简答 / 论述
可能的题目：
1. 简答题：简述中断响应过程。答案：① CPU 收到中断请求；② 硬件自动保存当前 PSW、PC 到系统栈；③ 根据中断向量装载新 PSW、PC；④ 转入中断处理程序执行；⑤ 处理完毕后通过 iret 指令从系统栈恢复原 PSW、PC；⑥ 返回断点继续执行。

考点 5：中断嵌套与系统栈

内容：高优先级中断可嵌入低优先级中断；实现方法为屏蔽不高于当前优先级的中断源；使用系统栈保存嵌套现场。
考查方式：选择 / 简答
可能的题目：
1. 选择题：实现中断嵌套的方法是？ A. 提高 CPU 主频 B. 屏蔽不高于当前中断优先级的中断源 C. 使用更大的内存 D. 增加处理机数量 答案：B

考点 6：中断优先级与中断屏蔽

内容：中断优先级由硬件规定，依据紧迫程度和处理时间；中断屏蔽可由程序调整响应次序。
考查方式：选择 / 填空

考点 7：各种中断的处理（I/O、时钟、控制台、硬件故障、程序性）

内容：
- I/O 中断：正常结束唤醒等待进程；错误复执 3 次后报告。
- 时钟中断：housekeeping、进程管理、软时钟、进程切换。
- 控制台：一按钮一向量一处理程序。
- 硬件故障：电源故障保存/恢复现场；内存故障划出系统。
- 程序性：越界/非法 OS 处理；除 0/溢出可用户处理。
考查方式：简答

考点 8：用户自行处理中断的机制（中断续元表）

内容：调试语句 on <中断条件> <中断续元入口>；编译时生成中断续元表（初始全 0）；运行时填写；中断时查表（0 → OS 处理；非 0 → 用户处理）。
考查方式：简答
可能的题目：
1. 简答题：简述用户处理中断的实现机制。答案：① 编译时生成中断续元表，初始为 0；② 用户在程序中用 on <中断条件> goto LA 等调试语句，运行时填写中断续元表；③ 发生中断时，OS 查表，若为 0 则按 OS 默认处理，若非 0 则保存现场到用户栈，跳转到用户的续元入口处理。

考点 9：自愿性中断与系统调用

内容：访管指令 SVC n 实现系统调用；参数准备 → SVC → 返回值。系统调用驱动表。
考查方式：选择 / 填空 / 简答
可能的题目：
1. 填空题：实现系统调用需通过 ___ 指令。答案：访管（SVC）

考点 10：处理机调度准则与性能指标

内容：CPU 利用率、吞吐量、周转时间、响应时间、系统开销。
- 周转时间 = 完成时间 − 到达时间
- 带权周转时间 = 周转时间 / 运行时间
考查方式：选择 / 填空 / 计算
可能的题目：
1. 计算题：已知 4 个作业 ...（见考点 11）
2. 填空题：带权周转时间 = 周转时间 / ___。答案：运行时间

考点 11：FCFS 算法（计算题必考）

内容：按到达次序；非剥夺；护航效应。
考查方式：计算
可能的题目：
1. 计算题：有 3 个作业，到达时间分别为 0、1、2，运行时间分别为 27、3、5。用 FCFS 算法求平均周转时间和平均带权周转时间。答案：
  - 调度顺序：P1 → P2 → P3
  - 周转时间：P1=27, P2=29, P3=33
  - 平均周转 = (27+29+33)/3 = 29.67
  - 带权周转：P1=1, P2=9.67, P3=6.6
  - 平均带权周转 = (1+9.67+6.6)/3 ≈ 5.76

考点 12：SJF 算法（计算题必考）

内容：按 CPU burst 长度；非剥夺；同时到达时平均等待时间最优；可能饿死长作业。
考查方式：计算
可能的题目：
1. 计算题：4 个作业同时到达，运行时间分别为 12、5、7、3。用 SJF 求平均周转时间。答案：
  - 调度顺序：P4(3) → P2(5) → P3(7) → P1(12)
  - 完成时间：3、8、15、27
  - 周转时间：3、8、15、27
  - 平均周转 = (3+8+15+27)/4 = 13.25
  - 平均带权周转 = (1+1.6+2.14+2.25)/4 = 1.75

考点 13：SRTN 算法（剥夺式 SJF）

内容：可剥夺 SJF；新进程到达若比当前剩余时间短则抢占。
考查方式：计算
可能的题目：
1. 计算题：作业 P1(0,12)、P2(1,9)、P3(3,6)、P4(5,3) 用 SRTN 调度，求平均周转与平均等待时间。答案：
  - 调度：P1(0-1) → P2(1-3) → P3(3-5) → P4(5-8) → P3(8-12) → P2(12-19) → P1(19-30)
  - 完成时间：30、19、12、8
  - 周转：30、18、9、3
  - 平均周转 = (30+18+9+3)/4 = 15
  - 平均带权 = (2.5+2+1.5+1)/4 = 1.75
  - 平均等待 = (18+9+3+0)/4 = 7.5

考点 14：HRN（最高响应比优先）算法

内容：RR = (BT+WT)/BT = 1 + WT/BT；非剥夺；FCFS 和 SJF 的折中；长作业不会饿死。
考查方式：计算 / 简答
可能的题目：
1. 简答题：为什么 HRN 算法能避免长作业饿死？答案：响应比 RR = 1 + WT/BT，长作业随着等待时间 WT 增大，响应比也不断提高，最终会被调度。

考点 15：最高优先数算法（HPF）

内容：静态优先数（批处理）vs. 动态优先数（实时）；非剥夺 vs. 剥夺；UNIX 用 p_pri = min{127, USER + p_cpu/16 + p_nice}。
考查方式：选择 / 简答 / 计算
可能的题目：
1. 选择题：UNIX 中运行进程 p_cpu 每 20ms ___ 1。 答案：加

考点 16：RR（时间片轮转）算法

内容：时间片轮转；剥夺式；分时系统；时间片过长退化为 FCFS，过短开销大。
考查方式：计算 / 选择
可能的题目：
1. 计算题：3 进程 P1(0,17)、P2(0,10)、P3(0,3) 用 RR 时间片 4ms 调度，求平均周转和平均等待。答案：
  - 调度：P1(0-4) P2(4-8) P3(8-11) P1(11-15) P2(15-19) P1(19-23) P2(23-25) P1(25-29) P1(29-30)
  - 完成：P1=30, P2=25, P3=11
  - 周转：30, 25, 11
  - 平均周转 = (30+25+11)/3 = 22
  - 平均带权 = (1.76+2.5+3.67)/3 ≈ 2.64
  - 平均等待 = (13+15+8)/3 = 12

考点 17：多级队列 MLQ vs. 反馈队列 FB

内容：MLQ 队列固定；FB 队列可变，新进程在高级队列，用完时间片降级。三大优点：资源利用率高、响应快、开销小。
考查方式：选择 / 简答
可能的题目：
1. 选择题：在反馈排队算法中，新创建的进程应进入 ___ 队列。 答案：最高级

考点 18：调度时机

内容：三种时机：进程结束、进程等待、处理机被剥夺。
考查方式：填空 / 简答

考点 19：调度过程 dispatcher

内容：保存下降进程现场（寄存器 → PCB）→ 选择上升进程 → 恢复现场（PCB → 寄存器，先恢复通用寄存器，最后恢复 PSW, PC；PSW 和 PC 必须用一条指令同时恢复）。
考查方式：简答
可能的题目：
1. 简答题：为什么由核心返回目态程序时进程的 PSW 和 PC 必须用一条指令同时恢复？答案：恢复 PC 后 CPU 立即按 PC 取指执行，若 PSW 还未恢复，处理机仍处于管态，会破坏系统安全。用一条指令同时恢复 PSW 和 PC，可保证"管态 → 目态"与"PC 指向用户程序"原子完成，避免出现"PC 已指向用户程序但 PSW 还是管态"的不安全中间状态。
2. 简答题：进程切换时需要保存哪些现场信息？答案：包括 PSW（程序状态字）、PC（程序计数器）、SP（栈指针）、通用寄存器、地址寄存器（基址/限长/页表指针等）以及其它与该进程相关的硬件状态。

考点 20：三级调度（高级/中级/低级）

内容：高级调度（作业调度）、中级调度（交换调度，控制并发度）、低级调度（处理机调度）。
考查方式：选择 / 填空 / 简答
可能的题目：
1. 填空题：处理机调度又称为 ___ 级调度。 答案：低

考点 21：作业状态及转换

内容：提交 → 后备 → 执行 → 完成 → 退出。SPOOLing 输入/输出；作业调度(1)(2)。
考查方式：填空 / 简答
可能的题目：
1. 填空题：把作业从"后备"状态变为"执行"状态的是 ___ 调度。 答案：作业（高级）

考点 22：适合批作业调度 vs. 不适合批作业调度

内容：适合 FCFS、HPF、SJF、HRN；不适合 RR、SRTN、FB。
考查方式：选择
可能的题目：
1. 选择题：下列哪个算法不适合作为作业调度算法？ A. FCFS B. SJF C. RR D. HRN 答案：C

考点 23：实时任务分类

内容：硬实时 vs. 软实时；周期性 vs. 随机性。
考查方式：选择 / 填空

考点 24：实时调度可调度的必要条件

内容：$\sum C_i/T_i \leq 1$。
考查方式：计算 / 简答
可能的题目：
1. 判断题：3 个周期性任务 T1=100,T2=200,T3=500，C1=50,C2=30,C3=100，是否满足可调度的必要条件？答案：C1/T1+C2/T2+C3/T3 = 0.5+0.15+0.2 = 0.85 < 1，满足必要条件（但不保证一定可调度）。

考点 25：EDF 最早截止期优先

内容：动态优先级；优先选截止期最早的；可抢先；最优调度。
考查方式：计算
可能的题目：
1. 计算题：见考点 26 后附例题。

考点 26：RMS 速率单调调度

内容：周期越短优先级越高；可调度上限 $m(2^{1/m}-1)$，m→∞ 时为 ln2≈0.693。
考查方式：计算 / 简答
可能的题目：
1. 计算题：3 个周期性任务 T(A)=100,T(B)=150,T(C)=350；C(A)=20,C(B)=40,C(C)=100。判断 RMS 是否可调度，若是画出 Gantt 图。答案：
  - C_i/T_i 总和 = 0.2 + 0.267 + 0.286 ≈ 0.753
  - m=3 上限 = 3×(2^{1/3}-1) ≈ 0.780
  - 0.753 < 0.780，可调度
  - 优先级：A > B > C
  - Gantt：A1(0-20) B1(20-60) C1(60-160) A2(160-180) B2(180-220) A3(220-240) A4(280-300) B3(300-320) C2(320-360+)

考点 27：RMS vs. EDF

内容：RMS 静态优先级，条件严，实现简单；EDF 动态优先级，条件松，最优调度。
考查方式：简答

考点 28：多处理机调度（自调度 / 组调度）

内容：自调度：共享就绪队列，瓶颈、不亲和；改进：Mach 全局+局部队列；组调度：一组相关线程同时调度（避免相互等待）。
考查方式：选择 / 简答
可能的题目：
1. 简答题：自调度的优缺点？答案：优点是不需要专门处理机分派任务、负载均衡；缺点是就绪队列成为瓶颈、线程两次调度可能不在同一处理机（cache 不命中）、不能保证同组线程同时调度。

考点 29：Linux 调度（goodness / counter）

内容：三类进程（Real-time FIFO、Real-time RR、Timesharing）；goodness-based；counter 每 10ms 减 1；用完重新计算 counter = counter/2 + priority；实时 goodness = 1000+priority。
考查方式：选择 / 填空 / 简答
可能的题目：
1. 填空题：Linux 中分时进程的 goodness = counter + ___。 答案：priority

考点 30：Windows 10 线程调度

内容：32 个优先级（实时 16-31、可变 1-15、系统 0）；基本优先级继承进程可上下浮动 2；动态提升；时间配额 6-36，时钟 15ms 减 3；SMP 理想处理器/亲合掩码。
考查方式：选择 / 填空

考点 31：综合计算题（必考大题）

考查方式：计算
可能的题目：
1. 计算题：有 5 个作业，到达时间和运行时间分别为：J1(0,4)、J2(1,3)、J3(2,2)、J4(3,5)、J5(4,1)。分别用 FCFS、SJF（剥夺式 SRTN）、非剥夺 SJF、HRN（默认非剥夺）调度，并计算平均周转时间。解答：
  - FCFS：J1→J2→J3→J4→J5
    - 完成：4, 7, 9, 14, 15
    - 周转：4, 6, 7, 11, 11
    - 平均周转 = (4+6+7+11+11)/5 = 7.8
  - 非剥夺 SJF：J1(0-4), J3(4-6), J5(6-7), J2(7-10), J4(10-15)
    - 完成：4, 10, 6, 15, 7
    - 周转：4, 9, 4, 12, 3
    - 平均周转 = (4+9+4+12+3)/5 = 6.4
  - SRTN：
    - t=0 J1 到达, 跑
    - t=1 J2(3) 到达, J1 剩 3, 不抢
    - t=2 J3(2) 到达, J1 剩 2, 不抢
    - t=3 J4(5) 到达, J1 剩 1, 不抢
    - t=4 J1 完。剩余：J2(剩2,到1), J3(2,到2), J4(5,到3), J5(1,到4)
    - t=4 选 J5(1)
    - t=5 J5 完。剩余：J2(2,到1), J3(2,到2), J4(5,到3)
    - t=5 选 J2/J3 同为 2，按 J2 先
    - t=7 J2 完。选 J3
    - t=9 J3 完。选 J4
    - t=14 J4 完
    - 完成：J1=4, J2=7, J3=9, J4=14, J5=5
    - 周转：4, 6, 7, 11, 1
    - 平均周转 = (4+6+7+11+1)/5 = 5.8
  - HRN（默认非剥夺）：
    - 每次调度时计算所有未完成作业的响应比 RR = 1 + WT/BT
    - t=0：仅 J1，J1 跑。t=4 J1 完。
    - t=4 重新计算：
      - J2: 1+3/3=2; J3: 1+2/2=2; J4: 1+1/5=1.2; J5: 1+0/1=1
      - 选 J2/J3（同为 2），按到达 J2 先
    - t=7 J2 完。
    - t=7 计算：J3: 1+5/2=3.5; J4: 1+4/5=1.8; J5: 1+3/1=4 → 选 J5
    - t=8 J5 完。计算：J3: 1+6/2=4; J4: 1+5/5=2 → 选 J3
    - t=10 J3 完。J4: 跑
    - t=15 J4 完
    - 完成：J1=4, J2=7, J3=10, J4=15, J5=8
    - 周转：4, 6, 8, 12, 4
    - 平均周转 = (4+6+8+12+4)/5 = 6.8

考点 32：可调度的必要条件 vs. 充分条件

内容：\sum C_i/T_i \leq 1 是必要条件；RMS 的 m(2^{1/m}-1) 是充分条件。
考查方式：选择 / 简答
可能的题目：
1. 判断题：若 $\sum C_i/T_i > 1$，则周期性实时任务一定不可调度。 答案：正确（因为必要条件不满足）

考点 33：进程状态转换与中断的关联

内容：运行 → 等待（程序主动 wait）；等待 → 就绪（事件发生后中断唤醒）；就绪 → 运行（调度）；运行 → 就绪（时间片到/剥夺）；创建、终止、挂起等。
考查方式：画图 / 选择
可能的题目：
1. 画图题：画出包含挂起状态的就绪、运行、等待状态转换图。 答案要点：在原有 5 态图基础上增加就绪挂起、等待挂起两态；挂起操作由中级调度决定；激活由中级调度从外存换入。

考点 34：CPU burst 长度预测

内容：$\tau_{n+1} = \alpha t_n + (1-\alpha)\tau_n$；\alpha 越大越看重最近历史，通常取 0.5。
考查方式：计算 / 简答
可能的题目：
1. 计算题：已知实际 CPU burst 长度依次为 5、3、7、9，$\alpha=0.5$，$\tau_0=5$。求 $\tau_1, \tau_2, \tau_3, \tau_4$。答案：
  - \tau_1 = 0.5 \times 5 + 0.5 \times 5 = 5
  - \tau_2 = 0.5 \times 3 + 0.5 \times 5 = 4
  - \tau_3 = 0.5 \times 7 + 0.5 \times 4 = 5.5
  - \tau_4 = 0.5 \times 9 + 0.5 \times 5.5 = 7.25

54 KiB Raw Permalink Blame History Unescape Escape

第三章 中断与处理机调度

一、知识讲解

3.1 中断与中断系统

3.1.1 中断的概念

3.1.2 中断装置

3.1.2.1 中断源与中断字

3.1.2.2 中断类型与中断向量

3.1.2.3 中断嵌套与系统栈

3.1.2.4 中断优先级与中断屏蔽

3.1.3 中断处理程序

3.1.3.1 I/O 中断处理

3.1.3.2 时钟中断处理

3.1.3.3 控制台中断处理

3.1.3.4 硬件故障处理

3.1.3.5 程序性中断的处理

3.1.3.6 自愿性中断的处理（系统调用）

考虑系统状态的进程状态转换图

3.2 处理机调度

3.2.1 处理机调度算法

3.2.1.1 先到先服务（FCFS, First Come First Serve）

3.2.1.2 短作业优先（SJF, Shortest Job First）

3.2.1.3 最短剩余时间优先（SRTN, Shortest Remaining Time Next）

3.2.1.4 最高响应比优先（HRN, Highest Response Ratio Next）

3.2.1.5 最高优先数算法（HPF, Highest Priority First）

3.2.1.6 循环轮转（RR, Round Robin）

3.2.1.7 多级队列算法（MLQ, Multilevel Queue）

3.2.1.8 反馈排队算法（FB, Feed-Back / Multilevel Feedback Queue）

3.2.2 处理机调度时机

3.2.3 处理机调度过程（Dispatcher）

3.3 调度级别与多级调度

3.3.1 交换与中级调度（Swapping and Mid-level Scheduling）

3.3.2 作业与高级调度

3.4 实时调度（Real-Time Scheduling）

基本概念

实时任务分类

关键术语

周期性实时任务可调度的必要条件

3.4.1 最早截止期优先（EDF, Earliest Deadline First）

3.4.2 速率单调调度（RMS, Rate Monotonic Scheduling）

3.5 多处理机调度

3.5.1 自调度（Self Scheduling）/ 均衡调度

3.5.2 组调度（Gang Scheduling）

3.6 系统举例

3.6.1 Linux 进程调度

3.6.2 Windows 10 线程调度

二、考点总结

考点 1：中断的概念与三要素

考点 2：中断的分类（强迫性中断 vs. 自愿性中断）

考点 3：中断向量与中断向量表

考点 4：中断响应与处理过程

考点 5：中断嵌套与系统栈

考点 6：中断优先级与中断屏蔽

考点 7：各种中断的处理（I/O、时钟、控制台、硬件故障、程序性）

考点 8：用户自行处理中断的机制（中断续元表）

考点 9：自愿性中断与系统调用

考点 10：处理机调度准则与性能指标

考点 11：FCFS 算法（计算题必考）

考点 12：SJF 算法（计算题必考）

考点 13：SRTN 算法（剥夺式 SJF）

考点 14：HRN（最高响应比优先）算法

考点 15：最高优先数算法（HPF）

考点 16：RR（时间片轮转）算法

考点 17：多级队列 MLQ vs. 反馈队列 FB

考点 18：调度时机

考点 19：调度过程 dispatcher

考点 20：三级调度（高级/中级/低级）

考点 21：作业状态及转换

考点 22：适合批作业调度 vs. 不适合批作业调度

考点 23：实时任务分类

考点 24：实时调度可调度的必要条件

考点 25：EDF 最早截止期优先

考点 26：RMS 速率单调调度

考点 27：RMS vs. EDF

考点 28：多处理机调度（自调度 / 组调度）

考点 29：Linux 调度（goodness / counter）

考点 30：Windows 10 线程调度

考点 31：综合计算题（必考大题）

考点 32：可调度的必要条件 vs. 充分条件

考点 33：进程状态转换与中断的关联

54 KiB

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第三章中断与处理机调度