操作系统OS
2023-12-27 15:03:48 22 举报AI智能生成
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操作系统OS
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大纲/内容
打印机
显示器
鼠标
外部设备
磁盘
磁带
光盘
存储设备
网络接口
调制解调器
网络通信设备
I/O设备
程序直接控制
中断驱动方式
CPU给DMA控制器发出读命令
数据传送钱由DMA控制器请求总线使用权
DMA传送前由设备驱动程序设置传送参数
预处理
初始化DMA控制器并启动磁盘
从磁盘传输一块数据到内存缓冲区
数据传送
DMA控制器发出中断请求
CPU在指令周期末尾检查中断并处理
执行\"DMA结束\"中断服务程序
后处理
传送过程
中断为程序切换，需保存和恢复现场；
DMA方式处理预处理和后处理，其余不占用CPU资源
过程上
中断在指令周期结束后(末尾)；
DMA请求可发生在每个及其周期结束时（取指、间址、执行）均可以只要CPU不占用总线即可被响应
响应时刻
中断过程需要CPU参与
DMA传送过程不需要CPU干预，因此数据传输效率高，适合高速外设数据传送
CPU参与
DMA优先级高于中断请求
优先级
中断方式除I/O外，还有异常处理能力
DMA仅局限于传送数据块I/O操作
作用范围
中断I/O采用软件完成
DMA采用硬件完成
数据传输
与中断方式区别
基本单位
主存地址计数器
传送长度计数器
数据缓冲寄存器
DMA请求触发器
\"控制/状态\"逻辑
中断机构
组成
命令/状态寄存器 CR
内存地址寄存器AR
数据寄存器DR
数据计数器DC
四类寄存器
停止CPU访存
周期挪用/周期窃取
DMA与CPU交替访存
传送方式
DMA方式
字节多路通道
数据选择通道
数据多路通道
I/O通道
通道控制方式
I/O控制方式
用户层I/O
设备映射表 DMT
逻辑设备表 LUT
系统调用层/设备独立性软件
设备驱动程序
中断处理程序
控制字符设备
控制块设备
设备控制器
硬件设备
I/O子系统层次结构
I/O管理概述
I/O调度
磁盘高速缓存 Disk Cache
单缓冲
双缓冲
循环缓冲
缓冲池
缓冲区 Buffer
对比
缓冲与高速缓存
独占式使用
分式式共享使用
SPOOLing方式使用
设备使用方式
设备控制表 DCT
控制器控制表 COCT
通道控制表 CHCT
系统设备表 SDT
设备分配数据结构
设备分配策略
安全分配
不安全分配
设备分配安全性
LUT 逻辑设备表
逻辑设备名到物理设备名映射
设备分配与回收【不考】
虚拟设备
输入(出)井
输入(出)缓冲区
输入(出)进程
预输出程序
井管理程序
缓输出程序
管理
SPooLing假脱机【不考】
设备保护
差错处理
I/O子系统
状态跟踪
设备存取
独享分配
共享分配
虚拟分配
设备分配
设备控制
I/O管理功能
I/O核心子系统
I/O管理
stack
heap
bss 未初始化数据段
data 全局赋值变量
text 只读段
C语言内存分配
硬件自检
启动顺序
第一阶段：BIOS
主引导记录结构
分区表
第二阶段：MBR 主引导记录
情况A：VBR 卷引导记录
情况B：扩展分区和逻辑分区
情况C：启动管理器
第三阶段：硬盘启动
第四阶段：操作系统
计算机开机启动原理
文件描述表，打开文件表，索引表
三张表关系
文件描述符
文件指针
文件索引节点
Linux 文件系统
定义
单一连续
固定分区
简单，相对最好和最快
首次适应
外部碎片多
最佳适应
不容易产生小碎片，但容易导致大内存块耗尽，性能差
最坏适应
比首次适应算法还差
邻近适应/循环首次适应
动态分区/可变分区分配
分区
分段
分页
连续分配
链接分配
索引分配
Hash结构
引起外部碎片的分配方式
外部碎片问题
select函数
mmap
epoll函数
Linux I/O 复用
补充
一、操作系统概述（一）操作系统的概念、特征、功能和提供的服务（二）操作系统的发展与分类（三）操作系统的运行环境1. 内核态与用户态2. 中断、异常3. 系统调用（四）操作系统的结构二、进程管理（一）进程与线程1. 进程概念2. 进程的状态与转换3. 进程控制和组织进程控制块；调度队列和调度器；进程的创建和终止。4.线程概念与多线程模型（二）CPU调度1. 调度的基本概念2. 调度时机、切换与过程3. 调度的基本准则4. 调度方式5. 典型调度算法先来先服务调度算法；短作业（短进程、短线程）优先调度算法；时间片轮转调度算法；优先级调度算法；多级反馈队列调度算法。（三）同步与互斥1. 进程同步和临界区的基本概念2. 信号量3. 使用信号量描述和解决经典同步问题（四）死锁1. 死锁的概念2. 死锁处理策略3. 死锁预防4. 死锁避免系统安全状态；银行家算法。5. 死锁检测和解除三、内存管理（一）内存管理基础1. 内存管理概念程序装入与链接；逻辑地址与物理地址空间；内存保护。2. 连续分配管理方式3. 非连续分配管理方式分页管理方式；分段管理方式；段页式管理方式。（二）虚拟内存管理1. 虚拟内存基本概念2. 请求分页管理方式3. 页面置换算法最佳置换算法（OPT）；先进先出置换算法（FIFO）；最近最少使用置换算法（LRU）。4. 页面分配策略5. 工作集6. 抖动四、文件管理（一）文件系统基础1. 文件概念2. 文件的逻辑结构顺序文件；索引文件；索引顺序文件。3. 目录结构文件控制块和索引节点；单级目录结构和两级目录结构；树形目录结构；图形目录结构。4. 文件共享5. 文件保护访问类型；访问控制。（二）文件系统实现1. 文件系统层次结构2. 目录实现3. 文件实现（三）磁盘组织与管理1. 磁盘的结构2. 磁盘调度算法3. 磁盘的管理五、输入输出（I/O）管理（一）I/O管理概述1. I/O控制方式2. I/O软件层次结构（二）I/O核心子系统1. I/O调度概念2. 高速缓存与缓冲区
935 考纲
输入设备
输出设备
存储器
运算器
控制器
硬件
处理器
操作系统
编译器
系统软件
应用软件
通用软件
应用程序
用户
计算机系统
并发Concurrence
互斥共享
同时访问
共享Sharing
虚拟处理器
时分复用
虚拟内存
虚拟外部设备
空分复用
虚拟Virtual
异步Asynchronism
特征
最基本特征
进程管理
进程同步
进程通信
死锁处理
处理机调度
处理机
内存分配
内存保护
地址映射
文件
设备
管理对象
脱机命令/批处理命令接口穿孔纸带程序
命令接口
例如：C语言#include <unistd.h> fork() 函数
API函数集，DLL形式；例如：Kernel32.dll
由一组系统调用(广义指令)组成
系统调用(特权指令)
图形接口GUI
高级语言使用库函数进行系统调用
高级语言转化为汇编指令，调用访管指令，切换至内核态，执行系统调用相关代码
与库函数的区别
执行陷入trap指令 -> 传递系统调用参数 -> 执行相应的服务程序 -> 返回用户态
执行过程
系统调用
程序接口
接口
存放于外存/辅存
启动时执行BIOS指令(存于ROM中)加载到RAM(内存）
存放/加载
单道批处理
多道批处理
批处理
具有并行和并发特点
分时/多任务OS
实时OS
网络/分布式OS
个人计算机(PC)
类型
缺页中断处理
时钟中断处理程序
关中断
输入/输出操作
中断相关
置时钟指令
广义指令的执行
进程切换
进程调度程序
核心态(内核态、管态）
命令解释程序
访管指令（trap）
读时钟指令
寄存器清零
取数指令
压栈指令
跳转指令
编程相关
缺页异常
外部中断
用户态异常
用户态(目态）
中断产生
程序错误状态
请求特权指令
用户态转内核态
运行环境
标准系统时间
时钟脉冲信号-时钟周期
时间片轮转调度
时钟管理
I/O输入输出
进程管理和调度
系统功能的调用
设备驱动
文件访问
IRQ(Interrupt R est)中断机制
CPU切换
原语
作业控制块
进程控制块 PCB
空闲登记表
内存分配表
存储器管理
设备控制快
消息队列
缓冲区
设备管理
系统控制数据结构及处理
运行机制
指令中断
自愿
硬件故障
软件中断
强迫
Fault 错误
可用于程序调试的断点设置和单步跟踪
发生后CPU将转为去执行操作系统内核相应程序
自陷处理结束后返回陷阱指令的下一条指令执行
Trap 自陷
Abort 终止
三类型
(Exception)内中断/异常
IO请求
用户干预
时钟中断
外中断
\"缺页\"或\"溢出\"等异常事件利用特定指令在执行过程中产生，而中断不和任何指令相关联
异常的检测由CPU自身完成【指令周期末尾】，不必通过外部的某个信号通知CPUCPU必须通过总线获取中断源的标识信息，才能知道哪个设备发生了何种中断
内/外中断联系区别
中断类型
已响应中断
保存断点
中断服务程序寻址
保存现场和屏蔽字
开中断
执行中断服务程序
恢复现场和屏蔽字
开中断、中断返回
中断处理过程
中断上下文
中断服务程序
上半部与下半部的对比
注册中断处理程序
中断向量
中断嵌套
中断描述符表
中断隐指令
中断响应优先级
中断处理优先级
向量地址
中断源识别
中断相关概念
中断隐指令根据中断向量得到
由调用程序根据寻址方式得到
入口地址
保存PC、PSW、通用寄存器(数据、地址等)
保存环境
从用户态转化为内核态
进程状态
中断处理与子程序调用
中断/异常
传递系统调用参数
trap指令转换OS 用户态->内核态
将返回地址压栈备用
CPU执行相应的内核态服务程序
返回用户态
大内核
微内核
体系结构
操作系统OS
概述
就绪挂起
阻塞挂起
挂起
New新建
终止
Ready就绪态
Running运行态
Block / Wait阻塞/等待态
三状态
五状态
七状态
状态与转换
信号PV
共享存储
信箱通信
间接通信
消息(缓冲)队列
直接通信
消息传递
管道通信
信号量
socket 套接字
线程ID、程序计数器PC，寄存器集合和堆栈
没有独立地址空间，可独立执行程序；同一线程能够被不同进程调用
用户级线程
内核级线程
类别
相当于用户逻辑上模拟多并发线程
多对一
并发能力强，支持多处理器，但线程有开销，会影响性能
一对一
对上述两种模型的综合
多对多
多线程模型
多线程优缺点
线程
进程是程序的一次执行过程
进程是一个程序以及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动
进程是具有独立功能的程序在一个数据集合上运行的过程，他是系统进行资源分配的独立单位
综上：进程是进程实体的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位
描述信息
管理和控制信息
分配清单
处理机(环境信息)
PCB进程控制块
程序
相关数据段
PCB状态队列
链接
索引
组织方式
与线程的区别
与作业的区别
僵尸进程和孤儿进程
进程
协程
PCB、程序、相关数据段
映像组成
并发性
资源拥有分配的基本单元
线程基本不拥有系统资源
资源分配
引入线程后，线程是独立调度和分配的基本单位
调度
PV操作；共享存储；消息传递；管道通信
同一进程的各线程直接读写进程数据段不同进程的线程之间属于进程间通信
通信
涉及当前CPU环境的保存和新进程CPU环境的设置，开销大
开销很小，只需要一些寄存器内容
系统开销
地址空间独立
同一进程的各线程共享进程的地址空间
地址空间
进程与线程的比较
作业调度(高级调度)
内存调度(中级调度)
进程调度(低级调度)
调度层次
正常终止
发生异常
请求阻塞(如 I/O请求)
主动放弃
时间片用完
优先级处理
中断处理结束
被动放弃
进行切换
内核临界区访问
完全屏蔽中断的原子操作(原语)
不能进行切换
调度时机
非剥夺方法/非强占式
优先权
短进程优先
时间片原则
剥夺方法/抢占式方法
调度方式
保存被中断进程的处理器现场信息
修改被中断进程PCB有关信息，如进程状态等
将被中断进程的PCB加入相关队列
被中断进程
选择暂用处理器运行的另一个进程
修改被选中进程PCB相关信息，改为就绪态
设置被选中的进程的地址空间，恢复存储管理信息
根据被选中进程的上下文信息来恢复处理器现场
被选中进程
切换过程
调度/切换
CPU利用率
系统吞吐量
平均周转时间
带权周转时间
周转时间
平均带权周转时间
等待时间
响应时间
调度性能标准
先来先服务 FCFS
有多个同时到达的作业 其执行时间为升序span class=\"equation-text\" data-index=\"1\" data-equation=\" T_1...T_n \" contenteditable=\"false\
短作业优先 SJF/SPN
静态优先级
动态优先级
优先级调度
响应比 Rp = (等待时间+要求服务时间) / 要求服务时间
高响应比优先 HRRN
条件一定下，时间片越大，平均周转时间越小
FCFS 是 RR 算法的一种特殊情况
只有实现定时器基址，才能实现 RR 算法
RR 属于抢占式算法
时间片轮转调度 RR
多级反馈队列调度
完全公平调度器 CFS
经典调度算法
临界资源
临界区
同步/直接制约关系
空闲让进
忙则等待
有限等待
让权等待【非必要】
互斥/间接制约关系
基本概念
单标志法
双标志先检查
双标志后检查
皮特森算法[Peterson alg]
软件
标志先后性
中断屏蔽(关中断)
TestAndSet
整型信号量
记录型信号量
同步
互斥
基于前驱图实现前驱关系
操作
与互斥量区别
条件变量condition
管程
实现方法
多类生产者多类消费者
生产消费者问题
读者-写者问题
哲学家进餐问题
吸烟者问题
经典同步问题
进程同步/互斥
不公平的资源分配策略
导致条件死循环
原因
进程饥饿
两个或以上的进程（或线程）在执行过程中，因争夺资源而造成的一种互相等待的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去
不可剥夺
请求保持
循环等待
必要条件
有序/顺序资源分配法【死锁预防】
一次性一直持有
预防
可利用资源向量Avail
最大需求矩阵Max
分配矩阵Allocation
需求矩阵Need
相关数据结构
Need=Max-Alloc
算法描述
安全性算法
系统安全状态
银行家算法
避免
死锁定理
这里进程由矩形表示
图片
资源分配图
资源剥夺法
进程撤销法
进程回退法
死锁解除
检测与解除
处理策略
发生死锁的最大资源数为 n(m-1)
可能发生死锁的最小进程数 K(m-1)>= n
最大资源数
饥饿与死锁
进程死锁
进程管理
可执行程序过程(进程)
内存分配和回收
逻辑地址和物理地址
虚拟地址与实地址
地址转换
内存扩充(虚拟技术)
存储保护
静态链接
动态链接
运行时动态链接
单一连续分配
绝对装入
可重定位装入/静态重定位
虚拟内存技术
动态运行时装入/动态重定位
装入
程序装入和链接
功能
分区/连续
页框=页帧=内存块
进程块=页/页面
页面太小：页表过长，增加转换开销，降低换入/换出率
页面太大：页内碎片多，降低内存利用率
页/页面大小
(页号P，块号B）
页表项
记录进程页面在内存中对应的物理地址
页表存放于内存中，由页表项构成
每个进程有一个页表，多个页面
页表
页相关
基本地址变换
快表地址变换
n级页表
基址寄存器内容
两级页表
图解
地址变换机构
(页号P，页内地址偏移W)
地址结构
基址寻址EA=(BR)+A
寻址方式
地址相关
基本分页存储
（段号S，段长，本段在主存的始址)
每个进程都有一张段表，大多数驻留在内存中
段表
可同时读不可写【纯代码/可重入代码】
存取控制保护
地址越界保护
段共享和保护
段页不在内存页表中
段缺失异常
超过段长
越界异常
读写权限越权
越权异常
异常
变址寻址EA=(IX)+A
(段号S，段内偏移量W)
逻辑地址/地址结构
分段存储
段页式存储
分页(段)/非连续
一次性
驻留性
传统存储管理问题
时间局部性
空间局部性
局部性原理
部分装入、请求调入、置换功能
一定容量内存和外存
页/段表机制
硬件支持
(页号，物理块号，状态位，访问字段，修改位，外存地址)
页表机制
内中断/异常
保护CPU环境->分析中断原因->转入中断处理程序->恢复CPU环境
下一条指令执行位置
缺页中断
OPT最佳置换算法
可能 会出现Bledy现象
FIFO先入先出
LRU最近最久未使用
CLOCK/NLU 时钟置换
改进型 CLOCK 算法
页面置换算法
给进程分配的物理页框的集合
驻留集
固定分配局部置换
可变分配全局置换
可变分配局部置换
置换策略
预调页策略
请求调页策略
调入时机
对换区
文件区
UNIX方式
调入来源
页面分配策略
刚被置换的页面由被调入，频繁出现该页面调度行为
常用页面数目高于可用物理页帧数
主要原因
所有页面置换策略都有可能引起抖动
抖动/颠簸
某段时间间隔内，进程要访问的页面集合
某段时间间隔内，进程要访问的页面集合(包括重复)
工作集窗口
工作集
请求分页技术
2^(地址寄存器)B
最大容量
分配方式
内存管理
以硬盘为载体的存储在计算机的信息集合
输入输出的基本单位
抽象数据类型
基本数据项
组合数据项
数据项
一组相关数据项的集合
记录
文件卷
发展
顺序文件
索引文件
索引顺序
散列文件
有结构文件(记录式文件)
无结构文件(流式文件)
文件结构
重定位(文件寻址)
截断文件
打开
关闭
提前读
读取
延迟写
写入
打开文件表
文件打开计数
文件磁盘位置
访问权限
关联信息
普通文件
目录文件
块特殊文件
字符特殊文件
FIFO
套接字
硬链接(索引共享)
软链接(符号链)
符号链接
UNIX 文件类型
位图法
空闲表法
隐式链接
FAT 文件分配表
inode 索引节点
显示连接
空闲链表法
索引文件长度计算
混合索引
成组链接法
物理空间管理/分配
存储空间管理
单级目录
两级目录
多级/树形目录
无环图目录结构
结构
所有子目录与数据文件的目录
线性列表
哈希表/散列表
目录实现
文件目录
基本信息
存取控制信息
使用信息
文件控制块FCB
索引结点
文件与目录
文件共享
口令保护
加密保护
文件权限位数
访问控制
文件保护
文件共享与保护
用户调用接口
文件目录系统 FCB
存取控制验证
逻辑文件系统/文件信息缓冲区
物理文件系统
辅助分配模块
设备管理程序模块
文件层次结构
文件系统
磁头
磁道
扇区
磁盘地址
簇
块
磁盘结构
逻辑单位
固定头磁盘
活动头磁盘
固定盘磁盘
可换盘磁盘
磁盘类型
寻找(道)时间【主要】
平均查询时间 = (1/磁盘转速)/2
旋转延迟时间
传输时间
时间组成
先来先服务FCFS
最短寻找时间优先SSTF
扫描算法SCAN
循环扫描算法C-SCAN
NStepScan
FSCAN
寻道时间减少
不可避免\"饥饿\"【磁臂黏着】
交替编号/交叉编址
错位命名
延迟时间减少
磁盘调度算法
初始化
引导块
坏块
物理格式化
逻辑格式化
格式化
管理操作
真题
磁盘管理
文件管理
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