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操作系统

《操作系统》引论

1.基本概念

1. 计算机系统：由硬件和软件组成。
2. 硬件：五大硬件，分别是cpu（运算器和控制器），I/O设备，存储器。
3. 软件：
   　　１）系统软件：操作系统，程序设计语言，编译程序，链接装配程序等等。
   　　２）应用软件：应用程序，软件包。
   　　３）工具软件：各种诊断程序，检查程序，引导程序。

2.操作系统的形成与发展

1. 手工操作阶段：程序员完全手工。
2. 早起批处理阶段：出现计算机操作员，以及监督程序，翻译程序（编译、汇编），实用程序（链接装配程序）。而且还出现了程序库以及程序覆盖等新技术。
3. 执行系统：硬件的两大进展：通道以及中断技术的引入。
4. 多道批处理系统：主存中允许存在多道程序。
   　　１）好处：提高了CPU，主存，I/O设备的利用率，增加了系统的吞吐量。
   　　２）问题：为了合理共享软硬件资源，出现了同步和互斥机制，为了提高主存使用效率，出现了覆盖技术，对换技术，虚拟存储技术等主存管理技术。此外还得提高主存的保护！
5. 分时系统：分为三种，特征表现为同时性，独立性，及时性，交互性。
   　　１）单道分时系统：主存中只有一道程序，其余程序留在辅存中。
   　　２）具有“前台”“后台”的分时系统：主存划分为前台和后台，优先优先运行前台作业。
   　　３）多道分时系统：主存中的多道程序轮流使用时间片。
   多道批处理系统以及分时系统的出现标志着操作系统的初步形成。
6. 实时系统：在允许的时间范围内及时作出响应。特点是响应时间快，有较高的安全性和可靠性，不强求系统资源利用率。
7. 通用操作系统：兼具多道批处理，分时，实时系统的功能的操作系统。它优先处理实时任务，后处理批作业。
   至此，操作系统已经形成并初步完善。
8. 微机操作系统：随着超大规模集成电路的出现产生了微机，配置在微机上的操作系统就是微机操作系统。其中，Unix就是配置在32/64位微机上面的多用户多任务操作系统。
9. 网络操作系统：除了具备一般操作系统应有的功能模块外，还应该具有网络功能模块。
10. 分布式操作系统：分布式系统是若干个计算机的集合，各个计算机具有并行处理和分步控制的功能。在这系统有一个有一个全局的操作系统称为分布式操作系统。分布式系统的基础是计算机网络，但是前者又有多机合作和健壮性，其中健壮性表现在优美降级和自动恢复。
11. 嵌入式操作系统：运行在嵌入式环境中。

3.操作系统的功能

1. 处理器管理
2. 作业管理
3. 存储器管理
4. 设备管理
5. 文件管理

4.操作系统的特征和作用

特征：并发，共享，虚拟，异步性。
作用：作为用户和硬件系统之间的接口，计算机系统资源的管理者，用作扩充机器。

处理器管理

1. 一些基本概念

1. 程序的顺序执行：具有顺序性，封闭性，可再现性。
2. 程序的并发执行：有两种情况，一种是在某个时间段几个程序可以并发执行，另外一种是某个程序中的部分代码可以同时执行或者颠倒顺序执行。并发执行实际上就是某个程序或者程序段还没执行完另外一个程序或者程序段就可以开始执行了，从宏观上来说他们是并发执行的。并发执行提高了系统的吞吐量，并且具有异步性。
3. 进程，是可并发执行的程序在一个数据集上的执行过程，它是系统进行资源分配的基本单位。引入进程的目的是为了从变化的角度动态地分析并发程序的活动。
4. 进程具有独立性，同一个程序具有不同的数据集可以构成不同的进程，进程具有结构性，由程序段，数据段以及进程控制块（PCB）构成的。
5. 进程的三个状态：
   1）就绪状态：进程已经分配好除了cpu以外的资源。
   2）执行状态：进程已经获得了cpu，其程序正在执行。
   3）等待状态：因为某事件而暂停执行的状态，通常将不同原因而进入等待状态的进程放入不同的等待队列中。
   4）新进程：刚创建的并分配资源的进程
   5）终止状态：执行结束后的进程。
6. 进程控制块PCB：每个进程有且只有一个进程控制块，用于记录和描述进程状态及有关信息的数据结构。cpu是根据PCB来对进程进行控制和管理的。
7. 进程队列，实际指向的进程PCB，因为PCB可找到进程以及相关信息。

2. 进程控制

1. 进程创建：通过调用创建原语并提供相关参数来创建进程，主要任务是形成该进程的PCB。
   创建过程：查找PCB总链看是否有同名的PCB，接下看再查看是否有空的PCB，都满足则将信息填入相应的PCB位置，将PCB加入就绪队列并且将PCB加入PCB总链。
2. 进程的状态转换：
   1）就绪->执行：就绪状态的进程获得了处理器。
   2）执行->等待：出现了某事件无法执行。
   3）执行->就绪：cpu被剥夺。
   4) 等待->就绪：等待事件结束。
3. 进程阻塞：当出现等待事件时，使用阻塞原语将自己阻塞。阻塞原语的功能是将现进行的进程的现场保护起来，也就是将现场状态送到该进程的PCB现场保护区。然后修改进程状态为等待并插入等待队列，转其他进程占用CPU。
4. 进程唤醒：由一个进程使用唤醒原语来唤醒等待状态的进程，将被唤醒进程从相应的等待队列中移出并修改成就绪状态转入就绪队列。

3. 进程调度

1. 进程调度的功能：
   1）记录系统中进程的执行情况
   2）选择占有处理器的进程
   3）把处理器分配给进程
   4）收回处理器
2. 进程调度的原因：
   1）进程执行完了。
   2）执行了P原语或者V原语操作。
   3）时间片使用完了。
   4）优先级高的进程剥夺处理器。
3. 进程调度的算法：
   1）先来先服务
   2）优先数调度，确定优先数分为静态法和动态法。进程占用CPU的过程中，系统可以使用非抢占和抢占式两种方式对待它。
4. 时间片轮转调度，时间片长度q = 系统对响应时间的要求R/就绪队列中所允许的最大进程数N
5. 多级反馈队列调度过程：
   1）有多个就绪队列，高优先级的在前面
   2）优先级越高的就绪队列时间片越短
   3）未执行完的进程进入下一个就绪队列队尾（低一级就绪队列）
   4）同一队列之间使用FCFS的调度算法。
   5）当高优先级的就绪队列无进程时才会执行低优先级的进程，也就是队列1~队列n空闲时，才会执行队列n+1里面的进程
   6）使用可抢占式的方式工作，被中断的进程进入当前队列的队尾
   7）新进程进入队列1队尾。
6. 调度算法的选择：
   1）处理器的利用率
   2）吞吐量：单位时间更多进程完成工作。
   3）等待时间：一段时间内在就绪队列等待的时间
   4）响应时间

线程

• 定义：是进程中的一个实体，可独立参与调度的基本单位。
• 引入线程的原因：调度时由轻量的线程进行调度，减少系统开销。
• 线程的属性：
  
  1. 多个线程可以并发执行
  2. 一个线程可以创建另外一个线程
  3. 线程具有动态性
  4. 具有自己的线程控制块TCB
  5. 同一进程中的线程共用同一地址空间
  6. 一个进程中的线程在另外一个进程中是不可见的
  7. 同一进程内的线程间的通信是主要基于全局变量进行的
• 状态：就绪，运行和等待，线程中没有阻塞操作。
• 调度：跟进程的差不多，值得注意的是线程的调度是用户级线程的切换，无需中断内核来进行。
• 特点：只拥有运行时所需要的必须的资源，同一进程之间的线程切换不会引起进程间的切换，具有并发性，消耗少量的系统开销。
• 分类：内核级线程，用户级线程，混合式线程。

管程

• 定义：关于共享资源的数据及在其上的操作的一组过程或者数据结构及其规定的所有操作
• 特性：
  
  1. 模块化
  2. 抽象数据类型
  3. 安全性
  4. 互斥性

进程通信

• 通信系统的类型
  
  1. 共享存储器的系统
  2. 消息传递系统
  3. 管道通信系统

4. 进程互斥

• 原因：多个进程对共享资源的不合理使用
• 临界资源：共享变量所代表的资源
• 临界区：共享变量有关的程序段
• 相关临界区：多个并发进程涉及相同变量的那些程序段
• 信号量S：大于等于0表示可供进程使用的资源实体数，小于零表示等待该资源实体的进程数。
• P操作：S-1，若S小于0则该进程阻塞近
• V操作：S+1，若S小于等于0，则在等待队列释放一个进程
• 使用PV操作的时机：先P后拿，先放后V

5. 进程死锁

• 原因：竞争资源，进程推进顺序不当。
• 产生死锁的必要条件：互斥，占有且等待，不剥夺条件，循环等待条件
• 解决死锁：
  1）死锁的预防
• 静态分配政策：进程执行前得到了所有的资源
• 层次分配政策：只有进程得到了某一层的一个资源后，才能申请较高一层的资源
  2）死锁的避免
• 安全状态：在有限的时间内，可以保证所有的进程能够得到全部的资源
• 不安全状态：不安全状态意味着即将发生死锁
• 银行家算法：如果当前资源可以满足该进程，则给他分配资源
• 死锁的检测
  1）进程-资源分配图：存在环路并不一定死锁，不能完全化简的一定有死锁
  2）检验步骤：
  
  1. 无环路，系统没有发生死锁
  2. 有环路，且每个资源类中只有一个资源，则发生了死锁
  3. 有环路，但是每个资源类中有多个资源，此时有环路是死锁的必要条件但不是充分条件
  4. 充分条件是死锁定理，死锁定理就是不可能完全化简的进程-资源分配图
• 死锁的解除
  
  1. 立即结束所有进程
  2. 逐个撤销涉及死锁的进程，知道死锁结束
  3. 抢夺涉及死锁的进程的资源分配给其他涉及死锁的进程

作业管理

作业管理概述

• 作业：解题过程中要求计算机所做工作的集合
• 作业步：作业的每一个加工步骤
• 运行作业的四个作业步：
  1）编辑：产生源程序
  2）编译：产生目标代码程序
  3）链接装配：产生可执行程序
  4）运行：产生结果
• 作业控制方式：作业加工步骤的方式
  1）批处理控制方式（脱机处理）：用户提供一份“作业控制说明书”以及作业的源程序和初始数据给操作系统。
  2）交互式控制方式（联机处理）：作业执行过程中用户和操作系统不断交互。

批处理作业的处理

1. 作业输入：将作业装入辅存中，按照输入井的先后顺序形成后备队列

• 批处理作业的组成：源程序，从初始数据以及作业控制说明书。
• 作业控制语言JCL：用来书写作业控制说明书
• JCL功能：
  1）作业的提交
  2）控制作业和作业步的执行
  3）各种软硬件资源的使用
• 作业控制块JCB：是批处理作业在系统中存在的标志
• 需要访问JCB：输入程序，系统调度程序，作业控制程序，系统输出程序
• 作业表：用于存储作业块，放在辅存的固定区域。具有固定长度，限制了批处理作业的数量。
• 批处理作业的建立：建立JCB阶段，作业输入阶段

2. 作业调度

• 作业调度程序作用：
  
  1. 审核系统能否满足作业的资源需求
  2. 按照某种策略调度选取后备作业进入主存
  3. 选中作业分配软硬资源
  4. 为选中作业开始运行做好准备工作
  5. 作业撤离系统时，完成作业的善后处理
• 作业的状态：
  
  1. 提交状态：进入辅存
  2. 后备状态：进入后备队列
  3. 运行状态：进入主存并进入就绪队列
  4. 完成状态：作业退出系统时
• 作业调度的影响因素：公平性，均衡使用资源，提高系统的吞吐量，平衡用户和系统需求
• 作业调度的性能指标：CPU的利用率，吞吐能力，周转时间（从作业进入到输入井到作业执行完成这段时间），平均周转时间，平均带权周转时间。
• 批处理作业调度阶段
  1）高级调度：作业调度
  2）中级调度：平衡负载调度，决定主存中所能够容纳的进程个数。进程被调入辅存时处于挂起状态。
  3）低级调度：进程调度
• 批作业调度算法
  
  1. 先来先服务FCFS
  2. 短作业优先SJF
  3. 响应比最高者优先HRRF：响应比 = （作业等待时间+作业运行时间）/作业运行时间
  4. 优先数调度算法
  5. 分类调度算法：调度程序轮流去不同的作业类中挑选作业，尽量使得占用不同资源的作业同时使用

3. 批处理作业的控制

• 一个作业步的处理过程
  
  1. 创建子进程
  2. 为该子进程申请系统资源和外设资源等
  3. 访问该作业的进程控制块
  4. 子进程执行结束并释放其所占用的所有资源
  5. 撤销子进程

4. 交互式作业的管理

• 控制方式：操作控制命令，菜单方式，视窗方式

存储管理

三级存储层次：CPU寄存器，主存，辅存

0. 简介

• 寄存器：访问最快，完全能与CPU协调工作
• 主存：保存程序与数据，主存的空间分为系统区和用户区
• Cache：存储主存中经常要访问的数据

1. 存储管理的功能

• 主存空间的分配和去配
• 实现地址的转换
• 主存空间的共享和保护
• 主存空间的扩充

2.程序的装入和链入

1. 物理地址和逻辑地址

• 物理地址：主存的地址
• 逻辑地址：程序使用的地址

2. 程序的装入

• 过程：
  1）编译：将用户源代码编译成若干个模块
  2）链接：将编译好的一组模块以及他们所需要的库函数链接在一起，形成装入模块
  3）装入：由装入程序将装入模块装入主存

• 装入主存的方式

  1. 绝对装入方式：按照装入模块中的地址，将程序和数据装入主存。不需要对程序和数据的地址进行修改。这需要程序员直接给出程序和数据的逻辑地址。
  2. 静态重定位装入方式：装入作业时，将作业中的逻辑地址全部转换为物理地址，在程序执行的过程中无须地址转换。
  3. 动态重定位装入方式：装入作业时，装入程序不对作业中的逻辑地址转换，直接将作业装入主存中。在执行的过程中再将罗技地址转换为物理地址来对指令或者数据进行访问。

3. 程序的链接

• 静态链接：程序运行之前，将各个目标模块以及所需要的库函数链接成一个完整的装入模块。
• 装入时动态链接：在装入主存的时，需要调用的模块再链接。
• 运行时动态链接：在程序执行过程中，需要的模块再调入主存中。

4. 连续存储管理

• 单一连续存储管理：任何时刻主存中最多只有一道作业
• 固定分区存储管理：每个分区只能放一个作业，作业不能跨区存储
  1）主存分配表：保存各个分区起始地址和大小，以及分区的状态
  2）地址转换：可以采用静态重定位装入方式装入作业
  3）存储保护：使用两个寄存器分别保存作业所在分区的上限地址和下限地址
  4）顺序分配算法：对主存分配表从上往下扫描，找到第一个大小满足的分区。
  4）提高主存的利用率：合理划分分区大小，分区按小到大排序，作业对主存空间的需求可以分为多个队列，不同队列占用不同的分区。

5. 可变分区的管理

• 可变分区：主存中的空间大小是可以变化得
• 可变分区的数据结构
  1）分区表：已分配分区表，空闲分区表
  2）分区链：每个分区首尾有前向指针和后向指针
• 可变分区分配算法
  1）最先适应分配算法：顺序扫描，选择第一个满足的分区
  2）最优适应分配算法：总是选择满足作业地址空间要求的最小分区
  3）最坏适应分配算法：总是选择满足作业地址空间要求的最大分区，有利于中小型
• 空间的回收：检查是否有相邻的空闲分区，如果有则将其合并为一个新的空闲分区
• 地址转换：每次逻辑地址地址转换之前都得跟限长寄存器的内容进行比较，如果小于的话则该逻辑地址加上基地址完成物理地址的转化，否则发出“地址越界”中断。
• 移动技术：将分散的分区集中起来以容纳新的作业

6. 覆盖与交换技术：扩充主存

• 覆盖技术：程序被分为若干个相对独立的程序段，不会同时出现在主存的程序段共用一块主存分区。
• 覆盖段：可以相互覆盖的程序段
• 覆盖区：共享的主存区
• 交换技术：将暂时不使用的程序和数据调出主存，是程序或者作业之间的交换。

7. 页式存储管理：连续的作业存储在分散的主存空间

• 块：主存空间划分的若干个大小相等的区域
• 页：用户程序划分成与块大小相等的若干个区域
• 位示图：每一位的状态表示相应的块号的分配情况，最后一个字用来表示剩余的空闲块数。
• 位示图与块号的转化：块号 = 字号$\times$字长+位号， 字号 = 块号//字长，位号 = 快号mod字长
• 页表：每个程序都拥有一个页表，是页号到块号的映射关系
• 块表：放在相联寄存器中的页表
• 页的共享：可以允许使用不同的页号，但是指向同一个块号

8. 段式存储管理

• 基本原理：每个作业具有若干个段
• 逻辑地址：段号+段内地址
• 段表：表项包含段号，段长，基址
• 段的共享：使用同一个段名进行共享

9. 段式管理和页式管理的区别

• 页式信息的物理单位，而段式信息的逻辑单位
• 页的大小固定并且由操作系统决定，段的大小由用户决定
• 页方便系统管理，段方便用户使用
• 分页式的作业地址空间是一维，分段式的作业地址空间是二维的。页间的逻辑地址连续，段间的逻辑地址不连续。

9. 段页式存储管理：段号（s）|页号（p）|页内地址

10. 虚拟存储管理

• 前提：程序运行时存在的时间局限性和空间局限性
• 虚拟存储器大小 = 主存大小 + 辅存大小
• 特征：离散性，多次性，对换性，虚拟性。

11. 虚拟存储管理

• 请求分页式管理：访问到的数据或者指令不在主存中的时候，产生缺页中断，然后从辅存中调入一页。这样子会增大IO启动次数。
• 预调入分页式管理：动态预测可能会访问的页并提前调入。

请求页式存储的管理

1. 页表：表项包含页号，物理块号，状态位（0辅存1主存），访问字段（访问次数或者未访问时间），修改位，辅存地址
2. 缺页中断：在指令执行期间处理的
3. 地址变换机构

注意：如果想要调出主存的页没有被修改，则直接覆盖就好。

• 页面置换策略：
  
  1. 固定分配局部置换策略：每个作业具有一定的块数，每次置换只能在作业所属的块数里面置换。
  2. 可变分配局部置换策略：对于频繁中断的作业可以分配若干个附加的物理块。反之也可以减少作业的物理块。
  3. 可变分配全局置换策略：每个作业具有一定的物理块数，系统具有一个空闲块队列，当作业发生缺页中断时则从空闲块队列中取出一块。
• 页面置换算法
  
  1. 最佳置换算法OPT：获得最低地缺页中断率
  2. 先进先出置换算法
  3. 最近最少用置换算法LRU：选择最近一段时间内最长时间没有被访问过的作业。
  4. 时钟置换算法clock：使用引用位，访问过置1。每隔一个周期T清零。可以结合修改位作为调出的评定，其中引用位优先级高于修改位。
  5. 最近最不常用置换算法LFU：总是选择最少被访问次数的作业
• 缺页中断率 = 缺页次数/访问页面总次数、
• 影响缺页中断率因素：分配给主存的块数，页面的大小，程序编制的方法，页面调度算法
• 工作集窗口：时间间隔，大小为用Δ表示。
• 工作集：在工作集窗口内的页面集合，W = (t，Δ)。t，表示某个时刻。这个式子的意思就是说，在t这个时刻之前的Δ间隔内，使用了的页有哪些，也就是工作集。

请求分段式存储管理

• 段表：表项包括段名，段长，段的基址，存取方式，访问字段A（访问的频繁程度），修改位M，状态位P，扩充位（字段在运行中是否有动态增长），辅存地址

请求段页式存储管理

设备管理

1. 设备管理概述

• 外围设备分类：系统设备和用户设备（按照从属关系），存储设备和IO设备（按照工作特性）
• 设备管理的功能：
  1）外围设备的分配与去配
  2）外围设备的启动
  3）外围设备的驱动调度
  4）实现设备处理：由设备驱动程序进行管理
  5）实现虚拟设备：模拟的独占性设备，要求存取速度足够快

2. IO系统

• 定义：IO设备及其接口线路，控制部件，通道以及管理软件统称为IO系统。
• 设备：
• 按传输速率
  
  1. 低速设备：键盘，鼠标
  2. 中速设备：打印机
  3. 高速设备：磁带，磁盘，光盘
• 按信息交换
  
  1. 块设备：磁盘，磁带
  2. 终端，打印设备
• 按共享属性
  
  1. 独占型：输入机，磁带机，打印机
  2. 共享型：磁盘
  3. 虚拟设备：共享型设备来模拟独占型设备的工作
• 设备控制器：
  1）接口线路：数据线，控制线以及状态线
  2）类型：控制字符的控制器和控制块的控制器
  3）基本功能：接收和识别命令，数据交换，表示和报告设备的状态，地址识别，数据缓冲，差错控制。
  4）组成：设备控制器和CPU的接口，设备控制器和外设的接口以及IO逻辑三部分。

通道：

1）作用：实现了通道和CPU，通道和通道，各个通道的外设之间并行操作。
2）类型
- 字节多路通道：以字节为单位，采用交叉方式工作的通道。
- 数组选择通道：以块为单位成批传送数据
- 数组多路通道：

IO控制方式：

• 直接程序控制方式：询问方式
• 中断驱动程序方式
• 直接存储器访问控制方式：DMA控制方式
• 通道控制方式
• DMA控制方式特点：
  1）数据已块为单位
  2）数据直接送入主存或者输出到设备
  3）仅在开始和结束需要CPU干预
• DMA的内部寄存器
  1）命令/控制寄存器CR
  2）主存地址寄存器MAR
  3）数据寄存器DR
  3）数据计数器DC

通道控制方式

• 通道控制方式的引入：实现CPU，通道，外设的并行操作
• 通道指令与通道程序
• IO通道的启动与结束
• IO通道的工作过程：
  1）从CAW(相当于PC)中取出通道命令地址，到主存中取出命令。执行通道控制字寄存器CCW（相当于IR）的通道命令。
  2）控制器接收通道的命令之后，检查设备状态，若设备不忙则告知通道释放CPU，开始IO操作。执行完之后，还有通道命令跳转到1）。
  3）通道执行完IO操作之后，向CPU发出中断申请。

缓冲技术

• 引入的原因：
  1）CPU和外设速度不匹配
  2）减少CPU中断频率，放宽对CPU中断响应时间的限制
  3）提高CPU和外设的并行性
  = 单缓冲：读写分时操作
• 双缓冲：
• 多缓冲：循环缓冲的形式
• 缓冲池：由多个共享的缓冲区组成

独占设备

• 设备的物理号：每台设备都有一个特定的编号
• 设备的逻辑号：由用户在程序中定义的设备编号
• 设备的独立性：用户在程序中使用的设备跟实际使用的设备无关
• 设备分配的优点：灵活性强，适应性强，易于实现IO重定向
• 设备独立性软件特性：
  1）执行所有设备的公有操作：独立设备的分配和回收，逻辑设备名映射成物理设备名，设备保护，缓冲管理，差错控制
  2）向用户层软件提供统一的接口

独占设备的分配

• 静态分配：作业开始执行之前就已经分配好了
• 动态分配：执行过程中动态分配，一旦使用完立刻释放
• 控制表
  1）设备控制表DCT：记录设备的基本情况
  2）控制器控制表COCT：记录控制器的基本情况
  3）通道控制表CHCT：记录通道的基本情况
  4）设备控制表（系统设备表SDT）：记录连接到系统的所有类型设备的基本情况
  5）逻辑设备表LUT：应用程序中使用的逻辑设备名映射为物理设备名

磁盘管理

磁盘结构

• 一道磁道的结构：600B，512B用于存放数据，1B的SYNCH作为字段定界符，2B的CRC，有6B的GAP，还有其他的控制信息
• 块号与柱面号，磁道号，扇区号的转换
• 进行一次IO操作花的时间：寻找时间 + 延迟时间 + 传送时间、
• 寻找磁道的移臂调度
  1）先来先服务调度算法
  2）最短寻找时间优先调度算法
  3）单向扫描调度算法：只能0号向外查找，到了最外必须回到0接着查找。
  4）双向扫描调度算法
  5）电梯调度算法：优先考虑当前方向最近的访问者，只有当前方向没有请求时才会转换方向
• 寻找扇区的旋转调度
• 扇区的存放方式：顺序存放和优化分布

提高IO速度的一些方法

• 使用磁盘高速缓存：利用主存的存储空间暂存从磁盘读出的信息
• 提前读：提前将数据读入磁盘缓冲区
• 延迟写：需要写入磁盘的数据放在缓冲区中，只有当缓冲区的空间都分配了才会写回磁盘中。（占座道理）
• 虚拟盘：用主存模拟磁盘操作，对磁盘的操作在主存上面操作

设备处理

1. 设备的处理程序（驱动程序）：它是IO进程与设备控制器之间的通信和转换程序
2. 驱动程序的功能：
   1）接收IO进程发来的命令和参数
   2）检查用户IO请求的合法性
   3）发出IO命令
   4）及时响应由控制器或者通道发来的中断请求，并转去相应的中断处理程序处理
   5）对于有通道的计算机系统，操作还能根据IO请求构成通道程序
3. 设备驱动程序的处理过程
   （一）预制设备
   1）将软件的抽象要求转化为具体的要求
   2）检查IO请求的合法性
   3）读出和检查设备的状态
   4）传送必要的参数
   5）工作方式的设置
   （二）启动IO设备
   （三）设备中断处理：是外设和CPU协调工作的一种手段，CPU根据不同的原因进行处理
   1）程序正常结束CSW
   2）操作异常结束：（1）设备故障，（2）设备特殊情况

虚拟设备

出现的问题：
1）独占设备只有一部分时间使用设备
2）系统只配有一台独占设备
3）独占设备打大多数都是低速的设备，等待这些设备导致作业处理时间延长

脱机外围设备操作：使用专门的外围计算机对数据在CPU与磁盘之间进行移动，而主计算机只用于计算

联机同时外围设备操作：SPOOLing，假脱机操作

• 使用预输入程序和缓输出程序来模拟外围计算机的操作
  1）预输入程序：
  2）井管理程序：替代输入机（输出机）的功能，因此井管理程序包括井管理读程序和井管理写程序。
  3）缓输出程序：负责查看输出井中是否有等待输出的信息，若有，则将信息打印出来。

文件管理

主要工作：管理用户信息的存储，检索，更新，共享和保护。

文件管理概述

• 文件：一组在逻辑上有完整意义的相关信息的集合
• 文件名：文件的名字标识
• 文件属性：基本属性，类型属性，保护属性（防止文件被破坏，称为文件保护），管理属性，控制属性
• 文件系统：操作系统中负责存取和管理文件信息的软件。由管理文件所需的数据结构以及相应的管理软件以及访问文件的一组操作组成。

文件的分类

1. 按用途：系统文件，库文件，用户文件
2. 按保护级别：只读文件，读写文件，执行文件
3. 按信息流方向：输入文件，输出文件，输入输出文件
4. 按存放时限：临时文件，永久文件，档案文件
5. 按文件性质：普通文件，目录文件，特殊文件
6. 按文件数据形式：源文件，目标文件，可执行文件

文件系统的功能

1. 目录管理：文件目录是实现按名存储的一种重要手段
2. 文件的组织：按信息的使用和处理方式组织文件，文件在存储介质上面的组织方式称为文件的物理结构或者物理文件。
3. 文件存储空间的管理：
4. 文件操作：对文件的可执行的操作。包括建立文件，打开文件，读文件，写文件，关闭文件和删除文件等。
5. 文件的共享，保护和机密

文件系统结构层次

• 接口层：文件系统接口
• 管理层：逻辑IO管理，文件存储组织，物理IO控制，设备驱动程序
• 描述层：文件描述，目录描述，文件存储空间描述

文件的组织结构

• 组织结构：从用户的角度（逻辑文件），由文件系统的角度（物理文件）
• 逻辑结构：
  1）遵循的原则：便于修改，有利于检索效率的提高，有利于减少文件所占的存储空间，便于用户操作。
  2）类型：无结构文件（由字节或者字构成）和有结构文件（由若干个相关的记录构成，也称记录式文件）
• 有结构文件的类型：
  
  1. 顺序文件
  2. 索引文件：使用一张索引表登记记录。
  3. 索引顺序文件：将所有记录分组，组内记录使用顺序文件组织形式，组间记录采用一个索引表记录。
• 文件的存储介质
  
  1. 卷：存储介质的物理单位
  2. 块：存储介质上连续信息所组成的一个存储区域，是主存和辅存进行数据交换的基本单位

文件的存取方式

1. 顺序存取方式
2. 随机存取：任意次序存取文件

3. 按键存取：数据库管理系统中的存取方法

   • 存取方式所考虑的因素：文件的性质以及存储设备的特性

   • 物理结构

4. 顺序结构：逻辑上连续的信息放在相邻的物理存储介质上。每个文件都有文件头标（标识一个特定的文件）和文件信息，文件尾标（标识文件信息的结束）
5. 链接结构
6. 索引结构

记录的成组与分解

记录是按照信息在逻辑上的独立含义划分的单位，块是存储介质上连续信息所组成的区域

1. 记录的成组：将若干个逻辑记录存储在一个块中的过程，逻辑记录的数目叫做块因子
2. 记录的分解：把一组逻辑记录中的一个个逻辑记录分离出来的过程
3. 利用主存作为缓冲区来进行成组与分组操作

目录管理

• 要求：

  1. 实现按名存取
  2. 提高检索目录的速度
  3. 实现文件共享
  4. 允许文件重名

• 目录文件使用文件控制块来对文件进行管理

• 文件控制块FCB内容：
  
  1. 文件的基本信息
  2. 文件的结构信息
  3. 文件的管理信息
  4. 文件的存取控制信息

• 文件目录：将所有的文件目录项有机的组织在一起就构成了文件目录

• 文件目录的结构

  1. 一级目录：查找速度慢，不允许文件 重名，不能实现文件共享（不能够满足不同用户使用不同名称来访问同一个文件）
  2. 二级目录结构：每一个目录项对应着一个用户的文件目录。提高了文件的查找速度，允许文件重名，实现了文件共享
  3. 多级目录结构(树形目录结构)：绝对路径（从根开始访问文件具有唯一的路径）相对路径（从当前目录出发到达文件的路径）
  4. 无环图目录结构

辅存空间的管理

空闲快表法

• 结构：一张空闲块表
• 属于连续分配方式

空闲块链法：使用指针将各个块连接起来

空闲区链法：使用指针将各个区连接起来，每个区·1有·若干个块

位示图：

成组链接发：每一组的第一个物理块记录下一组空闲块号的物理号和空闲块数。最后一个组的物理块号填0，表示最后一组。剩余不足一个组数目的放到专用块中。使用堆栈存储时，栈顶放最后一个空闲块号，也就是倒着放

文件的使用

• 建立文件过程

  1. 检查建立参数的合法性
  2. 检查文件目录有无重名的文件
  3. 为新文件分配外部存储空间
  4. 将新文件的创建文件控制块
  5. 返回一个文件描述符

• 打开文件操作

  1. 根据路径查找文件目录树，找到文件控制块
  2. 根据打开方式，共享说明和用户身份来检验访问的合法性
  3. 修改系统文件表中的共享计数
  4. 从用户文件表取一个空表项进行填写并指向系统文件表对应表项

文件的共享

绕道法

链接法：目录链接，目录节点，符号链接

文件的保护

• 影响安全的因素：人为，系统，自然
• 措施：存取控制机制，磁盘容错技术，备份技术
• 存取控制
  
  1. 存取控制矩阵：不对用户分组
  2. 存取控制表：对用户进行分组
  3. 设置口令：打开文件
  4. 文件加密：内容进行翻译
• 容错技术
  
  1. 一级容错：软件层面，双目录双文件分配表，热修复重定向（存储有缺陷的物理块待写的数据），写后读校验（被害妄想症）
  2. 二级容错，磁盘镜像（磁盘利用率降低一半），磁盘双工（双通道双控制器），廉价磁盘冗余RAID（高可靠性，磁盘读写速度快，性价比高）。
  3. 数据转储：副本：磁带，磁盘，光盘，U盘。定期转储：海量存储（所有文件），增量转储（修改过的）。