操作系统概论
2020-07-15 10:52:30 17 举报AI智能生成
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操作系统概论
作者其他创作
大纲/内容
第四章：内存管理
1 存储器的层次结构
存储器层次结构
L0：寄存器
L1：L1高速缓存
L2：L2高速缓存
L3：主存储器
L4：本地二级存储
L5：远程二级存储（Web服务器）
局部性原理
时间局部性
空间局部性
2 程序的链接和装入
程序的链接
静态链接
动态链接
程序的装入
绝对装⼊⽅式
可重定位装⼊⽅式（静态重定位）
动态运⾏时装⼊（动态重定位）
3 连续分配存储管理方式
连续分配存储管理方式
单一连续分配
固定分区分配
动态分区分配
空闲分区表
空闲分区链
动态分区分配算法
⾸次适应算法
循环⾸次适应算法
最佳适应算法
动态分区回收的流程
1）释放⼀块连续的内存区域
2）如果被释放的区域与其他空闲区相邻，则合并空闲区
3）修改空闲分区链
4 基本分页存储管理方式
分⻚存储管理的基本原理
基本概念
页
页框
分页存储
业内碎片
页表
基于分页的地址结构
⻚号P
⻚内偏移量W
分页地址变换
1）进程执⾏，PCB中⻚表起始地址和⻚表⻓度送CPU的⻚表寄存器
2）CPU访问某个逻辑单元A 3）由分⻚地址变换硬件⾃动将A分为⻚号和⻚内偏移两部分
4）由硬件检索⻚表，得到A所在的⻚对应的⻚框号
5）⻚框号和⻚内偏移地址送物理地址寄存器，计算物理地址。
页大小的选择
⻚⼤⼩的选择因素
管理内存开销
内存的利⽤率
快表
引⼊快表后的地址变换过程
引⼊TLB的性能分析
当能在TLB中找到所需要的⻚表项时
当没有在TLB中找到所需要的⻚表项时
两级和多级⻚表
5 基于分页的虚拟存储系统
虚拟存储器
请求调入
置换
虚拟存储技术的好处
提⾼内存利⽤率
提⾼多道程序度
把逻辑地址空间和物理地址空间分开
虚拟存储系统的特点
离散性
多次性
对换性
虚拟性
请求分页中的硬件支持
特殊的⻚表
缺⻚异常机构
地址变换机构
页分配策略
最少⻚框数
局部置换
全局置换
固定分配
可变分配
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
附加引⽤位算法
简单Clock置换算法
改进型Clock算法
最少使⽤置换算法
⻚缓冲算法
抖动产生的原因和预防方法
请求分⻚系统的性能
缺⻚率对有效访问时间的影响
⼯作集
抖动
产⽣原因
预防⽅法
6 分段存储管理
离散分配存储管理方式
分页存储管理
分段存储管理
段页式存储管理
分段机制的引入
优点
分段
分段的逻辑地址结构
段表
分页和分段的主要区别
段页式存储管理的基本原理
地址变换过程
7 Linux的伙伴系统
伙伴条件
第五章：文件系统
1.文件
文件命名
文件结构
无结构字节序列（流式文件）
固定长度记录序列
中心思想
树形结构
文件类型
正规文件
ASCII文件
二进制文件
目录文件
字符设备文件
块设备文件
文件存取
顺序存取
随机存取
文件属性
文件操作
2.目录
目录文件的结构
目录结构
单层⽬录（根⽬录）
问题
两级⽬录
缺点
树形⽬录
路径名
绝对路径名
相对路径名
3.文件系统的实现
实现⽂件
连续分配
磁盘链接表
内存的链接分配表
i-结点
实现⽬录
CP／M中的⽬录
MS-DOS中的⽬录
UNIX中的⽬录
磁盘空间管理
簇⼤⼩
记录空闲块
空闲簇链接表
位图
第六章：I/O设备管理
1 I/O系统的组成
I/O系统的结构
微机I/O系统
主机I/O系统
I/O设备的分类
按传输速率分类
低速设备
中速设备
⾼速设备
按信息交换单位分类
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
什么是设备控制器？
设备控制器的组成？
设备控制器的功能？
I / O通道
2 I/O控制方式
轮询控制⽅式
中断控制⽅式
DMA控制⽅式
DMA控制器结构
DMA控制器中的寄存器
命令/状态寄存器CR
内存地址寄存器MAR
数据寄存器DR
数据计数器DC
DMA⼯作⽅式流程
通道控制⽅式
3 缓冲管理
缓冲的引⼊
引⼊缓冲的主要原因
（1）处理数据流的⽣产者与消费者之间的速度差异
（2）协调传输数据⼤⼩不⼀致的设备
引⼊缓冲的主要作⽤
单缓冲
双缓冲
循环缓冲
多个缓冲区
多个指针
Getbuf过程
Releasebuf过程
4 设备分配
设备分配中的数据结构
设备控制表DCT(Device Control Table)
控制器控制表COCT(Controller Control Table)
通道控制表CHCT(Channel Control Table)
系统设备表SDT(System Device Table)
设备分配
（1）设备的固有属性
（2）设备分配算法
先来先服务
基于优先权的分配算法
（3）设备分配⽅式
安全分配⽅式
不安全分配⽅式
设备独⽴性
设备独⽴性的基本含义
实现设备独⽴性带来的好处
1）应⽤程序与物理设备⽆关
2）易于处理输⼊/输出设备的故障
3）提⾼了系统的可靠性，增加了设备分配的灵活性
设备独⽴软件的功能
执⾏所有设备的公有操作
向⽤户层软件提供统⼀的接⼝
SPOOLing技术
SPOOLing的含义
SPOOLing的组成
（1）输⼊井和输出井
（2）输⼊缓冲区和输出缓冲区
（3）输⼊进程SPi和输出进程SPo
（4）请求I/O队列
SPOOLing的特点
（1）提⾼了I/O速度 (使⽤了磁盘作为低速设备的⼤容量缓存)
（2）将独占设备改造为共享设备
（3）实现了虚拟设备功能
5 I/O软件原理
设备管理的4个层次
用户层软件
与设备无关的软件层
设备驱动程序
中断处理程序（底层）
设备管理软件的功能
（1）实现I/O设备的独⽴性
（2）错误处理
（3）异步传输
（4）缓冲管理
（5）设备的分配和释放
（6）实现I/O控制⽅式
中断处理程序
与硬件⽆关的I/O软件
（1）设备命名
（2）设备保护
（3）提供独⽴于设备的块⼤⼩
（4）为块设备和字符设备提供必要的缓冲技术
（5）块设备的存储分配
（6）分配和释放独⽴设备
（7）错误处理
6 磁盘管理
磁盘结构
磁盘类型
固定头磁盘
活动头磁盘 (移动头)
磁盘访问时间
寻道时间
旋转延迟时间
传输时间
磁盘调度
（3）扫描算法 (SCAN)(电梯调度算法)
（4）循环扫描算法 (CSCAN)
（5） NStepSCAN和FSCAN调度算法
NStepSCAN
FSCAN
磁臂黏着
提⾼磁盘I/O速度的⽅法
（1）提前读
（2）延迟写
（3）优化物理块的分布
（4）虚拟盘
（5）磁盘⾼速缓存
操作系统概论
第一章：操作系统简介
第一节：什么是操作系统
操作系统的定义
用户与硬件之间的接口
资源的管理者
处理机管理
内存管理
设备管理
文件管理
第二节：操作系统的发展
操作系统的发展
单道批处理系统
定义
特点
优缺点
多道批处理系统
分时操作系统
实时操作系统
操作系统产品现状
操作系统
主机操作系统
服务器操作系统
微机操作系统
嵌入式操作系统
第三节：操作系统的特征
操作系统的特征
并发
共享
虚拟
异步
第四节：操作系统的功能
管理计算机资源
含义
内容
1.内存分配
静态分配
动态分配
2.内存保护
3.地址映射
4.内存扩充
置换功能
进程管理
功能
1.文件储存空间的管理
2.目录管理
3.文件的读、写管理和存取控制
提供用户接口
命令接口
目的
分类
联机
脱机
图形用户接口
程序接口
系统调用
第五节：操作系统的体系结构
简单的监控程序模型
单体结构模型
层次结构模型
客户/服务器模型与微内核结构
动态可扩展结构模型
第六节：指令的执行
指令
动作
1.处理器与存储器之间的指令或数据传送操作
2.处理器与I/O设备之间的指令或数据传送操作
3.算术运算操作或逻辑运算操作
4.控制操作，即修改指令的执⾏顺序的操作
指令周期
取指周期
执行周期
第二章：进程管理
第一节：进程的描述
程序的顺序执行
程序的并发执行
宏观并行
微观串行
间断性
失去封闭性
不可再现性
进程的概念
特征
1.并发性
2.动态性
3.独立性
4.异步性
5.结构特征
进程和程序的比较
区别
联系
进程控制块PCB
进程标识符信息
处理机状态信息
进程调度信息
进程控制信息
进程的状态
就绪态
执行态
阻塞态
进程的组织
链接方式
索引方式
进程队列
第二节：进程的控制
创建
什么情况下需要创建新进程呢？
如何创建新进程？／创建新进程的步骤？
阻塞
什么情况下会进⾏进程的阻塞呢？
完成进程阻塞的过程？
唤醒
进程唤醒的过程？
终止
完成进程终⽌的过程
第三节：操作系统内核
操作系统内核
中断
什么是中断
为什么需要中断
中断的类型
同步中断（内部中断）
异步中断（外部中断）
可屏蔽
不可屏蔽
中断处理
时钟管理
时钟的重要性
计算机系统中的时钟
实时时钟RTC（CMOS时钟）
OS时钟
RTC时钟、OS时钟和应⽤程序之间的关系
操作系统的时钟机制
依靠时钟硬件和时钟驱动程序
时钟驱动程序的功能
什么是系统调⽤？
系统调⽤和⼀般函数调⽤的区别？
用户空间
用户态执行
系统空间
系统态执行
区别1:系统调⽤运⾏在系统态，⼀般函数运⾏在⽤户态
区别2:执⾏过程不同（系统调⽤执⾏时，当前进程被中断）
区别3:系统调⽤进⾏中断处理，多了系统开销
第四节：进程同步
进程同步的基本概念
进程并发执⾏
共享系统的资源
操作系统对共享过程进⾏控制和管理
同步机制
多道程序环境下进程之间的关系
资源共享关系
相互合作关系
应遵循的准则
信号量机制
整型信号量机制
申请资源操作
释放资源操作
记录型信号量机制
AND型信号量机制
管程的概念
管程的说明
第五节：进程通信
共享存储器系统
消息传递系统
管道通信
消息缓冲队列
第六节：线程
线程的概念和分类
线程的概念
线程的分类
内核级线程
用户级线程
线程的3种基本状态
运行态
线程控制块
线程和进程的关系
1. 资源和调度
2. 地址空间资源
3. 通信关系
4. 并发性
5. 系统开销
线程的控制
第三章：进程调度与死锁
1 进程调度的功能与时机
进程调度的功能
谁来完成？
具体做啥？
进程调度的时机
啥时候需要进程调度？
2 进程调度算法
选择调度方式和算法的准则
什么样的算法是好的算法？
1.周转时间短
平均周转时间
服务时间Ts
带权平均周转时间
2.响应时间快
3.截止时间的保证
4.系统吞吐量高
5.处理机利用率好
调度算法
先来先服务调度算法
短进程优先调度算法
优先权调度算法
类型
⾮抢占式
抢占式
优先权类型
静态优先权
动态优先权
存在的问题
⽆穷阻塞(饥饿问题)
解决的⽅案
⽼化技术
时间片轮转调度算法
时间片大小确定
系统对响应时间的要求
就绪队列中进程的数⽬
系统的处理能⼒
多级队列调度算法
多级反馈队列调度算法
3 实时系统中的调度
实现实时调度的基本条件
提供必要的调度信息
系统处理能⼒强
采⽤抢占式调度机制（⼴泛）
具有快速切换机制
对外部中断的快速响应能力
快速的进程切换能力
常⽤的实时调度算法
最早截止时间优先算法EDF
最低松弛度优先算法LLF
实时系统中的调度
实现的基本条件
常用的调度算法
4 进程切换
进程切换的步骤
Step 1
Step 2
Step 3
Step 4
Step 5
Step 6
Step 7
5 多处理器调度
多处理器系统的类型
分类一
紧密耦合
松弛耦合
分类二
对称
⾮对称
多处理器系统中进程的分配⽅式
对称系统分配⽅式
⾮对称系统分配⽅式
主-从式分配⽅式
进程（线程）的调度⽅式
⾃调度
易移植
有利于提⾼CPU的利⽤率
瓶颈问题
低效性
线程切换频繁
成组调度
减少线程切换
减少调度开销
专⽤处理器分配
加快程序运⾏速度
避免进程切换
处理器资源严重浪费
6 死锁
死锁的定义
产⽣死锁的原因和必要条件
必要条件
互斥条件
请求和保持条件
不剥夺条件
环路等待条件
处理死锁的基本⽅法
死锁的预防
摒弃请求和保持条件
摒弃不剥夺条件
摒弃环路等待条件
死锁的避免
啥是安全状态
安全状态
不安全状态
银⾏家算法
死锁的检测
何时调⽤检测算法
资源分配图
死锁定理
死锁和解除
解除途径
进程终⽌
终⽌所有死锁进程
⼀次只终⽌⼀个处于死锁的进程，直到死锁解除
资源抢占
逐步从进程中抢占资源给其他进程使⽤直到死锁被打破为⽌
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