计算机操作系统31，32，33（完结）

第三十一课：磁盘管理与磁盘调度算法（★★★★★）

这一章非常重要，因为：

操作系统不仅管理内存和文件，也负责：

如何高效地从磁盘读取数据。

一、为什么需要磁盘管理？

例如：

访问速度：

大概：

CPU 纳秒级 ↓ 内存 几十纳秒 ↓ SSD 微秒级 ↓ 机械硬盘 毫秒级

所以：

如果磁盘访问效率低：

整个系统：

都会变慢。

操作系统需要解决：

两个问题：

1. 如何组织磁盘？
2. 如何安排磁盘访问顺序？

二、磁盘的物理结构

我们以传统机械硬盘为例。

磁盘：

由：

多个盘片组成。

每个盘片：

有两个面。

结构：

磁盘 盘片 ↓ 磁道 ↓ 扇区

三、磁道（Track）

磁盘表面：

一圈一圈：

同心圆。

每一圈：

叫：

磁道。

类似：

唱片。

唱针：

沿着轨道读取。

表示：

外圈 -------- ---- -- 内圈

四、扇区（Sector）

磁道：

继续划分：

小区域。

每个区域：

叫：

扇区。

扇区：

是磁盘：

最小存储单位。

例如：

一个扇区：

通常：

512B。

现代：

也可能：

4KB。

五、柱面（Cylinder）

多个盘片：

同一位置：

的磁道。

组成：

柱面。

例如：

多个盘：

第10条磁道：

上下对应。

形成：

一个柱面。

为什么重要？

因为：

磁头移动：

是按柱面移动。

六、磁盘访问时间（★★★★★）

一次磁盘访问：

主要：

三个时间。

1. 寻道时间（Seek Time）

含义：

磁头移动到目标磁道。

例如：

现在：

磁头：

在：

第10磁道。

要访问：

第100磁道。

需要移动。

这是：

最主要时间。

2. 旋转延迟（Rotational Delay）

含义：

等待目标扇区：

转到磁头下面。

机械硬盘：

盘片：

一直旋转。

3. 传输时间（Transfer Time）

含义：

真正读取数据时间。

所以：

总访问时间：

公式：

磁盘访问时间 = 寻道时间 + 旋转延迟 + 传输时间

考试：

经常考：

寻道时间。

因为：

调度算法：

主要优化：

寻道。

七、为什么需要磁盘调度？

假设：

磁头当前：

在：

磁道50。

现在：

请求：

10 90 20 80

如果：

随便访问：

可能：

移动很远。

例如：

顺序：

50→10→90→20→80

移动距离：

巨大。

所以：

操作系统：

重新安排：

访问顺序。

这就是：

磁盘调度算法。

八、算法一：FCFS（★★★★★）

Full First Come First Serve

中文：

先来先服务。

思想：

谁先请求，先处理谁。

例如：

请求：

10 90 20 80

磁头：

50。

顺序：

50 ↓ 10 ↓ 90 ↓ 20 ↓ 80

优点：

简单公平。

缺点：

效率低。

因为：

可能：

磁头来回跑。

九、算法二：SSTF（★★★★★）

Shortest Seek Time First

中文：

最短寻道时间优先。

思想：

每次选择距离当前磁头最近的请求。

例如：

磁头：

50。

请求：

10 90 20 80

当前：

50。

距离：

10：

40

90：

40

20：

30

80：

30

选择：

最近。

假设：

20。

移动：

50→20

然后：

继续选择最近。

优点：

减少平均寻道时间。

缺点：

可能产生：

饥饿。

十、什么是饥饿？

例如：

某请求：

在远处。

但是：

附近不断来新请求。

系统：

一直服务附近。

远处：

一直等待。

这个叫：

饥饿。

十一、算法三：SCAN（★★★★★）

也叫：

电梯算法。

思想：

磁头像电梯一样，一个方向走到底，再回来。

例如：

磁头：

50。

方向：

向右。

请求：

10 20 80 90

先：

向右：

50→80→90

然后：

掉头：

90→20→10

像电梯：

上楼。

优点：

公平。

不会：

长期等待。

十二、算法四：C-SCAN（了解）

Circular SCAN。

循环扫描。

思想：

只：

一个方向服务。

例如：

向右：

50 ↓ 80 ↓ 90

到头：

直接：

回到最左边。

继续：

向右。

区别：

SCAN：

来回扫。

C-SCAN：

单方向循环。

十三、四种算法比较（★★★★★）

口诀：

FCFS看时间 SSTF看距离 SCAN像电梯 C-SCAN绕圈

十四、磁盘调度计算方法

考试：

给：

当前磁头：

例如：

50。

请求：

82 170 43 140 24 16 190

问：

SSTF移动多少？

步骤：

每一步：

找最近。

例如：

当前50：

距离：

43最近。

移动：

50→43。

记录：

7。

然后：

继续。

最后：

把所有移动距离相加。

十五、本课重点总结（★★★★★）

磁盘结构：

盘片 ↓ 磁道 ↓ 扇区

访问时间：

寻道时间 + 旋转延迟 + 传输时间

调度算法：

FCFS

先来先服务。

SSTF

最近请求优先。

SCAN

电梯算法。

C-SCAN

循环扫描。

第三十二课：I/O设备管理（★★★★★）

一、什么是I/O设备？

I/O：

Input / Output

中文：

输入输出。

输入：

把信息：

送给计算机。

例如：

• 键盘
• 鼠标
• 摄像头
• 麦克风

输出：

计算机：

把结果：

给外部。

例如：

• 显示器
• 打印机
• 音响

所以：

I/O设备：

就是：

计算机与外界交换信息的设备。

二、为什么需要设备管理？

问题来了：

CPU：

非常快。

但是：

设备：

很慢。

例如：

CPU：

每秒：

执行：

几十亿条指令。

键盘：

你：

一秒：

最多：

按几个键。

如果CPU：

一直等待键盘：

那么：

CPU大部分时间：

浪费。

所以：

操作系统需要：

管理：

CPU和设备之间的关系。

三、I/O设备组成

一个设备：

通常包括：

三个部分。

① 设备本身

例如：

键盘。

② 设备控制器（★★★★★）

这是重点。

CPU：

不能直接：

控制硬件。

中间：

需要：

设备控制器。

结构：

CPU ↓ 设备控制器 ↓ I/O设备

例如：

CPU说：

“我要读取键盘输入”。

不会：

直接找键盘。

而是：

通知：

键盘控制器。

四、设备控制器是什么？

简单理解：

管理某个硬件的专用小控制器。

例如：

电脑：

有：

• 显卡控制器
• 硬盘控制器
• USB控制器

设备控制器：

负责：

1. 接收CPU命令
2. 控制设备工作
3. 保存数据
4. 向CPU报告状态

五、设备控制器中的寄存器

控制器：

里面：

有一些特殊存储区域。

叫：

寄存器。

常见：

三个：

1. 数据寄存器

保存：

要传输的数据。

2. 状态寄存器

表示：

设备状态。

例如：

准备好了 忙 错误

3. 控制寄存器

CPU：

发送命令。

例如：

开始读取。

六、I/O控制方式（重点）

CPU和设备：

如何通信？

有几种方式。

第一种：程序直接控制方式

也叫：

轮询方式。

思想：

CPU：

不断问：

设备：

“好了没？”

例如：

CPU：

键盘？ 好了没？ 键盘？ 好了没？

优点：

简单。

缺点：

浪费CPU。

因为：

CPU：

一直等待。

第二种：中断驱动方式（★★★★★）

思想：

设备完成后主动通知CPU。

过程：

例如：

键盘输入：

1. 用户按键

↓

2. 键盘控制器收到

↓

3. 发送中断信号

↓

4. CPU暂停当前任务

↓

5. 处理中断

结构：

设备完成 ↓ 发送中断 ↓ CPU响应 ↓ 执行处理程序

优点：

CPU不用一直等待。

缺点：

频繁中断：

有开销。

第三种：DMA方式（★★★★★）

DMA：

Direct Memory Access

中文：

直接内存访问。

这是重点。

为什么需要DMA？

想象：

复制一个大文件。

如果：

每个字节：

都让CPU参与：

太慢。

所以：

DMA出现。

思想：

让设备直接和内存交换数据。

传统：

设备 ↓ CPU ↓ 内存

DMA：

设备 ↓ 内存

CPU：

只负责：

开始和结束通知。

七、DMA工作流程（★★★★★）

例如：

读取硬盘文件。

第一步：

CPU告诉DMA：

我要：

读取数据。

第二步：

DMA控制器：

接管。

第三步：

DMA：

直接：

把数据放入内存。

第四步：

完成后：

DMA：

发送中断。

流程：

CPU发命令 ↓ DMA传输 ↓ 数据进入内存 ↓ 中断CPU

八、三种方式比较

口诀：

轮询CPU等，中断设备叫，DMA自己搬。

九、I/O缓冲区（★★★★★）

还有一个问题：

设备速度不同。

例如：

CPU：

写数据：

很快。

打印机：

打印：

很慢。

怎么办？

使用：

缓冲区。

什么是缓冲区？

简单：

临时存放数据的区域。

例如：

打印：

程序 ↓ 缓冲区 ↓ 打印机

程序：

把内容：

快速放入缓冲区。

然后：

继续运行。

打印机：

慢慢打印。

十、缓冲的作用

主要：

三个：

1. 缓解速度差异

CPU快。

设备慢。

2. 提高CPU利用率

CPU不用等待。

3. 减少设备访问次数

提高效率。

十一、假脱机技术 SPOOLing（★★★★★）

这个非常经典。

SPOOLing：

Simultaneous Peripheral Operations On-Line。

中文：

假脱机技术。

主要用于：

打印机。

为什么？

打印机：

一次只能打印：

一个任务。

如果：

100个用户：

同时打印。

怎么办？

SPOOLing：

思想：

用磁盘模拟一个共享设备。

流程：

用户任务 ↓ 磁盘缓冲区 ↓ 打印队列 ↓ 打印机

例如：

你点击打印。

不会：

直接占用打印机。

而是：

放入：

打印队列。

打印机：

一个一个处理。

十二、本课重点总结（★★★★★）

I/O设备

负责：

输入输出。

设备控制器

CPU和设备之间桥梁。

三种I/O控制方式

程序控制

CPU一直问。

中断

设备完成通知CPU。

DMA

设备直接访问内存。

缓冲区

解决：

速度不匹配。

SPOOLing

模拟共享设备。

典型：

打印机。

第三十三课：操作系统保护与安全机制（★★★★★）

一、为什么需要操作系统保护？

计算机中：

同时运行：

很多程序。

例如：

浏览器 音乐软件 游戏 杀毒软件

如果：

任何程序：

都可以：

随便访问：

• 内存
• 硬盘
• CPU控制权

会发生什么？

程序A：

修改：

程序B：

的数据。

病毒：

删除：

系统文件。

普通软件：

直接控制：

硬件。

所以：

操作系统必须：

建立：

保护机制。

二、保护和安全的区别

容易混淆。

保护（Protection）

重点：

防止内部错误访问。

例如：

程序A：

不能访问：

程序B：

的内存。

安全（Security）

重点：

防止恶意攻击。

例如：

防止病毒、黑客。

简单：

保护：

防自己人犯错。

安全：

防坏人攻击。

三、用户态和内核态（★★★★★）

这是本课最重要概念。

CPU：

有不同权限等级。

最重要：

两个：

1. 用户态（User Mode）

普通程序：

运行：

用户态。

例如：

你打开：

浏览器。

它：

不能：

直接：

操作硬盘控制器。

权限：

低。

2. 内核态（Kernel Mode）

操作系统：

运行：

内核态。

权限：

最高。

可以：

• 操作硬件
• 管理内存
• 控制设备

结构：

用户程序 (用户态) ↓ 系统调用 ↓ 操作系统内核 (内核态) ↓ 硬件

四、为什么需要用户态和内核态？

假设：

没有权限区分。

程序：

直接：

执行：

delete_system();

系统：

可能：

直接崩溃。

所以：

限制：

普通程序。

原则：

用户程序不能直接访问关键资源。

五、系统调用（★★★★★）

问题：

用户程序：

需要：

操作硬件怎么办？

例如：

保存文件。

用户程序：

不能：

直接：

写硬盘。

怎么办？

答案：

通过：

系统调用。

系统调用：

就是：

用户程序请求操作系统服务的接口。

例如：

程序：

想打开文件：

应用程序 ↓ open() ↓ 系统调用 ↓ 文件系统 ↓ 磁盘

六、系统调用流程（★★★★★）

完整过程：

用户程序 ↓ 调用系统函数 ↓ 切换到内核态 ↓ 操作系统执行服务 ↓ 返回用户态

这个：

叫：

模式切换。

七、为什么系统调用需要切换模式？

因为：

只有内核态：

可以执行：

特权指令。

例如：

控制：

• CPU
• 内存
• 设备

普通程序：

没有权限。

八、特权指令

什么是：

特权指令？

简单理解：

只有操作系统才能执行的危险指令。

例如：

• 设置页表
• 关闭中断
• 访问设备控制器
• 修改系统状态

普通程序：

执行：

会失败。

九、访问控制（★★★★★）

操作系统：

必须决定：

谁可以访问什么。

例如：

文件：

secret.txt

权限：

用户A：读写 用户B：只读 用户C：禁止

这就是：

访问控制。

十、Linux文件权限（经典）

Linux：

权限：

三个部分。

例如：

-rwxr-xr--

拆开：

用户 rwx 组 r-x 其他人 r--

含义：

r

read

读。

w

write

写。

x

execute

执行。

十一、保护机制有哪些？

操作系统：

常见：

1. 内存保护

防止：

一个程序访问另一个程序内存。

例如：

程序A：

不能：

读取：

程序B：

密码。

2. 文件保护

控制：

谁能：

读写文件。

3. CPU保护

防止：

程序：

无限占用CPU。

例如：

时间片轮转。

4. I/O保护

防止：

普通程序：

直接控制设备。

十二、安全机制

除了保护：

还需要安全。

主要：

包括：

1. 身份认证

确认：

你是谁。

例如：

密码。

指纹。

2. 权限管理

确认：

你能干什么。

例如：

管理员：

安装软件。

普通用户：

不能。

3. 加密

保护：

数据。

例如：

HTTPS。

磁盘加密。

十三、操作系统安全模型

经典：

访问矩阵。

思想：

记录：

主体：

可以访问：

哪些对象。

例如：

主体：

用户。

对象：

资源。

十四、本课重点总结（★★★★★）

用户态

普通程序运行。

权限低。

内核态

操作系统运行。

权限高。

系统调用

用户访问内核服务的接口。

特权指令

只有内核执行。

访问控制

决定：

谁能访问什么。

保护 vs 安全

保护：

防内部错误。

安全：

防攻击。