全国计算机等级考试三级笔记二(操作系统)

第二章操作系统
软件是使用户能够使用并充分发挥计算机性能和效率的各种程序和数据的总称。
软件分为系统软件和应用软件。
系统软件是所有用户使用的解决用户使用电脑问题的程序。
应用软件是为解决特定问题而设计的程序。
操作系统是硬件和所有其他软件的接口，是整个计算机系统的控制和管理中心。

操作系统有两个重要的功能:
1管理系统中的各种资源。所有硬件部分都称为硬件资源。程序和数据等信息成为软件资源。
2为用户提供良好的界面。

操作系统的特点:
1。并发性。然而，计算机系统中同时有许多程序。宏观上，这些方案是同时推进的。在单个CPU上，这些并发执行的程序在CPU上交替运行。
程序并发体现在两个方面:①用户程序之间的并发执行。②用户程序和操作系统程序的并发。
2。分享。资源共享是操作系统程序和多个用户程序共享系统中的资源。
3。随机性。随机性是指操作系统的运行处于随机的环境中。一个设备可能随时向处理器发送中断请求，系统无法知道正在运行的程序什么时候会做什么。
没有任何软件支持的电脑叫做*电脑。
操作系统是硬件的第一层软件扩展。

操作系统的功能:
1。进程管理:主要处理处理器。根据处理器管理方式的不同，系统提供了不同的作业处理方式，如批处理、分时和实时处理。
2。存储管理:主要管理内存资源。当内存不够用的时候，解决内存扩展的问题就是内存和外存相结合的管理，给用户提供一个容量远大于实际内存的虚拟内存，这是操作系统存储功能的重要任务。
3。文件管理。系统中的信息资源以文件的形式存储在外部存储器中。
4。设备管理。设备管理是对计算机系统中除CPU和内存之外的所有输入和输出设备的管理。
5。用户和操作系统之间的接口。
中断机制:
中断机制是现代计算机系统中的基础设施之一。它充当系统中的通信网络，协调系统对各种外部事件的响应和处理。中断是实现多通道编程的必要条件。
中断是CPU对系统中某个事件做出的一种反应。引起中断的事件称为中断源。从信号源到CPU的处理请求称为中断请求。当中断发生时，被中断程序的暂停点就变成了断点。CPU挂起当前程序并响应中断请求的过程称为中断响应。处理中断源的程序称为中断处理程序。CPU对相关中断处理程序的执行称为中断处理。返回断点的过程称为中断返回。中断由软件和硬件实现。硬件部分称为硬件设备，软件部分成为软件处理程序。中断设备和中断处理程序统称为中断系统。

一般中断来源分为两类:强制中断和自愿中断。
强制中断不是正在运行的程序所期望的。它们是或发生，何时发生无法提前预知，所以运行的程序可以在任何位置中断。

中断类型:
1。I/O中断:这是来自通道或外部设备的中断。
2。硬件故障中断
3。时钟中断，如硬件时钟。
4。控制台被中断，例如系统控制器通过控制台发出命令。
5。程序中断
自愿中断是运行程序有意识地安排的。通常是由于程序员在编写程序时有意使用了管理访问指令或系统调用而引起的，所以也叫管理访问中断。系统为每种类型的中断设置一个中断处理程序。每个中断处理程序都有一个入口地址PC和它的运行环境PSW，它们被称为中断向量，存储在内存中的一个固定单元中。中断响应是解决发现和接受中断的问题，由中断设备完成。中断响应是硬件响应中断请求的过程，包括识别中断源、保持场景、引出中断处理程序。CPU每次执行一条指令，都会扫描中断寄存器，检查是否有中断请求。如果有中断请求，它会通过交换中断向量进入中断处理程序，这就是中断响应。根据中断事件的重要性和紧急程度，硬件将中断源分为几个级别，称为中断优先级。
中断屏蔽是指发出中断请求后，CPU不响应的状态。常用于处理某个中断时防止对等中断的干扰，或处理必须连续执行的不可分程序时防止任何中断事件的干扰。CPU是否允许某种中断是由当前程序状态字中的中断屏蔽位决定的。
阻断中断源相当于关闭中断。在off中断状态下执行的程序段要尽量短，否则可能会丢失信息，影响系统的并发性。

中断处理:
1。保存被中断节目的场景。
2。分析中断的来源并确定中断的原因。
3。转到相应的加工程序。
4。还原被中断程序的场景，继续执行被中断的程序。
操作系统为用户提供了两种接口:一种是程序级接口，另一种是作业控制级接口。
1程序级接口。
它由一组系统调用命令组成。与机器指令不同，系统调用命令由操作系统核心解释和执行。系统调用是操作系统向用户提供的程序级服务，用户程序通过系统调用命令的方式向操作系统提出各种资源需求和服务请求。一般的系统调用可以分为几类:设备管理、文件管理、进程控制、进程通信和存储管理。
2职务级别接口。
这种接口是系统为用户在作业层请求系统服务而设置的。用户可以使用这组界面来组织作业工作流和控制作业运行。职务级别接口分为线上接口和线下接口:①线上接口。在线界面由一组键盘操作命令组成，是用户交互请求操作系统服务的手段。键盘操作命令的操作控制方式灵活方便，用户可以根据运行情况随时干预自己的操作，但系统利用率不高。②离线界面。由一组用于脱机用户的作业控制命令组成。该界面主要用于批量操作系统。其优点是作业的操作过程由系统自动调度或系统操作员干预，因此系统利用率高。处理器是计算机系统中最重要的资源。多通道编程是操作系统采用的最基本也是最重要的技术。其根本目的是提高整个系统的效率。
系统效率的衡量标准是系统吞吐量。吞吐量是单位时间内系统处理的作业数量。
进程是具有一定独立功能的程序在一定数据集上的运动，进程是系统核心资源分配和调度的独立单元。进程可以分为系统进程和用户进程。
系统进程的优先级通常高于普通用户进程。从静态的角度来看，进程由三部分组成:程序、数据和进程控制块PCB。
进程和程序的区别在于，程序是静态的，而进程是动态的。一个进程可以执行一个或几个程序，一个程序也可以构成多个进程。被创建的进程成为子进程，创建者称为父进程，这样就形成了一个进程族。操作系统的并发和共享通过进程的活动来反映。(流程特征)
1并发。2动态。3独立性。4.交流。5异步。
正在进行的流程可以是以下三种类型之一:正在运行、就绪和等待。
运行状态是进程获取了CPU并在CPU上执行的状态。显然，在单CPU系统上，最多只有一个进程处于运行就绪状态，这是一个进程已经具备运行条件，但是因为没有CPU而无法运行的状态。等待状态，也叫阻塞状态或阻塞状态。在这种状态下，进程暂时无法运行，因为它正在等待某个事件的发生。在任何时刻，任何进程都处于且仅处于上述三种状态之一。
为了便于系统控制和描述进程的活动进程，进程被定义为操作系统核心中的一种特殊数据结构，成为进程控制块PCB。
PCB信息可分为调度信息和站点信息。
每个进程都有自己专用的工作存储区，其他进程运行时不会改变其内容。
进程由三部分组成:程序、数据和进程控制块PCB。

系统中有三种类型的流程队列:
①就绪队列。②等待排队。③运行队列。在独立系统中，只有一个完整的系统。实际上，运行队列中只有一个进程。同步是进程之间的直接协作工作关系，在这种关系中，一些进程相互协作，共同完成一项任务。流程之间的间接交互构成了流程同步。每个进程互相排斥使用这些资源，进程之间的这种关系就是进程的互斥。进程之间的间接交互称为进程互斥。系统中有些资源一次只能被一个进程使用，这种资源称为关键资源。在进程中访问关键资源的程序部分称为关键部分。
系统对临界区的调度原则概括为:当没有进程在临界区时，允许一个进程立即进入临界区；如果一个进程已经在临界区，其他需要进入临界区的进程
必须等待，并且一个进程进入临界区的要求必须在一段时间内得到满足。旗语。由p和v操作使用。
原语是由若干条机器指令组成的完成特定功能的程序。原语在执行过程中是不可分割的。高级通信原语，解决大量的信息交换问题。
目前先进的通信机制有1消息缓冲通信，2管道通信，3邮箱通信。
1要实现信息缓冲通信，要使用发送原语和接收原语。
2管道通信是基于文件系统的。其实外存是用于数据通信的，所以有数据传输量大的优势。
3邮箱通讯。有两种沟通方式:单向邮箱和双向邮箱。过程控制是通过原语实现的:
1。创建原语。
流程的控制是通过原语实现的。创建流程的主要任务是建立流程控制PCB。取消一个流程的本质就是取消流程控制块PCB。
2。撤消原语。
3。阻塞原语。
4。唤醒原语。
进程调度就是处理器调度:
1。记录系统中所有流程的执行状态。
2。按照一定的调度算法，从就绪队列中选择一个进程，准备将CPU分配给它。
3。将CPU分配给进程。
进程调度一般出现在以下几种情况:
1 .执行过程结束。
2。正在执行的进程调用阻塞原语来阻塞自身并进入等待状态。
3。正在执行的进程调用P原语操作，该操作由于资源不足而被阻塞，或者调用V原语操作来终止正在等待资源的进程。
4。分时系统中的时间片用完了。
当可以剥夺CPU模式时，也有:
1。就绪队列中某个进程的优先级边高于当前进程的优先级，导致进程调度。进程调度算法解决了为每个准备好的进程分配处理器的顺序和让进程占用处理器的时间比例的问题。
1。先进先出算法。
2。时间片旋转算法。
3。优先级数字算法。
静态优先级编号。动态优先级编号。
在多道程序系统中，一组进程中的每个进程都在无限期地等待那些永远不会被该组进程中的另一个进程释放的资源。这种现象处于死锁状态。处于死状态的进程称为死进程。当死亡发生时，至少有两个死亡过程。所有死进程都有等待资源，其中至少有两个死进程占用资源。
永久资源和临时资源。
死的原因是:
1系统提供的资源有限，无法满足每个进程的使用。
2多通道编程时，进度顺序不合理。

死亡的四个必要条件:
1互斥条件。2.不可剥夺的条件。3部分分布。4循环等待。

三个预防措施:
1。静态资源的预分配将破坏“部分分配”条件。
2允许一个进程剥夺其他进程的资源，从而打破“不可剥夺”的条件。
3采用有序分配资源的方法来破坏“循环”条件。
安全的状态是没有死亡的状态。
何时检测死锁主要取决于死锁发生的频率和涉及的进程数量。

死者的解除:
1资源剥夺法。
2撤消处理方法。
比可以独立运行的进程更小的基本单位:线程。
每个线程都有一个唯一的标识符和一个线程描述表。
不同的线程可以执行相同的程序。
同一进程中的线程共享本进程的内存地址空。
线程是处理器的独立调度单元，可以并发执行多个线程。

引入线程的好处:
1创建一个新线程花费的时间更少。
2两个线程的切换时间短。
3由于同一个进程中有现成的共享内存和文件，线程之间必须调用内核才能相互通信。
4个线程可以独立执行，可以充分利用和发挥处理器与外围设备并行工作的能力。
存储管理主要是内存之间的管理空。

内存空分为:系统区；用户区。

内存共享是两个或多个线程共享内存中的同一个区域。其目的是节省内存空，实现进程间的通信，提高内存空的利用率。
存储共享的内容可以是程序的代码，也可以是数据。如果是代码共享，那一定是纯代码或者“可重入程序”，也就是在运行过程中不修改自己。代码共享的目的是节省内存。

存储:
1防止地址越界。
2防止操作越权。

真实内存:内存、外存和缓存。

虚拟内存:1。由用户程序的逻辑地址组成的地址空。
2。当内存容量达不到用户要求时，将内存条空与外存空有机结合，利用外存自动转移，形成大内存。
地址映射:为了保证CPU在执行程序指令时能够正确地访问存储单元，需要将用户程序中的逻辑地址转换成机器在运行时可以直接寻址的物理地址。

分为静态地址映射和动态地址映射。内存扩展:在硬件的支持下，使用外部内存作为用户程序的内存扩展部分。
虚拟存储技术:利用内存扩展技术，操作系统处理内外存储的关系，统一管理内外存储，为用户提供一个容量可观的虚拟存储空间空。
1静态等长分区的分配。将内存空分成若干个长度相等的区域，每个区域称为一个页面。
2不同长度分区的动态分配。使用system 空空闲区域表来管理这些区域。

包括:空自由区头地址和空自由区长度。

碎片:内存中一些零散的小空区域。

利用率:紧凑。紧凑型技术。

分区管理是多程序运行最简单的存储管理方案。
分区分为固定分区和可变分区。
基址寄存器用于存储用户程序在内存中的起始地址，长度限制寄存器用于存储用户程序的长度。
单一连续存储管理方案:用于单通道系统。
基于页的存储管理将内存空分成若干个等长的区域，每个区域称为一个物理页，有时也称为内存块或块。
内存的所有物理页都是从0开始编号的，称为物理页号或内存块号。
每个物理页从0开始寻址，这称为页内地址。
页面大小一般是2的整数次方。
关联寄存器(associative memory):由高速寄存器组成，成为快速表。
快速表用于存储当前最常访问的几个活动页面的页码。
搜索快表和搜索内存页是同步的。
每个物理段在内存中都有一个起始位置，称为段头地址。
逻辑上连续的段不一定连续存储在内存中。
当一个进程运行时，程序的执行往往会在一段时间内表现出高度的局部性，包括时间局部性和空局部性。
时间局部性是指一条指令一旦执行，可能在不久的将来再次执行。
空之间的局部性是一条指令的一个内存单元一旦被访问，其附近的单元也会很快被访问。
程序局部性原则是引入虚拟存储技术的前提。
虚拟存储的原理是当一个进程需要运行时，不是全部加载到内存中，而是一部分加载到内存中，另一部分暂时不加载到内存中。
虚拟存储管理分为虚拟页类型、虚拟段类型和虚拟段页类型。
页面清除:当内存空已满并将落入新页面时，必须清除内存中已经存在的页面。如果过时的页面已经被修改，则需要将该页面写回外部存储器，然后将其更改为新页面。
高缺页率引入了凸起。
系统指定缺页率的上下限。

交换技术是:内存空和外存储器空之间进程的动态调整，是缓解内存空之间紧张的有效方法。
文件是一组具有符号名称和逻辑完整性的相关信息项的有序序列。
信息项是文件内容的基本单位。
读取指针用于记录当前文件之前文件的读取位置，它指向下一个要读取的信息项。
写入指针用于记录文件的当前写入位置，在该位置写入下一个要写入的信息项。

按性质和用途分类:体系文件。用户文件。

根据文件的逻辑结构，分为流文件。记录文件。

根据信息的保存期限分类:临时文件。永久文件。档案。

根据文件的物理结构分类:顺序文件。链接文件。索引文件。哈希文件。索引文件。

按文件访问方法:按顺序访问文件。随机存取文件。

UNIX系统中的文件分类:公共文件。目录文件。特殊文件。

文件系统:操作系统中实现统一文件管理的一组软件，被管理的文件以及实现
文件管理所需的一些数据结构。
文件的逻辑结构是文件的外部组织形式。
1个流文件。基本单位是性格。流文件是一组有序的字符，其长度是文件中包含的字符数，所以称为字符流文件。
2记录文件。基本单位是记录。分为定长记录文件和变长记录文件。

文件的访问方式是由文件的性质和用户对文件的使用决定的。
1顺序访问。
2随机存取。磁带是顺序存取的。磁盘是随机存取的。

文件的物理结构:
1序列结构。2链接结构。3索引结构。

如果是三级索引，文件长度为:256*256*256+256*256+256+10。

该系统的一个特点是“按姓名进入”

文件目录是文件控制块的有序集合。
目录文件是固定长度的记录文件。大多数操作系统，如UNIX和DOS，都采用多级目录结构，称为树形目录结构。
从根目录到任何非叶节点或树页面节点只有一条路径。
系统为用户提供一个当前使用的工作目录，称为当前目录。

目录分解方法:目录项分为:标题目录项和基本目录项。
目录文件也分为名称目录文件和基本目录文件。
文件访问控制体现在三个方面:文件共享、文件保护和文件保密。
文件共享就是一个文件可以被多个用户共享。

文件访问控制有两个级别:
1访问者的身份识别。主文件。主文件同一组中的用户或协作者。其他用户。
2访问权限的标识。
访问控制表通常放在文件控制块中。

文件的操作:打开、关闭、读取、写入、创建、删除。

保证文件系统安全的方法是备份。
1大规模转储。
2增量转储。设备管理是对计算机系统中除CPU和内存之外的所有输入和输出设备的管理。
3根据设备的工作特点，可分为存储设备和输入输出设备。
4根据设备上的数据组织方式分类:块设备和字符设备。
5按资源配置角度分类:专属装备。共享设备。虚拟设备。虚拟技术。虚拟设备。
假脱机技术是一种典型的虚拟设备技术。CUP对外部设备的控制模式分为:
1中断处理模式。每当设备完成I/O操作时，它通知CPU中断的请求，然后相应地处理它。
2循环测试法。
3直接内存访问DMA。DMA用于在高速设备和内存之间传输批量数据。
4通道模式。通道是用来控制外部设备运行的硬件机制，相当于一个功能简单的处理器。它是并行计算和传输的基础。
主机对外部设备的控制分三个层次实现:通道、控制器、设备。
一个通道可以控制多个控制器，一个控制器可以连接多个同类型的外部设备。
交叉连接可用于一般设备的连接。优点:
1提高系统的可靠性。
2提高设备的并行性。

通道分为:
1字节多通道通道。连接打印机、终端等低速和中速设备。
2选择频道。连接磁盘和磁带等高速设备。
3组多声道。

通道的算术控制单元包括:
通道地址字:CAW。
2通道命令字:CCW。
3通道状态字:CSW。
通道通过“周期性窃取”来访问内存。
缓冲是计算机系统中的一项常见技术。一般来说，在数据到达速度和离开速度不匹配的情况下，可以使用数据缓冲技术。
设备分配的任务是按照一定的方法为申请设备的流程分配合适的设备、控制器和通道。
假脱机是一种虚拟设备技术。其核心思想是在共享设备上模拟独占设备的操作。
输入井和输出井。
在装有通道的系统中，I/O程序被称为通道程序。

活动磁头磁盘的访问时间一般有三部分:
1寻道时间。
2旋转延迟时间。
3传输时间。

优化的磁盘调度算法:
1先来先服务的磁盘调度算法FCFS。
2最短寻道时间优先磁盘调度算法SSTF。
3扫描算法扫描