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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》专用教材【考纲分析＋考点精讲＋真题演练】试读：
第1章 操作系统概论
考纲分析
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
考点精讲
1.1 操作系统的概念
考点1 计算机系统
（1）计算机系统介绍计算机系统按用户的要求接收和存储信息，自动进行数据处理并输出结果信息。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。计算机系统的资源包括两大类：硬件资源和软件资源。一个完整的计算机系统如图1-1所示。应用软件：文字处理、图形图像处理、科学计算、MIS等计算软件系统机（程序、系数据）统支撑软件：数据库、网络、多媒体等系统软件：操作系统、编译器等中央处理器（CPU）、内存储器、外存储器（磁盘、磁带等）硬件系统输入/输出设备（键盘、鼠标、显示器、打印机等）图1-1 计算机系统（2）计算机系统资源的占用
任何一个程序在计算机系统中执行前，先要得到计算机系统的内存空间后才能被装入内存，程序的执行要依靠中央处理器完成，并且程序在执行过程中需要调用公共服务子程序和共享文件，使用各种计算机外部设备，以完成信息的输入和输出。（3）控制和协调计算机资源
各个程序对计算机资源的要求和使用是不同的，不同用户对计算机资源的请求和使用可能会产生冲突，适当地控制和协调计算机资源的分配是必要的。（4）识别用户要求
用户在使用计算机系统时，希望计算机能够按照用户的要求工作，控制程序按照用户各自的意愿执行，计算机系统必须有识别用户要求的能力，必须能针对不同用户进行不同控制执行。
考点2 操作系统的定义
（1）操作系统定义操作系统是计算机系统中的一个系统软件，是一些程序模块的集合，这些程序模块能有效地组织和管理计算机系统中的硬件及软件资源，合理地组织计算机的工作流程，控制程序的执行，并向用户提供各种服务功能，使用户能够灵活、方便、有效地使用计算机，并使整个计算机系统能高效地运行。
操作系统是一个大型软件程序，是具有各种功能的、大量程序模块的集合。（2）操作系统任务
①组织和管理计算机系统中的硬件及软件资源
操作系统内部设计了各种不同类型的表格或数据结构，将所有的硬件和软件资源一一加以登记，让操作系统根据用户对各种资源的需求情况，资源的当前分配和使用情况以及有关的资源调度策略，对资源进行有效的组织和管理：
a．“有效”
指根据用户的不同要求，在管理计算机资源时考虑到系统运行的效率和资源的利用率。要尽可能提高中央处理器的利用率，尽可能少地空转，应该在保证访问效能的前提下尽可能有效地利用其他资源，例如减少对内存、硬盘空间等的浪费。
b．资源调度策略
在计算机系统中，不同的用户有不同的要求。系统中的作业有大有小，有的作业需要运算时间长，有的作业有大量的信息需要打印输出，有的事件需要立即处理。
c．“合理”
指操作系统要“公平”对待不同的用户程序，保证系统不发生“死锁”和“饥饿”的现象。
②向用户提供各种服务功能
a．向程序开发和设计人员提供高效的程序设计接口；
b．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。“方便”指操作系统的人机界面要考虑用户使用界面和程序设计接口的易用性、易学性和易维护性。
考点3 操作系统的特征
作为一种系统软件，操作系统有着与其他软件相比所不同的特征：（1）并发性
并发性指在计算机系统中同时存在若干个运行着的程序。
①宏观上
从宏观上看，程序在同时向前推进。计算机程序的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。
②微观上
从微观上看，在单处理器的环境下，同时运行着的程序是交替在中央处理器上运行的。
③多处理器系统
在多处理器系统的环境中，多个程序的并发特征，不仅在宏观上是并发的，在微观上，即在处理器一级上，程序也是并发执行的，处理器中并发处理多个程序。
④分布式系统
在分布式系统中，多个计算机的并存，使得程序的并发特征得到了更充分的体现，因为在每个计算机上都可以有程序执行，它们共同构造了程序并发执行的图景。（2）共享性
共享性指操作系统程序与多个用户程序共用系统中的各种资源，是在操作系统控制下实现的。
①共享资源
资源的共享性主要针对计算机系统中的如下几项重要资源：
a．中央处理器
中央处理器是所有程序都必须使用的最重要的资源，操作系统必须采用恰当的调度策略，对多个并发程序分配处理器资源。
b．内存储器
任何一个程序必须首先调入内存之后，才能执行。管理内存的公共使用是操作系统的重要功能之一。
c．外存储器
外存储器主要用来保存各种程序和数据。这些程序和数据一般以文件的形式存放在外存储器上。操作系统必须对外存储器的共享进行管理，并且保证在外存储器中所有程序和数据的完整性和正确性。
d．外部设备
计算机系统中的外部设备是供所有用户使用的，这些用户包括操作系统、系统用户（如管理员）和普通用户。操作系统必须对这些用户对外部设备的使用要求作出管理，使所有的外部设备能够按照一定的策略被全部用户所共享。
②共享形式
在计算机系统中，对资源的共享一般有两种形式：
a．互斥共享
系统中的有些资源比如打印机等在一段特定的时间内只能由某一个用户程序使用。当这个资源正在被使用的时候，其他请求该资源的程序必须等待，在这个资源被使用完了以后操作系统根据一定的策略再选择一个用户程序占有该资源。通常把这样的资源称为临界资源。许多操作系统维护的重要系统数据都是临界资源，它们都要求被互斥共享。
b．同时共享
系统中一类资源，在同一段时间内可以被多个程序同时访问。这种同时访问是指宏观上的同时，微观上这些程序访问这个资源有可能还是交替进行的，而且它们交替访问这个资源的顺序对访问结果没有什么影响。硬盘就是一个典型的可以同时共享的资源。（3）随机性
操作系统的运行是在一种随机的环境下进行的，即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，操作系统正处于什么样的状态之中是无法确切知道的。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。操作系统本身应该稳定、可靠、安全、高效，实现程序并发和资源共享的目的。【真题演练】
在操作系统中，并发性是指若干个事件（ ）发生。[2014年9月真题]
A．在同一时刻
B．一定在不同时刻
C．在某一时间间隔内
D．依次在不同时间间隔内【答案】C【解析】并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。而并行性主要指的是硬件上的概念，是指两个或多个事件在同一时刻运行。注意并发和并行两个不同的概念。
考点4 研究操作系统的观点
（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。作为一种大型软件系统，操作系统有软件的外在特性和内在特性：
①外在特性
外在特性是指操作系统是一种软件，它的外部表现形式，即它的操作命令定义集和它的界面，完全确定了操作系统这个软件的使用方式。
②内在特性
内在特性是指操作系统具有一般应用软件所不具备的特殊结构。（2）资源管理的观点
在计算机系统中，硬件和软件资源可以分成以下几部分：中央处理器、存储器（内存和外存）、外部设备和信息（文件）。操作系统负责记录资源使用情况，并提供一些机制去协调程序间的竞争与同步，提供机制对资源进行合理使用，施加保护，以及采取虚拟技术来“扩充”资源等。操作系统管理的基本资源如图1-2所示。图1-2 操作系统管理的基本资源（3）进程的观点
进程可以看作运行中的程序。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。每个进程都完成某一特定任务，进程可以分为用户进程和系统进程两大类，操作系统控制和协调这些进程的运行。
采用进程的观点时，侧重于分析计算机系统各部分的并行工作，研究处理各项管理任务的分割以及这些管理任务相互之间的关系。进程在共享资源时所产生的竞争问题，通过进程之间的通信来解决。（4）虚机器的观点
在操作系统的支持下，用户通过操作系统提供的各种手段来控制和使用计算机。操作系统把原来的计算机（裸机）扩充成为功能强、使用方便的计算机系统，这种计算机系统被称为虚拟计算机，操作系统的全部功能，包括系统调用、命令、作业控制语言等，统称为操作系统虚机器。
虚机器的观点是从系统功能分解的角度出发来考虑操作系统的结构。这种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。通过逐个层次的功能扩充，最终完成整个操作系统虚机器的构造，向用户提供各种服务，完成用户的作业要求。（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，它被看作是服务提供者。从用户的角度，站在操作系统之外观察操作系统，则认为该服务提供者为用户提供了比裸机功能更强，服务质量更高，更方便、灵活的虚拟机器。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）。
考点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进程管理（处理器管理）、存储管理、文件管理、作业管理和设备管理。（1）进程管理（处理器管理）
进程管理的实质是对中央处理器进行管理。操作系统对其作业的处理方式有批处理方式、分时处理方式和实时处理方式等，以使CPU资源得到最充分的利用。进程管理主要包括以下几方面的内容：
①进程控制
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。
②进程同步
a．进程同步概念
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两种协调方式。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。
b．实现方法
最简单的实现互斥的方法就是给资源加锁，并提供操纵锁变量的原语。包括开锁和关锁原语。原语指具有某种功能，运行时有“原子性”的小段程序。
③进程间通信
进程间通信主要处理相互协作进程之间信息的交换问题，主要发生在相互协作的进程之间。由操作系统提供的进程间通信机制是协作的进程之间相互交换数据和消息的手段。
④调度（处理器调度）
调度通常包括进程调度、线程调度和作业调度等。
a．进程（线程）调度
从进程（线程）的就绪队列中按照一定的算法挑选出一个，把处理器资源分配给它，并准备好特定的执行上下文让它执行起来。
b．作业调度
从作业后备队列中按照一定的算法挑出若干个作业，并依照作业说明书为它们分配一定的资源，把它们装入内存并为每个作业建立相应的进程。（2）存储管理
存储管理的任务是管理计算机内存的资源。存储管理有三个方面的任务：
①内存的分配与回收
多个程序共享有限的内存资源时，操作系统要为每个进程分配内存空间，在分配的过程中，要尽可能提高内存资源的使用效能。对于已经退出运行的进程所占据的内存空间，操作系统要把它们加以回收，重新使用。
②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。发生故障的程序越界到操作系统运行的内存空间，整个计算机系统有可能崩溃；某个程序具有恶意，比如是病毒程序，或者是外界的入侵程序，要防止它们危害其他用户和整个计算机系统。
③内存扩充
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。内存扩充借助于虚拟存储技术在逻辑上增加进程运行空间的大小，大小比实际的物理内存要大得多。（3）文件管理
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。
①文件存储空间的管理
为每个文件分配一定的外存空间，并且尽可能提高外存空间的利用率和文件访问的效能。文件系统设置专门的数据结构记录文件存储空间的使用情况。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字节或者几千字节的块为基本单位进行分配。
②目录管理
目录管理的主要任务就是给出组织文件的方法，它为每个文件建立目录项，并对众多的目录项加以有效的组织，以便为用户提供方便的按名存取。
③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
设备管理功能负责外部设备的分配、启动和故障处理，在操作系统中，它采用了中断技术、通道技术、虚拟设备技术和缓冲技术等技术，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。
除此之外，操作系统还要具备中断处理、错误处理等功能。操作系统的各功能之间存在着相互依赖的关系。（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。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。【真题演练】
操作系统为用户提供了多种接口，它们是（ ）。[2014年3月真题]
Ⅰ．计算机高级指令；Ⅱ．终端命令；Ⅲ．图标菜单；Ⅳ．汇编语言；Ⅴ．C语言；Ⅵ．系统调用
A．Ⅰ；Ⅱ；Ⅴ
B．Ⅱ；Ⅲ；Ⅵ
C．Ⅲ；Ⅳ；Ⅴ
D．Ⅱ；Ⅳ；Ⅵ【答案】B【解析】操作系统有两种接口，命令输入和系统调用，而命令输入又可以分为命令行和图形用户界面。终端命令是命令行，图标菜单是图形用户界面。所以只有Ⅱ、Ⅲ和Ⅵ正确。
1.2 操作系统的发展
考点1 手工操作
（1）发展二战期间，美、英、德等国陆续开始使用真空管建造数字电子计算机。在这个阶段，通过在一些插板上的硬连线来控制计算机的基本功能，程序设计全部采用机器语言，没有程序设计语言，更谈不上操作系统。到了20世纪50年代早期，出现了穿孔卡片，可以将程序写在卡片上。（2）特点
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。程序员兼职操作员，效率低下。其特点是手工操作、独占方式。后来人们开发了汇编语言及相应的汇编程序，以及其他一些控制外设的程序等。
考点2 监控程序（早期批处理）
此时，出现了FORTRAN、ALGOL以及COBOL等高级语言。早期运行一个作业（JOB，即一个或一组程序），程序员将程序写在纸上（用高级语言或汇编语言），然后穿孔成卡片（如图1-3所示），采用手工操作方式。图1-3 作业卡片示意图
由于处理器速度提高，手工操作设备输入/输出信息与计算机计算速度不匹配，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，这种自动定序的处理方式称为“批处理（Batch Processing）”方式。由于是串行执行作业，称为单道批处理。
考点3 多道批处理
多道是指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，如图1-4所示。计算机资源不再是“串行”地被一个个用户独占，而可以同时为几个用户共享。图1-4 多道程序处理
考点4 分时系统
分时系统（Time Sharing System）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，计算机能够为许多用户提供交互式快速的服务，同时在CPU空闲时还能运行大的后台作业。
考点5 UNIX通用操作系统
（1）简单介绍UNIX是现代操作系统的代表，显示出了强大的生命力。它用C语言编写，是可移植的。UNIX是世界上唯一能在笔记本计算机、个人计算机（PC）、工作站直至巨型机上运行的操作系统，是一个良好的、通用的、多用户、多任务、分时操作系统。（2）功能特点
UNIX有树形文件系统和一定的安全机制；有简洁的字符流文件和文件保护机制；UNIX有功能强大的shell，它既是命令解释器，又是编程用高级语言，还可用于扩充系统的功能。
考点6 个人计算机操作系统
20世纪70年代末期，出现了面向个人计算机的操作系统，例如微软公司的MS DOS操作系统。MS DOS属于单用户单任务操作系统。
1984年，出现了具有交互式图形功能的苹果操作系统。
1992年微软公司推出了有交互式图形功能的操作系统Windows 3.1。
1995年8月微软公司推出Windows 95，从此，Windows成为个人计算机平台的主流操作系统。
1991年在Internet上Linus公司公布Linux操作系统。Linux遵从国际UNIX标准POSIX，继承了UNIX的全部优点，开放全部源码。Linux极其健壮，是UNIX操作系统家族中具有自由版权的一个较突出的代表。
考点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操作系统由于其开放性和可移植性，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，一般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，又出现了许多类型的操作系统：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。
考点1 批处理操作系统
（1）基本工作方式批处理操作系统的基本工作方式是：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。这批作业可在系统中形成一个连续的、自动转接的作业流。系统操作员然后启动操作系统，系统自动、依次地执行每个作业。最后由操作员将执行完毕的作业结果交给用户。（2）特点与分类
①特点
批处理操作系统的特点是成批处理。在批处理系统中，用户自己不能干预自己作业的运行。这种处理方式延长了软件开发时间，更适用于成熟的程序。优点是作业流程自动化较高，资源利用率较高，作业吞吐量大，从而提高了整个系统效率。缺点是用户不能直接与计算机交互，不适合调试程序。
②分类
依据系统的复杂程度和出现时间的先后，可以把批处理操作系统分类为简单批处理系统和多道批处理系统。（3）设计思想
在操作系统发展的早期，简单批处理系统被称为监控程序。其设计思想是：在临控程序启动之前，操作员有选择地把若干作业合并成一批作业，将这批作业安装在输入设备上。然后启动监控程序，监控程序将自动控制这批作业的执行。在这种系统工作方式下，作业的运行以及作业之间的衔接都由监控程序自动控制，有效地提高了作业运行的效率。（4）作业控制说明书
在简单批处理系统中，作业的运行步骤由作业控制说明书来传递给监控程序。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。在运行过程中，监控程序读入并解释作业前面的这段作业控制说明书中的语句，以控制各个作业步的执行。
例：某用户的作业包括A、B两个程序段，A由汇编语言编写，B由FORTRAN编写。用户要求把两段程序分别汇编、编译之后链接成一个程序并运行它。这个作业说明书可以采取如下编写形式：
STEP1 ASM A
STEP2 FTN B
STEP3 LINK A，B，C
STEP4 RUN C（5）一般指令和特权指令
中央处理器运行模式（mode）通常分为用户模式和特权模式。在操作系统领域中，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：
①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。
②一般指令
用户程序只能执行一般指令。一旦用户程序需要执行特权指令，处理器会通过特殊的机制将控制权移交给监控程序。（6）系统调用的过程
①当系统调用发生时，处理器通过一种特殊的机制，通常是中断或者异常处理，把控制流程转移到监控程序内的一些特定的位置。同时，处理器由用户模式转变成特权模式。
②由监控程序执行被请求的功能代码。这个功能代码代表着对一段标准程序段的执行，用以完成所请求的功能。
③处理结束之后，监控程序恢复系统调用之前的现场；把运行模式从特权模式恢复成为用户方式；最后将控制权转移回原来的用户程序。（7）SPOOLing技术
SPOOLing（Simultaneous Peripheral Operating On-Line，同时的外部设备联机操作）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。SPOOLing技术如图1-5所示。图1-5 SPOOLing技术示意图【真题演练】
以下说法错误的是（ ）。[2014年3月真题]
A．系统调用是OS提供给用户程序的唯一接口
B．系统调用是OS内核中提供的一些系统子程序
C．系统调用必须通过执行系统调用命令，由软中断转向相应的系统调用处理程序，同时CPU的执行状态将从用户态转换为系统态
D．系统调用不会像一般的过程调用那样执行完后直接返回调用过程继续执行【答案】D【解析】一般的过程调用在被调用过程执行完后，将直接返回到调用过程继续执行；而对系统调用，如果用抢占方式，则在被调用过程执行完后，必须先对要求运行的进程做优先权分析，只有当调用进程仍具最高优先权时，才返回到调用进程继续执行；否则，将引起重新调度。
考点2 分时系统
（1）基本工作方式分时系统中，一台计算机主机连接了若干个终端，每个终端可由一个用户使用。用户通过终端交互式地向系统提出命令请求，系统接受用户的命令之后，采用时间片轮转方式处理服务请求，并通过交互方式在终端上向用户显示结果。用户根据系统送回的处理结果发出下一道交互命令。（2）设计思想
分时操作系统将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。通常处理器总是在一个极短的时间片内先于人的反应而处理完毕了用户发出的交互请求，并在终端屏幕上发出了相应的回应，所以每个用户并不感到有别的用户存在而影响了他对计算机的使用效率，似乎感觉到系统是被自己独占的。（3）特点
总体上看，分时操作系统具有多路性、交互性、独占性和及时性的特点：
①多路性
指有多个用户在同时使用一台计算机。从宏观上看是多个人同时使用一个处理器，从微观上看是多个人在不同时刻轮流使用一个处理器。
②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。
③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。
④及时性
指系统能够对用户提出的请求及时给予响应。（4）主要目标
分时操作系统追求的目标是及时响应用户输入的交互命令。用来衡量系统及时响应的指标是响应时间，即系统对一个输入的反应时间。在一个交互系统中，通常把用户从终端发出命令到系统给予回答所经历的时间定义为响应时间。响应时间越短越好。（5）分时与批处理
分时与批处理的处理原则是：分时优先，批处理在后。
①前台
系统的分时运行状态称为前台。处理终端用户的，交互式的，比较小的，但需要及时处理的作业，即分时作业称为前台作业。在系统的“前台”响应需频繁交互的作业，如大量终端的处理要求。
②后台
系统的批处理运行状态称为后台。需要运行时间较长，要调用其他外部设备的，比较大型，但无需终端用户干预的，且不需要立即处理的作业，即可以批量处理的作业，称为后台作业。“后台”处理对时间性要求不强的作业。
考点3 实时操作系统
（1）基本概念实时操作系统（Real Time Operating System，RTOS）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。（2）主要目标
实时操作系统主要目标是：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。（3）分类
实时操作系统主要有两类：
①硬实时系统
硬实时系统对关键外部事件的响应和处理时间有着极严格的要求，系统必须满足这种严格的时间要求，否则会产生严重的不良后果。时间精确度的要求通常会在微秒以下。
②软实时系统
软实时系统对事件的响应和处理时间有一定的时间范围要求，不能满足相关的要求会影响系统的服务质量，但是通常不会引发灾难性的后果。（4）能力
实时系统除了具有多道程序系统的基本能力外，还需要具有以下几方面的能力。
①实时时钟管理
实时系统的主要设计目标是对实时任务能够进行实时处理。实时任务根据时间要求可以分为定时任务和延时任务；依据任务功能的不同分为主动式任务和从动式任务。
②过载防护
实时系统在出现过载现象时，要有能力在大量突发的实时任务中，迅速分析判断并找出最重要的实时任务，然后通过抛弃或者延后次要任务以保证最重要任务成功的执行。
③高可靠性
高可靠性是实时系统的设计目标之一。实时操作系统的任何故障，都有可能对整个应用系统带来极大的危害。所以实时操作系统需要有很强的健壮性和坚固性。
考点4 嵌入式操作系统
（1）基本概念在各种电器、电子和智能机械上，嵌入安装着各种微处理器或微控制芯片。嵌入式操作系统（Embedded Operating System）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。（2）特点
嵌入式操作系统具有高可靠性、实时性、占有资源少、智能化能源管理、易于连接、低成本等优点。嵌入式操作系统的功能可针对需求进行裁剪、调整和生成，以便满足最终产品的设计要求。（3）开发环境
嵌入式操作系统通常配有对应的嵌入式操作系统开发环境。在开发环境中提供了源码级可配置的系统模块设计、多种的同步原语、可选择的调度算法、可选择内存分配策略、定时器与计数器、多方式中断处理支持、多种异常处理选择、多种通信方式支持、标准c语言库、数学运算库和开放式应用程序接口。用户可以使用嵌入式操作系统开发环境，设计开发出符合各种应用要求的定制嵌入式操作系统。（4）嵌入式操作系统与嵌入式系统
嵌入式操作系统是嵌入式系统（Embedded System）的控制中心，而嵌入式系统则是嵌入式操作系统、相应设备环境与应用环境的结合。（5）嵌入式操作系统应用
嵌入式操作系统在工业监控、智能化生活空间（信息家电、智能大厦等）、通信系统、导航系统等领域中的应用非常广泛，也极为重要。
考点5 个人计算机操作系统
（1）基本概念个人计算机操作系统（Personal Computer Operating System）是一种单用户多任务的操作系统。个人计算机操作系统主要供个人使用，功能强，价格便宜，在几乎任何地方都可安装使用。它能满足一般人操作、学习、游戏等方面的需求。（2）主要特点
个人计算机操作系统的主要特点是：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。
考点6 网络操作系统
（1）基本概念为计算机网络配置的操作系统称为网络操作系统。网络操作系统（Network Operating System）是基于计算机网络的，在各种计算机操作系统之上按网络体系结构协议标准设计开发的软件，它包括网络管理、通信、安全、资源共享和各种网络应用。（2）目标和功能
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。通过网络操作系统，用户可以使用网络中其他计算机的资源，实现相互计算机间的信息交换，从而扩大了计算机的应用范围。（3）计算机网络模式
①集中式模式
运算处理在主计算机里发生，终端仅作为输入/输出设备使用，通过连接两台或更多主机的方式构成计算机网络。
②分布式模式
每台计算机都有运算处理能力，多台计算机通过网络交换数据并共享资源和服务。网络环境中的计算机不仅能共享数据、资源及服务，还能够共享运算处理能力。
考点7 分布式操作系统
（1）基本概念分布式系统（Distributed System）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。为分布式系统配置的操作系统称为分布式操作系统（Distributed Operating System）。（2）特征
分布式操作系统是网络操作系统的更高级形式，分布式操作系统除了保持了网络操作系统的各种功能之外，还具备如下的特征：
①分布式操作系统是一个统一的操作系统，在系统中的所有主机使用的是同一个操作系统。
②实现资源的深度共享。
③透明性。在网络操作系统中，用户能够清晰地感觉到本地主机和非本地主机之间的区别。
④自治性。处于分布式系统中的各个主机都处于平等的地位，各个主机之间没有主从关系。一个主机的失效一般不会影响整个分布式系统。（3）功能
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。分布式操作系统可以使系统中的计算机相互协作，共同完成一个大型计算任务，即把一个计算任务分解成若干可以并行执行的子任务，让每个子任务分别在不同的计算机上执行。（4）优点
①分布式
分布式系统可以以较低的成本获得较高的运算性能。
②可靠性
由于有多个计算机系统，当一个计算机系统发生故障时，整个分布式系统仍旧能够工作。（5）集群（Cluster）
是分布式系统的一种。一个集群通常由一群处理器密集构成，集群操作系统专门服务于这样的集群。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。（6）网络操作系统与分布式操作系统不同
①概念上
概念上的主要不同之处在于网络操作系统可以构架于不同的操作系统之上，它可以在不同的本机操作系统上通过网络协议实现网络资源的统一配置。
②资源访问
网络操作系统并不要求对网络资源透明地访问。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，网络的概念在应用层被淡化了，所有资源，无论是本地的还是异地的，都用同一方式管理与访问，用户不必关心资源所在的真正物理位置。
考点8 智能卡操作系统
（1）智能卡智能卡（Smart Card），又称集成电路卡（Integrated Circuit Card，IC）。它将一个集成电路芯片镶嵌于塑料基片中，封装成卡的形式，其外形与覆盖磁条的磁卡相似。严格地讲，只有根据卡中的集成电路包括中央处理器CPU的IC卡才是真正的智能卡。在智能卡中的集成电路包括有中央处理器、存储部件以及对外联络的通信接口，如图1-6所示。智能卡实际上是一台卡上的单片微机系统。图1-6 一种智能卡的结构（2）智能卡操作系统
①基本概念
智能卡操作系统，又称片内操作系统（Chip Operating System，COS），通常智能卡的存储容量为若干千字节KB。常见的智能卡操作系统一般是根据某种智能卡的特点及其应用范围而设计开发的。
②指令标准及类型
智能卡操作系统的基本指令集由ISO/IEC7816-4国际标准给出，所提供的指令类型大致可分为：数据管理类、通信控制类和安全控制类。
③基本功能
一般而言，智能卡操作系统具有四个基本功能：
a．资源管理
管理卡的硬件资源和数据资源是智能卡操作系统的基本任务，智能卡上的硬件资源包括CPU，存储部件以及通信接口。
b．通信管理
主要功能是：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，也能为送回读写数据及应答信息自动添加传输协议所规定的附加信息。
c．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。
d．应用管理
包括对读写器发来的命令进行判断、译码和处理。智能卡的各种应用以专有文件形式存在卡上，各专有文件则由智能卡的指令系统中的指令排列所组成。
④处理过程
智能卡进行具体处理时，读写器与智能卡之间通过“命令—响应对”方式进行通信和控制，即读写器发出操作命令，智能卡接收命令，操作系统对命令加以解释，完成命令的解密与校验。然后操作系统调用相应程序来进行数据处理，产生应答信息，加密后送给读写器。
1.4 操作系统结构
操作系统的结构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整体式结构、层次式结构和微内核（客户机/服务器）结构：
考点1 整体式结构
（1）基本概念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。也称为模块组合结构。（2）主要优点
结构紧密，接口简单直接，系统效率较高。（3）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，从而造成了各模块间有着更为隐蔽的关系，要更换一个模块或修改一个模块都比较困难。
③由于模块组合结构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。系统中实际存在的并发也未能抽象出明确的概念，缺乏规格的描述方法，可适应性比较差。
考点2 层次结构
（1）基本概念层次结构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关系，不但操作系统的结构清晰，而且不构成循环调用，力求使模块间调用的无序性变为有序性。（2）优点
层次结构法增加了系统的可读性、可适应性和可靠性，而且对操作系统的每一步都建立在可靠的基础上。采用层次结构法设计的操作系统具有易于调试、易于修改、易于扩充、易于维护、易于保证正确性。（3）分层设计原则
层次结构的操作系统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为了增加操作系统的可适应性，并且方便于将操作系统移植到其他机器上，必须把与机器特点紧密相关的软件，如中断处理、输入输出管理等放在紧靠硬件的最低层。
②对于一个计算机系统来说，通常具有多种操作方式（例如既可在前台处理分时作业，又可在后台以批处理方式运行作业，也可进行实时控制），为了便于操作系统从一种操作方式转变到另一种操作方式，通常把三种操作方式共同要使用的基本部分放在内层，而把随三种操作方式而改变的部分放在外层。
考点3 微内核（客户机/服务器）结构
（1）基本概念采用客户机/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中，称为微内核结构。（2）典型操作系统
采用客户机/服务器结构模式的典型操作系统有卡内基-梅隆大学研制的Mach操作系统和Windows NT的早期版本。它们的共同特点如下：
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，如线程调度、虚拟存储、消息传递、设备驱动以及内核的原语操作集和中断处理等。这些部分通常采用层次结构并构成了基本操作系统，又称为微内核。
②运行在用户态的进程层
以客户机/服务器方式运行，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。客户机可以是一个应用程序，也可以是另一个服务进程。客户机进程与服务器进程之间通信采用发送消息进行。客户机进程发出消息，内核将消息传给服务进程。（3）优点
这种模式的优点在于，它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，直接的好处是：
①可靠
由于每个分支是独立的自包含的（分支之间耦合最为松散），所以即使某个服务器失败或产生问题，也不会引起系统其他服务器和系统其他组成部分的损坏或崩溃。
②灵活
便于操作系统增加新的服务功能。它们是自包含的，且接口规范；同时修改一个服务器的代码不会影响系统其他部分，可维护性好。
③适宜于分布式处理的计算环境
不同的服务可以运行在不同的处理器或计算机上，从而使操作系统自然地具有分布式处理的能力。（4）缺点
主要是效率较低。所有的用户进程只能通过微内核相互通信，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。【真题演练】
相对于传统操作系统结构，采用微内核结构设计和实现操作系统具有诸多好处，下列哪些是微内核结构的特点（ ）。[2015年3月真题]
I．使系统更高效；Ⅱ．添加系统服务时，不必修改内核；Ⅲ．微内核结构没有单一内核稳定；Ⅳ．使系统更可靠。
A．I、Ⅲ、Ⅳ
B．I、Ⅱ、IV
C．Ⅱ、Ⅳ
D．I、IV【答案】C【解析】微内核结构将操作系统的很多服务移动到内核以外（如文件系统），且服务之间使用进程间通信机制进行信息交换。I项错误，这种通过进程间通信机制进行信息交换影响了系统的效率。Ⅲ项错误，由于内核的服务变少了，且一般来说内核的服务越少内核越稳定。而Ⅱ、Ⅳ正是微内核结构的优点。
第2章 操作系统运行机制
考纲分析
1．内核态与用户态
2．中断与异常
3．系统调用接口
4．存储系统
5.I/O系统
6．时钟（Clock）考点精讲
2.1 中央处理器（CPU）
考点1 CPU的构成与基本工作方式
（1）CPU的构成一般的处理器由运算器、控制器、一系列寄存器以及高速缓存构成：
①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。
②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。
③寄存器
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
④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（Memory Management unit，MMU）管理，它的访问速度快于内存，低于寄存器，它利用程序局部性原理使得高速指令处理和低速内存访问得以匹配，从而大大地提高了CPU的效率。（2）处理器中的寄存器
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，以最大限度地减少程序运行时访问主存储器的次数，这对程序的运行速度影响很大。用户可见寄存器通常对所有程序都是可用的，由机器语言直接使用。它一般包括：
a．数据寄存器（Data Register）
有时又称为通用寄存器，主要用于各种算术逻辑指令和访存指令，对具有浮点能力和多媒体能力的处理器来说，浮点处理过程的数据寄存器和整数处理时的数据寄存器一般是分离的。
b．地址寄存器（Address Register）
用于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。例如变址寄存器（Index Register）、段指针（Segment Pointer）、栈指针（Stack Pointer）等。
c．条件码寄存器
保存CPU操作结果的各种标记位，这些标记在条件分支指令中被测试，以控制程序指令的流向。一般来讲，条件码可以被隐式访问，但不能通过显式的方式修改。
②控制和状态寄存器
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。处理器中有很多寄存器用于控制处理器的操作，多数处理器上，这些寄存器的大部分对于用户是不可见的，有一部分可以在某种特权模式（由操作系统使用）下访问。最常见的控制和状态寄存器包括程序计数器和指令寄存器：
a．程序计数器（Program Counter，PC）
记录了将要取出的指令的地址。
b．指令寄存器（Instruction Register，IR）
包含了最近取出的指令。
c．程序状态字（Program Status Word，PSW）
记录了处理器的运行模式信息等，有的处理器中它还包含了条件码。（3）指令执行的基本过程
处理指令最简单的方式包括两个步骤：处理器先从存储器中每次读取一条指令。然后执行这条指令。一个这样的单条指令处理过程称为一个指令周期。程序的执行由不断取指令和执行指令的指令周期组成。仅当机器关机、发生某些未发现的错误或者遇到停机相关的指令时，程序才会停止。如图2-1所示。图2-1 基本的指令周期
取指令取到的指令被放在处理器的指令寄存器中，指令中包含了处理器将要采取的动作的位，处理器于是解释并执行所要求的动作。这些指令大致可以分成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；
②I/O指令，它们负责处理器和I/O模块之间的数据传送和命令发送；
③算术逻辑指令，有时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，这种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，这种指令用于修改处理器状态，改变处理器工作方式等。
下面一段汇编程序，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。
考点2 特权指令和非特权指令
如果微型计算机用于多用户或多任务的多道程序设计环境中，它的指令系统中的指令必须区分成两部分：特权指令和非特权指令。特权指令是指在指令系统中那些只能由操作系统使用的指令。用户只能使用非特权指令，因为只有操作系统才能使用所有的指令（包括特权指令和非特权指令）。如果当一个用户程序使用了特权指令一般将引起一次处理器状态的切换，这时处理器通过特殊的机制将处理器状态切换到操作系统运行的特权状态（管态），然后将处理权移交给操作系统中的一段特殊代码，这一个过程形象地称为陷入（trap）。
考点3 处理器的状态
（1）管态和目态处理器在执行不同的程序时，根据运行的程序对资源和机器指令的使用权限而将此时的处理器设置为不同状态。多数系统将处理器工作状态划分为管态和目态：
①管态
一般指操作系统管理程序运行的状态，具有较高的特权级别，又称为特权态（特态）、系统态。当处理器处于管态时全部指令（包括特权指令）可以执行，可使用所有资源，并具有改变处理器状态的能力。
②目态
一般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。当处理器处于目态时，就只有非特权指令能执行。
此外，还有些系统将处理器工作状态划分为多个系统状态，例如核心状态、管理状态和用户程序状态（又称目标状态）三种，它们的具体含义与前面的双状态分级大同小异。不同处理器状态之间的区别在于赋予运行程序的特权级别不同，可以运行的指令集合也不相同，（2）CPU状态的转换
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]