操作系统原理知识知识点复习

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

第一章操作系统概论操作系统概念配备操作系统的目的方便人们使用计算机有效管理计算机操作系统的目标有效地管理计算机的硬件和软件资源提高系统效率具有可扩充性具有开放性具有可靠性具有可移植性操纵系统的主要功能处理器管理功能进程控制进程同步进程通信调度存储管理功能内存的分配与回收内存保护地址映射内存扩充内存共享设备管理功能缓冲管理设备分配与回收设备驱动实现设备独立性实现虚拟设备文件管理功能文件的存储空间管理目录管理文件的读写管理文件保护网络功能网络资源管理网络通信管理网络管理用户接口命令接口程序接口图形接口操作系统的基本特征并发共享异步虚拟操作系统的逻辑结构和运行模型操作系统的逻辑结构单核结构整体模块结构分层结构微内核结构操作系统的运行模型独立运行的内核模型嵌入进程中的执行模型作为独立进程运行模型操作系统的形成与发展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。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。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。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。操作系统主要类型批处理操作系统分时操作系统实时操作系统微机操作系统网络操作系统多处理器操作系统分布式操作系统嵌入式操作系统第二章进程管理2.1．进程概念1.进程映像的组成进程控制块（PCB）进程执行程序（code）进程执行所需数据（data）进程工作区2.进程的基本特征动态性并发性独立性异步性共享性进程与程序的区别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；进程能够并发执行，程序只能顺序执行；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；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；程序与进程之间不是一一对应的；进程控制块进程存在的唯一标志；进程状态及转换就绪状态就绪状态运行状态阻塞状态运行状态阻塞状态 时间片用完事件发生 调度 等待事件2.2．进程控制进程创建申请一个空闲的PCB，为之分配一个唯一的标识符新进程分配内存资源，分配其他的资源初始化PCB将进程插入就绪队列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访问临界区应遵守的原则：空则让进忙则等待有限等待让权等待开关中断指令又称硬件锁实现进程互斥与同步的方法硬件法软件方法信号量机制管程的组成：管程内部的数据结构对数据结构操作的一组过程对共享数据结构的初始化2.4．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：资源分配的实体线程分类用户级线程内核支持线程混合式线程线程有点用户级线程的切换速度高于支持内核线程的切换速度用户级线程可以在任何操纵系统上运行线程调度灵活第三章处理器调度与死锁3.1．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选择调度算法的评判指标CPU的利用率系统吞吐量各类资源的平衡利用周转时间响应时间截止时间优先权原则公平原则调度算法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。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。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R= =作业要求运行时间作业要求时间属于非剥夺式调度。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。多级反馈队列调度算法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。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。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。执行中，按最高优先权剥夺式调度算法执行。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-当前时间进程切换处理器模式切换：保存中断进程的处理器现场将处理器由用户态转向和心态根据中断级别设置中断屏蔽位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：保存CPU现场修改PCB给PCU挑选新进程修改新进程PCB设置新进程地址空间，恢复存储管理信息根据新进程PCB中保存的CPU环境，恢复CPU现场，执行新进程。3.2．死锁死锁产生的必要条件互斥条件请求和保持条件不剥夺条件循环等待条件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：第四章存储管理4.1．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（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。可变分区存储管理原理：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。分配算法最先适应算法：有低地址找到能够满足程序要求的空闲分区。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。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。回收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．分页式存储管理采用离散分配内存的方式，基本单位时页面。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。逻辑地址结构3112110页内地址页号 页内地址页号由图可知：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+页内地址地址变换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在找到的页表中找到对应的物理块号，从而形成物理地址。快表一般允许存放32~1024个页表项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。31222112110页号页号页内地址 页号页号页内地址4.4．分段式存储管理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。二位逻辑地址3124230页号页号 页号页号每个段的长度：224=16M一个作业最得多允许28=256个段段表基址段号段长基址段号段长4.5．段页式存储管理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。逻辑地址结构31242312110段号段内地址页内地址段号段内地址页内地址4.6．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。页表结构外存地址访问位修改位址物理块号号址中断位页号 外存地址访问位修改位址物理块号号址中断位页号分页式存储管理和请求分页式虚拟存储管理的区别页表机制不同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地址变换机构不同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。页面置换算法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；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最近未使用置换算法淘汰最近未使用的页面具体分为：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，淘汰时，从当前访问位为0的页面内随即选择一个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设备管理5.1．输入输出系统1.计算机的分类按信息传输速度低速设备、中速设备和高速设备按信息交换单位字符设备和块设备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。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：控制字符的设备控制器控制块的设备控制器通道（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。通道类型字节多通道数组选择通道：以块为单位传输信息数组多通道：前两种的结合。5.2．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数据传送完毕？把设备控制器的数据写到内存收到中断信号执行还原进程或调度其他进程向设备控制器发送读指令数据传送完毕？把设备控制器的数据写到内存收到中断信号执行还原进程或调度其他进程向设备控制器发送读指令 否 是 未完 完毕 3.DMA输入输出控制方式优点：以块为单位进行信息传输CPU不介入数据传输开始和结束时CPU才干预步骤如下：CPU向DMA控制器发出I/O命令向DMA控制器发出I/O命令 设备DMA控制器接收I/O命令DMA控制器接收I/O命令设置寄存器初值启动DMA传送命令命令执行原进程或调度新进程启动DMA传送命令命令执行原进程或调度新进程收到中断信号收到中断信号设备与内存之间传送字节或字设备与内存之间传送字节或字否内存地址寄存器内容加1数据计数器内容减1 内存地址寄存器内容加1数据计数器内容减1转中断处理转中断处理数据计数器=0？数据计数器=0？ 否 是发中断信号发中断信号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：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并行工作通道逐条执行通道程序中的通道命令数据传输后，通道向CPU发出中断请求。CPU响应中断请求，进行响应的处理。5.3．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：5.5．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。设备无关软件独立于设备的软件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1.磁盘访问时间的构成（1）寻道时间（