《操作系统》课程复习资料（下）

本文是对我的大学课程——《操作系统》的课程知识整理，分上下两个部分，本文为下半部分，上半部分详见《操作系统》课程复习资料（上）

虚拟存储器

输入输出系统

虚拟存储器

虚拟存储器是指具有请求调入和置换功能，从逻辑上对内存容量加以扩充的一种存储器系统。容量取决于计算机的地址结构、可用的物理内存和外存的容量之和。

特征：多次性：一个作业允许多次调入对换性：作业可换入、换出；虚拟性

分配策略

固定分配：在进程生命周期中，保持固定数目的物理块。可变分配：保持可变数目的物理块.

置换策略

局部替换：发生缺页时，仅从该进程的物理块中淘汰页面

全局替换：发生缺页时，从系统中任一进程的物理块中淘汰页面

可组合出以下三种内存分配策略

1) 固定分配局部置换 (Fixed Allocation ， Local Replacement)

2) 可变分配局部置换 (Variable Allocation ， Local Replacement

3) 可变分配全局置换 (Variable Allocation ， Global Replacement

常用的页面置换算法：最佳置换算法(OPT算法)、先进先出页面淘汰算法(FIFO 算法)、最近最久未使用页面淘汰算法(LRU 算法)、Clock 置换算法

OPT: 淘汰以后不再需要或最长时间不再访问的页面（看以后）

FIFO：淘汰在内存中驻留时间最长的（Belady现象对于一些特定的访问序列，存在分配的页面数增多，但缺页率反而提高的异常现象）

LRU：淘汰最近最久未使用的页面，

Clock：置1置0

产生 “ 抖动 ” 的原因：1.进程数量多，每个进程分配的物理块少。

2.系统中运行的进程太多，由此分配给每一个进程的物理块太少，不能满足进程正常运行的基本要求，致使每个进程在运行时，频繁地出现缺页，必须请求系统将所缺之页调入内存。

预防方法：

1. 采取局部置换策略2. 把工作集算法融入到处理机调度中。调入作业前，先检查每个进程在内存的驻留页面是否足够多3. 利用“ L=S” 准则调节缺页率

“ L=S” 来调节多道程序度。L是缺页之间的平均时间，S是平均缺页服务时间，即用于置换一个页面所需的时间。L>>S ，说明很少发生缺页，磁盘未充分利用L<<S ，说明频繁发生缺页，缺页的速度过高。只有当L与S接近时，磁盘和处理机都可达到最大利用率4. 选择暂停的进程。减少多道程序的数目。

输入输出系统

I/O设备

按信息交换的单位分分块设备和字符设备

按使用特性存储设备 I/O设备

按信息传输速率低俗中速高速

I/O 设备由两部分：I/O 操作的机械部件机械部件即设备本身

执行控制 IO 的电子部件：电子部件称为设备控制器（或适配器）

四种 IO 控制方式

使用轮询的程序控制方式，传送单位：字

中断 I/O 控制方式传送单位字

直接 DMA 控制, 传送单位：数据块

通道控制方式

早期计算机系统中，无中断机构，CPU 对 I/O 设备的控制采取程序直接控制方式，又称轮询方式

进程需要数据时，通过 CPU 发出指令，启动外围设备准备数据。进程进入阻塞状态，等待输入完成，进程调度。

DMA方式-直接存储器访问方式：CPU 要从磁盘读入一数据块时，便向磁盘控制器发送一条读命令。该命令被送入命令寄存器 CR 中。同时，需要将本次要读入数据在内存的起始目标地址送入寄存器 MAR 中

I/O 通道设备的引入：当主机所配置的外设很多时， CPU 的负担仍然很重。故CPU 和设备控制器之间又增设了 I/O 通道。IO 通道是一种特殊的处理机，通道可以识别和执行一系列通道指令，并通过执行 IO 程序来控制 IO 操作。其目的是使一些由 CPU 处理的 IO任务转通道承担

IO系统目标：（1）提高设备的利用率（2）为用户提供方便、统一的界面

（3）提高处理机和 I/O设备的利用率（4）对 I/O 设备进行控制

（5）确保对设备的正确共享（6）错误处理

设备独立性（设备无关性）：应用程序中所用的设备，不局限于某个具体的物理设备，通过设备逻辑名来使用设备，必须在设备驱动程序上再设置一层软件，对设备进行管理。

设备驱动程序功能1接收上层发来的命令和参数。2检查用户 I/O 请求的合法性。3发出 I/O 命令。4及时响应由设备控制器发来的中断请求，并根据其中断类型，调用相应的中断处理程序进行处理。

设备分配的原则和策略1充分发挥设备的使用效率，尽可能地让设备忙起来2避免由于不合理的分配而造成死锁的发生3将用户程序和具体物理设备相隔离

设备分配方式1静态分配：用户进程开始执行之前，操作系统就将该进程所

需要的全部设备、设备控制器和通道一次性地分配给它2动态分配：指进程在运行过程中需要 I/O 时，再由操作系统为其分配设备

系统调用：将 CPU 状态由用户态转换到内核态；转向 OS 中相应过程，由该过程完成所需的 I/O 操作。执行完后， CPU 状态由内核态转换到用户态。

假脱机(Spooling)系统

假脱机技术通过假脱机技术，将一台物理 I/O 设备虚拟为多台逻辑 I/O 设备，允许多个用户共享一台物理 I/O 设备。是在联机情况下实现脱机 I/O功能

虚拟设备：用一个物理设备模拟出的多个逻辑设备，通过缓冲等方式，将独占设备改造为共享设备。允许多个用户共享一台物理 I/O 设备。

输入井和输出井 ：在磁盘上开辟两个存储空间；输入井用于暂存 I/O 设备输入的数据；输出井用于暂存用户程序的输出数据，以文件形式管理

SPOOLing 的设计与实现输入进程：输入进程将用户要求的数据从输入设备传送到输入缓冲区，再存放到输入井。

输出进程：将用户要求输出的数据，先从内存送到输出井，待输出设备空闲时，再将输出井中的数据送到输出设备上。

缓冲区是一个存储区域,可由专门的硬件寄存器组成,也可利用内存作为缓冲区

假脱机打印系统主要包括三部分：

①磁盘缓冲区（输出井）：在磁盘上开辟的存储空间，暂存要打

印的数据。

②打印缓冲区：在内存中，暂存从磁盘缓冲区送来的数据。

③假脱机管理进程和假脱机打印进程

SPOOLing实现原理：当用户进程请求打印输出时，Spooling 同意为它打印输出，但并不立即把打印机分配给它，假脱机管理进程做两件事：① 在输出井中为它申请一个空闲磁盘块区，将要打印的数据送入其中暂存。② 为用户进程申请一张空白的用户请求打印表，将用户的打印要求填入其中，再将该表挂到请求打印队列上

缓冲区是一个存储区域,可由专门的硬件寄存器组成,也可利用内存作为缓冲区

缓冲区的作用1缓和 CPU 与 I/O 设备间速度不匹配的矛盾。2减少对 CPU 的中断频率，放宽对 CPU 中断响应时间的限制。3解决数据粒度不匹配的问题, 如生产者和消费者之间交换的数据粒度不匹配4提高 CPU 和 I/O 设备之间的并行性

扫描 (SCAN) 算法- 电梯调度算法在方向一致的下优先调度与当前磁头最近的请求。单向到最大后返回至较大循环扫描 (CSCAN) 单向到最大后返回至较小

以柱面、磁头、扇区表示的为绝对扇区，又称物理磁盘地址，即CHS

公式：存储容量=磁头数*磁道（柱面）*每道扇区数*每扇区字节数

文件系统基本目标：实现按名存取

文件系统是操作系统中负责管理和存取文件的程序集合。由文件控制块、存储分配表等数据结构、相应的管理软件和被管理的文件组成。

文件结构分为逻辑结构和物理结构

逻辑结构：用户所看到的文件组织形式，是用户可以直接处理的数据及其结构，它独立于文件的物理特性，称为文件组织。根据用户需求和文件内容决定。

物理结构：又称为文件的存储结构，是指文件在外存上的存储组织形式。这不仅与存储介质的存储性能有关，而且与所采用的外存分配方式有关。

逻辑结构按文件是否有结构分类（1）无结构文件（流式文件）由字符序列组成的文件，其内部不再划分结构，字符是该文件的基本信息单位。例如：文本文件、源程序、可执行文件等。对流式文件的访问，采用读/ 写指针来指示下一个要访问的字节。（2）有结构文件（记录式文件）

按文件的组织方式分类，有结构文件分为三类：(1) 顺序文件 (2) 索引文件 (3) 索引顺序文件