全国计算机四级考试复习纲要四（1）

会计考友 · 发表于 2012-7-31 20:48:14

为了方便各位考生更好的复习，帮考网小编整理提供了全国计算机四级考试复习纲要四（1），以供各位考生复习参考，希望对考生复习有所帮助。
第四章考试要点
本章内容主要是：操作系统的功能、类型，多用户操作系统;进程及线程的概念，进程间的通信，进程管理，作业调度，作业控制，死锁;页式、段式、段页式存储，虚拟存储原理，地址转换机制，页面淘汰算法;文件和文件系统的概念，文件控制块，文件目录，文件分类与磁盘调度;输入输出控制方式，设备驱动程序，通道，中断，缓冲技术，SPOOLing系统;操作系统结构设计;网络操作系统;操作系统（DOS/Unix/Windows）的使用;操作系统技术发展。
一、操作系统的基本概念
1.引言
现代计算机系统由硬件和软件两部分构成。硬件指的是构成计算机系统的物理设备。操作系统控制和管理所有的系统硬件（如处理器、存储器、各种设备），也控制和管理系统中所有的软件，操作系统对计算机使用者提供了一种良好的操作环境，也为各种应用系统提供了基本的支持环境。操作系统在硬件之上建立了一个服务体系，为各种软件提供强有力的支持，呈现在用户面前的计算机是一个方便的、友好的环境界面。现代计算机系统中硬件与软件之间的关系可分成若干层次。硬件（裸机）在最里层，是计算机系统工作的物质基础，它的外面是操作系统，通过系统程序对计算机系统中各类资源（处理器、存储器、设备、数据等）进行管理和提供方便用户使用的多种服务功能，隐蔽对硬件的复杂操作，把裸机改造成功能更强，使用更方便的系统。
2.什么是操作系统
有几种不同的方法考察操作系统
（1）用户观点操作系统是用户与计算机之间的接口，有了操作系统，用户可以方便地使用计算机;在功能上，操作系统提供功能很强的系统调用，用户软件使用这些系统调用（也称管态）运行。
（2）资源管理观点操作系统是控制和管理计算机系统资源的程序，它的工作是当用户程序和其他程序争用这些资源时，提供有序的和可控的分配。

会计考友 · 发表于 2012-7-31 20:48:15

（3）进程观点操作系统环境中，常同时运行着多个程序（称为并发），这些同时运行的程序称为“进程”（process），或“任务”（task）。每个进程都完成各自的特定任务（如用户程序的运行，处理某个设备的输入输出……）。操作系统则控制和协调这些进程的运行。它从系统各部分可以并行工作为出发点，考虑管理任务的分割和相互之间的关系，通过进程之间的通信解决共享资源时带来的竞争问题。通常，进程可以分为用户进程和系统进程两大类。
（4）分层观点根据使用环境和对用户作业处理方式，操作系统的基本类型可能分为3大类：？批处理操作系统（batch processing operating system）;？分时操作系统（time sharing system）;？实时操作系统（real time system）随着网络技术的发展与普遍使用，共享网络资源的网络环境下的操作系统也已流行。网络环境下的操作系统又分成网络操作系统和分布式操作系统，网络操作系统是在各单机操作系统的基础上，按照网络体系结构的各个协议、标准进行开发，形成网络软件，包括网络管理、通信、资源共享、系统安全和多种网络应用等;分布式操作系统要求一个统一的操作系统，即废弃（或改造）各单机的操作系统，整个网络设有单一的操作系统。分布式操作系统负责全系统的资源分配和调度，为用户提供统一的界面。用户据此使用系统资源、完成所需任务。至于设备在何处用户是不必知道的，这称为位置透明性。分布式操作系统是一个逻辑上紧密耦合的系统。而网络操作系统用户则需指明欲使用哪一台计算机上的哪个资源。
3.操作系统的功能
操作系统的职能是管理和控制计算机系统中的全部硬件、软件资源，合理组织计算机工作流程，并为用户提供一个良好的工作环境和友好的接口，系统资源管理和提供用户界面是操作系统的功能要点。
（1）处理器（处理机）管理处理器是计算机系统的心脏，在单用户系统或单道系统中，处理器为一个用户或一个作业服务，其管理简单。为提高系统资源利用率，引入多道程序技术，即多个程序（作业）同时运行，他们争用处理器，就要解决对处理器分配调度策略、实施分配和回收资源。许多操作系统是以作业和进程的方式进行管理，实现作业和进程的调度，分配处理器，控制作业和进程的执行。现代的操作系统更引入线程（Thread）作为分配处理器的基本单位。基于操作系统对处理器管理策略的不同，其提供的作业处理方式也就不同，如简单的批处理方式、分时处理方式、实时处理方式、多道成批处理方式和网络环境下的处理方式。从而，呈现在用户面前的就是不同的操作系统。

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（2）存储管理计算机系统中，存储器（一般称为主存或内存）是运行程序、存放工作数据的，存储管理的工作主要是对主存储器进行分配、扩充和保护。系统中有多个程序（操作系统，实用程序和用户程序）共享存储器，它们彼此之间不能相互干扰和破坏，这就是存储保护问题。当计算机系统中运行的程序所需要的主存容量超过系统所提供的主存容量时，如何利用外部存储器作为主存的后援，为用户提供一个容量比实存（实际内存）大得多的虚存（虚拟存储器），让用户可运行一个比实存大的用户作业，这就是内存扩充问题。
（3）设备管理现代计算机系统常常配置很多种类的输入输出设备，它们的输入输出速度差别很大，计算机系统常常采用通道、控制器、设备三级控制方法管理这些设备，设备管理的任务就是监视这些资源的使用情况，根据一定的分配策略，把通道、控制器和设备分配给请求输入输出操作的程序，并启动设备完成所需的操作。为了发挥设备和处理机的并行工作能力，常常采用缓冲技术和虚拟技术。
（4）文件管理（信息管理）用户使用计算机系统处理数据（信息），这些数据和程序作为文件储存在外部存储器（如磁盘、磁带、光盘等）上，文件管理的任务是管理文件的存储空间，提供信息的共享和保护，允许多个用户协同工作又不引起混乱。
（5）用户接口（工作管理）上述四项功能是操作系统对硬、软件资源的管理，操作系统也必须为用户提供一个友好的用户接口———命令接口和图形接口。一般，用户通过两种命令接口请求操作系统的服务。一种接口是作业一级的接口，即提供一组操作命令，如UNIX和Linux的shell命令语言或作业控制语言（JCL）让用户组织和控制自己作业的运行。作业控制又分成两类;联机控制和脱机控制。另一种接口是编程接口，即提供一组系统调用命令（又称进管指令SVC）供各种程序（实用程序，应用程序和用户程序等）调用，请求操作系统的服务，这些服务常可分成：处理器服务（作业、进程、线程管理），存储服务，设备服务，文件服务，用户界面服务，异常处理服务，其他类型服务等。
4.操作系统的工作原理
操作系统的基本特征是并发和共享。并发的意思是存在许多同时的活动（或并行的活动）;输入输出操作和处理器运行并行活动;在主存中同时驻留几道用户程序等都是并发的例子。并发活动会要求共享资源和信息，这就能提高资源的利用率。多道程序可以并发而共享资源，一个用户的任务也可以组织成几个子任务并发工作而提高运行效率。程序这样运行时，不能使输入设备，处理器和打印机并行工作，若忽略处理器加工数据的处理时间，则完成一批数据加工的时间为输入输出设备耗时的总和，若将这个计算任务分成3个子任务，并引入缓冲技术：输入子任务从输入设备读一批数据到输入缓冲区，处理子任务则把输入缓冲区中的数据处理后放入输出缓冲区，打印子任务则打印输出缓冲区中的内容，从而输入子任务可以与打印子任务并发工作，使完成一批数据加工的时间近似于较慢的设备速度。程序的并发执行，发挥了处理器与输入输出设备并发工作的能力，使系统的效率提高。多个计算程序同时驻留在主存储器中并行执行的程序设计方法称为多道程序设计，这种系统称为多道程序系统。多道程序系统能充分发挥处理器的利用效率，提高系统资源的利用效率。既然他们同处在一个系统中，一个任务（或子任务）的执行会受到其他任务（或子任务）的影响（又称为制约）。

会计考友 · 发表于 2012-7-31 20:48:17

5.操作系统的硬件基础
现代计算机系统设备的发展异常迅速，导致了控制技术的发展，设备控制的基本技术是中断。
（1）中断的基本概念在计算机系统中，中断是改变处理器执行指令顺序的事件，被打断的程序可以在将来某个时候（可能在中断处理完成后立即或推迟，这是由操作系统控制的）恢复执行。计算机系统的中断既来自系统内部，也来自系统外部，分别称为内部中断和外部中断。①内部中断是系统本身在工作过程中出现的各种需要紧急处理的事件：一种是由于运行程序发生意外而产生的，另一种是运行程序需要发生的。内部中断也称为软件中断。②外部中断是由于硬件方面的原因，故也称为硬件中断，硬件中断往往是随机发生的，不是由正在运行的程序所控制的。外部中断和由于运行程序产生的例外中断常常称为强迫中断，而运行程序主动要求而产生的中断称为自愿中断。外部中断可进一步分成可屏蔽中断和不可屏蔽中断。不可屏蔽的中断是一些最紧急最重要的中断，如掉电等。可屏蔽的中断通过处理器内部的中断许可状态确定响应中断的次序或者不响应一些不重要（或不紧急）的中断请求。
（2）中断的响应与处理引起中断的事件（即原因）称为中断源。目前，大多数系统都采用中断向量的技术，所谓中断向量，实际上是一种指针，就是由硬件对不同的中断源将控制转移到不同的中断处理程序入口地址。所有的中断向量构成一个中断向量表，它们通常存放在一个专门的存储区域中，这个区域的地址可以是固定的;相应的处理程序的入口地址通常是在系统引导过程中，通过对系统配置的检测，得到系统中设备配置的情况，在操作系统装入过程中，填写中断向量表中的指针内容。中断处理程序对中断事件的处理分两步进行。第一步是保护好被中断程序的现场信息，即保存被中断程序的寄存器以及PSW（程序状态字）的内容，以保证被中断程序以后能继续运行;第二步是具体处理中断。中断处理完成后，处理器分配给发生中断时正在运行的进程，还是分配给另一进程，这取决于被中断的进程是可剥夺的还是不可剥夺的。如果是不可剥夺的，它重新得到处理器，否则，可能被别的进程（如优先级更高）夺得处理器。
二、进程管理
1.程序、进程和处理器
程序是指令的集合，每一程序完成确定的任务。在只允许一个程序运行的系统（称为单道系统）中，这个程序独占系统资源，而系统按程序的指令顺序运行，程序的顺序执行有两个基本特征，即程序的封闭性和程序的可再现性。封闭性是指程序运行时独占系统资源，只有程序本身能改变系统的状态;可再现性是指程序运行不受外部因素影响，只要初始条件相同，运行结果就相同。多道程序系统让多个程序在系统中轮流运行，当一个程序不用处理器时，另一个程序就使用。也就是说，处理器在程序间切换，从而获得宏观上的并行（微观上的串行），以提高处理器的利用率。这种切换，通常是由中断引起的。由于中断是以不可预测的次序发生，即程序的指令序列也以不可预测的次序前进，这样就会产生操作系统的另一特性：不确定性。即在多道程序系统中，顺序程序的封闭性和可再现性消失了。需要采用一个新的概念———进程来描述程序的执行，进程是运行中的程序。
2.进程间的通信
在操作系统中，进程是可以独立运行的程序单位，系统中的各个进程并不是相互隔离的：一方面它们相互竞争使用有限的资源，如处理器、存储器、设备或文件等;另一方面，它们可能相互协作以达到用户作业预期的目的。因此，进程之间需要某种形式的通信。进程之间直接发生联系的称为相交进程（又称相关进程），否则为不相交进程。相交进程需要协调彼此间的相对运行速度，存在着直接制约的关系。不相交进程之间的联系将表现在资源使用上的间接制约关系。
（1）互斥多道系统中，各进程可以共享各类资源，但有些资源却一次只能供一个进程使用。这种资源常常称为临界资源，如打印机、公共变量、表格等。互斥是要保证临界资源在某一时刻只被一个进程访问。

会计考友 · 发表于 2012-7-31 20:48:18

（2）同步一般一个进程相对于另一个进程的速度是不可预测的，也就是说，进程之间是异步运行的。为了成功地协同工作，有关进程在某些确定的点上应当同步它们的活动：一个进程到达了这些点后，除非另一进程已完成了某个活动，否则就停下来，以等待该活动结束。
（3）死锁当若干进程竞争使用资源时，可能产生下述情况：每个进程要求的资源都已被另一进程占用，于是也就没有一个进程能继续运行。这种情况称为死锁。
3.信号量与P，V操作
用顺序程序设计技术处理同步与互斥是十分困难的，为此引入信号量概念：信号量是一种特殊的变量，它的表现形式是一个整型变量及相应的队列：除了设置初值外，对信号量只能施加特殊的操作：P操作和V操作，P操作和V操作都是不可分割的原子运行，也称为原语（有时分别记为down（）和up（）或wait（）和signal（））。P操作的作用是将信号量S的值减1，若S的值成负数，则调用P操作的进程暂停执行，直到另一个进程对同一信号量作V操作。V操作的作用是将信号量S的值加1，若S的值小于等于0，从相应队列（关于S的队列）中选一个进程，唤醒它。
（1）互斥为了保护共享资源（如公共变量等），使它们不被多个进程同时访问，就要阻止这些进程同时执行访问这些资源的代码段，这些代码段称为临界区，这些资源称为临界资源。对临界资源访问的互斥要求可视作执行临界区的互斥要求。利用信号量可以方便地实现互斥临界区的管理要求。例如，令信号量mutex的初值为1，于是临界区就改写成下列形式的代码段。P（mutex）;临界区V（mutex）;由于mutex初值为1，P、V是原子操作，确实可以实现互斥。
（2）同步最简单的同步形式是：进程A在另一个进程B已到达点L2以前，不应前进到超过点L1。对此，可以令信号量proceed初值为0，实现这种同步的程序形式是：进程A L1:P（proceed）; … …进程B L2:V（proceed）; … …更复杂一点的同步问题是单缓冲的生产者、消费者问题。
4.高级通信原语
P、V操作是用来协调进程间关系的，编程较困难而且没有信息交换，故常称为低级通信原语。此外，P、V操作必须有共享存储器，而高级通信原语则提供两种通信方式：有缓冲区的通信和无缓冲区的通信。
（1）有缓冲区的通信方式中，有原语：
Write（Buffer_Name，Variable）等缓冲区空再存入
Read（Buffer_Name，Variable）等缓冲区满再取出
（2）无缓冲区的通信，又称为消息传递，有原语：
Send（Who，Message）发送消息给指定进程或一组进程
Receive（Who，Message）从约定进程接收消息有的系统还提供带标记的发送，有Send（Who，Message，Tag）用Tag可指定发送进程是否要等待接收进程取到内容以后再继续运行。一般接收者总是要等待消息到达后才继续运行。

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