操作系统概论
2018-03-20 21:18:05 0 举报AI智能生成
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操作系统概论，操作系统基础知识。
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大纲/内容
操作系统概论
内存管理
主要功能
内存分配、内存保护、地址映射和内存扩充功能
存储器的层次结构
寄存器
芯片内的 L1 高速缓存（SRAM）
芯片外的 L2 高速缓存（SRAM）
主存储器（DRAM）
本地二级存储（本地磁盘）
远程二级存储（分布式文件系统，Web 服务器）
程序的链接
静态链接
任务
对逻辑地址进行修改
变换外部调用符号
动态链接
连续分配存储管理方式
单一连续区分配
固定分区分配
动态分区分配
算法
首次适应算法 FF
循环首次适应算法 NF
最佳适应算法 BF
离散内存管理方式
分页存储管理
页置换算法
最佳置换算法
先进先出置换算法（FIFO）
最近最久未使用置换算法（ LRU ）
分段存储管理
段页式存储管理
虚拟存储系统
特征
离散性、多次性、对换性和虚拟性
抖动
概念
多道程序度太高，使运行进程的大部分时间都用于进行页的换入、换出，而几乎不能完成任何有效工作的状态称为抖动
产生原因
系统中的进程数量太多，每个进程能分配到的页框太少，以至于进程运行过程中频繁请求调页
文件系统
文件存取方式有两种：顺序存取和随机存取
目录是文件系统中实现按名访问的重要数据结构
I/O 设备管理
I/O 设备分类
按信息交换的单位分类
块设备
字符设备
按设备的共享属性分类
独占设备
共享设备
虚拟设备
设备控制器
结构
与 CPU 的接口
数据线、控制线和地址线
与设备的接口
接口中的 3 类信号为数据、状态和控制信号
I/O 逻辑
主要由指令译码器和地址译码器构成，将 CPU 的命令和地址分别译码，控制指定设备
功能
接收和识别命令
数据交换
设备状态的了解和报告
地址识别
数据缓冲
差错控制
I/O 控制方式
轮询方式
中断控制方式
DMA 控制方式
设备驱动程序
设备驱动程序是 I/O 进程与设备控制器之间的通信程序，其主要任务是接受上层软件发来的抽象的 I/O 请求，把他们转换为具体要求后，发送给设备控制器，启动设备去执行。
操作系统简介
操作系统的作用
管理计算机系统的资源
为用户提供方便的使用接口
操作系统的功能
处理器管理
存储器管理
文件管理
设备管理
现代操作系统的特征
并发、共享、虚拟和异步性
三种基本操作系统类型
批处理系统
单道批处理系统
特点：自动性、顺序性、单道性
优点：与无操作系统的计算机系统相比，减少了等待人工操作的时间
缺点：作业独占 CPU 和内存，使得资源不能得到充分利用
多道批处理系统
特点：多道性、无序性、调度性、复杂性
优点：能够提高CPU、内存和 I/O 设备的利用率和系统的吞吐量
缺点：系统平均周转时间长，缺乏交互能力
分时系统
特点：多路性、独立性、及时性和交互性
优点：向用户提供了人机交互的方便性，使多个用户可以通过不同的终端共享主机
缺点：随着用户数量的增加，系统响应能力下降
实时系统
特点：多路性、独立性、及时性、交互性、可靠性
指令执行过程
指令周期
取指令和执行指令
进程管理
进程
定义
进程是允许并发执行的程序在某个数据集合上的运行过程
进程是由正文段、用户数据段及进程控制块共同组成的执行环境
并发性、动态性、独立性、异步性、结构特征
3 种基本状态
就绪态、执行态、阻塞态
与程序的区别和联系
区别
程序是静态的，进程是动态的
程序是永久的，进程是暂时存在的
程序与进程的存在实体不同。程序是指令的集合，进程是包括了正文段、用户数据段和进程控制块的实体
联系
进程是程序的一次执行，进程总是对应至少一个特定的程序，执行程序的代码
一个程序可以对应多个进程。几个进程能并发地执行相同的程序代码，而同一个进程能顺序地执行几个程序
线程
为什么要引入线程？
进程创建、撤销和切换时非常耗费资源和时间，为了能更进一步的提高操作系统的并发性
线程是进程中的一个实体，是被系统独立调度和分派的基本单位
线程只拥有在运行中必需的资源，包括程序计数器、一组寄存器和栈，可与同属一个进程的其他线程共享进程所拥有的全部资源
同一进程中的多个线程可以并发执行
进程调度与死锁
进程调度
按照某种策略和算法从就绪态进程中为当前空闲的 CPU 选择在其上运行的新进程
先来先服务调度算法（FCFS）
周转时间=服务时间+等待时间
带权周转时间=周转时间/服务时间
短进程优先调度算法（SPF）
优先权调度算法
算法类型
非抢占式优选权
抢占式优先权
优先权的类型
静态优先权
动态优先权
时间片轮转调度算法（RR）
系统将所有的就绪进程按先来先服务的原则，排成一个队列，每次调度时把 CPU 分配给队首，并令其执行一个时间片。当时间片用完时，调度程序终止当前进程的执行，并将它送到就绪队列的队尾。把规定进程一次使用处理器的最长时间称为“时间片”。
进程切换
步骤
保存程序计数器和其他寄存器在内的 CPU 上下文环境
更新被替换进程的进程控制块
修改进程状态，把执行态改为就绪态或者阻塞态
将被替换进程的进程控制块移到就绪队列或阻塞队列
执行通过进程调度程序选择的新进程，并更新该进程的进程控制块
更新内存管理的数据结构
恢复被调度程序选中的进程的硬件上下文
死锁
由于多个进程竞争共享资源而引起的进程不能向前推进的僵死状态称为死锁
竞争共享资源且分配资源的顺序不当
银行家算法
一种能够避免死锁的资源分配算法
饥饿
进程因长时间不能获得所需要的资源而无限等待的状态。比如系统采取基于静态优先权的进程调度算法，当系统不断有高优先权进程到来时，优先权低的进程就可能长时间得不到 CPU，也就不能运行，这种状态被称为饥饿状态。
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