作業系統
第三章 作業系統
1、作業系統概念：一是管理系統中的各種資源；二是給用戶提供一個友好的界面，
2、作業系統包括以下3個基本特征：并發性、共享性、隨機性，
3、功能：行程管理、存盤管理、作業管理、檔案管理、設備管理
4、作業系統型別
（1）批處理作業系統：成批、多道，互動性不強，系統目標：提高資源利用率、作業吞吐量和作
業流程自動化，
（2）分時作業系統：多路、互動性、獨立性、及時性
（3）實時系統（實時控制、實時資訊處理）：及時、可靠
（4）嵌入式作業系統：高可靠性、實時性、占資源少、智能化、易連接、低成本等，
5、作業系統與用戶的介面：程式級介面：系統呼叫命令組成，操作級介面：提供操作命令
6、作業系統的硬體環境（CPU、存盤體系、中斷系統、I/O控制和時鐘）
（1）CPU：CPU狀態：管態（CPU執行作業系統程式）和目態（CPU執行用戶程式）
目態到管態的轉變的唯一途徑是中斷，通過修改程式狀態字實作管態和目態的轉換
（2）中斷機制：
中斷的實作需要硬體和軟體結合完成，中斷型別：強迫性中斷和自愿性中斷，
強迫性中斷：不期望或不可預料的中斷.如：輸入輸出中斷、硬體故障中斷、時鐘中斷、程式性中
斷，
自愿性中斷：程式有意安排的訪管指令或系統呼叫，
中斷向量：中斷處理程式的入口地址及運行環境（程式狀態字PSW）
中斷優先級由硬體規定，中斷屏蔽由程式狀態字的中斷屏蔽位決定，通過中斷屏蔽可以調整中斷事
件的回應次序
（3）定時裝置：定時裝置硬體時鐘通常分為兩類：即絕對時鐘和相對時鐘，
CPU對外部設備的控制方式：
1、回圈測驗I/O 2、中斷 3、DMA（直接記憶體存取）：高速外設與記憶體批量處理資料 4、通道處理
（I/O處理機）
7、行程管理
（1）行程與程式的區別與聯系：a.行程是程式的執行，是動態的；而程式是指令的集合，是靜態
的，
b.行程有生命周期，即行程的存在是有限的，從運行到結束，是暫時的；而程式則是永久存在的，
c.行程包括程式、資料和行程控制塊(PCB)，
d.一個程式可以有多個行程，一個行程也可以包含多個程式，
行程控制塊PCB是一個資料結構，行程在記憶體中存在的唯一標志
(2)行程狀態: 運行態, 就緒態,等待狀態（阻塞狀態）
(3)執行緒：CPU調度和分派的基本單位，共享行程資源，
（4）行程的通信
臨界資源是指一次只允許一個行程使用的資源：一個行程中訪問臨界資源的那段程式代碼稱為臨界
區，它們不允許兩個及以上的行程同時訪問或修改，
行程同步：多個行程協同完成任務，行程互斥：多個行程使用同一資源（臨界資源)，
低級通信：少量資訊的交換(P操作和V操作)
高級通信：大資訊交換（訊息機制（訊息緩沖、信箱通信）、共享記憶體，管道）
行程（執行緒）調度：先來先服務、時間片輪轉、最高優先級（緊迫度高的行程）、 多級佇列反饋
演算法：綜合了FCFS、時間片輪轉和可搶占最高優先數演算法，
（5）死鎖：
產生死鎖的必要條件：互斥條件、不可剝奪條件、部分分配、回圈等待
死鎖的預防： 破環必要條件之一：靜態預分配（破壞部分分配）、資源有序分配（破壞環路等
待）、 可剝奪資源（破壞不可剝奪性）
死鎖的避免：銀行家演算法
死鎖的檢測：行程等待時檢測、定時檢測、系統利用率降低時檢測
死鎖的解除：資源剝奪和撤銷行程
8、存盤管理
（1）功能：記憶體的分配和回收、記憶體共享、存盤保護（防止地址越界和操作越權）、地址映射
（地址重定位）
記憶體擴充：讓外存當作記憶體來使用
（2）碎片管理：解決碎片的方法是移動技識訓緊湊(拼接)技術
（3）靜態地址重定位：程式裝入記憶體時，進行邏輯地址轉換物理地址轉換
動態地址重地位：程式運行程序中，要訪問指令和資料才進行地址轉換，需要硬體地址映射機制
（基址暫存器和限長暫存器）
（4）空閑磁區的分配策略：最先適應演算法（地址從小到大找第一個滿足行程空間大小的磁區）
最佳適應演算法：磁區表按容量從小到排序；最壞適應演算法：磁區按容量從大到小排序，
（5）虛擬存盤管理：虛擬存盤得以實作是由程式的區域性原理來決定的，程式的區域性原理包括
時間區域性和空間區域
（6）頁面淘汰演算法包括以下幾種：最佳淘汰演算法(OPT)、先進先出淘汰演算法(FIFO)、最近最久末
使用淘汰演算法(LRU)
最近使用最少淘汰演算法(LFU)（訪問次數少）
（7）影響缺頁中斷次數因素：a、分配給行程的物理頁面數 b.頁面大小 c.程式本身的編制方法
c、頁面淘汰演算法：最佳淘汰演算法(OPT)能使缺頁中斷率最低
(8)顛簸（抖動）：缺頁率高引起，作業集模型解決顛簸(抖動）
9、檔案管理
（1）邏輯結構：流式檔案（基本單位字符）（如：源程式檔案、目標代碼檔案，Unix的檔案）和
記錄檔案（定長和不定長記錄），記錄包含一個記錄鍵和其他屬性
（2）檔案的物理結構：連續結鉤、鏈接結構、索引結構及Hash結構等，檔案的存取方式與物理結
構有關，
UNIX三級索引表的計算：如果一個物理塊可以存放256個塊號，則三級索引表表示檔案的大小
2563+2562+256+10
（3）檔案目錄：檔案系統的最大特點就是“按名”存取
（4）檔案控制塊FCB是檔案在記憶體中存在的唯一標志，檔案目錄是檔案控制塊的有序集合，
（5）多級目錄結構，有利于避免檔案重名；當前目錄：可以提高檢索速度，目錄項分解法，它可
以提高檔案檢索速度
（6）記錄的成組：若干個邏輯記錄合成在一個物理塊中，每個塊中的邏輯記錄個數為塊因子，
10、設備管理
（1）按設備的作業特性可以分為存盤設備和輸人／輸出設備兩種
（2）按照資源分配方式可以分為獨享設備、共享設備和虛擬設備3種
虛設備技術，一類設備模擬另一類設備的技術，在高速設備（如高速大容量磁盤）上模擬低速設備
：SPOOLING是典型的虛設備技術，被模擬的設備稱為虛擬設備，
（3）按設備的資料組織分類：塊設備（磁盤、磁帶）和字符設備（列印機），
（4）通道可以分為以下3種型別：位元組多路通道、選擇通道和成組多路通道，
（5）單緩沖區，雙緩沖區，多緩沖區和緩沖池：解決外設與CPU速度不匹配問題
（6）磁盤調度： 訪問磁盤時間：尋道時間、旋轉定位時間和資料傳輸時間，
磁盤調度由移臂調度和旋轉調度組成，移臂調度：先來先服務FCFS（大幅度移動)、最短尋道時間
優先(饑餓，考慮了尋道優化），掃描演算法（考慮方向和距離，考慮了尋道優化）
旋轉調度：目的較少旋轉延遲時間，
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