操作系统要点.doc

第一掌 绪论概念:操作系统：是计算机系统中的一个系统软件，它是这样一些程序模块的集合它们管理和控制计算机系统中的硬件及软件资源，合理的组织计算机工作流程，以便有效地利用这些资源为用户提供一个具有足够的功能、使用方便、可扩展、安全和可管理的工作环境，从而在计算机与其用户之间起到接口的作用。操作系统的类型：1、批处理操作系统。2、分时操作系统。3、实时操作系统。4、个人计算机操作系统。5、网络操作系统。6、分布式操作系统。多道程序运行：按多道程序设计的调度原则，从一批后备作业中选取多道作业调入内存并组织它们运行，成为多批道处理。一般讲，多重处理系统配置多个CPU，因而能真正同时执行多道程序。当然，要想有效地使用多重处理系统，必须采用多道程序设计技术。反之不然，多道程序设计原则不一定要求又多重处理系统的支持。多重处理系统比起单处理系统来说，虽然增加了硬件设计设施，却还来了提高系统吞吐量、可靠性、计算能力和并行处理能力等好处。批处理操作系统:(1)用户脱机使用计算机 (2)成批处理 (3)多道程序运行分时操作系统:(1)交互性 (2)多用户同时性 (3)独立性操作系统的基本功能：1、处理机管理。2、存储管理。3、设备管理。4、信息管理。5、信息管理。6、用户接口。第二章 用户界面概念:作业：在一次应用业务处理过程中，从输入开始道输出结束，用户要求计算机所做的有关该次业务处理的全部工作。作业步：是在一个作业的处理过程中计算机所做的相对独立的工作。系统通过作业说明书控制文件形式的程序和数据，使之执行和操作。而且，在批处理系统中，作业是抢占内存的基本单位。作业由程序、数据、和作业说明书组成。一个作业可以包含多个数据集，但必须至少包含一个程序。否则将不成为作业。作业说明书则体现用户的控制意图。由作业说明书在系统中生成一个称为作业控制块（JCB）的表格。该表格登记该作业所要求的资源情况、预计执行时间和执行优先级等，从而操作系统通过该表了解到作业要求，并分配资源和控制作业中程序和数据的编译、链接、装入和执行等。作业说明书主要包含三方面内容，即作业的基本描述、作业控制描述和资源要求描述。作业基本描述包括用户名、作业名、使用的编辑语名、允许的最大处理时间等。而作业控制描述则大致包括扩作业在执行过程中的控制方式操作系统为用户提供两种接口： 命令接口:为普通用户和管理员用户提供 系统调用：为程序开发人员提供 作业说明书与作业控制块的区别和联系:o 作业说明书是用户用作业控制语言书写的；体现了用户的控制意图。其内容包括作业基本信息、控制信息、资源需求信息的描述。o 作业控制块是系统根据作业说明书在系统中生成的一张表格；该表格登记作业所需的资源情况，预计执行的时间和执行的优先级等；从而，操作系统通过该表格了解到作业的要求，并为其分配资源和控制作业中的程序和数据的编译、连接、装入和执行。 SPOOLING 系统:多台外围设备通过通道货DMA器件和主机与外存连接起来. 作业的输入输出过程由主机的操作系统控制 系统调用过程：系统调用是操作系统提供给编程人员的唯一接口。编程人员利用系统调用，在源程序一级动态请求和释放资源，调用系统中已有的系统功能来完成那些与机器硬件部分相关的工作以及控制程序的执行的速度等。处理机执行系统调用的过程：用户程序（目态）-（中断转管）处理机执行系统程序（管态）-返回用户程序（目态）。 处理机在PSW（program status word程序状态字）中记录这一状态。由此可以看到系统调用与库函数和实用子程序的区别：系统调用在核心态(管态)执行，调用它需要一个中断处理机构来提供服务。库函数和实用子程序则在用户态执行，不需要一个中断处理机构来提供服务。实际上系统调用语句本身是硬件提供的（机器指令），但其所调用的功能是操作系统提供的。每种机器的机器指令集中都有一条系统调用指令。 系统调用的处理过程 通道：它是一个独立于主机的专管输入/输出的处理机，它控制外设或外存与内存之间的信息交换。它有自己的通道命令，以驱动外设进行读写操作。操作系统为用户提供两种接口： 命令接口；系统调用第三章 用户界面概念:程序的并发执行: 是为了增强计算机系统的处理能力和提高资源利用率所采取的一种同时操作技术。程序的并发执行分两种：1、是多道程序系统的程序执行环境变化所引起的多道程序的并发执行。2、是在某道程序的几个程序段中，包含着一部分可以同时执行或顺序颠倒执行的代码。进程：并发执行的程序在执行过程中分配和管理资源的基本单位。进程和程序的区别与联系：1、进程是一个动态概念，而程序是一个静态概念。2、进程具有并发特征，而程序没有。3、进程是竞争计算机系统资源的基本单位，从而其并发性受到系统自己的制约。4、不同的进程可以包含同一程序，只要该程序所对应的数据集不同。一个程序可以对应一个进程或多个进程，一个进程可以对应一个程序，或者一段程序 进程控制块PCB:包含进程的描述信息,控制信息及资源信息 PCB集中反映一个进程的动态特征进程的状态及其变迁（P48页和课件）就绪状态：该进程运行所需的一切条件都得到满足，但因处理机资源个数少于进程个数，所以该进程不能运行，而必须等待分配处理机资源，一旦获得处理机就立即投入运行。执行状态：进程正在处理机上运行的状态，该进程已获得必要的资源，也获得了处理机，用户程序正在处理机上运行。阻塞状态；进程等待某种事件完成（例如，等待输入/输出操作的完成）而暂时不能运行的状态，处于该状态的进程不能参加竞争处理机，此时，即使分配给它处理机，它也不能运行。状态变化： 就绪状态 执行状态 执行状态 就绪状态 执行状态 阻塞状态 阻塞状态 就绪状态临界区：把不允许多个并发进程交叉执行的一段程序称为临界区。临界取是由属于不同并发进程的程序共享公用数据或公用数据变量而引起的。互斥的定义：不允许两个以上的共享某一公有资源的并发进程同时进入临界区称为互斥同步：把异步环境下的一组并发进程，因直接制约而互相发送消息而进行互相合作、互相等待，使得各进程按一定的速度执行的过程称为进程间的同步。死锁（deadlock）概念可以描述为，多个进程因为竞争资源（原因），或执行时推进的顺序不当，或相互通信而永久阻塞现象，如果没有外力作用，这种现象将永远保持下去。死锁：是指各并发进程互相等待对方所拥有的资源，且这些并发进程在得到对方的资源之前不会释放自己所拥有的资源，从而造成大家都想得到资源而又得不到资源，各并发进程不能继续向前推进的状态。产生死锁的必要条件：1、互斥条件。2、不剥夺条件。3、部分分配。4、环路条件。按照解决死锁的时机不同，可以分为三大类：1、预防死锁：进程申请资源必须遵循某些预先制定的限制条件，以破坏产生死锁的四个必要条件中的一个或几个，防止死锁发生。该方法严格限制了系统资源的分配和使用，会降低系统资源的利用率。2. 避免死锁 ： 当进程申请资源时，需要首先判断（预测），如果满足这次资源的请求是否会导致死锁，可能导致死锁的资源请求将会被拒绝，让请求资源进程的进程阻塞等待，直到其所需的资源可分配为止。该方法并不严格限制产生死锁的四个必要条件，以提高系统资源的利用率。3.死锁的检测与恢复：当进程申请资源时，不进行任何限制，即允许死锁发生。但，要求系统定期或者不定期检测是否有死锁发生。当检测到死锁时，再力求解除死锁。实践证明，该方法可进一步提高资源利用率第四章 处理机调度作业调度：又称宏观调度或高级调度。其主要任务是按一定的原则对外存输入井上的大量后备作业进行选择，给选出的作业分配内存、输入输出设备等必要的资源，并建立相应的根进程，以使该作业的进程获得竞争处理机的权力。进程调度：又称微观调度或低级调度。其主要任务是按照某种策略和方法选取一个处于就绪状态的进程占用处理机。周转时间:将一个作业提交给计算机系统后到该作业的结果返回给用户所需要的时间吞吐量:指在给定的时间内,一个计算机系统所完成的总工作量带权周转时间:是作业周转时间与作业执行时间的比响应时间:指从用户向计算机发出一个命令到计算机把相应的执行结果返回给用户所需要的时间作业调度的几种算法:1.先进先出算法FIFO2.最短CPU运行期优先调度算法3.最高优先权优先调度算法第五章 存储器管理虚拟存储器：将进程中的目标代码、数据等的虚拟地址组成的虚拟空间称为虚拟存储器。地址重定位（地址映射）：将虚拟地址映射为内存地址的问题，称为地址重定位或地址映射静态地址重定位：是在虚拟空间程序执行之前由装配程序完成地址映射工作。优点是不需要硬件支持。动态地址重定位：是在程序执行过程中，在CPU访问内存之前，将要访问的程序或数据地址转换成内存地址。动态重定位依靠硬件地址变换机构完成。静态地址映射（静态重定位）: 程序被装入内存时，由操作系统的连接装入程序完成程序的逻辑地址到内存地址的转换。假定程序装入内存的首地址为BR，程序地址为VR，内存地址为MR，则地址映射按下式进行：MR=BR+VR动态地址映射（动态重定位）: 程序装入内存后，它所占用的内存区的首地址由系统送入基地址寄存器BR中, 在程序执行的过程中，若要访问内存，将访问的逻辑地址送入VR中。地址转换机构把VR和BR中的内容相加，并将结果送入MR中，作为实际访问的地址分区存储管理:把整个内存划分为若干大小不等的区域，操作系统占用一个区域，其它区域供系统中的多个进程共享，这种方法称为分区存储管理。动态分区管理的思想:在系统运行的过程中建立分区，并使分区的大小刚好与作业的大小相等。动态分区的分配算法: 空闲区表或队列的排序按空闲区首址递增的次序按空闲区大小的递增或递减次序页式管理的思想 ：作业分若干个相等的“页”，内存分成相等的“块”，使“页”的大小等于“块”。以“页”为单位，将作业的“页”装入内存的“块”中。特点：可以不连续地使用内存； 实现内外统一管理分页管理的地址结构：系统从一维的逻辑地址分出页，地址的高位部分定义成页号，低位部分定义成页内位移量。静态页式管理数据结构: 基本页表：一个作业/进程一张，描述作业/进程的“页”与内存的“块”的对应关系。 内容包括：（页号，块号）。 请求表：整个系统一张。描述所有作业或进程需求内存的情况（起始、长度）和状态。 内容包括：（作业/进程号，请求页面数，页表起址，长度，状态）。 存储页面表：整个系统一张。描述内存空间的“块”的使用情况。常见： 位示图法：每位对应一个“块”；该位为“1”，表示对应的“块”已分；该位为“0”，表示对应的“块”未分。 19 18 17 16 15 .4 3 2 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 已分 1 1 1 1 1 0 0 0 0 未分 控制寄存器：记录页表的起始地址和页表的长度。静态页面管理的思想：作业/进程开始执行前，把作业/进程的程序和数据全部装入内存的“块”中；通过地址变换机构实现了虚拟地址到内存物理地址的地址映射。地址变换（P126）例：执行指令load 1,2500的过程。进程运行时将页表的起始地址、长度写入控制寄存器。CPU执行到指令load 1,2500时，将逻辑地址2500分解为p=2（页面地址），w=452（位移量或页内地址）。查页表，找到“页”2所对应的“块”号为8。将“块”号8与位移量w=452并接，形成访问内存的绝对地址：8号1024/块+452=8644从8644号单元中取出数据送寄存器1。优：解决了碎片多的问题，管理简单。劣：取一个数据或指令要两次以上访问内存：一次访问页表以确定所取数据或指令的地址；另一次是根据这个地址去取数据或指令。一次性调入，受内存可用“块”的限制。 淘汰算法 随机淘汰算法（random glongram）：随机地选择某个用户的页面将其淘汰。轮转法（round robin）:轮流换出内存可用区的页面先进先出（FIFO-first input first output）：为调入内存的每一页，以递增方式标明调入顺序，淘汰时选择次序值最小的那一页。特点：效率不高，存在异常现象-Relady现象。最近最少使用（LRU-least frequently used）:在发生本次缺页中断之前的最近一段时间内少被使用，在最近的将来被使用的可能性最小，所以可以淘汰。实现：在页表中增设访问计数器，每访问过一次计数器加1，计数值小的页面被淘汰。段式管理的思想 ：段是作业中具有特定意义的程序或数据模块。 作业按内容或过程（函数）关系分段，每段用自己的段名标识。每个段是一个首地址为零的连续线性空间。 内存空间以段为单位划分分区。将作业的“段”装入内存的“分区”中。 通过地址映射机构，将“段”地址映射成内存的物理地址。 段式管理的地址结构：维的逻辑地址。地址的高位部分定义成段号，低位部分定义成段内地址。段式管理的地址变换例：执行指令load 1, a|120的过程(设a=1)。作业/进程运行时管理程序将段表的起始地址写入段表地址寄存器。CPU执行到指令load 1, a|120指令时，通过段号1查段表。从段表中取出该段起始地址3400。将该段起始地址3400 与指令中的段内地址相加：3400+120=3520形成访问内存的绝对地址。从3520号单元中取出数据送寄存器1。取一个数据或指令要两次以上访问内存：一次访问段表以确定所取数据或指令的地址；另一次是根据这个地址去取数据或指令。段页式管理 的思想: 段式方便用户；页式提高主存利用率。利用分段向用户提供二维的编址空间以方便用户编程。利用分页来管理内存空间以提高内存的利用率。 三部分： 段号s 页号p 页内相对地址d 段内相对地址w 段页