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一、概述

操作系統的概念

• 管理計算機軟件和硬件資源
• 最基本的系統軟件

特征

• 并發
  • 區分并發（同一時間間隔）、并行（同時）
• 共享
  • 互斥共享方式（臨界資源）
  • 同時訪問方式
• 虛擬
  • 邏輯上變多變大。如：虛擬處理器的分時；空分復用的虛擬存儲器
    • 采用多道程序設計
• 異步
  • 由于資源有限，進程走走停停
    • 可能會導致進程產生與時間有關的錯誤。訪問順序

目的和功能

• 1.管理計算機資源

  • 功能
    • 處理機管理、存儲器管理、文件管理、設備管理
  • 目標：安全、有效

• 2.作為用戶與計算機硬件系統之家的接口

  • 命令接口

    用戶操作作業執行

    • 聯機命令接口
      • 用于分時或實時系統
    • 脫機命令接口
      • 用于批處理系統

  • 程序接口（系統調用）間接使用

    • 由系統調用組成，提供給用戶（包括程序員）的接口
    • 用戶可以使用系統調用請求操作系統服務
      • 例如GUI

• 3.用作擴充機器（虛擬機）

操作系統的分類和發展

• 1.手工操作階段
• 2.批處理階段
  • 單道批處理系統
  • 多道批處理系統(操作系統開始出現)
    • 宏觀上并行，微觀上串行（多道程序同時裝入內存，交替執行）
      • 無人機交互，無需人工干預
    • 多道批處理又分為搶占和非搶占，注意計算題中的計算，通過畫圖即可做出
  • 批處理系統的缺點是 缺乏交互性
• 3.分時操作系統
  • 時間片輪轉的方式（多個用戶通過終端共享一臺主機）
  • 支持多道程序設計，（解決了人機交互），但不能在極短時間內作出處理
• 4.實時操作系統
  • 分類
    • 硬實時系統
      • 必須在某規定時間內執行
        • 飛機飛行系統
    • 軟實時系統
      • 偶爾違反
        • 訂票，銀行管理
  • 可以優先反應一些緊急的任務
    • 及時性，可靠性
  • 搶占式優先級調度
• 5.網絡操縱系統
  • 6、分布式操作系統（peer同等地位、資源共享、協同工作）
    • 7、嵌入式操作系統

運行機制

• 兩種程序

  • 內核程序（時鐘、中斷、原語、系統數據結構）
  • 用戶程序

• 兩種命令

  • 特權命令
    • 不允許用戶直接使用的指令
  • 非特權命令
    • 訪管指令

• 兩種處理器狀態

  • 核心態（管態，內核態）
  • 用戶態（目態）

• 中斷

  • 內中斷(異常/陷入/例外)
    • CPU執行指令內部時發生錯誤比如非法操作，地址越界，算術溢出，缺頁等等，一旦出現不能屏蔽，應該立即處理
  • 外中斷（中斷）
    • 又叫強迫中斷，比如IO外設請求，或者人的干預，這一類通常是與當前運行的程序無關的事件

• 處理中斷

  • 程序計數器PC保存斷點
  • PC尋址，進入中斷服務程序
  • 保存現場（指程序狀態字寄存器PSWR和某些通用寄存器）
  • 執行中斷服務程序
  • 恢復現場、返回斷點處繼續執行

• 系統調用(廣義指令)

  • 是操作系統為應用程序使用內核功能所提供的接口，只能通過用戶程序間接使用
  • 用戶在程序中調用操作系統提供的子功能
    • 設備文件的管理
    • 進程的控制與通信
    • 內存管理

• 體系結構

  • 大內核（功能都整體運行在和心態）
  • 微內核（只保留基本功能在內核，其余在用戶態，分離了用戶與服務，但頻繁切換性能消耗大）

• 總結

  • 用戶態核心態首先區分題目問的是執行還是調用

二、進程管理

進程

資源分配的基本單位

• 組成（進程實體）
  • 程序段
  • 數據段
  • PCB（進程存在的唯一標志）
    • 包括標識符、狀態信息、資源清單
    • 鏈接方式（PCB鏈接成隊列）、索引方式（索引表項指向相應PCB）
• 狀態及轉換
  • 運行態，就緒態（等待被調度），阻塞態（等外設），創建態，結束態，主要掌握前三個相互轉換的條件
  • 就緒隊列最多有 n-1個進程，阻塞隊列最多有n個進程（死鎖）
• 進程控制
  • 進程創建
    • 用戶登錄
    • 作業調度
    • 提供服務
    • 應用請求
  • 進程終止
    • 正常結束
    • 異常結束：越界錯誤，非法指令，等待超時等等
    • 外界干預
  • 阻塞及喚醒
    • 請求共享資源失敗
    • 等待操作完成：比如IO操作
    • 等待新任務到達
    • 新數據未到達
  • 進程切換
    • 掌握轉換的原語
• 通信
  • 共享存儲
  • 消息傳遞
  • 管道通信
    • 固定大小的緩沖區，對管道兩端進程而言就是一個文件
    • 半雙工信道，同一時刻只能一個方向傳輸
    • 滿時寫被阻塞，空時讀被阻塞（互斥訪問）

線程

• 線程是最基本的調度單位，但是最基本擁有資源的基本單位還是進程
  • 處理機的管理是對進程的管理
• 進程可以創建多個進程，線程可以創建多個線程（線程之間共享父進程的資源）
• 分類
  • 用戶級線程
  • 內核級線程
• 多線程模型
  • 多對一（用戶空間進行線程管理，高效； 內核一阻塞用戶線程都阻塞）
  • 一對一（并發能力強，開銷也大）
  • 多對多（并發和開銷的折中）

處理機調度

• 不能進行進程調度和切換的時機：

  • 處理中斷時
  • 進程處于臨界區
  • 完全屏蔽中斷的原子操作過程中（加鎖解鎖）

• 三種調度

  • 作業調度（適用于多道批處理系統）
  • 內存調度（暫時不運行的進程調至外存）
  • 進程調度

• 調度相關概念

  • CPU利用率
  • 周轉時間（從提交到完成所經歷時間）
  • 等待時間（處于就緒隊列中的等待總時間）
  • 響應時間（提交請求到首次響應）
  • 平均周轉時間
    • n個作業的周轉時間相加最后除以n
  • 帶權周轉時間 （作業周轉時間 / 運行時間)

• 調度算法

  • 先來先服務 FCFS
    • 效率不高，對長作業更有利，不利于IO繁忙型
  • 短作業優先 SJF
    • 平均等待時間、平均周轉時間最少
  • 優先級調度（適合實時OS）
    • 可分搶占式/非搶占
    • 一般優先級順序：系統》用戶，IO型》計算型
  • 高響應比優先 （等待時間+服務時間 / 服務時間 ）
    • 同等待時間，短作業優先，SJF
    • 同服務時間，等待時間更長先被調度，FCFS
    • 克服了饑餓狀態
  • 時間片輪轉（適合分時）
    • 大小選擇要恰當，很長就退化成FCFS
  • 多級反饋隊列
    • 多個就緒隊列，每個隊列不同優先級，不同時間片大小
    • 第一個隊列沒運行完，降級進下面隊列
    • 先執行完第一個隊列再是第二個隊列

進程同步

• 臨界資源：注意可重用的程序代碼屬于臨界資源

  • 進入區（檢查能否進入，并設置標志）
  • 臨界區
    • 可重入代碼：不能修改的代碼，因此可以共享
  • 退出區（清除標志）
  • 代碼剩余部分

• 同步（先后次序）與互斥

  • 有限等待 只等待有限時間
  • 讓權等待——進不去臨界區立即釋放處理器，不忙等不空轉

• 實現臨界區互斥的基本方法

  • 軟件實現
    • 單標志法（turn 0變1； 缺點: 必須交替執行）
    • 雙標志先檢查法 （i，j 改變 True False； 缺點：可能同時進臨界區）
    • 雙標志后檢查法 （先改變TF再檢查循環；缺點：可能都空轉進不去）
    • 皮特森算法（有i，j有turn；能同步不會饑餓）
  • 硬件實現
    • 開關中斷
    • 原子硬件指令（利用共享布爾變量lock，初始為False進入時被設為True）
      • TestAndSet指令
      • Swap指令

• 信號量機制

  • wait(S) signal(S) 即 P V操作
    • 整形信號量： value++ –
    • 記錄型信號量： 信號量S有value和等待隊列 L
    • 執行P操作后，value < 0時，進程掛起，該進程進阻塞隊列；
    • 下次V操作，Value++，若value仍 <= 0 , 把阻塞隊列第一個等待進程喚醒
  • 實現同步
    • S初始為0，進程1 x——V操作，進程2 P操作——y；則語句x必在語句y前
  • 實現互斥
    • S初始1； P(S)——臨界區——V(S)
  • 實現前驅關系
    • 設置多個S初始為0，先的進程尾巴V(S), 后的進程頭部P(S)

• 管程

  代表共享資源的數據結構，及對其操作的一組函數

  • 操作封裝成函數，無需程序員自己實現互斥
    • 條件變量 （信號量有值，condition沒有值，僅實現排隊等待）
    • 每次只允許一個進程進入管程
    • 管程的 wait() \ signal() 同樣會進行阻塞、插入隊列的操作

• 經典同步問題

  • 生產者消費者——橘子蘋果盤問題（注意連續執行關系）
    • mutex互斥夾緊
    • 用什么P一下
    • 提供什么V一下
  • 讀者寫者
    • 計數信號量count，用mutex保證互斥更新
    • ‘讀優先’ 的
    • ‘寫優先’ 的（增加一對P(w) ,V(w) ）
  • 哲學家進餐問題
    • semphore chopstick[5] = {1，1，1，1，1}
    • 防止死鎖的限制：
      • 5只筷子，最多允許4個人同時進餐
      • 僅當兩邊筷子都空閑時才抓起筷子（給兩個連續的P用mutex夾緊）
  • 吸煙者問題
    • finish互斥進行抽煙動作； offer1 offer2 offer3代表三種組合

死鎖

• 產生的必要條件（同時滿足四個）
  • 互斥 + 非搶占 + 請求并保持(有資源又請求資源) + 循環等待(A持有的被B申請)
• 不死鎖最少設備數：
  • n1-1 + n2-1 +……+ 1
• 處理策略
  • 死鎖預防
    • 破壞4個必要條件其中之一（一次申請所有資源/按編號順序申請資源）
  • 銀行家算法（死鎖避免）
    • 安全狀態（不安全狀態可能死鎖）
    • 銀行家算法
      • 已知條件： MAX矩陣、Allocation矩陣
      • 求Need矩陣
      • 比較request[i] <= Need[i]
      • 比較request[i] <= Available[i]
      • 試探性分配，更新 Allocation、Need矩陣，Available向量
      • 安全性算法，安全才正式分配，否則打回請求
    • 安全性算法
      • 工作向量Work，初始Work = Available
      • 依次從Need矩陣找<=Work的行Pi
      • Pi加入安全序列，釋放其資源，Work += Allocation[i]（注意是加Allocate[i], 不要加need！）
      • 直至所有進程進入安全序列，否則是不安全狀態
  • 死鎖檢測及解除
    • 資源分配圖
      • 簡化邊（資源能滿足結點P1的請求，則消去結點P1的請求邊分配邊）
    • 死鎖定理（S為死鎖 等價于 S的資源分配圖不可完全簡化）
    • 死鎖解除
      • 搶占資源、撤銷進程、回退進程

三、內存管理

邏輯地址空間分為很多頁，物理地址空間分為塊（頁框）

程序執行

• 編譯
• 鏈接（邏輯地址形成階段，目標模塊和庫函數連一起形成完整裝入模塊）
  • 程序的指令里使用的是邏輯地址，而最后被裝入到物理地址，需要轉換
  • 也分三個時機：裝入前、裝入時、運行時
• 裝入（把程序放入內存）
  • 絕對裝入 （編譯時就把指令中地址改為絕對地址，只適用于單道程序）
  • 可重定位裝入 （裝入時進行地址轉換，對指令和數據中的地址進行修改）
    • 又叫靜態重定位，一旦裝入必須分配其所需全部內存空間
  • 動態重定位
    • 不是裝入時立即轉換，而是推遲到程序要開始執行時
    • 需要一個重定位寄存器（存起始位置）
• 內存保護（一對寄存器）
  • 邏輯地址 < 界地址寄存器， +重定位寄存器 映射成物理地址

內存早期擴充技術

• 覆蓋
• 交換：對交換的管理以提高換入換出速度為目標

內存連續分配

用戶進程在內存中都是連續存放的

• 單一連續（單任務）
• 固定分區分配（提前固定大小分區，有內部碎片）
• 動態分區分配（換入換出，無內部碎片，產生外部小碎片）
  • 可通過‘緊湊’整理外部碎片
  • 動態分區分配策略
    • 首次適應（按地址遞增第一個能滿足） 性能最好
    • 最佳適應/最壞適應（分別找最小能滿足/最大能滿足）

非連續分配

進程的空間可分散分布在內存不同區域，需要額外索引

分頁/分段 根據分區大小是否固定：

• 分頁存儲管理

  以頁/塊為單位申請空間，不會產生外部碎片，有很小內部碎片

  • 區分頁表大小，頁表項大小，頁號和頁框號(塊號)

  • 地址變換流程

    有個頁表寄存器，存放（頁表始地址，頁表長度）

    邏輯地址：頁號|頁內偏移

    段表項：<頁號，塊號>

  • 由邏輯地址、頁面大小得 頁號(P=A/L) 頁內偏移(W=A%L)
  • 比較頁號和頁表長度（有無越界,產生中斷）
  • 對應頁表項地址 = 頁號P*頁表項長度 + 頁表始地址
  • 該頁表項內容即為物理塊號b
  • 物理地址 E = 塊號b*頁面大小L + 頁內偏移W

  • 多級頁表？

    • 隱藏條件：頂級頁表最多只能有一個頁面 !
    • 目的：建立索引，不浪費主存空間去存儲所有頁表項
    • 地址格式： <一級頁號，二級頁號，頁偏移>
    • （需要多次訪存）

  • 快表（TLB）？

    • 無快表，需要兩次訪存，一次讀頁表一次取指令
    • 給出頁號，在快表中查找，找到則只需一次訪存取指令
    • 未找到，就去主存中頁表，并將該頁表項存入快表

• 分段存儲

  按照用戶進程中的自然段劃分空間，不會產生內部碎片

  段內連續 段間不連續，每段長度不一定相同

  • 邏輯地址：段號|段偏移 （必須都由用戶顯示提供，二維）

  • 段表項： <段號，段長度，本段起始地址>

  • 地址變換

    段表寄存器，存放段表始地址，段表長度

  • 邏輯地址得段號、段偏移（比較段表長，有無越界）
  • 對應段表項地址 = 段號*段表項長度 + 段表始地址
  • 該段表項前幾位是段長，比較 段內偏移 < 段長
  • 物理地址 E = 本段起始地址 + 段內偏移

• 段頁式存儲管理

  進程地址空間先分為段，再分為邏輯頁（內存分為若干對應塊）

  • 一個段表，每段一個頁表
  • 邏輯地址： 段號|頁號|頁內偏移
  • 段表項<段號，頁表長度，頁表始址> 頁表項<頁號，內存塊號>
  • 地址變換：
• 段號以及段表寄存器找到段號對應的頁表的起始地址，
• 再根據地址位中的頁號*頁表長度加上始址得到頁表項對應的地址，
• 根據頁表項，找到對應的物理塊號
• 得到物理地址 E = 塊號+頁內偏移 （三次訪問內存）

虛擬內存

通過使用外存上的空間進行換入換出來虛擬地擴大內存空間

• 特點
  • 多次：進程無需一次性裝入內存，而是分多次部分調入
  • 對換：無需運行時一直在內存中，允許換進和換出
  • 虛擬性：用戶看到的容量遠大于實際內存容量
• 實現
  • 請求分頁
    • 缺頁中斷：要訪問的頁面不在內存中時，將缺頁進程阻塞
      • 把所缺頁調入內存
      • 內存有空閑塊，分配一個塊給該頁，修改相應頁表項
      • 內存無空閑塊，淘汰某頁（被修改過的頁要寫回外存）
    • 頁表項： <頁號，塊號，狀態位，訪問位，修改位，外存地址>
    • 地址變換：
      • 找到了要訪問的頁，則修改其訪問位、修改位
      • 狀態位表示是否在內存中
  • 請求分段
  • 請求段頁式

頁面置換算法

選擇該從內存中調出哪一頁（初始化后前幾次都是缺頁的）

• 最佳置換算法 OPT
  • 調換出之后最長時間內不再被訪問的頁面
• 先進先出置換算法 FIFO
  • 換出最早進入內存的頁面
  • 會出現BELADY異常（分配的物理塊數增大，頁故障數反而也增大）
• 最近最久未使用 LRU算法
  • 換出最近最長時間內未訪問過的頁面
  • （需要寄存器和棧的硬件支持）
• 時鐘Clock算法(最近未用算法)
  • 簡單CLOCK
    • 每幀有一個 使用位，被裝入或被訪問時都置為1
    • 循環掃描
      • 遇到使用位為0的，則替換
      • 使用位為1的，則此次把它置成0
  • 改進的CLOCK
    • 增加 修改位
    • 首先換出 未被訪問的頁面，再選擇 未被修改的頁面
    • 優點：替換時首選沒有變化的頁

頁面分配策略

• 固定分配局部置換（提前為進程分配固定數目的物理塊，換出只能用本進程物理塊
• 可變分配全局置換（維持一個空閑物理塊隊列，換頁時從該隊列分配物理塊
• 可變分配局部置換（用本進程物理塊換出，但隊列會調控不同進程物理塊數目
• 調頁時機：
  • 預調頁、請求調頁（運行時調入）
• 從何處：
  • 外存中有 文件區、對換區（更快，放的是被換出的頁面）

工作集

? 駐留集：給一個進程分配的物理頁框的集合

? 工作集就是在某段時間間隔（窗口：最近K次）內進程訪問過的頁面集合

? 為防止抖動，分配的駐留集要大于工作集大小

抖動

? 又叫顛簸，指一個進程頻繁地換入換出，調換的時間大于執行的時間

四、文件管理

邏輯：盤塊/ “簇” 物理：磁盤扇區

邏輯結構

文件內部的邏輯結構，是由用戶看到的用戶定義的

• 無結構文件（流式文件）

  源程序文件、目標代碼文件通常是無結構文件，以字節為單位

• 有結構文件(記錄式文件)

  • 順序文件

    • 文件中的記錄順序排列

  • 索引文件

    區分索引文件(邏輯結構）與索引分配(存儲結構）

    • 索引文件：用戶建立索引，方便檢索記錄， <關鍵字-》記錄的邏輯地址>
    • 索引分配： 操作系統建立索引表，映射： <邏輯塊號-》物理塊號>

  • 索引順序文件

    • 順序文件分為若干組，先通過索引找到其所在組，在組內順序查找

目錄結構

多個文件在邏輯上是如何組織的

• 文件控制塊FCB

  存放文件描述信息，如文件名、物理位置、文件大小、權限等

• 索引節點inode

  文件描述信息單獨形成 索引結點inode，每個文件都有一個索引結點

  包括文件標識符、類型、權限，以及物理地址項（直接或間接）

  ? 文件被打開后，索引結點會被加載到內存中

• 目錄的兩種方式：

  • 方式一：一個FCB就是一個文件目錄項
  • 方式二(索引結點)：目錄項僅由 <文件名，i結點指針> 組成。

• 目錄的幾種結構

  • 單級：整個文件系統只有一張目錄表，不允許重名
  • 二級：分為主目錄和用戶目錄兩級
  • 多級(樹形)目錄：用路徑名標識文件，/作為分隔符（但級數越多磁盤訪問次數多）
  • 無環圖目錄結構：樹形基礎上增加了指向同一結點(共享節點)的邊，
    • 實現文件共享（多個進程共享同一文件，系統中只需一個副本）
      • 硬鏈接：多個指針指向同一個 i 結點，只要還有一個指針指向該i結點，它就不能被刪除，只是用戶刪除自己的一個目錄項
        • 軟鏈接(符號鏈接)：把到達共享文件的路徑記錄為一個文件保存在用戶的目錄下，只有文件擁有者才有指向索引節點的指針

目錄實現： 線性表/哈希表

? 目錄查詢要不斷io，因此把當前使用的文件目錄復制到內存

文件分配

文件分配即文件物理結構(存儲結構)，注意與內部邏輯結構區分

• 連續分配

  要求每個文件在磁盤上占有一組連續的塊

  • 支持順序訪問和隨機訪問
  • 只適用于長度固定的文件

• 鏈接分配

  文件即對應磁盤塊鏈表，訪問磁盤n次

  • 隱式鏈接分配：

    • 目錄指向首塊，每個盤塊都有指針指向下一磁盤塊

  • 顯式鏈接分配：

    • 整個系統使用一張文件分配表FAT，FAT表在內存中
    • FAT表項：<盤塊號，下一盤塊號> -1代表文件結尾，-2為空閑盤塊

  • 只能順序訪問，不支持隨機訪問，易擴展

• 索引分配

  每個文件有一個索引塊，存著索引表，表項為 <第i條，指向文件第i盤塊的指針>

  • 支持隨機訪問和順序訪問，但索引表增加了存儲開銷
  • 一個索引塊通常大小為一個磁盤塊（通常先讀入內存以減少一次IO）
  • 混合索引
    • 既采用直接地址，又采用單級索引、多級索引
  • 若m級索引，訪問磁盤m+1次
    • 若修改記錄，則需要‘寫回’磁盤，還需多一次訪問磁盤

存儲空間管理

實質：對空閑塊的組織、分配、回收

• 空閑表法（為所有空閑盤塊建立一張表，連續分配）

• 空閑鏈表法（把所有空閑盤塊/盤區用指針連接為一張鏈表）

• 位示圖

  • 用二進制的一位 表示一個盤塊的使用，‘1’已占用，‘0’空閑
  • 注意轉換行號列號(區分從‘0’還是**‘1’編號**) i=(b-1)/n +1 ; j = (b-1) mod n +1

• 成組鏈表法（空閑扇區之間用鏈表，扇區內部建空閑表）

磁盤調度算法

磁道（同心圓）、扇區（即盤塊，弧形塊），各扇區數據量相同

• 先來先服務
• 最短尋找時間優先
  • 優先服務最近的請求，會產生“饑餓”
• 掃描SCAN算法
  • 指定方向上最近的，一個方向一直到頭才變更方向
  • LOOK調度：到達最遠端的請求即可返回，不必到頭
• 循環掃描C—SCAN
  • 只有一個方向提供服務，回時方向快速移動不服務
  • 默認SCAN都為LOOK調度

時間計算

Ts + Tr + Tt (注意時間單位min、s、ms)

• 尋道時間 Ts = 跨磁道數n*常數 + 啟動磁臂時間
• 旋轉延遲時間：（找到數據所在扇區）
  • Tr = 1/2r (r為磁盤旋轉速度)
• 傳輸時間: Tt = 字節數b / rN (N為一個磁道上字節數)

磁盤管理

• 磁盤初始化：

  • 低級格式化（物理分區）
  • 邏輯格式化（創建文件系統）

• 引導塊（開機過程）

  • 通電，讀入位于ROM內的BIOS程序
  • 硬件自檢
  • 執行引導塊上的boot引導程序，找到磁盤上的操作系統，把它裝入內存
  • 開始運行操作系統

• 壞塊：

  處理就是標明記錄壞塊，讓系統不去使用；

  壞塊是硬件故障，無法被OS修復

五、I/O管理

I/O設備

• 1外設、2存儲設備（磁盤磁帶）、3網絡通信設備（網絡接口）

• 分類：

  • 塊設備（所有存儲的設備，因為存儲信息都以數據塊為單位）
  • 字符設備（用于數據輸入輸出的設備，基本傳輸單位是字符）

I/O控制器

就是I/O設備的電子部件，用來控制設備

組成：

? 與CPU的接口、與設備的接口、自身I/O邏輯

功能與需要部件：

• 接收識別CPU命令： 控制寄存器（存命令和參數）
• 向CPU報告設備狀態： 狀態寄存器
• 數據交換： 數據寄存器
• 地址識別： 給上述寄存器編址，通過CPU送來的地址來識別控制哪個寄存器
  • 內存映像I/O：寄存器地址與內存統一編址
  • 寄存器獨立編址：寄存器使用獨立地址

IO控制方式

控制設備和內存或cpu之間的數據傳送

• 程序直接控制（關鍵：‘’輪詢“）

  • CPU發出命令后讀取I/O模塊的狀態，一直沒準備好就會一直輪詢檢查
  • 數據傳送單位： 每次讀寫一個字
  • 數據流向： 內存——CPU——I/O設備
  • 缺點： CPU和I/O串行工作，CPU長期忙等待，利用率極低

• 中斷驅動方式

  CPU與IO控制器可并行，數據傳送單位依舊是一個字，

• CPU發出讀寫命令后，就把等待I/O的進程阻塞，切換到別的進程
• 當I/O完成時控制器會向CPU發中斷信號
• 在每個指令周期末尾檢查中斷，有則開始處理中斷
  • CPU保存當前進程運行環境信息，轉去執行中斷服務程序，從IO控制器讀寫
• CPU恢復等待I/O進程的運行環境，繼續執行

• DMA（直接存儲器存取）方式

  • 數據的傳送單位是”塊“
  • 僅在傳送數據塊開始和結束時，才需要CPU，
  • 數據流向是內存——IO設備
  • DMA控制器
    • DMA也是以字為單位讀入讀出的，讀完一塊或連續的多塊后，才給CPU發送中斷信號
    • 有命令、地址、數據寄存器，來實現設備到主機的直接數據交換
  • 缺點：讀多塊必須要求連續的多塊，離散會多次呼叫CPU

• 通道控制方式

  • ”通道“是一種硬件，人稱小CPU
  • CPU給通道發指令和通道程序在內存的位置，就做其他事
  • ‘通道’執行該通道程序（一堆事情），執行完后給CPU發中斷

層次結構

中間三層叫”I/O核心子系統“

• 用戶層軟件（庫函數）
• 設備獨立性軟件（不涉及硬件，對各種設備的公共管理工作）
  • 向用戶層提供統一接口（如read/write系統調用）
  • 執行對設備的共有操作如分配回收、設備保護、邏輯物理設備名映射
• 設備驅動程序（涉及硬件細節的所有操作，驅動IO設備工作）
• 中斷處理程序
  • 設備準備好，設備完成了I/O 都會發中斷
• 硬件（有機械部件、電子部件）

設備的分配回收

• 安全性

  • 安全分配方式（分配I/O設備后就把進程阻塞）
  • 不安全分配（分配IO后進程繼續執行）

• 分配方式

• 靜態分配（運行前分配全部資源）、動態分配（運行過程中動態申請資源）

• 數據結構：

  • 設備控制表DCT
  • 控制器控制表COCT
  • 通道控制表CHCT（以上三個代表三種資源，都有等待隊列）
  • 系統設備表SDT（整個系統所有設備情況）

  ”一個通道控制多個控制器，一個控制器控制多個設備“（樹形關系）

• 邏輯、物理設備名映射：

  • 一張邏輯設備表 LUT，表項 <邏輯地址，物理地址，驅動程序入口>
  • 進程第一次用邏輯設備名請求分配設備時，在LUT中新增一個表項
  • 之后再利用邏輯設備名請求I/O操作時，直接查找LUT表

緩沖區管理

目的：CPU很快，把數據放到內存緩沖區里，就可以去做別的事

? I/O設備慢，自己從緩沖區慢慢取數據就行，不用打擾CPU

特點：

? 只有空了才能輸入數據，只有滿了才能輸出數據

緩沖區管理策略：

• 單緩沖（1個緩沖區）
  • 兩個相互通信的機器用單緩沖區，只能半雙工（同一時刻單向）
• 雙緩沖（2個緩沖區）
  • 兩個機器雙緩沖，可以全雙工
• 循環緩沖（多個大小相等緩沖區連接為一個隊列，in指向第一個空的，out指向第一個滿的緩沖區）
• 緩沖池
  • 有三個隊列（空的、輸入隊列、輸出隊列）
  • 有四種緩沖區（收容/提走輸入和輸出）

重點：

每處理一塊數據需要花費多長時間？

? 各部件傳輸需花費時間： 設備—T—緩沖區—M—工作區—C—處理

• 單緩沖區 MAX(T,C) + M

  • 初始狀態工作區滿，緩沖區空

• 雙緩沖區 MAX( T, C+M)

  • ? 初始狀態，工作區滿，兩個緩沖區一滿一空

  記憶： MAX (設備進，CPU處理) + 內存傳 括號單緩沖區包一個雙包兩個

  ? 注意讀一個和讀多個不一樣，要加剩余處理時間 ，區分來算！

假脫機SPOOLing

可以把一臺物理設備虛擬為多臺邏輯設備，

把獨占式設備改造為共享設備

• 脫機技術：使用”外圍控制機“，脫離主機控制來進行輸入和輸出
• 組成：
  • 輸入井、輸出井（磁盤上的存儲區域）
  • 輸入輸出緩沖區
  • 輸入輸出進程
• 應用：共享打印機
  • 每個進程提出請求后，都為其在磁盤的輸出井分配一個存儲區（邏輯上獨占）
  • 每個進程的打印信息表放入任務隊列，依次輸出

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的【408考研笔记】操作系统完整知识点的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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