操作系統(tǒng)概述

計(jì)算機(jī)軟件通常分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件，操作系統(tǒng)是系統(tǒng)軟件。

操作系統(tǒng)定義及作用

能有效的組織和管理系統(tǒng)種的各種軟/硬件資源，合理的組織計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工作流程，控制程序的執(zhí)行，并且向用戶提供一個(gè)良好的工作環(huán)境和友好的接口。

操作系統(tǒng)有兩個(gè)重要的作用：一是通過資源管理提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的效率；第二，改善人機(jī)界面向用戶提供友好的工作環(huán)境。

操作系統(tǒng)特征與功能

操作系統(tǒng)的四個(gè)特征是并發(fā)性、共享性、虛擬性和不確定性。

從傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)資源管理的觀點(diǎn)來看，操作系統(tǒng)的功能可分為：

· 進(jìn)程管理：多道程序等技術(shù)來分配CPU時(shí)間片

· 文件管理：文件存儲(chǔ)空間管理、目錄管理、文件的讀寫管理和存取控制

· 存儲(chǔ)管理：存儲(chǔ)分配與回收、存儲(chǔ)保護(hù)、地址映射和主存擴(kuò)充

· 設(shè)備管理：對(duì)硬件設(shè)備的管理

· 作業(yè)管理：任務(wù)、界面管理、人機(jī)交互、圖形界面、語音控制和虛擬現(xiàn)實(shí)

操作系統(tǒng)分類與特點(diǎn)

批處理操作系統(tǒng)

分為單道批處理和多道批處理

單道的含義是可以提交多個(gè)作業(yè)，但是每次只能有一個(gè)作業(yè)能裝入內(nèi)存執(zhí)行，執(zhí)行完后會(huì)自動(dòng)執(zhí)行下一個(gè)作業(yè)，節(jié)省了人工干預(yù)的時(shí)間

多道批處理操作系統(tǒng)允許多個(gè)作業(yè)裝入內(nèi)存執(zhí)行，可以同時(shí)執(zhí)行，需要計(jì)算機(jī)資源會(huì)由CPU進(jìn)行分配，有三個(gè)特點(diǎn)：多道，宏觀上并行運(yùn)行，微觀上串行運(yùn)行

分時(shí)操作系統(tǒng)

一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與多個(gè)終端連接，將CPU工作時(shí)間劃分成許多小時(shí)間片給每個(gè)終端，這樣就能對(duì)每個(gè)用戶程序做出及時(shí)的應(yīng)對(duì)。有四個(gè)特點(diǎn)：多路性、獨(dú)立性、交互性和及時(shí)性

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

實(shí)時(shí)指對(duì)外來信息能以足夠快的速度進(jìn)行處理，并在被控對(duì)象允許的時(shí)間范圍內(nèi)做出快速反應(yīng)，對(duì)于交互能力要求不高。

實(shí)時(shí)系統(tǒng)可以分為實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)和實(shí)時(shí)信息處理系統(tǒng)，

實(shí)時(shí)系統(tǒng)與分時(shí)系統(tǒng)主要有以下三點(diǎn)區(qū)別：系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)不同、交互性的強(qiáng)弱不同、響應(yīng)的敏感時(shí)間不同

網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的主要功能包括：高效可靠的網(wǎng)絡(luò)通信、對(duì)網(wǎng)絡(luò)中共享資源的有效管理、提供電子郵件、文件傳輸、共享硬盤和打印機(jī)服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)安全管理、提供互操作能力。

一個(gè)典型的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的特性包括硬件獨(dú)立性、多用戶支持、提供目錄服務(wù)、多種客戶端支持、支持多種增值服務(wù)

網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)可以分為如下三類：集中模式、客戶端/服務(wù)器模式、對(duì)等模式

分布式操作系統(tǒng)

是由多個(gè)分散的計(jì)算機(jī)經(jīng)連接而成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)沒有主次之分，為分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置的系統(tǒng)稱為分布式操作系統(tǒng)。

分布式操作系統(tǒng)能動(dòng)態(tài)分配系統(tǒng)中的各種資源，并為用戶提供一個(gè)統(tǒng)一的界面和接口，操作使系統(tǒng)中若干計(jì)算機(jī)相互協(xié)作完成任務(wù)，并向系統(tǒng)提供統(tǒng)計(jì)、有效的接口的軟件。

分布式操作系統(tǒng)是網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的更高級(jí)形式，它保持網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)所擁有的全部功能，同時(shí)又有透明性可靠性和高性能的特點(diǎn)。

微型計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)

簡(jiǎn)稱微機(jī)操作系統(tǒng)，常用的有windows、mac os、linux。

嵌入式操作系統(tǒng)

運(yùn)行在嵌入式智能芯片環(huán)境中。

主要特點(diǎn)如下：微型化、可定制、實(shí)時(shí)性、可靠性、易移植性

操作系統(tǒng)的發(fā)展

三個(gè)因素：硬件的升級(jí)以及新的硬件的出現(xiàn)需要操作系統(tǒng)提供更多的支持；新的服務(wù)需求；修補(bǔ)操作系統(tǒng)自身的錯(cuò)誤

進(jìn)程管理

基本概念

程序與進(jìn)程

順序執(zhí)行的主要特點(diǎn)：順序性、封閉性和可再現(xiàn)性

并發(fā)執(zhí)行的特征：失去了程序的封閉性、程序和機(jī)器的執(zhí)行程序的活動(dòng)不再一一對(duì)應(yīng)、并發(fā)程序間的相互制約性。

進(jìn)程的組成

進(jìn)程是程序的一次執(zhí)行，進(jìn)程通常是由程序、數(shù)據(jù)和進(jìn)程控制塊（PCB）組成。

PCB是進(jìn)程存在的唯一標(biāo)志，內(nèi)容：進(jìn)程標(biāo)識(shí)符、狀態(tài)、位置信息、控制信息、隊(duì)列指針、優(yōu)先級(jí)、現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)區(qū)、其他。

程序描述了進(jìn)程需要完成的功能。

數(shù)據(jù)部分包括程序執(zhí)行時(shí)所需的數(shù)據(jù)及工作區(qū)。

進(jìn)程的狀態(tài)及其狀態(tài)的切換

三態(tài)模型：運(yùn)行——阻塞——就緒

五態(tài)模型：新建——就緒——運(yùn)行——阻塞——終止

掛起狀態(tài)：系統(tǒng)資源特別是主存資源已經(jīng)不能滿足進(jìn)程運(yùn)行的要求，就需要將某些進(jìn)程掛起，放到磁盤對(duì)換區(qū)，暫時(shí)不參加調(diào)度，以平衡系統(tǒng)負(fù)載。有五個(gè)狀態(tài)：活躍狀態(tài)、靜止就緒、活躍阻塞、靜止阻塞

進(jìn)程的控制

為了實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的同步互斥或者避免死鎖等問題，就需要一套控制機(jī)構(gòu)。進(jìn)程是由操作系統(tǒng)內(nèi)核中的原語實(shí)現(xiàn)的。

內(nèi)核是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件的首次延伸，是基于硬件的第一層軟件擴(kuò)充。

原語是指若干條機(jī)器指令組成的，用于完成特定功能的程序段。原語的特點(diǎn)是執(zhí)行時(shí)不能分割，即原子操作。

進(jìn)程間的通信

同步與互斥

同步是合作進(jìn)程間的直接制約問題，互斥是申請(qǐng)臨界資源間的間接制約問題。

臨界區(qū)管理的原則：有空即進(jìn)、無空則等、有限等待、有權(quán)等待。

信息量機(jī)制

整型信號(hào)量與PV操作

信號(hào)量可以分為兩種：公用信號(hào)量（實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的互斥）、私用信號(hào)量（實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的同步）。

信號(hào)量S的物理意義：S>=0表示某資源的可用數(shù)，若S<0，則其絕對(duì)值表示阻塞隊(duì)列中等待該資源的進(jìn)程數(shù)。

P操作的定義：S:=S-1,若S>=0，則執(zhí)行P操作的進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行，否則，置該進(jìn)程進(jìn)入阻塞狀態(tài)。

V操作的定義：S:=S+1，若S>0，則執(zhí)行V操作的進(jìn)程將繼續(xù)執(zhí)行；否則，則從組賽狀態(tài)中喚醒一個(gè)進(jìn)程，并將其插入就緒隊(duì)列，然后執(zhí)行V操作的進(jìn)程繼續(xù)。

利用PV操作實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的互斥

利用PV操作實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的同步?

高級(jí)通信原語

進(jìn)程通信是指進(jìn)程之間的信息交換，PV操作屬于低級(jí)通信方式。

為了提高通信的效率，傳遞大量數(shù)據(jù)，降低程序編制的復(fù)雜度，系統(tǒng)引入了高級(jí)通信方式：

共享存儲(chǔ)方式：共享某些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（或存儲(chǔ)區(qū)）實(shí)現(xiàn)進(jìn)程之間的通信。

消息傳遞方式：金成進(jìn)的數(shù)據(jù)交換以消息為單位，直接利用系統(tǒng)提供的原語來是實(shí)現(xiàn)通信。

管道通信：管道，指連接一個(gè)讀進(jìn)程和一個(gè)寫進(jìn)程，以實(shí)現(xiàn)他們之間通信的共享文件。

管道，管道的引入

如果用信號(hào)量來解決進(jìn)程的同步與互斥問題，需要在適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置PV操作，否則會(huì)造成死鎖錯(cuò)誤，編程會(huì)變得很困難。

因此，提出了另一種同步機(jī)制——管程。其基本思路：采用資源集中管理的方法，將系統(tǒng)中的資源用某種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)抽象的表示出來。采用這種方法，就可以借助數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及再其上實(shí)施操作的若干過程來對(duì)共享資源進(jìn)行管理。

進(jìn)程調(diào)度

三級(jí)調(diào)度

高級(jí)調(diào)度（我理解成從新建到就緒的過程）、中級(jí)調(diào)度（從交換區(qū)的就緒進(jìn)程調(diào)入主存）、低級(jí)調(diào)度（就緒進(jìn)程占用CPU）

調(diào)度算法

先來先服務(wù)：按照作業(yè)提交或者成為就緒狀態(tài)的現(xiàn)后次序分配CPU。有利于CPU繁忙的作業(yè)（長(zhǎng)作業(yè)），不利于I/O繁忙的作業(yè)。

時(shí)間片輪轉(zhuǎn)：給每個(gè)進(jìn)程分配時(shí)間片，可以提高資源利用率。

固定時(shí)間片（分配時(shí)間片固定）、可變時(shí)間片（變化）

優(yōu)先級(jí)調(diào)度：根據(jù)進(jìn)程所具有的優(yōu)先級(jí)來分配，總是（一般來說是概率比較大）優(yōu)先數(shù)大的占用CPU

靜態(tài)優(yōu)先級(jí)（優(yōu)先級(jí)不會(huì)改變）、動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)（會(huì)改變，例如每分配一次優(yōu)先級(jí)就會(huì)降低）

多級(jí)反饋調(diào)度：是時(shí)間片輪轉(zhuǎn)算法和優(yōu)先級(jí)算法的綜合與發(fā)展

進(jìn)程優(yōu)先級(jí)確定

對(duì)于I/O型進(jìn)程，讓其進(jìn)入最高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列

對(duì)于計(jì)算型進(jìn)程，每次執(zhí)行完時(shí)間片后都進(jìn)入更低級(jí)隊(duì)列。最終采用最大時(shí)間片來執(zhí)行，以減少調(diào)度次數(shù)。

死鎖

死鎖產(chǎn)生的原因及4個(gè)必要條件：

競(jìng)爭(zhēng)資源：當(dāng)系統(tǒng)中多個(gè)集成所共享的資源不足以同時(shí)滿足他們的要求是，將引起他們對(duì)資源的競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致死鎖。

進(jìn)程推進(jìn)順序非法：指進(jìn)程在運(yùn)行過程中請(qǐng)求和釋放資源的順序不當(dāng)，導(dǎo)致進(jìn)程死鎖。

必要條件：互斥條件、請(qǐng)求保持條件、不可剝奪條件和環(huán)路條件

死鎖的處理

死鎖預(yù)防：預(yù)先靜態(tài)分配法、資源有序分配法

死鎖避免：銀行家算法（每次分配資源前都要檢測(cè)分配后會(huì)不會(huì)進(jìn)入不安全狀態(tài)）

死鎖檢測(cè)：系統(tǒng)定時(shí)運(yùn)行一個(gè)死鎖檢測(cè)程序，如果檢測(cè)到死鎖就設(shè)法加以解除

死鎖解除：資源剝奪法、撤銷進(jìn)程法

線程

傳統(tǒng)的線程有兩個(gè)基本的屬性：可擁有資源的獨(dú)立單位；可獨(dú)立調(diào)度和分配的基本單位。

線程基本上不擁有資源，只擁有一點(diǎn)運(yùn)行中必不可少的資源，它可以與同屬一個(gè)進(jìn)程的其他線程共享進(jìn)程所擁有的全部資源。

線程可分為用戶級(jí)線程和內(nèi)核支持線程。

進(jìn)程和線程本質(zhì)上不同。

存儲(chǔ)管理

存儲(chǔ)器管理的主要功能包括主存空間的分配和回收、提高主存的利用率、擴(kuò)充主存、對(duì)主存信息實(shí)現(xiàn)有效保護(hù)。

基本概念

存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)

寄存器-主存-外存

寄存器-緩存-主存-存儲(chǔ)組織的功能外存

虛擬地址：對(duì)于程序員來說，數(shù)據(jù)的存放地址是由符號(hào)決定的，故稱符號(hào)名地址或者名地址，也叫虛擬地址。因?yàn)檫@個(gè)地址在主存中不是真實(shí)存在的。

地址空間：把程序中成為符號(hào)名的空間稱為名空間

存儲(chǔ)空間：邏輯地址空間（簡(jiǎn)稱地址空間）是邏輯地址的集合，物理地址空間（簡(jiǎn)稱存儲(chǔ)空間）是物理地址的集合

地址重定位

地址重定位是指將邏輯地址變換成主存物理地址的過程

靜態(tài)重定位：程序裝入主存時(shí)已經(jīng)完成了邏輯地址到物理地址的變換，優(yōu)點(diǎn)是無需硬件地址變換機(jī)構(gòu)的支持。缺點(diǎn)是必須給作業(yè)分配一個(gè)連續(xù)的存儲(chǔ)區(qū)域。

動(dòng)態(tài)重定位：動(dòng)態(tài)重定位是指在程序運(yùn)行期間完成邏輯地址到物理地址的變換。優(yōu)點(diǎn)：可以把主存中的碎片集中起來，以充分利用空間；不必給程序分配連續(xù)的空間，可以較好的利用較小的主存塊；可以實(shí)現(xiàn)共享。

存儲(chǔ)管理方案

分區(qū)存儲(chǔ)管理

基本思想是把主存的用戶區(qū)劃分成若干個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域分配給一個(gè)用戶作業(yè)使用且只能在自己的區(qū)域運(yùn)行。

固定分區(qū)：是一種靜態(tài)分區(qū)方式，缺點(diǎn)是已分配區(qū)中存在未用空間，可能會(huì)導(dǎo)致一些碎片空間不能使用

可變分區(qū)：動(dòng)態(tài)分區(qū)方式，分區(qū)的個(gè)數(shù)是可變的，分區(qū)的大小剛好等于作業(yè)的大小。有四種算法：最佳適應(yīng)算法，最差適應(yīng)算法，首次適應(yīng)算法，循環(huán)適應(yīng)算法。

可重定位分區(qū)：移動(dòng)所有已經(jīng)分配好的分區(qū)，使之稱為連續(xù)區(qū)域。

分區(qū)保護(hù)：防止未經(jīng)核準(zhǔn)的用戶訪問分區(qū)，常用如下兩種方式：采用上界/下界寄存器保護(hù)；采用基址/限長(zhǎng)寄存器保護(hù)

分頁存儲(chǔ)管理

將一個(gè)進(jìn)程的地址空間劃分成若干個(gè)大小相等區(qū)域，稱為頁。相應(yīng)的，將主存空間劃分成與頁相同大小的若干個(gè)物理塊，稱為塊或者頁框。在位進(jìn)程分配主存時(shí)，將進(jìn)程中若干頁分別裝入多個(gè)不相鄰接的塊中。

地址結(jié)構(gòu)：頁號(hào)/塊號(hào)+頁內(nèi)地址

當(dāng)進(jìn)程的多個(gè)頁面分配到主存的多個(gè)物理塊時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)能保證在主存中給找到頁面對(duì)應(yīng)的物理塊，因此每個(gè)進(jìn)程建立了疫彰頁面映射表，簡(jiǎn)稱頁表（頁號(hào)-塊號(hào)）。

快表：在地址映射機(jī)構(gòu)中增加一個(gè)小容量的聯(lián)想存儲(chǔ)器，聯(lián)想存儲(chǔ)器由一組高速存儲(chǔ)器組成，稱為快表。聯(lián)想存儲(chǔ)器存放的只是當(dāng)前進(jìn)程最活躍的少數(shù)幾頁的物理塊號(hào)。

兩級(jí)頁表機(jī)制：第一級(jí)是頁目錄表，存放著某個(gè)頁表的物理地址；第二級(jí)是頁表，其中每個(gè)表目所存放的是頁的物理塊號(hào)。

分段存儲(chǔ)管理

作業(yè)的地址空間按自身的邏輯關(guān)系劃分成若干個(gè)程序段，每個(gè)段是一組完整的邏輯信息，每個(gè)段都有自己的段名，且有一個(gè)段號(hào)。段號(hào)從0開始，每一段也從0開始編址，段內(nèi)地址是連續(xù)的，各段長(zhǎng)度不等。

進(jìn)程中各個(gè)段可以離散的分配到主存中不同的分區(qū)中，因此需要系統(tǒng)為每個(gè)進(jìn)程建立一張段映射表，簡(jiǎn)稱為“段表”。

分段系統(tǒng)的地址變換：系統(tǒng)設(shè)置了段表寄存器，用于存放段表基址和段表長(zhǎng)度。段是信息的邏輯的單位，因此分段系統(tǒng)的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)段的共享，而且對(duì)段的保護(hù)也十分方便。

段頁式存儲(chǔ)管理

結(jié)合了分段存儲(chǔ)管理和分頁存儲(chǔ)管理的優(yōu)點(diǎn)，克服了兩者的缺點(diǎn)。

先將整個(gè)主存劃分成大小相同的存儲(chǔ)塊，將用戶程序按程序的邏輯關(guān)系分成若干個(gè)段，并未每個(gè)段賦予一個(gè)段名，再將每個(gè)段劃分成若干個(gè)頁，以頁架位單位離散分配。

地址結(jié)構(gòu)：段號(hào)S+段內(nèi)頁號(hào)P+頁內(nèi)地址W三部分。

虛擬存儲(chǔ)管理

如果一個(gè)作業(yè)只部分裝入主存便可開始運(yùn)行，其余部分暫時(shí)留在磁盤上，在需要時(shí)再裝入主存，這樣可以有效的利用主存空間。從用戶角度看，該系統(tǒng)所具有的主存容量將比實(shí)際主存容量大得多。

程序局部性原理

時(shí)間局限性：如果一個(gè)程序中的某條指令一旦執(zhí)行，則不久的將來該指令可能再次被執(zhí)行。

空間局限性：一旦程序訪問了某個(gè)存儲(chǔ)單元，則在不久的將來其附近的存儲(chǔ)單元也最有可能被訪問

虛擬存儲(chǔ)器的實(shí)現(xiàn)

虛擬存儲(chǔ)器是具有調(diào)入功能和置換功能，能僅把作業(yè)的一部分裝入主存便可運(yùn)行作業(yè)的存儲(chǔ)器系統(tǒng)，能從邏輯上對(duì)主存容量進(jìn)行擴(kuò)充的一種虛擬的存儲(chǔ)器系統(tǒng)。

請(qǐng)求分頁系統(tǒng)：是在分頁系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了請(qǐng)求調(diào)頁功能和頁面置換功能所形成的頁式虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)。以頁面為單位。

請(qǐng)求分段系統(tǒng)：同上，請(qǐng)求調(diào)段功能……段式虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)。

請(qǐng)求段頁式系統(tǒng)：同上。

請(qǐng)求分頁管理的實(shí)現(xiàn)

因?yàn)橛行╉撁婵赡茉诖疟P上，因此需要再頁表中再添加若干項(xiàng)（）共程序再換進(jìn)、換出時(shí)參考。

請(qǐng)求分頁系統(tǒng)還在分頁系統(tǒng)的地址變換機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了某些功能，如產(chǎn)生和處理缺頁中斷、從主存中換出一頁實(shí)現(xiàn)虛擬存儲(chǔ)。

頁面置換算法

在進(jìn)程運(yùn)行中，如果發(fā)生缺頁，此時(shí)主存中又無空閑塊時(shí)，就需要從主存中調(diào)出一頁程序或數(shù)據(jù)送磁盤的對(duì)換區(qū)。這里需要一定的頁面置換算法來確定。置換算法的好壞直接影響系統(tǒng)的性能，不適當(dāng)?shù)乃惴〞?huì)導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生“抖動(dòng)”

最佳（optional）置換算法：很難實(shí)現(xiàn)，選擇最長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不會(huì)使用的頁面置換出去，一般用來評(píng)價(jià)其他置換算法的性能。

先進(jìn)先出（FIFO）置換算法：選擇主存中滯留時(shí)間最久的頁面予以淘汰。它是一種最直觀的、性能最差的算法。

最近最少（LRU）使用算法：該算法是選擇最近最少未使用的頁面予以淘汰。

最近未用（NUR）置換算法：NUR算法將最近一段時(shí)間未引用過的頁面換出，這是一種LRU的近似算法。

工作集

缺頁率的高低與每個(gè)進(jìn)程所占用的物理塊數(shù)目相關(guān)，究竟為每個(gè)進(jìn)程分配多少個(gè)物理塊才能把缺頁率保持在一個(gè)合理的水平上，為了解決這個(gè)問題，引入了工作集理論。

設(shè)備管理

設(shè)備管理概述

設(shè)備常稱為外部設(shè)備（外設(shè)）。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，將負(fù)責(zé)管理設(shè)備和輸入/輸出的機(jī)構(gòu)稱為I/O系統(tǒng)。因此，I/O系統(tǒng)由設(shè)備、控制器、通道、總下和I/O軟件組成。

設(shè)備的分類

按數(shù)據(jù)組織分類：塊設(shè)備、字符設(shè)備

按設(shè)備的功能分類：輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、供電設(shè)備等等。

從資源角度分類：獨(dú)占設(shè)備、共享設(shè)備、虛擬設(shè)備

按數(shù)據(jù)傳輸率分類：低速設(shè)備、中速設(shè)備、高速設(shè)備

設(shè)備管理的目標(biāo)和任務(wù)

目標(biāo)是如何提高設(shè)備的利用率，為用戶提供方便統(tǒng)一的界面。

在設(shè)備管理中主要利用的技術(shù)有中斷技術(shù)、DMA技術(shù)、通道技術(shù)和緩沖技術(shù)

設(shè)備管理的主要功能是動(dòng)態(tài)的掌握并記錄設(shè)備的狀態(tài)、設(shè)備分配與釋放、緩沖區(qū)管理、實(shí)現(xiàn)物理I/O設(shè)備的操作、提供設(shè)備使用的用戶接口的訪問與控制。

I/O軟件

設(shè)備管理軟件的設(shè)計(jì)水平高低的那個(gè)了設(shè)備管理的效率。I/O軟件基本思想是分層構(gòu)造，把硬件與較高層次的軟件隔離開來，最高層的軟件則向應(yīng)用提供一個(gè)友好的、清晰且統(tǒng)一的接口。

一般分4層：中斷處理程序、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、與設(shè)備無關(guān)的系統(tǒng)軟件和用戶級(jí)軟件。

設(shè)備管理采用的相關(guān)技術(shù)

通道技術(shù)

設(shè)置通道后，CPU只需向通道發(fā)出I/O命令，通道收到命令后，從主存中取出本次I/O要執(zhí)行的通道程序并執(zhí)行，僅當(dāng)通道完成了I/O任務(wù)后才向CPU發(fā)出中斷信號(hào)。根據(jù)信息交換方式的不同，將通道分為多字節(jié)通道，數(shù)組選擇通道和數(shù)組多路通道三類。

DMA技術(shù)

是指數(shù)據(jù)與主存與I/O設(shè)備間直接成塊傳送，不需要CPU的任何干涉。實(shí)際操作由DMA硬件直接執(zhí)行完成，CPU在此期間可以做別的事情。

緩沖技術(shù)

緩沖技術(shù)可以提高外設(shè)利用率，盡可能使外設(shè)處于忙狀態(tài)。

緩沖技術(shù)可以采用硬件緩沖和軟件緩沖。

引入緩沖的主要原因：緩和CPU與I/O設(shè)備間速度不匹配的矛盾；減少對(duì)CPU的中斷頻率；提高CPU和I/O設(shè)備之間的并行性

Spooling技術(shù)

simultaneous peripheral operations on line（外圍設(shè)備聯(lián)機(jī)操作）。

所謂的spooling技術(shù)，實(shí)際上是用異類物理設(shè)備模擬另一類物理設(shè)備的技術(shù)，是使獨(dú)占使用的設(shè)別變成多臺(tái)虛擬設(shè)備的一種技術(shù)，也是一種速度匹配技術(shù)。

磁盤調(diào)度

磁盤可以被多個(gè)進(jìn)程共享，因此為了保護(hù)信息地安全，每一時(shí)刻只允許一個(gè)進(jìn)程啟動(dòng)磁盤進(jìn)行I/O操作，其 余的進(jìn)程只能等待。因此，操作系統(tǒng)應(yīng)采用一種適當(dāng)?shù)恼{(diào)度算法，使各進(jìn)程對(duì)磁盤的平均訪問時(shí)間最小。磁盤調(diào)度分為移臂調(diào)度（先）和旋轉(zhuǎn)調(diào)度（后）兩種。磁盤調(diào)度的目標(biāo)是使磁盤的平均尋道時(shí)間最少。

磁盤驅(qū)動(dòng)調(diào)度

先來先服務(wù)：最簡(jiǎn)單的磁盤調(diào)度算法，根據(jù)進(jìn)程請(qǐng)求訪問磁盤的順序進(jìn)行調(diào)度

最短尋道時(shí)間優(yōu)先：要求訪問的磁道與當(dāng)前磁頭所在磁道距離最近

掃描算法：不僅考慮到要訪問的磁道與當(dāng)前磁道的距離，更優(yōu)先的考慮到是磁頭當(dāng)前移動(dòng)方向。

單項(xiàng)掃描調(diào)度算法：規(guī)定磁頭只做單向移動(dòng)

旋轉(zhuǎn)調(diào)度算法

移動(dòng)臂定位后，有多個(gè)進(jìn)程等待訪問該柱面，如何決定這些進(jìn)程的訪問順序就是旋轉(zhuǎn)調(diào)度算法要考慮的問題。

文件管理

文件與文件系統(tǒng)

文件是具有符號(hào)名的、在邏輯上具有完整意義的一組相關(guān)信息項(xiàng)的集合。

信息項(xiàng)是構(gòu)成文件內(nèi)容的基本單位。

文件是一種抽象機(jī)制，它隱藏了硬件和實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，提供了將信息保留在磁盤上而且便于以后讀取的手段。

操作系統(tǒng)根據(jù)文件名對(duì)其進(jìn)行控制。

文件系統(tǒng)

所謂文件管理系統(tǒng)，就是操作系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)文件統(tǒng)一管理的一組軟件和相關(guān)數(shù)據(jù)的集合，專門負(fù)責(zé)管理和存取文件信息的軟件機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)稱為文件系統(tǒng)。

文件系統(tǒng)的功能包括：按名存??；統(tǒng)一的用戶接口；并發(fā)訪問和控制；安全性控制；優(yōu)化性能；差錯(cuò)恢復(fù)

文件的類型

按文件性質(zhì)和用途：系統(tǒng)文件、庫文件、用戶文件

按信息保存期限：臨時(shí)文件、檔案文件、永久文件

按文件的保護(hù)方式：只讀文件、讀寫文件、可執(zhí)行文件、不保護(hù)文件

UNIX系統(tǒng)：普通文件、目錄文件、設(shè)備文件

文件的結(jié)構(gòu)和組織

從用戶角度看到的稱為文件的邏輯結(jié)構(gòu)，從實(shí)現(xiàn)的角度看，文件在文件存儲(chǔ)器上的存放方式稱為文件的物理結(jié)構(gòu)。

文件的邏輯結(jié)構(gòu)

有結(jié)構(gòu)的記錄式文件

所有的記錄都是描述一個(gè)實(shí)體集的，有相同或不同的數(shù)據(jù)項(xiàng)，記錄的長(zhǎng)度可分為定長(zhǎng)和不定長(zhǎng)兩類

定長(zhǎng)記錄

文件中所有記錄的長(zhǎng)度相同。

變長(zhǎng)記錄

指文件中所有記錄的長(zhǎng)度不相同。

無結(jié)構(gòu)的流式文件

文件體為字節(jié)流，不劃分記錄。

文件的物理結(jié)構(gòu)

文件的物理結(jié)構(gòu)是文件的內(nèi)部組織形式，即文件在物理存儲(chǔ)設(shè)備上的存放方法。

連續(xù)結(jié)構(gòu)

也稱為順序結(jié)構(gòu)，將邏輯上連續(xù)的文件信息依次存放在連續(xù)編號(hào)的物理塊上。為了解決增刪操作的不便，可以采用連續(xù)結(jié)構(gòu)的文件配置一個(gè)運(yùn)行記錄文件或稱為事務(wù)文件，例如每4個(gè)小時(shí)，將運(yùn)行記錄文件與原來的文件合并。

鏈接結(jié)構(gòu)

鏈接結(jié)構(gòu)也稱為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，它將邏輯上連續(xù)的文件信息存放在不連續(xù)的物理塊中，每個(gè)物理塊設(shè)有一個(gè)指針指向下一個(gè)物理塊。

索引結(jié)構(gòu)

將邏輯上連續(xù)的文件信息存放在不連續(xù)的物理塊中，系統(tǒng)為每個(gè)文件建立一張索引表。

多個(gè)物理塊的索引表

根據(jù)一個(gè)文件的大小不同，其索引表占用的物理塊的個(gè)數(shù)不同。

文件目錄

系統(tǒng)必須為每個(gè)文件設(shè)置用于描述和控制文件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它至少要包括文件名和存放文件的物理地址，這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)稱為文件控制塊（FCB），文件控制塊的有序集合稱為文件目錄。

文件控制塊

基本信息類、存取控制信息類、使用信息類

目錄結(jié)構(gòu)

一級(jí)目錄結(jié)構(gòu)：整個(gè)系統(tǒng)中只需建立一張目錄表，系統(tǒng)為每個(gè)文件分配一個(gè)目錄項(xiàng)

二級(jí)目錄結(jié)構(gòu)：由主文件目錄和用戶目錄組成，主文件目錄存放用戶目錄。

多級(jí)目錄結(jié)構(gòu)：也稱為樹型目錄結(jié)構(gòu)，linux或者windows用的就是這個(gè)。

存取方法和存儲(chǔ)空間的管理

文件的存取方法

是指讀取讀寫文件存儲(chǔ)器的一個(gè)物理塊的方法，通常有順序存取和隨機(jī)存取兩種方法。

文件存儲(chǔ)空間的管理

將文件保存到外部存儲(chǔ)器上必須知道有哪些空閑空間，因此文件系統(tǒng)必須對(duì)磁盤空間進(jìn)行管理。外存空閑空間管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)通常稱為磁盤分配表。常用的空閑空間的管理方法有空閑區(qū)表、位示圖、空閑塊鏈和成組鏈接法

空閑區(qū)表

將外存空間上的一個(gè)連續(xù)的未分配區(qū)域稱為“空閑塊”，每個(gè)表項(xiàng)表示一個(gè)空閑區(qū)?？臻e表中包括序號(hào)、空閑區(qū)的第一塊號(hào)、空閑塊的塊數(shù)和狀態(tài)等信息。

位示圖

在外存上建立一張位示圖，記錄文件存儲(chǔ)器的使用情況。每一位對(duì)應(yīng)文件存儲(chǔ)器上的一個(gè)物理塊

空閑塊鏈

每個(gè)空閑物理塊有指向下一個(gè)空閑物理塊的指針

成組鏈接法

UNIX系統(tǒng)采用此方法，例如在實(shí)現(xiàn)時(shí)系統(tǒng)將空閑塊分成若干組，每100個(gè)空閑塊為一組，每組的第一個(gè)空閑塊登記了下一組空閑塊的物理盤塊號(hào)和空閑塊總數(shù)。

文件的使用

為了文件安全和保護(hù)起見，操作系統(tǒng)為每個(gè)文件建立和維護(hù)關(guān)于文件主、訪問權(quán)限等方面的信息。為此操作系統(tǒng)在操作級(jí)（命令級(jí)）和編程級(jí)（系統(tǒng)調(diào)用和函數(shù)）向用戶提供文件的服務(wù)

操作系統(tǒng)在操作級(jí)項(xiàng)用戶提供的命令有：目錄管理類指令、文件操作類命令（如復(fù)制）、文件管理類命令（如設(shè)置權(quán)限）

文件的共享和保護(hù)

文件的共享

指不同用戶進(jìn)程使用同一文件，減少由于文件復(fù)制而增加的訪問外存的次數(shù)。采用文件名和文件說明分離的目錄結(jié)構(gòu)有利于實(shí)現(xiàn)文件共享。

硬鏈接

指兩個(gè)文件目錄表指向同一個(gè)索引節(jié)點(diǎn)的鏈接，也就是說不同的文件名于同一個(gè)文件實(shí)體的連接。文件硬鏈接不利于文件主刪除它所擁有的文件，必須首先刪除所有的硬鏈接。

符號(hào)鏈接

符號(hào)鏈接建立新的文件或目錄，并與原來文件或目錄的路徑名進(jìn)行映射，當(dāng)訪問一個(gè)符號(hào)鏈接時(shí)，系統(tǒng)通過該映射找到原文件的路徑，并對(duì)其進(jìn)行訪問。

文件的保護(hù)

文件系統(tǒng)對(duì)文件的保護(hù)常采用存取控制方式進(jìn)行，所謂存取控制，就是不同的用戶對(duì)文件的訪問規(guī)定不同的權(quán)限，以防止被未經(jīng)文件主同意的用戶訪問。

存取控制矩陣

它是一個(gè)二維矩陣，一維列出計(jì)算機(jī)的全部用戶，另一維列出系統(tǒng)中的全部文件，矩陣中的每個(gè)元素表示存取權(quán)限，有可讀R，可寫W，可執(zhí)行X，以及它們的組合。要占據(jù)很大的空間。

存取控制表

按用戶對(duì)文件的訪問權(quán)力差別進(jìn)行分類。，因?yàn)橐粋€(gè)文件往往只與少數(shù)幾個(gè)用戶有關(guān)，因此這種分類方法可使存取控制表大大簡(jiǎn)化。

用戶權(quán)限表

以用戶或用戶組為單位將用戶可存取的文件集中起來存入表中，這稱為用戶權(quán)限表。

密碼

在創(chuàng)建文件時(shí)，由用戶提供一個(gè)密碼，在文件中存入磁盤是用改密碼對(duì)其進(jìn)行加密

系統(tǒng)的安全與可靠性

一般從4個(gè)級(jí)別上對(duì)文件進(jìn)行安全性管理：系統(tǒng)級(jí)（不允許未經(jīng)授權(quán)的用戶進(jìn)入系統(tǒng)）、用戶級(jí)（例如UNIX中將用戶分為文件主、組用戶和其他用戶）、目錄級(jí)（規(guī)定只有系統(tǒng)核心才有寫目錄的權(quán)利）和文件級(jí)（對(duì)文件屬性的設(shè)置來控制用戶對(duì)文件訪問）。

文件的可靠性

文件系統(tǒng)的可靠性是指系統(tǒng)抵抗和預(yù)防各種物理性破壞和人為性破壞的能力。

轉(zhuǎn)儲(chǔ)與恢復(fù)

日志文件

文件系統(tǒng)一致性

作業(yè)管理

作業(yè)是為完成一個(gè)用戶的計(jì)算任務(wù)（或一次事務(wù)處理）所作的工作總和。在操作系統(tǒng)中用來控制作業(yè)進(jìn)入、執(zhí)行和撤銷的一組程序稱為作業(yè)管理程序。操作系統(tǒng)可以進(jìn)一步為每個(gè)作業(yè)創(chuàng)建作業(yè)步進(jìn)程，完成用戶的工作。

作業(yè)與作業(yè)控制

作業(yè)控制

脫機(jī)控制：作業(yè)運(yùn)行的過程無須人工干預(yù)，因此用戶必須用作業(yè)控制語言（JCL）編寫成作業(yè)說明書，連同作業(yè)一起提交給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

聯(lián)機(jī)控制：操作系統(tǒng)向用戶提供了一組聯(lián)機(jī)命令，用戶可以通過終端輸入命令以控制作業(yè)的運(yùn)行過程。

作業(yè)由程序、數(shù)據(jù)和作業(yè)說明書3個(gè)部分組成。

作業(yè)狀態(tài)及轉(zhuǎn)換

作業(yè)狀態(tài)分為4種：提交、后備、執(zhí)行和完成

作業(yè)控制塊和作業(yè)后備隊(duì)列

作業(yè)控制塊（JCB）是記錄與改作業(yè)有關(guān)的各種信息的登記表。JCB是作業(yè)存在的唯一標(biāo)志，包括用戶名、作業(yè)名和標(biāo)志狀態(tài)等信息。

通常將作業(yè)控制塊排成一個(gè)或多個(gè)隊(duì)列，而這些隊(duì)列稱為作業(yè)后備隊(duì)列。

作業(yè)調(diào)度

作業(yè)調(diào)度算法

常用的作業(yè)調(diào)度算法如下：

先來先服務(wù)：作業(yè)達(dá)到的先后次序

短作業(yè)優(yōu)先：要求運(yùn)行的時(shí)間長(zhǎng)短

響應(yīng)比優(yōu)先：響應(yīng)比：=作業(yè)響應(yīng)時(shí)間/作業(yè)執(zhí)行時(shí)間； 作業(yè)響應(yīng)時(shí)間：=作業(yè)等待時(shí)間+作業(yè)執(zhí)行時(shí)間

優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法：設(shè)定優(yōu)先級(jí)

均衡調(diào)度算法：輪流從不同類別作業(yè)中挑選作業(yè)執(zhí)行，力求均衡的使用系統(tǒng)的各種資源。

作業(yè)調(diào)度算法性能的衡量指標(biāo)

用戶界面

用戶界面是計(jì)算機(jī)種實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)通信的軟/硬件部分的總稱，也成為用戶接口或者人機(jī)界面

硬件部分：輸入數(shù)據(jù)或命令的輸入裝置、輸出裝置

軟件部分：通信協(xié)議、操縱命令及其處理軟件

用戶界面可分為如下階段

控制面板式用戶界面

字符用戶界面

圖形用戶界面

新一代用戶界面