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本课件讲解多处理器系统与处理器管理。先介绍多处理器系统的概念、硬件组织结构与分类，比较主/从式与对称式多处理器系统的特点；随后系统展开处理器调度的层次、作业状态与作业调度算法的选择依据，以及周转时间与带权周转时间等性能衡量指标；进而依次讲解先进先出、优先级、时间片轮转、最短进程优先、最高响应比优先、多级反馈队列等单处理器调度算法；最后介绍基于线程的负载共享、专用处理器、群调度等多处理器调度模式。
第六章 多处理器系统和处理器管理
6.1 多处理器系统：随着信息和网络技术的发展，进入信息时代，带给计算机领域的一个重要的趋势是越来越普遍的使用多重处理，即配置一个有几个甚至几百个处理器的计算机系统。
多处理器的优势
多处理器的硬件组织
单总线结构示意图：多个 CPU 与 I/O 模块、存储器等部件挂接在同一条总线上，是最简单的多处理器互连方式，结构简单但带宽受限。
多总线结构示意图：系统中设置多条总线（SBC、M1～Mm、I/O C1、I/O C2 等），处理器 P1～Pn 通过多条总线访问存储器和 I/O，以提高并行与带宽。
交叉开关式结构示意图：用交叉开关阵列把 P1～Pn 处理器与 M1～Mm 存储器及 I/O 设备两两连通，可支持多路并行访问，互连代价较高。
6.2 多处理器系统的分类：多处理器簇（Cluster，又称分布式系统）是指每个处理器都有自己专用的存储器，每个单元都有自包含的计算能力，通过通信网络互连构成一个整体系统。
主/从处理器系统的缺点
对称式多处理器系统（SMP）的主要特点
SMP 的组织示意图：多个处理器各自带有高速缓存，通过互连结构共享统一的存储器与 I/O 设备，各处理器地位对称。
多处理器系统的应用
选择调度算法时考虑的问题
调度性能的衡量：通常采用平均周转时间和平均带权周转时间来衡量作业调度算法的性能好坏。作业的平均周转时间 t 为各作业周转时间的平均值，其中 n 为进入系统的作业的个数。
平均带权周转时间 w：以作业 i 的实际执行时间 t_ri 去除其周转时间得带权周转时间，再取平均。一般来说，系统应选择使作业的平均周转时间（或带权周转时间）短的某种算法。
6.4 单处理器调度算法
| 作业 | 提交时间 | 执行时间 | 开始时间 | 完成时间 | 周转时间 | 带权周转时间 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 作业 1 | 8.00 | 2.00 | 8.00 | 10.00 | 2.00 | 1.00 |
| 作业 2 | 8.50 | 0.50 | 10.00 | 10.50 | 2.00 | 4.00 |
| 作业 3 | 9.00 | 0.10 | 10.50 | 10.60 | 1.60 | 16.00 |
| 作业 4 | 9.50 | 0.20 | 10.60 | 10.80 | 1.30 | 6.50 |
| 平均 | — | — | — | — | 1.725 | 6.875 |
时间片大小的选择
| 作业 | 提交时间 | 执行时间 | 开始时间 | 完成时间 | 周转时间 | 带权周转时间 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 作业 1 | 8.00 | 2.00 | 8.00 | 10.00 | 2.00 | 1.00 |
| 作业 2 | 8.50 | 0.50 | 10.30 | 10.80 | 2.30 | 4.60 |
| 作业 3 | 9.00 | 0.10 | 10.00 | 10.10 | 1.10 | 11.00 |
| 作业 4 | 9.50 | 0.20 | 10.10 | 10.30 | 0.80 | 4.00 |
| 平均 | — | — | — | — | 1.55 | 5.15 |
| 作业 | 提交时间 | 执行时间 | 开始时间 | 完成时间 | 周转时间 | 带权周转时间 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 作业 1 | 8.00 | 2.00 | — | — | — | — |
| 作业 2 | 8.50 | 0.50 | — | — | — | — |
| 作业 3 | 9.00 | 0.10 | — | — | — | — |
| 作业 4 | 9.50 | 0.20 | — | — | — | — |
注：原课件本页只给出各作业的提交时间与执行时间，周转时间与带权周转时间栏为空白，计算结果见下一页；平均周转时间与平均带权周转时间原课件亦未填写。
| 作业 | 提交时间 | 执行时间 | 开始时间 | 完成时间 | 周转时间 | 带权周转时间 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 作业 1 | 8.00 | 2.00 | 8.00 | 10.00 | 2.00 | 1.00 |
| 作业 2 | 8.50 | 0.50 | 10.10 | 10.60 | 2.10 | 4.20 |
| 作业 3 | 9.00 | 0.10 | 10.00 | 10.10 | 1.10 | 11.00 |
| 作业 4 | 9.50 | 0.20 | 10.60 | 10.80 | 1.30 | 6.50 |
| 平均 | — | — | — | — | 1.625 | 5.675 |
多级反馈队列调度算法
多级反馈队列的基本实现
多级反馈队列调度示意图：第 1 级队列（FIFO）到下一级依次为 FIFO 并逐步采用时间片轮转，直到第 n 级队列采用时间片轮转；进程使用 CPU 后未完成即被抢占并降到下一级队列。
6.5 基于线程的处理器调度
负载共享调度（自调度方法）的主要优点
负载共享调度模式的缺点
专用处理器式调度：这种调度模式对于系统中有几十个或者数百个处理器，提供了高度的物理的并行性。主要的优点是：调度开销小，一次完成整个应用的调度；处理器高速缓存的命中率高。
群调度的优点
调度类和多模式调度器：调度类是定义该类中所有的调度策略的，系统可以提供几个调度类，至少有分时类和实时类。系统中的调度器提供了一组和调度类无关的接口，使得同一系统可支持多种调度模式。
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