下载文档原格式
操作系统精髓与设计原理在我们日常使用电脑、手机等电子设备时，操作系统是那个默默工作但又至关重要的幕后英雄。
它管理着设备的硬件资源，为我们运行的各种应用程序提供了一个稳定、高效的环境。
那么，操作系统的精髓究竟是什么？它的设计原理又包含哪些关键要素呢？要理解操作系统的精髓，首先得明白它的核心任务——资源管理。
操作系统就像是一个大管家，负责合理地分配和调度计算机的各种资源，包括处理器、内存、存储设备、输入输出设备等等。
想象一下，如果没有操作系统来协调这些资源，各个程序就会像一群没有指挥的士兵，争抢有限的资源，导致整个系统陷入混乱。
以处理器资源为例，操作系统通过进程调度算法，决定哪个程序在什么时候获得处理器的使用权。
这样可以确保每个程序都能得到公平的机会运行，同时避免某个程序长时间独占处理器而导致其他程序无法响应。
常见的进程调度算法有先来先服务、短作业优先、时间片轮转等。
这些算法根据不同的需求和场景，权衡了公平性、响应时间和系统效率等因素。
内存管理也是操作系统的重要职责之一。
它要确保程序能够安全、高效地使用内存。
操作系统通过虚拟内存技术，让程序以为自己拥有了大片连续的内存空间，实际上是在物理内存和磁盘之间进行灵活的页面交换。
这样，即使物理内存有限，也能运行大型的程序。
同时，操作系统还负责内存的分配和回收，避免内存泄漏和碎片问题。
除了资源管理，操作系统还提供了一个抽象的接口，让用户和应用程序能够更方便地与硬件进行交互。
比如，我们不需要了解磁盘的具体读写机制，只需要通过操作系统提供的文件系统来进行文件的创建、读取和删除操作。
这种抽象化大大降低了使用计算机的难度，提高了开发效率。
在操作系统的设计原理中，并发和并行是两个关键概念。
并发是指多个程序在同一时间段内交替执行，而并行则是指多个程序在同一时刻同时执行。
操作系统通过进程和线程机制来实现并发和并行。
进程是程序的一次执行过程，而线程是进程中的执行单元。
通过合理地创建和管理进程和线程，操作系统能够充分利用多核处理器的优势，提高系统的性能。
第1章计算机系统概述1.1、图1.3中的理想机器还有两条I/O指令：0011 = 从I/O中载入AC0111 = 把AC保存到I/O中在这种情况下，12位地址标识一个特殊的外部设备。
请给出以下程序的执行过程（按照图1.4的格式）：1.从设备5中载入AC。
2.加上存储器单元940的内容。
3.把AC保存到设备6中。
假设从设备5中取到的下一个值为3940单元中的值为2。
答案：存储器（16进制内容）：300：3005；301：5940；302：7006步骤1：3005－>IR；步骤2：3－>AC步骤3：5940－>IR；步骤4：3＋2＝5－>AC步骤5：7006－>IR：步骤6：AC－>设备61.2、本章中用6步来描述图1.4中的程序执行情况，请使用MAR和MBR扩充这个描述。
答案：1. a. PC中包含第一条指令的地址300，该指令的内容被送入MAR中。
b. 地址为300的指令的内容（值为十六进制数1940）被送入MBR，并且PC增1。
这两个步骤是并行完成的。
c. MBR中的值被送入指令寄存器IR中。
2. a. 指令寄存器IR中的地址部分（940）被送入MAR中。
b. 地址940中的值被送入MBR中。
c. MBR中的值被送入AC中。
3. a. PC中的值（301）被送入MAR中。
b. 地址为301的指令的内容（值为十六进制数5941）被送入MBR，并且PC增1。
c. MBR中的值被送入指令寄存器IR中。
4. a. 指令寄存器IR中的地址部分（941）被送入MAR中。
b. 地址941中的值被送入MBR中。
c. AC中以前的内容和地址为941的存储单元中的内容相加，结果保存到AC中。
5. a. PC中的值（302）被送入MAR中。
b. 地址为302的指令的内容（值为十六进制数2941）被送入MBR，并且PC增1。
c. MBR中的值被送入指令寄存器IR中。
6. a. 指令寄存器IR中的地址部分（941）被送入MAR中。
操作系统精髓与设计原理·第八版中文版导言《操作系统精髓与设计原理·第八版》是一本经典的操作系统教材，详细介绍了操作系统的核心概念、基础算法和设计原理。
本文将对这本书进行简要的介绍，并概述其中涵盖的一些重要主题。
操作系统的重要性操作系统是计算机系统的核心组成部分，它负责管理计算机的硬件和软件资源，为用户和应用程序提供接口和服务。
操作系统的设计和实现对于计算机系统的性能、可靠性和安全性都具有重要影响。
书籍概览《操作系统精髓与设计原理·第八版》由Abraham Silberschatz、Peter B. Galvin和Greg Gagne合著。
本书分为六个部分，共计十五章。
第一部分：引论第一部分主要介绍操作系统的基本概念和演化历史。
内容包括操作系统的定义和功能、计算机系统结构、进程和线程、CPU调度等。
第二部分：进程管理第二部分着重介绍进程管理的相关概念和技术，包括进程状态、进程调度、死锁等内容。
此外，还介绍了多线程编程和并发控制的原理。
第三部分：存储管理第三部分讲解了内存管理的相关知识，包括虚拟内存、页面置换算法、分段和分页等。
此外，还介绍了文件系统的设计原理和实现。
第四部分：设备管理第四部分详细介绍了设备管理的概念和技术，包括IO系统、磁盘调度算法和文件系统等内容。
此外，还介绍了RAID技术和磁盘存储管理。
第五部分：文件系统第五部分主要是对文件系统的深入介绍和讨论，包括文件系统的组织结构、文件描述符、文件访问控制等内容。
此外，还介绍了分布式文件系统和虚拟文件系统。
第六部分：安全和保护第六部分探讨了操作系统的安全和保护机制，包括安全性概念、加密技术、防御和攻击等内容。
此外，还介绍了操作系统的审计和审计安全等相关主题。
关键主题概述进程管理进程管理是操作系统的核心功能之一。
本书介绍了进程的状态和转换、进程调度算法、进程同步与通信、死锁以及多线程编程。
深入理解进程管理的原理和技术，可以帮助开发者编写高效、可靠的并发程序。
第十一章 I/O管理和磁盘调度复习题11.1列出并简单定义执行I/O的三种技术。
·可编程I/O：处理器代表进程给I/O模块发送给一个I/O命令，该进程进入忙等待，等待操作的完成，然后才可以继续执行。
·中断驱动I/O：处理器代表进程向I/O模块发送一个I/O命令，然后继续执行后续指令，当I/O模块完成工作后，处理器被该模块中断。
如果该进程不需要等待I/O完成，则后续指令可以仍是该进程中的指令，否则，该进程在这个中断上被挂起，处理器执行其他工作。
·直接存储器访问（DMA）：一个DMA模块控制主存和I/O模块之间的数据交换。
为传送一块数据，处理器给DMA模块发送请求，只有当整个数据块传送完成后，处理器才被中断。
11.2逻辑I/O和设备I/O有什么区别？·逻辑I/O：逻辑I/O模块把设备当作一个逻辑资源来处理，它并不关心实际控制设备的细节。
逻辑I/O模块代表用户进程管理的一般I/O功能，允许它们根据设备标识符以及诸如打开、关闭、读、写之类的简单命令与设备打交道。
·设备I/O：请求的操作和数据（缓冲的数据、记录等）被转换成适当的I/O指令序列、通道命令和控制器命令。
可以使用缓冲技术，以提高使用率。
11.3面向块的设备和面向流的设备有什么区别？请举例说明。
面向块的设备将信息保存在块中，块的大小通常是固定的，传输过程中一次传送一块。
通常可以通过块号访问数据。
磁盘和磁带都是面向块的设备。
面向流的设备以字节流的方式输入输出数据，其末使用块结构。
终端、打印机通信端口、鼠标和其他指示设备以及大多数非辅存的其他设备，都属于面向流的设备。
11.4为什么希望用双缓冲区而不是单缓冲区来提高I/O的性能？双缓冲允许两个操作并行处理，而不是依次处理。
典型的，在一个进程往一个缓冲区中传送数据（从这个缓冲区中取数据）的同时，操作系统正在清空（或者填充）另一个缓冲区。
11.5在磁盘读或写时有哪些延迟因素？寻道时间，旋转延迟，传送时间11.6简单定义图11.7中描述的磁盘调度策略。
第1章计算机系统概述1.1、图1.3中的理想机器还有两条I/O指令：0011 = 从I/O中载入AC0111 = 把AC保存到I/O中在这种情况下，12位地址标识一个特殊的外部设备。
请给出以下程序的执行过程（按照图1.4的格式）：1.从设备5中载入AC。
2.加上存储器单元940的内容。
3.把AC保存到设备6中。
假设从设备5中取到的下一个值为3940单元中的值为2。
答案：存储器（16进制内容）：300：3005；301：5940；302：7006步骤1：3005－>IR；步骤2：3－>AC步骤3：5940－>IR；步骤4：3＋2＝5－>AC步骤5：7006－>IR：步骤6：AC－>设备61.2、本章中用6步来描述图1.4中的程序执行情况，请使用MAR和MBR扩充这个描述。
答案：1. a. PC中包含第一条指令的地址300，该指令的内容被送入MAR中。
b. 地址为300的指令的内容（值为十六进制数1940）被送入MBR，并且PC增1。
这两个步骤是并行完成的。
c. MBR中的值被送入指令寄存器IR中。
2. a. 指令寄存器IR中的地址部分（940）被送入MAR中。
b. 地址940中的值被送入MBR中。
c. MBR中的值被送入AC中。
3. a. PC中的值（301）被送入MAR中。
b. 地址为301的指令的内容（值为十六进制数5941）被送入MBR，并且PC增1。
c. MBR中的值被送入指令寄存器IR中。
4. a. 指令寄存器IR中的地址部分（941）被送入MAR中。
b. 地址941中的值被送入MBR中。
c. AC中以前的内容和地址为941的存储单元中的内容相加，结果保存到AC中。
5. a. PC中的值（302）被送入MAR中。
b. 地址为302的指令的内容（值为十六进制数2941）被送入MBR，并且PC增1。
c. MBR中的值被送入指令寄存器IR中。
6. a. 指令寄存器IR中的地址部分（941）被送入MAR中。
操作系统原理课程总结第一部分背景1、操作系统的主要系统目标。
2、多道程序设计、批处理、分时操作系统、实时操作系统，对称多处理系统3、多道程序操作系统与提高CPU的利用率。
4、中断技术、同步I/O、异步I/O，系统调用、陷井(异常)、中断向量、DMA、缓冲。
5、操作系统的安全性，现代的CPU提供的两种操作模式。
6、分层结构实现操作系统与微内核结构的操作系统。
第二部分进程1、进程定义、进程状态、进程的组成、进程控制块、调度器、进程切换2、线程的组成、线程的状态、多线程技术、用户级线程与内核级线程。
3、并发的原理、临界区、race condition(竞争条件) 。
4、临界区互斥、互斥的实现方法、忙等方式、阻塞等待方式5、信号量、信号量的semWait(P)/semSignal(V)操作、如何使用信号量解决进程间的互斥与同步问题，生产者/消费者问题、读者/写者问题6、消息传递机制、管程、基于消息传递的互斥与同步7、死锁的四个必要条件、资源分配图与死锁判定、死锁的预防_避免_检测、安全状态、银行家算法。
第三部分内存1、逻辑地址、物理地址、绝对地址、相对地址、MMU、地址映射（转换）、Dynamics loading动态加载、Relocatable(可重定位代码)、overlay(覆盖)、Swapping(交换)、Fragmentation(碎片)、page(分页)、Frame(页框、页桢)、页表、TLB、Inverted Page Table、Segmentation(分段)、段页式结构、保护与共享。
2、虚拟存储器、局部性、page-fault trap(缺页中断) 、全局置换、局部置换、Thrashing、工作集、驻留集。
3、替换策略、OPT、LRU、FIFO、CLOCK替换算法。
第四部分调度1、长程、中程、短程(CPU)调度、Dispatcher(分派器)、Throughput(吞吐量)、Turnaround time(周转时间)、Response time(响应时间)。
操作系统原理操作系统是计算机系统中的核心软件，负责管理计算机的硬件和软件资源，并为用户提供合适的工作环境。
操作系统的设计与实现是计算机科学的重要课题之一。
本文将介绍操作系统的原理，包括进程管理、内存管理、文件管理和设备管理等方面的内容。
一、进程管理进程是计算机程序的执行实例，是操作系统中的基本概念之一。
进程管理主要包括进程的创建、调度、同步和通信等。
进程的创建是指操作系统为进程分配资源，并将其加入到进程队列中的过程。
进程调度是指操作系统根据一定的调度算法，决定哪个进程可以获得CPU的使用权。
进程同步是指操作系统提供机制，确保进程之间按照一定的顺序执行，避免出现竞态条件和其他并发问题。
进程通信是指操作系统提供的方式，用于进程之间的数据传输和共享。
二、内存管理内存管理是操作系统中的重要功能，主要负责对计算机的内存资源进行分配和管理。
内存管理包括内存的分配、地址转换、垃圾回收和虚拟内存等。
内存的分配是指操作系统为进程分配内存空间的过程，可以采用静态分配或动态分配的方式。
地址转换是指将进程的逻辑地址转换为物理地址的过程，可以通过分页、分段或段页式等方式实现。
垃圾回收是指操作系统自动回收无用内存空间的过程，避免内存的浪费。
虚拟内存是一种将虚拟地址空间转换为物理地址空间的技术，使得进程可以访问比实际内存空间更大的地址空间。
三、文件管理文件管理是操作系统中的重要功能之一，主要负责对文件的创建、读取、写入和删除等操作。
文件管理包括文件的组织结构、文件的物理存储和文件系统的实现等方面。
文件的组织结构可以采用顺序结构、索引结构或树形结构等方式实现。
文件的物理存储是指将文件的数据存储到磁盘上，并管理磁盘空间的分配和回收。
文件系统是一种用于管理文件的软件，提供了文件管理的接口和文件访问的权限控制等功能。
四、设备管理设备管理是操作系统中的另一个重要功能，主要负责对计算机的硬件设备进行管理和控制。
设备管理包括设备驱动程序的开发、设备分配和设备调度等方面。
操作系统精髓与设计原理操作系统是计算机系统中最核心的软件之一，它承担着管理和控制计算机硬件资源的重要任务。
操作系统的设计原理直接影响着计算机系统的性能、稳定性和安全性。
本文将从操作系统的精髓和设计原理两个方面进行探讨，希望能够为读者提供一些深入的理解和启发。
首先，我们来谈谈操作系统的精髓。
操作系统的核心功能包括进程管理、内存管理、文件系统、设备管理和用户接口等。
其中，进程管理是操作系统的基础，它负责对进程的创建、调度、同步和通信进行管理，保证系统资源的有效利用和进程的正常运行。
内存管理则关乎着系统的性能和稳定性，它需要对内存空间进行分配、回收和保护，避免出现内存泄漏和内存溢出的情况。
文件系统则是操作系统与外部存储设备进行交互的接口，它需要对文件进行管理、存储和检索，保证数据的安全和完整性。
设备管理负责对计算机的硬件设备进行管理和控制，包括输入输出设备、网络设备等，它需要提供统一的接口和管理机制，使得应用程序能够方便地与硬件设备进行交互。
用户接口则是操作系统与用户进行交互的方式，它需要提供友好、直观的界面，使得用户能够方便地使用计算机系统。
其次，我们来探讨操作系统的设计原理。
操作系统的设计原理包括了并发、共享、虚拟和异步等几个重要概念。
并发是指系统中存在多个独立的活动，并且这些活动可能同时进行，操作系统需要提供合适的机制来管理这些并发活动，保证它们能够正确、有效地运行。
共享是指系统中的资源可以被多个活动共同使用，操作系统需要提供合适的机制来保证资源的公平分配和合理利用。
虚拟是指操作系统需要对硬件资源进行抽象和虚拟化，使得应用程序能够独立于硬件进行开发和运行。
异步是指系统中的活动是相互独立、不可预测的，操作系统需要提供合适的机制来处理这种不确定性，保证系统的可靠性和稳定性。
在操作系统的设计中，需要考虑到这些原理，并且合理地应用它们，以满足系统的性能、稳定性和安全性要求。
同时，操作系统的设计也需要考虑到实际的应用场景和需求，保证系统能够满足用户的实际需求。
操作系统精髓与设计原理课后答案第1章计算机系统概述1.1 列出并简要地定义计算机的四个主要组成部分。
主存储器，存储数据和程序；算术逻辑单元，能处理二进制数据；控制单元，解读存储器中的指令并且使他们得到执行；输入/输出设备，由控制单元管理。
1.2 定义处理器寄存器的两种主要类别。
用户可见寄存器：优先使用这些寄存器，可以使机器语言或者汇编语言的程序员减少对主存储器的访问次数。
对高级语言而言，由优化编译器负责决定把哪些变量应该分配给主存储器。
一些高级语言，如C语言，允许程序言建议编译器把哪些变量保存在寄存器中。
控制和状态寄存器：用以控制处理器的操作，且主要被具有特权的操作系统例程使用，以控制程序的执行。
1.3 一般而言，一条机器指令能指定的四种不同操作是什么？处理器－寄存器：数据可以从处理器传送到存储器，或者从存储器传送到处理器。
处理器－I/O：通过处理器和I/O模块间的数据传送，数据可以输出到外部设备，或者从外部设备输入数据。
数据处理：处理器可以执行很多关于数据的算术操作或逻辑操作。
控制：某些指令可以改变执行顺序。
1.4 什么是中断？中断：其他模块（I/O，存储器）中断处理器正常处理过程的机制。
1.5 多中断的处理方式是什么？处理多中断有两种方法。
第一种方法是当正在处理一个中断时，禁止再发生中断。
第二种方法是定义中断优先级，允许高优先级的中断打断低优先级的中断处理器的运行。
1.6 内存层次的各个元素间的特征是什么？存储器的三个重要特性是：价格，容量和访问时间。
1.7 什么是高速缓冲存储器？高速缓冲存储器是比主存小而快的存储器，用以协调主存跟处理器，作为最近储存地址的缓冲区。
1.8 列出并简要地定义I/O操作的三种技术。
可编程I/O：当处理器正在执行程序并遇到与I/O相关的指令时，它给相应的I/O模块发布命令（用以执行这个指令）；在进一步的动作之前，处理器处于繁忙的等待中，直到该操作已经完成。
中断驱动I/O：当处理器正在执行程序并遇到与I/O相关的指令时，它给相应的I/O模块发布命令，并继续执行后续指令，直到后者完成，它将被I/O模块中断。
操作系统的原理和设计思想操作系统是计算机系统中最核心的软件之一，在计算机的应用领域中扮演着至关重要的作用。
操作系统的主要功能是管理计算机的硬件和软件资源，为其他应用程序提供服务。
本文将介绍操作系统的原理和设计思想。
一、操作系统的原理操作系统的原理包括五个方面：进程管理、内存管理、文件系统、网络通信和安全管理。
1. 进程管理进程就是正在运行的程序。
操作系统需要管理多个进程的运行，从而保证所有进程充分利用 CPU。
操作系统使用进程调度算法来决定哪个进程应该占用 CPU，同时在进程之间切换，从而使得多个进程可以同时运行。
进程管理也包括进程间通信、进程同步和进程状态管理。
2. 内存管理内存管理涉及到操作系统如何管理和分配内存。
在计算机系统中，内存是有限的资源。
操作系统需要管理内存，为每个进程分配足够的内存空间，并保证进程之间不会发生内存冲突。
内存管理还包括内存保护、虚拟内存和存储管理等方面。
3. 文件系统文件系统是操作系统提供的一种机制，用于管理存储在磁盘、存储卡或其他存储介质上的文件。
文件系统包括文件的创建、读取、写入、修改和删除等操作。
文件系统还维护文件的目录结构，并提供权限管理、安全性和备份恢复等功能。
4. 网络通信网络通信使得计算机可以连接到其他计算机和资源。
操作系统需要提供网络通信服务，以便计算机之间可以互相通信和共享资源。
网络通信不仅包括传输数据，还需要提供安全和可靠性保证。
5. 安全管理安全管理是操作系统的最重要功能之一。
操作系统需要保护系统和应用程序免受未经授权的访问、恶意软件和网络攻击。
安全管理包括身份验证、权限控制、加密、审计和漏洞修复等方面。
二、操作系统的设计思想操作系统的设计是基于两种不同的思想：单体内核和微内核。
1. 单体内核单体内核系统采用单个、庞大的内核来管理所有系统资源。
例如，Windows 操作系统的内核就是一个单体内核。
优点是单体内核可以实现高效的系统调用和进程间通信，同时有强大的硬件控制能力。
操作系统原理与设计操作系统是计算机系统中的核心软件之一，负责协调和管理硬件资源，为用户提供良好的使用体验。
操作系统的原理与设计是其开发与实现的基础，本文将对操作系统的原理与设计进行探讨。
一、操作系统的基本原理操作系统的基本原理可以归纳为以下几个方面：进程管理、存储管理、文件系统和输入输出管理。
通过合理地实现这些原理，操作系统能够有效地管理计算机系统的各个方面。
1. 进程管理进程是指计算机中正在运行的程序的实例。
操作系统通过进程管理来分配和控制计算机系统的资源，如CPU时间、内存空间和外部设备等。
它负责进程的创建、调度和终止，保障各个进程的正常运行，避免资源的竞争和冲突。
2. 存储管理存储管理是操作系统中的重要部分，它负责管理计算机系统的内存空间。
操作系统通过内存管理来为进程分配内存区域，并进行地址转换。
此外，存储管理还负责内存的分配与回收，以充分利用有限的内存资源。
3. 文件系统文件系统是操作系统中用于管理磁盘存储器上的文件和文件夹的机制。
它提供了文件的创建、读取、写入和删除等操作，使用户能够方便地操作文件。
文件系统还负责文件的存储空间分配和数据的存储安排。
4. 输入输出管理输入输出管理是操作系统中的关键部分，它负责管理计算机系统与外部设备的数据交换。
操作系统通过输入输出管理来协调计算机系统与外部设备的通信，提供高效的输入输出服务，为用户提供良好的使用体验。
二、操作系统的设计操作系统的设计需要考虑多个方面，如兼容性、可扩展性、可靠性和安全性等。
以下是操作系统设计的几个重要方面，包括系统结构、调度算法以及用户界面。
1. 系统结构操作系统的设计可以采用不同的系统结构，如单体系统、层次系统和客户-服务器系统等。
不同的系统结构对操作系统设计的灵活性和性能有所影响，需要根据具体需求进行选择。
2. 调度算法调度算法决定了进程如何被分配CPU时间。
操作系统的设计需要选择适当的调度算法，以提高系统的吞吐量和响应时间。
操作系统原理与设计操作系统是计算机硬件与应用软件之间的核心软件，它的设计与原理理念直接影响着计算机系统的性能与稳定性。
本文将围绕操作系统的原理与设计展开论述，包括操作系统的基本功能、进程管理、内存管理、文件系统以及操作系统的发展趋势等。
一、操作系统的基本功能操作系统作为计算机系统中的核心，具备以下基本功能：1. 资源管理：操作系统负责对计算机系统中的各种资源进行管理，包括处理器、内存、设备等，以确保它们的高效利用。
2. 进程管理：操作系统通过进程管理功能，实现对进程的创建、调度、同步与通信等操作，保证多个进程之间的顺序和并发执行。
3. 内存管理：操作系统负责对内存空间的分配和回收，实现虚拟内存的管理，提高内存的利用率和计算机系统的运行效率。
4. 文件系统：操作系统通过文件系统管理计算机系统中的文件和目录结构，提供文件的读写和管理功能，实现文件的共享和保护等。
5. 用户接口：操作系统向用户提供友好、易用的用户接口，使用户能够方便地操作计算机系统，实现各种任务。
二、进程管理进程管理是操作系统的核心功能之一，它负责对进程的创建、调度和终止等操作，保证多个进程的有序执行。
1. 进程的创建：操作系统通过创建新进程来实现任务的并发执行，包括为新进程分配资源、建立进程控制块等操作。
2. 进程的调度：操作系统通过调度算法，根据进程的优先级、调度策略等选择下一个应该执行的进程，使多个进程能够合理、高效地共享处理器。
3. 进程的同步与通信：操作系统通过同步机制和进程间通信机制，实现进程之间的数据共享和通信，保证多个进程之间的协作和资源的共享。
三、内存管理内存管理是操作系统中重要的功能模块，它负责对计算机内存空间的管理，包括内存的分配、回收、管理和保护等操作。
1. 内存的分配与回收：操作系统通过内存分配和回收算法，将计算机的物理内存空间分配给进程使用，并在进程终止后将其回收，确保内存的高效利用。
2. 虚拟内存管理：操作系统通过虚拟内存管理机制，将物理内存与磁盘空间相结合，提供更大的内存空间给进程使用，实现内存的动态扩展和进程的高效执行。
操作系统设计原理操作系统是计算机系统中最基础和核心的软件之一，它负责管理和控制计算机硬件资源，提供用户与计算机之间的接口。
在现代计算机系统中，操作系统的设计原理涉及到许多重要的概念和技术。
本文将介绍操作系统设计的基本原理和相关的技术。
一、操作系统的功能操作系统的主要功能包括进程管理、内存管理、文件系统管理和设备管理等。
进程管理负责创建、调度和终止进程，保证进程能够正确地共享和竞争计算机资源；内存管理负责分配和回收内存空间，以及管理虚拟内存；文件系统管理负责文件的存储和访问，以及对文件进行保护和共享；设备管理负责管理和控制计算机系统中各种外部设备的使用。
二、操作系统设计的原则在设计操作系统时，需要遵循一些基本原则，以确保系统的稳定性、可靠性和安全性。
1. 简洁性：操作系统应该尽可能简化，避免不必要的复杂性，以便提高系统的可理解性和可维护性。
2. 可扩展性：操作系统应该具备良好的扩展性，可以方便地适应硬件的变化和新的应用需求。
3. 可靠性：操作系统应该具备良好的容错能力，能够在面对外部故障或错误时保持系统的稳定运行。
4. 高效性：操作系统应该具备高效的资源管理和调度机制，以提高系统的性能和响应速度。
三、操作系统设计的基本原理1. 进程管理进程是操作系统中最基本的资源单位，操作系统通过进程管理来完成对计算机资源的分配和调度。
在现代操作系统中，通常采用多任务技术来实现对进程的管理。
多任务技术包括并行和并发两种形式，能够提高计算机系统的利用率和响应能力。
2. 内存管理内存管理是操作系统中的重要功能之一，它负责对内存空间的分配和回收。
现代操作系统采用虚拟内存技术来扩展计算机的物理内存空间，允许进程使用比物理内存更大的地址空间。
虚拟内存技术通过将部分进程的数据和指令存储在磁盘上，实现了进程间的隔离和保护。
3. 文件系统管理文件系统管理是操作系统中的另一个重要功能，它负责文件的存储、访问和管理。
文件系统通常采用层次化的组织结构，通过目录和文件的组织关系来管理文件。
第12章文件管理复习题：12.1、域和记录有什么不同？答：域（field）是基本数据单位。
一个域包含一个值。
记录（record）是一组相关的域的集合，它可以看做是应用程序的一个单元。
12.2、文件和数据库有什么不同？答：文件（file）是一组相似记录的集合，它被用户和应用程序看做是一个实体，并可以通过名字访问。
数据库（database）是一组相关的数据集合，它的本质特征是数据元素间存在着明确的关系，并且可供不同的应用程序使用。
12.3、什么是文件管理系统？答：文件管理系统是一组系统软件，为使用文件的用户和应用程序提供服务。
12.4、选择文件组织时的重要原则是什么？答：访问快速，易于修改，节约存储空间，维护简单，可靠性。
12.5、列出并简单定义五种文件组织。
答：堆是最简单的文件组织形式。
数据按它们到达的顺序被采集，每个记录由一串数据组成。
顺序文件是最常用的文件组织形式。
在这类文件中，每个记录都使用一种固定的格式。
所有记录都具有相同的长度，并且由相同数目、长度固定的域按特定的顺序组成。
由于每个域的长度和位置已知，因此只需要保存各个域的值，每个域的域名和长度是该文件结构的属性。
索引顺序文件保留了顺序文件的关键特征：记录按照关键域的顺序组织起来。
但它还增加了两个特征：用于支持随机访问的文件索引和溢出文件。
索引提供了快速接近目标记录的查找能力。
溢出文件类似于顺序文件中使用的日志文件，但是溢出文件中的记录可以根据它前面记录的指针进行定位。
索引文件：只能通过索引来访问记录。
其结果是对记录的放置位置不再有限制，只要至少有一个索引的指针指向这条记录即可。
此外，还可以使用长度可变的记录。
直接文件或散列文件：直接文件使用基于关键字的散列。
12.6、为什么在索引顺序文件中查找一个记录的平均搜索时间小于在顺序文件中的平均搜索时间？答：在顺序文件中，查找一个记录是按顺序检测每一个记录直到有一个包含符合条件的关键域值的记录被找到。
操作系统原理与设计思路操作系统是计算机系统中一个至关重要的组成部分，它的主要作用是管理计算机硬件资源，为用户提供良好的交互体验和应用程序运行环境。
然而，要实现这个目标，操作系统需要遵循一些核心原理和设计思路。
一、进程管理操作系统中的进程管理是指操作系统如何管理多个进程的调度和执行。
进程是指在运行期间产生的程序实例，它通常由一个或多个线程组成，可以占用计算机资源并运行程序代码。
进程管理的核心任务是实现进程的调度和协作，以保证每个进程都能够在适当的时间运行，并占用足够的资源来完成任务。
常见的进程调度算法包括FCFS（先来先服务），SJF（最短作业优先），抢占式调度等。
二、内存管理操作系统中的内存管理是指如何处理计算机内存资源，从而支持进程的运行和数据的存储。
内存管理需要处理内存分配，内存保护和内存回收等问题。
在实际操作系统中，内存管理通常包括虚拟内存的特性，这是一种内存映射技术，允许操作系统将物理内存和虚拟内存之间建立映射关系，使得进程可以被管理在一个独立的地址空间中。
三、文件系统操作系统中的文件系统是指如何管理存储器上的文件和目录。
文件系统需要提供文件读写，文件保护和文件共享等功能。
文件系统通常将文件存储在磁盘上，并且用指向每个文件的索引来标志每个文件。
常用的文件系统包括FAT，NTFS，EXT等。
四、设备驱动设备驱动是指操作系统如何管理计算机中的各种硬件设备。
设备驱动需要处理硬件与软件之间的各种复杂交互，从而为操作系统提供和硬件设备交互的接口和功能。
设备驱动通常需要进行硬件端口的访问，设备状态的查询和设置，设备中断和DMA等处理。
五、安全性和可靠性操作系统需要做好安全性和可靠性的保证，防止恶意软件和攻击对系统的伤害，并且实现差错恢复和弹性设计等功能，让系统在异常情况下能够自愈或快速恢复。
操作系统的安全性和可靠性需要多种技术支持，包括加密技术，访问控制，日志审计等，这些都是实现安全性和可靠性的必要手段。
第十一章 I/O管理和磁盘调度复习题11.1列出并简单定义执行I/O的三种技术。
·可编程I/O：处理器代表进程给I/O模块发送给一个I/O命令，该进程进入忙等待，等待操作的完成，然后才可以继续执行。
·中断驱动I/O：处理器代表进程向I/O模块发送一个I/O命令，然后继续执行后续指令，当I/O模块完成工作后，处理器被该模块中断。
如果该进程不需要等待I/O完成，则后续指令可以仍是该进程中的指令，否则，该进程在这个中断上被挂起，处理器执行其他工作。
·直接存储器访问（DMA）：一个DMA模块控制主存和I/O模块之间的数据交换。
为传送一块数据，处理器给DMA模块发送请求，只有当整个数据块传送完成后，处理器才被中断。
11.2逻辑I/O和设备I/O有什么区别？·逻辑I/O：逻辑I/O模块把设备当作一个逻辑资源来处理，它并不关心实际控制设备的细节。
逻辑I/O模块代表用户进程管理的一般I/O功能，允许它们根据设备标识符以及诸如打开、关闭、读、写之类的简单命令与设备打交道。
·设备I/O：请求的操作和数据（缓冲的数据、记录等）被转换成适当的I/O指令序列、通道命令和控制器命令。
可以使用缓冲技术，以提高使用率。
11.3面向块的设备和面向流的设备有什么区别？请举例说明。
面向块的设备将信息保存在块中，块的大小通常是固定的，传输过程中一次传送一块。
通常可以通过块号访问数据。
磁盘和磁带都是面向块的设备。
面向流的设备以字节流的方式输入输出数据，其末使用块结构。
终端、打印机通信端口、鼠标和其他指示设备以及大多数非辅存的其他设备，都属于面向流的设备。
11.4为什么希望用双缓冲区而不是单缓冲区来提高I/O的性能？双缓冲允许两个操作并行处理，而不是依次处理。
典型的，在一个进程往一个缓冲区中传送数据（从这个缓冲区中取数据）的同时，操作系统正在清空（或者填充）另一个缓冲区。
11.5在磁盘读或写时有哪些延迟因素？寻道时间，旋转延迟，传送时间11.6简单定义图11.7中描述的磁盘调度策略。
FIFO:按照先来先服务的顺序处理队列中的项目。
SSTF:选择使磁头臂从当前位置开始移动最少的磁盘I/O请求。
SCAN:磁头臂仅仅沿一个方向移动，并在途中满足所有未完成的请求，直到它到达这个方向上最后一个磁道，或者在这个方向上没有其他请求为止。
接着反转服务方向，沿相反方向扫描，同样按顺序完成所有请求。
C-SCAN:类似于SCAN，11.7简单定义图7层RAID。
0：非冗余1：被镜像；每个磁盘都有一个包含相同数据的镜像磁盘。
2：通过汉明码实现冗余；对每个数据磁盘中的相应都计算一个错误校正码，并且这个码位保存在多个奇偶校验磁盘中相应的文件。
3：交错位奇偶校验；类似于第二层，不同之处在于RAID3为所有数据磁盘中同一位置的位的集合计算一个简单的奇偶校验位，而不是错误校正码。
4：交错块分布奇偶校验；对每个数据磁盘中相应的条带计算一个逐位奇偶。
5：交错块分布奇偶校验；类似于第四层，但把奇偶校验条带分布在所有磁盘中。
6：交错块双重分布奇偶校验；两种不同的奇偶校验计算保存在不同磁盘的不同块中。
11.8典型的磁盘扇区大小是多少？512比特习题11.1考虑一个程序访问一个I/O设备，并比较无缓冲的I/O和使用缓冲区的I/O。
说明使用缓冲区最多可以减少2倍的运行时间。
如果计算的时间正好等于它的I/O时间（它是最佳环境），操作者和外围设备同时运行。
如果单独运行，只要花费他们的一半时间，设C是整个程序的计算时间，T为所要求总的I/O时间，因而寄存器最好的运行时间是max(C,T)，不需要寄存器的运行时间是C+T，显然（(C+T)/2）≤max(C,T)≤(C+T).11.2把习题11.1的结论推广到访问n个设备的程序中。
最佳比是（n+1）﹕n11.3使用与表11.2类似的方式，分析下列磁道请求：27，129，110，186，147，41，10，64，120。
假设磁头最初定位在磁道100处，并且沿着磁道号减11.4机地均匀分布在磁盘上。
现在要计算一次寻道平均跨越的磁道数。
a.首先，计算当磁头当前位于磁道t时，寻道长度为j的可能性。
提示：这是一个关于确定所有组合数目的问题，所有磁道位置作为寻道目标的可能性是相等的。
b.接下来计算寻道长度为K的可能性。
提示：这包括所有移动了K个磁道的可能性之和。
c.使用下面计算期望值得公式，计算一次寻道平均跨越的磁道数目：N-1E[X]=∑i∑Pr[x=i]i=0d．说明档N比较大时，一次寻道平均跨越的磁道数接近N/3.（a）设P[j/t]表示位于磁道t，寻道长度为j的概率，知随机访问一个任何一个磁道的可能性为相等为1/N，因此我们有P[j/t]=1/N,t<=j-1或者t>=N-j;P[j/t]=2/N,j-1<t<N-j.前一种情况下，当前磁道接近于磁盘的两端。
因此只有一个相距j长度的磁道，故为2/N。
（b）令P[k]=∑P[k/t]*P[t]=1/N∑P[k/t],由（a）可知，取值1/N的有2k个磁道，取值为2/N有（N-k）个，所以有P[k]=（2k/N+2(N-k)/N）/N=2(N-k)/N*N(c)E[k]=∑k*P[k]=∑2k(N-k)/N*N=(N*N-1)/3N(d)当N比较大时，从上文可以看出一次寻道平均跨越磁道数接近N/311.5下面的公式适用于高速缓冲存储器和磁盘高速缓存：Ts=Tc+M×Td请把这个公式推广到N级存储器结构，而不是仅仅2级。
定义：Ai=从i级存储器找到信息的时间；Hi=消息在第i级存储器并且没有在更高级存储器的概率；Bi=从第（i+1）级向第i级传送一块数据的时间。
假设缓存在1级存储上，主存在2级存储上，如此下去，形成一个N 级存储结构，因此有Ts=∑AiHi若消息在M1层，可以立即被读，如果在M2中，不在M1中，那么这块数据从M2传到M1中再读。
因此 A2=B1+A1进而有 A3=B2+A2=B1+B2+A1即有 Ai=A1+∑Bj所以 Ts=T1∑Hi+∑∑BjHi因为∑Hi=1最后可得 Ts=T1+∑∑BjHi11.6对基于频率的替换算法（见图11.12），定义F new,F middle和Fold分别为包含新区，中间区和的高速缓存片段，显然F new+F middle+Fold=1.如果有a．Fold=1—F newb. Fold=1/（高速缓存大小）请分别描述该策略。
a．图11.11的中间区是空的，因此这种策略退化为图11.11a的策略。
b．老区由一块组成，并且我们有LRU替换策略。
11.7对于一个有9个磁道的磁带，磁带速度为120英寸每秒，磁带密度为1600线位/英寸，请问它的传送率为多少？密度可表示为1600线位每英寸，因此传送速率为1600×1200=192000线位每秒。
11.8假设有一个2400英寸的磁带盘，记录间的间隙为0.6英寸，这个间隙是磁带在读操作之间的停止；在间隙期间磁带速度成线性增加或减小，磁带的其他与习题11.7相同。
磁带上的数据按物理记录组织，每个物理记录包含固定数目的由用户定义的单元，称为逻辑记录。
a.在磁带上读取分装在10个物理记录中的120个逻辑记录需要多少时间？b．同样。
如果是分装在30个物理记录中，则需要多少时间？c.对于上述每种分块方案，整个磁带分别可以保存多少个逻辑记录？d．对于上述每种分块方案，有效的总传速率分别是多少？e.磁带的容量是多少？假设每个记录由30块组成。
b．我们先定义从一个物理块加间隙到了另一块的读取时间物理块的大小=（30个逻辑记录每物理记录）×（120比特每逻辑记录）=3600字节物理块的长度=3600字节/（1600比特/英寸）=2.35英寸间隙的长度=0.6英寸传输一个块加间隙的传输时间=2.25/120+0.6/60=0.02875秒磁带上块的数目=（2400×12）/（2.25+0.6）=10105物理块因此，读取时间为 10105×0.02875=291秒c.如果分装在30个物理记录中，磁带包含10105个物理记录和30×10105=303150个逻辑记录。
d.分装在30个物理记录中的有效传输数率：R=（303150×120）/291=125010字节/秒e．容量=303150×120=36378000字节11.9如果磁盘中扇区大小固定为每扇区为512字节，并且每磁道96个磁区，每面110个磁道，一共有8个可用的面，对于习题11.8（b），计算存储这些逻辑记录需要多少磁盘空间（扇区、磁道和面）。
忽略文件头记录和磁道索引，并假设记录不能跨越两个扇区。
每个扇区能容纳4个记录，所需扇区数=303150/4=75788所需磁道数=75788/96=790所需面数=790/110=811.10考虑习题11.9所描述的磁盘系统，假设该磁盘的旋转速度为360r/m。
一个处理器使用中断驱动I/O从磁盘中读取一个扇区，每个字节一个中断。
如果处理每个中断需要2.5us，处理器花费在处理I/O上的时间占多少百分比（忽略寻道时间）？每扇区512字节，每字节一个中断，所以每扇区512个中断。
中断总时间=2.5×512=1280us。
每个扇区读取时间=60s/m×360r/m×96扇区/磁道=1736us处理器花费在处理I/O上的时间百分比=100×1280/1736=74％11.11如果使用DMA策略并假设每个扇区一个中断，重做习题11.10。
使用DMA策略，中断总时间=2.5us处理器花费在处理I/O上的时间百分比=100×2.5/1736=0.14％11.12一个32位计算机有两个选择通道和一个多路通道，每个选择通道支持两个磁盘和两个磁带部件。
多路通道有两个行式打印机、两个卡片阅读机，并连接着10个VDT终端。
假设有以下的传送率：磁盘驱动器 800KB/s磁带驱动器 200KB/s行式打印机 6.6KB/s卡片阅读机 1.2KB/sVDT 1KB/s系统中的最大合计传送率为多少？每次只有一个驱动设备能在选择通道上得到服务，因此，最大速率=800+800+2×6.6+2×1.2+10×1=1625.6KB/s11.13当条带大小比I/O大小小时，磁盘条带化显然可以提高数据传送率。
同样，相对于单个的大磁盘，由于RAID 0可以并行处理多个I/O请求，显然它可以提高性能。
但是，相对于后一种情况，磁盘条带化还有必要存在吗？也就是说，相对于没有条带化的磁盘阵列，磁盘条带化可以提高I/O请求速度的性能吗？这取决于I/O请求类型。
