Operating System 笔记（2）2020-10-18

来自清华大学向勇、陈渝教授的操作系统网课

• 2020年10月18日

Operating System 笔记（2）

Chapter 3

3.1 计算机体系结构和内存分配

• 简单讲了讲操作系统的分层结构
• 计算机基本硬件结构：CPU, 内存, 外设
• 关于计算机物理内存的管理：
  • CPU寄存器 -> cache miss/fill -> 主存（交换/分页） -> 磁盘
  • 主存断电就没了… 但是磁盘断电还会有，因为这是物理层面的储存
• 于计算机物理内存的管理目标：
  • 抽象：逻辑地址空间
  • 保护：独立地址空间
  • 共享：访问相同内存
  • 虚拟化：更多的地址空间

3.2 地址空间与地址生成

• 地址空间的定义
  • 物理地址空间：和硬件直接对应（内存条代表的主存等）
  • 逻辑地址空间：对于应用程序而言，它看到的是一个一维的逻辑地址空间
• 地址生成
  • CPU当中有一个叫作MMU区域，表示了一个从逻辑地址到物理地址空间的映射。
  • 地址生成的过程：
  1. ALU部件（需要某个指令）给CPU发出一个请求，给CPU一个逻辑地址；
  2. CPU在MMU当中找是否存在相应的物理地址，如果不存在，则产生一个处理过程，去到内存中的map找；
  3. 如果找到了，CPU会给主存发出一个请求，请求返回某一个物理地址当中的内容，这个内容即为指令的内容
  4. 主存通过总线将内容返回给CPU，CPU拿到这个内容即可开始执行程序了；
  • 操作系统的意义在于：建立了一个逻辑地址和物理地址之间的映射关系
• 地址安全检查
  • 对于某一个程序而言，某一块范围是该程序可以访问的，而一些区域是不能够被访问的；也即请求的逻辑的地址需要进行一个安全检测

3.3 连续内存分配：内存碎片与分区的动态分配

• 内存碎片问题
  • 空闲的内存不能够被利用
    • 外碎片：在分配单元间的未使用的内存
    • 内碎片：在分配单元之中的未使用的内存
• 分区的动态分配
  • 简单的内存管理方法：当一个程序准许运行在内存中时，分配一个连续的区间；
  • 分配一个连续的内存空间给运行的程序以访问数据
  • 分配策略：
    • 首次适配（first fit）
      • 应用程序需要n个byte，操作系统返回第一个能够满足需求的连续内存空间 ，回收的时候需要考虑合并
      • 优点：简单，速度快
      • 缺点：容易产生外碎片，空闲块之间的区间可能很难再被使用到
    • 最优适配（best fit）
      • 寻找整个空闲块中最适合分配请求的空闲块
    • 最差适配（worst fit）
      • 可以使得最大的内存块被首先拆分
      • 需要对内存块进行一个排序
      • 同样需要考虑如何进行合并
      • 优点：中大型的请求其实相对还是比较合适的
      • 缺点：开局丢王炸，将来大空间就用不到了
  • 一个例子：
    • 空闲块有：1K bytes,2K bytes 500 bytes
    • 分配请求：400 bytes
      • 首次适配: 1K bytes
      • 最优适配: 500 bytes
      • 最差适配: 2K bytes

3.4 连续内存分配：压缩式与交换式碎片整理

• 在事后弥补一下，使得碎片尽量的少，甚至消失
• 算法们
  1. compaction 压缩式内存整理：
     紧致算法：“中间的往里走走”， 重新定位一些程序
     时机：“挪”的操作不能够在程序运行的时候进行；
     开销：有的时候开销会比较大
  2. swaping 交换式碎片整理：
     有的时候内存（memory）已经被占满了，“挪”的操作不再现实，此时可以将磁盘当做一个虚拟内存，将主存当中的一些暂时用不到的程序暂时的挪到磁盘中去，当需要的时候再挪回来
     几个问题：
     什么时候进行这个操作？对谁进行这个操作？开销？
  • 预知后事如何，且听下回分解

Chapter 4

4.1 非连续内存分配：分段

• 为什么要使用这一种非连续的分配方式？

  • 连续内存分配的缺点：
    • 分配给一个程序的物理内存是连续的
    • 内存利用效率较低
    • 有外碎片、内碎片的问题
  • 非连续分配的优点：
    • 一个程序的物理地址空间是非连续的
    • 更好的内存利用和管理（隔离）
    • 允许共享代码与数据
    • 支持动态加载和动态链接
  • 非连续分配的优点：
    • 如何建立虚拟地址和物理地址之间的转换
      • 软件方案（开销过大）
      • 硬件方案
    • 两种硬件方案
      • 分段机制（更好的分离和共享）
      • 分页机制

• 写到这里暂时告一个段落，后面将会结合实验将前面的这些东西重新过一遍，加深对操作系统前面知识的理解，不然看网课后面的架势，好像即将变成一种对数据结构与算法课的变相重复了。后面是3D打印有关的笔记，接下来也会结合实验进行一定的更进。

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3D打印和激光切割

1. 3D打印原理：

• 抽丝（挤压型，颗粒型等）
• 分层

熔融沉积型(FDM)
多功能陶瓷3D打印机：熔化陶瓷巧克力！！
激光选区熔化（SLM）
电子束熔融金属
立体光刻（SLA）
电子束无模成型制造器（EBF3）

以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或者塑料凳可贴合材料进行打印

2. 3D打印打什么？

• 3D迷宫
• 工艺品
  一般来说不需要自己建模，只需要会用别人的东西就好
  打印的精度有的时候很难保证，所以打印完成之后可以用：
• 物理方法：磨砂
• 化学方法：意会
• 热加工方法
• 电学方法

3. 3D打印的流程

1. 你需要知道自己想要打印什么
2. 设计东东的尺寸，建立物体的切片模型（自己搞+找现成）例如使用STL & G-code等
3. Fusion 360是一个好东西

激光切割

1. 为什么使用激光切割？

• 减少切割时板件所承受的应力
• 加热区非常小
• 无与伦比的精度
• 激光切割过程非常快

2. 激光切割流程

1. 拥有一个想法
2. 绘制二维矢量图 QCAD
3. 路径规划 inkscape，咱的实验室还是需要自己做啦！
4. 切割

• 有关于QCAD：
  • 二维绘图工具
  • 社区版本免费
  • 简单容易上手
  • 实现了足够多的基础功能

后续安排与计划

• 赶完所有的DDL
• 及时更新下一篇blog
• 小说创作提上日程