操作系统原理知识知识点复习-梁光祥.pdf

1/16目录目录第一章 操作系统概论.21.1操作系统概念.21.2操纵系统的主要功能.21.3操作系统的基本特征.31.4操作系统的逻辑结构和运行模型.31.5操作系统的形成与发展.31.6操作系统主要类型.3第二章 进程管理.42.1进程概念.4.42.2进程控制.52.3进程互斥与同步.52.4进程通信.52.5.线程.5第三章 处理器调度与死锁.63.1处理器调度.63.2死锁.7第四章 存储管理.84.1程序的链接和装入.84.2分区式存储管理.84.3分页式存储管理.84.4分段式存储管理.94.5段页式存储管理.94.6虚拟存储管理.10第五章 设备管理.115.1输入输出系统.115.2输入输出控制方式.115.3缓冲技术.145.4分配策略：.145.5输入输出软件.145.6虚拟设备.145.7磁盘存储管理.14第六章 文件管理.156.1概述.156.2 文件数据的组织和存储.156.3文件目录.156.4文件储存空间管理.16 2/16第一章第一章 操作系统概论操作系统概论1.1 操作系统概念操作系统概念1.配备操作系统的目的1)方便人们使用计算机2)有效管理计算机2.操作系统的目标1)有效地管理计算机的硬件和软件资源2)提高系统效率3)具有可扩充性4)具有开放性5)具有可靠性6)具有可移植性1.2 操纵系统的主要功能操纵系统的主要功能1.处理器管理功能1)进程控制2)进程同步3)进程通信4)调度2.存储管理功能1)内存的分配与回收2)内存保护3)地址映射4)内存扩充5)内存共享3.设备管理功能1)缓冲管理2)设备分配与回收3)设备驱动4)实现设备独立性5)实现虚拟设备4.文件管理功能1)文件的存储空间管理2)目录管理3)文件的读写管理4)文件保护5.网络功能1)网络资源管理2)网络通信管理 3/163)网络管理6.用户接口1)命令接口2)程序接口3)图形接口1.3 操作系统的基本特征操作系统的基本特征1.并发2.共享3.异步4.虚拟1.4 操作系统的逻辑结构和运行模型操作系统的逻辑结构和运行模型1.操作系统的逻辑结构1)单核结构a)整体模块结构b)分层结构2)微内核结构2.操作系统的运行模型1)独立运行的内核模型2)嵌入进程中的执行模型3)作为独立进程运行模型1.5 操作系统的形成与发展操作系统的形成与发展1.人工阶段从计算机产生到 20 世纪 50 年代中期机器属于第一代计算机。2.监控程序阶段20 世纪 50 年代中期出现了监控程序干预下的单批道处理系统。3.操作系统成熟时期20 世纪 60 年代，随着通道技术和中断技术的实现，多道程序设计技术成为现实。4.操作系统的进一步发展20 世纪 80 年代后期，随着微机技术的迅速发展，大规模及超大规模的集成电路技术得到广泛应用。1.6 操作系统主要类型操作系统主要类型1.批处理操作系统2.分时操作系统3.实时操作系统 4/164.微机操作系统5.网络操作系统6.多处理器操作系统7.分布式操作系统8.嵌入式操作系统第二章第二章 进程管理进程管理2.1进程概念进程概念1.进程映像的组成1)进程控制块（PCB）2)进程执行程序（code）3)进程执行所需数据（data）4)进程工作区2.进程的基本特征1)动态性2)并发性3)独立性4)异步性5)共享性3.进程与程序的区别1)进程是实体的一次执行过程，是动态的，程序是有序代码，是静态的；2)进程能够并发执行，程序只能顺序执行；3)进程有生命周期，在计算机运期间才有可能存在，而程序可以永久在外存；4)进程有程序，数据及相关控制块组成，程序只是进程执行中的一段代码；5)程序与进程之间不是一一对应的；4.进程控制块进程存在的唯一标志；5.进程状态及转换时间片用完 事件发生调度等待事件就绪状态阻塞状态运行状态 5/162.2进程控制进程控制1.进程创建1)申请一个空闲的 PCB，为之分配一个唯一的标识符2)新进程分配内存资源，3)分配其他的资源4)初始化 PCB5)将进程插入就绪队列2.阻塞原语和唤醒原语的作用正好相反。2.3进程互斥与同步进程互斥与同步1.进程访问临界区应遵守的原则：1)空则让进2)忙则等待3)有限等待4)让权等待2.开关中断指令又称硬件锁3.实现进程互斥与同步的方法1)硬件法2)软件方法3)信号量机制4.管程的组成：1)管程内部的数据结构2)对数据结构操作的一组过程3)对共享数据结构的初始化2.4进程通信进程通信1.信箱通信的同步规则1）如法的信箱已满，则发送进程转变成等待信箱状态，直到有空格时才唤醒；2）如信箱中没有信件，则接受进程转成等待信件状态，直到有信件时才唤醒。2.管道通信的基础是文件系统2.5.线程线程1.引入线程后，线程与进程的工作分配线程：能够并发执行的实体，能够被系统独立调度与分派的基本单位进程：资源分配的实体2.线程分类1)用户级线程 6/162)内核支持线程3)混合式线程3.线程有点1)用户级线程的切换速度高于支持内核线程的切换速度2)用户级线程可以在任何操纵系统上运行3)线程调度灵活第三章第三章 处理器调度与死锁处理器调度与死锁3.1处理器调度处理器调度1.定义按一定的规则分配处理器批处理作业：需要高级和低级调度中断作业：低级调度3.作业用户交给计算机所做的工作。由程序，数据和作业说明组成。交换式作业又称终端作业或连击作业批处理作业又称脱机作业4.选择调度算法的评判指标（1）CPU 的利用率（2）系统吞吐量（3）各类资源的平衡利用（4）周转时间（5）响应时间（6）截止时间（7）优先权原则（8）公平原则5.调度算法（1）先来先服务算法调用后背队列中最先进入队列的一个或多个作业。属于非剥夺式调度。特点：利于长作业，不利于短作业。简单易实现。效率低。只顾等待时间，不过执行时间。（2）短作业/短进程优先调度算法调用运行时间短的作业，属于非剥夺式调度。特点：降低平均等待时间，提过系统吞吐量。对长作业不利。（3）最高优先权调度算法调度优先权高的作业，分为：非抢占式：被调进程一直运行，直到结束或等待事件发生才主动放弃 CPU。抢占式：运行中的进程将 CPU 的使用权让给优先权高的（4）最高响应比算法系统响应时间作业等待时间+作业要求时间 7/16R=作业要求运行时间 作业要求时间属于非剥夺式调度。（5）时间片轮转调度算法进程在规定的时间内没有结束，系统将产生一个中断。属于剥夺式算法（6）最短剩余时间优先调度算法短进程优先调度算法改造得到的剥夺式算法。（7）多级反馈队列调度算法（1）设置多个不同优先权队列，从上往下队列优先权依次降低。各队列时间片不等。优先权越高，时间片越短。同一级进程，执行时间相同。（2）新进程进入队列时，首先排在第一个就绪队列队尾，按照先来先服务原则等待调度。调度中，按时间片轮转调度算法执行。（3）仅当第一个就绪队列空闲时，才调用第二个就绪队列中进程执行。依次类推。（4）执行中，按最高优先权剥夺式调度算法执行。6.实时调度任务的空闲时间=任务的截止时间-任务剩余执行时间-当前时间7.进程切换处理器模式切换：（1）保存中断进程的处理器现场（2）将处理器由用户态转向和心态（3）根据中断级别设置中断屏蔽位（4）根据系统调用号或中断号，调用相关处理程序。进程切换模式：（1）保存 CPU 现场（2）修改 PCB（3）给 PCU 挑选新进程（4）修改新进程 PCB 设置新进程地址空间，恢复存储管理信息（5）根据新进程 PCB 中保存的 CPU 环境，恢复 CPU 现场，执行新进程。3.2死锁死锁8.死锁产生的必要条件（1）互斥条件（2）请求和保持条件（3）不剥夺条件（4）循环等待条件9.处理死锁的基本方法预防：破坏 4 个必要条件避免：分配资源前，进行安全性检查。检测：根据资源分配图进行检测。解除：8/16第四章第四章 存储管理存储管理4.1程序的链接和装入程序的链接和装入1.程序运行需经过的阶段编译、链接和装入2.物理地址和逻辑地址 逻辑地址空间：一个目标模块（程序）或装入模块（程序）的所有逻辑地址空间结合称为逻辑地址空间或相对地址空间4.将程序中的逻辑地址转换成机器能够直接寻址的物理地址，这种转换称为地址映射、地址变换、重定位。4.2分区式存储管理分区式存储管理（1）单一连续存储管理原理：内存空间分为系统区和用户区两部分，用户程序有装入程序从地地址开始装入，且一次只能装入一个程序。（2）固定分区存储管理原理：在单一连续存储管理基础上，将用户区划分成若干个固定大小的区域，系统允许同时装入多道程序进入内存使他们能够并行执行。（3）可变分区存储管理1)原理：程序装入前不建立分区，而是在程序运行时很据内存空间的需要而动态建立。2)分配算法a)最先适应算法：有低地址找到能够满足程序要求的空闲分区。b)最佳适应算法：按空虚分区的长度从小到大组织空虚分区，然后从小的开始寻找能够满足程序要求的空虚分区。c)最差适应算法：将内存中最大的分区分配给请求装入的程序。3)回收4)覆盖于交换技术覆盖技术：程序内部的内存扩充技术除了跟程序外，其余的所有程序有属于可覆盖程序。交换技术：程序间的内存扩充技术一般情况下，人们所说的交换是指进程交换。4.3分页式存储管理分页式存储管理采用离散分配内存的方式，基本单位时页面。1)原理一个进程的逻辑地址空间分为若干个大小相等的区域，称为页。并对进程的所有页面从 0 开始进行编号物理地址空间也按同样的方法换分与页面长度相同的区域内存地址的所有页框也从 0 依次进行编号 9/162)页内碎片由于最后一页往往不能装满物理块，于是会有一定的内存空间浪费现象，我们称为页内碎片。3)逻辑地址结构31 12 11 0 由图可知：每个页面大小是 212=4K 地址空间最多允许有 220=1M 个页面 逻辑地址=页号 X 页长+页内地址4)地址变换a)地址变换机构自动将一维逻辑地址划分成页号和页内地址b)将页号和页表寄存器中的页长进行比较若页号大于页表长度，系统产生中断否则继续根据页表寄存器中页表在内存中的起始地址c)在找到的页表中找到对应的物理块号，从而形成物理地址。5)快表一般允许存放 321024 个页表项6)两级页表对一个大页表进行分页，分的的各个页面称为页表页面或页表分页每个越帮越忙在外层表中有一个外层页表项，用来记录页表页面在内存中所存放的物理块的块号。31 22 21 12 11 04.4分段式存储管理分段式存储管理1)实现原理将程序的逻辑地址划分才若干个子程序，每个子程序为一个段，每个段从 0 开始编址，一段为单位将程序存放于不相邻的内存空间。2)二位逻辑地址 31 24 23 0每个段的长度：224=16M 一个作业最得多允许 28=256 个段3)段表4.5段页式存储管理段页式存储管理页号页内地址页号页内地址页号页号页号段号段长基址 10/161)原理将程序的逻辑地址分成若干个段，每个段分成若干个页。2)逻辑地址结构 31 24 23 12 11 04.6虚拟存储管理虚拟存储管理1.虚拟存储管理的基本特征1)离散性2）多次行3）部分装入4）逻辑扩充5)交换性2.虚拟存储器的大小由内存和外存容量之和决定。3.请求分页虚拟存储管理在分也是存储管理的基础上，增加了支持虚拟存器而形成的一种存储管理方式。1)页表结构2)分页式存储管理和请求分页式虚拟存储管理的区别i.页表机制不同ii.请求分页虚拟存储管理是在分也是存储管理的基础上，增加了支持虚拟存器而形成的一种存储管理方式iii.地址变换机构不同3)缺页中断结构与中断的异同相同点：有 CPU 保护现场环境、分析中断原因、转中断处理和 CPU 恢复现场等几个过程不同点：在却也中断结构中中断的产生和处理时在指令执行期间程序运行过程中，一条指令执行期间可能会产生多次中断。4)页面置换算法A.最佳置换算法淘汰将来再也不访问或长时间不访问的页面；B.先进先出置换算法选择驻留主存时间最长的页面进行置换C.最近未使用置换算法淘汰最近未使用的页面具体分为：i.最不经常使用页面被访问时，计数器加 1，淘汰页面时，选择计数器里面值最小的那个ii.最近没有使用页面别访问时，访问位加 1，系统在规定的时间将所有的访问位重新置 0，淘段号段内地址页内地址页号中断位物理块号号址外存地址访问位修改位址 11/16汰时，从当前访问位为 0 的页面内随即选择一个iii.Clock 算法当页面被访问时，计数器加 1淘汰时，从当前位置开始循环扫描队列，若页面的访问位位 1，则将它重新置 0，在检查下一个，若访问位为 0，则它就是将被淘汰的那个页面第五章第五章 设备管理设备管理5.1输入输出系统输入输出系统1.计算机的分类（1）按信息传输速度低速设备、中速设备和高速设备（2）按信息交换单位字符设备和块设备（3）按设备属性独占设备：一段时间内只允许一个用户（进程）访问设备共享设备：一段时间内有许多个用户（进程）访问设备虚拟设备：通过虚拟技术（如：spooling 技术）将一台独占设备改成若干台逻辑共享设备，提供给多个用户（进程）同时使用。（4）按使用特效分类存储设备：若磁盘等输入输出设备：键盘，显示器等3.设备控制器位于输入输出设备和 CPU 之间的电子设备，主要职责是负责控制一个或多个 I/O 设备，实现计设备与计算机存储器之间数据交换。分为两种：（1）控制字符的设备控制器（2）控制块的设备控制器5.通道（又称 I/O 控制器）功能：减少 CPU 对输入输出的干预。一般通道没有自己的内存，通道程序存入到主机内存中，既通道与 CPU 共存。在通道输入输出控制下，CPU 向通道发出一条 I/O 指令后，转向其他运算，输入输出则在通道控制下进行。6.通道类型（1）字节多通道（2）数组选择通道：以块为单位传输信息（3）数组多通道：前两种的结合。5.2输入输出控制方式输入输出控制方式1程序直接控制输入输出早起的计算机不存在中断机构，CPU 对 I/O 设备的控制只能由程序直接控制2.中断输入输出控制方式 12/16否是未完完毕向设备控制器发送读指令收到中断信号执行还原进程或调度其他进程把设备控制器的数据写到内存数据传送完毕？13/163.DMA 输入输出控制方式优点：（1）以块为单位进行信息传输（2）CPU 不介入数据传输（3）开始和结束时 CPU 才干预步骤如下：CPU设备否是否是向 DMA 控制器发出 I/O 命令收到中断信号执行原进程或调度新进程转中断处理DMA 控制器接收 I/O 命令设置寄存器初值启动 DMA 传送命令命令设备与内存之间传送字节或字内存地址寄存器内容加 1数据计数器内容减 1数据计数器=0？发中断信号 14/164.通道输入输出控制方式实现 CPU、通道和设备之间的并行操作。步骤：（1）进程提出 I/O 请求，CPU 给通道发启动命令并传递相应的参数后转向其他的进程（2）通道收到命令，调用通道执行程序，于是设备、通道和 CPU 并行工作（3）通道逐条执行通道程序中的通道命令（4）数据传输后，通道向 CPU 发出中断请求。（5）CPU 响应中断请求，进行响应的处理。5.3缓冲技术缓冲技术1.目的缓和 CPU 和设备间速度不匹配问题，提高他们的并行性。2.几种缓冲区类型（1）单双缓冲（2）循环缓冲（3）缓冲池3.设备分配5.4分配策略：分配策略：5.5输入输出软件输入输出软件用户使用外部设备的过程中，与输入输出操作有观点操作的软件集合。1.设备无关软件独立于设备的软件2.设备驱动程序通道程序由设备驱动程序构成5.6虚拟设备虚拟设备利用磁盘和软件技术来模拟独占设备工作，从而是每个用户进程都觉得获得了全部的 I/O设备，虚拟设备技术常采用 SPOOLing 技术。5.7磁盘存储管理磁盘存储管理1.磁盘访问时间的构成（1）寻道时间（占主要的）15/16（2）旋转延迟时间（即将欲访问的扇区旋转到磁头下所需时间）（3）数据传输时间2.磁盘调度（1）先来先服务算法（2）最短寻道时间优先算法 根据请求进程要访问的磁盘离当前磁头的距离的远近来决定调用顺序（4）扫描算法又称电梯调度算法。思想：有访问时，磁头来回扫描，每次选择磁头移动方向上离当前磁头位置最近的访问进行处理。又很短的平均寻道长度（5）循环扫描调度算法单向扫描若磁头自里向外，每次访问位于磁头位置或者外侧离磁头位置最近的访问进行处理磁头自外向里同理（6）分布扫描调度算法多个队列队列内按先来先服务算法，队列间按扫描调度算法（7）FCNA 调度算法第六章第六章 文件管理文件管理6.1概述概述1.目标文件属于二进制文件 目录文件属于检索文件6.2 文件数据的组织和存储文件数据的组织和存储1.文件的逻辑结构（1）流式文件：无结构文件，由字符流组成。（2）记录文件：有结构文件2.文件的物理结构（1）连续结构（2）链式结构（3）索引结构 优点：支持直接访问 缺点：外存空间浪费很大。（4）散列结构具有散列结构的文件称为直接文件、散列文件或哈希文件。6.3文件目录文件目录数据结构，有若干文件名、物理地址以及其他属性按照一定的方式组织到一起，用于实现 16/16文件检索等目的。1.FCB（文件控制块）该文件的唯一标识2.目录结构文件目录的组织形式。6.4文件储存空间管理文件储存空间管理连续分配方式具有较高的访问速度，但容易产生碎片离散发布的相反常用的文件储存管理方法1.空闲区表法分配连续外存空间的方法，常用与建立连续文件。2.空闲块链表法磁盘上当前的所有空闲块通过指针连成一个链表空间盘块是指磁盘上当前所有空虚空间，以块为单位连成一个链表空闲盘区链磁盘上当前所有的空闲空间，以空间盘区为单位连成一个链表3.位示图法一个二进制位对应一个盘块1 表示已分配，0 表示空闲建立 mXn 个盘块数位示图法分配磁盘的方法：（1）顺序扫描，根据需要找出一个或者一组二进制位 0 的二进制位（2）找到后换算成对应的盘块号盘块号 b=nx(i-1)+j其中，n 代表位示图的列数（3）修改位示图，令 Mapij=1回收一个盘块时：（1）将盘号 b 转换成对应的二进制位的行号 i 和列号 j：i=(b-1)DIVn+1j=(b-1)MODn+1（2）令 Mapij=0