操作系统
第三章 操作系统
1、操作系统概念：一是管理系统中的各种资源；二是给用户提供一个友好的界面。
2、操作系统包括以下3个基本特征：并发性、共享性、随机性。
3、功能：进程管理、存储管理、作业管理、文件管理、设备管理
4、操作系统类型
（1）批处理操作系统：成批、多道，交互性不强。系统目标：提高资源利用率、作业吞吐量和作
业流程自动化。
（2）分时操作系统：多路、交互性、独立性、及时性
（3）实时系统（实时控制、实时信息处理）：及时、可靠
（4）嵌入式操作系统：高可靠性、实时性、占资源少、智能化、易连接、低成本等。
5、操作系统与用户的接口：程序级接口：系统调用命令组成。操作级接口：提供操作命令
6、操作系统的硬件环境（CPU、存储体系、中断系统、I/O控制和时钟）
（1）CPU：CPU状态：管态（CPU执行操作系统程序）和目态（CPU执行用户程序）
目态到管态的转变的唯一途径是中断，通过修改程序状态字实现管态和目态的转换
（2）中断机制：
中断的实现需要硬件和软件结合完成。中断类型：强迫性中断和自愿性中断。
强迫性中断：不期望或不可预料的中断.如：输入输出中断、硬件故障中断、时钟中断、程序性中
断。
自愿性中断：程序有意安排的访管指令或系统调用。
中断向量：中断处理程序的入口地址及运行环境（程序状态字PSW）
中断优先级由硬件规定，中断屏蔽由程序状态字的中断屏蔽位决定。通过中断屏蔽可以调整中断事
件的响应次序
（3）定时装置：定时装置硬件时钟通常分为两类：即绝对时钟和相对时钟。
CPU对外部设备的控制方式：
1、循环测试I/O 2、中断 3、DMA（直接内存存取）：高速外设与内存批量处理数据 4、通道处理
（I/O处理机）
7、进程管理
（1）进程与程序的区别与联系：a.进程是程序的执行，是动态的；而程序是指令的集合，是静态
的。
b.进程有生命周期，即进程的存在是有限的，从运行到结束，是暂时的；而程序则是永久存在的。
c.进程包括程序、数据和进程控制块(PCB)。
d.一个程序可以有多个进程，一个进程也可以包含多个程序。
进程控制块PCB是一个数据结构，进程在内存中存在的唯一标志
(2)进程状态: 运行态, 就绪态,等待状态（阻塞状态）
(3)线程：CPU调度和分派的基本单位。共享进程资源。
（4）进程的通信
临界资源是指一次只允许一个进程使用的资源：一个进程中访问临界资源的那段程序代码称为临界
区。它们不允许两个及以上的进程同时访问或修改。
进程同步：多个进程协同完成任务。进程互斥：多个进程使用同一资源（临界资源)。
低级通信：少量信息的交换(P操作和V操作)
高级通信：大信息交换（消息机制（消息缓冲、信箱通信）、共享内存，管道）
进程（线程）调度：先来先服务、时间片轮转、最高优先级（紧迫度高的进程）、 多级队列反馈
算法：综合了FCFS、时间片轮转和可抢占最高优先数算法。
（5）死锁：
产生死锁的必要条件：互斥条件、不可剥夺条件、部分分配、循环等待
死锁的预防： 破环必要条件之一：静态预分配（破坏部分分配）、资源有序分配（破坏环路等
待）、 可剥夺资源（破坏不可剥夺性）
死锁的避免：银行家算法
死锁的检测：进程等待时检测、定时检测、系统利用率降低时检测
死锁的解除：资源剥夺和撤销进程
8、存储管理
（1）功能：内存的分配和回收、内存共享、存储保护（防止地址越界和操作越权）、地址映射
（地址重定位）
内存扩充：让外存当作内存来使用
（2）碎片管理：解决碎片的方法是移动技术或紧凑(拼接)技术
（3）静态地址重定位：程序装入内存时，进行逻辑地址转换物理地址转换
动态地址重地位：程序运行过程中，要访问指令和数据才进行地址转换，需要硬件地址映射机制
（基址寄存器和限长寄存器）
（4）空闲分区的分配策略：最先适应算法（地址从小到大找第一个满足进程空间大小的分区）
最佳适应算法：分区表按容量从小到排序；最坏适应算法：分区按容量从大到小排序。
（5）虚拟存储管理：虚拟存储得以实现是由程序的局部性原理来决定的。程序的局部性原理包括
时间局部性和空间局部
（6）页面淘汰算法包括以下几种：最佳淘汰算法(OPT)、先进先出淘汰算法(FIFO)、最近最久末
使用淘汰算法(LRU)
最近使用最少淘汰算法(LFU)（访问次数少）
（7）影响缺页中断次数因素：a、分配给进程的物理页面数 b.页面大小 c.程序本身的编制方法
c、页面淘汰算法：最佳淘汰算法(OPT)能使缺页中断率最低
(8)颠簸（抖动）：缺页率高引起。工作集模型解决颠簸(抖动）
9、文件管理
（1）逻辑结构：流式文件（基本单位字符）（如：源程序文件、目标代码文件，Unix的文件）和
记录文件（定长和不定长记录），记录包含一个记录键和其他属性
（2）文件的物理结构：连续结钩、链接结构、索引结构及Hash结构等，文件的存取方式与物理结
构有关。
UNIX三级索引表的计算：如果一个物理块可以存放256个块号，则三级索引表表示文件的大小
2563+2562+256+10
（3）文件目录：文件系统的最大特点就是“按名”存取
（4）文件控制块FCB是文件在内存中存在的唯一标志，文件目录是文件控制块的有序集合。
（5）多级目录结构，有利于避免文件重名；当前目录：可以提高检索速度。目录项分解法，它可
以提高文件检索速度
（6）记录的成组：若干个逻辑记录合成在一个物理块中，每个块中的逻辑记录个数为块因子。
10、设备管理
（1）按设备的工作特性可以分为存储设备和输人／输出设备两种
（2）按照资源分配方式可以分为独享设备、共享设备和虚拟设备3种
虚设备技术，一类设备模拟另一类设备的技术。在高速设备（如高速大容量磁盘）上模拟低速设备
：SPOOLING是典型的虚设备技术，被模拟的设备称为虚拟设备。
（3）按设备的数据组织分类：块设备（磁盘、磁带）和字符设备（打印机）。
（4）通道可以分为以下3种类型：字节多路通道、选择通道和成组多路通道。
（5）单缓冲区，双缓冲区，多缓冲区和缓冲池：解决外设与CPU速度不匹配问题
（6）磁盘调度： 访问磁盘时间：寻道时间、旋转定位时间和数据传输时间。
磁盘调度由移臂调度和旋转调度组成。移臂调度：先来先服务FCFS（大幅度移动)、最短寻道时间
优先(饥饿，考虑了寻道优化），扫描算法（考虑方向和距离，考虑了寻道优化）
旋转调度：目的较少旋转延迟时间。