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sistema operativo
I punti chiave dell'esame finale sui sistemi operativi includono panoramica, gestione dei processi, gestione del processore, gestione della memoria, gestione dei file, ecc. Spero che aiuti tutti.
Modificato alle 2023-12-13 23:51:20
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sistema operativo
Panoramica
concetto di sistema operativo
stato del sistema operativo
Il sistema operativo è il primo strato di software che copre il bare metal
Controlla e gestisci direttamente varie risorse hardware
Fornire un ambiente di lavoro per altri software e utenti
È il centro di controllo e gestione dell'intero sistema informatico
Vari utenti dell'applicazione utilizzano il software applicativo corrispondente per completare varie attività
Il software applicativo è sviluppato da sviluppatori di applicazioni utilizzando strumenti di sviluppo (ad esempio, strumenti di programmazione del linguaggio di alto livello)
Il software applicativo e gli strumenti di sviluppo funzionano tutti nell'ambiente operativo fornito dal sistema operativo. Il loro funzionamento è gestito dal sistema operativo, il sistema operativo assegna loro le risorse necessarie e il sistema operativo controlla i dispositivi I/O.
Funzioni del sistema operativo
Fornire l'interfaccia uomo-macchina
Interfaccia a livello di comando (gli utenti possono impartire comandi ai lavori attraverso questa interfaccia per controllare l'esecuzione dei lavori. Questa interfaccia è ulteriormente suddivisa in interfaccia utente online e interfaccia utente offline)
interfaccia utente in linea
Interfaccia utente offline (fornita per gli utenti di lavori batch, chiamata anche interfaccia utente batch)
Interfaccia a livello di programma (composta da un insieme di comandi di chiamata di funzioni di sistema e moduli di programma che completano questi comandi)
interfaccia grafica
Gestire le risorse del computer
Gestione del processore (il compito del processore è eseguire il programma e il processo di un programma in esecuzione su un determinato oggetto dati è chiamato processo, quindi la gestione del processore è anche chiamata gestione dei processi)
Esecuzione sequenziale di un singolo programma: più programmi da eseguire vengono eseguiti in un determinato ordine Solo dopo il completamento di un programma è possibile eseguire il programma successivo, ovvero durante l'esecuzione di un programma non vengono inseriti altri programmi.
Esecuzione simultanea di più programmi: archiviare più programmi nella memoria contemporaneamente e pianificare l'esecuzione incrociata di più programmi secondo una determinata strategia per formare una situazione "micro-seriale, macro-parallela", in modo che processori e i dispositivi possono funzionare in parallelo
(1) Pianificazione del processore (per eseguire più programmi contemporaneamente in un sistema a processore singolo, il processore deve essere schedulato secondo una determinata strategia e deve essere deciso a quale processo è assegnato il processore per eseguire le operazioni di calcolo in un determinato momento. Questo sta elaborando i compiti principali della gestione della macchina)
(2) Controllo del processo: un processo è un processo dinamico di esecuzione di un programma. Durante la sua vita, attraversa una serie di transizioni di stato dalla creazione alla morte (vero o falso).
(3) Comunicazione di processo (in un ambiente multiprogrammazione, il sistema può stabilire più processi per un'applicazione. Questi processi cooperano tra loro per completare un'attività comune e devono scambiare informazioni - comunicazione di processo)
(4) Sincronizzazione dei processi (in un sistema multiprogrammazione, quando più processi concorrenti si trovano nello stesso ambiente operativo, deve esserci un qualche tipo di connessione, come la condivisione delle risorse tra processi e la collaborazione tra processi)
Gestione dell'archiviazione (in un ambiente multiprogrammazione, per archiviare più programmi in memoria contemporaneamente, la memoria deve essere gestita in modo ragionevole per garantire il corretto funzionamento del programma e migliorare l'utilizzo della memoria) domande a scelta multipla
(1) Allocazione della memoria
(2) Conversione dell'indirizzo
(3) Protezione della memoria
(4) Espansione della memoria
Gestione dei dispositivi
Il compito della gestione dei dispositivi è accettare richieste di I/O dai programmi utente e assegnare i dispositivi I/O ai programmi utente.
Far funzionare la CPU e i dispositivi I/O in parallelo per migliorare l'utilizzo della CPU e dei dispositivi I/O
Migliora la velocità di I/O
Facilitare i programmi utente per utilizzare i dispositivi I/O
Per completare le attività di cui sopra, il sottosistema di gestione dei dispositivi del sistema operativo dovrebbe avere funzioni quali l'allocazione dei dispositivi, la gestione del buffer, il driver del dispositivo e l'indipendenza del dispositivo.
Gestione dei file
(1) Gestione dello spazio di archiviazione dei file
(2) Gestione degli elenchi
(3) Operazioni sui file
(4) Controllo dei permessi di accesso ai file
Il processo di sviluppo del sistema operativo
Quattro fasi dello sviluppo dell'hardware del computer
La prima generazione: l’era della metropolitana (1946-1955)
Seconda generazione: l’era dei transistor (1955-1965)
Terza generazione: era dei circuiti integrati (1965-1980)
La quarta generazione: l’era dei circuiti integrati su larga scala (1980-oggi)
Velocità, capacità, stabilità e affidabilità sono state tutte gradualmente e costantemente migliorate!
Quattro fasi tipiche dello sviluppo del sistema operativo
Funzionamento manuale (senza sistema operativo) primi anni '50
Sistema di elaborazione batch a canale singolo negli anni '50 (può leggere immagini e riconoscere)
Come mostrato a destra
Sistema di elaborazione batch multicanale, primi anni '60 (può leggere immagini e riconoscere)
Svantaggi: tempi lunghi di elaborazione del lavoro Mancanza di capacità di interazione uomo-computer Il processo in corso è incerto
Sistema di time-sharing metà degli anni '60
sistema di condivisione del tempo
tecnologia di interruzione
Dopo che la CPU riceve un segnale esterno (segnale di interruzione), interrompe il lavoro corrente e passa all'elaborazione dell'evento esterno. Dopo aver completato l'elaborazione, ritorna al punto di interruzione (punto di interruzione) del lavoro originale e continua il lavoro originale.
tecnologia dei canali
Un processore che gestisce specificamente il trasferimento di dati tra periferiche e memoria
Caratteristiche del sistema di time-sharing (host ad alte prestazioni, terminali multipli)
Multimodulazione
Più utenti online utilizzando lo stesso computer
esclusività
L'utente si sente esclusivo del computer
interattività
Rispondere tempestivamente alle richieste degli utenti
Sistema in tempo reale (il sistema in tempo reale è un sistema operativo sviluppato per soddisfare i requisiti delle operazioni in tempo reale, sottolineando tempestività e affidabilità)
controllo in tempo reale
I sistemi che richiedono il controllo in tempo reale sono solitamente chiamati sistemi di controllo in tempo reale. Le aree di applicazione includono il controllo del processo di produzione e il controllo delle armi (come sistemi di controllo automatico per l'artiglieria, sistemi di pilotaggio automatico per aerei e sistemi di guida missilistica, ecc.).
elaborazione delle informazioni in tempo reale
Di solito, i sistemi che richiedono l'elaborazione delle informazioni in tempo reale sono chiamati sistemi di elaborazione delle informazioni in tempo reale. I tipici sistemi di elaborazione delle informazioni in tempo reale includono i sistemi di prenotazione degli aerei e i sistemi di recupero delle informazioni.
Sistema operativo del microcomputer
Sistema operativo multitasking monoutente (Win)
Sistemi operativi multiutente e multitasking (UNIX e Linux)
Caratteristiche dei sistemi operativi (domande a risposta multipla)
1. Concorrenza
In un sistema a processore singolo, la concorrenza si riferisce a "più programmi eseguiti simultaneamente a livello macro ed esecuzione alternata a livello micro"
2. Condividi
Le risorse in un sistema informatico vengono utilizzate da più attività
3.Asincrono
Microscopicamente, i processi vengono eseguiti alternativamente e l'esecuzione, la sospensione e altri stati del processo sono imprevedibili e asincroni.
4.Virtuale
Le entità fisiche sono mappate in più entità logiche e i programmi utente utilizzano entità logiche
Sistemi operativi popolari
Sistema UNIX
struttura
Programma principale (kernel)
Programma periferico (shell)
Sistema Linux
È un sistema operativo simile a Unix che è gratuito da usare e liberamente diffuso.
architettura del sistema operativo
La struttura logica del sistema operativo
Tipi di strutture logiche
struttura monolitica
Costruito con moduli come unità base
Caratteristiche
Progettazione, codifica e debugging del modulo indipendente
Modulo che chiama libertà
La comunicazione dei moduli avviene principalmente sotto forma di variabili globali
discordanza
Le informazioni vengono trasferite in modo casuale e la manutenzione e gli aggiornamenti sono difficili
Struttura gerarchica (mappa silenziosa)
Ogni livello utilizza solo i servizi forniti dal livello sottostante (Unix, Linux)
Tutti i moduli funzionali sono organizzati in più livelli in base all'ordine delle chiamate. Esistono solo dipendenze unidirezionali o chiamate unidirezionali tra livelli adiacenti.
Nocciolo
Gestore delle interruzioni
Vari driver di dispositivo
Moduli che vengono eseguiti più frequentemente (come gestori di clock, pianificatori di processi
Modulo di comunicazione di basso livello, modulo di gestione della memoria, ecc.)
Struttura del microkernel (Win)
vantaggio
Semplifica la manutenzione del codice kernel
Costruzione flessibile
Alta sicurezza
Facile da trapiantare
Stato della CPU
La struttura hardware più elementare che supporta il sistema operativo
processore
Memoria
interrompere
orologio
Classificazione degli stati della CPU
stato nucleare
Capacità di accedere a tutte le risorse ed eseguire tutte le istruzioni
Hypervisor/kernel del sistema operativo
gestione
Tra lo stato del kernel e lo stato dell'utente
Modalità utente
È possibile accedere solo ad alcune risorse e altre risorse sono limitate
Programma utente
Stato della CPU Intel
Ring0~Ring3 (Ring0 è il nucleo, Ring è lo strato più esterno)
memoria
La parte che memorizza programmi e dati
Classificazione
In base alla modalità di lavoro di lettura e scrittura della memoria (memoria a semiconduttore).
RAM
rom
Materiale per elemento di stoccaggio
Memoria a semiconduttore (spesso utilizzata come memoria principale)
Memorizzazione magnetica (nastro, disco)
Memorizzazione ottica (disco ottico)
premere il contatto con la CPU
Memoria principale: scambia informazioni direttamente con la CPU
Memoria ausiliaria: non può scambiare informazioni direttamente con la CPU
Sistema di storage ideale: alta velocità, grande capacità, basso costo
Sistema di archiviazione effettivo (leggere dall'alto verso il basso in ordine
Registrati
cache
memoria principale
deposito ausiliario
Meccanismo di interruzione
Gli eventi che causano interruzioni del sistema sono chiamati sorgenti di interruzione
interfaccia utente del sistema operativo
🔥Processo di avvio del sistema operativo
Processo di avvio di Windows
INVIARE
Dopo l'accensione, il BIOS avvia il programma di autotest dell'host
avvio iniziale
Il BIOS legge il programma di avvio dall'MBR e lo carica in una posizione specifica nella memoria.
Il programma di boot avvia DOS7.0 e carica il core del sistema operativo
WINDOWS inizia a prendere il controllo del sistema
Inizializzazione del nucleo
Inizializzazione dello stato delle risorse, dei dati principali, ecc.
inizializzazione del sistema
L'interfaccia GUI viene generata e il sistema è in stato di standby/accettazione messaggio.
Classificazione delle interfacce utente
Interfaccia operativa
interfaccia grafica
interfaccia di comando
Comandi/programmi batch
conchiglia
chiamata di sistema
Gestione dei processi
Introduzione del processo
Esecuzione sequenziale dei programmi
Il processo di esecuzione di un programma è un calcolo
Caratteristiche dell'esecuzione del programma in sequenza
sequenzialità
chiusura
Riproducibilità
Esecuzione simultanea di programmi e loro caratteristiche
Il concetto di esecuzione simultanea
Più programmi si verificano contemporaneamente nello stesso intervallo di tempo
Caratteristiche dell'esecuzione simultanea di programmi
discontinuità
perdere la chiusura
irriproducibilità
Definizione e caratteristiche del processo
Un processo è l'esecuzione di un programma
Un processo è un calcolo che può essere eseguito contemporaneamente ad altri processi
Un processo è il processo di esecuzione di un programma su un processore in un dato spazio di attività e condizioni iniziali.
Un processo è il processo in esecuzione di un programma su un set di dati ed è un'unità indipendente per l'allocazione e la pianificazione delle risorse nel sistema.
I processi sono attività dinamiche del ciclo di vita. Il kernel può creare un processo che alla fine morirà venendo ucciso dal kernel
Stati fondamentali e transizioni dei processi
🔥Tre stati fondamentali del processo
stato pronto
Stato di esecuzione
stato di blocco
PCB del blocco di controllo del processo
Sincronizzazione dei processi e mutua esclusione
Il concetto di risorse critiche
Le risorse che non possono essere utilizzate da due o più processi contemporaneamente sono chiamate risorse critiche (CR). Le risorse critiche possono essere alcuni dispositivi esclusivi, come stampanti, unità nastro, ecc.; possono anche essere variabili condivise, tabelle, elenchi collegati, ecc.;
concetto di processo
stato del processo
stato pronto
Stato operativo
stato di blocco
Algoritmo di pianificazione dei processi
Algoritmo primo arrivato, primo servito
algoritmo di priorità del lavoro breve
algoritmo di rotazione delle porzioni di tempo
filo
Il concetto di filo
Il thread è l'unità più piccola per eseguire operazioni in un processo, ovvero l'unità di base per l'esecuzione della pianificazione del processore.
Confronto di processi e thread
Il processo è l’unità base di allocazione delle risorse
Il thread è l'unità di base per l'allocazione dei processori e non ha nulla a che fare con l'allocazione delle risorse.
Un thread può appartenere a un solo processo e un processo può avere più thread, ma deve esserci almeno un thread
Stato della discussione
stato pronto
Stato operativo
stato di blocco
Algoritmo di pianificazione dei thread
algoritmo di pianificazione prioritaria
algoritmo di rotazione delle porzioni di tempo
Gestione del processore
Gestione del lavoro
Il concetto e la classificazione dei compiti
Concetto di compiti a casa
È costituito da programmi, dati e istruzioni di lavoro
Classificazione degli incarichi
Secondo il metodo di lavorazione
Lavori offline
lavoro in linea
Lavori online (lavori interattivi/lavori terminali)
Gli utenti interagiscono direttamente con i sistemi informatici
Gli utenti controllano il funzionamento dei lavori tramite comandi operativi sulla tastiera del terminale o della console oppure tramite interfacce a finestre grafiche.
Utilizzato principalmente nei sistemi di time sharing
Stato del lavoro
Invia stato
stato del backup
Stato di esecuzione
condizione finita
pianificazione gerarchica
pianificazione del processo
Metodo di prelazione
modalità non preventiva
pianificazione del lavoro
Il sistema Linux non ha il concetto di pianificazione dei lavori
pianificazione del processo
Funzione di pianificazione del processo
Registrare l'esecuzione di tutti i processi nel sistema
Seleziona un processo dalla coda dello stato pronto
Eseguire il cambio del contesto del processo
Algoritmo di pianificazione
Algoritmo di pianificazione primo arrivato, primo servito (FCFS)
Buono per lavori o processi lunghi e dannoso per lavori o processi brevi
Tempo di consegna = tempo di attesa
Con tempo di consegna completo = 1 (tempo di attesa/tempo di esecuzione)
Algoritmo di pianificazione della priorità del lavoro breve (processo) (SJF o SPF)
Adatto per la pianificazione dei lavori e la pianificazione dei processi
Non va bene per lavori lunghi
Questo algoritmo non considera l'urgenza del lavoro, quindi non può garantire l'elaborazione tempestiva dei lavori urgenti.
Poiché la lunghezza di un lavoro o di un processo è solo stimata dall'utente, e l'utente può ridurre intenzionalmente o meno il tempo di esecuzione stimato del lavoro, non è necessariamente garantito il raggiungimento della vera priorità di pianificazione dei lavori brevi, quindi questo algoritmo di pianificazione è spesso usato come altri algoritmi di confronto
Algoritmo di pianificazione prioritaria (HRN) ad alto rapporto di risposta
Questo algoritmo viene spesso utilizzato per la pianificazione dei lavori
Rapporto di risposta R=1 (tempo di attesa/tempo di servizio richiesto) Maggiore è la R, maggiore è la priorità.
Algoritmo di pianificazione delle priorità (HPF)
priorità
priorità statica
priorità dinamica
Tipi di algoritmi di schedulazione delle priorità
Algoritmo di pianificazione prioritaria preventiva
Algoritmo di pianificazione della priorità non preventiva
Più piccolo è il numero di priorità, maggiore è la priorità.
Metodo di rotazione delle porzioni di tempo (algoritmo RR)
Algoritmo di pianificazione delle code multilivello (MLQ)
(Concetto di attrezzatura)
Classificazione delle apparecchiature
dispositivo di input
Dispositivo di uscita
dispositivo di archiviazione
Come gestire le apparecchiature
driver del dispositivo
controllore del dispositivo
(driver del dispositivo)
Concetto di driver del dispositivo
Funzionalità del driver del dispositivo
Inizializzazione del dispositivo
controllo delle apparecchiature
Gestione delle interruzioni del dispositivo
Tipo di driver del dispositivo
driver del dispositivo a caratteri
bloccare il driver del dispositivo
Driver del dispositivo di rete
Gestione della memoria
Panoramica sulla gestione della memoria
Diversi concetti di base della gestione dello storage
L'indirizzo di un operando nello spazio logico è chiamato indirizzo logico
L'indirizzo in cui un operando viene caricato in memoria è chiamato indirizzo fisico.
Metodo di gestione dell'archiviazione delle partizioni
Tipo di gestione delle partizioni
singola partizione
partizione fissa
partizione variabile
partizione riposizionabile
Assegnazione continua dei singoli programmi
Memoria
Zona del sistema
zona utente
Metodo di allocazione delle partizioni fisse (giudizio)
frammenti interni
Una volta assegnata una regione a un lavoro, lo spazio rimanente non può essere utilizzato nuovamente.
detriti esterni
Quando un lavoro carica la memoria, se la lunghezza della partizione nella memoria è inferiore alla lunghezza del programma di lavoro, il programma non può essere caricato.
Sia la frammentazione interna che quella esterna causano uno spreco di spazio di archiviazione
Allocazione dinamica delle partizioni
algoritmo di primo adattamento
da davanti a dietro
Algoritmo adattivo loop-first
Da davanti a dietro, collegati da davanti a dietro
miglior algoritmo adattivo
Ordina da piccolo a grande
peggior algoritmo di fitness
Ordina da grande a piccolo
Gestione dell'archiviazione delle pagine
L'idea della gestione dell'archiviazione delle pagine
Nella gestione dell'archiviazione paginata, la memoria principale è divisa in un numero di blocchi fisici di uguali dimensioni
Lo spazio degli indirizzi del programma è diviso in pagine logiche
Le pagine logiche hanno le stesse dimensioni dei blocchi fisici
Solitamente la dimensione del blocco fisico è di 2n settori, ad esempio 1K, 2K, 4K, ecc.
Struttura dei dati di gestione dell'archiviazione delle pagine
La domanda fornisce la dimensione della pagina L e l'indirizzo A dello spazio degli indirizzi logici. Calcola il numero di pagina P e l'indirizzo della pagina W.
La dimensione della pagina del sistema è 1 KB, assumendo A = 2170 B, quindi dalla formula sopra possiamo trovare P = 2, w = 122B
P =(int) [A/L] W=A%L
Orologio veloce
Se la tabella delle pagine è interamente collocata nella memoria principale, il recupero di un dato (o di un'istruzione) richiede almeno due accessi alla memoria.
(Concetto di memoria)
Classificazione della memoria
memoria fisica
Memoria virtuale
Strategia di allocazione della memoria
Strategia di allocazione delle partizioni fissa
Strategia di allocazione dinamica delle partizioni
Strategia di allocazione della memoria della pagina
(protezione della memoria)
Il concetto di protezione della memoria
Metodi di protezione della memoria
Protezione dello spazio degli indirizzi
protezione del controllo accessi
Gestione dei file
Panoramica sulla gestione dei file
File (grande): è una raccolta di record correlati Di solito è archiviato nella memoria esterna e può essere archiviato come unità indipendente ed eseguire operazioni corrispondenti.
Un file contiene attributi come tipo di file, lunghezza del file, posizione fisica del file, ora di creazione del file, autorizzazioni di utilizzo (lettura e scrittura), ecc.
I nomi dei file sono generalmente costituiti da caratteri ASCll o caratteri cinesi
Record (al centro): è una raccolta di dati correlati, utilizzata per descrivere gli attributi di un oggetto in determinati aspetti. Ad esempio, il record di uno studente contiene il numero dello studente, il nome, il sesso, l'età, la classe, ecc.
Elemento dati (piccolo): è un set di caratteri che descrive un determinato attributo di un oggetto. È la più piccola unità di dati logica che può essere denominata in un'organizzazione di dati, ovvero dati atomici, chiamati anche elemento di dati o campo.
Sistema di file
Concetto di file system
Funzioni del file system
Gestione di file e directory, come apertura, chiusura, lettura, scrittura, ecc.
Fornire servizi relativi al file stesso, come meccanismo di condivisione dei file, sicurezza dei file, ecc.
La gestione dello spazio di archiviazione dei file, come l'allocazione e il rilascio, si concentra principalmente sulla memoria esterna riscrivibile, come i dischi.
Fornire l'interfaccia utente
(tipo di file system)
File system FAT
File system NTFS
File system EXT
Classificazione dei file
Classificazione per formato dati file
File sorgente
File di destinazione
file eseguibile
Suffisso del file Win .exe
Linux va bene
Classificato in base all'uso
File di sistema
Fascicolo della libreria
file utente
Ordina per diritti di accesso
file di sola lettura
Leggere e scrivere file
file eseguibile
Ordina per tempo di conservazione
File temporanei
Archivi
archivio permanente
Classificazione mediante gestione dei file
Documento ordinario
schedario del catalogo
documento speciale
Metodo di accesso ai file
metodo di accesso sequenziale
Accedi ai file in sequenza in base ai loro indirizzi logici
Per i file di record, l'accesso è sequenziale in base all'ordinamento dei record.
I file sequenziali sono file archiviati in sequenza. L'ordine dei record fisici e l'ordine dei record logici sono coerenti.
metodo di accesso casuale
Conosciuto anche come metodo di accesso diretto
Accede a qualsiasi record nel file in base al numero o all'indirizzo del record.
Per l'accesso casuale ai file di record a lunghezza fissa, un file viene considerato come un numero di blocchi o record numerati e la dimensione di ciascun blocco è la stessa.
L'accesso casuale consente di leggere e scrivere blocchi a piacimento. Pertanto, non esiste una sequenza definita per l'accesso casuale ai file. Quando viene ricevuta una richiesta di accesso, viene calcolato l'indirizzo logico del record e quindi si accede al record.
Per i file di record a lunghezza variabile, è molto scomodo determinare lo spostamento in lettura e scrittura calcolando la lunghezza dall'inizio al record specificato. L'organizzazione della tabella dell'indice viene solitamente utilizzata.
Metodo di accesso con chiave
Accesso basato su un determinato valore dell'elemento dati (chiamato chiave) nel record logico come indice
Il metodo di accesso con chiave è essenzialmente un metodo di accesso casuale
La struttura logica del file
file di registro
Ordina per lunghezza del record
Un file di record a lunghezza fissa significa che tutti i record nel file hanno la stessa lunghezza.
Un file di record di lunghezza indefinita significa che diversi record nel file hanno lunghezze diverse, come nome, indirizzo di casa, note, ecc., che possono essere più o meno lunghe.
file indice
Quando i record sono di lunghezza variabile, solitamente viene creata una tabella indice per essi
Imposta una voce nella tabella per ciascun record per velocizzare il recupero dei record
(Dispositivo di archiviazione file)
disco rigido
CD
Disco U