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操作系统概述
操作系统的作用#xff1a;通过资源管理提高计算机系统的效率#xff1b;改善人机界面向用户提供友好的工作环境。
操作系统的特征#xff1a;并发性、共享性、虚拟性、不确定性。
操作系统的功能#xff1a;进程管理、存储管理、文件管理、设备…进程管理
操作系统概述
操作系统的作用通过资源管理提高计算机系统的效率改善人机界面向用户提供友好的工作环境。
操作系统的特征并发性、共享性、虚拟性、不确定性。
操作系统的功能进程管理、存储管理、文件管理、设备管理、作业管理。
分类批处理操作系统、分时操作系统轮流使用CPU工作片、实时操作系统快速响应、网络操作系统、分布式操作系统、微机操作系统Windows、嵌入式操作系统
计算机启动基本流程BIOS → 主引导记录 → 操作系统
进程
组成进程控制块PCB唯一标识、程序描述进程要干什么、数据存放进程执行时所需数据
状态就绪、运行、等待
前趋图
前趋图可以确定两点任务之间的并行关系、任务之间的先后顺序
进程资源图
进程资源图用于表示进程和资源之间的分配和请求关系 P代表进程R代表资源R方框有几个圆就表示有几个资源例如在本图中R1指向P1表示R1有一个资源已经分配给了P1P1指向R2表示P1还需要请求一个R2资源才能执行。
阻塞节点看需要的资源是不是已经全部分配出去了某进程所请求的资源已经全部分配完毕无法获取该进程被阻塞了无法继续。如图中P2(R2分配来但是R1满了没有足够的资源让P2执行已经将仅有的两份资源给了P1/P3)非阻塞节点某进程所请求的资源还有剩余可以分配给该进程继续运行。如图中P1、P3 当一个进程资源图中所有进程都是阻塞节点时即陷入死锁状态。
同步与互斥
互斥同一时刻只能由一个任务单独使用使用加锁使用完后释放如打印机
同步多个任务可以并发执行
临界资源各进程间需要以互斥方式对其访问的资源
临界区指进程中对临界资源实施操作的代码比如synchronized代码
互斥信号量初值为1
同步信号量初值一般是共享资源的数量
信号量操作 P操作申请资源SS-1【S0时表示可用的资源数量S0则表示等待资源】若S0则执行P操作的进程继续执行若S0则该进程阻塞将其插入阻塞队列 V操作释放资源SS1若S0表示当前还有资源可用则执行V操作的进程继续执行若S0表示当前存在阻塞进程则从阻塞队列中唤醒一个进程并将其插入就绪队列然后执行V操作的进程继续。 是先操作完再判断,先P后V
信号量操作先P后V才开始计算S1、2、3、4…都是代表资源使用
存储管理
页式存储管理 将进程空间分为一个个页假设每个页大小为4K同样的将系统的物理空间也分为一个个4K大小的物理块页帧号这样每次将需要运行的逻辑页装入物理块中运行完再装入其他需要运行的页就可以分批次运行完进程无需将整块逻辑空间全部装入物理内存中。
优点利用率高、碎片小只在最后一个页有、分配及管理简单
缺点增加系统开销、可能产生抖动现象 解析考逻辑地址和物理地址的转换。页式存储的表示高位【页号】 低位【页内地址/页内偏移】。页内地址是不会变的不论是物理地址还是逻辑地址只有页号的根据映射会变。页内地址就是页面大小。
4K4*1024212(24)^3表示3位16进制。因此D16H表示页内地址1表示页号其对应物理块号为3因此物理地址为3D16H
页面置换算法 进程空间分为100个页面而系统内存只有10个物理块无法全部满足分配就需要将马上要执行的页面先分配进去而后根据算法进行淘汰使100个页面能够按执行顺序调入物理块中执行完。
缺页表示需要执行的页不在内存物理块中需要从外部调入内存会增加执行时间因此缺页数越多系统效率越低。
最优算法OPT理论上的算法无法实现是在进程执行完后进行的最佳效率计算用来让其他算法比较差距。原理是选择未来最长时间内不被访问的页面置换这样可以保证未来执行的都是马上要访问的。先进先出算法FIFO先调入内存的页先被置换淘汰会产生抖动现象即分配的页数越多缺页率可能越多即效率越低最近最少使用LRU在最近的过去进程执行过程中过去最少使用的页面被置换淘汰根据局部性原理这种方式效率高且不会产生抖动现象。
快表 快表是一块小容量的相联存储器由快速存储器组成按内容访问速度快并且可以从硬件上保证按内容并行查找一般用于存放当前最频繁的少数活动页面的页号。 快表存储于Cache中慢表将页表存储于内存中因此慢表需要访问两次内存才能取出页而快表则是一次Cache和一次内存。
段式存储管理
将进程空间分为一个个段每段由段号段内地址组成与页式存储不同的是每段物理大小不同分段式根据逻辑整体分段的。
地址表示段号段内地址(段内偏移)段内地址不能超过段号对应的段长否则越界错误而此地址对应的内存地址为段号对应的基址段内地址
段表段长基址
优点程序逻辑完整修改互不影响 缺点内存利用率低内存碎片浪费大
段页式存储管理
两者结合对进程空间先分段再分页 优点空间浪费小存储共享容易能动态连接 缺点复杂性和开销增加执行速度下降
文件管理
计算机系统中采用的索引文件结构如下图所示
系统中有n个索引节点直接索引即每个索引节点存放的是内容假设每个物理盘大小为4KB则可存4KB*1040KB数据
其次索引节点为一级间接索引节点大小为4KB不是直接存放数据而是链接到直接物理盘块的地址假设每个地址占4B则共有4KB/4B1024个地址可存1024*4KB4MB数据
然后是二级索引节点存放一级节点地址一级节点再存放物理盘块地址再链接到物理盘块容量扩大一个量级102410244KB数据
1然后是为三级间接索引又多一层嵌套102410241024*4KB数据。 以此类推
树形文件目录
相对路径从当前目录开始的文件路径 绝对路径从根目录开始的路径 全文件名绝对路径 文件名 树形结构主要用于区分相对路径和绝对路径
空闲存储空间管理
空闲区表法将所有空闲空间整合成一张表即空闲文件目录 空闲链表法将所有空闲空间链接成一个链表根据需要分配 成组链接法既分组每组内又链接成链表两者结合 位示图法对每个物理空间用一位标记为1则使用为0则空闲形成一张位示图。
设备管理
设备分类方式 按数据组织分类块设备、字符设备。 资源分配角度分类独占设备、共享设备和虚拟设备。 数据传输速率分类低速设备、中速设备、高速设备
输入输出技术
程序控制查询方式CPU主动查询外设是否完成数据传输效率极低。CPU串行 CPU串行Serial CPU是一种单个指令流执行的计算机处理器指令序列按顺序一个接一个地执行。这意味着每个指令必须在前一个指令完成后才能开始执行。这与并行处理器Parallel CPU不同后者可以同时执行多个指令。串行CPU通常更容易设计和实现但速度较慢。 程序中断方式外设完成数据传输后向CPU发送中断等待CPU处理数据效率相对较高。适用于键盘等实时性较高的场景。CPU并行 CPU并行是指将一个任务分解成多个子任务由多个处理器核心同时处理从而提高处理效率和性能的一种方式。CPU并行可以在单个处理器内的多个处理核心之间分配任务或者将任务分配给多个处理器来执行。CPU并行可以使用多线程、向量化指令、SIMD单指令多数据和多核心等技术来实现。在现代计算机系统中CPU并行通常用于高性能计算、数据分析、图形处理和深度学习等领域。 中断响应时间指的是从发出中断请求开始进入中断处理程序中断处理时间指的是从中断处理开始到中断处理结束中断向量提供终端服务程序的入口地址。多级中断嵌套使用堆栈来保护断点和现场。DMA方式直接主存存取CPU只需完成必要的初始化等操作数据传输的整个过程都有DMA控制器来完成在主存和外设之间建立直接的数据通路效率很高。适用于硬盘等高速设备。CPU并行
占用CPU时间程序查询中断DMA通道I/O处理机
在一个总线周期结束后CPU会响应DMA请求开始读取数据CPU响应程序中断方式请求是在一条指令执行结束时区分指令执行结束和总线周期结束。
虚设备和SPOOLING技术
SPOOLING技术 就是在外设上建立两个数据缓冲区输入井、输出井这样无论多少进程都可以共用这一台打印机只需要将打印命令发出数据就会排队存储在缓冲区中打印机就会自动按顺序打印实现了物理外设的共享使每个进程都感觉在使用一个打印机这就是物理设备的虚拟化。
磁盘结构
磁盘有两个盘面每个盘面又多个同心圆一个圆就是一个磁道磁道上划分多个扇区数据就存在扇区中。
读取数据时先找到对应磁道等磁盘旋转到指定扇区才能读取到因此就有寻道时间磁头移动到磁道所需时间和等待时间等待读写的扇区转到磁头下的时间寻道时间最长 寻道时间调度算法
先来先服务FCFS根据进程请求顺序 最短寻道时间优先SSTF请求访问的磁道与当前磁道最近的进程优先调度。问题“饥饿现象”远处的进程可能一直无法访问 扫描算法SCAN【电梯算法】磁头在磁盘上双向移动选择离磁头当前所在位置最近的请求访问的磁道并且与磁头移动方向一致磁头永远都是里→外或者外→里一直移动完才掉头 单项扫描调度算法CSCAN与SCAN不同的时只做单项移动只能里→外或者外→里单向。
#微内核操作系统
只将最为核心必要的东西放入内核其他能够独立的东西都放进用户进程中用户态、核心态
嵌入式操作系统
嵌入式操作系统特点微型化、代码质量高、专业化、实时性强、可裁剪可配置。
实时嵌入式操作系统的内核服务异常和中断、计时器、l/O管理。
常见的嵌入式RTOS实时操作系统VxWorks、RT-Linux、QNX、pSOS。
嵌入式系统初始化过程按照自底向上、从硬件到软件的次序依次为 片级初始化-板级初始化-系统初始化。
芯片级是微处理器的初始化板卡级是其他硬件设备初始化系统级初始化就是软件及操作系统初始化。
