自考操作系统概论重点复习

操作系统概述

1操作系统的分类

按照操作系统提供的服务，大致可以把操作系统分为有单道和多道之分的批处理系统，有同时性和独立性的分时系统，有严格时间规定的实时系统，可实现资源共享的网络系统，可协调多个计算机以完成一个共同任务的分布式系统。我们使有的windows是网络式系统。

2操作系统的结构

操作系统具有层次结构。。

层次结构最大特点是整体问题局部化来优化系统，提高系统的正确性、高效性使系统可维护、可移植。

主要优点是有利于系统设计和调试；主要困难在于层次的划分和安排。

3操作系统与用户

（1）作业执行步骤

操作系统提供给用户表示作业执行步骤的手段有两种：作业控制语言和操作控制命令。

作业控制语言形成批处理作业。操作控制命令进行交互处理。

（2）系统调用

操作系统提供的系统调用主要有：文件操作类，资源申请类，控制类，信息维护类系统调用往往在管态下执行。

当操作系统完成了用户请求的“系统调用”功能后，应使中央处理器从管态转换到目态工作。

4移动技术

移动技术是把某个作业移到另一处主存空间去（在磁盘整理中我们应用的也是类似的移动技术）。最大好处是可以合并一些空闲区。

处 理 器 管 理

一、 多道程序设计系统

“多道程序设计系统” 简称“多道系统”，即多个作业可同时装入主存储器进行运行的系统。在多道系统中一点必须的是系统须能进行程序浮动。所谓程序浮动是指程序可以随机地从主存的一个区域移动到另一个区域，程序被移动后仍不影响它的执行。多道系统的好处在于提高了处理器的利用率；充分利用外围设备资源；发挥了处理器与外围设备以及外围设备之间的并行工作能力。可以有效地提高系统中资源的利用率，增加单位时间内的算题量，从而提高了吞吐率。(关键词：处理器，外围设备，资源利用率，单位算题量，吞吐率)，但要注意对每个计算问题来说所需要的时间可能延长，另外由于系统的资源有限，会产生饱和，因此并行工作道数与系统效率不成正比。

二、进程

1 概念

进程是一个程序在一个数据集上的一次执行。由定义知进程关键组成是程序、数据集。

进程通过一个控制块来被系统所指挥，因此进程由程序、数据集和进程控制块三部分组成。进程控制块是进程存在的唯一标志 。进程是要执行的，据这点可分将进程的状态分为等待态然后是就绪态最后是运行态。

进程的基本队列也就是就绪队列和等待队列，（因为进程运行了，也就用不上排队了，也就没有运行队列了。）

如果进程由一所在队列退出的操作称为出队，排入到一个指定的队列的操作称为入队。系统中负责进程入队和出队的工作称为队列管理。

2 进程的调度

我们使用不同的调度是为了优化，具体说来是提高处理器利用率,增大吞吐量,减少等待时间,缩短响应时间。常用的算法有先来先服务、优先数调度法、时间片轮转调度法、分级调度（分级调度法可理解为多队列法）。顾名思义来先服务调度是先来者，先服务；优先数算法是对每个进程确定一个优先数，以决定先后。时间片轮转法是把规定进程一次使用处理器的最长时间称为"时间片"。让就绪进程按就绪的先后次序排成队列，依次运行。分级调度算法是由系统设置多个就绪队列，每个就绪队列中的进程按时间片轮转法占用处理器，这就是分级调度算法。

3 进程的切换

进程切换指一个进程进处理器，另一个进程出处理器的过程。（废话！）

若有一个进程从运行态变成等待态，或完成工作后就撤消，则必定会发生进程切换。

4 进程同步和通信

进程同步实际上是指并发进程之间的制约关系。即一个进程的执行依赖另一个进程的消息。没有消息时等待，有消息进被唤醒。

进程通信是进程之大量信息的方式。

5 进程和死锁（详细见后）

三、可再入程序

一个能被多个用户同时调用的程序称做"可再入"的程序。可再入程序必须是纯代码，即在执行时自身不改变。编译程序和操作系统程序通常都是"可再入"程序 。

存 储 管 理

一、存储器：

中央处理器存储下列中信息的速度依次为：寄存器最快；通过系统总线存取主存储器的速度居中；辅助存储器最慢。

寄存器用来存放临时的工作信息和系统必须的控制信息。

主存储器是CPU能直接访问的惟一的存储空间.

主存储器中存放操作系统的核心部分，以及当前需执行的程序和数据。

主存储器以“字节(BYTE)”为单位进行编址

辅助存储器是存放操作下的非核心部分和其他程序和数据。容量大且能永久保存信息

磁盘的信息可随机存取，磁带上的信息只能顺序存取。

二·储器的地址：

主存储器以字节为编址单位

1、物理地址与逻辑地址。

物理地址 （绝对地址）:. 128MB的主存器有128×1024×1024=134217728 字节，所以它的内存绝对地址就是从0到134217727。

逻辑地址: 用户程序中使用的从“0”地址开始的连续地址。

三、重定位

重定位即把逻辑地址转换成绝对地址。重定位的方式有“静态重定位”和“动态重定位”两种。(1)静态重定位

在装入一个作业时，把作业中的指令地址和数据地址全部转换成绝对地址。这种转换工作是在作业开始前集中完成的，在作业执行过程中无需再进行地址转换。所以称为“静态重定位”。

(2)动态重定位

在装入一个作业时，不进行地址转换，而是直接把作业装到分配的主区域中。在作业执行过程中，每当执行一条指令时都由硬件的地址转换机构转换成绝对地址。这种方式的地址转换是在作业执行时动态完成的，所以称为动态重定位。

动态重定位由软件（操作系统）和硬件（地址转换机构）相互配合来实现。动态重定位的系统支持“程序浮动”，而静态重定位则不能。

页式管理

（1）采用页式管理，使主存空间充分利用，页不必为了得到连续空间而进行移动。可以提高系统效率。

（2）页式存储管理中为什么要设置页表和快表？

在页式存储管理中，主存被分成大小相等的若干块，同时程序逻辑地址也分成与块大小一致的若干页，这样就可以按页面为单位把作业的信息放入主存，并且可以不连续存放，为了表示逻辑地址中的页号与主存中块号的对应关系，就需要为每个作业建立一张页表，。

页表一般存放在主存中，当要按给定的逻辑地址访问主存时，要先访问页表，计算出绝对地址，这样两次访主存延长了指令执行周期，降低了执行速度，而设置一个高速缓冲寄存器将页表中的一部分存放进去，这部分页表就是快表，访问主存时二者同时进行，由于快表存放的是经常使用的页表内容，访问速度很快，这样可以大大加快查找速度和指令执行速度。

虚拟存储

一、虚拟存储器

虚拟存储器是为“扩大”主存容量而采用的一种设计技巧，就是它只装入部分作业信息来执行，好处在于借助于大容量的辅助存储器实现小主存空间容纳大逻辑地址空间的作业。

虚拟存储器的容量由计算机的地址结构(地址总线位数)决定。如32位的，则最大的虚存容量为2^32=4294967296B=4GB

二、叙述页式虚拟存储器的基本原理。

页式虚拟存储器是在页式存储的基础上实现虚拟存储器的，其工作原理是：

首先把作业信息作为副本存放在磁盘上，作业执行时，把作业信息的部分页面装入主存，并在页表中对相应的页面是否装入主存作出标志。

作业执行时若所访问的页面已经在主存中，则按页式存储管理方式进行地址转换，得到绝对地址，否则产生“缺页中断”由操作系统把当前所需的页面装入主存。

若在装入页面时主存中无空闲块，则由操作系统根据某种“页面调度”算法选择适当的页面调出主存换入所需的页面。

三、常用的页面调度算法：FIFO、LRU、LFU

页面调度:当主页中无空闲块时，为了装入一个页面，就必须按某种算法将主存中某个页调出，调入所需装入的页面。

常用的算法有：先进先出调度算法(FIFO)、最近最少使用调度算法(LRU)和最近最不常用调度算法(LFU)。

特别要注意掌握的就是LRU(最近最少使用调度算法)的算法，如何进行调度。

5、缺页中断率

f=F/A，这里的f就称为缺页中断率。

A为作业执行中访问页面的总次数同，F为访问的页面尚未装入主存的次数

四、段式虚拟存储器的实现

段式虚拟存储管理以段式存储管理为基础，即在磁盘上保留作业的各个分段信息，作业执行时把需要执行的一段或几段装入主存。

在实际使用中，也要进行查表和地址转换以及“缺段中断” 和调度(包括调出、装入、移动等)工作。

五、比较各种存储管理方式的特征。

单分区管理

除操作系统占用的一部分存储空间外，其余的用户区域作为一个连续的分区分配给用户使用

界限寄存器值+逻辑地址→绝对地址

固定分区的管理 分区数目、大小固定

设置上、下限寄存器 逻辑地址+下限地址→绝对地址。

可变分区的管理 可变分区管理方式不是把作业装入到已经划分好的分区中，而是在作业要求装入主存储器时，根据作业需要的主存量和当时的主存情况决定是否可以装入该作业。

分区数目大小不定 设置基址、限长寄存器

逻辑地址+基址寄存器的值→绝对地址。 基址值≤绝对地址≤基址值+限长值

页式存储管理 主存储器分为大小相等的"块"

程序中的逻辑地址进行分"页”，页的大小与块的大小一致。

用页表登记块页分配情况

逻辑地址的页号部分→页表中对应页号的起始地址→与逻辑地址的页内地址部分拼成绝对地址。

由页表中的标志位验证存取是否合法，根据页表长度判断是否越界.

段存储管理 程序分段

每一段分配一个连续的主存区域，作业的各段可被装到不相连的几个区域中。

设置段表记录分配情况

逻辑地址中的段号→查段表得到本段起始地址+段内地址→绝对地址 由段表中的标志位验证存取是否合法，根据段表长度判断是否越界

页式虚拟存储管理 类似页式管理将作业信息保存在磁盘上部分装入主存

类似页式管理：

逻辑地址的页号部分→页表中对应页号的起始地址→与逻辑地址的页内地址部分拼成绝对地址。

若该页对应标志为0，则硬件形成"缺页中断"先将该页调入主存 类似页式管理

段式虚拟存储管理 类似段式管理将作业信息保存在磁盘上部分装入主存

类似段式管理 类似段式管理

只有单分区适用于单道系统。

只有单分区和固定分区的为静态重定位，不需要硬件转换机构。其余为动态重定位，需要硬件转换。

六、可变分区经常采用的主存分配算法

最先适应分配算法：简单地说，就是在分区表中顺序查找，找到够大的空闲区就分配。

最优适应分配算法：挑选一个能满足作业要求的最小空闲区。

最坏适应分配算法：挑一个最大的空闲区分给作业使用.

七 、I/O保护

<1>特权指令:即可能影响系统安全的指令。全文是为保护输入输出的完整性，把“启动I/O”等的一类可能影响系统安全的指令定义为特权指令。

特权指令的使用权限：特权指令只允许操作系统使用，用户程序不能使用特权指令。

用户程序若要启动I/O，必须请求操作系统代为启动。优点在于：这种方式不但保证安全地使用外围设备，正确地传送信息，而且可减少用户为启动设备而必须了解外围设备特性以及启动等工作，大大方便了用户。）

<2> 管态和目态

中央处理器的两种工作方式：管态和目态。

在管态下，中央处理器可执行包含特权指令在内的一切指令；

目态次于管态，在目态下，中央处理器不准执行特权指令。

操作系统在管态下工作，用户程序在目态下工作。

<3> 存储保护