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高等教育自学考试 操作系统原理 复习资料整理 操作系统（operatingsystem，OS）是计算机系统中必不可少的系统软件。它是计算机系统中各种资源的管理者和各种活动的组织者、指挥者。它使整个计算机系统协调一致且有效地工作。通过本课程的学习，我们将知道操作系统要做什么、怎么做和为什么要这样做。学习操作系统，首先我们应该知道操作系统的概念。本章主要讲述了以下几个问题。一、什么是操作系统二、操作系统的形成三、操作系统的类型四、操作系统的功能一、什么是操作系统在回答这个问题之前，我们先来了解一下什么是计算机系统。计算机系统是按用户的要求接收和存储信息、自动进行数据处理并输出结果信息的系统。计算机系统由硬件系统和软件系统组成。软硬件系统的组成部分就是计算机系统的资源，当不同的用户使用计算机时都要占用系统资源并且有不同的控制需求。操作系统就是计算机系统的一种系统软件，由它统一管理计算机系统的资源和控制程序的执行。操作系统的设计目标一是使计算机系统使用方便。二是使得计算机系统能高效地工作。二、操作系统的形成早期没有操作系统原始汇编系统管理程序操作系统可以看到，操作系统是随着计算机硬件的发展和应用需求的推动而形成的。三、操作系统的类型按照操作系统提供的服务，大致可以把操作系统分为以下几类：批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、网络操作系统和分布式操作系统。其中批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统是基本的操作系统（加亮） 1、批处理操作系统按照用户预先规定好的步骤控制作业的执行，实现计算机操作的自动化。又可分为批处理单道系统和批处理多道系统。单道系统每次只有一个 作业装入计算机系统的主存储器运行，多个作业可自动、顺序地被装入运行。批处理多道系统则允许多个作业同时装入主存储器，中央处理器轮流地执行各个作业， 各个作业可以同时使用各自所需的外围设备，这样可以充分利用计算机系统的资源，缩短作业时间，提高系统的吞吐率。2、分时操作系统，这种系统中，一个计算机系统与许多终端设备连接，分时系统支持多个终端用户，同时以交互方式使用计算机系统，为用户在测试、修改和控制程序执行方面提供了灵活性。分时系统的主要特点是同时性、独立性、及时性和交互性。3、实时操作系统能使计算机系统接收到外部信号后及时进行处理，并在严格的规定时间内完成处理，且给出反馈信号。它是较少有人为干预的监督和控制系统。实时系统对可靠性和安全性要求极高，不强求系统资源的利用率。4、网络操作系统可以把若干计算机联合起来，实现各台计算机之间的通信及网络中各种资源的共享，像我们现在使用的Windows，UNIX和Linux等操作系统都是网络操作系统。 5、分布式操作系统的网络中各台计算机没有主次之分，在任意两台计算机间的可进行信息交换和资源共享。这一点上分布式操作系统和网络操作系统差别不大， 他们的本质区别在于：分布式操作系统能使系统中若干计算机相互协作完成一个共同的任务。这使得各台计算机组成一个完整的，功能强大的计算机系统。四、操作系统的功能从资源管理的观点出发，操作系统功能可分为五大部分：处理器管理、存储管理、文件管理、设备管理和作业管理。本章考核知识点：1.多道程序设计2.进程3.进程状态4.进程控制块5.进程队列6.可再入程序7.中断及中断响应8.中断优先级9.进程调度自 学要求：通过本章学习应该掌握多道程序设计是如何提高计算机系统效率的；进程与程序有什么区别；进程的基本状态以及状态变化；进程队列及进程调度策略；中 断的作用。重点是：多道程序设计；进程的定义和属性；进程调度策略。一、多道程序设计（领会）1、什么是多道程序设计。让多个计算问题同时装入一个计算机系统的主存储器并行执行，这种设计技术称“多道程序设计”，这种计算机系统称“多道程序设计系统”或简称“多道系统”。 存储保护：在多道程序设计的系统中，主存储器中同时存放了多个作业的程序。为避免相互干扰，必须提供必要的手段使得在主存储器中的各道程序只能访问自己 的区域。这样，每道程序执行时，都不会破坏其他各道的程序和数据。特别是当某道程序发生错误的时，也不至于影响其它的程序。程序浮动：在多道程序设计系统中，对程序有一些特殊要求，也就是说，程序可以随机地从主存的一个区域移动到另一个区域，程序被移动后仍丝毫不影响它的执行，这种技术称为“程序浮动”。在多道程序设计的系统中，有三点基本要求：用“存储保护”的方法保证各道程序互不侵犯；用“程序浮动”技术让程序能灵活地改变存放区域且能正确执行；必须对资源按一定的策略分配和调度。2、多道程序设计利用了系统与外围设备的并行工作能力，从而提高工作效率。具体表现为：提高了处理器的利用率；充分利用外围设备资源：计算机系统配置多种外围设备，采用多道程序设计并行工作时，可以将使用不同设备的程序搭配在一起同时装入主存储器，使得系统中各外围设备经常处于忙碌状态，系统资源被充分利用；发挥了处理器与外围设备以及外围设备之间的并行工作能力；从总体上说，采用多道程序设计技术后，可以有效地提高系统中资源的利用率，增加单位时间内的算题量，从而提高了吞吐率。3、多道程序设计对算题量和算题时间的影响。采用多道程序设计能改变系统资源的使用情况，提高系统效率。但是应注意以下两个问题：可能延长程序的执行时间；并行工作道数与系统效率不成正比。从表面上看，增加并行工作道数就可提高系统效率，但实际上并行工作道数与系统效率是不成正比，因为并行的道数要根据系统配置的资源和用户对资源的要求而定：（1）主存储器的大小限制了可同时装入的程序数量；（2）外围设备的数量也是一个制约条件；（3）多个程序同时要求使用同一资源的情况也会经常发生。总之，多道程序设计能提高系统资源的使用效率，增加单位时间的算题量；但是对每个计算问题来说，从算题开始到全部完成所需要的时间可能延长，另外在确定并行工作道数时应综合系统的资源配置和用户对资源的要求。二、进程（领会）1、进程的定义：把一个程序在一个数据集上的一次执行称为一个“进程”。2、进程是由程序、数据集和进程控制块三部分组成。 我们举一个例子，比如在有一个用户程序notepad.exe（记事本），当它存放在磁盘上时，就是一个程序，在windows操作系统下运行它时，就 会在内存中建立一个记事本程序的进程，而我们在记事本中编辑的当前文字就是这个进程的数据集，操作系统会为当前的进程设置一个进程控制块。如果我们再打开 一个记事本程序的窗口，就会建立另一个进程，此时运行的是同一个程序，但存在两个进程，第二个窗口中的编辑内容就是第二个进程的数据集。 3、进程与程序的区别及关系。程序是静止的，进程是动态的。进程包括程序和程序处理的对象（数据集），进程能得到程序处理的结果。进程和程序并非一一对 应的，一个程序运行在不同的数据集上就构成了不同的进程。通常把进程分为“系统进程”和“用户进程”两大类，把完成操作系统功能的进程称为系统进程，而完 成用户功能的进程则称为用户进程。三、进程状态（领会）1、进程的三种基本状态。通常，根据进程执行过程中不同时刻的状态，可归纳为三种基本状态：。等待态：等待某个事件的完成；。就绪态：等待系统分配处理器以便运行；。运行态：占有处理器正在运行。2、进程的状态变化进程在执行中状态会不断地改变，每个进程在任何时刻总是处于上述三种基本状态的某一种基本状态，进程状态之间转换关系如下图所示：运行态等待态往往是由于等待外设，等待主存等资源分配或等待人工干预而引起的。等待态就绪态则是等待的条件已满足，只需分配到处理器后就能运行。运行态就绪态不是由于自身原因，而是由外界原因使运行状态的进程让出处理器，这时候就变成就绪态。例如时间片用完，或有更高优先级的进程来抢占处理器等。就绪态运行态系统按某种策略选中就绪队列中的一个进程占用处理器，此时就变成了运行态。进程有四个基本属性：。多态性从诞生、运行，直至消灭。多个不同的进程可以包括相同的程序。三种基本状态它们之间可进行转换。并发性并发执行的进程轮流占用处理器四、进程控制块（领会）1、进程控制块的基本内容。通常进程控制块包含四类信息：。标志信息含唯一的进程名。说明信息有进程状态、等待原因、进程程序存放位置和进程数据存放位置。现场信息包括通用、控制和程序状态字寄存器的内容。管理信息存放程序优先数和队列指针2、进程控制块的作用 进程控制块（ProcessControlBlock，简称PCB），是操作系统为进程分配的用于标志进程，记录各进程执行情况的。进程控制块是进程存 在的标志，它记录了进程从创建到消亡动态变化的状况，进程队列实际也是进程控制块的链接。操作系统利用进程控制块对进程进行控制和管理。进程控制块的作用有：（1）记录进程的有关信息，以便操作系统的进程调度程序对进程进行调度。这些信息包括标志信息、说明信息、现场信息和管理信息等；（2）标志进程的存在，进程控制块是进程存在的唯一标志五、进程队列（领会）1、进程队列的链接。 在多道程序设计的系统中往往会同时创建多个进程。在单处理器的情况下，每次只能让一个进程运行，其他的进程处于就绪状态或等待状态。为了便于管理，经常 把处于相同状态的进程链接在一起，称“进程队列”，由于进程控制块能标志进程的存在和动态刻画进程的特性，因此，进程队列可以用进程控制块的连接来形成。 链接的方式有两种：单向链接和双向链接。2、进程基本队列就绪队列：由若干就绪进程按一定次序链接起来的队列。等待队列：把等待资源或等待某些事件的进程排列的队列3、进程的入队和出队。出队和入队：当发生的某个事件使一个进程的状态发生变化时，这个进程就要退出所在的某个队列而排入到另一个队列中去。出队：一个进程从所在的队列退出的操作称为出队入队：一个进程排入到一个指定的队列的操作称为入队。系统中负责进程入队和出队的工作称为队列管理。无论单向链接还是双向链接，解决入，出队问题，都是首先找到该队列的队首指针，沿链找出要入队的进程以及它要插入的位置，或找出要出队的进程，然后修改本进程指针（入队情况）和相邻进程的有关指针值即可。六、可再入程序（识记）（1）什么是可再入程序。一个能被多个用户同时调用的程序称做“可再入”的程序。（2）可再入程序的性质。可再入程序必须是纯代码，在执行时自身不改变；一个可再入程序要求调用者提供工作区，以保证程序以同样方式为各用户服务。编译程序和操作系统程序通常都是“可再入”程序，能同时被不同用户调用而构成不同的进程。七、中断及中断响应（领会）1、中断的定义。一个进程占有处理器运行时，由于自身或者外界的原因（出现了事件）使运行被打断，让操作系统处理所出现的事件，到适当的时候再让被打断的进程继续运行，这个过程称为“中断”。2、中断的类型。从中断事件的性质出发，中断可以分为两大类：。强迫性中断事件包括硬件故障中断，程序性中断，外部中断和输入输出中断等。自愿性中断事件是由正在运行的进程执行一条访管指令用以请求系统调用而引起的中断，这种中断也称为“访管中断”。自愿中断的断点是确定的，而强迫性中断的断点可能发生在任何位置。3、中断的响应和处理。中断响应（硬件即中断装置操作）处理器每执行一条指令后，硬件的中断位置立即检查有无中断事件发生，若有中断事件发生，则暂停现行进程的执行，而让操作系统的中断处理程序占用处理器，这一过程称为“中断响应”。中断响应过程中，中断装置要做以下三项工作：是否有中断事件发生判别自愿性中断，只要检查操作码是否为访管指令。判别强迫性中断，则要检查中断寄存器内容。若为0，则无中断；若非0，则表示有中断事件发生。若有中断发生，保护断点信息每个程序都有一个程序状态字（PSW）来反映本状态的执行状态，如基本状态、中断码和中断屏蔽位等内容。处理器设有一个“程序状态字寄存器”用来存放当前运行程序的PSW.程序状态字可分为当前PSW、旧PSW和新PSW.当出现中断事件后，把被中断进程的PSW保存为旧PSW，即完成断点信息保护。启动操作系统的中断处理程序工作中断装置通过“交换PSW”过程完成此项任务，即把出现的中断事件存放到当前PSW中断码位置，然后把该当前PSW保存为旧PSW，再把操作系统中断处理程序的新PSW送到程序状态字寄存器中，成为当前的PSW.中断处理（软件即操作系统操作）操作系统的中断处理程序对中断事件进行处理时，大致要做三方面的工作：保护被中断进程的现场信息把中断时的通用寄存器，控制寄存器内容及旧PSW保存到被中断进程的进程控制块中。分析中断原因根据旧PSW的中断码可知发生该中断的具体原因。处理发生的中断事件一般只做一些简单处理，在多数情况下把具体的处理交给其他程序模块去做。八、中断优先级和中断屏蔽（识记） 1、中断优先级是硬件设计时确定的。中断装置按预定的顺序来响应同时出现的中断事件，这个预定的顺序称为“中断优先级”。中断优先级是按中断事件的重要 性和紧迫程度来确定的，是由硬件设计时固定下来的。一般情况下，优先级的高低顺序依次为：硬件故障中断、自愿中断、程序性中断，外部中断和输入输出中断。2、中断的嵌套处理 3、中断屏蔽的作用。中断优先级只是规定了中断装置响应同时出现的中断的次序，当中断装置响应了某个中断后中断处理程序在进行处理时，中断装置也可能去 响应另一个中断事件。因此会出现优先级低的中断事件的处理打断优先级高的中断事件的处理，使得中断事件的处理顺序与响应顺序不一致，而且会形成多重嵌套处 理，使多现场保护、程序返回等工作变的复杂。中断屏蔽技术就是为了解决上述问题而提出的在一个中断处理没有结束之前不响应其他中断事 件，或者只响应比当前级别高的中断事件。于是，当中断装置检查到有中断事件后，便去查看PSW中中断屏蔽标志，如果没有屏蔽就响应该中断；否则，暂时不响 应该中断，待屏蔽标志消除后再响应。自愿中断是不能屏蔽的。九、进程调度（领会）1、进程调度的职责。按选定的进程调度算法从就绪队列中选择一个进程，让它占用处理器。2、选择进程调度算法的几个准则：。提高处理器利用率。增大吞吐量。减少等待时间。缩短响应时间3、进程调度的常用算法：先来先服务、优先数法、轮转法、分级调度。先来先服务调度算法该算法按进程进入就绪队列的先后次序选择可以占用处理器的进程。 优先数调度算法对每个进程确定一个优先数，该算法总是让优先数最高的进程先使用处理器。对具有相同优先数的进程，再采用先来先服务的次序分配处理器。系 统常以任务的紧迫性和系统效率等因素确定进程的优先数。进程的优先数可以固定的，也可随进程执行过程动态变化。一个高优先数的进程占用处理器后，系统处理 该进程时有两种方法，一是“非抢占式”，另一种是“可抢占式”。前者是此进程占用处理器后一直运行到结束，除非本身主动让出处理器，后者则是严格保证任何 时刻总是让优先数最高的进程在处理器上运行。时间片轮转调度法把规定进程一次使用处理器的最长时间称为“时间片”。时间片轮转调度算法 让就绪进程按就绪的先后次序排成队列，每次总选择该队列中第一个进程占用处理器，但规定只能使用一个时间片，如该进程尚未完成，则排入队尾，等待下一个供 它使用的时间片。各个进程就这样轮转运行。时间片轮转算法经常用于分时操作系统中。分级调度算法由系统设置多个就绪队列，每个就绪队列中的进程按时间片轮转法占用处理器，这就是分级调度算法。4、进程的切换进程调度将从就绪队列中另选一个进程占用处理器，使一个进程让出处理器，由另一个进程占用处理器的过程称“进程切换”。若有一个进程从运行态变成等待态，或完成工作后就撤消，则必定会发生进程切换。若一个进程从运行态或等待态变成就绪态，则不一定发生进程切换。本章考核知识点：1、重定位2、固定分区存储管理3、可变分区存储管理4、页式存储管理5、段式存储管理6、虚拟存储器自学要求：明确存储管理的职能是对主存储器中的用户区域进行管理；理解在不同的管理方式下如何实现存储保护、地址转换、以及主存空间的分配和回收；比较各种管理方式的特点；掌握虚拟存储器的实现原理和方法。重点是：各种管理方式的特点；可变分区方式的主存分配算法以及移动技术；分页式虚拟存储管理的实现以及页面调度算法；分段式虚拟存储管理的实现。操作系统的存储管理如同一个大地主，管着一个大庄园，当有农户需要租用田地时，地主就给分配一块地让他种（用户区分配）。等到地里长出了果实（结果出来后，地主还得来收回这块地（去配）。为了管好这片田地，地主还要管好庄园的门，凡是要进去种地的，都得由地主根据他的需要让他到位置确定实际的田地上去干活。（把逻辑地址转换成物理地址）庄园里还有一些大家共同可以使用的地方，比如地主的花园，工具房等，大家可以进去，也可以使用，但是不许改变任何现有的东东，还有，每个农户只能在自己的地里刨食吃，如果有人胆敢到别人地里或地主的花园里摘花偷食，可要当心他们养的狼狗跳出来哦。（共享和保护）当然，再大的地也是不够多的，地主为了多赚些钱，当所有的地都租出去的时候，他想办法把有些种田人暂时不种的那块地里的东东连地皮一起挖出来放到仓库里先堆着。把地腾出来租给别人种（这一招可够绝的，不过地主说啦，这就是“虚拟存储”。）你说这个地主是好是坏？概述：本章讨论的是主存储器空间的管理。主存储空间分成系统区和用户区两部分。存储管理的功能包括：主存空间的分配和去配、实现地址转换、主存空间的区享和保护和主存空间扩充。一、重定位（领会）1、区分逻辑地址与绝对地址。绝对地址：主存储器以字节为编址单位，容量为n的主存储器中，每个单元有唯一的编号，从0到n-1，这个唯一的编号就是主存储器的物理地址。 比如我们现在用的128MB内存条中就有12810241024=134217728字节，所以它的内存绝对地址就是从0到134217727 101到200号那100块地就分给你吧，以后你要找哪块地养鸭养鱼的，就得按我给你编的号来找。每个地址都已经加上100了，不会找错吧。别说我没讲清 楚哦。至于动态重定位，庄主笑道：这个我也能做到，这么实现的：李四来租地时，我也不问他，直接把他带到空闲的一片地方。派人记着这那 片地的第一个地址。比如说是100号吧。李四这个笨小子干着干着会叫起来说：“老板，现在我要到32号地里抓鱼！”旁边人一听，马上告诉他“哎呀，你现在 已经分了地啦，起始地块是100号，那你就得到132号地去才对！”就这样，李四每一次要找地方时，都叫别人给他重新算一下。这样他才不会找错位置。这样 也有一个好处，就是如果有人出价更好，我可以让他搬到别处去干活，反正都是叫别人给他重新算位置，所以他就不用记住搬地方后的物理地址啦。（1）静态重定位在装入一个作业时，把作业中的指令地址和数据地址全部转换成绝对地址。这种转换工作是在作业开始前集中完成的，在作业执行过程中无需再进行地址转换。所以称为“静态重定位”。（2）动态重定位在装入一个作业时，不进行地址转换，而是直接把作业装到分配的主区域中。在作业执行过程中，每当执行一条指令时都由硬件的地址转换机构转换成绝对地址。这种方式的地址转换是在作业执行时动态完成的，所以称为动态重定位。动态重定位由软件（操作系统）和硬件（地址转换机构）相互配合来实现。动态重定位的系统支持“程序浮动”，而静态重定位则不能。二、固定分区存储管理（领会）分区存储管理是把存储器中的用户区作为一个连续区或分成若干连续区进行管理。早先使用一个分区的存储管理，后发展成多分区的存储管理。多个分区的管理可采用固定分区方式和可变分区方式。1、固定分区存储管理的原理固定分区的意思就是指主存空间划分成若干连续区后，这些分区的大小和个数就固定不变。固定分区管理利用一张“主存分配表”说明各分区的情况。装入和结束作业均通过这个分区表来记录分区使用的变化情况。2、如何实现存储保护 固定分区管理可采用静态重定位的方式装入作业。装入程序把作业中的逻辑地址转换为绝对地址。并检查绝对地址是否在指定（装入）的分区内，如果是，就装入 这个作业。否则就不能装入。如果装入主存分区的作业占用处理器时（注意，是运行时），进程调度程序（不是装入程序了）必须把作业所在分区的上下限地址存入 “下限寄存器”和“上限寄存器”中，这样可以在指令执行中判断其所用到的绝对地址是否越界，达到存储保护的目的。3、怎样提高主存空间的利用率这里有几种办法：（1）分区按大小顺序排列，这样可以使作业总是先使用满足要求的最小分区。（2）根据经常出现的作业大小和频率划分分区。（3）按作业的对主存空间的需求量排成多个队列，规定队列与分区的对应关系。也就是说多大的作业只能放在多大的分区里，就算有更大的分区空着，也不许他进入。三、可变分区的管理（领会）可变就是指分区的大小和位置不是固定的，而是根据作业要求的主存量来分配分区的大小。1、主存的分配和去配（回收）在系统初始化时，主存除了操作系统所占部分外，整个用户区是大的空闲区，可以按作业需要的空间大小顺序分配空闲区直到不够时为止。当作业结束时，它的占用分区被收回。这个空闲区又可以根据新作业的大小重新用于分配，所以主存中的已占分区和空闲区的数目和大小都是在变化的。可以用两张表“已分配区表”和“空闲区表”来记录和管理。2、常用的分配算法最先适应分配算法：简单地说，就是在分区表中顺序查找，找到够大的空闲区就分配。但是这样的分配算法可能形成许多不连续的空闲区，造成许多“碎片”，使主存空间利用率降低。最优适应分配算法：这种算法总是挑选一个能满足作业要求的最小空闲区。但是这种算法可能形成一些极小的空闲区，以致无法使用，这也会影响主存利用率。最坏适应分配算法：这种算法和上面的正好相反，它总是挑一个最大的空闲区分给作业使用，使剩下的空间不至于太小。3、地址转换与存储保护 采用可变分区方式管理时，一般均采用动态重定位方式装入作业。也就是每读一条指令，都要变换一次地址。变换要靠硬件支持，主要是两个寄存器：基址寄存器 和限长寄存器，限长寄存器存放作业所占分区的长度，基址寄存器则存放作业所占分区的起始地址，这两个值确定了一个分区的位置和大小。转换时根据逻辑地址与限长值比较，如果不有超过这个值，表示访问地址合法，再加上基址寄存器中的值就得到了绝对地址了，否则形成“地址越界”中断。达到存储保护的目的。对于共享程序，则硬件提供两组限长寄存器和基址寄存器。访问时对访问区享区和作业区的地址分别进行转换。4、移动技术的应用移动技术要“移动”的东东就是主存空间中的作业。把某个作业移到另一处主存空间去（在磁盘整理中我们应用的也是类似的移动技术），这样的最大好处就是可以合并一些空闲区。但是移动技术的应用也要注意以下问题。移动会增加系统开销。所以要尽量减少移动。移动是有条件的，如果作业在执行过程中正等待与外围设备传输信息，就不能移动。因此在移动时首先要判定该作业是否与外设交换信息。四、页式存储管理（领会）1、如何分页和分块页式存储管理中有两个名词：“页”和“块”，其中的“块”是针对硬件来说的，就是把存储器分成若干相等大小的区，每个区就称为一个块。对应的，在程序中，逻辑地址进行“分页”，其大小和每个块相一致。事实上，页面的大小是由块的大小自然决定的。对于程序来说，其逻辑地址还是和原来一样采用连续的地址。只是按照块的位数取其前面数位做为页号。分配空间时，根据作业长度可以确定它的页面数，根据这个页面数在主存中分配相应的块数，只要是空闲块就可以放入，即使不是相邻的。并把分配情况记在“页表”中，根据页表可以找到相对应的页号与块号，就得出绝对地址了。2、采用页式管理，使主存空间充分利用，页不必为了得到连续空间而进行移动。可以提高系统效率。3、页表的构造与作用每个被装入主存的作业都有一张页表，指出该作业逻辑地址中的页号与所占用的主存块号之间的对应关系。页表的长度由作页拥有的页面数决定，行号对应为页号，行中记录的是主存中的块号。页表是硬件进行地址转换的依据，每执行一条指令时按逻辑地址中的页号查找页表并转换成绝对地址。在多道程序设计系统中，进入主存的每个作业都有一张页表，由一个硬件“页表控制寄存器”来记录每个作业的页表所在位置和长度以便作业转换时同时转换页表。4、快表的构造与作用快表就是页表的一部分克隆，每行中有页号及其对应的块号，整个快表存放在一个小容量的高速缓存中，访问时快表和内存同时进行查找，因为快表速度很快，而常用的页都登记在快表中，因此可以大大加快执行速度。5、采用页式管理的地址转换过程（为什么不直接用块分配表来记录而要用位示图呢，因为主存块很多，这样可以节省空间，提高效率。位示图就是用一个位（0或1）来表示一个块的使用状态，一个字32位，可以表示32块。按顺序排列，只需一小段内存就可以记录主存中大量的块状态）6、利用位示图实现页式存储空间的分配和回收页式存储管理把主存空间分成大小固定的许多块，在装业作业时，如何知道主存中哪些块已使用，哪些还未用，可以用位示图来表示。块号=字号字长+位号字号=i/字长（即块号i除以字长取整）位号=imod字长（即块号i除以字长取余）。五、段式存储管理（领会）1、段式存储中段的划分段式管理是根据人们对程序中需要分段编制的要求出发而提供的。它提供给用户编程时使用的逻辑地址由“段号”和“段内地址”两部分组成，其形式和页式管理相同。但是实际上是不同的：页式存储管理提供连续逻辑地址由系统自动分页，段式存储管理中的作业分段是由用户决定的，每段独立编程，因此段间的逻辑地址是不连续的。2、段式存储空间的分配这种分配方法和可变分区管理方式的分配方法相同，所不同的是：可变分区管理方式中是为每个作业分一个区，而段式管理是为一个作业中的每个段分一个连续的空间。（段式管理更细）。3、段表的构造与作用段表由段号、本段限长和起始地址三部分组成，由于每一行记录的行号可以对应程序的段号，因此段号实际上被省略，不占存储空间。与其他管理方式一样，段表记录的信息用于地址转换和存储保护。段表的表目起到了基址/限长寄存器的作用。4、段式存储管理的地址转换这个转换过程如同可变分区方式的地址转换，但是由段表的表目替代了基址/限长寄存器。绝对地址=根据段号找到段表中的起始地址+段内地址（如果段内地址超过限长则产生“地址越界”程序性中断事件达到存储保护）多道程序设计系统中，每个进入主存的作业都建立了段表，因此还有一个硬件“段表控制寄存器”来记录每个作业的段表在主存中的位置和长度。六、虚拟存储器（领会）1、什么是虚拟存储器虚拟存储器是为“扩大”主存容量而采用的一种设计技巧，它利用作业在只装入部分信息时就可以执行的特性和程序执行中表现出来的局部性特性，借助于大容量的辅助存储器实现小主存空间容纳大逻辑地址空间的作业。虚拟存储器的容量由计算机的地址结构（总线位数）决定。2、虚拟存储器的实现原理它的工作原理如下：首先把作业信息保留在磁盘上，当作业请求装入时，只将其中一部分先装入主存，作业执行中若要访问的信息不在主存中，则再设法将这些信息装入主存。3、分页式虚拟存储器的实现 页式虚拟存储管理是在页式存储管理的基础上实现的。首先把作业信息作为副本存放在磁盘上，作业执行时，把作业信息的部分页面装入主存储器，作业执行时若 所访问的页面已经在主存中，则进行地址转换，得到绝对地址，否则产生“缺页中断”由操作系统把当前所需的页面装入主存。4、常用的页面调度算法：FIFO、LRU、LFU当主页中无空闲块时，为了装入一个页面，就必须按某种算法将主存中某个页调出，调入所需装入的页面。这就是页面调度。常用的算法有：先进先出调度算法（FIFO）、最近最少使用调度算法（LRU）和最近最不常用调度算法（LFU）。特别要注意掌握的就是LRU的算法，如何进行调度。5、缺页中断率如果作页执行中访问页面的总次数为A，其中有F次访问的页面尚未装入主存，则有F次缺页中断，f=F/A，这里的f就称为缺页中断率。影响缺页中断的因素有：分配给作业的主存块数块数nf页面的大小页面大小f程序编制方法局部化程度f页面调度算法6、段式虚拟存储器的实现段式虚拟存储管理以段式存储管理为基础，在磁盘上保留作业的各个分段信息，作业执行时把需要执行的一段或几段装入主存。在实际使用中，也要进行查表和地址转换以及“缺段中断”和调度（包括调出、装入、移动等）工作。本章的考核知识点：1、文件和文件名；2、文件的存储介质；3、文件的存取方法；4、文件目录；5、文件的逻辑结构；6、文件的物理结构；7、记录的组成与分解；8、存储空间的分配与回收；9、文件操作；10、文件的保护与保密。本章自学要求：文件管理必须对用户按名存取功能，要求考生理解为实现按名存取文件管理应该做哪些工作；文件管理怎样管理用户信息的存储和检索、怎样实现文件的保护和保密；文件操作的作用以及用户如何使用文件操作。重点是：逻辑文件与物理文件间的转换；文件目录操作的作用及使用。一、文件和文件名（识记）文件和文件名：在计算机系统中，把逻辑上具有完整意义的信息集合称为“文件”，每个文件都要用一个名字作标识，称为“文件名”。文件可以按各种方法进行分类：按用途 系统文件、库文件、用户文件 按保护级别 可执行文件、只读文件、读写文件 按信息流向 输入文件、输出文件、输入输出文件 按存放时限 临时文件、永久文件、档案文件 按设备类型 磁盘文件、磁带文件、卡片文件、打印文件 按文件组织结构 逻辑文件、物理文件（顺序文件、链接文件、索引文件）二、文件存储介质（领会）1、存储介质不等于存储设备，它是指用来记录信息的磁带、硬磁盘组、软磁盘片、卡片等。使用它们要通过相应的存储设备。2、存储介质的物理单位定义为“卷”。文件与卷的关系（存在卷中）可以是一对一也可以是一对多或多对一。3、存储介质上连续信息所组成的一个区域称为“块”（物理记录）块是存储设备与主存之间进行信息交换的物理单位。4、磁盘的结构：磁盘格式化时盘面存储空间划分扇区，每个扇区中各磁道都有相同长度的连续信息区，每个区就是磁盘上的块。三、文件的存取方式（领会）文件的存取方式有顺序存取和随机存取两种。磁带上的文件只能顺序存取，磁盘上的文件既可采用顺序方式也可用随机方式存取。四、文件目录（简单应用）1、文件目录的主要内容和作用：文件目录由若干目录项组成，每个目录项记录一个文件的有关信息。包括：有关文件存取控制信息。例如用户名、文件名、文件类型、文件属性（可读写、只读、只执行等）有关文件结构的信息。例如文件的逻辑结构、物理结构、记录个数和在存储介质上的位置等。有关文件管理的信息。例如文件建立的日期、修改日期、保留期限等。文件目录的作用是用于检索文件。2、目录结构：包括一级目录结构、二级目录结构和树形（多级）目录结构。一级目录结构要求所有的文件名均不相同，一般只适用于微机的单用户系统。二级目录结构则增加一级主文件目录，此目录是为用户建立的独立文件目录，用户访问文件时先要找到用户自己的目录再查找该目录下的指定文件。实际上，二级目录结构中，文件系统把用户名和文件名合起来作为文件标识。树形目录允许用户在自己的文件中再建立子目录。从根目录到文件之间所有各级子目录名和该文件名的顺序组合称为文件的“路径名”绝对路径：是从根目录到指定文件的路径。如MS-DOS下从C盘到某一文件的路径：C：/first/file.exp相对路径：是从当前目录到指定文件的路径。如上例，当前目录为22时，访问file.exp的相对路径是：33/file.exp，访问根目录下的文件路径是：/树形目录的优点：1）解决了重名问题。2）有利于文件分类3）提高检索文件的速度4）能进行存取权限的控制。关于本节的内容可以在MS-DOS或UNIX操作系统中进行练习，以理解目录结构。可用的命令有：dir、tree、md、cd、rd、del等。五、文件的逻辑结构（领会）前面讲的是目录，现在讲的是文件。文件的结构是指文件的构造方式。什么是文件的逻辑结构：由用户构造的文件称为文件的逻辑结构。如一篇文档、一个数据库记录文件等，在用户看来是一些文字和数字或多媒体信息的有机组合。逻辑文件有两种形式：流式文件和记录式文件。流式文件是指用户对文件内信息不再划分的可独立的单位，如我们的word文件，图片文件等。整个文件是以顺序的一串信息组成。记录式文件：是指用户对文件内信息按逻辑上独立的含义再划分信息单位，每个单位为一个逻辑记录。每个记录可以独立存取。这个在数据库中我们学得比较多，容易理解。六、文件的物理结构（领会） 1、什么是文件的物理结构：由文件系统在存储介质上的文件构造方式称为文件的物理结构。不论用户看来是什么文件，在存储介质上存储时，按何种构造方式记 录呢，因为介质上的存储单位是物理块，那么这些物理快是顺序存放，还是链式结构，或者索引结构，都要由文件系统结构来实现。2、逻辑文件在磁盘上的组织方式：1）顺序结构：顾名思义，顺序结构就是指，把逻辑文件的记录（内容）按其本身的顺序（逻辑记录的顺序）在磁盘上也按序存放在连续的块中。读取时也从第一个记录开始按顺序进行。在文件目录中指出文件名，存放的起始块号和占用块数。顺序文件的最大优点是存取速度快（可以连续访问）。而问题主要是存储空间利用率不高、输出文件时难以估计需要多少磁盘块、影响文件扩展。2）链接结构：如果逻辑文件中的各个逻辑记录任意存放到一些磁盘块中，再用指针把各个块按逻辑记录的顺序链接起来，在文件目录中只记录第一块的地址和最后一块的地址，那么这种文件组织方式就是链接结构。 链接结构解决了顺序结构中的所有问题，所有空闲块都可以被利用，在顺序读取时效率较高但需要随机存取时效率低下（因为要从第一个记录开始读取查找）。此 外，对于链接结构，也有一些问题要注意：由于块中要存放指针信息，因此一部分空间被占用；读出信息时要把指针信息分离出来；还要防止指针丢失或破坏造成的 混乱，所以又要增加一些管理的信息。总之链式结构会使用于存放文件信息的空间减少。3）索引结构：索引结构是实现非连续存储的另一种方 法，索引结构为每个文件建立一张“索引表”，把指示每个逻辑记录存放位置的指针集中在索引表中。（最直观的索引结构就比如我们的网站，首页就相当于一个索 引表，每个链接记录了一个文件的位置，当我们点击时，就可以找到那个文件）文件目录中指出文件名的索引表位置，而索引表中每个项指出一个逻辑记录的存放位置。存取文件时根据索引表中的登记项来查找磁盘上的逻辑记录。索引结构既适合顺序存取记录，也可以方便地随机存取记录，并且容易实现记录的增删和插入，所以索引结构被广泛应用。但是索引结构增加了索引表，要占用部分空间并增加读写索引表的时间。当索引项很多时，还要考虑采用多级索引结构。七、记录的成组与分解（简单应用） 1、什么是记录的成组与分解：由于磁盘块的大小是预先划分好的，大小固定，而逻辑记录的大小是用户文件性质决定的，不一定和块大小一致，如果逻辑记录比 物理块小得多时，可以把多个逻辑记录存放在一个块中，这就是记录的成组，用户使用时再把读取的一块信息中分离出所需的记录，这就是记录的分解。2、记录的成组：把若干个逻辑记录合成一组存入一块的工作称为“记录的成组”，每块中逻辑记录的个数称“块因子”利用主存缓冲区可以把多个逻辑记录一次性保存到磁盘块上。也就是当记录要求存盘时，先存入主存缓冲区，缓冲区的大小等于最大逻辑长度乘以成组的块因子，就是块的大小。在缓冲区未存满时，不启动磁盘写，这样就提高了存储空间的利用率，减少启动外设的次数，提高了系统的工作效率。3、记录的分解：这是记录成组的一个逆过程，先从磁盘中找到记录所在的块，并将本块读入主存缓冲区，再从缓冲区取出所需要的记录送到用户工作区。如果用户所需的记录已经在缓冲区中，则不需要启动外设读块信息，这也可以提高系统工作效率。八、存储空间的分配与回收（简单应用）1、用位示图进行磁盘存储空间的分配与回收：和主存页式管理的存储空间分配回收方法类似，位示图用一个位的信息（0/1）来表示磁盘上一个块空间是否空闲，所不同的是，主存空间直接以块号表示，而磁盘块位置则由柱面号、磁头号和扇区号三段组成。2、用空闲块表进行磁盘存储空间的分配与回收：如同主存管理中的空闲区表，表每一行记录一组连续空闲块的首块号和空闲块数，空闲块数为“0”的登记项为“空”登记项。九、文件操作（领会）1、文件操作主要有以下六种建立文件：建立文件操作的主要工作是检查文件目录，确认无重名时寻找空登记项进行登录；寻找空闲存储块以备存储文件信息或存放索引表。打开文件：打开文件操作的主要工作是找目录、检索文件名，核对存取方式；读索引表；登记已打开文件的有关信息。读文件：查看是否已经打开，是否打开者请求读文件。得到存放地址后读出文件。写文件：主要工作是查文件目录核对文件是否已建立，已建立则可写入。关闭文件：核实只有文件的建立者或者打开者才有权关闭文件；检查读入主存的文件目录或索引表，如修改过则要写回存储介质上；在已打开文件表中清除该文件。删除文件：在用户指定的文件从目录中除去并收加文件所占用的存储空间。这些操作均由文件系统提供相关的功能模块。每个一操作调用模块时均要提供用户名、文件名等参数。2、用户请求使用文件的操作步骤1）读文件：打开文件读文件关闭文件2）写文件：建立文件写文件关闭文件3）删除文件：关闭文件删除文件十、文件的保护与保密（领会）1、区分文件的保护与保密：文件的保护是防止文件被破坏。文件的保密是防止不经文件拥有者授权而窃取文件。2、文件的共享：文件共享是指一个文件可以让指定的某些用户共同使用。包括不允许同时使用的共享文件和允许同时使用的共享文件。一般不允许同时读和写或同时写文件。3、文件的保护措施：为了防止系统故障造成文件被坏，可以采用建立复本和定时转储的办法；为了防止用户共享文件可能造成的文件破坏，可以采用树形目录结构、存取控制表和规定文件使用权限的方法。4、文件的保密措施：常用的措施有：隐藏文件目录、设置口令和使用密码（加密）等。本章考核知识点：1、输入输出操作；2、独占设备与共享设备；3、独占设备的设备；4、磁盘的驱动程序；5、外围设备的启动；6、虚拟设备（SPOOL系统）自学要求：要求了解设备管理与文件管理的合作，文件管理实现文件存取的准备工作，而文件的物理存取由设备管理实现。理解怎样实现独占设备的分配和磁盘的驱动调度；怎样实现虚拟设备。一、输入输出操作（要求达到“识记”层次）1、什么是输入输出操作：主存储器与外围设备之间的信息传送操作称为输入输出操作。2、对于存储型设备，输入输出操作的信息传输单位为“块”。对输入输出型设备，输入输出操作的信息传输单位为“字符”。二、独占设备和共享设备（识记）独占设备好比是你家的抽水马桶，当你坐上去的时候，大家就是想用也得等你完事了站起来才可以用上。共享设备呢，就像是我家的水龙头，我在洗手的时候，可以把手移开让我妈来打盆水。然后我又继续洗手。1、独占设备是指每次只能供一个作业执行期间单独使用的设备。如输入机、磁带机、打印机等。2、共享设备是指允许几个作业执行期间可同时使用的设备。3、共享设备的“同时使用”的含义是指多个作业可以交替启动共享设备，当一个用业正在使用设备时其他作业暂不能使用，即每一时刻仍只有一个作业占用，但当一个作业正在使用设备时其他作业就可使用。三、独占设备的分配（领会）1、独占设备的绝对号与相对号 这和绝对地址/相对地址的概念类似。绝对号就是将每一台设备确定一个编号（相当于一个绝对地址）。相对号就是为了用户程序的方便而设的，在用户请求使用 时，采用“设备类-相对号”来提出使用设备要求。由系统建立绝对号与“设备类-相对号”之间的关系，就能正确启用设备了。2、设备的指定方式绝对号就好象给每个人取一个不同的名字。上司的工作计划中有一条：十点钟叫张三去买菜。如果张三有空，就得张三去买。设备类-相对号呢，就好比是一个部门，部门中有一些工作人员，上司的工作计划就只写成：十点叫买菜部找个人去买罗卜。这时就由“系统”来看看买菜部是否有人空闲，只要本部有人闲着能干活的，不管张三李四都可以去干。这样，对于上司来说，不用去记谁谁的名字，只要指定某部门，要多少人就是了，他的用人策略和具体的哪个人无关。这就是“设备独立性”1）指定绝对号：这种方式由作业直接指定绝对号对应的设备。系统只能把这个设备分配给他，如果该设备正由其他作业使用则申请