拓展计算机等级考试内容-操作系统原理

从单处理机到分布式和并行计算机系统的基本思想、原则及概念，内容包括进程管理与协作、内存管理、文件系统与输入输出、系统保护与安全等。从原理、技术、实现三个方面讲述操作系统原理和编程思想以及编程方法

操作系统原理

• 操作系统概论
  • 计算机系统的组成
    • 硬件层
    • 操作系统层
    • 系统程序层
    • 应用程序层
  • 功能
    • 处理机管理
    • 存储管理
    • 设备管理
    • 文件管理
    • 网络与通信管理
  • 分类
    • 批处理操作系统
    • 分时操作系统
    • 实时操作系统
    • 微机操作系统
  • 操作系统的构件
    • 内核
      • 中断处理
      • 短程调度
      • 原语管理
    • 子主题
    • 子主题
    • 子主题
• 处理器管理
  • 中央处理器
    • 单处理器系统
    • 多处理器系统
    • 寄存器
      • 通用寄存器
      • 数据寄存器
      • 地址寄存器
      • I/O地址寄存器
      • I/O缓冲寄存器
      • 控制寄存器
    • 机器指令
      • 特权指令
      • 非特权指令
    • 处理器状态
      • 管理器状态
      • 用户状态
  • 中断技术
    • 分类
      • 外中断
        • 处理器和主存之外
        • 电源故障中断
        • 时钟中断
        • I/O中断
      • 内中断
        • 地址越界
        • 算术操作溢出
        • 非法操作码
        • 主存奇偶错
    • 中断装置
      • 发现中断源
      • 保护现场
      • 启动中断处理程序
    • 多重中断
      • 屏蔽中断
      • 定义中断优先级
      • 响应中断
  • 进程
    • 定义
      • 进程是一个可并发执行的具有独立功能的程序关 于某个数据集合的一次执行过程，也是操作系统 进行资源分配和保护的基本单位
    • 进程的状态和转换
      • 三态模型
        • 就绪
        • 运行
        • 等待
      • 五态模型
        • 新建
        • 终止
    • 进程的内存映像
      • 进程程序块
      • 进程数据块
      • 系统/用户堆栈
      • 进程控制块
        • 标识信息
        • 现场信息
        • 控制信息
    • 进程控制
      • 创建进程
      • 阻塞进程
      • 唤醒进程
      • 挂起进程
      • 激活进程
      • 终止进程
    • 原语
      • 由若干个机器指令构成的完成某种特定功能的一段程序，具有不可分割性
  • 线程
    • 多线程环境中的进程概念
      • 进程是操作系统中进行保护和资源分配的 基本单位
      • 一个虚拟地址空间，用来容纳进程的映像
      • 对处理器、其他（通信的）进程、文件和 I/O 资源等的有控制有保护的访问。
      • 传统进程原先所承担的控制流执行任务交给称作线程的部分完成。
    • 多线程环境中的线程概念
      • 同一个进程中的所有线程共享进程获得的主存空间和资源，但 不拥有资源
    • 线程的状态
      • 运行
      • 就绪
      • 等待
    • 多线程程序设计的优点
      • 快速线程切换
      • 减小管理开销
      • 通信易于实现
      • 节省内存空间
      • 并发程度提高
    • 线程组织方式
      • 调度员/工作者
      • 组模式
      • 流水线模式
    • 实现
      • 用户级线程
      • 内核级线程
  • 处理器调度
    • 层次
      • 高级调度
      • 中级调度
      • 低级调度
    • 选择调度算法的原则
      • 资源利用率
      • 响应时间
      • 周转时间
      • 吞吐率
      • 公平性
  • 作业调度
    • 先来先服务
    • 最短作业优先
    • 最短剩余时间优先
    • 响应比最高者优先
  • 低级调度
    • 算法
      • 先来先服务
      • 时间片轮转调度
      • 优先数调度
      • 多级反馈队列调度
      • 保证调度
    • 实时调度
      • 硬实时
      • 软实时
• 并发进程
  • 与时间有关的错误
    • 结果不唯一
    • 永远等待
  • 进程的交互
    • 竞争
      • 死锁问题
      • 饥饿问题
    • 协作
  • 临界区管理
    • Dekker算法
    • Peterson算法
    • 硬件设施
      • 关中断
      • 测试并建立指令
      • 对换指令
  • 信号量与PV操作
    • 生产者-消费者问题
    • 信号量
      • 整型信号量
      • 记录型信号量
      • 二元信号量
      • 用记录型信号量解决通心粉问题
      • 用记录型信号量解决生产者-消费者问题
      • 记录型信号量解决读者-写者问题
      • 记录型信号量解决理发师问题
  • 管程
    • Hoare 方法实现管程
    • Hanson 方法实现管程
  • 进程通信
    • 信号通信机制
    • 共享文件通信机制
    • 共享存储区通信机制
    • 消息传递通信机制
      • 直接通信
      • 间接通信
  • 死锁
    • 产生条件
      • 互斥条件
      • 占有和等待条件
      • 不剥夺条件
      • 循环等待条件
    • 定义
    • 死锁的防止
      • 静态分配
      • 层次分配
    • 死锁的避免
      • 银行家算法
    • 死锁的检测和解除
• 存储管理
  • 存储器的层次
    • 寄存器
    • 高速缓存
    • 主存储器
    • 磁盘缓存
    • 固定磁盘
    • 可移动存储
  • 连续存储空间管理
    • 单用户
    • 固定分区
    • 可变分区
      • 最先适应
      • 下次适应
      • 最优适应
      • 最坏适应
      • 快速适应
    • 地址转换与存储保护
    • 移动技术
  • 分页式存储管理
    • 基本原理
      • 页框
      • 页面
      • 逻辑地址形式
      • 页表和地址转换
    • 相联存储器
    • 快表
    • 多级页表
      • 页表页
      • 页目录表
    • 反置页表
  • 分段式存储管理
  • 虚拟存储管理
    • 请求分页虚拟存储管理
      • 基本原理
      • 页面装入和清除策略
        • 请页式
        • 预约式
      • 页面分配策略
        • 固定分配
        • 可变分配
        • 局部替换
        • 全局替换
      • 页面替换策略
        • 随机
        • 先进先出
        • 最近最少用
        • 时钟页面
    • 请求分段虚拟存储管理
• 操作系统的发展：
  • 操作系统的发展：
    • 无操作系统
    • 单道批处理系统
    • 多道批处理系统
    • 分时操作系统
    • 实时操作系统
    • 微机操作系统
  • 四种典型操作系统：
    • 单道批处理系统：
      • 内容：
        • 单道批处理系统内存中只有【一道作业】，CPU和内存资源被用户作业【独占】
      • 特点：
        • 自动性
        • 顺序性
        • 单道性
      • 优点和缺点：
        • 优点：
          • 减少了等待人工操作的时间
        • 缺点：
          • CPU资源不能得到充分利用
    • 多道批处理系统：
      • 内容：
        • 由操作系统的【作业调度程序】按一定策略从【后备作业队列】中选择【若干】个作业调入内存，使它们共享CPU和系统中的各种资源
      • 特点：
        • 多道性
        • 无序性
        • 调度性
        • 复杂性
      • 优点和缺点：
        • 优点：
          • 能够提高CPU和内存的利用率，系统的吞吐量
        • 缺点：
          • 系统平均周转时间长，缺乏交互能力
    • 分时操作系统：
      • 内容：
        • 允许【多个用户】通过终端机【同时使用】计算机，每个用户通过终端与主机交互时都能得到【快速响应】
      • 特点：
        • 多路性
        • 独立性
        • 及时性
        • 共享性
      • 优点和缺点：
        • 优点：
          • 向用户提供了【人机交互的方便性】，使多个用户可以通过不同的终端【共享主机】
        • 缺点： 略
    • 多道程序系统
    • 实时操作系统：
      • 内容：
        • 实时系统必须【及时响应】外部事件的请求，在规定时间内完成对该事件的处理
        • 主要用于【实时控制】和【实时信息处理】领域
      • 特点：
        • 多路性
        • 独立性
        • 及时性
        • 共享性
        • 可靠性
      • 优点和缺点：
        • 优点：
          • 略
        • 缺点：
          • 略
  • 操作系统产品现状：
• 操作系统的特征：
  • 特征：
    • 现代操作系统都支持【多任务】，具有【并发】、【共享】、【虚拟】和【异步性】特征
  • 四种特征：
    • 并发：
      • 两个或多个事件在【同一时间间隔内】发生
      • 【补】并行： 多个事件在【同一时间内】发生
    • 共享：
      • 共享的定义：
        • 系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用
      • 两种共享方式：
        • 互斥共享： 任意时刻一种资源只能被一个进程访问
        • 同时共享： 从宏观上看，资源可以被多个进程同时访问
    • 并发与共享的关系是相互依赖的
    • 虚拟：
      • 最常用于【内存虚拟化】，用户感觉到的内存大于实际内存
    • 异步性：
      • 进程以不可预知的速度向前推进
• 操作系统的功能：
  • 管理计算机资源：
    • 内存管理：
      • 含义：
        • 为多道程序的运行提供良好的环境，方便用户使用内存，提高【内存的利用率】，以及从【逻辑上扩充内存】以实现【虚拟存储】
      • 内容：
        • 内存分配：
          • 静态分配方式：
            • 把内存划分成大小数量固定的区域
            • 大小数量不再变化
          • 动态分配方式：
            • 根据进程实际分配请求分配内存
            • 大小数量动态变化
        • 内存保护：
          • 作用：
            • 使操作系统【内核】的空间不会被用户随意访问，保证系统的安全和稳定
            • 确保【每道用户程序】都在【自己的内存空间】中运行，互不干扰
          • 界限寄存器：
            • 上限寄存器
            • 下限寄存器
        • 地址映射：
          • 逻辑地址：
            • 按逻辑顺序排列的地址
          • 物理地址：
            • 内存中的实际存在的地址
          • 地址映射就是把【逻辑地址】转换为【物理地址】
        • 内存扩充：
          • 虚拟技术： 从【逻辑上扩充内存容量】，使系统能够向用户提供比物理内存大的存储容量
          • 两大功能：
            • 请求调入功能：
              • 程序运行过程中若发现要执行的指令或访问的数据尚未装入内存，通过【请求调入】将需要指令或数据【装入内存】
            • 置换功能：
              • 在请求调入时，若发现内存空间不足，需要先将【内存中】的一部分内容【换到外存中】，以便腾出内存空间装入当前需要的内容
    • 进程管理：
      • 内容：
        • 进程的描述与组织
        • 进程控制
        • 进程同步
        • 进程通信
        • 进程调度
      • 进程控制：
        • 进程创建
        • 撤销进程
        • 唤醒进程
        • 阻塞进程
    • 设备管理：
      • 主要内容：
        • 完成用户的I/O请求
        • 为用户分配I/O设备
      • 功能：
        • 缓冲管理
        • 设备分配
        • 设备处理
        • 设备独立性和虚拟设备
    • 文件管理：
  • 提供用户接口：
    • 命令接口：
      • 内容：
        • 为了方便用户使用操作系统，操作系统向用户提供了用户与操作系统之间的接口
      • 分类：
        • 联机用户接口：
          • 常命令接口由一组【键盘操作命令】和【命令解释程序】组成
        • 脱机用户接口：
          • 为批处理作业的用户提供，也称为【批处理用户接口】
    • 图形用户接口：
      • 用户可以轻松地通过【选择窗口、菜单、对话框、滚动条、图标】等简单的操作来完成对作业和任务的提交与控制
    • 程序接口：
      • 向程序员提供应用程序与操作系统之间的接口，就是【系统调用】
• 操作系统的体系结构：
  • 定义：
    • 操作系统的体系结构是操作系统作为一种【软件】的体系结构，对操作系统的可靠性、灵活性和可移植性等方面都有重要影响
  • 五种体系结构：
    • 简单的监控程序模型：
      • 内容： 【功能简陋】，任意时刻系统中只能运行一个任务，保证了对系统信息的互斥访问，保护了系统数据的安全
      • 典型的代表：
        • FMS
        • IB-SYS
    • 单体结构模型：
      • 内容： 【所有的软件和数据结构都放置在一个逻辑模块中】，对外层的用户程序提供一个完整的内核界面—系统调用
      • 典型的操作系统：
        • UNIX
        • MS-DOS
        • Linux
        • Mac OS X
        • BSD
    • 层次结构模型：
      • 内容：
        • 【将操作系统分解为多个小的、容易理解的层】
        • 系统功能被隔离在不同层中
    • 客户/服务器模型与微内核结构：
      • 内容： 核心功能外移，把【传统操作系统内核中】的一些组成部分放到内核之外作为一个独立的服务器进程来实现
      • 除去了【文件系统】、【网络】、【驱动程序】，保留了【处理机调式】、【存储管理】、【消息通信】
      • 典型的操作系统：
        • WindowsNT
        • COS-IXV2.3
        • Vxworks
    • 动态可扩展结构模型:
      • 在运行过程中，能够【动态地实现】系统行为扩展的结构，也可称之为弹性结构
• 指令的执行：
  • 定义：
    • 【程序是指令的集合】，程序的执行就是按照某种控制流执行指令的过程
  • 指令周期：
    • 一个【单一指令】需要的【处理】称为【指令周期】
    • 个指令周期可以划分为两个步骤，分别是【取指周期】和【执行周期】
    • 两个周期：
      • 取指周期：
        • 【程序计数器（PC）】保存有【下一次要取的指令的地址】
      • 执行周期：
        • 【取到的指令】被放置在处理器的【指令寄存器（IR）中】
  • 指令的动作：
    • 内容：
      • 指令中包含确定处理器要采取动作的位，【处理器解释指令并执行要求的动作】
    • 四个动作：
      • 【处理器与存储器】之间的【指令或数据传送操作】
      • 【处理器与I/O设备】之间的【指令或数据传送操作】
      • 【算术运算】操作或【逻辑运算】操作
      • 【控制】操作，即【修改指令的执行顺序】的操作
• 什么是操作系统：
  • 定义：
    • 操作系统（OS）是一种复杂的【系统软件】
    • 是不同【程序代码】、【数据结构】、【数据初始化文件】的集合，可执行
  • 用户与硬件之间的接口：
    • 接口：
      • 操作系提供了计算机用户与计算硬件之间的【接口】，并且通过这个接口使【应用程序】的开发变的简单、高效
    • 目标：
      • 操作系统【与硬件部分相互作用】
      • 为运行在计算机上的【应用程序提供执行环境】
  • 资源的管理者：
    • 现代计算机系统的一个重要特点就是支持【多任务】，即允许在同一个系统内同时驻留多个应用程序
    • 四种管理：