紫梦沁香
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一、中断

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故障（软件中断）：若可以解决（如缺页），则返回当前指令；若不能解决（如除0），则终止进程。

二、操作系统引导

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1、 CPU从特定主存地址（ROM）开始读取指令，执行ROM中的引导程序，进行硬件自检，确定磁盘位置

2、 将磁盘的第一块——主引导记录（MBR）读入内存，MBR中包含磁盘引导程序和分区表

3、 执行磁盘引导程序，从主分区（C盘）读入分区引导记录（PBR），执行其中的程序

4、 从根目录下找到找到启动管理器（操作系统初始化程序）并执行，完成开机

三、读者写者问题

（1）读优先

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// m 实现对n的互斥访问
// wmutex 实现读写互斥
semaphore m = 1, wmutex = 1;	
int rcnt = 0;
    
void writer(){
    P(wmutex);
    read();
    V(wmutex);
}

void reader(){
    P(m);
    if(!rcnt) P(wmutex);
    rcnt++;
    V(m);
    read();
    P(m);
    rcnt--;
    if(!rcnt) V(wmutex);
    V(m);
}

（2）写优先

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// m1和m2实现对rcnt和wcnt的互斥访问
// rmutex和wmutex实现读写互斥
semaphore m1 = 1, m2 = 1, rmutex = 1, wmutex = 1;	
int rcnt = 0, wcnt = 0;
    
void writer(){
    P(m1);
    if(!wcnt) P(rmutex);
    wcnt++;
    V(m1);
    P(wmutex);
    write();
    V(wmutex);
    P(m1);
    wcnt--;
    if(!wcnt) V(rmutex);
    V(m1);
}

void reader(){
    P(rmutex);
    P(m2);
    if(!rcnt) P(wmutex);
    rcnt++;
    V(m2);
    V(rmutex);
    read();
    P(m2);
    rcnt--;
    if(!rcnt) V(wmutex);
    V(m2);
}

（3）读写公平

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// m 实现对n的互斥访问
// lock实现读写互斥
// que用于实现读写公平
semaphore m = 1, wmutex = 1, que = 1;	
int rcnt = 0;
    
void writer(){
    P(que);
    P(wmutex);
    read();
    V(wmutex);
    V(que);
}

void reader(){
    P(que);
    P(m);
    if(!rcnt) P(wmutex);
    rcnt++;
    V(m);
    V(que);
    read();
    P(m);
    rcnt--;
    if(!rcnt) V(wmutex);
    V(m);
}

四、文件控制块

（1）顺序分配

FCB

文件名 起始块号 块数
file1 1 8
file2 17 2

顺序分配的寻道数和寻道时间最小。

（2）链式分配

  • 隐式链接

    FCB

    文件名 起始块号 结束块号
    file1 0 2
    file2 2 3

    除最后一个盘块外，每个盘块都有指向下一个盘块的指针，这些指针对用户透明。

    一般可将几个盘块组成簇，按簇而不按块来分配。

  • 显示链接

    FCB

    文件名 起始块号
    file1 0
    file2 2

    FAT

    盘块号（隐含） 下一块
    0 3
    1 4
    2 -1
    3 -1
    4 2
    5 -2

    FAT不仅记录了文件各块之间的先后关系，还标记了空闲的磁盘块，操作系统可以根据FAT对文件存储空间进行管理。此外，FAT常驻内存。

（3）混合索引分配

FCB

文件名 索引节点号
file1 0
file2 1

0号索引节点

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inode区不常驻内存，故在查找到inode号之后，还需在inode区中根据读出对应的inode节点。

五、文件系统结构

应用程序 -> 逻辑文件系统 -> 文件组织模块 -> 基本文件系统 -> I/O控制 -> 设备

  • 逻辑文件系统： 用于管理元数据信息。
  • 文件组织模块： 组织文件及其逻辑块和物理块。
  • 基本文件系统： 向对应的设备驱动程序发送通用命令，以读取和写入磁盘的物理块。
  • I/O控制： 包括设备驱动程序和中断处理程序，在内存和磁盘系统之间传输信息。

六、I/O接口

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  • 数据寄存器用于存放从设备送来的输入数据或从CPU送来的输出数据
  • 控制/状态寄存器用于存放从CPU送来的控制信息或设备的状态信息
  • I/O接口的主要功能有
    • 地址译码和设备选择
    • 主机和外设的通信
    • 数据缓冲
    • 信号格式转换
    • 传送控制命令和状态信息

I/O接口 = I/O端口 + 控制逻辑

  • I/O端口是设备管理器中可被CPU直接访问的寄存器

七、中断响应

  • 硬件执行
    • 关中断
    • 保存断点和程序状态
    • 引出中断服务程序
  • 软件执行
    • 保存现场
    • 开中断
    • 执行中断服务程序
    • 关中断
    • 恢复现场
    • 开中断
    • 中断返回

八、DMA控制器

（1）DMA控制内部结构

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  • CR（命令/状态寄存器）：接收从CPU发来的I/O命令、有关控制信息或设备的状态。
  • MAR（内存地址寄存器）：存储这批数据要传送到内存的起始目标地址。
  • DR（数据寄存器）：暂存从设备到内存或从内存到设备的数据。
  • DC（数据计数器）：存放本次要传送的字（节）数。

每完成一次数据交换，(MAR) + 1，(DC) - 1，直至(DC) = 0，代表此次数据传送完毕。

DMA与主存以字为单位交换数据，DMA与外设以字节或位为单位进行传送。

（2）DMA传送方式

外设向DMA控制器发送DMA请求，再由DMA控制器向CPU发出总线请求

  • 停止CPU访存
  • 周期挪用
    • 单字传送方式
    • DMA对于总线的使用权大于CPU对于总线的使用权
  • DMA与CPU交替访存
    • 适用于CPU工作周期大于主存存取周期，可将一个CPU周期分成两个周期C1和C2，一个供CPU访存，一个供DMA访存。
程序查询方式 程序中断方式 DMA方式
数据传送 由程序控制，CPU全程参与数据传输 由程序控制，CPU参与中断处理过程 由硬件控制，CPU只参与预处理和后处理
中断请求 无 传输数据 后处理
中断响应 无 一条指令执行结束 每个机器周期结束
使用场景 适用于工作不繁忙的系统 适用于CPU任务繁忙以及对紧急事件的中断处理 适用于高速外设数据传输
优先级 最低 一般 最高
异常处理 仅传输数据 能处理异常事件 仅传输数据
是否涉及软硬件 软件 软硬件 硬件

九、I/O软件层次

层次 I/O功能
用户层I/O软件 I/O系统调用、I/O格式化
设备独立性软件（不涉及硬件） 缓冲区管理、设备分配和回收、虚拟设备、差错处理、设备保护，SPOOLing、设备驱动程序接口
设备驱动程序（涉及硬件） 设置设备寄存器、检查设备状态、启动I/O操作
中断处理程序 处理I/O中断、报告错误、唤醒驱动程序
硬件 执行I/O操作

9.1、设备独立性软件

1、设备分配的数据结构

（1）设备控制表（DCT）：系统为每个设备配置一张设备控制表。

（2）控制器控制表（COCT）：系统为每个控制器配置一张控制器控制表。

（3）通道控制表（CHCT）：系统为每个通道配置一张通道控制表。

（4）系统设备表（SDT）：整个系统只有一张系统设备表，每个设备占一个表目。

一个通道可以控制多个设备控制器，而每个设备控制器又可以控制多个设备（并发而非并行）。只有当通道、设备控制器、设备都成功分配时，进程才能正常使用设备。

设备分配程序为用户进程分配设备：先分配设备，再分配设备控制器，最后分配通道。

2、逻辑/物理设备映射的数据结构

（1）整个系统只设置一张逻辑设备表（LUT）

逻辑设备名 物理设备名 驱动程序入口地址
/dev/device1 1 1024
/dev/device2 3 2046

此方案无论是否是同一用户的逻辑设备，均不允许同名，仅适用于单用户系统。

（2）为每个用户设置一张逻辑设备表（LUT）

逻辑设备名 系统设备表指针
/dev/device1 1
/dev/device2 3

此方案允许使用相同的逻辑设备名，类似单级目录和多级目录的区别。

3、SPOOLing

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输入井和输出井位于磁盘，输入缓冲区和输出缓冲区位于内存，井管理程序用于控制设备与输入井、输出井之间信息的交换。

SPOOLing具体功能如下：

  • 缓冲区的设置缓和了CPU和磁盘之间速度不匹配的矛盾。
  • 将独占设备改造为虚拟的共享设备。
  • 将一个物理设备变换为多个对应的逻辑设备。

十、磁盘初始化

（1）物理格式化

  • 将磁道划分扇区
  • 为每个扇区使用特殊的数据结构，包括校验码

（2）分区

  • 将磁盘分区，即C盘、D盘等

（3）逻辑格式化

  • 创建文件系统
  • 创建根目录
  • 初始化存储空间管理所用的数据结构（如位示图、空闲分区表）

十一、常用公式

（1）带权周转时间 = 周转时间 / 执行时间 = 响应比

虽然二者在公式上是相等的，但带权周转时间是静态的概念，确定了就不会再改变；而响应比是动态的概念，会随着程序的执行而改变。

（2）磁盘平均存取时间 = 平均寻道时间 + 旋转延迟时间（一般取半转的时间） + 传输时间

（3）磁盘地址为（柱面号，盘面/磁道号，扇区号）

十二、操作系统结构

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十三、虚拟机

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十四、固态硬盘

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十五、内存映射文件

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