操作系统之哲学思想之文件系统

一、磁盘操作

中心思想：整个文件系统管理的核心 费时的操作丢给内存，费空间的操作丢给磁盘 

 

 二、文件系统

• 进程抽象CPU
• 虚拟内存抽象内存
• 文件系统抽象磁盘

文件系统的主要特性：存储大量的信息，多个进程可以同时访问一个文件，进程的结束不会影响文件的持续存在

目标：地址独立和地址保护

　　地址独立：文件数据的产生与文件将来存放的磁盘地址相互独立

　　地址保护：需要对文件的访问进行一定的限制，即不是任何人都能访问任何文件（权限设定）

 

 2.1、文件格式

魔数：是用来告诉操作系统这个文件的类型的。对于可执行文件来说，这个魔数是一个固定的值。

对于可执行文件包含：一个标题（header）、一个代码部分、一个数据部分、一个重定位部位和一个符号表

 2.2、文件访问

　　文件的访问类型：顺序访问和随机访问

2.3、地址独立的实现机制：文件夹

　　文件夹：它保存的不是用户数据，而是关于文件及文件系统的信息（即文件夹得绝色就是用来跟踪文件，里面存放得是从文件到文件在磁盘得地址得映射）

　　文件夹存放得是文件名到磁盘地址的映射。

 2.4、内存映射的文件访问

　　解决读写文件效率低下的中心思想是：把磁盘访问变成内存访问。实现这种访问转变的手段就是内存映射的文件访问

　　内存映射的文件访问原理：把需要访问的文件映射到一个进程的虚拟地址内，这样访问该虚拟地址就相当于访问文件。

 内存映射的文件访问目的：是为了文件的共享，即可以将同一个文件映射到两个或多个进程的虚拟地址空间。

 

2.5、文件系统的布局

　　a、第0个扇面在整个文件系统占有重要意义

　　　　　　该扇面存放的是主引导记录（MBR）。记录的内容是一个小程序，用来启动计算机

　　b、MBR后面紧接着的是磁盘分区表：磁盘分区表是给出的是磁盘的所有分区及其开始地址和终结地址。

　　　　　　其中的一个分区为主分区。操作系统就装载在这个分区。主分区里面最前面的是引导记录（Boot Record）

　　c、在计算机启动时，处于主板ROM里面的BIOS程序首先运行------》BIOS进行基本的系统配置扫描后对磁盘的扇区0进行读操作----》将MBR里面的程序读到内存并运行------》MBR程序接下来找到系统主分区，并将主分区里面的Boot Record加载并运行------》Boot Record 里面内容是一个小程序，该程序将负责找到操作系统映像，并加载到内存，从而启动操作系统。

 2.6、文件的实现

　　文件的实现要解决如下问题：

• • 　给文件分配磁盘空间
  • 　记录这些磁盘空间的位置
  • 　将文件内容存放在这些空间

非连续存放方式通过链表方式实现，在每个数据块里面留出一个指针的空间，用来存放下一个数据块所在的地址。

　　把所有指针从单个数据块抽取出来，全部放在一起，形成一张表。称为文件分配表（File Allocation Table）

 

虚拟内存(VM)和文件缓存根本区别：

　　VM的根本目的是提供一个速度非常高、容量非常大的并不存在的内存空间；从物理内存出发，为了增加内存空间而扩展到磁盘上。

　　文件缓存：提高文件的访问效率而出现，从磁盘出发，为了提高访问效率而将文件置于缓存。

 

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I/O原理

 

DMA（直接内存访问）的工作原理：如果按数据块进行I/O，即无需CPU的介入；可以让I/O设备与计算机内存进行直接数据交换

CPU从繁忙等待中解脱出来，DMA的整个数据读写过程不需要使用处理器的功能吗？

　　答：数据传输当然使用CPU，只是不是进程共享的CPU，而是另外的CPU即DMA控制器（以不慢于I/O设备的速度进行数据读写即可）

 

 根据CPU在I/O过程中的涉入程度分类：

物理I/O：

• 　　繁忙等待访问
• 　　直接内存访问(DMA)

 

DMA输入输出的过程：

• 　　CPU对DMA进行设置，告诉其I/O的起始地址和数据长度
•  　　启动DMA过程
• 　　DMA进行数据传输
• 　　DMA结束后发出中断
• 　　CPU响应中断并处理结束事宜

逻辑I/O：

　　可编程I/O：CPU等待I/O的完成（CPU涉入程度很深），这种模式称为轮询或繁忙等待

　　中断驱动I/O：中断驱动是将CPU从繁忙等待中解脱出来

　　　　　　发送一批数据后，CPU去忙其他事；I/O设备处理完这批数据后，向CPU发出中断，CPU响应中断后再发送下一批数据

 

 

SMP：多个CPU的角色功能平等，没有主从之分，这种多CPU结构称为对称多处理结构