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操作系统全家桶:传送门
一、操作系统引述:https://blog.csdn.net/diviner_s/article/details/108829327
二、处理器管理:https://blog.csdn.net/diviner_s/article/details/108940809
三、存储器管理:https://blog.csdn.net/diviner_s/article/details/112245241
四、设备管理:https://blog.csdn.net/diviner_s/article/details/112250905
五、文件管理:https://blog.csdn.net/diviner_s/article/details/112253441
六、用户接口:https://blog.csdn.net/diviner_s/article/details/112255959
一、文件管理基本功能
在现代计算机系统中,要用到大量的程序和数据,因内存容量有限,且不能长期保存,所以把它们以文件的形式存放在外存中,需要时再随时将它们调入内存。所以在操作系统中又增加了文件管理功能,即构成一个文件系统,负责管理在外存上的文件,并把对文件的存取、共享和保护等手段提供给用户。这不仅方便了用户,保证了文件的安全性,还可有效地提高系统资源的利用率。
在现代OS中,是通过文件系统来组织和管理在计算机中存储的大量程序和数据;即文件系统的管理功能,是通过把它所管理的程序和数据组织成一系列文件的方法来实现的。
文件管理系统,简称文件系统。
二、文件系统中的一些概念
6、记录:记录是一组相关数据项的集合,用于描述一个对象在某方面的属性。一个记录应包含哪些数据项,取决于需要描述对象的哪些方面。而一个对象由于他所处的环境不同可把他作为不同的对象。
7、文件、记录和数据项之间的层次关系:
三、文件类型
2、按信息的保存期限可分为:
3、按文件中数据的形式可分为:
4、按存取控制属性可分为:
5、按文件的逻辑结构可分为:
6、按文件的物理结构可分为:
7、按文件的内容形式和系统处理方式可分为:
四、文件扩展名与文件属性
1、用户对文件是“按名存取”的。很多操作系统支持的文件名都由两部分构成:文件名和扩展名,二者间用圆点分开。
2、常用图像文件类型
3、常用声音文件类型
4、常用视频文件类型
5、文件属性:描述文件特征的属性
五、文件系统模型
1、对象及其属性说明:文件管理系统管理的对象有三种
2、对对象操纵和管理的软件集合:是文件管理系统的核心部分,文件系统的功能大多是在这一层实现的,包括:对文件存储空间的管理、对文件目录的管理、用于将文件的逻辑地址转换为物理地址的机制、对文件读和写的管理,以及对文件的共享与保护等功能。
3、文件系统接口:
六、常见文件系统的类型
exFAT:扩展FAT,适合闪存、U盘。
EXT2、EXT3、EXT4:Linux采用的文件系统
HFS:分层文件系统,Mac OS使用,最初被设计用于软盘和硬盘,同时也可以在在只读媒体如CD-ROM上见到。
RAW:磁盘未经处理或者未经格式化产生的的文件系统。造成原因:
FAT文件系统:FAT(文件分配表)是一个主要的计算机档案系统应用于各种操作系统中,主要用于DOS中,包括DR-DOS、OpenDOS、freeDOS、MS-DOS、Windows(Windows Me及Windows Me之前的Windows操作系统),FAT同样适用于可移动闪存盘和存储卡。
NTFS文件系统:NTFS是基于Windows NT的文件系统,包括Windows 2000、Windows XP、Windows Server 2003、和Windows Server 2008及后续系统。NTFS是为Windows系统中的驱动器所设计(硬盘驱动器及固态硬盘驱动器)。NTFS有几项改进,如改进的FAT支持元数据和使用先进的数据结构来改善性能,可靠性和磁盘空间的利用,再加上额外的扩展,如安全访问控制列表和文件系统日志。
一、文件的逻辑结构分类
按逻辑结构,文件有无结构文件和有结构文件两种类型。
1、无结构文件(流式文件)
2、有结构文件(记录式文件)
二、有结构文件的分类
1、有结构文件按记录的长度可分为:定长记录文件和变长记录文件
2、有结构文件按记录的组织形式可以分为:
1)顺序文件:文件中的记录一个接一个地顺序排列,记录可以是定长的或变长的,可以顺序存储或以链表形式存储,在访问时需要顺序搜索文件。顺序文件有以下两种结构:
2)索引文件:
3)索引顺序文件:索引顺序文件是顺序和索引两种组织形式结合。索引顺序文件将文件中的所有记录分为若干个组,同组中关键字可以无序,但组与组之间关键字必须有序。为分组的顺序文件建立一张索引表,在索引表中为每组中的第一个记录建立一个索引项,其中含有该记录的关键字值和指向该记录的指针。
主文件包含关键字和其他数据项。索引表只包含关键字和指针两个数据项,所有关键字递增排列。查找一个记录时,通过索引表找到其所在的组,然后在该组中使用顺序查找找到记录。
对于含有N个记录的顺序文件,查找某关键字值的记录时平均需要查找N/2次。在索引顺序文件中,假设N个记录分为M组,索引表中有M个表项,每组有N/M个记录,在查找某关键字值的记录时,先顺序查找索引表,需要查找M/2次,然后再在主文件中对应的组中顺序查找,也需要查找N/M/2次,这样总共查找M/2+N/M/2次。显然,索引顺序文件提高了查找效率,如果记录数很多,可以釆用两级或多级索引。索引文件和索引顺序文件都提高了存取速度,但因为配置索引表增加了存储空间。
一、文件的访问方式
1、顺序存取:就是按前后次序依次访问文件的各个信息项。要访问第i+1条记录,必须先访问第i条记录。
对记录式文件,是按记录的排列顺序来存取,如当前读取的记录为Ri,则下一次读取的记录被自动地确定为Ri+1。
对流式文件,顺序存取反映读写指针的变化,在存取完一段信息后,读写指针自动指出下次存取的位置。
1)对定长记录文件,有 rpi+1= rpi + l
顺序存取定长记录文件示意图:
2)对变长记录文件 rpi+1 = rpi + li ,li是第i个记录的长度。
顺序存取变长记录文件示意图:
顺序存取的优缺点:
2、随机存取:又称直接存取,允许用户直接存取文件中的任一记录,或者是根据存取命令把读写指针移到指定处读写。
二、文件的物理结构
主要有四种物理结构:
1、顺序结构(连续结构):是一种最简单的物理结构,它把逻辑上连续的文件信息依次存放在连续编号的物理块中。
2、链接结构:这种结构将逻辑上连续的文件分散存放在若干不连续的物理块中,每个物理块设有一个指针,指向其后续的物理块。
3、索引结构:采用这种结构,逻辑上连续的文件存放在若干不连续的物理块中,系统为每个文件建立一张索引表,索引表记录文件信息所在的逻辑块号和与之对应的物理块号。
4、散列结构:又称杂凑结构或Hash结构,其只适用于定长记录文件和按记录键随机存取的访问方式。散列结构的思想是:通过计算来确定一个记录在存储设备上的存储位置,依次先后存入的两个记录在物理设备上不一定相邻。
三、记录的成组与分解
一、文件目录的基本概念
1、文件的组成
2、文件控制块(FCB):文件控制块是用来存放文件各种信息的数据结构,以实现“按名存取”。FCB的有序集合称为文件目录,一个FCB就是一个文件目录项。为了创建一个新文件,系统将分配一个FCB并存放在文件目录中,成为目录项。
3、文件目录:文件与文件控制块是一一对应的,把所有FCB组织在一起,就构成了文件目录,即文件控制块的有序集合。给该目录也设定一个文件名,就可以通过查找文件目录找到该文件对应的目录项(即FCB)。
4、索引节点:在检索目录文件的过程中,只用到文件名,仅当找到一个目录项(查找文件名与目录项中文件名匹配)时,才需要从该目录项中读出该文件的物理地址。就是在检索目录时,文件的其他描述信息不会用到,也不需调入内存。因此,有的系统(如UNIX)釆用文件名和文件描述信息分开的方法,文件描述信息单独形成一个称为索引结点的数据结构,简称为i结点。在文件目录中的每个目录项仅由文件名和指向对应的i结点的指针构成。
二、一级目录
三、二级目录
四、多级目录
五、Windows和Linux目录结构的差异
1、系统默认目录的差异
2、“/”与“\”两个符号的差异
3、大小写的差异以及查询上的不同
一、文件存储设备的类型
1、顺序存取设备:顺序存取设备是按信息的物理位置进行定位和读写操作的存储设备。只有在前面的物理块被存取访问之后,才能存取后续的物理块。
2、随机存取设备:
1)硬盘:硬盘结构
硬盘:硬盘的发展史
硬盘:硬盘制造厂商
硬盘:硬盘结构
硬盘:硬盘结构
电源插座连接电源,为硬盘工作提供电力保证。数据接口是硬盘与主板、内存之间进行数据交换的通道,使用一根40针40线(早期)或40针80线(当前)的IDE接口电缆进行连接。新增加的40线是信号屏蔽线,用于屏蔽高速高频数据传输过程中的串扰。中间的主、从盘跳线插座,用以设置主、从硬盘,即设置硬盘驱动器的访问顺序。其设置方法一般标注在盘体外的标签上,也有一些标注在接口处,早期的硬盘还可能印在电路板上。
此外,在硬盘表面有一个透气孔,它的作用是使硬盘内部气压与外部大气压保持一致。由于盘体是密封的,所以,这个透气孔不直接和内部相通,而是经由一个高效过滤器和盘体相通,用以保证盘体内部的洁净无尘,使用中注意不要将它盖住。
硬盘主要由盘体、控制电路板和接口部件组成。盘体就是一个密封,封装了多个盘片的腔体;控制电路包含硬盘BIOS,主控芯片和硬盘缓存等单元;接口部件包含电源、数据接口主从跳线等。
硬盘的盘片一般采用合金材料,多数为铝合金(IBM曾经开发过玻璃材质的盘片,现在有些厂家也生产玻璃材质的盘片,但不多见),盘面上涂着磁性材料,片厚一般在0.5mm左右,直径主要有1.8in(1in=25.4mm)、2.5in、3.5in和5.25in 4种,其中2.5in和3.5in盘片应用最广。盘片的转速与盘片大小有关,考虑到惯性及盘片的稳定性,盘片越大转速越低。2.5in硬盘的转速在5400r/min~7200r/min之间;3.5in硬盘的转速在4500r/min~5400r/min之间;而5.25in硬盘转速则在3600r/min~4500r/min之间。随着技术的进步,现在2.5in硬盘的转速最高已达15000r/min,3.5in硬盘的转速最高已达12000r/min。
有些硬盘只装一张盘片,有些则有多张。硬盘盘片安装在主轴电机的转轴上,在主轴电机的带动下作高速旋转。每张盘片的容量称为单碟容量,而一块硬盘的总容量就是所有盘片容量的总和。早期硬盘由于单碟容量低,所以盘片较多。现代硬盘盘片一般只有少数几片,有的硬盘只装一张盘片。这些盘片安装在主轴电机的转轴上,在主轴电机的带动下高速旋转。一块硬盘内的所有盘片都是完全一样的,不然控制部分就太复杂了。一个牌子的一个系列一般都用同一种盘片,使用不同数量的盘片,就出现了一个系列不同容量的硬盘产品。
盘片上的记录密度很大,而且盘片工作时会高速旋转,为保证其工作的稳定,数据保存的长久,所以硬片都是密封在硬盘内部。不可自行拆卸硬盘,在普通环境下空气中的灰尘、指纹、头发丝等细小杂质都会对硬盘造成永久损害。
硬盘驱动器采用高精度、轻型磁头驱动/定位系统。这种系统能使磁头在盘面上快速移动,可在极短的时间内精确定位在由计算机指令指定的磁道上。目前,磁道密度已高达5400Tpi(每英寸磁道数)或更高;还在研究新方法,如在盘上挤压(或刻蚀)图形、凹槽和斑点等作为定位和跟踪标记,以提高到和光盘相等的道密度,从而在保持磁盘机高速度、高位密度和高可靠性的优势下,大幅度提高存储容量。
硬盘驱动器内的电机都是无刷电机,在高速轴承支持下机械磨损很小,可以长时间连续工作。高速旋转的盘体产生明显的陀螺效应,所以硬盘工作时不宜搬动,否则将增加轴承的工作负荷。为了高速存储和读取信息,硬盘驱动器的磁头质量小,惯性也小,硬盘驱动器的寻道速度明显快于软驱和光驱。
硬盘驱动器磁头与磁头臂及伺服定位系统是一个整体。伺服定位系统由磁头臂后的线圈和固定在底板上的电磁控制系统组成。由于定位系统限制,磁头臂只能在盘片的内外磁道之间移动。因此,不管开机还是关机,磁头总在盘片上;所不同的是,关机时磁头停留在盘片启停区,开机时磁头“飞行”在磁盘片上方。
硬盘首先逻辑上被划分为磁道、柱面及扇区。每个盘片的每个面都有一个读写磁头,磁头靠近主轴接触的表面,即线速度最小的地方,是一个特殊的区域,它不存放任何数据,称为启停区或着陆区,启停区外就是数据区。在最外圈,离主轴最远的地方是“0”磁道,硬盘数据的存放就是从最外圈开始的。磁头如何找到“0”磁道的位置,是有一个“0”磁道检测器,由它来完成硬盘的初始定位。“0”磁道是如此的重要,以致很多硬盘仅仅因为“0”磁道损坏就报废,可以通过特殊的修复技术进行修复。
硬盘不工作时,磁头停留在启停区,当需要从硬盘读写数据时,磁盘开始旋转。旋转速度达到额定的高速时,磁头就会因盘片旋转产生的气流而抬起,这时磁头才向盘片存放数据的区域移动。盘片旋转产生的气流相当强,足以使磁头托起,并与盘面保持一个微小的距离。这个距离越小,磁头读写数据的灵敏度就越高,对硬盘各部件的要求也越高。早期的磁盘驱动器使磁头保持在盘面上方几微米处飞行。稍后使磁头在盘面上的飞行高度降到约0.1μm~0.5μm,现在的水平已经达到0.005μm~0.01μm,这只是人类头发直径的千分之一。气流既能使磁头脱离开盘面,又能使它保持在离盘面足够近的地方,非常紧密地跟随着磁盘表面呈起伏运动,使磁头飞行处于严格受控状态。磁头必须飞行在盘面上方,不接触盘面,可避免擦伤磁性涂层,更重要的是不让磁性涂层损伤磁头。但磁头也不能离盘面太远,否则就不能使盘面达到足够强的磁化,难以读出盘上的磁化翻转(磁极转换形式,是磁盘上实际记录数据的方式)。
硬盘:盘面
硬盘一般会有一个或多个盘片,每个盘片可以有两个面(Side),即第1个盘片的正面称为0面,反面称为1面;第2个盘片的正面称为2面,反面称为3面,依次类推。每个盘面对应一个磁头(head)用于读写数据。第一个盘面的正面的磁头称为0磁头,背面称为1磁头;第二个盘片正面的磁头称为2磁头,背面称为3磁头,以此类推。盘面数和磁头数是相等的。
硬盘采用高精度、轻型磁头驱动和定位系统。这种系统能使磁头在盘面上快速移动,读写硬盘时,磁头依靠磁盘高速旋转引起的空气动力效应悬浮在盘面上,与盘面的距离不到1微米(约为头发直径的百分之一),可以在极短的时间内精确定位到计算机指令指定的磁道上。由于定位系统限制,磁头传动臂只能在盘片的内外磁道间移动。因此,不管开机还是关机,磁头总在盘片上。所不同的是,关机时磁头停留在盘片启停区,开机时磁头“飞行”在磁盘片上方。
硬盘:移动头磁盘与固定头磁盘
移动头磁盘:每个盘面有一个读写磁头,读写时需要首先移动磁头到指定磁道上,再进行读写。
固定头磁盘:每个磁道都有一个读写磁头,定位读写时不用移动磁头,只需直接定位,甚至实现多磁头同时读写,带来非常大的数据带宽,提升磁盘数据读写速度,而且磁盘静音效果会很好。但固定头磁盘成本高、储存密度低,而且想利用完一个磁盘的几百个磁道,固定头得做的非常小才能在一张直径大约10公分的磁盘上排开这么多磁头,否则就会浪费磁盘空间。
硬盘:磁道
每个盘片的每个盘面被划分成多个狭窄的同心圆环,数据就是存储在这样的同心圆环上,这样的圆环称为磁道(Track),每个盘面可以划分多个磁道。关机时磁头停留在硬盘的着陆区,这个着陆区以前是位于离盘心最近的区域,不存放任何数据。在后期的硬盘工艺中有些硬盘生产厂商将这个区域被移动到了盘片的外面。
每个盘面的最外圈,离盘心最远的地方是“0”磁道,向盘心方向依次增长为1磁道,2磁道,等等。硬盘的每一个盘面有300~1024个磁道,新式大容量硬盘每面的磁道数更多。硬盘数据的存放就是从最外圈开始。
标准的3.5in硬盘盘面通常有几百到几千条磁道。磁道是看不见的,只是盘面上以特殊形式磁化了的一些磁化区,在磁盘格式化时已规划完毕。
硬盘:扇区
根据硬盘规格不同,磁道数可以从几百到成千上万不等。信息以脉冲串的形式记录在这些轨迹中,磁道不是连续记录数据,而是被划分成一段段圆弧,这些圆弧的角速度一样。由于径向长度不一样,线速度也不一样,外圈的线速度较内圈的线速度大,即同样的转速下,外圈在同样时间段里,划过的圆弧长度要比内圈划过的圆弧长度大。每段圆弧叫做一个扇区,每个扇区中的数据作为一个单元同时读出或写入。扇区是硬盘上存储的物理单位,每个扇区可存储128×2ª次方(a=0,1,2,3)字节的数据。从DOS时起,每扇区是128×2²=512字节,没有哪个厂商试图改变。即使要往硬盘上存储一个字节信息,也须一次性把这个字节所在扇区中的全部512字节读入内存,再选择所需的那个字节。扇区的编号是从1开始,而不是0。
硬盘:柱面
所有盘面上的同一磁道构成一个圆柱,通常称做柱面(Cylinder),每个圆柱上的磁头由上而下从“0”开始编号。数据的读/写按柱面进行,即磁头读/写数据时首先在同一柱面内从“0”磁头开始进行操作,依次向下在同一柱面的不同盘面即磁头上进行操作,只在同一柱面所有的磁头全部读/写完毕后磁头才转移到下一柱面,因为选取磁头只需通过电子切换即可,而选取柱面则必须通过机械切换。电子切换相当快,比在机械上磁头向邻近磁道移动快得多,所以,数据的读/写按柱面进行,而不按盘面进行。也就是说,一个磁道写满数据后,就在同一柱面的下一个盘面来写,一个柱面写满后,才移到下一个扇区开始写数据。读数据也按照这种方式进行,这样就提高了硬盘的读/写效率。
一块硬盘驱动器的圆柱数(或每个盘面的磁道数)既取决于每条磁道的宽窄(同样,也与磁头的大小有关),也取决于定位机构所决定的磁道间步距的大小。
硬盘:簇
将物理相邻的若干个扇区称为了一个簇。操作系统读写磁盘的基本单位是扇区,而文件系统的基本单位是簇(Cluster)。在Windows下,随便找个几字节的文件,在其上面点击鼠标右键选择属性,看看实际大小与占用空间两项内容,如大小:15字节(15字节),占用空间4KB(4096字节)。这里的占用空间就是机器分区的簇大小,因为再小的文件都会占用空间,基本单位是4K,所以都会占用4K。
簇一般有这几类大小 4K,8K,16K,32K,64K等。簇越大存储性能越好,但空间浪费严重。簇越小性能相对越低,但空间利用率高。NTFS格式的文件系统簇的大小为4K。
硬盘:硬盘分区与文件系统格式
硬盘:硬盘特殊结构
硬盘:内存特殊结构
硬盘:硬盘读写数据的过程
硬盘:磁盘(硬盘)的存储特性
2)软盘:
3)光盘:
4)U盘:
5)闪存卡:
6)固态硬盘:
二、廉价磁盘冗余阵列RAID
1、基本概念
2、关键技术
3、RAID的特点
4、RAID的分级:RAID技术经过不断的发展,现在已拥有了从RAID 0到6七种基本的RAID级别。另外,还有一些基本RAID级别的组合形式,如RAID 10(RAID 0与RAID 1的组合),RAID 50(RAID 0与RAID 5的组合)等。不同RAID级别代表着不同的存储性能、数据安全性和存储成本。RAID级别的选择有三个主要因素:可用性(数据冗余)、性能、成本。如果安全性要求不高,选择RAID0以获得最佳性能。如果可用性和性能是重要的而成本不是一个主要因素,则根据硬盘数量选择RAID 1。如果可用性、成本和性能都同样重要,则根据一般的数据传输和硬盘的数量选择RAID 3、RAID 5。
5、RAID的组合:
6、RAID等级简述:
一、移臂调度
1、先来先服务调度算法
2、最短寻道时间优先调度算法
3、扫描算法(双向扫描)
4、循环扫描算法(单向扫描)
5、电梯调度算法
二、旋转调度
只有涉及这个柱面的所有访问结束后才会再次进行移臂调度。
一般采用延迟时间最短者优先算法,根据访问请求的扇区旋转到磁头位置的延迟时间来决定执行次序。
计算延迟时间应考虑的因素:
解决方案:
三、有关磁盘的管理的部分内容
1、磁盘初始化
2、引导块
3、坏块
4、提高磁盘性能的一些方法
一、分配方法(对应于文件的存储结构)
文件的物理组织结构涉及一个文件在存储设备上是如何放置的。它和文件的存取方法有密切关系,另外也取决于存储设备的物理特性。
文件的存储分配涉及以下三个问题:
常用的分配方法有三种:连续分配、链接分配和索引分配。一般情况一个系统只提供一种方法的支持。
1、连续分配(顺序存储结构):采用连续分配可把逻辑文件中的信息顺序存放到一组邻接的物理盘块中,这样形成的物理文件称为连续文件(或顺序文件)。每个文件在磁盘上占有一组连续的块,形成一个线性排序,这种排序使访问磁盘时需要的寻道数和寻道时间最小。
2、链接分配(链接存储结构):把逻辑上连续的文件分散存放在不同的物理块中,这些物理块不要求连续,也不规则排列。这种物理结构形式的文件称做链接文件或串连文件。
3、索引分配(索引存储结构):链接分配解决了连续分配的外部碎片和文件大小管理的问题。但是链接分配不能有效支持直接访问(FAT除外)。索引分配解决了这个问题,它把每个文件的所有的盘块号都集中放在一起构成索引块(表),每个文件都有其索引块,这是一个磁盘块地址的数组。索引块的第i个条目指向文件的第i个块。目录条目包括索引块的地址。要读第i块,通过索引块的第i个条目的指针来查 找和读入所需的块。
二、外存空间管理
2、空闲链表法:将所有空闲区域拉成一条空闲链,根据构成链所用的基本元素不同,可把链表分成空闲盘块链和空闲盘区链。
3、位示图法:位示图是利用二进制的一位来表示磁盘中一个盘块的使用情况,磁盘上所有的盘块都有一个二进制位与之对应。当其值为“0”时,表示对应的盘块空闲;当其值为“1”时,表示对应的盘块已分配。
4、成组链接法:空闲表法和空闲链表法都不适合大型文件系统,因为会使空闲表或空闲链表太大。在UNIX系统中釆用的是成组链接法,这种方法结合了空闲表和空闲链表两种方法,克服了表太大的缺点。
一、文件的共享
1、文件共享的定义:一个文件被多个用户或进程使用。
2、文件共享形式:
3、文件共享的作用:
4、文件共享方法(三类):早期文件共享方法;基于索引结点的共享方法;利用符号链实现文件共享。
二、文件安全
1、文件安全包括文件保密和文件保护
2、影响文件安全性的主要因素:
3、为确保文件的安全性可采取的措施:
4、四级安全防护体系:
三、文件保密
5、加密:创建文件时,由用户提供一个密码,在文件存入磁盘时用该密码对文件内容加密。进行读取操作时,要对文件解密。这样只有知道密码的用户才能对文件进行访问,其他用户不能任意访问文件。
四、文件保护
1、系统容错
2、后备系统
五、文件使用
用户在使用文件系统时,必须按照操作系统提供的方式和要求来完成具体的文件操作。
1、建立文件
2、打开文件
3、读文件
4、写文件
5、关闭文件
6、删除文件
7、其它文件操作
8、目录操作
9、文件操作的基本步骤:
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