操作系统复习提纲
-钟惠平 第一章操作系统
操作系统定义 1.运行在内核态的软件
2.操作系统的任务是创建好的抽象，并实现和管理它所创建的抽象对象。作为资源管理者，记录哪个程序使用什么资源，对资源请求进行分配，评估使用代价，调解资源请求。
3.计算机系统资源（硬件资源、软件资源）的管理员，又是计算机系统用户（用户、应用程序）的服务员。俗称管家婆。
计算机的两种运行模式：内核态，用户态，（进程的状态） 软件：内核态（操作系统），用户态（普通软件）
资源管理的方式：多路复用（共享）资源
多路复用：通常表示在一个信道上传输多路信号或数据流的过程和技术 1.时间复用，排队
2.空间复用：每个客户得到资源的一部分。
操作系统的发展史 硬件和用户需求 推进了操作系统的发展
1.（第二代）批处理系统：输入室收集全部的作业，用相对便宜的计算机，如IBM 1401，将他们读到磁带上。装入磁带机上，一个特殊的程序读取一个作业 结果写到第二盘磁带上，不断循环执行作业，第一批作业结束，换第二批，并将输出磁带进行打印。
2.批处理系统：操作系统的前身，关键词：系统软件，控制下，计算机，自动，成批处理，多个用户的作业。
优点：系统吞吐量大，资源利用率高 缺点：在批处理系统中，作业一旦投入就不受用户控制，直到结束，缺乏交互性。
3.（第三代)集成电路芯片 多道程序设计
多道程序设计：内存中分几部分，每部分存放不同的作业，一个在等待IO，另外一个作业就可以使用CPU
4.个人计算机，大规模集成电路与现代操作系统
在操作系统中引入多道程序设计技术以后，会使系统具有以下特征 1.Multi-channel (多道性 ) 2.Schedulable(调度性 )
3.Disorder/Uncertainty (无序性/不确定性 )
4.Parallel macro, serial micro (宏观上并行、微观上串行)
实现多道程序设计的条件： 1. 内存管理技术：内存中分几部分…. 2. SPOOLing技术（假脱机技术）：提高I/0速度，输入缓冲区---》磁盘输入井
3. DMA直接内存访问，内存和I/O设备之间的数据传输，类似于包工头，CPU不干预。 4. 分时技术，每个用户都有一个联机终端，操作系统分时段为每个终端用户轮流服务 假设A，B，C三个作业所需CPU时间均为T，多道程设计中，A，B，C三个作业所需的CPU时间是多少？ 答案：T
是什么推动了操作系统的发展？ 1.硬件的技术、工艺、成本
2.人们对计算机的需求：功能多，复杂性 3.提高硬件的性能和利用率
系统硬件
cpu ： 从内存中取出指令并执行 指令集: 取指令、解码和执行指令
寄存器： 保存关键变量和临时数据的。 通用(general ):保存变量和临时结果 专门(special) :程序员可见
Program counter 程序计数器：下一条指令的地址 堆栈指针stack pointer ：指向内存中当前栈的顶端
程序状态字(Program Status Word, PSW)：CPU优先级、模式和各种其他控制位等
执行指令模型 executing instruction models 1.同时读取、解码和执行一条指令 简单模式
2.流水线： pipeline 三个指令是分开工作的。同时取出多条指令，一个CPU有分开的取指单元、解码单元和执行单元
弊端：进入流水线，必须执行完毕。
3.超标量CPU： superscalar CPU 多个执行单元，在执行单元前加一个保持缓冲区。有多个执行单元，一旦空闲，就从缓冲区中读取待执行的指令。
系统调用：从操作系统中获得服务。 从用户态切换到内核态 TRAP指令把用户态切换到内核态并启用操作系统
系统调用可看成一个特别的过程调用指令：具有从用户态切换到内核态的特别能力
多线程（multithreading）或超线程（hyperthreading） 1.多线程 宏观并行，微观串行 2.多线程也不是真正的并行处理，在一个时刻只有一个进程在运行，但是线程的切换时间减少到纳秒数量级，允许CPU保持两个不同的线程状态，然后在纳秒级的时间尺度内进行切换 例如某个进程需要从内存读出一个字，多线程CPU可以切换至另一个线程
MMU,Memory Management Unit 1.存储器管理单元； 2.CPU的一个部件
3.快速的将程序生成的地址转换为主存中的真实物理地址，即实现虚拟内存机制 --程序放在磁盘上，主存作为一种缓存，保存最频繁使用的部分程序 --使得运行大于物理内存的程序成为可能
注：缓存的思想很重要 1.只要存在大量的资源可以划分为小的部分，那么这些资源中的某些部分就会比其他部分更频繁的得到使用。
缓存的使用带来性能上的改善
1.内存保留频繁使用的文件的一部分 2.缓存路径名转换为磁盘地址的结果
3.缓存Web页面（URL）转换为网络地址（IP地址）
Memory 存储器 1.RAM(Random Access Memory) 2.ROM(Read Only Memory)
3.EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) 4.闪存 5.CMOS
实现I/0的三种方式：
程序控制I/O (Programmed I/O) 中断驱动I/O (Interrupt-Driven I/O)
使用DMA的I/O (Direct Memory Access I/O )
程序控制I/O（Programmed I/O） 1.用户程序发出一个系统调用，内核将其翻译成一个对应设备驱动程序的过程调用 ，设备驱动程序启动I/O，并连续不断的检查该设备，直到任务完成，操作系统将控制权返回给调用者。
2.忙等待方式 比喻：你烧开水，一直在开水前面等它烧开
（中断驱动 I/O）Interrupt-Driven I/O 1.设备驱动程序启动设备并让该设备在操作完成时发出一个中断 2.设备驱动程序通过写设备寄存器通知设备控制器做什么
3.设备控制器启动设备，设备完成工作后，设备控制器发送中断信号 4.处理器检查是否存在中断请求，若决定响应中断 -可能挂起正在执行的程序
-转而去执行中断处理程序（interrupt-handler routine，设备驱动程序的一部分），例如将磁盘buffer中的数据读入内存
比喻：水壶自动式，在水壶上设定闹钟，烧开了就闹铃。
使用DMA的I/O （Direct Memory Access） 1.直接存储器访问芯片控制内存和控制器之间的位流，无需CPU干预
2.CPU对DMA芯片进行设置，说明需要传送的字节数，有关的设备，内存地址和操作方向，接着启动DMA
3.DMA芯片完成任务后，发送一个中断
包工头式：比喻：你请一个人来帮你烧开水。
启动计算机：
1.主板BIOS芯片进行设备自检 2.读取CMOS数据
3.读取启动设备的第一个扇区 4.读取活动分区里的启动装载模块 5.加载操作系统
三个抽象 cpu抽象成进程 内存抽象成虚拟地址 磁盘抽象成文件
操作系统概念 进程 1.正在执行的一个程序
-地址空间Address space（程序，数据，堆栈）
-相关资源集（程序计数器，堆栈指针，打开文件的清单??） 2.是容纳运行一个程序所需所有信息的容器 3.操作系统中有一个进程表（process table），每个进程是其中的一项 4.一个进程包括：
地址空间/磁芯映像core image Process table（进程表项） 地址空间 1.管理和保护主存的地址空间 -避免内存中同时存在的程序彼此干扰 2.管理进程的地址空间 -一个或多个进程需要的地址空间 3.虚拟内存技术，把程序的部分地址空间装入主存，部分留在磁盘上，根据需要再进行交换，OS创建了一个地址空间的抽象，是进程可以引用的地址的集合 4.程序地址空间<->物理地址空间
文件：操作系统隐藏磁盘和其他I/O设备的细节特征，提供给程序一个良好、清晰的独立于设备的抽象，即文件模型
特殊文件：使I/O设备看起来像文件一样，通过系统调用，像文件读写一样对设备进行读写
管道pipe： 一种虚文件，连接两个进程，使得进程间通信也类似于普通文件的读写
Shell 是终端用户和操作系统之间的接口，非常重要，但是它不是操作系统的组成部分
Processes进程
进程地址空间（磁芯映像）、资源集、进程表、进程表项 Address spaces地址空间
虚拟内存技术、进程地址空间映射内存地址空间 Files文件
层次结构文件系统、文件系统挂载、特殊文件、管道 Input/Output输入输出
设备控制器、设备、驱动程序 I/O的三种方式
系统调用： 系统调用把应用程序的请求传给内核，调用相应的的内核函数完成所需的处理，将处理结果返回给应用程序
操作系统的两大功能： 为应用程序提供抽象和管理计算机资源 为应用程序的运行创建良好的环境：
第一章课后习题
22．块特殊文件和字符特殊文件的差？ 答案：块特殊文件可以寻址 1.Block special file 块特殊文件，指那些可随机存取的块组成的设备，如磁盘
2.Character special file 字符特殊文件，用于接收或输出字符流的设备，如打印机 相同点：按惯例，保存在/dev目录中
第一章课后习题 22 块可寻址 23
库调用的名字更重要，系统调用是采用系统调用号来识别
25.对程序员而言，系统调用就像对其他库过程的调用一样。有无必要让程序员了解哪一个库过程导致了系统调用？在什么情形下,为什么？
一般不需要，除非考虑性能，使用系统调用，需要额外的开销
操作系统结构： 1.Monolithic systems 单体系统 2.Layered systems 层次式系统 3.Microkernels 微内核 4.Client-server systems 客户机-服务器模式