操作系统
2024-03-23 09:19:14 2 举报AI智能生成
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操作系统
作者其他创作
大纲/内容
是一种可以按用户的要求 \"接收 \"和 \"存储\
定义
机械式系统
模拟式计算机 系统
简称 计算机系统
数字式计算机 系统
电子式系统
广义的计算机 包括
是计算机系统赖以工作的\"实体\"
硬件(子)系统
保证计算机系统按 \"用户指定的要求\" 协调工作
软件(子)系统
组成
硬件资源
软件资源
资源
计算机系统
运算器
控制器
CPU
中央处理器
内存储器 (主存)
磁盘
磁带
光盘
外存储器
键盘
鼠标
显示器
打印机
输入输出设备
分层关系
硬件系统
文字处理，图片处理， 图像处理， 科学计算机 MIS
应用软件
数据库系统，网络，多媒体
支撑软件
操作系统， 编译程序
系统软件
程序
数据
软件系统
是计算机系统中的 一个 font color=\"#f44336\
组织工作流程
控制程序的执行
组织
管理硬件资源
管理软件资源
管理
是计算机 资源 (软件资源+硬件资源) 的管理者
灵活
方便
有效
是用户使用计算机
通过接口 为用户提供各种服务
作用
用户程序与用户程序之间并发执行
用户程序和系统程序之间并发执行
体现
同时运行
并行性
并发性
分类
内存储器
外部设备
共享资源
互斥共享
同时共享
形式
共享性
指的是 操作系统的运行 是在一种随机的环境下进行的
随机性
虚拟性
特征 (并共随虚)
指的是软件的外部表现形式
外部特性
内在特性
从软件观点来看
存储器
外部设备和信息
计算机系统中的软件和硬件资源可分为
从资源管理的观点来看
操作系统是由多个同时独立运行的程序和一个对这些程序进行协调的核心 所组成
从进程的观点
从虚拟机的观点
从服务提供者的观点
研究操作系统的观点
含义
互斥
进程同步
进程控制
处理相互协作的进程之间信息的交换问题
进程间通信
按照一定的算法从队列中挑选一个进程在处理器中执行
进程调度
原语
名词
进程管理
任务
内存的分配和回收
存储保护
内存扩充
简述任务
存储管理
文件管理
作业管理
设备管理
用户接口
功能 (简记: 作文存进设备)
操作系统
内核执行 是操作系统中最基本的操作
线程调度
陷入处理
异常调度
中断处理
多处理器同步
供执行体使用的基本内核对象
主要功能
中供异陷多线 (中共也多线陷)
Window 操作系统的内容始终运行在font color=\"#f44336\
特点
内核
硬件抽象层 HAL
执行体 (NTOSKRNL EXE)
子系统集合
系统进程
只能从内核态调用
系统线程
包含
图解
体系结构
window 操作系统
通常由一组驱动程序和一些基本的例程所组成
内核与硬件的接口
由两组系统调用及其 命令解释程序所组成
内核与Shell的接口
具有两方面接口
进程控制子系统
文件子系统
内核组成
内核层
Unix系统调用 包括font color=\"#f44336\
系统调用层
应用层
Unix 操作系统
系统调用
内存管理
设备驱动程序
文件系统
网络管理
组成
系内网文进设备 (是内网文件设备)
Linux内核
Linux 操作系统
安卓应用程序
Android操作系统
操作系统体系结构
手工操作
早期批处理
监控程序
多道批处理
分时与实时系统
unix 通用操作系统
个人计算机操作系统
安卓操作系统
发展阶段
工作方式
成批处理
作业流程自动化较高
提高整个系统的效率
资源利用率较高
作业吞吐量大
优点
目标
缺点
批处理操作系统
计较堵路
具有 font color=\"#f44336\
及时响应用户输入的交互命令
分时系统
主要目标
硬实时系统
软实时系统
实时时钟管理
过载防护
高可靠性
能力
实时操作系统 (RTOS)
按照用户界面的使用 环境和功能特征不同
是一种单用户多任务的操作系统
在某一时间内为单个用户服务
集中式模式
分布式模式
模式
网络操作系统
实现资源的深度共享
透明性
自治性
明治(名字)统一共享
以较低的成本 获取较高的运算性能
分布式操作系统
使用场景
嵌入式操作系统
操作系统的发展
设计复杂程度高
正确性难以保证
研制周期长
特点 (难复长)
确定设计的操作系统应该具备的功能以及操作系统的类型
功能设计
算法设计
系统模块化
模块标准化
通信规范化
结构研究目标
结构紧密
接口简单直接
系统效率较高
可适应性比较差
模块组合法
无序模块法
模块接口法
组成方式
整体式结构
结构清晰
不构成循环
很容易对操作系统增加或替换掉一层而不影响其他层次
层次式结构
将操作系统分成 实现操作系统最基本功能的内核 和提供各种服务的 服务进程两部分
运行在核心态的内核: 内核提供所有操作系统基本具有的操作
可靠
适宜于分布式处理的计算环境
效率低
微内核(客户/服务器)结构
分类 (整层微)
结构设计
设计过程 (结算功)
可靠性
高效性
易维护
可移植性
安全性
简明性
设计目标 (高可可易安简)
操作系统设计
1章 操作系统概念
实现指令中的 font color=\"#f44336\
记录要取出指令的地址
程序计数器 (PC)
包含了最近取出的指令
指令寄存器 (IR)
它记录了处理器的运行模式信息
CPU 的工作状态 代码
反映指令执行后的结果特征
条件码
指出是否允许中断
中断屏幕码
状态码
程序状态字 (PSW)
类型
寄存器
高速缓存
构成 (运控寄高)
取指令
指令寄存器
程序计数器+1
执行过程
负责处理器和存储器之间的数据传送
访问存储器指令
负责处理器 和 I/O 模块之前的数据传送和命令传送
I/O 指令
算术逻辑指令
可以指定一个新的指令的执行起点
控制转移指令
处理器控制指令
只能由操作系统使用的指令
特权指令
操作系统和普通用户都能使用的指令
非特权指令
指令
管态
目态
核心态
管理态
用户程序状态(目标状态)
其他分类
目态到 管态 转换
管态到目态转换
状态转换
工作状态
处理器
中央处理器能直接访问的唯一存储空间是内存储器(主存)
读写型存储器
只读型存储器
存储的最小(存储)font color=\"#f44336\
内存空间最小分配单元 为font color=\"#f44336\
存储分块
是存储系统的基础
容量
速度要能匹配处理器的速度
速度
和其他硬件相比要在一个合适的范围内
成本
界地址寄存器
保护键方式
保护
设计考虑的问题
存储访问局部性原理
提供存储系统的效能的关键
层次结构
又称为 通用寄存器
算术指令
访存指令
数据寄存器
用于存储数据
存储指令的物理地址
线性地址
有效地址
特定方式的寻址
地址寄存器
保存处理器操作结果的各种标记位
条件码寄存器
用户可见寄存器
记录将要取出的指令地址
程序计数器
包含最近取出的指令
记录处理器的运行模式信息
程序状态字
硬盘存储器
访问局限性
I/O 结构
通道
DMA 技术 (Direct Memory Access)
缓存技术
I/O 部件
5. 记录用户使用各种设备的时间和记录某外部事件发生的时间间隔
硬件时钟
软件时钟
北京时间
绝对时钟
间隔时钟
只从某一个时间初始值开始的一段时间间隔
相对时钟
时钟的用途
时钟部件
指处理器对系统中或系统外发生的异步事件的响应.
一个系统中提供的中断源的有序集合 被称为 中断字
Intel x86 处理器提供了 256中不同的中断.
中断概念
引起中断系统事件 称为中断事件 和中断源
中断源
中断源向处理器发出的请求信号
中断请求
发生中断时正在执行的程序的暂停点
中断断点
处理器中断当前的程序 转而处理中断的过程
中断响应
中断源的有序集合(中断源的字典库)
中断字
在中断逻辑线路中专门接收中断信号的触发器
中断位
中断过程
能充分发挥处理器的使用效率
提高系统的实时能力
相似概念: 是异常 . 中断 font color=\"#f44336\
中断机制
维护软件中断
处理器调度
控制系统定时任务
实时处理
时钟中断
I/O 操作正常结束 以及 I /O 异常
I/O 中断
系统操作人员通过控制台发出的命令
控制台中断
硬件故障
系统服务请求(自愿性中断) 一般由处理器提供专用的 (访管指令) 来触发
自愿性中断
中断类型
第一类 只能由 操作系统完成 第二类 可由程序自己完成
算术溢出
目态程序视图执行非法指令
访问不被允许的存储位置
虚拟存储中的缺页
在某些条件下由指令执行结果产生
程序性中断
目的是要求操作系统提供系统服务
访管指令异常
中断系统
异常类型
硬件中断装置
针对中断事件的性质而执行相应的一系列操作
软件中断处理程序
通过计算机硬件的中断逻辑线路和中断寄存器实现的
请求的接收
处理器接受中断信号
将处理器的PC值置为中断处理程序入口地址
调用中断处理程序
请求的响应过程
处理器会检测到第一条中断放回指令
处理器会把原先被中断的程序的上下文环境从系统堆栈中恢复
处理器状态也从 管态 恢复成倍终端是的目态
整个中断处理结束
步骤
接受和响应中断
保护中断断点现场
分析中断向量
调用中断处理程序
中断处理结束恢复现场
原有程序继续执行
过程
中断的处理
PWS 中的中断屏蔽位决定这些屏蔽位标识了被屏蔽的中断类
中断屏蔽
这种处理方法 可以用软件简单的实现
禁止其他中断.
允许优先级高的中断打断优先级低的中断处理过程
中断嵌套
中断系统
对各类中断信号依据其 紧急程度 和重要性进行级别划分
固定优先数
轮转法
对于多个重要程度相同的 中断信号同时到达
多级中断 和中断优先级
库函数
应用程序接口API
相关概念
用户在程序中调用操作系统所提供的一些子功能.
概念
进程控制类系统调用
文件操作类系统调用
调用和被用进程之间传递信号和消息
进程通信类系统调用
设备管理类系统调用
信息维护类系统调用
分类 (进进问设信 静静闻色性)
又称为 扩充机器指令
系统调用命令
系统调用指令
广义指令
由硬件线路直接实现
机器指令
命令分类
函数调用
管态 或者目态
调用程序和被调用程序都运行在相同的状态
一般函数调用
运行在不同的系统状态
不允许由调用过程 转向被调用过程
状态的转换
返回问题
嵌套调用
两者区别
由陷入指令自带参数
Unix 通常采用通用寄存器来传递参数
通过有关通用寄存器来传递参数
在内存内开辟专用堆栈区来传递参数
用户程序 和 系统程序之间的参数传递
调用
2章 操作系统运行环境
是一个在时间上按严格次序前后相继的操作序列 这些操作是 机器指令 或者 高级语言编写的语句
一个具有独立功能的程序 独占处理器 直到得到 最终结果的过程 称为 程序段 顺序执行
顺序性
封闭性
程序执行结果的确定性
程序执行结果的可再现性
顺序执行
执行期间 并发程序 相互制约
程序与计算 不在 一一对应
并发程序的执行结果 不可再现
程序的并行执行 与程序 并发执行
特征
并发执行
独立性
资源共享性
特点 (随独子)
可能延长程序的执行时间
系统的效率提高程度有限
缺陷
多道程序设计
直接为用户服务
用户进程
分类(从操作系统角度)
程序是永久的
程序和进程的区别
是进程的 \"灵魂\"
进程控制块 (PCB)
是进程的 \"躯体\"
动态性
交往性
异步性
结构性
运行状态
就绪状态
分类 (就等运)
就绪---运行
运行--就绪
运行---等待
等待--就绪
3种状态模型
运行状态 Running
进程在内存 且 可立即进入运行状态
就绪状态 ready
阻塞状态 blocked
创建状态 New
结束状态 Exit
模型分类 (祖创就结运)
创建新进场
提交 Admit
调度运行 dispatch
释放 Release
超时 或 被抢占 (Time out)
事件等待 (Event Wait)
事件出现 (Event Occurs)
状态装换
针对内存进程的事件出现
阻塞到就绪
针对外存进程的事件出现
阻塞挂起 到 就绪挂起
出现的情况
事件出现
提交
状态解释
5种状态模型
创建状态
就绪挂起状态
结束(退出)状态
阻塞(等待)状态
阻塞(等待)挂起状态
模型分类 (创就运等退)
把一个进程从内存转到外存
阻塞 到 阻塞挂起
就绪 到 就绪挂起
运行 到 就绪挂起
转换
挂起
把一个进程从外存 转到 内存
就绪挂起 到 就绪
阻塞挂起 到 阻塞
激活
进程在外存 并等待某事件的出现
阻塞挂起状态
提高处理效率
为运行进程提供足够内存
有利于调试
好处
7中状态模型
状态
进程名
进程号
地址空间信息
优先级
当前状态
资源清单
家族关系
消息队列指针
进程队列指针
当前打开文件
调度信息
现场信息
内容包含
线性方式
索引方式
链接方式
组织方式
就绪队列
等待队列
运行队列
队列分类
单向链接
双向链接
队列组成方式
队首进程出队
非队首(队尾) 进程出队
队尾进程出队
位置分类
从队首入队 成为 新的队首进程
插入到队列中某连个进程之间
入队位置
进程的队列
进程控制块 PCB
创建进程
撤销进程
挂起进程
激活进程
阻塞进程
唤醒进程
改变进程优先级
进程控制原语分类 (改唤阻创挂激撤)
为子进程分配一个空闲的 proc结构(即进程描述符)
赋予子进程惟一的表示PID
以一次一页的方式复制父进程用户地址空间
UNIX 操作系统进程创建操作fork
fork函数
保持进程ID和父进程ID等
继承控制终端
exec 函数
当用户按某些终端键时
进程用kill 函数可将信号发送给另一个进程或者进程组
用户可用kill 函数将信号发送给其他进程
产生
signal 信号函数
进程调度 即 处理器调度
进度调度的任务是font color=\"#f44336\
记录系统中所有进程的 执行状况
把处理器分配给进程
正在执行的进程运行完毕
正在执行的进程由于某种错误而终止
调度的时机
该进程具较长时间的处理器集中使用 和较小频度的 I/O 等待
计算密集型 Compute-bound
IO (密集型) IO-Bound
进程的分类
抢占式
非抢占式
调度方式
font color=\"#f44336\
批处理
抢占是必须的
交互式系统
实时系统
系统分类
设计调度算法的目标取决于 环境
保持系统的所有部分尽可能的忙碌
原则
批处理进程
必须满足截止时间
先来先服务(FCFS)
性能 介于 先来先服务(FCFS) 和最短进程优先算法(SJF) 之间的 这种算法
该算法 适合 font color=\"#f44336\
Rp=1+等待时间/运行时间
响应比 Rp= (等待时间+ 预计运行时间) / 预计运行时间 = 周转时间/ 预计运行时间
在一定程度上改善了调度的公平性和调度的效率
最高响应比优先算法 HRRF
是批处理调度算法
最短进程优先算法(SJF)
最短进程优先算法的抢占式 版本
最短剩余时间优先算法 SRTN
算法最早来font color=\"#f44336\
系统响应时间
就绪进程的数目
计算机的处理能力
影响时间片因素
轮转算法 RR
进程调度 每次将处理器分配给优先级最高的就绪线程
进程的优先级 由 进程优先数决定
最高优先级算法 HPF
综合了 font color=\"#e57373\
被调度队列的设置
在同一个队列之内的调度原则
在不同队列之间的调度原则
进程优先级的调度原则
基本思想
多级反馈队列算法
算法分类
完成时间-等待时间
周转时间
计算
调度算法设计
进程
是一个可拥有资源的独立单位
基本属性
一个线程 可以创建和销毁 另一个线程
同一个进程之间的多个线程 可以并发执行
基本概念
每个线程有一个唯一的标识符 和一张font color=\"#f44336\
属性
线程切换时间少
引入的好处
传统进程 称为 重量级进程. 它相当于只有一个线程任务
线程和进程比较
这种线程font color=\"#f44336\
可以在不支持线程的操作系统上实现
用户级线程
依赖于内核
内核级线程
内核级线程的调度和切换 与进程的调度切换 十分相识
调度和切换
执行时间
两者对比
同时实现了
混合实现方式
实现方式分类
创建一个新线程
Pthread_create
结束调用的线程
Pthread_exit
等待一个特定的线程退出
Pthread_join
释放处理器来执行另一个线程
Pthread_yield
创建并初始化一个线程的属性结构
Pthread_attr_init
删除一个线程的属性结构
Pthread_attr_destory
1个标识符
n个寄存器
m属性
Pthread包
线程实现机制
线程
为了提高 font color=\"#f44336\
内核本font color=\"#f44336\
中断处理程序
进程同步和互斥
控制和通信
存储管理的基本操作
时钟管理
功能列表 (进进中font color=\"#f44336\
对内核的各种功能通过调用 执行原语 操作来实现.
功能实现
功能
系统内核
3章 进程 与 线程
在一个多道程序中同时运行的进程
进程的执行速度不能由进程自身控制
在逻辑上具有某种联系的进程
相关进程
在逻辑上没有任何联系的进程
无关进程
进程之间一种 font color=\"#f44336\
也是进程之间的一种 font color=\"#f44336\
进程互斥
临界资源
进程中访问临界资源的 程序段
临界区
有空让进
无空等待
多种择一
造成 忙等待 或 死锁
有限等待
让权等待
调度原则 (让有有无多)
相关临界区
临界
容易实现且效率高
使用方便
基本要求
硬件同步机制
用于集中式系统的 路径表达式
用于分布式系统的 远程过程调用
他们处于同一个进程
当互斥的时候
他们在不同的进程中
当同步的时候
P(S) 当S<0 font color=\"#f44336\
P(s): 标识 请求的进程 获得的资源
V(s):标识请求的进程 释放了资源
S :可以标识临界资源的的 数量
P 和V信号
增加程序的复杂性
降低通信效率
相互等待很长的时间
有可能导致死锁的发生
操作简单
信号量
同步机制
并发进程
程序易读性差
程序不利于修改 和维护
正确性难以保护
一个管程 是一个有font color=\"#f44336\
管程名称
共享数据的说明
对数据进行操作的一组过程
对共享数据赋初值的语句
保证共享资源的font color=\"#f44336\
模块化
抽象数据类型
信息隐蔽
任何时刻管程中只有一个活跃进程
管程是编程语言的组成组成部分
管程是半透明的
一个管程可以单独编译
主要特性
为了保证共享变量的font color=\"#f44336\
管程通常用来font color=\"#f44336\
特性说明
特性
wait
signal
相关操作
规定唤醒管程中最后一个可执行的进程
多个进程的处理方式
管程
操作系统只提供要共享的内存
程序员负责公共内存的 互斥关系
共享内存
一个进程可以给font color=\"#f44336\
2.font color=\"#f44336\
3.font color=\"#f44336\
4.font color=\"#f44336\
6.接收消息原语 receive(a)
操作步骤
消息缓冲通信
表明信箱的容量大小
可存信件数
已有信件数
信箱说明
信箱体
创建信箱原语
撤销信箱原语
发送信件原语
接收信件原语
信箱原语
信箱 结构
发送进程 被置为 \"等信箱\
已满
接受进程被置为 \"等信件\
无信
信箱原则
信箱通信
首先从出现在font color=\"#f44336\
通信的基础: font color=\"#f44336\
传送数据量大
通信速度较慢
管道通信
消息机制
通过共享文件通信
解决方案
不仅要保证相互制约的进程之间的正确关系
还要实现进程之间的信息交换
称为 高级通信原语
进程通信
4章 进程同步与互斥
进程使用多个资源 有先后顺序
详细原因
指系统中可供进程重复使用 长期存在的资源
永久性资源(可重复用资源)
临时性资源(消耗性资源)
都有可能 导致死锁
竞争资源
推进顺序不合理
主要原因
原因
死锁的进程 至少为两个. 并且其中至少有两个进程 已占有资源
互斥条件
产生的必要条件
预防死锁
避免死锁
不让死锁发生 (预防)
检测方法时机
为每个进程和每个资源 指定唯一编号
设置一张 font color=\"#f44336\
设置一张 font color=\"#f44336\
检测算法
选择一个牺牲进程
重新运行或 回退到某一点开始继续运行
怎样保证不发生饥饿的现象
考虑的问题
进程的优先级
有多少进程要被撤销
该进程被重新启动运行的次数
进程重新运行的因素
原理
方法
剥夺资源
进程类的外部代价
运行代价
撤销 衡量标准
简单明了
解除方法
检测与解除死锁
忽略死锁
解决死锁
系统如果处于不安全状态 则可能会发生死锁
安全状态
安全状态与安全序列
Dijkstra 等人提出的 银行家算法
死锁避免算法
为进程和每个资源指定一个唯一的编码
设置一张 进程等待分配表
死锁检测算法
死锁定理
化简法: 来检测系统是否存在死锁
资源分配图 (有向表)
算法
5章 死锁
存储器是计算机系统 处理器 处理的信息的 来源 与font color=\"#f44336\
对内存的速度要求是 尽量与处理器的存储速度相匹配 能装下当前运行的程序与数据
存储概念
高速缓存(cache)
系统区
用户区
内存管理方法
内存分配和释放算法
虚拟存储器的管理
控制内存和外存之间的数据流动方法
地址变换技术
内存数据保护与共享技术等
管理的问题
操作系统自动装入用户程序
用户程序中不考虑硬件细节
尽可能方便用户使用.
系统能够解决程序空间比实际内存大的问题
内存存取速度快
存储保护与安全
共享与通信
及时了解有关资源的使用状况
实现的 性能和代价合理
用户对内存管理的要求
记住每个存储器区域的状态
实施分配
回收
位示图表示法
空闲页面表
空闲块表
内存分配表
静态分配
具有较大的灵活性
有利用 提高内存 利用率
动态分配
分配方式
由存储单元组成的一堆连续的地址空间
内存空间
要求代码必须是纯代码
代码共享
实现进程间的通信
数据共享
存储共享
地址越界保护
权限保护
保护类型
保护系统程序区域不被用户有意无意的侵犯
不允许用户程序读写不属于自己地址空间的数据
主要内容是
通常需要有font color=\"#f44336\
扩容
存储管理任务
内存 (主存)
本地外存(磁盘)
远程存储(云存储)
存储体系
存储器能直接访问
内存存储器
处理器通过 相应的输入/输出设备 才能使用 外存和内存交换信息
外存储器
存储器的分类
由 绝对地址 对应的内存空间 称为 物理地址空间
用户程序中使用
由 逻辑地址 对应的存储空间称为 逻辑地址空间
地址分类
将逻辑地址 转换成绝对地址的 工作 称为 地址重定位 或者 font color=\"#f44336\
采用 静态重定位的 不支持 程序浮动
静态重定位
采用动态重定位的 系统 支持 程序浮动
动态重定位
地址重定位
地址转换
能满足多道程序运行的最简单的存储管理方案
目的
把内存划分成若干个font color=\"#f44336\
序号
分区大小
分区起始地址
占用 空闲
使用状态
内存分区表
固定分区
灵活性强
较固定分区 能获得较高的 内存利用率
集中分散的空闲区
提供内存的 利用率
便于进程动态扩充内存
增加系统的开销
尽量减少需要移动的进程数 和信息量
移动是有条件的
紧缩技术 (压缩技术)
用来存储程序所占分区的长途
限长寄存器
用来存储程序所占分区的起始地址
基址寄存器
硬件外部支持
已分配区表
顺序分配算法
最先适应算法
最优适应算法
可以避免形成碎片
最坏适应算法
分配策略
空闲区表
如何实现
3.应合并成一个空闲区
4.登记
分区回收
可变分区
分区方案
上界寄存器
下界寄存器
1.设置界限寄存器
2. 保护键方法
分区保护
算法比较简单
实现起来容易
内存额外开销较小
存储保护措施也很简单
浪费了处理器的时间
不能为用户提供 \"虚存\
内存中可能包含一些实际不使用的信息
分区管理
主要用早早期的系统中
采用简单的扩充内存技术
主要用在系统程序的内存管理
打破了需要将一个程序全部信息装入内存后程序才能运行的限制
OverLay
覆盖技术可由font color=\"#f44336\
覆盖技术font color=\"#e57373\
覆盖发生在同一进程或程序内部
用于系统程序的内存管理上
覆盖技术
主要用于小型分时系统
又称为font color=\"#f44336\
Swapping
交换技术 是虚拟技术基础
打破 一个程序一旦进入内存便一直运行到结束的限制
换出进程的选择
交换时间的确定
交换空间的分配
换入进程换回内存时的位置的确定
使用的时候需要考虑的问题
影响对用户的响应时间
减少交换的信息 是交换技术的关键问题
交换技术
控制交换的方式不同
覆盖技术发生在统一进程和程序内部
交换程序发生在不同进程和不同程序之间
主要区别
扩充内存方法
将 虚拟存储技术和font color=\"#f44336\
系统有容量足够大的外存
系统有一定容量的内存
硬件支持
虚拟存储技术
是一种有效的管理方式
物理页面 是进行内存空间分配的物理单元
支持页式存储管理的硬件部件通常为 \"存储管理部件\" MMU
虚拟页号
页内地址
虚页地址
支持的硬件
已分配
未分配
剩余空闲物理页面数
标志
位示图
标识方法
查看空闲物理页面数 是否满足程序要求
从空闲的页面数中减去 本次分配的页面数
物理页面号= 字号* 字长 +位号
按照找到的位 计算出 对应的物理页面号
分配步骤
根据归还的物理页面号 计算出物理页面对应 位示图对应的位置
将占用标志修改成0
字号= i/ 字长
位号= i mod 字长
再把回收的物理页面数加入到 空闲物理页面数中
内存的回收
用于保存正在运行进程的页表在内存的首地址
页表始址寄存器
用于保存正在运行的程序的页表的长度
页表长度寄存器
标志出 程序虚拟地址中的页号 与 所占用的 物理页号 之间的对应关系
物理地址= 物理页面号* 块长+页内地址
物理页面号 称为 页帧 和 页框号
物理地址计算公式
保存 页表页的地址
第一级 页目录
保存物理页面号
第二级 页表页
大多数操作系统采用 二级页表
多级页表
所映射的页框号
指向链表中下一个元素的指针
散列页表
需要在反置页表中存放 地址空间标识符
反置页表
页表
页面在物理内存中 对应的物理页面号
物理页面号
有效位
表示该页在内存期间是否被访问过
访问位
表示该页在内存中是否被修改过
修改位
是否能读写
保护位
设计如下
页表项
第一次 按页号读出页表中对应的块号
第二次 按计算出来的绝对地址进行读写
方法一 在地址映射机制中 增加一组 高速寄存器保存页表
方法二 在地址映射机制中 增加一个font color=\"#f44336\
为了提高执行速度
转换检测缓冲区 TLB
处理
缺页异常处理
只调入发生缺页时所需的页面
实现简单
请求调页
预调页
调入策略
置页策略
全局置换
局部置换
置换策略
缺页率高引起的
分配个一个进程的内存物理页面数太少
统计工作集大小一般由硬件完成，系统开销较大。
工作集模型
解决
颠簸
出现的问题
固定分配局部置换
可变分配全局置换
可变分配局部置换
与分配策略组合
调度策略
理想页面置换算法 (OPT)
先进先出算法 FIFO
第二次机会页面置换算法
时钟页面置换算法 Clock
最近最少使用页面置换算法 LRU
页面置换算法
F 次访问的 页面 未被调入内存
A 程序执行页面访问的总次数
f=F/A
分配给程序的物理页面数M
页面的大小
程序编制方法
页面调度算法
影响的因素
缺页率
虚拟页式存储地址转换过程
页表控制寄存器
高速缓冲存储器的支持
页式存储管理的地址转换
有效解决了碎片问题
提高了内存利用率
利于组织多道程序执行
存在页面空间的浪费问题
虚拟页式存储管理方案
存储管理器的任务
6 章 存储
文件的长度
有文的建立在和使用者解释
文件内容的意义
文件名
是font color=\"#f44336\
信息项
文件项
读写指针
文件
存储
更新
检索
共享
建立文件
读写文件
修改文件
复制文件
撤销文件
按名存取
存储控制
从用户角度看文件系统
向用户提供一个方便使用的接口
系统维护和向用户提供有关信息
保持文件系统的执行效率
提供与IO统一接口
容量大
断点后任何保存信息
速度较慢
成本较低
驱动部分
存储介质
闪存
Flash盘
U盘
存储实体 可以同驱动器分离
移动存储实体
存储容量大
存取速度慢
或不同操作系统之间传递信息的一种介质
柱面号
柱面
磁道
扇区号
扇区
磁盘空间 组成
软盘驱动器
软盘片
软盘
应尽可能的减少这个时间
磁头在移动臂带动下移动指定柱面所花的时间;
寻找时间
旋转调度
指定扇区旋转到磁头下需要的时间
延迟时间
由磁头进行读写完成信息传送的时间
传送时间
时间
先来先服务算法
最短寻找时间算法
简单实用高效
电梯调度算法
总是从0号柱面向里道扫描
单向扫描算法
调度算法
移动臂
存储容量 ＝ 磁头数 × 磁道(柱面)数 × 每道扇区数 × 每扇区字节数图3中磁盘是一个 3个圆盘6个磁头，7个柱面（每个盘片7个磁道） 的磁盘，图3中每条磁道有12个扇区，所以此磁盘的容量为：存储容量 6 * 7 * 12 * 512 = 258048
容量计算
在激光的作用 特性发生变化的一些材料所制成的非磁记录介质
速度快
价格便宜
只读式
不易丢失存储器的一种
可擦除
可随机存储
寿命和可靠性高
读写速度比磁盘块且方便
在擦除和重新编程时不需要额外的电源
以尽可能小的代价完成上面要求
要求
存储方式
按从前往后的次序依次访问文件的各项信息项
顺序存取
UNIX系统采用了 顺序存取和 随机存取两种方法
MS-DOS 系统也采用了顺序存取 和 随机存取
称为：\"直接存取\"
随机存取
存取方式
外存设备
文件存储介质和设备
系统文件
库函数文件
用户文件
用途
内部无结构的一串平滑的字符组成的文件
普通文件
用来检索文件
由文件目录项所构成的文件
目录文件
IO设备也是一种文件
特殊文件
组织形式
只读文件
可执行文件
无保护文件
保护方式
输出文件
输入文件
输入输出文件
信息流向分类
临时文件
永久文件
档案文件
存放的时限
磁盘文件
磁带文件
卡片文件
打印文件
介质类型
文件分类
一个文件允许多个用户同时使用
节省文件所占用的存储空间
免除系统复制文件的工作
减少用户大量重复性劳动
减少实际输入输出文件的次数
利用文件共享可以实现 进程间的相互通信
文件可以同时使用
任何时刻只允许一个用户使用共享文件
文件不允许同时使用
使用方式
由存储权限控制
但是分别用自己的读写指针
文件被多个程序使用
但共享读写指针
共享的三种形式
文件共享
建立副本
定时转储
采用树形目录结构
存储控制表
审定用户的存储权限
比较用户权限的本次存储要去是否和用户的存储权限一致
验证的步骤
规定文件的存取权限
存储控制验证模块
配套模块
概念比较简单
实现容易
占用太多内存
花费时间开销
存储控制矩阵
第一级
进行对操作权限的识别
第二级
二级存储控制
unix的文件传使用权限管理方案
文件存储
隐藏文件目录
设置口令
使用密码
病毒防范
文件保护
7章节 文件系统
输入输出设备 也称 外部设备 外设
包括 除 CPU 和内存外的 所有设备和装置
广义IO设备
不包括 外存设备
狭义的IO设备
物理设备
电子部件
IO硬件组成
缓冲技术(font color=\"#f44336\
操作系统主要通过
解决 IO 设备 同 CPU 性能不匹配
操作系统通过
对设备拥有者来说
用户对IO设备的使用必须是安全的
输入设备
输出设备
特点:用户命令信息通过各种输入设备进入计算机系统，系统同步地在显示器上显示用户的命令信息以及执行命令后所得到的处理结果
交互式设备
存储设备
使用特性
可写入性
可读出性
可保存性
存储设备特性
键盘、终端、打印机
字符设备
块设备
信息组织方式
在一个程序(作业、用户)的整个运行期间都必须由单个程序(作业、用户)独占直至该程序(作业)完成的设备;
低效率的，有可能造成死锁。
设备类表
设备表
使用 分配表
分配 和释放
让独占性设备 变为 共享设备
预输入
输入程序模块
缓输出
输出程序模块
作业调度程序
输出SPOOLing
输入SPOOLing
提高设备利用率
缩短用户程序执行时间
虚拟设备技术 (SPOOLing) 假脱机技术
独占设备
广义的设备共享
狭义的共享设备
能够同时让许多程序(作业、用户)使用的设备
共享设备
在一类设备上模拟另一类设备，被模拟的设备称为虚拟设备
用高速设备模拟低速设备
虚拟设备
引入虚拟设备的目的是为了 提高设备利用率
申请设备
IO 传输
启动设备
释放设备
共享使用方法
可共享性
用户进程直接控制处理器或者内存和外围设备之间进行信息传送方式
硬件结构比较简单
处理器效率低
忙-等 方式
轮询方式
循环测试方式
别称
程序直接控制方式
PIO
由硬件执行IO数据交换的工作方式
直接存储器访问技术: 通过系统总线的一个独立控制单元自动的控制成块数据的在内存和IO单元之间传送
高速传输成组的数据
处理器和外设并行效率高
硬件控制方式
由IO指令对DMAC进行初始化和启动
传送前预处理
有DMAC控制总线进行数据传送
数据传送
传送后处理
数据块 传送过程
DMA
通道利用率低
选择通道
是对选择通道的一种改进
控制复杂
数组多路通道
字节多路通道
通道控制方式
信息交互方式
设备利用率低
子主题
系统设备表
设备控制表
控制器控制表
通道控制表
采用4张表
分配算法
设备分配方式
具备寄存外设中断请求的能力
具备可屏蔽本级中断请求的能力
具备的功能
unix 中将所有的IO设备都当做 文件对象来管理
和文件管理的关系
8章节 I/O设备管理
FCFS
进程调度算法计算(周转时间)
最短进程有限算法SJF
最高响应比HRRF
3章
PV 操作互斥填空
PV 操作执行结果
PV 读-写者问题
多个生产者-消费者问题
简单生产者消费者问题
4章
资源分配表 (有向图)
5章
缺页次数 和缺页率 计算
6章
总结
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