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计算机组成：
- 硬件：物理设备的有机组合，系统赖以工作的实体
- 软件：程序和文件的集合。程序是计算任务的处理对象和处理规则的描述；文件是需要的资料数据
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引入操作系统的原因：
- 计算机硬件复杂，直接对硬件编程不现实
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操作系统的定义：
- 最基本的系统软件
- 特点：
- 有效：系统效率和资源利用率
- 合理：是否公平
- 方便：提供良好的、一致的用户接口
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操作系统的功能：
- 将硬件的复杂性与程序分离
- 在裸机上加载一层软件，给用户提供更容易理解和编程的接口
- 控制计算机的所有资源，提供开发应用程序的基础
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操作系统的作用：
- 扩展机器或虚拟机，更容易编程和使用
- 资源管理者，管理CPU、存储器、外部设备等
- 跟踪资源使用状况
- 满足资源请求
- 提高资源利用率
- 协调各程序和用户对资源的使用冲突
- 用户使用计算机软硬件的接口
- 系统命令
- 系统调用
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操作系统的历史：
- 电子管时代
- 晶体管时代
- 批处理操作系统
- 集成电路时代
- 多道程序设计：宏观并行微观串行
- 分时系统
- 系列机思想
- 大规模集成电路时代
- 个人计算机操作系统
- 分布式操作系统
- 嵌入式操作系统：对嵌入式芯片及各种资源同一协调、控制
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操作系统的硬件环境：
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处理器
- 运算器、控制器、寄存器和高速缓存
- 取指、译码、执行
- 核心态和用户态：
- 核心态：操作系统管理程序运行
- 用户态：用户程序运行时的状态
- 处理器如何知道当前运行的是操作系统还是一般软件：
- CPU的工作状态码
- CPU状态的转换：
- 用户态→核心态：嵌入
- 核心态→用户态：修改程序状态字
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存储器
- 存储程序和数据
- 三因素：容量、速度和成本
- 层次化存储体系结构+局部性原理
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I/O设备
- 控制器+设备
- 设备驱动程序：专门与控制器对话
- 编址方式：存储映像编址、IO独立编址
- 控制方式：轮询、中断驱动IO、直接存储器访问(DMA)
- 中断响应：
- 中断提高处理器处理IO的效率，但是传送大量数据时效率仍不高
- DMA控制器自动控制成块数据在内存和IO设备间的传送
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总线
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- 意义：
- 方便用户编写应用程序
- 在应用程序与系统控制的资源和提供的服务间实现交互作用
- 动态请求和释放系统资源，完成与硬件相关的工作和控制程序的执行
- 系统调用的处理过程：
- 陷入指令
- 将系统转入核心态
- 陷入指令中包含对应系统调用的功能号
- 陷入处理机构将陷入指令功能号与入口地址表对应，调用有关子程序
- 过程：
- 系统调用处理前，陷入处理机构保护处理现场
- 陷入指令调用系统功能
- 系统调用的功能号驱动有关子程序执行
- 执行结束后恢复处理机现场，保护在特定内存区或寄存器
- 陷入指令
- 单体系统
- 优点：结构紧密，接口简单直接，系统效率高
- 缺点：
- 模块间转接随便
- 数据基本上作为全程量处理
- 常常关中断，系统的并发性难以提高
- 分层系统
- 分解成功能单一的模块，各之间有清晰的组织结构和依赖关系
- 优点：
- 更高的可读性和可适应性
- 便于修改扩充
- 虚拟机结构
- 微内核结构：
- 微内核：运行在核心态下，提供最基本的中断处理、处理机调度、进程间通信功能
- 优点：机制与策略分离，可靠灵活
- 缺点：效率低
- 变体：客户-服务器模型
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程序的顺序执行和并发执行
- 顺序执行：
- 顺序性：指定顺序
- 封闭性：独占所有资源
- 可再现性：初始条件相同则结果相同
- 并发执行：提高资源利用率，目前主流操作系统为并发执行
- 间断性
- 失去封闭性：共享资源
- 失去可再现性
- 顺序执行：
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进程的引入：为了跟踪与描述程序的并发执行
- 目的：
- 为了描述程序在并发执行时对系统资源的共享
- 描述程序执行时的动态特征
- 提高资源利用率和系统吞吐量
- 并发执行的程序：
- 一个程序在不同数据上的执行
- 不同程序在不同数据上的执行
- 目的：
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进程：
- 系统进行资源分配和调度的独立单位
- 特征：
- 动态性
- 独立性：地址空间相互独立
- 并发性
- 异步性
- 交互性
- 结构化
- 进程的组成：程序+数据+进程控制块
- 进程与程序的区别
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进程控制块：
- Process Control Block, PCB
- 目的：为了控制和管理进程，用来记录进程外部特征
- 进程与PCB之间一一对应
- PCB包含的内容：
- 描述进程的信息
- 用于控制进程的信息
- 资源占用的信息
- CPU现场保护的信息
- PCB表：进程表
- 将所有PCB组织在一起
- 表的大小决定了系统中最多可能存在的进程个数系统的并发度
- PCB表组织方式：
- 链接结构
- 索引结构
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进程上下文：对进程执行活动全过程的静态描述
- 用户级上下文
- 寄存器级上下文
- 系统级上下文
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进程的状态
- 三状态模型：运行、就绪、阻塞
- 五状态模型：+ 新建、终止
- 七状态模型：五状态模型+就绪挂起+阻塞挂起
- 挂起：将进程从内存转到外存
- 补充：Linux五中进程状态
- 可运行态+浅度睡眠态+暂停状态+僵死状态
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进程的控制
- 定义：操作系统创建和撤销进程，完成进程状态的转换
- 目的：多个进程高效率并发执行和协调，实现资源共享
- 方式：根据用户命令和系统的状态
- 原语：
- 若干指令构成的原子操作，不可分割
- 系统调用不都是原语
- 类型：创建、终止、撤销、阻塞、唤醒等原语
- 引入线程的目的：
- 减少程序并发执行付出的时空开销，进一步提高系统并发程度
- 进程的基本属性(并发执行的基础)：
- 资源分配单位
- CPU调度单位
- 进程的缺点：
- 系统对进程的时空开销较大
- 系统中并发执行的进程的数目不宜过多
- 继承切换速率不宜过高，限制了系统的并发程度
- 改进进程的缺点：将两个基本属性分离：
- 进程：只作为资源分配的单位
- 线程：作为CPU调度的单位
- 线程有时被称为轻量级进程
- 线程的组成：
- 线程状态、寄存器上下文、线程的栈
- 基本状态：就绪、运行、阻塞
- 多线程：同一个进程中允许多个线程
- 线程共享进程的地址空间和资源
- 同一进程的每个线程有自己的栈
- 引入线程的优缺点：
- 优点：
- 减少并发执行时间和空间开销
- 允许在系统中建立更多的线程提高并发程度
- 同一进程的线程共享内存和文件，相互通信无须调用内核
- 缺点：在程序设计模型中引入了一定的复杂度
- 优点：
- 进程与线程比较：
- 地址空间和其他资源：
- 进程：进程之间相互独立
- 线程：同一进程的线程之间共享
- 某进程的线程在另一进程中不可见
- 通信：
- 进程间通信
- 线程之间：直接读写
- 调度：
- 线程上下文切换 快于 进程上下文切换
- 地址空间和其他资源：
- 线程的实现机制：
- 用户级线程
- 操作系统内核不知道用户级线程的存在
- 用户级线程切换不需要核心态特权
- 每个进程有专用的线程表，记录各线程状态和属性
- 线程表由线程库(运行时系统)管理
- 用户级线程的内核活动
- 调用系统调用时，线程所在的整个进程阻塞
- 线程的状态与进程状态是独立的
- 优点：
- 不需要调用操作系统内核
- 调度是应用程序特定的
- 缺点：
- 大多数系统调用阻塞，因而内核阻塞进程后，所有线程都被阻塞
- 同一进程的两个线程不能同时运行于两个处理器
- 内核级线程
- 操作系统内核维护内核级线程上下文
- 内核级线程切换需要操作系统内核支持
- 没有线程库，所有内核级线程由操作系统内核管理，不需要线程库和线程表
- 内核级线程的调度以线程为基础
- 优点：
- 内核可以同时调度同一进程多个线程
- 阻塞是在线程一级完成的
- 缺点：
- 同一进程内的线程切换需要操作系统内核支持，这会导致速度的下降
- 内核级和用户级混合
- 将用户级线程与内核级线程多路复用
- 用户级线程
- 线程的状态：
- Windows：就绪、备用、运行、等待、过渡、终止、初始化
- Linux：只有进程没有线程概念，线程=共享资源的进程
- 进程间的关系：
- 竞争：相互竞争系统中有限的资源
- 同步：相互协作运行用户的作业
- 通信：通过通信进行协作
- 进程间通信问题：
- Inter Process Communication, IPC
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- 一个进程如何把信息传递给另一个进程
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- 保证对共享资源的访问不会引起冲突
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- 保证正确的操作顺序
- 总结为：高级通信问题+互斥与同步问题
- 进程间通信的关键：
- 竞争条件：多个进程访问共享资源时取决于进程运行的时序
- 临界资源：多个进程访问共享资源时必须互斥地进行
- 不是所有共享资源都是临界资源，如只读数据
- 临界区：进程中访问临界资源的代码段
- 进入区→临界区→退出区→剩余区
- 解决互斥问题：
- 要求：
- 任何两个进程不能同时处于临界区
- 不应对 CPU 的速度和数量做任何假设
- 临界区外运行的进程不得阻塞其他进程
- 不得使进程无限期等待入临界区
- 目的：
- 避免竞争条件
- 保证使用临界资源的进程能正确高效地协作
- 要求：
- 解决互斥问题的方法/算法：
- 禁止中断：
- CPU只有在时钟中断或其他中断时才进行进程切换
- 所以在进入临界区之后禁止中断，就无法进行进程的切换，保证互斥
- 优点：简单
- 缺点：
- 把禁止中断的权利交给用户进程→系统可靠性较差
- 不适用于多处理器
- 锁变量：
- 用一个变量表示是否有进程在临界区
- 缺点；忙等待，可能出现两个进程同时处于临界区
- 忙等待：连续测试一个变量，直至出现某个值
- 严格轮转法：记录哪个进程进入临界区
- 缺点：临界区外进程可能阻塞其他进程，忙等待
- Peterson算法：
- 进入临界区前，调用一个函数，判断是否能安全进入
- 从临界区退出后，调用退出函数，允许其他进程进入临界区
- 优点：解决互斥访问的问题，克服了严格轮转法缺点
- 缺点：忙等待
- 硬件指令算法：
- 优点：
- 适用于任意数目的进程
- 容易验证正确性
- 支持进程中存在多个临界区，每个临界区设置一个布尔变量
- 缺点：忙等待
- 优点：
- 信号量：
- 高于进程的管理者，解决共有资源使用问题
- 每个信号量包含一个整数值和一个进程等待队列
- P、V原语：P申请一个资源，V释放一个资源，PV必须成对使用
- 为临界资源设置一个互斥信号量，临界区代码位于P和V原语之间
- 缺点：
- 同步操作分散
- 易读性差
- 不利于修改和维护
- 正确性难以保证
- 管程：
- 基本思想：把信号量和操作原语封装在一个对象内部
- 管程的共享变量在管程外部不可见
- 优点：
- 提高代码可读性
- 便于修改和维护
- 正确性易于保证
- 缺点：C及多数语言不支持管程
- 消息传递：
- 不同机器间的进程通信
- 经典IPC问题：
- 哲学家进餐
- 读着写者
- 睡眠理发师
- 禁止中断：
- Windows的互斥和同步机制：
- 互斥对象：Mutex
- 信号量对象：Semaphore
- 事件对象：Event
- 临界区对象
- 互锁变量访问
- POSIX的互斥和同步机制：
- 互斥锁
- 条件变量
- 信号量
- Linux进程间通信
- 管道(无名管道/匿名管道)
- 进程之间相互通信，通常需要两个管道
- 命名管道，首先写入数据的是首先被读出的数据
- 消息队列
- 信号量
- 共享内存
- 管道(无名管道/匿名管道)
- Windows进程间通信：
- 共享内存
- 管道
- 邮件槽mailslot
- 套接字
- 死锁：系统中多个进程无限制地等待永远不会发生的条件
- 原因：
- 对互斥资源的共享
- 并发执行的顺序不当
- 双方在同时等待
- 对方已经占有的资源
- 对方生成资源
- 必要条件(死锁一定同时满足四个条件)
- 互斥
- 请求和保持
- 非强制剥夺
- 环路等待
- 可抢占资源：存储器/不可抢占资源：打印机
- 解决死锁问题的方法：
- 鸵鸟算法：假装危险不存在
- 死锁预防：预先静态分配、有序资源使用
- 死锁检测：检测是否存在循环等待
- 死锁避免：
- 银行家算法
- 调度：多个进程竞争处理机资源，操作系统选择给哪一个进程分配处理器
- 处理器调度的层次：
- 高级调度：作业
- 中级调度：内外存交换
- 低级调度：进程或线程
- 进程调度的算法
- 批处理系统
- 目标：吞吐量、周转时间、CPU利用率
- 先来先调度：有利于长作业、CPU密集作业
- 最短作业优先：不利于长作业
- 最短剩余时间优先：有利于短作业
- 交互式系统
- 目标：响应时间、均衡性
- 时间片轮转：所有进程同等重要的假设
- 优先级调度
- 多级队列：高优先级队列时间片短
- 最短进程优先
- 保证调度：保证进度慢的进程
- 彩票调度：随机选择有彩票的进程
- 公平分享调度：按进程数对用户调度资源
- 实时系统
- 满足截止时间、可预测性
- 硬实时、软实时
- 可调度的条件
- 速率单调调度：调度优先级最高，必要时剥夺进程
- 最早截止时限优先
- 最小裕度算法：选富裕时间最小的
- 满足截止时间、可预测性
- 批处理系统
- 进程调度的时机
- 线程的调度：
- 用户级：由用户级线程库的线程调动程序负责
- 内核级：由内核选择，不考虑线程属于哪个进程
- 存储器的访问局部性原理：
- 时间上的局部性
- 空间上的局部性
- 存储管理的功能：针对内存和外存，主要是内存管理
- 存储器的分配和回收
- 调入策略：用户程序在何时调入内存
- 请求调页：只调入发生缺页所需的页面
- 预先调页：预先调入页面
- 放置策略：确定用户程序应放置在何处
- 置换策略：调入新程序时哪些程序可以从内存中移除
- 分配结构：
- 空闲分区表
- 空闲分区队列
- 存储分配和回收的时机：进程的开始和结束
- 调入策略：用户程序在何时调入内存
- 地址变换与重定位
- 内存每个存储单元都对应一个物理地址
- 物理地址集合→物理地址空间
- 逻辑地址：用户编程所用的地址
- 地址变换：将用户程序的逻辑地址转换为运行时由机器直接寻址的物理地址
- 逻辑地址→物理地址
- 存储保护
- 方案1：设置下限寄存器和上限寄存器
- 方案2：设置基址寄存器和限长寄存器
- 硬件判断是否越界，越界会产生越界中断，用于存储保护
- 共享：是存储保护功能的增强，允许多个进程访问内存的同一部分
- 存储器扩充
- 应用程序：
- 覆盖技术：将程序分割，一段结束时调入另一个覆盖块
- 操作系统：
- 交换技术：内存某些进程移动至外存(分时系统)
- 虚拟存储器技术：
- 将程序正在使用的部分内容放在内存
- 暂时不用的部分放在外存
- 在需要时由系统调入内存，并将不需要(或暂不需要)的部分调出内存
- 应用程序：
- 存储器的分配和回收
- 程序的装入：
- 程序执行的步骤：
- 编译：编译成若干目标模块
- 链接：将目标模块和所需库函数链接在一起，形成装入模块
- 装入：装入程序将装入模块装入主存(内存空间)
- 装入的方法：
- 绝对装入：直接定位在可执行文件记录的内存地址
- 缺点：依赖硬件结构，不适合多道程序系统
- 可重定位装入：根据定位的内存地址修改重定位地址项
- 动态装入：把地址转换推迟到真正执行时
- 优点：虚拟存储的基础，有利于实现共享
- 缺点：实现复杂，需要硬件支持
- 绝对装入：直接定位在可执行文件记录的内存地址
- 程序执行的步骤：
- 单一连续区存储管理：
- 无交换分页的单道程序设计
- 优点：易于管理
- 缺点：程序全部装入，造成内存浪费
- 无交换分页的单道程序设计
- 分区存储管理：
- 将内存分区，操作系统占用其中一个分区
- 问题：可能存在内碎片、外碎片
- 两种方法：
- 固定分区：固定大小的连续分区
- 无外碎片，可能有内碎片
- 缺点：程序很小时，很可能需要将整个分区分配给它，内碎片较大
- 动态分区：分区大小数量和位置随着进程而变化
- 没内碎片，可能有外碎片
- 克服外碎片的方法：移动进程，内存紧缩
- 两种方法跟踪内存使用情况：位图、空闲链表
- 固定分区：固定大小的连续分区
- 分区的分配算法：
- 首次适配法：从头查找，找到符合要求的第一个分区
- 时间开销大
- 下次适配法：从上次分配的分区查找，找到符合要求的第一个分区
- 较大的空闲分区不易保留
- 最佳适配法：找到大小和要求相差最小的空闲分区
- 容易积累较多小的碎片
- 最坏适配法：找到最大的空闲分区
- 首次适配法：从头查找，找到符合要求的第一个分区
-
简单页式管理：
- 页的划分由系统自动完成
- 逻辑页号+页内偏移地址
- 将物理内存划分成与页大小相同的页框
- 优点：没有外碎片+程序不需连续存放+便于改变程序占用空间大小
- 缺点：程序全部装入内存，浪费内存资源
- 数据结构：进程页表+物理页框表(位图/空闲页面链表)+请求表
- 硬件支持：内存管理单元
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虚拟页式管理：
- 虚拟页式=简单页式+调页&页面置换
- 只将当前需要执行的部分页读入内存，并且将内存中暂时不使用的页调出保存在外存上
- 优点：
- 可执行较大程序
- 虚拟内存空间可以大于物理内存
- 并发：在内存中容纳更多程序并发执行
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多级页表：将页表再进行分页，形成二级甚至多级页表
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TLB快表技术，能够缩短查找时间
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页面置换算法：将未来短期不再使用的页面调出
- 最优页面置换算法：理想情况，选择未来使用时间离当前时间最远的页面进行置换
- 最近未使用页面置换算法
- 先进先出算法：选择最老的页面
- 出现Belady异常：分配页面数增多，缺页率反而提高
- 第二次机会页面置换算法：最老的页面给第二次机会
- 时钟页面置换算法：与第二次机会算法等价
- 最近最少使用算法：LRU算法硬件机构，计数值最小的页面
- 最不常用算法
- 老化算法
- 基于工作集的页面置换算法
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工作集：
- 工作集：进程当前正在使用的页面的集合
- 工作集逐渐稳定
- 颠簸：
- 页面调度时间比进程实际运行时间多，系统效率急剧下降
- 原因：页面置换算法不好，物理页框数目太少
- 工作集：进程当前正在使用的页面的集合
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段式存储管理
- 段：程序段
- 简单段式存储管理：
- 将程序地址空间分层若干段
- 物理内存管理采用动态分区
- 优点：没有内碎片，外碎片采用内存紧缩
- 缺点：程序全部装入内存
- 数据结构：进程段表+系统段表+空闲段表
- 虚拟段式存储管理：
- 简单段式+ 调段&段的置换
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页式管理与段式管理比较：
- 分页出于系统管理需要，分段出于用户应用需要
- 页的大小系统固定，段的大小不固定
- 分页是一维的，分段是二维的
- 通常段比页大，段表比页表短，可以缩短查找时间
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段页式存储：
- 页式+段式
- 段号+页号+页内偏移
- 虚拟段页式：虚拟段式+虚拟页式
- 文件系统
- 将信息以文件的形式存储在磁盘或其他介质上
- 操作系统中处理文件的部分→文件系统
- 文件系统的功能：
- 统一管理文件的存储空间
- 文件的按名存取
- 文件信息的共享
- 文件的保护和保密
- 向用户提供方便使用的接口
- 文件系统的两种观点：
- 用户观点：文件的组成、命名、保护，可能进行的操作
- 系统观点：文件和目录，管理存储空间，文件存储位置
- 文件：
- 具有标识符号(文件名)的在逻辑上具有完整意义的信息项的集合
- 文件体+文件属性
- 文件的命名规则在不同操作系统上是不同的
- 文件的逻辑结构：
- 字节序列：文件是无结构的一串字节的序列
- 记录序列：文件是一个固定长的记录的序列
- 文件的类型：
- 系统文件/库文件/用户文件
- 临时文件/永久文件/档案文件
- 只读文件/读写文件/可执行文件
- 流式文件/记录式文件
- 顺序文件/链接文件/索引文件
- 文件的存取：
- 顺序存取
- 随机存取：按照关键字
- 文件控制块：
- File Control Block, FCB
- 操作系统为管理文件而设置，存放了管理文件的所有信息
- FCB是文件存在的标志
- 目录：
- 文件目录：所有FCB的有序集合
- 目录项：可以就是FCB
- 目录文件：将文件目录以文件的形式存储在外存
- 简单目录：只引用i节点的目录
- 目录结构：
- 一级目录系统
- 两级目录系统：解决了文件的重名问题，增加了系统开销
- 层次目录结构
- 路径名：绝对路径、相对路径
- 文件系统的实现：
- 文件系统存放在磁盘：
- 划分成多个分区
- 0号扇区称为主引导记录
- 主引导记录包含分区表
- 文件的物理结构：
- 连续分配：
- 文件存放在连续的物理块中
- 文件不能动态增长
- 外部碎片问题
- CD-ROM
- 链表分配：
- 充分利用磁盘空间，没有外碎片
- 随机访问性能差
- FAT分配
- File Allocation Table，文件分配表
- 每个磁盘块的指针字存放在文件分配表中
- 索引分配
- 每个文件有一个专门的数据结构：i节点
- i节点(索引节点)，第n个条目指向文件的第n块
- 顺序存取 & 随机存取
- 增加系统开销，较多寻道次数和寻道时间
- 连续分配：
- 文件系统存放在磁盘：
- 共享文件：
- 硬链接：目录项指向i节点
- 符号连接：只共享一个路径(快捷方式)，额外开销
- 磁盘空间管理：
- 文件存储单位：簇，每个簇包含若干连续扇区
- 空闲空间管理：空闲快位图、空闲块链表
- 文件系统的可靠性：
- 文件备份：
- 物理转储：输出到磁带
- 逻辑转储：从特定目录开始
- 文件系统的一致性
- 块的一致性
- 文件的一致性：计数器，从根目录开始检验
- 文件备份：
- Windows的文件系统：
- FAT文件系统
- FAT12中12表示：单个分区最多存储2^12个簇
- NTFS：改进的多级目录结构
- Windows的文件系统驱动程序FSD
- FAT文件系统
- Linux的文件系统:
- 虚拟文件系统
- EXT，可扩展、功能强大的文件系统
- I/O子系统：操作系统中负责管理输入输出设备的部分
- 设备无关性：设备和系统其他部分之间提供简单的接口，接口对于设备是相同的
- I/O设备的分类：
- 按数据的组织方式：
- 块设备：以数据块为单位
- 字符设备：以字符为单位
- 有些设备既不是块设备，也不是字符设备：时钟
- 按功能特性分：
- 存储性设备
- 输入输出型设备
- 数据通信设备
- 按资源分配角度：
- 独占设备
- 共享设备
- 按数据的组织方式：
- I/O设备的组成：
- I/O设备一般由机械(设备本身)和电子(设备控制器)
- 设备控制器：
- 完成设备与主机的连接和通信
- 实现设备内部硬件缓冲、数据加工等功能
- 寄存器用于与CPU通信：
- 控制寄存器
- 状态寄存器
- 数据缓冲区
- I/O端口编址及方法：
- I/O端口地址：每个寄存器有唯一的地址
- 两种形式：内存映射编址、I/O独立编址
- I/O独立编址(内存映射I/O)：
- 每个寄存器被分配一个I/O端口号
- 缺点：高速缓存，缓存一个设备寄存器是灾难性的
- 内存映射编址：
- 将I/O端口看做存储单元，等同于对存储器的编址
- 所有端口的地址空间与内存的地址空间统一编址
- I/O控制方式：
- 程序控制I/O：轮询
- 中断驱动I/O：
- 中断寄存器在地址总线上表明哪个设备需要关注
- 中断向量表存放中断服务程序的入口地址
- 缺点：中断发生在字符上，浪费CPU时间
- 直接存储器存取：DMA
- 数据在内存和I/O设备之间，直接成块传送，包含磁盘地址，内存的起始地址，字节数
- 中断和DMA的区别：
- 中断：在数据缓寄存区满之后，中断请求→CPU中断处理
- DMA：将要传的数据块全传送结束时，要求CPU中断处理，大大减少了CPU中断处理的次数(将中断次数减少到每个缓冲区一次)
- 通道
- 完成主存和外围设备间信息的传送，与CPU并行执行操作
- 将CPU从I/O操作中解放出来
- 按照信息交换方式和连接设备不同，分类：
- 字节多路通道：多个I/O设备
- 选择通道：分时地选择高速I/O设备
- 数据多路通道：同时多个I/O设备服务
- I/O的软件原理：
- I/O软件的目标：
- 设备独立性
- 统一命名
- 错误尽可能在靠近硬件的层面得到处理
- 同步和异步传输
- 缓冲技术：无缓冲+单缓冲+多缓冲
- 共享设备与独占设备
- I/O软件的层次：
- 用户进程层：输入输出系统调用
- 与设备无关的I/O软件：
- 设备命名、保护
- 缓冲技术，错误报告，分配与释放专用设备
- 设备驱动程序
- 中断处理程序
- 硬件层
- I/O软件的目标：
- 磁盘：
- 优点：
- 可用存储容量非常大
- 每位价格非常低
- 电源关掉后信息不会丢失
- 磁盘→柱面→磁道→扇区→相同的字节数
- I/O访问时间：
- 寻道时间
- 旋转延迟时间
- 实际数据传输时间
- 磁盘臂的调度算法：
- 目标：减少请求队列对应的平均寻道时间
- 先来先服务
- 最短寻道优先
- 电梯算法：前进方向上移动最少
- 单向扫描算法
- 廉价磁盘冗余阵列：
- 一组较小容量的独立的可并行工作的磁盘
- RAID：填补了CPU速度快与磁盘设备速度慢之间的间隙
- 优点：
- 时钟：
- 定时器，用于维护时间，防止一个进程垄断CPU
- 时钟软件：设备驱动程序
- 类型：
- 简单时钟
- 可编程时钟
- 晶体振荡器(石英)、计数器、存储计数器
- 操作模式：一次完成、方波
- 优点：中断频率可由软件控制
- 终端：
- 终端软件：
- 输入软件：键盘
- 输出软件：显示驱动
- 终端软件：