学习记录9

关于操作系统篇

页面置换算法  

抖动：一个进程在运行中把大部分时间都花费在页面置换工作上   
一、最佳置换算法和先进先出置换算法  
（一）最佳置换算法  
要知道未来需要哪页.实际上不可能  
（二）先进先出页面置换算法  
剔走最老的页  
  
二、最近最久未使用和最少使用置换算法  
（一）最近最久未使用  
看最近的n个，最老的踢走  
（二）LRU置换算法的硬件支持  
寄存器： 8位寄存器.R7~R0.R值最小的页被踢出  
栈：最新访问的是栈顶  
（三）最少使用置换算法  
现实使用这个多.一旦访问就在最高位置一  
  
三、Clock置换算法  
（一）简单的CLOCK置换算法  
也叫最近未使用算法.就是有个访问位，1→0→换出  
（二）改进型CLOCK置换算法  
四类：A M = 0 0 ~ 1 1  
第一步：先找 0 0  
第二步：再找 0 1，并置所有页0 X  
第三步：再找0 0，最后找0 1，一定找到  
优点：减少I/O  
缺点：增加系统开销  
  
四、页面缓冲算法  
（一）影响页面换进换出效率的若干因素  
页面置换算法、写回磁盘的频率、读入内存的频率  
（二）页面缓冲算法PBA  
显著降低页面换进、换出频率，减少页面换进换出的开销  
换入换出的开销大幅减少，才能使用简单的置换策略，如FIFO  
要在内存中设置：空闲页面链表、修改页面链表  
  
五、访问内存的有效时间  
如果考虑快表的命中率和缺页率：EAT = .......  
如果仅考虑缺页率：EAT =   
  
④“抖动”与工作集  
一、多道程序度与“抖动”  
（一）现象  
先增后减  
（二）原因  
进程太多，物理块不够分  
  
二、工作集  
（一）工作集的基本概念  
如果可以预知，就可以先调入内存，大大降低缺页率，从而显著提高处理机利用率  
（二）工作集的定义  
引用的集合，类似FIFO  
  
三、“抖动”的预防方法  
（一）采取局部置换策略  
“抖动”影响较小  
（二）把工作集算法融入到处理机调度中  
每个进程在内存的驻留页面是否足够多，如果是就调入新作业、否则增加新物理块  
（三）利用L=S准则调节缺页率  
缺页之间的平均时间= 平均缺页服务时间  
（四）选择暂停的进程  
先暂停优先级最低的进程、在选择并不重要，但较大的进程  
  
⑤请求分段存储管理方式  
其实也类似于分页，要硬件和软件支持  
一、请求分段中的硬件支持  
（一）请求段表机制  
段表项：段名、段长、段基址、存取方式、访问字段A、修改位M、存在位P、增补位、外存始址  
A、M：改进型CLOCK置换算法  
P：本段是否调入内存  
增补位：看是否做过动态增长  
（二）缺段中断机制 （图5-12）  
万一虚段S不在内存中，就阻塞请求进程。如果没有空闲区，就要拼接空闲区或者淘汰实段以形成空闲区  
之后读入段S，修改段表及内存空区链  
（三）地址变换机构  
就是一个地址变换机构  
  
二、分段的共享和保护  
（一）共享段表  
共享进程计数count、存取控制字段、段号  
（二）共享段的分配与回收  
共享段的分配、共享段的回收  
（三）分段保护  
越界检查、存取控制检查、环保护机构  
  
第六章 输入输出系统  
①I/O系统的功能、模型和接口  
一、I/O系统的基本功能  
（一）隐藏物理设备的细节  
（二）与设备的无关性  
自动安装并寻找驱动程序，即插即用  
（三）提高处理机和I/O设备的利用率  
让处理机和I/O设备并行操作  
（四）对I/O设备进行控制  
这是驱动程序的功能  
（五）确保对设备的正确共享  
独占设备：打印机、磁带机  
共享设备：磁盘  
（六）错误处理  
低级能够解决就不向高级报告，请求高级软件解决  
  
二、I/O系统的层次结构和模型  
（一）I/O软件的层次结构  
用户层I/O软件  
设备独立性软件：映射、保护、分块、缓冲、分配  
设备驱动程序：设置设备寄存器、检查状态  
中断处理程序  
（二）I/O系统中各种模块之间的层次视图  
I/O系统上下接口（图6-2）  
I/O系统的分层：中断处理程序→设备驱动程序→设备独立性软件  
  
三、I/O系统接口  
（一）块设备接口  
块设备、隐藏磁盘二维结构、抽象命令映射为低层操作  
（二）流设备接口（Unix的）  
字符设备：效率低、不可寻址  
get和put操作：有缓冲区  
in-control指令：互斥方式实现共享  
（三）网络通信接口  
  
②I/O设备和设备控制器  
一、I/O设备  
（一）I/O设备的类型  
按使用特性：存储设备、I/O设备（输入输出交互的）  
按传输速率：低速、中速、高速  
（二）设备与控制器之间的接口  
接口：数据信号线、控制信号线、状态信号线  
  
二、设备控制器  
（一）设备控制器的基本功能  
接收和识别命令、数据交换、标识和报告设备的状态、数据缓冲区、差错控制  
（二）设备控制器的组成  
设备控制器与处理机的接口、设备控制器与设备的接口、I/O逻辑  
  
三、内存映像I/O  
（一）利用特定的I/O指令  
缺点：访问内存和访问设备要两种不同的指令  
（二）内存映像I/O  
就是k为界限，0≤k≤n-1，就是内存地址；k≥n，就是寄存器地址。统一了对内存和对控制器的访问方法  
  
四、I/O通道  
（一）I/O通道设备的引入  
这是一种特殊的处理机，但只局限于I/O相关的指令、而且没有自己的内存  
（二）通道类型  
字节多路通道：一个大水喉，多条小水管；一个换头快，一个速率慢  
数组选择通道：利用率低  
数组多路通道：甚至可以并行操作  
（三）“瓶颈”问题  
增加通路即可解决  
  
③中断机构和中断处理程序  
一、中断简介  
（一）中断和陷入  
中断：由外部设备引起，暂停当前程序，执行中断处理程序  
陷入：CPU内部事件引起的，多是出错故障  
（二）中断向量表和中断优先级  
中断向量表：asm有学  
中断优先级：现实中有多个中断信号源，要规定不同优先级  
（三）对多中断源的处理方式  
屏蔽中断：顺序执行。优点简单；缺点无视实时中断请求  
嵌套中断：有个优先级  
  
二、中断处理程序  
测定是否有未响应中断信号；  
保护被中断进程的CPU环境；  
转入相应设备处理程序；  
中断处理；  
恢复CPU现场并退出中断  
  
④设备驱动程序  
一、设备驱动程序概述  
（一）设备驱动程序的功能  
接收命令和参数，并转换为低层操作序列  
检查I/O合法性，了解I/O工作状态，传递I/O设备操作有关参数，设置设备工作方式  
及时响应设备控制器发来的中断请求，并根据中断类型，调用响应中断处理程序  
（二）设备驱动程序的特点  
抽象的I/O请求转换成具体的I/O操作，反映给I/O进程  
和硬件特性紧密相关，终端驱动程序可以只有一个  
常用控制方式：中断驱动、DMA  
一部分必须用汇编语言写，很多驱动程序基本部分已经固化在ROM  
允许可重入  
（三）设备处理方式  
一类设备一个进程  
一个I/O进程负责各类设备的I/O操作  
只为各类设备设置相应的设备驱动程序，供用户或系统进程调用（目前用得最多）  
  
二、设备驱动程序的处理过程  
（一）将抽象要求转换为具体要求  
（二）对服务请求进行校验  
譬如要求打印机输入数据  
（三）检查设备的状态  
检测寄存器中的不同位，了解设备的状态  
（四）传送必要参数  
波特率、奇偶校验等等参数  
（五）启动I/O设备   
了解数据是否到达  
  
三、对I/O设备的控制方式  
（一）使用轮询的可编程I/O方式  
无限等待，好浪费CPU  
（二）使用中断的可编程I/O方式  
百倍提高CPU利用率  
（三）直接存储器访问方式  
至少传送一个数据块，DMA方式提高CPU和I/O之间的并行程度  
（四）I/O通道控制方式  
使用通道程序完成CPU指定的I/O任务  
  
⑤与设备无关的I/O软件  
一、与设备无关软件的基本概念  
（一）以物理设备名使用设备  
以前应用程序与物理设备直接相关  
（二）引入了逻辑设备名  
通过更换逻辑设备表即可改变显示终端  
（三）逻辑设备名称到物理设备名称的转换  
要搞一张逻辑设备表  
  
二、与设备无关的软件  
（一）设备驱动程序的统一接口  
要有统一接口，同时抽象设备名要映射到适当的驱动程序上  
（二）缓冲管理  
设置缓冲区，缓和CPU和I/O设备之间的速度矛盾、提高CPU利用率  
（三）差错控制  
暂时性错误：只有连续多次出错才报告上层，否则由设备驱动程序自己处理  
持久性错误：要查清发生错误的原因，避免以后再发生错误  
（四）对独立设备的分配与回收  
独占设备要先申请  
（五）独立于设备的逻辑数据块  
  
注：与设备无关软件功能：设备驱动程序的统一接口、缓冲、错误报告、分配与释放专用设备、提高与设备无关的块大小  
  
三、设备分配  
（一）设备分配中的数据结构  
系统设备表SDT→设备控制表DCT：类型、标识符、状态、设备队列队首指针、重复执行次数、指向控制器表的指针→控制其控制表COCT→通道控制表CHCT  
（二）设备分配时应考虑的因素  
设备固有属性：独占、共享、虚拟设备  
设备分配算法：FCFS、优先级高优先  
安全性：安全、不安全  
（三）独占设备的分配程序  
独占设备：分配设备、控制器、通道  
如果要设备无关地找设备，就要从SDT找DCT，再逐个测试安全性