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操作系统原理期末考试复习整合.docx
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2021-04-27
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操作系统原理期末考试复习
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第一章
为什么引入操作系统:方便用户编程及操作、提高资源利用程度。(目的)
狭义操作系统:操作系统内核(如 各驱动程序)。
广义操作系统:还包含命令解释器程序管理器和系统调用库,及许多的实用程序、库程序。
三角度看操作系统内核:操作系统作为特殊子程序;操作系统作为资源管理者;操作系统组织用
户的多个任务(以进程方式)使用计算机。
a) 作为特殊子程序:
操作系统内核为用户程序提供了系统服务。
系统调用是一种安全的公共子程序调用。
系统调用库中的函数包含一条系统调用指令(如:)
b) 作为资源管理者:
让计算机资源被多任务同时使用
让处理机、内存、外设都忙起来
资源共享使用的方法:
空分:针对存储资源而言。存储资源的空间可以被多个用户(程序)以分割的方式占用。
时分:由多个用户任务分时地用该资源,除了处理机资源外,还有很多其它的资源也必须分
时地使用,如键盘、网卡等。时分又区分独占式和分时式。
时分共享的使用方法:
1. 独占式共享:独占表示某用户任务占用该资源后,执行了对资源的多个操作,使用
了一个逻辑完整的周期。
分时式共享:也就是说用户任务占用该资源无需使用一个逻辑上的完整周期,或者
说一次使用就是一个完整周期。
提供程序运行机制:
1. 并发:
多程序执行,操作系统需给程序及数据安排存放空间
为提高资源利用率及用户体验,还必须能让多个程序能分时占用处理机
让一个程序还没运行完就让另一个程序占用 运行,就必须保存上一个程
序的运行现场
进程机制:
描述和控制各程序的在 上交替执行。
利用数据结构保存各程序执行的进度、状态、现场等各种信息,能分时调度
各程序占用 运行,这就是进程机制。
操作系统是软硬资源的控制中心它以尽量合理有效的方法组织多个任务共享使用计算机的各种
资源并提供编程接口和操作接口。
监督程序:( 年代单道批处理时代)
目的:减少操作员手工操作
基本思想:操作员把若干作业合成一批安装在输入设备上启动常驻内存的监督程序然后由
监督程序依次顺序启动这批作业以单道方式运行。
作业:用户的一次上机行为,静态看含程序、数据、作业步说明。
作业步:作业的执行步骤,某程序的运行。
作业控制语言:用于说明作业步如何执行的语言。
作业控制说明书:用作业控制语言编写的作业步执行脚本
普通指令:用户程序和监督程序都可包含的指令。如算术、逻辑运算、转移指令等。
特权指令:只有监督程序才可包含的指令。如屏蔽中断指令等。
方式/态:指处理机能否执行特权指令及能否访问监督程序空间的状态。在核心方式态)下
能执行特权指令且可访问监督程序空间否则只能执行普通指令,访问用户空间。
系统调用(广义指令):由监督程序提供给用户调用的系统功能。
TRAP 机制:硬件支持进入监督程序的机制。 如执行 ! 指令实现系统调用(与转子指令类
比)
系统空间:监督程序所占内存"#。
用户空间:供用户程序使用的内存#$"%
存储保护:限制用户程序访问系统空间。硬件提供一个界地址寄存器每次执行访存指令时如
果处理机在用户态下,则判断访问是否越界。
定时器中断:为处理作业超时引入。在规定时间间隔到时系统暂停当前程序之运行去进行时
间相关的处理如看作业是否已超过其运行期限。
监督程序功能:输入用户作业解释执行作业控制说明书提供系统调用。
监督程序与操作系统的区别:监督程序不具并发机制。监督程序只是省缺了作业步
和作业转接的人工开销。
专用操作系统( 年代初多道批处理分时实时系统时代
1. 多道批处理系统:
引入:源于外设的智能化和磁盘的出现。
目的:让计算机各部件并行运行。
c) 特点:在单道批处理系统的基础上引入缓存机制&''() 技术多道
程序设计技术。
1. 输入输出缓冲:
利用缓冲技术使针对一个缓冲区的数据处理和针对另一个缓冲
区的 *' 并行运行如操作系统处理某 *' 请求时,预读后续要处理数
据。
2. SPOOLing 技术(假脱机输入输出技术)
1. 基础:
I/O 中断:由 *' 部件操作完成后通知处理机去运行相应
的处理程序
ii. 通道:能够自主控制外设与主存并行交换数据的 *' 装
置控制器
iii. 磁盘:随机存取的存储设备
2. SPOOLing 的基本思想:主机从磁盘选取作业运行结果也存
在磁盘中相应的通道则负责磁盘与慢速外设的传输利用通道
和中断机制不同作业的输入输出及与在处理机上的运行可以
并行。本质就是 *' 通道(控制器)在 *' 时不打扰 运行
程序。
3. 多道程序设计
基本思想:内存同时保持多道程序作业处理机单处理机以
交替的方式(并发)处理多道程序宏观上看已有多道程序开始运
行且尚未结束微观上看某一时刻处理机只运行某道作业。
d) 现场保护/恢复:指处理机从一个作业向另一个作业切换时进行的程序
运行用寄存器值的保护恢复。
e) 基本特征:
并发:在单处理机情况下指多道程序分时占用处理机运行。
共享:指并发运行程序对系统的硬软资源的空分与时分使用。
2. 分时系统
目的:实现计算机各部件并行运行、用户与自己作业及时交互
2. 基础:终端设备(键盘与显示器)出现。
3. 交互式系统:操作系统提供终端命令语言及语言解析器,用户通过终端
命令指导作业运行。
4. 分时系统:交互式系统与多道程序设计结合的产物。
5. 分时系统特点:并发性;共享性;交互性;独立性(独占性)
3. 实时系统
实时系统:能满足要求快速响应作业运行的多道程序设计系统
2. 实时系统主要性能指标和功能:
i. 时钟分辨度:有更高的时钟中断频度可更精确计时更快进行作业
调度。
ii. 多级中断机制:保证要求快速响应中断的及时处理。
iii. 作业分级:保证实时作业无条件优先运行。
多方式系统 (60-70 年代)
多种方式操作系统:同时具有批处理分时实时功能的系统
并行与分布式操作系统及发展(80-)
网络及分布式操作系统:支持互联网和分布处理的系统
多机操作系统:支持共享内存多处理机 &+ 的系统
Windows 操作系统:支持友好用户界面的系统
内核保护是操作系统安全的重要保证。程序并发(并行)运行是资源高效利用
和改善用户体验的基本。
第二章
中断的引入:为实现多道程序并发运行。因通道设备控制器能独立于 工作,多道程序可以
让 和通道同时工作。
当 启动通道设备控制器进行输入输出后,通道可以独立 *', 即可以转去做
其它任务;
通道 *' 完成后,通道通过向 发中断告诉 此次输入输出结束,操作系统响应中
断让 继续执行原任务 *' 后的程序。
异常(陷入)引入:实现异常情况处理。当下述情况发生, 中断当前的执行流程,转到操
作系统的错误或陷入处理程序。
执行指令时本身出现算术溢出,零做除数,取数时的奇偶错误,访存指令越界或虚
存缺页等。
执行了一条所谓“ ! 指令”,用于实现系统调用。
中断/异常(陷入)处理,系统发生某个异步同步事件后 暂停正在执行的程序转去执行处理
该事件程序,处理完成后返回暂停点继续。
4. 广义中断
1. 中断(外中断)
*' 结束中断
时钟中断
2. 异常(内中断)
系统调用
缺页
断点指令
其它程序性异常如算术溢出等
5. 狭义中断
中断:与正执行指令无关,可以屏蔽
异常或陷入:与正执行指令有关,不可屏蔽
中断寄存器:寄存中断事件的全部触发器。
7. 中断位:每个触发器称为一个中断位,当发生某个中断事件时相应位被置上。
8. 中断序号:给中断的一个顺序编号.
9. 中断响应:由硬件在执行每一条指令的最后时刻判断是否有中断有则转入操作系统的中断处理程
序
中断优先级:中断的优先程度。原则上高、低优先级中断同时到时,先响应高级中断。高级中断
可以打断低级中断处理程序的运行,同级中断同时到时,则按位序响应。
11. 处理机优先级:指处理机可响应中断的级别。在中断处理程序运行前设置。即当处理机处理某
一优先级中断时,只允许处理机去响应比该优先级高的中断而屏蔽低于或等于该优先级的中断。
12. 中断屏蔽:指禁止处理机响应中断或禁止中断出现
13. 中断屏蔽的软件实现方法:由软件按中断优先级约定,在响应某级中断时置屏蔽寄存器,屏蔽
那些同等级和低级的中断
中断响应: 能够在每条机器指令执行周期内的最后时刻扫描中断寄存器,查看是否有中断
信号。若有则 停止执行当前程序的后续指令,转入操作系统内的中断处理程序。这一过程
称为中断响应。
异常响应:异常(陷入)是在执行指令的时候,由指令本身的原因发生的, 中指令的执行
逻辑发现了异常(陷入)转入操作系统内的异常(陷入)处理程序。
16. PC: 程序计数器指向马上要执行的那一条指令
断点: 检测到中断时处理机刚执行完的那条指令地址
18. 恢复点:断点的逻辑后续指令地址 的值
现场信息:指中断那一刻确保被中断程序能继续运行的有关信息如 通用寄存器其它特殊寄存
器等
20. 核心态(系统态,监督方式,管态):允许特权指令执行的状态,在此状态下可访问系统空间,也
可访问用户空间。
用户态(用户态,用户方式,目态):一般程序所运行的状态,只可访问用户程序空间。
PS(PSW):处理机状态字,又叫程序状态字寄存处理机运行状态的寄存器,可包含:(寄存器
描述 CPU 的执行状态)
当前处理机运行态
处理机优先级(中断屏蔽寄存器)
各种控制位如外中断赋能位
23. 中断向量:一片存放中断处理程序入口地址和程序运行所需处理机状态字的内存单元。如:
IDT
24. 中断向量由操作系统初始化程序进行设置,硬件按中断号,异常(陷入)类型的不同通过中
断向量表散转到相应处理程序。
25. 中断/异常(陷入)处理的一般过程
1. 中断,异常(陷入)进入
保存现场:将原 & 和 作为现场保护起来
分析原因,转中断/异常(陷入)处理程序:从中断异常向量的相应单元取新的 & 和
,装入, 根据新装入的 内容转去进行中断异常处理。(注意 & 寄存器装入
了新的内容,且确定处理机状态为核心态,所以中断处理程序总是在 & 寄存器状态域
所表示的核心态下执行)
4. 恢复现场
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Albert_GW
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