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contenido de este artículo es un resumen y un intercambio de lo que ha aprendido de Tong Xiaobai. Los puntos de conocimiento se editarán y actualizarán de vez en cuando. Para obtener las últimas actualizaciones, consulte la registro de actualización. Bienvenido a dejar un mensaje, señalando
Resumen del sistema operativo resumen-resumen de puntos de conocimiento básicos
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Examen unificado por computadora 408 requisitos del programa de estudios
2021 Examen unificado por computadora 408 Estructura de datos del programa de estudios Objetivos de la investigación de la asignatura
- Comprender los conceptos básicos, los principios básicos y las funciones básicas del sistema operativo y comprender el proceso operativo general del sistema operativo.
- Dominar las estrategias, algoritmos, mecanismos e interrelaciones de los procesos del sistema operativo, la memoria, los archivos y la gestión de E / S.
- Ser capaz de utilizar los principios, métodos y técnicas del sistema operativo aprendidos para analizar y resolver problemas, y ser capaz de describir algoritmos relacionados en lenguaje C
2021 Computer Unified Examination 408 Cambios en el programa de estudios del examen del sistema operativo
2021 Computer Unified Examination 408 Requisitos del programa de estudios para la descripción general del sistema operativo
Conceptos básicos de sistema operativo
La definición, objetivos y roles de los sistemas operativos.
Definición: Un conjunto de programas que controlan y administran los recursos de hardware y software de la computadora, programan razonablemente varios trabajos y facilitan a los usuarios el uso de la computadora.
- Es la primera capa de software del sistema que expande las funciones de hardware (bare metal)
- Administrar los recursos de software y hardware de la computadora
- Proporcionar una interfaz para que el usuario interactúe con el sistema.
- El software de sistema más básico e importante de un sistema informático.
Objetivos: la comodidad y la eficacia son los dos objetivos más importantes de un sistema operativo.
- Conveniencia: conveniente para que los usuarios usen la computadora
- Eficacia: mejorar la utilización de los recursos del sistema informático y el rendimiento del sistema
- Escalabilidad: para adaptarse a los requisitos de actualización del hardware, la arquitectura y el desarrollo de aplicaciones informáticas.
- Apertura: siga las especificaciones estándar mundiales para ser compatibles entre sí, lograr la interconexión fácilmente y lograr la portabilidad e interoperabilidad entre diferentes aplicaciones.
efecto:
-
Es la interfaz entre el usuario y el sistema de hardware de la computadora.
常见访问计算机系统的方式概述 系统调用方式（程序接口） 访问系统资源必须通过由操作系统提供的系统调用函数才可以访问系统资源 命令方式（命令接口） 通过操作系统提供的命令接口输入有关系统命令来获取服务，支持和控制用户程序的运行 图形、窗口方式 通过窗口或图标实现操作系统资源的访问，并取得相应的服务 -
Es el administrador de los recursos del sistema informático. Gestión ordenada de los recursos de software y hardware, de modo que todo tipo de recursos se puedan utilizar de forma completa y eficaz. En
resumen, estos recursos se pueden dividir en cuatro tipos de sistemas operativos para proporcionar a los usuarios recursos utilizables, a saber, procesadores, memoria, E / S dispositivos, archivos (datos y procedimientos) -
Darse cuenta de la abstracción de los recursos informáticos
Las características básicas del sistema operativo (concurrente, compartido, virtual, asíncrono)
Las características básicas del sistema operativo: concurrencia, compartir, virtual, asincrónico. La concurrencia y el uso compartido son las dos características más básicas de los sistemas operativos.
Concurrente
La concurrencia del sistema operativo: se refiere a la existencia de múltiples programas en ejecución en el sistema informático al mismo tiempo, y la capacidad de procesar y programar la ejecución simultánea de múltiples programas.
La distinción entre concurrencia y paralelismo:
- Simultaneidad: dos o más eventos ocurren en el mismo intervalo de tiempo, es decir, multitarea. Realizado a través del tiempo compartido
- Paralelo: dos o más eventos ocurren al mismo tiempo, es decir, procesamiento múltiple. Se requiere soporte de hardware relevante, como un entorno de hardware multiprocesador o multiprocesador [PD: una CPU puede usar una arquitectura de múltiples núcleos para lograr la ejecución en paralelo]
El proceso de introducción: el proceso de ejecución de una sección del programa, que es la unidad básica que puede ejecutarse de forma independiente y ser utilizada como asignación de recursos en el sistema. Está compuesto por un conjunto de instrucciones de máquina, datos, pila, etc.
Ningún proceso
introducido. La introducción de un proceso
puede mejorar en gran medida la utilización de los recursos del sistema y aumentar el rendimiento del sistema.
compartido
Compartir en el entorno del sistema operativo: se denomina uso compartido de recursos o reutilización de recursos, lo que significa que los recursos del sistema pueden ser utilizados por varios procesos que se ejecutan simultáneamente en la memoria.
Según los diferentes atributos de los recursos, el proceso de reutilización de los recursos también es diferente Hay dos formas principales de realizar el intercambio de recursos.
- Método de uso compartido mutuamente excluyente: solo un proceso puede usarlo durante un período de tiempo. Solo después de que el trabajo actual esté terminado y liberado, se puede permitir que otros trabajos lo usen. Este método es uso compartido mutuamente excluyente. Dichos recursos se denominan críticos recursos o recursos exclusivos.
- Acceso simultáneo: se puede acceder a varios trabajos al mismo tiempo en un nivel macro dentro de un período de tiempo, y se puede acceder al recurso alternativamente en un nivel micro, es decir, "tiempo compartido"
La relación entre concurrencia y compartir: las dos condiciones existen la una para la otra
- El uso compartido de recursos está condicionado a la simultaneidad del programa
- Si el sistema no puede implementar una gestión eficaz de los recursos compartidos, inevitablemente afectará la ejecución simultánea del programa, o incluso no se ejecutará de forma simultánea.
virtual
Virtualización del sistema operativo: la función de convertir una entidad física en una serie de contrapartes lógicas a través de una determinada tecnología se denomina virtual.
Clasificación de tecnología virtual:
- Tecnología de multiplexación por división de tiempo: al utilizar el tiempo de inactividad del procesador para ejecutar otros programas, se mejora la tasa de utilización del procesador (es decir, la ejecución simultánea de varios programas). por ejemplo: tecnología de procesador virtual, tecnología de dispositivo virtual
- Tecnología de multiplexación por división de espacio: cada vez que solo una parte del programa de usuario se transfiere a la memoria para ejecutarse, y la parte se intercambia después de que se completa la ejecución, y luego se intercambia otra parte para ejecutarse en la memoria. por ejemplo: tecnología de memoria virtual
PD:
- Si se adopta el método de multiplexación de tiempo compartido, la velocidad promedio de cada dispositivo virtual debe ser igual o menor que 1 / N de la velocidad del dispositivo físico.
- Si se utiliza el método de multiplexación por división de espacio, el espacio promedio ocupado por cada dispositivo virtual debe ser igual o menor que 1 / N del espacio propiedad del dispositivo físico.
asincrónico
- ¿Cuándo se puede procesar y ejecutar cada proceso en la memoria, cuándo se suspende debido a una determinada solicitud de recursos, qué tan rápido avanza el proceso, cuánto tiempo tarda cada programa en completarse, etc.? Son impredecibles, esto es lo asincrónico naturaleza del proceso
- Siempre que el sistema operativo esté equipado con un mecanismo de sincronización de procesos completo y el entorno operativo sea el mismo, el trabajo obtendrá exactamente el mismo resultado incluso después de varias ejecuciones.
Las principales funciones y servicios del sistema operativo.
Responsable de la gestión de los recursos de software y hardware en el sistema, y organizar racionalmente el flujo de trabajo de la computadora; proporcionar a los usuarios un buen entorno de trabajo y una interfaz amigable (es decir, proporcionar a los usuarios una interfaz para acceder al sistema, y los usuarios pueden obtener el sistema servicios a través de la interfaz)
Incluye principalmente procesamiento y administración, administración de memoria, administración de dispositivos, administración de archivos e interfaz de usuario, etc.
Gestión de procesadores
La gestión del procesador es la función central del sistema operativo, que coordina la gestión de los procesos.
Gestión de la memoria
Proporciona un buen entorno para el funcionamiento de programas múltiples, mejora la utilización de la memoria, es conveniente para el uso de los usuarios y puede expandir lógicamente la memoria.
Incluye principalmente: asignación de memoria, protección de memoria, mapeo de direcciones, expansión de memoria, etc.
Gestión de equipos
misión principal
- Responda a la solicitud de E / S realizada por el proceso del usuario, asigne el dispositivo de E / S requerido para el proceso del usuario y complete la operación de E / S de la instrucción
- Mejore la tasa de utilización de la CPU y los equipos de E / S, aumente la velocidad de E / S y haga que sea conveniente para los usuarios utilizar varios equipos
Incluyen principalmente: gestión de búfer, asignación de equipos, procesamiento de equipos y equipos virtuales, etc.
Gestión de archivos
La información en la computadora está en forma de archivos. La parte del sistema operativo responsable de la administración de archivos se llama sistema de archivos. Principalmente cuelga los archivos del usuario y los archivos del sistema para facilitar a los usuarios el uso y garantizar la seguridad de los archivos.
Incluye principalmente: gestión del espacio de almacenamiento de archivos, gestión de directorios, gestión de operaciones de archivos, protección de archivos
Interfaz con los usuarios
Con el fin de facilitar el uso y la programación de los sistemas informáticos por parte de los usuarios, el sistema operativo proporciona a los usuarios una interfaz de usuario a través de la cual los usuarios pueden solicitar servicios específicos del sistema operativo.
Incluye principalmente interfaz de usuario (interfaz de comando), interfaz de programa e interfaz gráfica
[La interfaz gráfica se puede considerar como una interfaz de usuario en términos de modo de operación, pero la esencia es una función realizada a través de llamadas al sistema, por lo que generalmente se divide por separado]
La interfaz de usuario (interfaz de comando): el sistema proporciona un conjunto de comandos para que el usuario opere directa o indirectamente la
interfaz del programa: también conocida como llamadas al sistema, una interfaz a nivel de programa, el programa de usuario para obtener servicios del sistema operativo de forma única
El programa de usuario solicita el servicio del sistema operativo a través de la instrucción de control de acceso, y el sistema operativo analiza los parámetros en la instrucción de control de acceso y llama a la subrutina correspondiente para servir al usuario.
Distinguir entre trabajo, proceso y programa.
Para obtener información detallada sobre los conocimientos relacionados, consulte el artículo de la columna básica profesional "Relación de procedimientos, procesos y operaciones".
Clasificación de desarrollo del sistema operativo
Sistema informático sin sistema operativo
Sistema operativo artificial: ingrese el programa y los datos en la computadora al mismo tiempo que se inicia, y luego inicie la computadora para que se ejecute. Una vez que se ejecuta el programa y se elimina el resultado del cálculo, el siguiente usuario puede ingresar el computadora
Desventajas:
- El usuario monopoliza toda la computadora: solo un usuario puede monopolizar la computadora y todos sus recursos al mismo tiempo
- La CPU espera la operación manual: la siguiente operación debe esperar a que se complete la operación anterior durante el proceso de ejecución, y los recursos como la CPU y la memoria están inactivos en este momento.
Modo de entrada y salida fuera de línea: la entrada y salida de programas y datos se completan bajo el control de la máquina periférica, sin la intervención del host (es decir, E / S fuera de línea).
Ventajas:
- Mejore la tasa de utilización de la CPU, reduzca el tiempo de inactividad de la CPU y alivie la contradicción entre el hombre y la máquina
. La entrada y salida del programa se completa con la máquina periférica, que no ocupa el tiempo del host, lo que mejora efectivamente la CPU tasa de uso. - Mejore la velocidad de E / S, alivie la contradicción entre la CPU y la velocidad del dispositivo de E / S. Los
datos se cargan desde el dispositivo de baja velocidad original al disco de alta velocidad bajo el control de la máquina periférica. Cuando la CPU necesita datos durante la operación, el disco de alta velocidad se puede transferir datos a la memoria en cinta o disco, mejorando en gran medida la velocidad de E / S
Sistema de procesamiento por lotes
Sistema de procesamiento por lotes de un solo paso: para completar el procesamiento por lotes cuando solo hay un programa ejecutándose en la memoria, el programador debe planificar la secuencia de ejecución del programa con anticipación y se completará automáticamente después del inicio, sin intervención humana
Principales características:
- Automatización: un lote de trabajos en la cinta se puede ejecutar automáticamente sin intervención manual
- Secuencialidad: cada trabajo de la cinta se ingresa secuencialmente en la memoria y el trabajo que se carga primero en la memoria se completa primero
- Un solo paso: solo se ejecuta un programa en la memoria
Desventajas: los recursos del sistema no se utilizan por completo y la tasa de utilización de la CPU es baja
Sistema de procesamiento por lotes de múltiples pasadas: permite que múltiples programas ingresen a la memoria al mismo tiempo y permite que múltiples programas compartan los respectivos recursos de software / hardware en el sistema para usar alternativamente la CPU. Cuando un programa se suspende debido a una solicitud de E / S, la CPU cambia inmediatamente para ejecutar otros programas
Requisito previo: el sistema tiene función de interrupción
Características:
- Multicanal: almacena simultáneamente varios programas independientes en la memoria de la computadora
- Macroscópicamente paralelo: varios programas que ingresan al sistema al mismo tiempo se ejecutan en el mismo intervalo de tiempo
- Microscópicamente en serie: varios programas en la memoria se turnan para ocupar la CPU y se ejecutan alternativamente
Principales ventajas (impulso de desarrollo):
- Alta utilización de recursos: aproveche al máximo varios recursos (mantenga la CPU ocupada; mejore la utilización de la memoria; aumente la utilización del equipo de E / S ...)
- Alto rendimiento del sistema: la CPU y otros recursos se mantienen ocupados; los trabajos se transfieren a la memoria en lotes, y solo cuando el trabajo se completa o no se puede continuar cambiando, la sobrecarga del sistema es pequeña (pero más costosa que un solo canal system)
[Cantidad de rendimiento del sistema: la cantidad total de trabajo completado por el sistema en una unidad de tiempo]
Principales desventajas:
- Promedio de tiempo de respuesta largo: todos los trabajos deben estar en cola en orden y el tiempo de respuesta es largo
[tiempo de respuesta del trabajo: el tiempo que tarda el trabajo en ingresar al sistema hasta que se completa y sale del sistema] - Sin capacidad interactiva: una vez que el usuario envía el trabajo al sistema, hasta que se completa el trabajo, el usuario ya no participa en la operación del trabajo, lo cual es extremadamente inconveniente para modificar y depurar el programa.
Problemas resueltos principalmente: problemas de contención del procesador, problemas de protección y asignación de memoria, problemas de asignación de dispositivos de E / S, problemas de organización y gestión de archivos, problemas de gestión de trabajos, problemas de interfaz de usuario y sistema, etc.
Sistema operativo de tiempo compartido
Sistema operativo en tiempo real
Sistema operativo de red y sistema operativo distribuido
Sistema operativo de red: combine todas las computadoras en la red informática para realizar la transmisión de datos
La característica principal: el intercambio de varios recursos en la red y la comunicación entre computadoras.
Extensión: Sistema informático distribuido Sistema
operativo distribuido: El sistema operativo que gestiona los sistemas informáticos distribuidos se denomina sistema operativo distribuido.
Características principales: distribución, paralelismo
La diferencia entre un sistema operativo distribuido y un sistema operativo de red: varias computadoras en un sistema operativo distribuido cooperan entre sí para completar la misma tarea
Resumen de clasificación del sistema operativo y otros sistemas operativos
La clasificación del sistema operativo generalmente se puede resumir de la siguiente manera
: Otros sistemas operativos:
Entorno operativo del sistema operativo
Estado central y estado del usuario
La CPU en un sistema informático generalmente ejecuta dos tipos diferentes de programas:
- Programa de kernel del sistema operativo: un programa de administración que ejecuta una serie de instrucciones privilegiadas
( instrucciones privilegiadas: instrucciones utilizadas por el kernel del sistema operativo, los programas de usuario no se pueden ejecutar. Por ejemplo: instrucciones de E / S, configuración de instrucciones de máscara de interrupción, borrado de instrucciones de memoria, almacenamiento Instrucciones de protección, instrucciones para configurar el reloj, etc.) - Programa programado por el usuario (denominado programa de usuario o programa de aplicación): es un programa de aplicación que ejecuta instrucciones de usuario.
Para evitar que el sistema operativo y sus datos clave (como el bloque de control de proceso de PCB, etc.) sean destruidos intencional o involuntariamente por el programa de usuario, el estado de ejecución del procesador generalmente se divide en dos tipos: estado del núcleo y estado del usuario
Estado central: también conocido como estado de administración y estado del sistema, que es el estado de la máquina cuando se ejecuta el programa de administración del sistema operativo.
Tiene altos privilegios, puede ejecutar todas las instrucciones, incluidas las instrucciones privilegiadas (también llamadas instrucciones generalizadas) y puede acceder a todos los registros y áreas de almacenamiento.
En el sistema operativo, el kernel del sistema operativo incluye algunos módulos que están estrechamente relacionados con el hardware (como gestión de reloj, procesamiento de terminales, controladores de dispositivos, etc.) y programas que se ejecutan con mayor frecuencia (como gestión de procesos, gestión de memoria). , gestión de dispositivos, etc.).
Las instrucciones de estado del núcleo en realidad incluyen instrucciones de llamada al sistema y algunas instrucciones de operación para relojes, interrupciones y primitivas.
Modo de usuario: también conocido como modo de destino, que es el estado de la máquina cuando se ejecuta el programa de usuario.
Tiene privilegios más bajos, solo puede ejecutar instrucciones específicas y solo puede acceder a registros y áreas de almacenamiento específicos
PD:
- Los dos tipos de programas y sus respectivos espacios de almacenamiento están estrictamente divididos. Durante la ejecución, los programas en modo usuario no pueden llamar directamente a los programas en modo núcleo. Deben ejecutar instrucciones para acceder al modo núcleo (instrucciones de control de acceso, también llamadas instrucciones trap o trap instrucciones). Causar una interrupción, y luego transferir desde el sistema de interrupciones al programa correspondiente en el sistema operativo
- El modo de usuario cambia al modo de núcleo, no solo es necesario cambiar el estado, sino que es posible que la pila utilizada también deba cambiarse de la pila de usuario a la pila del sistema
- El comando de control de acceso solo se puede usar en modo de usuario, no es un comando privilegiado
La forma de cambiar del modo de usuario al modo de kernel cuando el sistema está en ejecución
Llamada al sistema: la llamada al sistema puede considerarse iniciada por el proceso del usuario, y es la única forma en que el programa del usuario obtiene los servicios del sistema operativo.
Todas las operaciones relacionadas con los recursos deben realizar solicitudes de servicio al sistema operativo a través de llamadas al sistema, y el programa del núcleo del sistema operativo es responsable de completar ciertas instrucciones privilegiadas.
La llamada al sistema inicia el proceso de conversión completo del modo de usuario al modo de kernel:
- El programa de usuario pasa los parámetros de llamada del sistema
- Ejecutar instrucciones de control de acceso (es decir, instrucciones de captura o instrucciones de captura), de modo que el estado de la CPU cambie del modo de usuario al modo de núcleo.
- Después de eso, el programa del núcleo del sistema operativo se ocupará de la solicitud de llamada del sistema y ejecutará el programa de servicio correspondiente.
- Una vez que se completa el procesamiento, el programa del núcleo del sistema operativo devuelve el derecho a usar la CPU al programa de usuario, es decir, el estado de la CPU vuelve del estado del núcleo al estado del usuario.
Interrupción: Usualmente se refiere a una interrupción externa, es decir, una interrupción que ocurre en un evento que no tiene nada que ver con el programa que se ejecuta en el procesador actual más que la instrucción ejecutada por la CPU. Es pasiva.
Complemento: El proceso de ejecución de la interrupción externa
Excepción: generalmente se refiere a interrupciones internas, que se refieren a eventos que se originan dentro de la CPU que ejecuta instrucciones y son pasivos. Por ejemplo: eventos causados por códigos de operación ilegales del programa, direcciones fuera de límites, desbordamiento aritmético, páginas faltantes de memoria virtual, instrucciones especiales de captura, etc.
Conocimiento detallado del contenido de la excepción de interrupción visible Artículo de la columna de Principios de Organización de Computadoras "Resumen del sistema de entrada-salida (E / S) - Resumen de puntos de conocimiento básico"
Arquitectura del sistema operativo
Esta parte de la arquitectura del software es similar, el conocimiento detallado del contenido está visible en el artículo de la columna de base profesional "Base de la arquitectura del software"
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