四級網絡工程師四級網絡工程師 操作系統部分操作系統部分 1 操作系統概論操作系統概論 計算機系統包括 硬件系統 軟件系統硬件系統 軟件系統 計算機系統的資源包括兩大類 硬件資源和軟件資源硬件資源和軟件資源 硬件系統 中央處理器 內存儲器 外存儲器 以及各種類型的輸入輸出設備 鍵盤 鼠中央處理器 內存儲器 外存儲器 以及各種類型的輸入輸出設備 鍵盤 鼠 標顯示器 打印機 標顯示器 打印機 軟件系統 各種程序和數據各種程序和數據 軟件系統又分為 應用軟件 支撐軟件應用軟件 支撐軟件 數據庫 網絡 多媒體 系統軟件系統軟件 操作系統 編譯器 集中了資源管理功能資源管理功能和控制程序執行功能控制程序執行功能的一種軟件 稱為操作系統 2 操作系統的任務 組織和管理計算機系統中的硬件和軟件資源 向用戶提供各種服務功能 一方面 向程序開發和設計人員程序開發和設計人員提供高效的程序設計 接口二 向使用計算機系統的用戶計算機系統的用戶提供接口 3 操作系統的特征 并發 共享 隨機并發 共享 隨機 4 操作系統的功能 進程管理進程管理 存儲管理存儲管理 文件管理文件管理 作業管理和設備管理 用戶接口作業管理和設備管理 用戶接口 5 操作系統的發展 1 手工制作 2 早期批處理 3 多道批處理 4 分時系統 6 UNIX 系統 C 語言編寫語言編寫 多用戶多用戶 多任務多任務 分時操作系統分時操作系統 樹形文件系統 7 個人計算機操作系統 20 世紀 70 年代微軟 MS DOS 單用戶單任務 1984 年蘋果操作系統 1992微軟 交互式操作系統 WINDOWS 3 1 1995window95 1991linux linux 遵循 UNIX 標準 POSIX 繼承 UNIX 全部優點 8 安卓系統 linux2 6 內核 2007 11 5 操作系統分類 1 按用戶界面的使用環境和功能特征批處理操作系統 分時操作系統 實時操作系統批處理操作系統 分時操作系統 實時操作系統 隨后的發展 多了個人操作系統 網絡操作系統 分布式操作系統 嵌入式操作系統個人操作系統 網絡操作系統 分布式操作系統 嵌入式操作系統 批處理操作系統 特點 成批處理 目標系統資源利用率高系統資源利用率高 作業吞吐率高作業吞吐率高 單位時間內計 算機系統處理作業的個數 缺點 不能直接與計算機交互 不適合調試程序 重點 1 1 一般指令和特權指令 運行模式 用戶模式 特權模式 為用戶服務的用戶模式稱作為目態用戶服務的用戶模式稱作為目態為系統專用的特權模式稱為為系統專用的特權模式稱為管態 機器指令劃分為 一般指令和特權指令 特權指令包括 輸入輸出指令 停機指令 1 2 SPOOLing 多道程序的基本思想是在內存中同時保持多大作業 主機可以以交替方式同時處理多個作業 分時系統 設計思想 分時操作系統將 CPU 的時間劃分為若干個小片段的時間劃分為若干個小片段 稱為時間片 特點 多路性 交互性 獨占性 及時性多路性 交互性 獨占性 及時性 分時系統追求的目標 是及時響應用戶輸入的交互命令 用來衡量系統及時響應的指標是響 應時間 響應時間越短越好 實時系統 是使計算機能在規定的時間內及時響應外部事件的請求 主要目標 在嚴格時間范圍內 對外部請求作出反應 系統具有高度可靠性 幾個方面的能力 1 實時時鐘管理 2 過載防護 3 高可靠性 嵌入式操作系統 高可靠性 實時性 占有資源少 智能化能源管理 易于連接 低成本高可靠性 實時性 占有資源少 智能化能源管理 易于連接 低成本 個人計算機操作系統 單用戶多任務 網絡操作系統 NOS 目標 相互通信及資源共享 兩種模式 集中式 分布式 分布式操作系統 特征 是一個統一的操作系統 實現資源的深度共享 透明性 自治性 集群是分布式系統的一種 網絡操作系統和分布式操作系統 主要不同在于 網絡操作系統可以構架與不同的操作系統 網絡操作系統不要求對網絡資源透明的訪問 對本地資源和異地資源訪問區別對待 分布式操作系統強調單一操作系統對整個分布式系統的管理 調度 智能卡操作系統 指令集有 ISO IEC7816 4提供的指令類型 數據管理類 通信控制類 安全控制類 四個基本功能 資源管理 通信管理 安全管理 應用管理資源管理 通信管理 安全管理 應用管理 智能卡硬件資源 CPU 存儲部件 通信接口 操作系統結構 整體式結構 層次式結構 微內核 客戶機 服務器 典型的 WINDOWS NT 操作系統第二章操作系統第二章 處理器的構成 運算器 控制器 一系列寄存器和高速緩存運算器 控制器 一系列寄存器和高速緩存 運算器 實現任何指令中的算術和邏輯算術和邏輯運算 控制器 負責控制程序的運行的流程運行的流程 寄存器 指令在 CPU 內部作出處理的過程中的暫存數據暫存數據 地址及指令信息的存儲 設備 在計算機的存儲系統中具有最快的訪問速度最快的訪問速度 高速緩存 位于 CPU 和物理內存物理內存之間 一般有內存管理單元管理 訪問速度快于訪問速度快于 內存 低于寄存器內存 低于寄存器 1 處理器中的寄存器 用戶可見寄存器用戶可見寄存器 數據寄存器 地址寄存器 條件碼寄存器 控制和狀態寄存器控制和狀態寄存器 程序計數器 PC 指令寄存器 IR 程序狀態字 PSW 大致分為 5 類訪問存儲器指令 算術邏輯指令 訪問存儲器指令 算術邏輯指令 I 0 指令 控制轉移指令 處理器控指令 控制轉移指令 處理器控 制指令制指令 2 特權指令 非特權指令 特權指令 只能由操作系統操作系統使用的指令 包括啟動某設備指令 設置時鐘指令 控 制中斷屏蔽的某些指令 清主存指令 建立保護指令 非特權指令 用戶可以使用的 2 1 處理器的狀態 劃分為管態和目態 管態管態一般指操作系統管理程序運行的狀態 又稱為特權態 系統態特權態 系統態 目態目態一般指用戶程序運行時的狀態 又稱為普通態 用戶態普通態 用戶態 目態目態 管態管態的轉換通過中斷或者異常中斷或者異常 管態管態 目態目態通過 PSW 指令 修改程序狀態字 2 2 程序狀態字 PSW包括 CPU 的工作狀態代碼 條件碼 中斷屏蔽碼 3 存儲體系 作業和程序只有存放在主存儲器 又稱內部存儲器或者內存 中才能運行 3 1 存儲器的層次結構 主要考慮的三個問題 容量 速度 成本容量 速度 成本 速度 寄存器 高速緩存 內存 硬盤存儲器 磁帶機速度 寄存器 高速緩存 內存 硬盤存儲器 磁帶機 光盤存儲器光盤存儲器 3 2 存儲保護界地址保護 存儲鍵界地址保護 存儲鍵 4 中斷和異常 4 1 中斷 CPU 對系統中或系統外發生的異步事件的響應對系統中或系統外發生的異步事件的響應 引起中斷的事件 中斷事件或中斷源 中斷向量表 程序狀態字 指令計數器 中斷技術解決了主機和外設并存工作的問題 作用 能充分發揮處理器的使用效率 提高系統的實時能力 4 2 異常 是由正在執行的指令引發的 中斷和異常的分類 典型的中斷典型的中斷 時鐘中斷 輸入輸出中斷 控制臺 硬件故障時鐘中斷 輸入輸出中斷 控制臺 硬件故障 典型的異常典型的異常 程序性中斷 訪管指令異常程序性中斷 訪管指令異常 5 中斷系統 中斷系統的組成 中斷系統的硬件中斷裝置和軟件中斷處理程序 1 中斷請求的接收 2 中斷響應 3 中斷處理 中斷信號的接收 響應和處理過程 簡要的歸納為 接收和響應中斷接收和響應中斷 保護中斷斷點現場保護中斷斷點現場 分析中斷變量 調用中斷處理程序 中斷處理結束回復現場 繼續執行分析中斷變量 調用中斷處理程序 中斷處理結束回復現場 繼續執行 5 1 幾種典型的中斷的處理中斷的處理 I 0 中斷 時鐘中斷 硬件故障中斷 程序性中斷 系統服務請求 訪管指令中斷 時鐘中斷 硬件故障中斷 程序性中斷 系統服務請求 訪管指令 5 2 中斷優先級和中斷屏蔽 多級中斷與中斷優先級 硬件硬件決定了各個中斷的優先級別 在同一中斷優先級中多個設備接口中同時又中斷請求時 固定優先數 輪轉法 固定優先數 輪轉法 5 3 中斷屏蔽 可屏蔽和不可屏蔽 機器故障中斷不可屏蔽不可屏蔽 6 系統調用 系統調用和一般過程調用區別 系統調用 調用程序在用戶態 被調用程序在系統態 一般過程調用 在相同狀態 核心或者用戶態 系統調用分類 進程控制類 文件操作類 進程通信類 設備管理類 信息維護類 7 I O 技術 I O 結構 通道 直接存儲器存取 DMA 以及緩沖技術 通道 代替代替 CPU 對對 I O 操作的控制操作的控制 從而使使 CPU 和外設和外設可以并行工作 所以稱為 I O 處理 機 DMA 技術自動控制成塊數據在內存和 I O 單元之間的傳送 緩沖技術 數據暫存技術 設置一個緩沖區 采用緩沖區的根本目的 CPU 處理數據的能力與設備傳輸數據速度不相匹配處理數據的能力與設備傳輸數據速度不相匹配 需要用緩沖需要用緩沖 區來緩解速度的矛盾 區來緩解速度的矛盾 8 時鐘 一般分為 硬件時鐘 軟件時鐘 用途分為 絕對時鐘 相對時鐘 又稱間隔時鐘 操作系統第三章操作系統第三章 進程線程模型進程線程模型 1 多道程序的設計模型 采用多道程序的設計可以提高提高 CPU 的利用率的利用率 1 1 程序的順序執行 特點 順序性 封閉性 程序執行結果的確定性 程序執行結果的可再現性 1 2 多道程序設計 通常采用并行并行操作技術 多道程序設計環境的特點 根本目的 提高整個操作系統的效率提高整個操作系統的效率 衡量系統效率的尺度 系統吞吐量系統吞吐量 指在單位時間內系統所處理作業的道數在單位時間內系統所處理作業的道數 多道程序的特點 獨立性 隨機性 資源共享性獨立性 隨機性 資源共享性 1 3 程序的并發執行 并發執行 指兩個或兩個以上的程序在計算機中同處于以開始執行且尚未結束的狀態 并發程序在執行期間具有相互制約關系 程序與計算不在一一對應 并發程序執行結果不可再現 宏觀上是同時進行的 但從微觀上 在單個 CPU 中 仍 然是順序執行的 1 4 進程模型 進程控制塊的概念 從操作系統的角度 分為系統進程和用戶進程系統進程和用戶進程 系統進程優先級高于用戶進程 進程和程序的聯系和區別 聯系 聯系 程序是構成進程的組成部分之一 從靜態角度 進程是由程序 數據和進程控制塊進程是由程序 數據和進程控制塊 組成 組成 區別 程序是靜態的程序是靜態的 進程是動態的進程是動態的 進程的特性 進程的特性 并發并發 動態動態 動態產生 動態消亡 獨立獨立 相對完整的資源分配單位 交往交往 相互作用 異步 異步 相互獨立 不可預知的前進 1 5 進程的狀態及狀態轉換 三狀態三狀態 運行 就緒 等待 就緒 運行進程被調度的程序選中 運行 就緒時間片用完 運行 等待等待某事件發生 等待 就緒等待的事件已經發生 五狀態 運行 就緒 阻塞 創建 結束運行 就緒 阻塞 創建 結束 狀態轉換 創建進程 提交 調度運行 釋放 超時 事件等待 事件出現 七狀態 運行運行 阻塞 創建 結束 就緒掛起 阻塞掛起 就緒阻塞 創建 結束 就緒掛起 阻塞掛起 就緒 新引入的狀態 掛起和激活 1 6 進程控制塊 PCB 分為調度信息和現場信息 調度信息調度信息包括 進程名 進程號 存儲信息 優先級 當前狀態 資源清單 消息隊列指進程名 進程號 存儲信息 優先級 當前狀態 資源清單 消息隊列指 針 進程隊列指針 和當前打開文件針 進程隊列指針 和當前打開文件 現場信息現場信息 程序狀態字 時鐘 界地址程序狀態字 時鐘 界地址 進程的組成進程的組成 程序 數據程序 數據 和進程控制塊和進程控制塊 FCB 組織 線性線性方式 索引 索引方式 鏈接鏈接方式 進程的隊列 就緒隊列 等待 運行就緒隊列 等待 運行 1 7 進程控制 通過原語通過原語 由若干條指令所構成 用來實現某個特定的操作 進程控制原語 創建進程 撤銷進程 掛起進程 激活進程 阻塞進程 喚醒進程 以及改 變進程優先級 創建原語 撤銷原語 阻塞原語 喚醒原語創建原語 撤銷原語 阻塞原語 喚醒原語 UNIX 通過 fork 函數函數創建子進程 1 8 線程模型 更小的獨立運行的基本單位 線程 引入線程 為了減少并發執行時所付出的時間和空間開銷 進程擁有兩個基本屬性 是一個可擁有資源的獨立單位是一個可擁有資源的獨立單位 又是一個可以獨立調度和分派的基 本單位 1 8 1 線程的基本概念 是進程中的一個實體 是是 CPU 調度和分派的基本單位調度和分派的基本單位 一個線程可以創建和撤銷另一個線程 同一個進程的多個線程之間可以并發執行 線程特性 每個線程有一個唯一的標識符合一張線程描述表 不同的線程可以執行相同的程序 同一個進程中的各個線程共享該進程的內存地址空間 線程是處理器的獨立調度單位 多個線程可以并發執行 線程的好處 花費時間少花費時間少 創建的速度比進程塊創建的速度比進程塊 系統開銷少系統開銷少 兩現成的切換花費時間少兩現成的切換花費時間少 能能 獨立運行獨立運行 線程和進程比較 線程又稱為 輕量級進程 傳統的進程稱為重量級進程 調度 線程作為調度和分派的基本單位線程作為調度和分派的基本單位 吧進程作為資源擁有的基本單位 進程作為資源擁有的基本單位 并發性 擁有資源 線程不擁有系統資源擁有資源 線程不擁有系統資源 系統開銷系統開銷 進程的開銷遠大于線程的開銷進程的開銷遠大于線程的開銷 1 8 2 線程的實現機制 第一種 用戶級線程用戶級線程不依賴于內核不依賴于內核LINUX 第二種 內核級線程內核級線程依賴內核依賴內核windows 第三種 混合實現方式混合實現方式solaris 1 9 進程 線程 調度 一般分為 高級調度 作業調度 中級調度 低級調度 進程 線程 調度 進程 線性 調度即處理機調度 2 0 調度算法的設計原則 2 0 1 進程行為 當一個進程等外部設備完成工作而被阻塞的行為屬于 I O 某些花費了絕大多數時間在計算上面的 稱為計算密集型 在等待 I 0 花費了絕大多數的時間稱為 I 0 密集型 系統分類 通常分為 批處理 交互式 實時系統 2 1 調度算法的設計目標度算法的設計目標 公平 系統策略的強制執行另一個就是保持系統的所有部分盡可能忙碌 通常檢查三個指標 吞吐量 周轉時間 吞吐量 周轉時間 CPU 利用率利用率 周轉時間 從一個批處理作業提交時刻開始直到改作業完成時刻為止統計的平均時間平均時間 2 2進程 線程 調度算法進程 線程 調度算法 先來先服務 非搶占式 先來先服務 非搶占式 最短作業優先 非搶占式 最短作業優先 非搶占式 最短剩余時間優先 搶占式最短剩余時間優先 搶占式 SPTN 輪轉法 輪轉法 R R 分成一個個時間片 分成一個個時間片影響時間片的因素 系統響應時間 就緒進程的數目影響時間片的因素 系統響應時間 就緒進程的數目 計算機的處理能力 計算機的處理能力 應該將時間片設為應該將時間片設為 20 50ms 最高優先級算法最高優先級算法 多級反饋隊列算法 綜合了先進先出 時間片 可搶占式 多級反饋隊列算法 綜合了先進先出 時間片 可搶占式 最短進程優先最短進程優先 實時系統實時系統中的調度算法 1 速率單調調度算法速率單調調度算法 RMS 2 最早最終時限優先調度最早最終時限優先調度 EDF 第四單元第四單元 并發與同步并發與同步 進程進程間的同步和互斥關系 進程同步是指多個進程中發生的事件存在某種時序關系 必須協同工作 相互配合 以共是指多個進程中發生的事件存在某種時序關系 必須協同工作 相互配合 以共 同的完成一個任務同的完成一個任務 進程互斥是指由于共享資源所要求的排他性 進程間要相互競爭 以使用這些互斥資源由于共享資源所要求的排他性 進程間要相互競爭 以使用這些互斥資源 進程互斥的解決方法 由競爭各方平等協商競爭各方平等協商 二引入進程管理者進程管理者 臨界資源是指計算機系統中的需要互斥使用的硬件或軟件資源計算機系統中的需要互斥使用的硬件或軟件資源 計算機中的資源共享的程度可分為三次 互斥 死鎖 饑餓互斥 死鎖 饑餓 互斥 是指多個進程不能同時使用同一個資源 是指多個進程不能同時使用同一個資源 死鎖 是指避免多個進程互不相讓 避免出現都得不到足夠資源的情況是指避免多個進程互不相讓 避免出現都得不到足夠資源的情況 饑餓 避免某些進程一直得不到資源或得到資源的概率很小避免某些進程一直得不到資源或得到資源的概率很小 臨界資源訪問過程臨界資源訪問過程分成 進入區 臨界區 退出區 剩余區 進入區 臨界區 退出區 剩余區 遵循的準則 空閑則入 忙澤等待 有限等待 讓權等待空閑則入 忙澤等待 有限等待 讓權等待 管程 一個管程由 過程 變量 數據結構等組成的集合 一個管程由四個部分組成 管程名稱 共享數據的說明 對數據進行操作的一組進程和對 管程名稱 共享數據的說明 對數據進行操作的一組進程和對 公共享數據賦初值的語句公共享數據賦初值的語句 管程三個主要特征 模塊化模塊化 抽象數據類型抽象數據類型 信息隱蔽信息隱蔽 進程通信 解決進程之間的大量信息通信的問題 共享內存 消息機制 以及通過共享文件 進行通信 管道通信 都是高級通信原語 共享內存 設有一個公共內存區 消息機制消息機制 消息緩沖通信消息緩沖通信 要用發送消息原語 接收消息原語 信箱通信信箱通信 可存信件數 已有信件數 可存信件的指針 管道通信管道通信 UNIX 就是連接兩個進程之間的一個打開的共享文件 優點 傳輸數據 量大 但通信速度慢 操作系統第五章操作系統第五章 內存管理內存管理 1 計算機系統中的存儲器分為兩類 內存儲器和外存儲器 處理器可以直接訪問內存處理器可以直接訪問內存 但不但不 能直接訪問外存能直接訪問外存 CPU 通過啟動相應的輸入輸入 輸出設備輸出設備后才能使外存和內存交換信息 對于內存速度和容量的要求是 內存的直接存取速度盡量快到與 CPU 取指速度相匹配 其 容量達到能裝下當前運行的程序和數據 1 1 存儲管理的任務 存儲器由內存和外存組成 內存空間由存儲單元組成的一堆連續的地 址空間 簡稱內存空間 內存空間一般分為 系統區和用戶區系統區和用戶區 1 2 存儲管理的主要任務 1 內存的分配和回收 位示圖法 空閑頁面表 空閑塊表位示圖法 空閑頁面表 空閑塊表 內存分配兩種方式 靜態分配 靜態分配 程序運行前運行前 和動態分配動態分配 在目標模塊裝入裝入 時時確定并分配的 2 存儲共享 兩個或多個進程共用內存中的相同區域 內容包括 代碼共享和 數據共享 3 存儲保護 為多個程序共享內存提供保障 使得內存的各程序只能訪問其自 己的區域 避免各程序間的相互干擾 分為地址越界保護 和權限保護分為地址越界保護 和權限保護 4 擴充內存容量 在邏輯上擴充了內存容量 2 地址轉換 邏輯地址 從 0 開始 絕對地址就是物理地址 分為 地址重定位地址重定位 把邏輯地址邏輯地址裝換成絕對地址 絕對地址 靜態重定位靜態重定位 把程序的指令地址和數據地址全部轉換程絕對地絕對地址 在程序執行前完成 動態重定位動態重定位 直接把程序裝入到分配的內存區域中直接把程序裝入到分配的內存區域中 每當執行一條指令時都由硬件的 地址轉換機構將指令中的邏輯地址轉換為絕對地址絕對地址 由于地址轉換是在程序執行時動態完成的地址轉換是在程序執行時動態完成的 故稱為故稱為 動態重定位動態重定位 3 內存管理內存管理方案 單一用戶單一用戶 連續區連續區 管理管理 分區分區管理 頁式頁式管理 段式段式管理 段頁式段頁式管理 4 分區存儲管理方案 把內存劃分為若干個連續區域 每個分區裝入一個運行的程序 分區 的方式歸納成 固定分區和可變分區固定分區和可變分區 固定分區 在程序運行時必須提供對內存資源的最大申請量最大申請量 可變分區 在裝入程序時劃分內存分區 可變分區有較大的靈活性 比固定分區有更好地內更好地內 存利用率存利用率 移動技術 解決碎片問題的辦法是在適當的時刻進行碎片整理進行碎片整理 移動技術可以集中分 散的空閑區 提高內存的利用率 便于作業動態擴充內存 缺點 移動技術會增加系統的開銷 移動是有條件的 4 1 可變分區的實現 硬件設置兩個專用的控制寄存器 基址寄存器基址寄存器 起始地址 和限長寄限長寄 存器存器 存放長度 空閑分區的空閑分區的分配策略 最先適應算法 最優適應算法 最壞適應算法 下次適應算法 分區的保護 系統設置界限寄存器系統設置界限寄存器 保護鍵方法保護鍵方法 分區管理方案的優缺點 可變分區的內存利用率比固定分區高 缺點 內存使用仍不充分 并且存在較為嚴重的碎片問題 浪費處理機時間 覆蓋技術和交換技術 覆蓋技術和交換技術交換技術的主要區別是控制交換的方式不同 前者主要是在早期的系統中 而后 者目前主要用于小型分時系統小型分時系統 交換技術又稱為對換技術 進程從內存移到磁盤并再移回內存稱為交換 交換技術多用于分 時系統中 缺點 在交換時需要花費大量的 CPU 時間 影響對用戶的響應時間 頁式存儲管理方案 頁式存儲器使用的邏輯地址由兩部分組成 頁號和頁內地址頁號和頁內地址 塊號 字號 字長 位號 地址轉換與塊表 物理地址 內存塊號 塊長 頁內地址 頁表 多級頁表多級頁表 大多數操作系統采用二級頁表 散列頁表散列頁表 反置頁表反置頁表 快表快表 當要按給定的邏輯地址進行讀寫時 必須訪問兩次內存 第一次按頁號讀出頁第一次按頁號讀出頁 表中對應的塊號表中對應的塊號 第二次按計算出來的絕對地址進行讀寫第二次按計算出來的絕對地址進行讀寫 為了提高存取速度 采用兩種方法 一種是在地址映射機制中增加一組高速寄存器保 存頁表 另一方法是在地址映射機制中增加一個小容量的聯想存儲器 相聯存儲器 虛擬存儲技術與虛擬頁式存儲管理方案的實現 虛擬存儲技術虛擬存儲技術 利用大容量的外存來擴充內存利用大容量的外存來擴充內存 簡稱虛存 虛擬存儲技術同交換技術在原理上市類似的 交換技術交換技術是以進程進程為單位進行的 而虛擬存儲虛擬存儲 一般是以頁或段頁或段為單位 虛擬頁式存儲管理 頁號 有效號 頁框號 訪問位 修改位 保護位 禁止緩存位 缺頁中斷 要訪問的頁面不在內存中 要訪問的頁面不在內存中 頁面調度策略頁面調度策略 調入策略調入策略 外存調入內存 置業策略 置業策略和置換策略置換策略 置換策略置換策略分為 固定分配局部置換固定分配局部置換 可變分配全局置換可變分配全局置換 可變分配局部置換可變分配局部置換 頁面置換算法 剛被調出的頁面又要立即要用 因而又要把他裝入 頻繁的調度 這種現象稱為抖動或者抖動或者 顛簸顛簸 頁面置換算法有 先進先出頁面置換算法先進先出頁面置換算法 fifo 最近最少使用頁面算法最近最少使用頁面算法 LRU 最近最不最近最不 常使用頁面置換算法常使用頁面置換算法 LFU 理想頁面置換算法理想頁面置換算法 OPT 最近未使用頁面置換算法最近未使用頁面置換算法 NRU 第二次機會頁面置換算法 時鐘頁面置換算法 第二次機會頁面置換算法 時鐘頁面置換算法 clock 缺頁中斷率 影響缺頁中斷率的因素 分配給程序的內存塊數 頁面的大小 程序編制方法 頁面置換算法 段式和段頁式存儲管理方案 系統將內存空間動態分為若干個長度不同的區域 每個區域稱作一個物理塊 每個物理塊在 內存中有一個起始地址 稱作段首止 從 0 開始編址 用戶程序的邏輯地址由段號和段內地 址組成 自己細看 段式存儲 操作系統第六單元操作系統第六單元 文件管理文件管理 文件 解釋成為一組帶有標識的 在邏輯意義有完整的意義的信息項的序列 這個標識為文 件名 信息項是構成文件內容的基本單位信息項是構成文件內容的基本單位 文件系統的文件名 solaris 的的 UFS 長度可達 255 個字符 FAT12 MS DOS 8 個字符 外加 句點和 3 個字符的拓展名 NTFS 也可達到 255 個字符 FAT12 不區分大小寫不區分大小寫 EXT2 區分大小寫 區分大小寫 FAT12 只使用只使用 ACSII MS DOS 和和 windows 2000 XP 對不同的后綴有特定的解釋 對不同的后綴有特定的解釋 文件系統 是操作系統中統一管理信息資源的一中軟件 文件系統還負責對文件的按名存取 按名存取 文件分類 按文件的用途用途 系統文件 庫函數文件 用戶文件系統文件 庫函數文件 用戶文件 按文件組織形式組織形式 普通文件普通文件 目錄文件目錄文件 特殊文件特殊文件 一些常見的文件分類格式 按文件的保護保護方式 只讀文件 讀寫文件 可執行文件 無保只讀文件 讀寫文件 可執行文件 無保 護文件護文件 信息流向 輸入 輸出 輸入輸出 按存放時限 臨時 永久 檔案文件 按文件的介質類型介質類型 磁盤文件 磁帶文件 卡片文件 打印文件磁盤文件 磁帶文件 卡片文件 打印文件 組織結構 邏輯文件邏輯文件 流式文件和記錄式文件流式文件和記錄式文件 物理結構 順序文件 鏈接文件順序文件 鏈接文件 索索 引文件引文件 UNIX 類操作系統的文件分類 普通文件 目錄文件 特殊文件普通文件 目錄文件 特殊文件 文件的結構 文件的邏輯結構邏輯結構 分為三類 無結構的字符流式文件 定長記錄文件和不定長記錄文件無結構的字符流式文件 定長記錄文件和不定長記錄文件 定長記錄文件和不定長記錄文件統稱為記錄式文件記錄式文件 流式文件 是有序字符的集合 UNIX 是流式文件結構 是流式文件結構 記錄式文件 是一組有序記錄的集合 構成文件的基本單位是記錄記錄 記錄式文件分 為 定長記錄文件和不定長記錄文件定長記錄文件和不定長記錄文件 文件的物理結構 常見的文件的物理結構 順序結構 鏈接結構 索引結構 物理結構 順序結構 鏈接結構 索引結構 I 節點結構節點結構 windows 的的 FAT 文件系統采用的是鏈接結構鏈接結構 文件的存儲介質 文件在存儲設備上的存取 順序存取設備 磁帶 隨機存取設備 典型設備磁盤 磁盤上每個物理塊的位置位置可以用柱面號 磁頭號 扇區號柱面號 磁頭號 扇區號表示 一次訪問磁盤的時間一次訪問磁盤的時間由尋道時間 旋轉定位時間 數據傳輸時間尋道時間 旋轉定位時間 數據傳輸時間所組成 文件的存取方式 順序存取 隨機存取順序存取 隨機存取 又稱為直接存取 UNIX 系統采用了順序存取和系統采用了順序存取和 隨機存取兩種方法 隨機存取兩種方法 文件目錄 文件系統的一個特點是按名存取 為了管理大量文件 為每個文件都設置了一個 描述性數據結構 文件控制塊文件控制塊 FCB 把所有文件的文件控制塊有機組織起來 就構成了文 件控制塊的一個有序集合 稱為文件目錄文件目錄 目錄文件 文件目錄以文件的形式保持起來 這個文件就被稱為目錄文件 目錄文件是長度目錄文件是長度 固定的記錄式文件 固定的記錄式文件 文件目錄結構 一般吧文件目錄設計成一級目錄 二級目錄結構 多級目錄結構 二級目錄分為兩級 主文件目錄 用戶文件目錄主文件目錄 用戶文件目錄缺點 增加了系統開銷 樹形目錄 高層次為根目錄根目錄 最底層為文件文件 樹形目錄優點 便于分類 層次清楚 解決了文件重命名問題 查找搜索速度快 一個一個 UNIX 系統的根目錄由系統的根目錄由 bin etc lib tmp usr 路徑名 當前正在使用的目錄 當前目錄 有兩種路徑檢索的方法 一種是全路徑名 又稱為絕對路徑名 另一種是相對路徑 文件目錄的改進 FCB 分為符號目錄項和基本目錄項 目錄項分解法優點 減少了訪問磁盤的次數 提高了文件目錄檢索速度 存儲空間的分配與回收存儲空間的分配與回收 四種不同的方案 位示圖 空閑塊表 空閑塊鏈表 成組鏈接位示圖 空閑塊表 空閑塊鏈表 成組鏈接 成組鏈接的管理方式比普通的鏈接方式效率高 實現文件系統的表目 系統打開文件表 用戶打開文件表 關系 用戶打開文件表指向了系統打開文件表 記錄的成組與分解 大概看看 158 頁 文件的操作 建立文件 用戶名 文件名 存取方式 存儲設備類型 記錄格式 記錄長度 建立文件的實質是建立文件的文件控制塊 FCB 文件的保護和安全 文件的共享 在多級目錄中 鏈接法是常用的實現文件共享技術 矩形表示目錄 圓圈表示文件矩形表示目錄 圓圈表示文件 UNIX 采用了別名的方式采用了別名的方式 文件的保護 建立副本 定時轉儲 規定文件的存取權限建立副本 定時轉儲 規定文件的存取權限 采用樹形目錄結構 存取控制表 文件的存取權限存取權限 1 存取控制矩陣存取控制矩陣 2 二級存取控制二級存取控制 3 UNIX 中的文件存取權限中的文件存取權限 文件屬主或文件擁有者 owner 文件屬組的同組用戶 group 其他用戶 other 文件的保密 措施 1 隱蔽文件目錄 2 設置口令 3 使用密碼 文件系統的性能 物理基礎是磁盤設備 常見的提高文件系統的技術高文件系統的技術 塊高速緩存 磁盤空間的合理分配 對磁盤調度算法進行優塊高速緩存 磁盤空間的合理分配 對磁盤調度算法進行優 化化 磁盤的驅動調度 磁盤的驅動調度 磁盤的存取訪問時間 尋道時間 旋轉延遲時間 傳輸時間尋道時間 旋轉延遲時間 傳輸時間 設計磁盤調度算法考慮的因素 公平性 高效性 1 移臂調度移臂調度 根據訪問者指定的柱面位置來決定執行的次序 目的在于減少操作中的尋找 時間 一般采用以下幾種移臂調度算法 先來先服務 先來先服務 FCFS 最短尋道時間優先算法 最短尋道時間優先算法 SSTF 掃面算法 掃面算法 SCAN 循環掃描算法 循環掃描算法 S SCAN RAID 技術 RAID0 采用多個磁盤并行以提高讀寫速度 1 用磁盤鏡像的方法提高存儲的可 靠性 2 和 3 以位或者字節作為并行單位 4 的并行單位是塊 WINDOWS 的 FAT 和 UNIX 系統 FAT file allocation table 簡單的目錄結構 三個版本 FAT 12 16 32 FAT 系統以簇以簇 為單位分配 引導扇區 文件分配表 根目錄 大小為 32 字節 UNIX 文件系統 三級索引結構 操作系統第七單元操作系統第七單元 I O 設備管理設備管理 輸入輸出設備 I O 設備 也稱為外部設備 狹義的 I O 設備不包括外存設備 廣義的就是 上述所說 設備管理師操作系統總體性能的重要決定因素 重要表現指標和常見瓶頸之一 設備管理的任務 CPU 性能越高 I O 設備性能同 CPU 性能不匹配的反差也越大 操作系操作系 統通過緩沖技術 中斷技術 虛擬技術解決這一問題 統通過緩沖技術 中斷技術 虛擬技術解決這一問題 設備的分類 按設備的使用特使用特性分類 I O 設備和存儲設備設備和存儲設備 I O 設備室計算機與外部世界交換信息的設備 調制解調器和網絡適配器也處于調制解調器和網絡適配器也處于 I O 設備設備 用于構建計算機網絡通信系統 存儲設備是計算機用來存放信息的設備 如磁帶 磁盤 光盤 U 盤 按設備的信息組織方式來劃分 按設備的信息組織方式來劃分 字符設備和塊設備字符設備和塊設備鍵盤 終端 打印機等以字 符為單位組織的和處理信息的設備為字符設備 而磁盤 磁帶等以數據塊為單位組織和處理 信息的為塊設備 按設備的共享性分類按設備的共享性分類 共享設備共享設備 獨占設備獨占設備 虛擬設備虛擬設備 磁盤是典型的共享設備 獨占設備的使用效率低是造成死鎖的條件之一 為此引入了虛擬設備的概念 虛擬設備是 指虛擬技術吧獨占設備改造成可以由多個進程共享的設備 SPOOLING 技術室非常重要的 虛擬設備技術 I O 硬件組成 I O 端口地址端口地址主要有兩種編止方式 內存映射編址和內存映射編址和 I O 獨立編址 獨立編址 I O 設備數據傳送控制方式 程序直接控制方式程序直接控制方式 中斷控制方式 中斷控制方式 DMA 方式 通道控制方式 方式 通道控制方式 程序直接控制方式 優點 CPU 和外設的操作能通過狀態信息得到同步 缺點是 CPU 效率較 低 適用于那些 CPU 執行速度較慢 外圍設備少的系統 如單片機 中斷控制方式 CPU 與外設大部分時間內并行工作 具有實時響應能力 及時處理異 常情況 提高計算機的可靠性 DMA 方式 直接內存訪問 是一種完全由硬件執行 I O 數據交換的工作方式 DMA 控 制器從 CPU 完全接管對總線的控制完全接管對總線的控制 數據交換不經過數據交換不經過 CPU 而直接在內存和 I O 設備之間 進行 DMA 方式分為三個階段 傳送前預處理 數據傳送 傳送后處理 傳送前預處理 數據傳送 傳送后處理 通道控制方式 可以實現對外圍設備的統一管理和外圍設備與內存之間的數據傳送 目 的是為了進一步減少數據輸入輸出對整個系統運行效率的影響 可分為三種通道 選擇通道 數組多路通道 字節多路通道選擇通道 數組多路通道 字節多路通道 選擇通道和數組多路 通道都是以數據塊為單位 I O 軟件的特點及結構 最關鍵目標 設備獨立性 I O 軟件一搬分為四層軟件一搬分為四層 中斷處理程序中斷處理程序 設備驅動程序設備驅動程序 與設備無關的操作系統軟件與設備無關的操作系統軟件 用戶用戶 級軟件 級軟件 與設備無關的系統軟件 統一命名 設備保護 提供與設備無關的邏輯塊 緩沖 存儲設備 的塊分配 獨占設備的分配與釋放 出錯處理 獨占設備 SPOOLING 系統是操作系統中處理獨占設備的一種方法系統是操作系統中處理獨占設備的一種方法 典型的 I O 技術 緩沖技術和設備分配技術 SPOOLINH 技術 DMA 和通道技術 緩存技術是以空間換時間空間換時間 緩沖區的設置 緩沖區可以由硬件實現 稱為硬緩沖 通常在 打印機中 緩沖區也可以由軟件實現 通常采用單緩沖 雙緩沖 多緩沖 緩沖池技術 設備分配技術 設備分配算法的數據結構 系統設備表系統設備表 SDT 設備控制表設備控制表 DCT 控制器控控制器控 制表制表 COCT 通道控制表通道控制表 CHCT 設備分配的原則 考慮設備