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2017年9月全国计算机等级考试《四级操作系统原理》【教材精讲＋真题解析】讲义与视频课程【22小时高清视频】试读：
视频讲解教师简介
§教材精讲§
冯伟，中国科学院大学软件所信息安全专业博士，研究方向为计算机网络与系统安全，工程与科研项目经验丰富，发表多篇论文，能做到理论与实践结合，对计算机、操作系统、信息安全等方面的知识有一定深入的研究。曾在多家教育机构讲解计算机安全、计算机网络等方面的课程，具有丰富的讲课经验，能够帮助考生全面复习备考。
授课特点：重点突出，脉络清晰，深入浅出，紧扣考试大纲。
6.3 文件目录
6.4 文件系统的实现
6.5 文件的保护与安全
6.6 文件系统的性能
6.7 Windows的FAT文件系统和UNIX文件系统
第7章 I/O设备管理[视频讲解]
7.1 设备与设备分类
7.2 I/O硬件组成
7.3 I/O软件的特点及结构
7.4 典型的I/O技术
7.5 I/O性能问题及解决方案小结
第8章 死 锁[视频讲解]
8.1 死锁基本概念
8.2 死锁预防
8.3 死锁避免
8.4 死锁检测与解除
8.5 资源分配图
第二部分 真题解析
全国计算机等级考试《四级操作系统原理》样题及详解
第一部分 教材精讲[视频讲解]
第1章 操作系统概论[视频讲解]
考试方式
上机考试，总分50分，与四级其他一门课程合计考试时长90分钟；
包含：单选题30分，多选题20分。
基本要求
1．掌握操作系统的基本概念、基本结构及运行机制。（第1、2章）
2．深入理解进程线程模型，深入理解进程同步机制，深入理解死锁概念及解决方案。（第3、4、8章）
3．掌握存储管理基本概念，掌握分区存储管理方案，深入理解虚拟页式存储管理方案。（第5章）
4．深入理解文件系统的设计、实现，以及提高文件系统性能的各种方法。（第6章）
5．了解I／O设备管理的基本概念、I／O软件组成，掌握典型的I／O设备管理技术。（第7章）
6．了解操作系统的演化过程、新的设计思想和实现技术。（第1章）
第1章 操作系统概述（考点）
1．操作系统基本概念、特征、分类。
2．操作系统主要功能。
3．操作系统发展演化过程，典型操作系统。
4．操作系统结构设计，典型的操作系统结构。
1.1 操作系统的概念
1．1．1 计算机系统
计算机系统包括硬件（子）系统和软件(子)系统。硬件系统是计算机系统赖以工作的实体；软件系统则保障计算机系统按用户指定的要求协调工作。这两个部分构成了计算机系统的资源。因此，计算机系统的资源包括两大类：硬件资源和软件资源。
中央处理器（CPU）、内存储器、外存储器以及各种输入／输出设备组成了计算机硬件系统；而各种程序和数据则组成了计算机的软件系统。
一个完整的计算机系统如下：
其中，集中了资源管理功能和控制程序执行功能的一种软件，称为操作系统
1．1．2 操作系统的定义
操作系统是一个大型软件程序，属于系统软件，是具有各种功能的、大量程序模块的集合。主要任务包括如下两点：（1）组织和管理计算机系统中的硬件及软件资源。提高资源利用率，合理组织计算机工作流程，并控制程序的执行。（2）向用户提供各种服务功能。一方面，向程序开发和设计人员提供高效的程序设计接口；另一方面，向使用计算机系统的用户提供接口，使用户能够灵活、方便、有效地使用计算机
1．1．3 操作系统的特征
操作系统作为一种系统软件，其特征与其他软件不同，主要包括并发性、共享性和随机性。（1）并发性
并发性是指在计算机系统中同时存在若干个运行着的程序；并发性体现在如下两个方面：用户程序与用户程序之间并发执行；用户程序与操作系统程序之间并发执行。
单处理器环境，宏观上并行，微观（处理器级别上）上交替；多处理器环境，宏观微观上皆并行。（2）共享性
共享性是指操作系统程序与多个用户程序共用系统中的各种资源。
资源共享性主要针对这几项重要资源：中央处理器、内存储器、外存储器和外部设备。
对资源的共享一般有两种形式，互斥共享和同时共享：（a）互斥共享，一段特定的时间内只能由某一个用户程序使用，如打印机、扫描仪等（临界资源）。（b）同时共享，同一段时间内可以被多个程序同时访问（宏观上同时，微观上交替），如硬盘。（3）随机性
操作系统的运行是在一种随机的环境下进行的。这种随机环境的含义是，操作系统不能对所运行的程序的行为以及硬件设备的情况作出任何事先的假定。
随机性的含义：操作系统正处于什么样的状态之中是无法确切知道的。但是，随机性并不意味着操作系统不能很好地控制资源的使用和程序的运行，随机性突出强调了在进行操作系统的设计与实现时要充分考虑各种各样的可能性。
1．1．4 研究操作系统的观点
操作系统究竟是什么？可以从不同观点进行理解和认识。（1）软件的观点
从软件的观点来看，操作系统是一种大型软件系统，它是多种功能程序的集合，有软件的外在特性（命令定义集合界面）和内在特性（特殊的软件内部结构）。（2）资源管理的观点
面对众多的用户程序、作业争夺处理器、存储器、设备和共享软件资源,操作系统负责协调。（3）进程的观点
采用进程的观点，操作系统可看作是由多个可以同时独立运行的程序和一个对这些程序进行协调的核心所组成。进程可以分为用户进程和系统进程两大类，而操作系统则控制和协调这些进程的运行。（4）虚机器的观点
将操作系统的功能分成若干个层次，每一层次完成特定的功能，从而构成一个虚机器，并为上一层次提供支持，构成它的运行环境。如用户不需要直接操作硬件机器（裸机）。（5）服务提供者观点
操作系统提供了一系列的功能和便利的工作环境为用户服务，所以可以把操作系统看作是服务提供者。为用户使用便利，该服务提供者提供了一组功能强大、方便、易用的广义指令（称为系统调用）。
1．1．5 操作系统的功能
按照资源管理的观点，操作系统的功能主要可以分为五类：（1）进程管理（处理器管理）（2）存储管理（3）文件管理（4）设备管理（主要指IO外设）（5）作业管理（用户接口）（1）进程管理
又称处理器管理，即对中央处理器（CPU）进行管理；为了提供CPU的利用率，现代操作系统都采用了多道程序技术。
进程管理的内容：进程控制主要处理进程的创建、状态转换、进程撤销以及相关的进程资源的分配与回收等事务；进程同步主要处理进程之间的关系，包括进程的同步和互斥；进程间通信主要处理相互协作进程之间信息的交换问题；进程调度则是按照一定的算法从就绪队列中挑选一个进程在处理器中真正执行它。
进程管理的重要概念：
在多道程序环境下，进程是操作系统进行资源分配的单位。
线程是现代操作系统中处理器时间分配的基本单位，它代表一个指令的执行流及执行的上下文环境，一个进程可以包含多个线程。
互斥是指多个进程对临界资源访问时采用互斥的形式；同步则是在相互协作共同完成任务的进程之间，用同步机制协调它们之间的执行顺序。（2）存储管理
存储管理的任务是管理计算机的内存资源。存储管理有如下三个方面的任务：（a）内存分配与回收。当多个程序共享有限的内存资源时，要考虑如何为多个程序分配有限的内存空间；（b）存储保护。存放在内存中的多个程序和数据应该彼此隔离、互不侵扰；（c）内存扩充。实际物理内存空间有限，内存扩充即将内存和外存结合起来管理，为用户提供一个容量比实际内存大得多的虚拟存储器。（3）文件管理
在计算机系统中的信息资源（如程序和数据）是以文件的形式存放在外存储器上，需要
时再把它们装入内存。文件管理的任务是有效地支持文件的存储、检索和修改等操作，解决
文件的共享、保密和保护问题，以使用户方便、安全地访问文件。（a）文件存储空间的管理。为每个文件分配外存空间，为了提高空间利用率，存储空间的分配通常采用离散分配方式，以512字节或者几千字节（512B-8KB）的块为基本单位进行分配。（b）目录管理。给出组织文件的方法，它为每个文件建立目录项，以便按名存取。（c）文件系统的安全性。安全性包括文件的读写权限管理以及存取控制，用以防止未经核准的用户存取文件，防止越权访问文件，防止使用不正确的方式访问文件。（4）设备管理
设备管理是指计算机系统中除了CPU和内存以外的所有输入、输出设备的管理。如键盘、鼠标、显示器、彩色打印机、数字音响设备和DVD等。
为了提高设备的使用效率和整个系统的运行速度，需要采用中断技术、通道技术、虚拟设备技术和缓冲技术等，尽可能发挥设备和主机的并行工作能力。此外，设备管理应为用户提供一个良好的界面，使用户不必涉及具体设备的物理特性即可方便灵活地使用这些设备。（5）用户接口
从用户的观点来看，操作系统是用户与计算机系统之间的接口。因此，接口管理的任务是为用户提供一个使用系统的良好环境，使用户能有效地组织自己的工作流程，并使整个系统能高效地运行。
1.2 操作系统的发展
操作系统的发展与器件工艺技术的发展，以及实际需求的提高密切相关。
1．2．1 手工操作
从第一台计算机诞生(1945年)到50年代中期的计算机，属于第一代，这时还未出现OS。在一个程序员上机期间，整台计算机连同附属设备全被其占用；当程序运行完毕并取走计算结果后，才让下一个用户上机。
特点：手工操作、独占方式
程序设计：机器语言
缺点：程序员兼职操作员，效率低下
1．2．2 监控程序（早期批处理）
20世纪50年代晶体管的发明，厂商可以成批地生产计算机，处理器速度也得到提高，导致手工操作设备输入／输出信息与计算机计算速度不匹配。因此，人们设计了监督程序(或管理程序),来实现作业的自动转换处理。
自动批处理方式：操作员将作业“成批”地输入到计算机中，由监督程序识别一个作业，进行处理后再取下一个作业。
由于是串行执行作业,因此称为单道批处理。
特点：自动、顺序、单道
1．2．3 多道批处理
多道是指它允许多个程序同时存在于内存之中，由CPU以切换方式为之服务，使得多个程序可以同时执行（宏观上并行）。管理程序也发展成为一个重要的软件分支——操作系统。
特点：多道、无序性、调度（作业进程调度）、成批处理
1．2．4 分时系统
批处理系统不适合交互式的作业，对交互式工作方式的需求导致了分时系统（Time Sharing System）的出现。所谓分时系统是指多个用户通过终端设备与计算机交互作用来运行自己的作业,并且共享一个计算机系统而互不干扰，就好像自己有一台计算机。
1．2．5 UNIX通用操作系统
20世纪60年代末，贝尔实验室的Ken Thompson和Dennis M．Ritchie设计了UNIX操作系统，它是现代操作系统的代表。
UNIX是用C语言编写的，因此它是可移植的，是世界上唯一能在笔记本计算机、PC、工作站直至巨型机上运行的操作系统。
UNIX是一个良好的、通用的、多用户、多任务、分时操作系统。拥有树形文件系统、一定的安全机制、功能强大的shell。
1．2．6 个人计算机操作系统
典型PC代表：Windows、苹果OS、Linux
-20世纪70年代，MS DOS操作系统，单用户单任务
-1984年，苹果操作系统（最早具有图形界面）
-1992年，Windows 3.1（微软图形界面）
-1995年，Windows 95，后来居上，成为主流
-1991年，Linux操作系统，遵循UNIX 标准POSIX,继承了UNIX的全部优点，且开源。
1．2．7 Android操作系统
Android是一款主要面向移动设备，基于Linux内核的开源移动操作系统，包括了Linux内核、中间件和关键移动应用的一整套软件。
Android系统起源2003年，于2005年被Google收购。2008年第一款搭载Android的智能手机HTC Dream发售。2010年底，Android市场占有率超过Symbian。
Android具有开放性和可移植性，目前被应用于多种电子产品上，例如:智能手机、平板电脑、智能电视、智能相机、智能手表、导航仪等。
1.3 操作系统分类
按照用户界面的使用环境和功能特征的不同，可以把操作系统分为三种基本类型：
- 批处理系统、分时系统和实时系统。
随着计算机体系结构的发展，出现了更多类型的操作系统：
- 个人操作系统、网络操作系统、分布式操作系统和嵌入式操作系统。
1．3．1 批处理操作系统
- 基本工作方式：用户将作业交给系统操作员，系统操作员在收到作业后，并不立即将作业输入计算机，而是在收到一定数量的用户作业之后，组成一批作业，再把这批作业输入到计算机中。
- 特点：成批处理
- 目标：系统资源利用率高，作业吞吐率高（单位时间内计算机系统处理作业的个数）
- 分类：简单批处理系统和多道批处理系统（1）简单批处理系统的监控程序犹如一个系统操作员，它负责批处理作业的输入输出，自动根据作业控制说明书以串行方式运行各个作业，并且提供一些最基本的系统功能，但不具备并发能力。（2）多道程序设计的基本思想是在内存中同时保持多个作业（并发能力），主机可以以交替的方式同时处理多个作业。
多道的优势：通过合理的调度，让多个作业交替地同时使用不同的资源，就可以大大提高各种外部设备的利用率。
单道处理的监控程序依赖作业控制说明书，作业控制说明书是由作业控制语言编写的一段程序，它通常存放在被处理作业的前面。
STEP1 ASM A
STEP2 FTN B
STEP3 LINK A，B，C
STEP4 RUN C
作业：A、B两程序段
A程序：汇编语言
B程序：FORTRAN语言
一般指令和特权指令：
为了防止由于用户的错误而导致整个系统发生不可预料，CPU引入运行模式（用户模式和特权模式），为用户服务的用户模式称作为目态，为系统专用的特权模式称为管态。
相对应地，机器指令被划分为一般指令和特权指令，特权指令包括输入输出指令、停机指令等，只有监控程序才能执行特权指令。用户程序只能执行一般指令。
用户程序需要执行特权指令时，需要通过系统调用。
多道批处理的关键技术：SPOOLing技术（又称假脱机技术）
SPOOLing技术的基本思想是用磁盘设备作为主机的直接输入／输出设备，主机直接从磁盘上选取作业运行，作业的执行结果也存在磁盘上；相应地，通道则负责将用户作业从卡片机上动态写入磁盘，而这一操作与主机并行。
1．3．2 分时系统
分时系统是指，在一台主机上连接了多台终端，同时允许多个用户通过自己的终端，以交互方式使用计算机，共享主机中的资源。
- 分时系统主要为了弥补批处理方式不能向用户提供交互式快速服务的缺点而发展起来的。
- 设计思想：将CPU的时间划分成若干个小片段，称为时间片，操作系统以时间片为单位，轮流为每个终端用户服务。
分时操作系统具有多路性、交互性、独占性和及时性的特点。
• 多路性：指有多个用户在同时使用一台计算机（宏观并行，微观交替）。
• 交互性：指用户根据系统响应的结果提出下一个请求。用户直接干预操作每一步的进行。
• 独占性：指每个用户感觉不到计算机为其他人服务，就好像整个系统为他个人所独占一样。
• 及时性：指系统能够对用户提出的请求及时给予响应。用来衡量系统及时响应的指标是响应时间，响应时间越短越好。
1．3．3 实时操作系统RTOS
实时操作系统是指使计算机能在规定的时间内及时响应外部事件的请求，同时完成对该事件的处理，并能够控制所有实时设备和实时任务协调一致地工作的操作系统。
- 主要目标：在严格时间范围内，对外部请求作出反应，系统具有高度可靠性。
- 分两类：硬实时系统 和 软实时系统。
硬实时系统，要求极高，后果灾难，如导弹控制；软实时系统，允许一定时间范围，非致命灾难，但影响服务质量，如视频处理。
实时系统具有多道程序系统的基本能力，还需要如下几方面能力：（1）实时时钟管理
根据时间要求：定时任务、延时任务
根据任务功能：主动式任务、从动式任务（事件触发）（2）过载防护
迅速分析判断并找出最重要的实时任务，优先执行（3）高可靠性
软件系统和硬件系统都要很强的健壮性和坚固性
1．3．4 嵌入式操作系统
嵌入式操作系统是运行在嵌入式芯片环境中，对整个芯片以及它所操作、控制的各种部件装置等资源进行统一协调、调度、指挥和控制的系统软件。
- 优点：高可靠性、实时性、占有资源少、智能化能源管理、易于连接、低成本
- 应用：工业监控、智能化生活空间（信息家电、智能大厦等）、通信系统、导航系统等领域。各种电器、电子和智能机械上，小到手机通信控制，大到一枚导弹
1．3．5 个人计算机操作系统
- 主要特点：计算机在某一时间内为单个用户服务；采用图形界面人机交互的工作方式，界面友好；使用方便，用户无需具备专门知识，也能熟练地操纵系统。（单用户多任务）
1．3．6 网络操作系统
网络操作系统把计算机网络中的各个计算机有机地连接起来,其目标是相互通信及资源共享。
两种不同的模式：集中式（主计算机处理、其它终端作为I/O）；分布式（皆有处理，资源共享，处理能力也能共享）。
1．3．7 分布式操作系统
分布式操作系统是网络操作系统的更高级形式，将大量的计算机通过网络联结在一起，可以获得极高的运算能力及广泛的数据共享。特征：（1）统一操作系统，所有主机使用同一OS。（2）实现资源深度共享，迁移任务容易。（3）透明性，分布式中主机个数、位置等信息对用户透明，在用户眼里是个整体。（4）自治性，分布式中各主机平等、无主从关系，一台主机失效不影响整体。
可见，分布式系统把系统中的所有计算机构成一个完整的、功能更加强大的计算机系统。大型任务分解，多个主机协作完成，可以充分利用各种资源，从而使计算机系统处理能力增强，速度更快，可靠性更高。
- 优点：分布式（以较低的成本获得较高的运算性能）、可靠性（不怕单一故障）
- 例子：集群（Cluster）是分布式系统的一种，在集群操作系统的指挥下，可以用低成本的微型计算机和以太网设备等产品，构造出性能相当于超级计算机运算性能的集群。
网络OS VS 分布式OS（1）网络操作系统可以构架于不同的操作系统之上。（2）网络操作系统不要求对网络资源透明地访问，即需要显式地指明资源位置与类型，对本地资源和异地资源访问区别对待。（3）分布式操作系统强调单一操作系统对整个分布式系统的管理、调度。
1．3．8 智能卡操作系统
智能卡实际上是一台卡上的单片微机系统，其集成电路（硬件资源）包括有中央处理器、存储部件以及对外联络的通信接口。
智能卡又称IC卡（即集成电路卡）。
智能卡操作系统，又称片内操作系统（Chip Operating System，COS），一般根据某种智能卡的特点及其应用范围而设计开发的，受智能卡内微处理器芯片的性能及内存容量的影响。
- 基本指令集：由ISO/IEC7816-4国际标准给出
- 指令类型：数据管理类、通信控制类和安全控制类
- 处理方式：读写器与智能卡，“命令-响 应”方式
- 例子：多样，公交卡、加密卡、校园卡、Java卡（下载运行Java Applet）
智能卡操作系统具有四个基本功能：（1）资源管理：管理卡的硬件资源和数据资源（2）通信管理：执行智能卡的信息传送协议，接收读写器发出的指令，并对指令传递是否正确进行判断；自动产生对指令的应答并发回读写器（3）安全管理：包括对用户与卡的鉴别，核实功能以及对传输数据的加密与解密操作等（4）应用管理：对读写器发来的命令进行判断、译码和处理
1.4 操作系统结构
操作系统的结构，是指操作系统各部分程序的存在方式及相互关系。常见的操作系统体系结构有如下三种：
1．4．1 整体式结构
首先确定操作系统的总体功能，然后将总功能分解为若干个子功能，实现每个子功能的程序称为模块。再按照功能将上述每个大模块分解为若干个较小的模块，如此下去，直至每个模块仅包含单一功能或紧密联系的小功能为止，即分解为最基本的模块为止。最后通过接口将所有模块连接起来形成一个整体。因此，也称为模块组合结构，其关键在于接口。
- 优点：结构紧密，接口简单直接，系统效率较高
典型的模块组合操作系统结构如下图
系统中的模块不是根据程序和数据本身的特性而是根据它们完成的功能来划分的，数据基本上作为全程量使用。不同模块的程序之间可以不加控制地互相调用和转移，信息的传递方式也可以根据需要随意约定，可能构成循环。
模块组合结构（整体式结构）的缺点：（1）模块间转接随便，各模块互相牵连，独立性差，系统结构不清晰。（2）数据基本上作为全程量处理，系统内所有模块的任一程序均可对其进行存取和修改，关系复杂；更换或者修改一个模块，需要弄清各模块间的接口，困难复杂。（3）常以大型表格为中心，为保证数据完整性，往往采用全局关中断办法，从而限制了系统的并发性。
1．4．2 层次式结构
层次结构就是把操作系统的所有功能模块，按功能流图的调用次序，分别将这些模块排列成若干层，各层之间的模块只能是单向依赖或单向调用（如只允许上层或外层模块调用下层或内层模块）关系。将整体式结构的无序性变为有序性。
优点：化整为零（功能分解）；结构清晰、不构成循环；易于调试、易于修改、易于扩充、易于维护、易于保证正确性（增加或替换一层不影响其它层）。
如何分层？无统一规律，必须要依据总体功能设计和结构设计中的功能流图和数据流图进行分层，大致的分层原则如下：（1）把与硬件有关和与硬件无关的模块截然分开，而把与硬件有关的BIOS放在最内层。硬件环境改变时只需修改这一层即可。（2）把计算机系统多种操作方式（前台分时作业、后台批处理方式作业、实时控制等）共同要使用的基本部分放在内层，而把随不同操作方式而改变的部分放在外层
1．4．3 微内核（客户机／服务器）结构
采用客户机／服务器结构的操作系统适宜于应用在网络环境下分布式处理的计算环境，这种体系又称微内核结构，特点如下：（1）运行在核心态的内核：内核提供所有操作系统基本都具有的那些操作，只提供了一个很小的功能集合。（2）运行在用户态的并以客户机／服务器方式运行的进程层：除内核部分外，操作系统所有的其他部分被分成若干个相对独立的进程，每一个进程实现一组服务，称为服务进程。
客户机/服务器运行模式：
客户机进程与服务器进程之间的通信是采用发送消息进行的，这是因为每个进程属于不同的虚拟地址空间，它们之间不能直接通信，必须通过内核进行，而内核则是被映射到每个进程的虚拟地址空间内的，它可以操纵所有进程。客户机进程发出消息，内核将消息传给服务进程。服务进程执行相应的操作，其结果又通过内核用发消息方式返回给客户机进程。
客户机/服务器运行模式的优点：
将操作系统分成若干个小的并且自包含的分支（服务进程），每个分支运行在独立的用户进程中，相互之间通过规范一致的方式接收发送或消息而联系起来。操作系统在内核中建立起了最小的机制，而把策略留给用户空间中的服务进程，这带来了很大的灵活性。
- 可靠：分支独立只包含，单一故障不影响其它
- 灵活：方便增加新的服务功能
- 适宜于分布式环境：不同服务进程可以运行在不同处理器或计算机上。
客户机/服务器运行模式的缺点：
所有的用户进程只能通过微内核相互通信，微内核本身就成为系统的瓶颈，在一个通信很频繁的系统中，微内核往往不能提供很好的效率。
实例：
卡内基-梅隆大学研制的Mach操作系统；
Windows NT的早期版本等。
总结与回顾
操作系统在计算机系统中的位置
操作系统的特征（并发、共享、随机）
操作系统的功能（进程管理、存储管理、文件管理、设备管理、用户接口）
操作系统的发展（多道批处理）
操作系统分类（批处理、分时、实时）
操作系统结构（整体式、层次式、微内核）
思考（单选）
引入多道程序设计技术的目的是
A）增强系统的用户友好性
B）提高系统实时性
C）充分利用CPU
D）扩充内存容量
思考（多选）
1．下列特性中，体现操作系统特征的是
A．并发性
B．共享性
C．独立性
D．随机性
2．在下列性质中,哪些是多道程序的操作系统的特性
A．交互性
B．并行性
C．共享性
D．独占性
第2章 操作系统运行机制[视频讲解]
本章主要内容
2．1 中央处理器（CPU)
2．2 存储体系
2．3 中断与异常机制
2．4 系统调用
2．5 I／O技术
2．6 时钟
知识点与考点分析
1．内核态与用户态、寄存器、特权指令和非特权指令
2．中断与异常的分类，中断优先级
3．系统调用与一般过程调用的区别
4．存储系统的层次（容量、速度、成本）
5．I/O系统（通道、DMA、缓冲技术）
6．绝对时钟、相对时钟
操作系统屏蔽了计算机系统硬件的具体细节，让用户方便使用计算机，本章主要讨论操作系统运行的硬件环境。
2.1 中央处理器
程序在处理器上执行，每个处理器都提供一套指令系统。
2．1．1 CPU的构成和基本工作方式
处理器由运算器、控制器、一系列寄存器以及高速缓存构成。
运算器：实现任何指令中的算术和逻辑运算，是计算机计算的核心；
控制器：负责控制程序运行的流程，包括取指令、维护CPU状态、CPU与内存的交互等。
寄存器：是指令在CPU内部作处理的过程中暂存数据、地址以及指令信息的存储设备，在计算机的存储系统中它具有最快的访问速度；
高速缓存：处于CPU和物理内存之间，一般由控制器中的内存管理单元MMU管理，访问速度快于内存，低于寄存器。
处理器中的寄存器主要分为两类：（1）用户可见寄存器，对于高级语言来说，编译器通过一定的算法分配并使用这些寄存器，以减少程序运行时访问主存储器的次数；（2）控制和状态寄存器，用于控制处理器的操作，一般由具有特权的操作系统代码使用以控制其他程序的执行。
数据寄存器：又称为通用寄存器，主要用于各种算术逻辑指令和访存指令；
地址寄存器：存储数据及指令的物理地址、线性地址或者有效地址，用于某种特定方式的寻址；
条件码寄存器：保存CPU操作结果的各种标记位，如算术运算产生的溢出、符号等； 程序计数器：记录了将要取出的指令的地址；
指令寄存器：包含了最近取出的指令；
程序状态字：记录了处理器的运行模式信息等。
指令执行的基本过程：
主要包含两个步骤：取指和执行指令
取指：处理器依据程序计数器中保存的指令地址从存储器中取一条指令，取指令完成后自动将程序计数器的值变成下一条指令的地址，通常是自增1。
执行指令：取到的指令被放在指令寄存器中，处理器解释并执行指令
指令执行的例子：
汇编程序：将3340h地址单元的一个数自增1，假设那个地址的内容是35，这段程序执行以后，它变成了36。
这个程序需要三条指令完成，包括三个取指周期和三个执行周期。（PC和IR的变化）
指令大致可以分为5类：（1）访问存储器指令：负责处理器和存储器之间的数据传送；（2）I/O指令：负责处理器和I/O模块之间的数据传送和命令发送；（3）算术逻辑指令：又称为数据处理指令，用以执行有关数据的算术和逻辑操作；（4）控制转移指令：可以指定一个新的指令的执行起点；（5）处理器控制指令：用于修改处理器状态，改变处理器工作方式等
2．1．2 特权指令和非特权指令
多道程序设计环境中，指令必须区分两部分：特权指令和非特权指令。区分特权指令的主要目的是保护。
特权指令：指令系统中那些只能由操作系统使用的指令，如启动某设备指令、设置时钟指令、控制中断屏蔽的某些指令、清主存指令和建立存储保护指令等
非特权指令：用户可以使用的
小结：用户（非特权指令）、操作系统（所有指令）
2．1．3 处理器的状态
多数系统将处理器工作状态划分为管态和目态，执行不同程序，处理器设置为不同运行状态。
管态：指操作系统管理程序运行的状态，具有较高的特权级别，又称特权态（特态）、系统态；
目态：指用户程序运行时的状态，具有较低的特权级别，又称为普通态（普态）、用户态。
当处理器处于管态时全部指令可以执行，可使用所有资源，并具有改变处理器状态的能力。当处理器处于目态时，就只有非特权指令能执行。
处理器例子：x86系列处理器
- 4个处理器特权级别：R0、R1、R2和R3
- R0相当于管态，R3相当于目态
- R0运行操作系统核心代码；R1运行关键设备驱动程序和I/O处理例程；R2运行其他受保护的共享代码，例如语言系统运行环境；R3运行各种用户程序
-多数的UNIX系统、Linux以及Windows系列大都只用到了R0和R3两个特权级别
CPU状态的转换
系统运行时，CPU在管态和目态之间转换，动态改变：（1）目态到管态：通过中断或异常（2）管态到目态：通过设置PSW指令（修改程序状态字）
系统启动时，CPU初始状态为管态，然后装入OS，OS退出执行时，让用户程序在目态执行。
如果用户程序中包含特权指令，CPU会拒绝执行，OS会通知用户“程序中有非法指令。
2．1．4 程序状态字PSW
PSW是处理器中的特殊寄存器，用以表明处理器当前的工作状态。通常包括以下状态代码：
• CPU的工作状态代码：指明管态还是目态，用来说明当前在CPU上执行的是操作系统还是一般用户，从而决定其是否可以使用特权指令或拥有其他的特殊权力。
• 条件码：反映指令执行后的结果特征。四个标准条件位（CF进位标志位，ZF结果为零标志位，SF符号标志位，OF溢出标志位）
• 中断屏蔽码：指出是否允许中断。
2.2 存储体系
程序和数据都需要存储，OS本身也要存储，如放在主存（内存）中才能运行。
2．2．1 存储器的层次结构
存储系统设计的三个问题：容量、速度和成本
越上层，与CPU靠的越近，成本也越高。
存储访问局部性原理
提高存储系统性能的关键在于程序的存储访问局部性原理。
- 程序执行时，有很多循环和子程序调用，一旦进入这样的程序段，就会重复存取相同的指令集合。
- 对数据存取也有局部性，在较短的时间内，稳定保持在一个存储器的局部区域。
- 处理器主要和存储器的局部打交道。
- 在经过一段时间以后，使用到的代码和数据的集合会改变。
存取时间估算的例子：
假设：处理器存取两级存储器，第Ⅰ级包含1 KB，存取时间为0.1μs，第Ⅱ级包含1 MB，存取时间为1μs；处理器直接存取Ⅰ级中的内容，如果需要的内容在Ⅱ级中，它首先被转移到Ⅰ级，然后再由处理器存取；用于确定这个内容所在位置的时间可以忽略。
如果处理器在Ⅰ级存储器中发现存取对象的概率是95％，那么平均访问时间为
0．95×0.1μs+0.05×（0.1μs+1μs）=0.15μs
这个结果是非常接近Ⅰ级存储的存取时间
2．2．2 存储保护
内存中程序或数据被破坏，后果严重，需要加以保护。要实现存储保护，必须要有硬件的支持，仅靠OS是无法做到的。两种常用保护方法：（1）界地址寄存器
在CPU中设置一对界限寄存器来存放作业在主存中的下限和上限地址，即下限寄存器和上限寄存器。当CPU访问主存时，硬件自动将被访问的主存地址与界限寄存器的内容进行比较，以判断是否越界。（2）存储键
每个存储块都有一个与其相关的由二进位组成的存储保护键，附加在每个存储块上。
当一个用户作业被允许进入主存时，操作系统分给它一个唯一的、不与其他作业相同的存储键号；并将分配给该作业的各存储块的存储键，也设置成同样的键号。
当该作业上CPU运行时，操作系统同时将该作业的存储键号存放到程序状态字PSW的存储键（“钥匙”）域中。这样，每当CPU访问主存时，都将对主存块的存储键与PSW中的“钥匙”进行比较。
2.3 中断与异常机制
中断与异常机制是操作系统中极为重要的一个部分,可以认为操作系统是由“中断(异常)驱动的”或者 “事件驱动的”。
2．3．1 中断与异常的概念
- 中断是指CPU对系统中或系统外发生的异步事件的响应，异步事件是指无一定时序关系的随机发生的事件。
- 中断（也称外中断）是由外部事件引发的，而异常（也称内中断）则是由正在执行的指令引发的。故广义的中断包含这里的中断与异常。
引起中断的那些事件称为中断事件或中断源；中断源向处理器发出的请求信号称为中断请求；把处理中断事件的那段程序称为中断处理程序；发生中断时正在执行的程序的暂停点叫做中断断点；
处理器暂停当前程序转而处理中断的过程称为中断响应；
中断处理结束之后恢复原来程序的执行被称为中断返回。
对中断（异常）的理解：
CPU暂停正在执行的程序，保留现场后自动转去执行相应事件的处理程序，处理完成后返回断点，继续执行被打断的程序
微处理器能处理的中断有很多种，如何找到并处理？通过中断向量表（中断处理程序入口地址映射表），其每个中断向量主要由程序状态字PSW和指令计数器PC组成。通过中断向量，可以找到中断处理程序在主存中的位置。
中断的作用：
- 能充分发挥处理器的使用效率：I/O设备通过中断同CPU通信，免除CPU不断的查询和等待，即解决了主机CPU和外设并行工作问题。
- 提高系统的实时能力：通过中断可以请求及时处理。
中断与异常的分类
中断与异常的硬件机制工作原理类似，后面描述的中断涵盖这两个概念。
2．3．2 中断系统
中断系统是现代计算机系统的核心机制之一，是硬件和软件相互配合、相互渗透而使得计算机系统得以充分发挥能力的计算模式。
中断系统两大组成部分：硬件中断装置和软件中断处理程序。
- 硬件中断装置-机制部分
捕获中断源发出的中断请求，以一定方式响应中断源，将处理器控制权交给特定的中断处理程序
- 软件中断处理程序-策略部分
识别中断类型并完成相应的操作
- 中断请求的接受
通过在计算机硬件的中断逻辑线路和中断寄存器实现。中断逻辑线路用于接收中断
信号，并把收到的中断信号寄存在线路中的硬件触发器中（触发器的全体称为中断寄存器）
- 中断响应
处理器的控制部件设置有中断信号扫描结构，它在每条指令执行周期内的最后时刻扫描
中断寄存器，查看中断信号。有则保存现场，其上下文环境通常包括程序状态字PSW、程序计数器PC中的下一条指令位置和一些寄存器的值。切换到管态。
整个中断请求的响应过程（下页图）：
① 处理器接收中断信号；
② 保护现场，将中断断点的程序状态字PSW和程序计数器PC值存入系统堆栈；
③ 分析中断向量，取得中断处理程序的入口地址；
④ 将处理器的PC值置为中断处理程序的入口地址；
⑤ 调用中断处理程序。
- 中断处理
处理器的控制权转移到中断处理程序之后，中断处理程序开始工作，其中包括检查I/O
相关的状态信息，操纵I/O设备或者在设备和主存之间传送数据等。具体依赖中断请求类别与要求。
中断处理程序结束之后，处理器会检测到一条中断返回指令。在执行中断返回指令时，处理器会把原先被中断的程序的上下文环境从系统堆栈中恢复。处理器状态也从管态恢复成被中断时的目态。整个中断处理结束。
整个中断信号的接收、响应和处理过程归纳：
接收和响应中断；
保护中断断点现场；
分析中断向量；
调用中断处理程序；
中断处理结束恢复现场；
原有程序继续执行。
问题：什么时候处理器在管态？什么时候在目态？
几种典型中断的处理：（1）I/O中断
一般由I/O设备的控制器或者通道发出,分为两大类：I/O操作正常结束以及I/O异常。（2）时钟中断
时钟中断处理程序通常要做较多的与系统运转、管理和维护相关的工作：维护软件时钟、处理器调度、控制定时任务、实时处理等。（3）硬件故障中断
一般是由硬件问题引起，排除通常需要人工的干预。（4）程序性中断
程序指令出错、指令越权或者指令寻址越界而引发的系统保护。分两类：第一类只能由操作系统完成（如缺页中断），第二类可以由程序自己完成（如断点中断、单步跟踪等系统调试中断）。（5）系统服务请求（访管中断）
一般由处理器提供的专用指令（又称访管指令）来激发，如x86处理器的int指令。格式：指令名+服务识别号。
现代操作系统一般不会提供直接使用系统调用指令的接口，而是通过API封装系统调用。
2．3．3 中断优先级与中断屏蔽
在多级中断系统中，硬件决定了各个中断的优先级别。
多级中断的作用：（1）对各类中断信号依据其紧急程度和重要性划分级别，CPU优先接收中断优先级最高的（同时多个中断请求时）（2）解决如果有重要程度相当的多个中断信号同时到达时，如何选择首个被处理的中断信号的问题：固定优先数（如固定离CPU近的设备）、轮转法（公平一点）
中断屏蔽
PWS中的中断屏蔽位决定，主机是否允许响应或禁止某些中断。
中断屏蔽可能导致中断系统中原先由硬件给定的中断优先级发生改变。
注意，机器故障中断是不可屏蔽的。如内存奇偶校验错、掉电等使得机器无法继续操作的一类故障，处理器会立即响应。
2.4 系统调用
为了从操作系统中获得服务，用户程序必须使用系统调用系统调用陷入内核并调用操作系统。
2．4．1 系统调用简介
系统调用：用户在程序中调用操作系统所提供的一些子功能
- 特殊的过程调用，由特殊的机器指令实现
- 一个低级过程，只能由汇编语言直接访问
- 操作系统提供给编程人员的唯一接口
- 利用系统调用，动态请求和释放系统资源，完成与硬件相关的工作以及控制程序的执行等
系统调用与一般过程调用的区别
1）运行在不同的系统状态
前者调用程序在用户态，被调用程序在系统态；后者在相同状态
2）状态的转换
前者通过软中断机制从用户态转入系统态；
后者不涉及系统状态转换
3）返回问题
前者与调度方式有关；后者返回继续执行
4）嵌套调用
都允许嵌套调用，执行期间还可以系统调用
系统调用的分类
系统的功能可分为两部分：系统自身所需要的；作为服务提供给用户的。
通用OS的系统调用分为五大类：
(1)进程控制类系统调用:对进程控制
(2)文件操作类系统调用：操纵文件
(3)进程通信类系统调用：进程间传递消息和信号
(4)设备管理类系统调用：请求、释放、启用设备
(5)信息维护类系统调用：时间、日期、当前用户、OS版本号、空闲内存、磁盘空间等维护
2．4．2 系统调用的处理过程（1/3)
在系统中为控制系统调用服务的机构称为陷入（TRAP）或异常处理机构。
由于系统调用引起处理机中断的指令称为陷入或异常指令（或称访管指令）。
每个系统调用都对应一个事先给定的功能号，在陷入指令中必须包括对应的系统调用的功能号有些陷入指令中，还带有传给陷入处理机制和内部处理程序的有关参数。
2．4．2 系统调用的处理过程(2/3)
入口地址表：每个入口地址对应一个系统调用功能子程序；
陷入处理程序把陷入指令中的功能号与入口地址表有关项对应, 驱动有关子程序执行
进入系统调用处理前，陷入处理机构还需保存处理机现场；
在系统调用处理结束之后，要恢复处理机现场，现场被保护在特定的内存区或寄存器中；
2．4．2 系统调用过程(3/3)
在系统发生访管中断或陷入中断时，不让用户程序直接访问系统程序，反映在处理机硬件状态的处理机状态字PSW中的相应位要从用户执行模式转换为系统执行模式（硬件自动实现）
怎样实现用户程序和系统程序之间的参数传递？
常用的3种实现方法：（1）由陷入指令自带参数：陷入指令的长度有限，且还要携带系统调用功能号，只能自带有限的参数（2）通过通用寄存器传递参数：这些寄存器是系统程序和用户程序都能访问的，由于寄存器长度较短，传递的参数数量有限（3）在内存中开辟专用堆栈区来传递参数（大多系统使用）
2.5 I/O技术
（1）I/O结构每台外设中都配有设备控制器，由设备控制器分别控制各台外部设备的运行
早期计算机系统，设备控制器通过I/O硬件结构与CPU连接，对设备控制器的操作是由处理器直接发出的I/O指令来实现
缺陷:CPU定期轮询各个I/O设备控制器的状态,效率太低，已经淘汰
(2)通道
通道独立于中央处理器，是专门负责数据I/O传输工作的处理单元
通道又称为I/O处理机:对外部设备实行统一的管理，代替CPU对I/O操作进行控制，从而使CPU和外部设备可以并行工作（通道的最大优点）。
并行工作：采用通道之后，处理器和外部设备都能够访问主存储器；外部设备与主存储器之间发生的信息传送，由通道控制，而中央处理器则继续执行程序。
通道带来的并行能力，让OS可以同时执行多个程序（即多道程序）：在同一时刻让各个程序分别使用计算机系统的不同资源（3）DMA技术
直接存储器访问DMA技术通过系统总线中的一个独立控制单元，即DMA控制器，自动地控制成块数据在内存和I/O单元之间的传送。
处理器只需要在整块数据开始传送和传送结束时关注一下，大大提高处理I/O的效能。
CPU与DMA不完全并行：存在竞争总线
如果总线上正在进行DMA传送，而处理器也想使用总线，需要处理器等待（一个总线周期）。
总线竞争不会引起中断，也不会引起程序上下文的保存。
有大量数据的I/O传送时，推荐使用DMA技术。（4）缓冲技术
缓冲技术是用在外部设备与其他硬件部件之间的一种数据暂存技术，它利用存储器件在外部设备中设置了数据的一个存储区域，称为缓冲区。
缓冲技术两种用途：
用在外部设备与外部设备之间的通信上的；
用在外部设备和处理器之间的。
采用缓冲技术最根本的原因：
CPU处理数据速度与设备传输数据速度不相匹配，需要用缓冲区缓解其间的速度矛盾（例如键盘输入，人手输入速度慢，CPU处理快）
为了提高设备利用率，通常使用单个缓冲区是不够的，可以设置双缓冲区、甚至多缓冲区。
2.6 时 钟
时钟是操作系统运行的必不可少的设施，其作用如下：（1）在多道程序运行的环境中，时钟可以为系统发现一个陷入死循环（由编程错误引起）的作业，从而防止机时的浪费。（2）在分时系统中，用时钟间隔来实现各个作业按时间片轮转运行。（3）在实时系统中，按要求的时间间隔输出正确的时间信号给相关的实时控制设备。（4）定时唤醒那些要求按照事先给定的时间执行的各个外部事件（如定时为各进程计算优先数，银行系统中定时运行某类结账程序等）。（5）记录用户使用各种设备的时间和记录某外部事件发生的时间间隔。（6）记录用户和系统所需要的绝对时间，即年、月、日。
时钟一般分成硬件时钟和软件时钟
硬件时钟：在电路中的晶体振荡器，每隔一定间隔产生固定的脉冲频率，时钟电路中的时钟寄存器依据时钟电路所产生的脉冲数，对时钟寄存器进行加1的工作。
软件时钟：常用作相对时钟，利用内存单元模拟时钟寄存器，并采用一段程序来计算相应的脉冲数，对内存时钟寄存器进行加1或减1的工作，从而模拟了时钟的功能。
软件时钟与硬件时钟的同步工作，由操作系统负责维护
按用途，时钟分为绝对时钟和相对时钟
绝对时钟：在计算机系统中不受外界干扰、独立运行的一种时钟，关机不停
相对时钟：又称间隔时钟，只计算从某一个时间初值开始的一段时间间隔。由操作人员置上时间间隔的初值，每经过一个单位的时间，时钟值自动减1，直到该值为负时，则触发一个时钟中断，并进行相应的处理（如电子闹钟）。可由软件时钟实现。
总结与回顾
CPU的构成、各种寄存器的作用、特权指令和非特权指令、处理器的状态
存储器的层次结构
中断与异常、中断处理过程
系统调用与一般过程调用
通道、DMA和缓冲技术的作用
硬件时钟、软件时钟
思考（1）为了保证程序能连续执行，CPU必须确定下一条指令的地址，起到这一作用的是（ ）
A．指令寄存器
B．状态寄存器
C．地址寄存器
D．程序计数器（2）CPU如何知道当前运行的是操作系统还是一般应用软件？（3）在多道程序设计环境中，将指令系统中的指令划分成特权指令和非特权指令。在下列指令中，哪一个不是特权指令?
A）启动设备执行I／O操作指令
B）访管指令
C）置中断向量指令
D）修改程序状态字指令（4）下列关于CPU对外部设备的直接内存存取（DMA）控制方式的叙述中，哪一个是错误的?
A）DMA方式用于高速外部设备与内存之间批量数据的传输
B）当本次DMA传送的数据开始时，产生中断，请求CPU进行处理
C）DMA方式不用CPU干预
D）DMA采用窃取总线控制权的方法
第3章 进程线程模型[视频讲解]
本章主要内容
3．1 多道程序设计模型
3．2 进程模型
3．3 线程模型
3．4 进程（线程）调度
知识点与考点分析
1．并发环境与多道程序设计
2．进程的基本概念，进程控制块（PCB）
3．进程状态及状态转换
4．进程控制：创建、撤消、阻塞、唤醒，fork()的使用
5．线程基本概念，线程的实现机制，Pthread线程包的使用
6．各种调度算法分析
3.1 多道程序设计模型
多道程序设计技术充分发挥了处理器与外围设备以及外围设备之间的并行工作能力，提高CPU的利用率。
3．1．1 程序的顺序执行
程序：一个在时间上前后相继的操作序列
程序的顺序执行：一个具有独立功能的程序独占CPU直到得到最终结果的过程
特点：顺序性，封闭性（结果只依赖初始条件、不受外界因素影响），程序执行结果的确定性（与执行时间无关），程序执行结果的可再现性
3．1．2 多道程序系统中程序执行环境的变化
多道程序设计技术：为了提高计算机资源的利用率，通常采用并行操作技术，使系统的各种硬件资源尽量做到并行工作。（1）多道程序同时在系统中存在并且运行（2）每个程序都需要资源（CPU时间、内存等）（3）系统不再是单纯串行，而是并发执行
并发执行：
对于单CPU，并发程序按给定的时间片交替地在处理机上执行；对于多CPU，并发程序在各自处理机上运行。
多道程序设计技术如何改进系统性能？例子（1）顺序执行总共80s，CPU利用率40/80 = 50%;（2）并发执行总共45s，A在CPU上执行时，B可以在设备DEV上执行，CPU利用率40/45
= 89%.
多道程序设计是OS所采用的最基本、最重要的技术，其根本目的是提高整个系统的效率。
衡量系统效率的尺度:系统吞吐量(单位时间内系统所处理作业/程序的道数/数量)
多道程序设计也带来了资源竞争：因此需要处理器调度、内存管理、设备管理。
多道程序设计的特点：（1）独立性：每道程序逻辑独立（2）随机性：程序数据的输入、执行开始时间等都随机（3）资源共享性：共享CPU、内存、设备等资源
3．1．3 程序的并发执行
程序并发执行:两个或两个以上程序在计算机系统中同处于已开始执行且尚未结束的状态
与程序顺序执行相比，具有如下不同特性：（1）并发程序在执行期间具有相互制约关系
资源的共享与竞争，导致逻辑无关的程序制约（2）程序与计算不再一一对应
允许多个用户作业调用一个共享程序段，形成多个“计算”（3）并发程序执行结果不可再现
结果与其执行的相对速度有关，是不确定的
3.2 进程模型
为了能更好地描述程序的并发执行，实现操作系统的并发性和共享性，引入“进程”的概念。
3．2．1 进程的概念
从操作系统角度来看，可将进程分为系统进程和用户进程两类。（1）系统进程执行操作系统程序，完成操作系统的某些功能。（2）用户进程运行用户程序，直接为用户服务。（3）系统进程的优先级通常高于一般用户进程。
进程 VS 程序
程序是构成进程的组成部分之一，一个进程的运行目标是执行它所对应的程序。
从静态的角度，进程是由程序、数据和进程控制块（PCB）三部分组成。
进程的特性：
3．2．2 进程的状态及其状态转换
进程在从创建到终止一直处于不断变化的过程，将其分成各种状态，典型的进程状态模型：
一个不断精确化的过程。
1．三状态进程模型：运行、就绪、等待（1）运行状态Running：在CPU上执行，处于此状态的进程的数目小于等于处理机的数目（2）就绪状态Ready：已具备运行条件，等待分配处理机资源，处于该状态进程可以多个（3）等待状态Waiting：又称阻塞状态或封锁状态，进程因等待某种事件发生而暂时不能运行的状态，处于该状态进程可以多个
进程状态转换图：
2．五状态进程模型：增加了创建、结束两种状态
进程在运行过程中主要是在就绪、运行和阻塞三种状态间进行转换；
创建状态New：进程正在创建过程中，还不能运行。进行的工作包括分配和建立进程控制块表项、建立资源表格（如打开文件表）并分配资源，加载程序并建立地址空间表等。
结束状态Exit：进程已结束运行，回收除进程控制块之外的其他资源，并让其他进程从进程控制块中收集有关信息。
五状态进程模型的状态转换：
创建进程，提交，调度运行（选择一个进入运行），释放（进程完成或失败而终止运行），超时（时间片用完、高优先级进程就绪），事件等待，事件出现
3．七状态进程模型（区分内存和外存）
OS中引入虚拟存储管理技术后，一些等待时间长（通常优先级低）的进程会被对换至外存，也称挂起。
这样，可以把原来的就绪状态和阻塞状态进行细分，增加就绪挂起和阻塞挂起两个状态。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]