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。

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一、为什么需要磁盘管理？

部件	速度
CPU	非常快
内存	也很快
磁盘	慢很多

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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。

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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？

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二、磁盘的物理结构

我们以传统机械硬盘为例。

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磁盘：

由：

多个盘片组成。

每个盘片：

有两个面。

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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。

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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。

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例如：

一个扇区：

通常：

512B。

现代：

也可能：

4KB。

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五、柱面（Cylinder）

多个盘片：

同一位置：

的磁道。

组成：

柱面。

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例如：

多个盘：

第10条磁道：

上下对应。

形成：

一个柱面。

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为什么重要？

因为：

磁头移动：

是按柱面移动。

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六、磁盘访问时间（★★★★★）

一次磁盘访问：

主要：

三个时间。

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1. 寻道时间（Seek Time）

含义：

磁头移动到目标磁道。

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例如：

现在：

磁头：

在：

第10磁道。

要访问：

第100磁道。

需要移动。

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这是：

最主要时间。

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2. 旋转延迟（Rotational Delay）

含义：

等待目标扇区：

转到磁头下面。

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机械硬盘：

盘片：

一直旋转。

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3. 传输时间（Transfer Time）

含义：

真正读取数据时间。

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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。

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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。

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所以：

操作系统：

重新安排：

访问顺序。

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这就是：

磁盘调度算法。

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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。

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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。

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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。

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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。

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缺点：

可能产生：

饥饿。

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十、什么是饥饿？

例如：

某请求：

在远处。

但是：

附近不断来新请求。

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系统：

一直服务附近。

远处：

一直等待。

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这个叫：

饥饿。

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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。

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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。

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优点：

公平。

不会：

长期等待。

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十二、算法四：C-SCAN（了解）

Circular SCAN。

循环扫描。

思想：

只：

一个方向服务。

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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。

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十三、四种算法比较（★★★★★）

算法	思想	特点
FCFS	先来先服务	公平但慢
SSTF	最近优先	速度快但可能饥饿
SCAN	电梯移动	公平稳定
C-SCAN	单方向循环	更加均匀

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口诀：

FCFS看时间

SSTF看距离

SCAN像电梯

C-SCAN绕圈

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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。

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最后：

把所有移动距离相加。

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十五、本课重点总结（★★★★★）

磁盘结构：

盘片
 ↓
磁道
 ↓
扇区

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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。

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SCAN

电梯算法。

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C-SCAN

循环扫描。

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第三十二课：I/O设备管理（★★★★★）

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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。

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二、为什么需要设备管理？

问题来了：

CPU：

非常快。

但是：

设备：

很慢。

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例如：

CPU：

每秒：

执行：

几十亿条指令。

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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。

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所以：

操作系统需要：

管理：

CPU和设备之间的关系。

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三、I/O设备组成

一个设备：

通常包括：

三个部分。

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① 设备本身

例如：

键盘。

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② 设备控制器（★★★★★）

这是重点。

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CPU：

不能直接：

控制硬件。

中间：

需要：

设备控制器。

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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。

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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。

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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

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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。

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常见：

三个：

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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

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3. 控制寄存器

CPU：

发送命令。

例如：

开始读取。

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六、I/O控制方式（重点）

CPU和设备：

如何通信？

有几种方式。

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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。

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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。

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第三种：DMA方式（★★★★★）

DMA：

Direct Memory Access

中文：

直接内存访问。

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这是重点。

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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。

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所以：

DMA出现。

思想：

让设备直接和内存交换数据。

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传统：

设备

↓

CPU

↓

内存

---

DMA：

设备

↓

内存

CPU：

只负责：

开始和结束通知。

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七、DMA工作流程（★★★★★）

例如：

读取硬盘文件。

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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

方式	CPU参与	效率
程序控制	一直参与	最低
中断方式	部分参与	较高
DMA	只开始结束参与	最高

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口诀：

轮询CPU等，中断设备叫，DMA自己搬。

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九、I/O缓冲区（★★★★★）

还有一个问题：

设备速度不同。

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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。

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十、缓冲的作用

主要：

三个：

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1. 缓解速度差异

CPU快。

设备慢。

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2. 提高CPU利用率

CPU不用等待。

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3. 减少设备访问次数

提高效率。

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十一、假脱机技术 SPOOLing（★★★★★）

这个非常经典。

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SPOOLing：

Simultaneous Peripheral Operations On-Line。

中文：

假脱机技术。

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主要用于：

打印机。

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为什么？

打印机：

一次只能打印：

一个任务。

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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。

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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。

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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。

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DMA

设备直接访问内存。

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缓冲区

解决：

速度不匹配。

---

SPOOLing

模拟共享设备。

典型：

打印机。

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第三十三课：操作系统保护与安全机制（★★★★★）

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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。

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二、保护和安全的区别

容易混淆。

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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。

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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。

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三、用户态和内核态（★★★★★）

这是本课最重要概念。

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CPU：

有不同权限等级。

最重要：

两个：

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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。

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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。

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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。

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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。

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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：

	文件A	文件B
用户1	读写	读
用户2	无	读写

---

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。