操作系统核心概念：IO方式、高速缓存与进程状态

操作系统是计算机系统的核心组成部分，它负责管理和控制计算机的硬件及软件资源，确保高效、安全、稳定地运行。这篇复习资料涵盖了操作系统的一些关键概念，包括I/O通讯方式、高速缓存原理、操作系统的发展历程、进程状态及其变迁、以及操作系统管理的资源和特性。 1. **I/O通讯方式**： - **可编程IO**：处理器通过不断地轮询来检查I/O设备的状态，当设备准备好数据或完成任务时，CPU会执行相应的操作。这种方式效率较低，因为CPU大部分时间都在等待I/O操作。 - **中断驱动IO**：I/O设备在完成操作后向CPU发送中断请求，CPU响应中断，保存当前状态，然后处理I/O事件。这种方式提高了CPU利用率，但中断处理增加了开销。 - **直接存储器访问（DMA）**：DMA控制器允许设备直接与内存交换数据，而无需CPU介入。这种方式极大地提升了I/O吞吐量，但需要专门的硬件支持。 2. **高速缓存（Cache）原理**： - 高速缓存是为了弥补主存和CPU速度差距而设计的，它利用了局部性原理，即程序倾向于连续访问同一块内存区域。高速缓存存储最近访问过的数据，以减少访问主存的次数，提高系统性能。 - 替换算法通常采用**最近最少使用（LRU）**策略，当缓存满时，会选择最近最久未使用的数据块替换出去。 3. **操作系统发展历程**： - **串行处理**：早期的单用户单任务系统。 - **简单批处理系统**：允许多个任务依次执行，提高了CPU利用率。 - **多道程序批处理系统**：进一步增强了并行处理能力，多个任务可以同时在内存中。 - **分时系统**：允许多个用户同时交互使用系统。 - **实时系统**：对响应时间有严格要求，用于控制设备或处理实时信息。 4. **操作系统的重要理论进展**： - **进程管理**：引入了进程的概念，使多任务处理成为可能。 - **内存管理**：有效地分配和回收内存，防止内存碎片。 - **信息保护和安全**：确保数据的安全性和用户之间的隔离。 - **调度和资源管理**：优化资源分配，提高系统效率。 - **系统结构**：如微内核架构等，改善了系统的可扩展性和模块化。 5. **操作系统管理的资源**： - **主存空间**：分配和回收内存，避免内存冲突。 - **I/O设备**：调度设备使用，处理I/O请求。 - **处理器**：通过调度算法决定哪个进程可以获得处理器使用权。 6. **现代操作系统的特征**： - **微内核体系结构**：核心功能精简，服务组件在用户空间运行。 - **多线程**：允许多个线程并发执行，提高CPU利用率。 - **对称多处理（SMP）**：多处理器共享资源，提升系统并行处理能力。 - **分布式操作系统**：跨越多个物理节点，提供透明的资源共享。 - **面向对象设计**：使用面向对象技术，提高代码重用和系统可维护性。 7. **进程状态变迁**： - 进程的状态主要包括：新建态、就绪态、运行态、阻塞态和退出态。在七状态模型中，还包括了就绪/挂起态和阻塞/挂起态。状态变迁受到各种事件的影响，如超时、优先级抢占、I/O请求等。 8. **程序控制块（PCB）**： - PCB是操作系统用来记录和控制进程状态的关键数据结构，包含了进程的标识信息、上下文信息、资源分配情况、调度信息等。操作系统通过修改PCB来管理和切换进程，定义了系统的运行状态。 理解这些基本概念对于深入学习和掌握操作系统至关重要，它们构成了操作系统设计和实现的基础。通过复习这些内容，可以帮助我们更好地理解和分析操作系统在实际工作中的行为。