2010年度自學考試操作系統概述知識(3)
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設備管理
一、輸入輸出操作（要求達到“識記”層次）
1、什么是輸入輸出操作：主存儲器與外圍設備之間的信息傳送操作稱為輸入輸出操作。
2、對于存儲型設備，輸入輸出操作的信息傳輸單位為“塊”。對輸入輸出型設備，輸入輸出操作的信息傳輸單位為“字符”。
二、獨占設備和共享設備（識記）轉自環 球 網 校edu24ol.com
1、獨占設備是指每次只能供一個作業執行期間單獨使用的設備。如輸入機、磁帶機、打印機等。
2、共享設備是指允許幾個作業執行期間可同時使用的設備。共享設備的“同時使用”的含義是指多個作業可以交替啟動共享設備，其實是當一個用業正在使用設備時其他作業暫不能使用，即每一時刻仍只有一個作業占用，但當一個作業正在使用設備時其他作業就可使用。
三、獨占設備的分配（領會）
1、獨占設備的絕對號與相對號
這和絕對地址/相對地址的概念類似。絕對號就是將每一臺設備確定一個編號（相當于一個絕對地址）。相對號就是為了用戶程序的方便而設的，在用戶請求使用時，采用“設備類-相對號”來提出使用設備要求。由系統建立絕對號與“設備類-相對號”之間的關系，就能正確啟用設備了。
2、設備的指定方式
1） 設備絕對號：系統為每一個設備確定一個唯一的編號。
2）設備相對號：不具體指定是哪臺設備，只說明要某類設備多少臺，這樣可以由系統靈活分配。
3）設備獨立性：采用“設備類、相對號”方式使用設備時，用戶編程時使用的設備與實際使用哪臺設備無關，這就是“設備獨立性”。
4）如何實現獨占性設備分配：對于獨占性設備，系統采用“靜態分配”的策略，就是當一個作業所需使用的獨占設備能得到滿足時，該作業才能被裝入主存儲器執行。
在操作系統中，設置“設備分配表”來記錄計算機系統所配置的獨占設備類型、臺數和分配情況等。設備分配表由“設備類表”和“設備表”兩部分組成。通過查表和修改表的操作完成設備分配工作。
四、磁盤的驅動調度（領會）
1、 磁盤的結構
還記得小學時的作業嗎？秒，分，小時？）這也一樣，扇區套在磁道里，磁道套在柱面里，柱面套在一個磁盤里。接下來的問題就是被除數＝除數×商＋余數了。明白了嗎？
2、訪問磁盤的操作時間
3、磁盤的驅動調度：系統決定等待磁盤訪問者的執行次序的工作就是磁盤的“驅動調度”。
4、對磁盤進行驅動調度的目的：有利于系統效率的提高。
5、磁盤調度分為移臂調度和旋轉調度。
6、移臂調度算法包括以下四種：轉自環 球 網 校edu24ol.com
1） 先來先服務算法；
根據訪問者提出訪問請求的先后次序來決定執行次序。
2） 最短尋找時間優先調度算法；
從等待的訪問者中挑選尋找時間最短的那個請求執行，而不管訪問者的先后次序。
3） 電梯調度算法；
從移動臂當前位置沿移動方向選擇最近的那個柱面的訪問者來執行，若該方向上無請求訪問時，就改變移動方向再選擇。
4） 單向掃描調度算法。
從0柱面開始往里單向掃描，掃到哪個執行哪個。
7、信息的優化分布：知道信息在磁盤上排列不一定是按順序最優，對于一些能預知處理要求的信息采用優化分頁可以縮短輸入輸出操作時間，提高系統效率。
五、外圍設備的啟動(識記)
1、通道(channel)：計算機系統中能夠獨立完成輸入輸出操作的硬件裝置。是CPU與設備的橋梁。
注解：CPU并不直接操作外圍設備，他連接通道(I/O處理機)，通道連接設備控制器，設備控制器連接設備。CPU只需把“I/O”設備啟動，并給出相關的操作要求。然后就由通道來處理輸入輸出事宜，做完后報告CPU。
2、通道地址字(CAW)和通道狀態字(CSW)
用來存放通道程序首地址的主存固定單元稱為“通道地址字”。
通道狀態字：用于記錄通道和設備執行情況的主存單元。
3、I/O中斷：是指中央處理器和通道協調工作的一種手段。通道借助I/O中斷請求CPU進行干預，CPU根據產生的I/O中斷事件了解輸入輸出操作的執行情況，I/O中斷事件是由于通道程序的執行或其他外界原因引起的，對通道操作而言，當操作正常結束或異常結束(如設備故障、設備特殊情況引起異常結束)形成I/O中斷，由CPU根據相應情況分別處理。
六、虛擬設備SPOOL系統(領會)
1、實現虛擬設備的目的：用一種物理設備模擬另一類物理設備，使各作業在執行期間只使用虛擬的設備而不直接使用物理的獨占設備。這種技術可使獨占的設備變成可共享的設備，使得設備的利用率和系統效率都能得到提高。
2、實現虛擬設備的硬件條件：大容量磁盤;中斷裝置和通道;中央處理器與通道并行工作的能力。
實現虛擬設備的軟件條件是要求操作系統采用多道程序設計技術。
3、虛擬設備的實現原理：對于多道程序，輸入時將一批作業的信息通過輸入設備預先傳送到磁盤上。輸出時將作業產生的結果也全部暫時存在磁盤上而不直接輸出，直到一個作業得到全部結果而執行結束時再行輸出。這樣在執行過程中，不需要使用輸入機和打印機。因此在配置一臺輸入機和打印機的情況下，可以讓多個作業同時執行，并且各個作業請求輸入信息和輸出結果的要求都能及時得到滿足和實現。
4、SPOOL系統的組成和實現：
井：為實現虛擬設備在磁盤上劃出的專用存儲空間，用于存放作業的初始信息和執行結果。
SPOOL系統由三部分程序組成：
1、預輸入程序。通過該程序把作業流中每個作業的初始信息傳送到輸入井保存，以備作業執行時使用。
2、井管理程序：根據作業的請求，保證作業正確及時地從“井”中讀取或寫出信息。
3、緩輸出程序。它負責查看“輸出井”中是否有待輸出的結果信息，若有則啟動打印機把作業結果輸出。
4、spool系統可以縮短作業執行時間的原因。
作業的執行時間是指作業被裝入主存儲器到產生全部結果所需要的時間。在SP在SPOOL系統控制下，作業執行時從磁盤上讀/寫信息代替低速的輸入機和打印機的讀/寫操作，信息傳送的速率顯然是快得多。因此作業的執行時間就縮短了。
死鎖：(就是路口的塞車現象 )
若系統中存在一組進程(兩個或多個進程)，它們中的每一個進程都占用了某種資源而又都在等待其中另一個進程所占用的資源，這種等待永遠不能結束，則說系統出現了“死鎖”。或說這組進程處于“死鎖”狀態。
一、死鎖的防止(簡單應用)
1、系統出現死鎖必然出現以下情況：
1)互斥使用資源
2)占有并等待資源
3)不可搶奪資源
4)循環等待資源
2、死鎖的防止策略：破壞產生死鎖的條件中的一個就可以了。
常用的方法有：靜態分配、按序分配、搶奪式分配3種。
二、死鎖的避免(簡單應用)
1、死鎖的避免是讓系統處于安全狀態，來避免發生死鎖。
安全狀態：如果操作系統能保證所有的進程在有限的時間內得到需要的全部資源，則稱系統處于“安全狀態”。
2、銀行算法是怎樣避免死鎖的：
計算機銀行家算法是通過動態地檢測系統中資源分配情況和進程對資源的需求情況，在保證到少有一個進程能得到所需要的全部資源，從而能確保系統處于安全狀態進，才把資源分配給申請者，從而避免了進程共享資源時系統發生死鎖。
采用銀行家算法時為進程分配資源的方式：
1)對每一個首次申請資源的進程都要測試該進程對資源的最大的需求量。如果系統現存資源可以滿足他的最大需求量，就按當前申請量為分配資源。 否則推遲分配。
2)進程執行中繼續申請資源時，先測試該進程已占用資源數和本次申請資源總數有沒有超過最大需求量。超過就不分配。
若沒有超過，再測試系統現存資源是否滿足進程尚需的最大資源量，滿足則按當前申請量分配，否則也推遲分配。
總之，銀行家算法要保證分配資源時系統現存資源一定能滿足至少一個進程所需的全部資源。
(銀行家算法在操作系統的實踐考試中可能會用到)
三、死鎖的檢測和解除(領會)
死鎖的檢測
就是既不打預防針，也不去避免得病，而是經常去體檢，如果發現有病了就治療。這是一種事后解決的辦法，也算是解決死鎖問題的一條途徑。但這畢竟要付出較大代價。
重點是：分析與時間有關的錯誤;用PV操作實現進程的同步與互斥;用信箱實現進程通信。
一、進程的順序性與并發性(領會)
1、進程的順序性：任何進程在順序的處理器上的執行是嚴格按照順序進行的，每次只能執行一個操作。這就是進程的順序性。
當一個進程獨占處理器順序執行時，具有兩個特性：一、封閉性 二、可再現性。封閉性是說進程的執行結果只取決于進程本身，不受外界影響。可再現性是說當進程重復執行時，必定獲得相同的結果。
2、進程的可同時執行：指一個進程沒有完，另一個就可以開始。在時間上是可重疊的，我們把這個叫做進程的可同時執行。
3、進程的并發性：系統中存在一組可同時執行的進程。并發進程相互之間可能是無關的，也可能是交往的。
并發進程的執行速度取決于自身和進程調度策略。二者缺一不可，執行速度不能由自己決定。
4、與時間有關的錯誤 ：有交往的并發進程交替使用共享資源時會出現錯誤，錯誤與時間有關，稱為與時間有關的錯誤。其錯誤的根本原因是這些進程交叉使用了共享變量。
二、相關臨界區
1、并發進程中與共享變量有關的程序段稱為“臨界區”。并發進程中涉及到相同變量的那些程序段是相關臨界區。
2、對相關臨界區的管理的基本要求。
對相關臨界區管理的基本原則是：如果有進程在相關臨界區執行，則不讓另一個進程進入相關的臨界區執行。
五、進程的同步(綜合應用)
1、進程同步的含義：進程的同步是指并發進程之間存在一種制約關系，一個進程的執行依賴另一個進程的消息，當一個進程沒有得到另一個進程的消息時應等待，直到消息到達才被喚醒。
“生產者”與“消費者”是同步問題的典型例子。
這里有兩個消息量：一是“緩沖器里有物品”，二是“可把物品存入緩沖器”，這兩個消息量對應需要兩個信號量SPut和SGet.SP的初始值為1，如果初始時可用的緩沖器為n個，則SP=n;SG的初始值為0。
生產者進程調用P(SP)和V(SG)，消費者進程調用P(SG)和V(SP)，根據SG和SP的值來決定是否可以存或取物。
2、正確使用PV操作實現進程同步。
(1)用一個信號量與一個消息聯系起來，當信號量的值為0時表示期望的消息尚未產生，當信號量值為非0時表示期望的消息已經存在。
(2)在用PV操作實現同步時，一個信號量與一個消息量聯系在一起，當有多個消息時必須定義多個信號量;測試不同的消息是否到達或發送不同消息時，應對不同的信號調用P操作或V操作。
(3)仔細領會教材中的例子，關于PV操作，在考試中出現的可能性極大，但是難度基本不超過教材上例題。見本欄的高手切磋。
3、使用PV操作實現進程同步與互斥的混合問題。
進程的同步與進程的互斥都涉及到并發進程訪問共享資源的問題。可以看到進程的互斥實際上是進程同步的一種特殊情況。若干進程互斥使用資源時，一個等待使用資源的的進程在得到占用資源的進程發出“歸還資源”的消息(調用了V操作)后，它就可去使用資源。因此，互斥使用資源的進程之間實際上也存在一個進程依賴另一個進程發出信息的制約關系。所以，也把進程的互斥與進程的同步稱為進程的同步。
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