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计算机与网络的基础知识

BLoodMaster 2010-05-06 09:41 99 查看
计算机与网络的基础知识

进程:程序的一次执行。PCB

程序与进程的区别:程序是静态的指令序列 进程是为执行程序线程而保留的资源集

 

进程的转换与控制:

进程的基本状态:
三态模型: 五态模型:

五态模型比三态模型引进了新建态与终止态,具有挂起状态的进程状态及其转换

对进程的控制一般由操作系统完成。

 

进程互斥以及P,V操作:

进程间的同步:异步环境 按一定的顺序

互斥:共享资源 争端

临界资源:一次仅能供一个进程调用的资源

临界区管理:临界区指操作临界资源的代码。原则:有空则进,无空则等,有限等待,让权等待

信号量限制(荷兰学者:Dijkstra)

整型信号量与PV操作:
信号量:一个整型变量,根据控制对象的不同赋不同的值

公用信号量:实现进程的互斥,初始值=1或资源数目

私用信号量:实现进程同步,初始值=0或某个正整数

信号量S的物理意义:S>=0表示某资源的的可用数,S<0,其绝对值表示阻塞队列中等待该资源的进程数

Pv操作时实现进程同步于互斥的常用方法。PV操作时低级通信的原语,P表示申请一个资源,v表示释放一个资源。

P的操作定义:

V操作:

利用pv操作实现进程互斥:
令信号量mutex的初始值为1。执行代码段如下:

利用PV操作实现进程同步:
进程的同步是由于进程之间的相互合作引起的相互制约问题。要实现进程之间的一个同步可用一个信号量与消息联系起来。当信号量为零时表示希望的消息未产生。当信号量为非零的时候表示希望的效益已经存在。假定用信号量S表示消息,进程可以采用P操作来测试消息是否到达,调用v操作来通知消息已经准备好。

例子:生产者与消费者

其中信号量Bufempty表示缓冲区的空单元数。Buffull表示缓冲区非空单元数。他们的初值分别为1与0。

 

进程管理域通信:

进程通信:
通信值进程之间的信息交互。分为:控制信息交互,数据信息交互。控制信息的交互称为低级信息通信,进程的同步与互斥是通过信号量来实现的。数据通信称为高级通信,主要是通过共享储存系统、消息传递系统和管道通信实现。高级通信分为直接通信与间接通信。

管程
Hansen与Hoare提出另一种同步机制:管程。

管程是由一些共享数据、一组能为并发进程执行的作用在共享数据上的操作的集合、初始代码以及存取权限组成。(共享数据以及在其上操作的一组过程构成了管程)。进程可以在任何需要的时候调用管程,且在任意一个时刻只能有一个进程进入管程,其余的只能列队等待。管程提供了一种可以允许多进程安全有效地共享抽象数据类型的机制。

每一个管程都有一个名字,如下:

进程调度与死锁:

进程调度:处理器调度。主要功能是确定处理器在什么时候分配给哪一个进程。(一般操作系统中作业 的提交需要经历高中低三级调度。)

调度方式与算法:
调度方式:当有更高优先级的进程到来时如何分配cpu。调度方式分为可剥夺与不可剥夺两种。

调度算法:常用的为:先来先服务、时间片轮换、优先级调度、多级反馈调度

死锁:两个以上的进程都因请求对方已经占有的资源而无限期的等待下去。

死锁产生的原因及其条件:
原因:资源竞争及进程推进顺序非法

条件:互斥、请求保持、不可剥夺、环路

策略:鸵鸟策略(不理睬策略)

预防策略(破坏死锁的四个必要条件之一)

避免策略(精心分配资源,动态回避死锁)

检测与解除死锁(一旦发生死锁,系统能检测出并解除)

线程:

进程中的一个实体,被系统独立调用与分配的基本单位。在引入线程的操作系统中,通常一个进程都有若干个线程。线程只拥有一些运行中必不可少的资源,他与同属一个进程的的若干个线程共享进程所有的全部资源。线程具有许多传统继承所具有的特性,称为轻型进程,传统的进程则称为重型进程。

存储管理


存储器是计算机的关键性资源,是存放各种资源的重要性场所。存储器管理的主要任务是如何提高主存的利用率、扩充主存以及对主存信息实现有效保护。存储管理的对象是主存(内存)

存储管理的概念:

逻辑地址:用户程序经编译后,每个目标以0为基址进行的顺序编址。又称相对地址。

物理地址:主存中个存储单元的地址。又称绝对地址

存储空间:
地址空间:逻辑地址的集合。

存储空间:物理地址的集合

地址重定位:

逻辑地址转换成物理地址的过程。

静态重定位:编译时定位,也可称为装入内存时定位

动态重定位:运行时定位

存储管理的功能:主存储器的分配与回收,提高主存储器的利用率、存储保护、主存扩充

存储管理方式:分区存储、分页存储、分段存储、段页式存储、虚拟存储

存储保护:在多道程序系统中,内存中既有操作系统,又有许多用户程序。为使系统正常运行,避免内存中各程序相互干扰,必须对内存中的程序和数据进行保护

防止地址越界
对进程所产生的地址必须加以检查,发生越界时产生中断,由操作系统进行相应处理

防止操作越权
对属于自己区域的信息,可读可写;
对公共区域中允许共享的信息或获得授权可使用的信息,可读而不可修改;
对未获授权使用的信息,不可读、不可写。

存储保护一般以硬件保护机制为主,软件为辅,因用软件实现系统开销大,速度成倍降低。当发生越界或非法操作时,硬件产生中断,进入操作系统处理

 

设备管理:指对计算机系统中所有输入、输出设备的管理。

一、设备管理的目标:

(l)方便用户使用外部设备,控制设备工作完成用户的输入输出请求。

(2)提高系统的并行工作能力,提高设备的使用效率。

(3)提高外围设备和系统的可靠性和安全性,以使系统能正常地工作。

二、设备管理功能

设备管理应具有如下功能:设备的分配和回收、外围设备的启动、对磁盘的驱动调度、外部设备中断处理、虚拟设备的实现。

外围设备的分配

设备的分类:从设备的使用角度可将设备分为两类:独占设备和共享设备。虚拟设备用共享设备来模拟独占设备。

设备的绝对号与相对号:给系统中的每一台设备确定一个编号以便系统识别,这种编号称为"设备绝对号"。但绝对号是用户不允许使用的,用户在申请设备时只能用设备类型来申请,但用户为了识别同类设备中的某台设备,可使用"设备相对号"。

三、设备的分配

用户申请设备时通过设备类别申请,系统根据请求及当前设备分配情况在相应类的设备中选择一个空闲设备,并将其分配给申请者,申请与实际设备的无关性称为设备独立性。系统设立"设备类表"和"设备表"记录系统设备的分配情况。

磁盘的驱动调度

磁盘上任何一块的位置由三个参数确定:柱面号、磁头号、扇区号,对移动臂磁盘的存取访问一般要经过三部分时间:首先要将磁头移动至相应的柱面上,这个时间叫做寻找时间;一旦磁头到达指定柱面,等待所访问的扇区旋转到读/写头下,叫延迟时间;实际传送所需时间叫传送时间。一次磁盘访问的时间就是以上三者之和,其中"寻找时间"所花费的时间最长。

移臂调度

可采用以下几种移臂调度算法。

1.先来先服务算法

2.最短寻找时间优先算法:

3.扫描(电梯)算法:总是从磁臂当前位置沿磁臂的移动方向选择距当前位置最近的请求,当前进方向无请求时才改变移动方向。

旋转延迟调度

当磁头到达某柱面时,该柱面上可能有多个请求,对它们的调度通常是按这些请求旋转通过磁头的顺序进行调度。

设备的启动和I/O中断处理

通道:通道相当于一个功能单一的处理机,代替CPU对I/O操作进行控制,专门负责数据输入输出工作,从而使I/O操作可以与CPU并行工作。通道是实现计算和传输并行的基础。在一个配备了通道的系统中,主机上可连接多个通道,一个通道连接多个控制器,一个控制器连接多台同类型的设备;而对某些设备(象磁盘那样的快速设备)往往需连接到多个控制器上,将控制器连接到多个通道上进行交叉连接。(此处通道的单独编程使用BIOS语言)

外围设备的启动:通道具有自己的指令系统,包括读、写、控制、转移、结束、以及空操作等指令,一旦CPU发出"启动I/O"的指令,通道就可以独立于CPU工作,执行由通道指令(CCW)形成的通道程序完成I/O。

启动、控制外围设备完成I/O的过程如下:

(1)根据I/O请求,构造通道程序。

(2)中央处理机发出"启动I/O"指令,通道逐条执行通道程序中的指令实现I/O。

(3)I/O完成后,通道利用中断机构向中央处理机报告执行情况。

中断处理

中断处理程序负责对通道发出的中断进行处理,对输入输出是否正常结束或出现错误等进行相应的处理。

通道状态字(CSW)中记录通道、控制器、设备的状态,当中央处理机接到通道发出的中断后,利用通道状态字判断本次输入输出是否正常。

虚拟设备:独占型设备是不利于提高系统效率的,可采用的措施有两种:脱机外围设备操作和联机同时外围设备操作。

脱机外围设备操作:脱机外围设备操作是使用两台外围计算机,分别负责把慢速、独占设备上的信息写入磁盘以及将磁盘上的信息传送到独占设备,作业执行时只与可共享的磁盘进行信息交换。外围计算机是独立于主计算机的,不是在主计算机控制下进行的,所以称作"脱机外围设备操作"。脱机外围设备操作虽然提高了系统效率,但也存在一些新问题:外围计算机的使用,提高了成本;增加了操作员的手工操作;增加了作业的周转时间。

联机同时外围设备操作:联机同时外围设备操作也称为一种虚拟设备技术,其核心思想是在一台共享设备(通常是指磁盘)上模拟独占设备的操作,把低速的独占设备改造成为若干台可并行操作的虚拟设备。操作系统设计两个程序:"预输入程序"和"缓输出程序";在磁盘上开辟一块称为"井"的区域。"预输入程序"和"缓输出程序"的执行是在计算机控制下进行的,所以这种技术称为"联机同时外围设备操作"(缩写为SPOOL或SPOOLING),还有的系统称之为"假脱机操作"。当用户作业要进入系统时,由SPOOLing系统的预输入程序将作业信息从独占的输入设备上送到磁盘上指定区域(称为输入井);当作业运行时,可以直接从输入井读入数据;当执行过程中需要输出数据时,可以先将输出数据送往磁盘上另一指定区域(称为输出井);最后,当作业完成后由缓输出程序依次将输出井上的数据送到独占的输出设备上。实现"输入井读"和"输出井写"的程序可统称为"井管理"程序。SPOOLing系统实际上是以中断机构和通道作为其硬件基础的,它由三部分程序组成:"预输入"程序、"井管理"程序和"缓输出"程序。

DMA技术:DMA是Direct Memory Access的缩写。其意思是"存储器直接访问"。它是指一种高速的数据传输操作,允许在外部设备和存储器之间直接读写数据,即不通过CPU,也不需要CPU干预。整个数据传输操作在一个称为"DMA控制器"的控制下进行的。CPU除了在数据传输开始和结束时作一点处理外,在传输过程中CPU可以进行其它的工作。这样,在大部分时间里,CPU和输入输出都处在并行操作。因此,使整个计算机系统的效率大大提高

 

文件管理:

文件类型:

文件的结构与组织:

逻辑结构:有结构的记录文件,无结构的字符流文件

物理结构:连续结构、链接结构、索引结构、多个物理版块的索引结构

文件访问方法:顺序访问、随机访问

文件存储设备管理:位图法、所引发、链接法

文件控制块与文件目录:FCB文件存在的唯一标识。文件目录是文件控制块的有序集合。

文件的使用:当前目录(工作目录)

 

作业管理

作业管理与作业机制:作业害死系统为了完成用户的计算任务(或事物任务)所作的工作总和。由程序、数据、作业说明书三部分组成。作业管理程序时操作系统用来管理作业的进入、执行、撤销的一组程序。JCB是作业控制块的唯一标识。

作业状态与转换:

 

 

 

作业调度以及常用调度方法:

作业调度是完成从后备状态到执行状态的转变。常用的调度方法有:先来先服务、响应比高优先、优先级调度、均衡调度。

用户界面:

 

网络操作系统:

网络操作系统(NOS):使网络中各个计算机能方便而有效地共享网络资源,为用户提供各种服务的软件以及有关规则的集合。

网络操作系统的特征:

硬件独立性、多用户支持性、支持网络使用程序及其管理、多种客户端支持、目录服务、增值服务。

网络操作系统的分类:

集中模式、c/S模式、对等模式。
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