Operating-System/Homework/01第一章 操作系统概述.md

第一章 操作系统概述

一、知识讲解

1.1 操作系统的概念

1.1.1 操作系统的地位

操作系统在计算机系统中处于"中间层"位置：位于硬件抽象层（HAL, Hardware Abstraction Layer）之上，所有其它软件层之下。

可以从两个视图理解：

• 运行视图：硬件之上有系统库（lib）和操作系统，应用程序可以调用 lib 和操作系统，从而执行硬件指令。系统库是对 OS 部分功能的轻量封装（如 C 标准库对系统调用的包装）。
• 体系结构视图：自底向上为 硬件 → HAL → 操作系统 → 系统服务/系统库 → 应用程序。操作系统起到承上启下的作用：向下管理硬件，向上提供服务。

易考点：操作系统的"位置"是系统软件，是离硬件最近的系统软件，但不是硬件本身。

1.1.2 操作系统的作用

操作系统的两大基本作用：

1. 管理系统中各种软硬件资源
   • CPU 管理：一个 CPU 多个可运行程序——通过进程/线程调度实现 CPU 的多路复用。
   • 内存管理：使各进程空间相对独立，同时支持共享（如共享库、共享内存区）。
   • 设备管理：设备的分配、驱动、I/O 控制。
   • 文件管理：实现文件系统，支持文件操作（创建、读、写、删除、权限控制等）。
2. 为用户（应用程序）提供良好的服务（界面）
   • API（系统调用）：如 open/read/write/fork/exec。
   • GUI（图形用户界面）、行式命令（ls, cd, cat, vi, rm, mount 等）。
   • JCL（作业控制语言）：用于批处理系统。

1.1.3 操作系统的定义

操作系统是位于硬件层（HAL）之上、所有其它软件层之下的一个系统软件，是管理系统中各种软硬件资源、方便用户使用计算机系统的程序集合。

历史曾用名：Operating Supervisor、Monitoring Program（监控程序、监督程序）。

易错点：操作系统是"程序集合"（大量代码），不是单个程序。它不是硬件，不是应用软件，是系统软件。

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1.2 操作系统的历史

1.2.1 操作系统的产生

(1) 手工操作阶段（20世纪40年代，无操作系统）

作业处理步骤：

1. 程序、数据 → 穿孔机 → 纸带；
2. 穿孔纸带 → 光电机 → 机器内存；
3. 控制台开关启动第一条指令；
4. 运行结果在电传打字机上输出。

缺点：① 资源独占；② 手工费时。

经典例子：

• 一个作业在 1000 次/秒的机器上运行需要 1 小时，手动操作时间 4 分钟，手动与运行时间比为 1:15。
• 若计算机速度提高到 60 万次/秒，同样程序运行只需 6 秒，而手动操作时间不变，比例变为 40:1。
• 结论：随着 CPU 速度提升，手工操作成为瓶颈，必须引入操作系统来接管。

(2) 批处理阶段（20世纪50年代，操作系统雏形）

• 联机批处理：
  • 优点：摆脱了人工干预（作业过渡无人工干预）。
  • 缺点：I/O 操作慢，主机等待时间长（CPU 与 I/O 串行）。
• 脱机批处理：
  • 优点：减少主机等待 I/O 操作时间（用卫星机做 I/O，主机只做计算）。
  • 缺点：① 人工搬动磁带；② 需要额外的卫星机。

(3) 执行系统阶段（20世纪60年代初期）

• 通道（Channel）：专门用于控制 I/O 设备的处理机（I/O 处理机）。
  • 有自己的指令系统和运控部件；
  • 与主机共享内存；
  • 接受主 CPU 委托执行通道程序，完成 I/O；
  • 通道 I/O 操作与主 CPU 并行；
  • 通道完成 I/O 时向主机发中断请求。
• 假脱机 SPOOLing（Simultaneous Peripheral Operation On-Line）：既非联机，也非脱机。
• 意义：通道和中断技术的出现，使操作系统进入初级阶段。

1.2.2 操作系统的完善

类型	出现年代	关键思想	主要问题
多道批处理系统	60 年代初期	主机中同时放多个作业	互斥、同步、通讯、死锁、饥饿、饿死
分时系统	60 年代初、中期	一台主机，多个终端，交互式	响应时间
实时系统	60 年代中期	满足时间约束条件	可靠性
通用操作系统	60 年代后期	三类系统结合	复杂度

关键判断：多道批处理系统的出现，标志着操作系统走向成熟——从单道到多道，是质变而非量变，由此带来一系列复杂问题（互斥、同步、通讯、死锁、饥饿、饿死）。

1.2.3 操作系统的发展

• 计算机体系结构由集中向分散 → 出现网络操作系统、分布式操作系统。
• 家用和商用微型计算机普及 → 出现单用户多任务操作系统。
• 大型计算任务需要更强算力 → 出现多处理机（并行）操作系统。
• 处理器芯片和存储介质在控制领域应用 → 出现微内核体系结构，衍生嵌入式和智能卡操作系统。
• 后摩尔时代 → 多核技术兴起，新一代 OS 面临：多核的并发控制、多核下的进程调度。

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1.3 操作系统的特性（4 大特性，常考）

(1) 并发性（Concurrency）

• 多个程序在宏观上同时向前推进。
• 区分：
  • 并发（Concurrent）：宏观同时，微观交替（单核下分时交替执行）。
  • 并行（Parallel）：宏观微观都同时（多核/多 CPU 下物理同时执行）。
• 并发情形：用户程序与用户程序并发；用户程序与 OS 并发；OS 与 OS 并发。
• 并发是 OS 最重要的特性，其它三个特性都源自并发。

(2) 共享性（Sharing）

• 多个程序共用系统中的各种软硬件资源。
• 共享必须在 OS 的协调和控制下进行。
• 共享方式：
  • 互斥共享（如打印机）：一段时间内只允许一个进程访问。
  • 同时访问（如磁盘、代码段）：宏观上多个进程可同时访问。

(3) 异步性（Asynchronism，随机性）

• 多个程序以不可预知的速度向前推进。
• 原因：并发执行 + 系统中断 + 资源争用 → 程序走走停停，运行时长不可预知。
• OS 必须保证：即使在异步情况下，只要环境相同，重复运行应得到相同结果（结果可重现性）。

(4) 虚拟性（Virtual）

• 把一个实的资源改造为多个虚的资源。
• 典型例子：
  • 一个实的 CPU → 多个虚的 CPU（分时复用）。
  • 内存 + 外存 → 虚存。
  • 独占设备 + 共享设备 → 虚拟设备（数量多、速度快）。

记忆口诀：并发是基础，共享是表现，异步是结果，虚拟是手段。

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1.4 操作系统的类型

1.4.1 多道批处理系统（Off-line batch）

• 作业（Job） = 程序 + 数据 + 说明书（用 JCL 编写）。
• 结果 = 程序运行结果 + 记帐信息。
• 输入井 / 输出井：磁带或磁盘上的缓冲区域。
  • 输入井作用：缓冲（速度匹配）+ 作业调度（Job Scheduling）。
  • 输出井作用：缓冲（速度匹配）。
• 主机中作业合理搭配：
  • 目标 1：提高资源利用率（如计算型 + I/O 型搭配）。
  • 目标 2：提高吞吐量（Throughput）。
• 特点：多道（同时容纳多个作业）+ 成批（分批进入系统）。

1.4.2 分时操作系统（Time-Sharing，On-line）

• 一台主机连接多个终端。
• 界面 1：交互式命令语言（如 shell、command）。
• 界面 2：图形用户界面（GUI）。
• 特点：
  • 多路性：一个主机与多个终端相连。
  • 交互性：以对话方式为用户服务。
  • 独占性：每个终端用户仿佛拥有一台虚拟机。
• 典型系统：CTSS（MIT）、Multics（MIT）、UNIX。

1.4.3 实时操作系统（Real-Time OS）

应用领域：

• 实时控制：工业控制、军事控制、医疗控制……
• 实时信息处理：航班订票、联机情报检索……

关键指标：t2 - t1（响应时间，response time）。

特点：

• 响应及时（Prompt Response）：必须在规定时限内完成。
• 可靠性高（High Reliability）：不容许出错，常用于关键任务。

1.4.4 通用操作系统（Multi-Purpose OS）

• 同时具有分时、实时、批处理功能。
• 目标：提高处理能力，扩展应用领域。
• 常见模式：
  • 分时（前台）+ 批处理（后台）（如 DEC 的 VMS、HP 的 GCOS-8）。
  • 实时（前台）+ 批处理（后台）。

1.4.5 单用户操作系统

• 同一时刻仅有一个用户使用的系统。
• 应用：台式机、笔记本……
• 特点：单用户、多进程、多线程。
  • 不同的程序 → 不同的进程。
  • 相同的程序 → 不同的线程。

1.4.6 网络操作系统（Network OS, NOS）

• 建立在宿主操作系统之上的、提供网络通讯、网络资源共享、网络服务的软件包。
• 目标：相互通讯、资源共享、提供网络服务。
• 例子：database server、FTP server、e-mail server、telnet server。
• 缺点：No Transparent View（用户必须显式知道资源在哪里）。

1.4.7 分布式操作系统（Distributed OS, DOS）

耦合方式	来源	是否公共内存	是否公共时钟	典型系统
紧耦合（Tightly Coupled）	多机系统（多 CPU）	有	有	多处理机 OS
松散耦合（Loosely Coupled）	计算机网络（多 Host）	无	无	分布式 OS

分布式 OS 特征：

• 统一的操作系统。
• 资源的进一步共享（内存、CPU）。
• 可靠性高。
• 透明性（用户像使用单机一样使用整个系统）。

目标：进一步共享资源、负载均衡、计算加速。 途径：迁移（Migration）——作业迁移、进程迁移（线程一般随同进程迁移）。 例子：Solaris MC。

1.4.8 多处理机操作系统

• 多处理机系统：具有公共内存的多 CPU 系统。
• 对称多处理机系统（SMP, Symmetric Multi-Processor）：没有主从关系的多处理机系统。
• 多处理机 OS：有效管理和使用多个 CPU 的 OS。
• 复杂性：多个主动体（CPUs）相互协作。
• 例子：UNIX、Linux、Windows。

1.4.9 嵌入式操作系统

• 嵌入在掌上电脑、通讯设备、车载系统、信息家电等非计算机类设施上的 OS。
• 特点：微内核结构（Micro-kernel），许多 OS 功能（文件系统、设备驱动）以应用程序模式运行。
• 优缺点：核心小（基本内存管理、CPU 管理、通讯程序）、适应范围广、可靠性高，但效率低。
• 例子：Win CE .NET（微软"维纳斯"）、PalmOS、HOPEN（中科院钟锡昌"女娲"）。

1.4.10 多媒体操作系统

• 定义（百度百科）：具有一般 OS 功能，还具有多媒体底层扩充模块，支持多媒体信息的采集、编辑、播放和传输。
• 注意：多媒体 OS 不是一种独立的 OS 类型，是现代 OS 的一种特性。

1.4.11 智能卡操作系统

• 智能卡：含 CPU 芯片 + ROM。
• 面向 Java 的智能卡：JVM 解释程序，下载 Java applet 并执行。
• SC-OS：支持多个 applet 并发执行，进行必要的资源管理。

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1.5 操作系统的运行环境

1.5.1 定时装置

• 绝对时钟：记载实际时间，不发中断。系统操作员可修改，供一般用户使用。
• 间隔时钟：定时发生中断，一般间隔单位为"毫秒"。
• 关键作用：间隔时钟是实现多道程序的基础——保证操作系统获得控制权。其它中断何时发生没有保障，但间隔时钟中断是确定性的。

1.5.2 系统栈（System Stack）

• 作用：保存中断现场、函数调用返回点、参数、局部变量、返回值。
• 位置：操作系统区域。
• 例子：UNIX 中的 PPDA（Per-Process Data Area，含 user 区与系统栈）。
• 与堆（heap）对比：
  • 栈：自动分配/释放，存放局部变量、函数参数、返回地址，LIFO。
  • 堆：手动分配/释放，存放动态对象，需程序员或 GC 回收。

1.5.3 特权指令与非特权指令

类型	执行权限	影响	例子
特权指令（Privileged）	只有管态才能执行	影响系统状态	关中断、置程序状态字、停机、I/O
非特权指令（Non-Privileged）	所有程序可用	不影响系统状态	取数、四则运算

易错点：用户程序若在用户态执行了特权指令，会触发陷入（trap），OS 视作非法指令并杀死进程。

1.5.4 处理机状态及状态转换

• 系统态（System Mode，又称管态、核态、核心态）。
• 用户态（User Mode，又称目态、常态）。
• 状态转换：
  • 管态 → 目态：置程序状态字（PSW），由特权指令完成（OS 主动放弃特权）。
  • 目态 → 管态：中断、Trap（系统调用、异常、陷入）。
• Dual-Mode Operation：现代 OS 都必须支持的两种模式。
• 例子：
  • IBM 360/370 PSW 状态位（第 15 位）：0=系统态，1=用户态。
  • Modern PC 支持 4 个特权级 R0（最强）、R1、R2、R3（最弱），但目前仅使用 R0 和 R3。

1.5.5 地址映射机构

• 逻辑地址（虚地址） → 物理地址（实地址）。
• 逻辑地址：程序中产生的地址（程序员视角）。
• 物理地址：存储器实际地址（硬件视角）。
• 软件映射可行但效率低，所以常用硬件辅助（MMU）完成。

1.5.6 存储保护设施

• 目的：
  • 防止应用程序侵犯 OS 空间；
  • 防止应用程序侵犯其它用户空间。
• 实现方式：
  • 越界检查：地址是否在合法范围内。
  • 越权检查（对共享区域）：是否有权访问。

1.5.7 中断装置

• 发现并响应中断的硬件机构。
• 处理流程：
  1. 当前（PSW，PC）→ 系统栈（保存现场）；
  2. 中断向量（PSW，PC）→ 寄存器（装入新值）。
• 中断是 OS 得以运行的唯一主动方式（无中断则 OS 永远得不到 CPU）。

1.5.8 通道与 DMA

特性	通道（Channel）	DMA
是否独立指令系统	有（通道指令系统：读/写/控制/转移）	没有
传输单位	较复杂，灵活	简单块传输
工作方式	可执行通道程序	仅在两块内存间搬数据
部件	有运控部件、CAW/CCW/CSW/CDW	简单控制器

• 通道的 4 类字：
  • CAW：通道地址字（Channel Address Word）。
  • CCW：通道命令字（Channel Command Word）。
  • CSW：通道状态字（Channel Status Word）。
  • CDW：通道数据字（Channel Data Word）。

1.5.9 I/O 保护

• 定义所有 I/O 指令为特权指令。
• 目的：方便使用、防止发生冲突（多进程同时操作同一设备）。
• 用户进程必须通过系统调用间接使用 I/O 设备。

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1.6 操作系统的界面形式

(1) 交互终端命令（Command Language）

例：UNIX Shell，$ 命令名 -选项 参数。

(2) 图形界面（GUI, Graphic User Interface）

如 Windows、macOS 的桌面系统。

(3) Shell Interface 优点

• 缩小核心（命令解释器在用户态，不进内核）。
• 不同用户可以选择不同界面（多种 shell 共存）。
• cc（编译器）与 shell 都属于目态进程，二者具有父子关系（shell fork+exec 出 cc）。

(4) 作业控制语言（JCL, Job Control Language）

语句类型	作用	备注
作业标识语句	用户标识、作业标识、帐号	—
作业步语句	编译、连接装配、执行	一般对应子进程
资源描述语句	内存需求、计算时间、其它资源	—
Goto 语句	正向转移	作业控制无循环

(5) 系统调用命令（OS API）

• 高级语言形式：fd = open(file_name, mode)
• 汇编语言形式：准备参数 → trap n → 取返回值
• 关键：用户态 → 管态的转换（通过 trap/syscall 指令）。

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1.7 操作系统的运行机理

核心循环：

程序 1 运行 → 发生中断 → 保存程序 1 现场 → 选择程序 P2 →
恢复程序 2 现场 → 程序 2 运行 → ...（循环）

本质：中断是操作系统运行的驱动力。没有中断，OS 永远得不到 CPU。

PSW（Program Status Word，程序状态字）：置 PSW 即可完成管态/目态的切换。

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1.8 研究操作系统的几种观点（重点简答）

观点	核心思想	关键词
进程观点	OS 支持进程、支持进程间协同	互斥、同步、通讯
资源管理观点	OS 是资源管理者	方便使用、防止冲突
虚拟机观点	OS 是对硬件的第一次扩充	虚资源（多虚 CPU、虚存、虚设备）

• 单个实的 CPU → 多个虚拟 CPU。
• 内存 + 外存 → 虚拟存储。
• 独占设备 + 共享 → 虚拟设备。

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1.9 系统举例（Linux / Windows）

1.9.1 Linux 系统

• 历史：
  • 1991, 0.01 版：运行于 Intel 80386，仅支持 Minix 文件系统，有限设备驱动，无网络支持。
  • 1994, 1.0 版：支持 UNIX 标准 TCP/IP、BSD 兼容 socket、SCSI 高效访问。
  • 1995, 1.2 版：最后一个仅在 PC 平台运行的 Linux。
  • 1996, 2.0 版：运行于多种平台，支持 SMP、核心级线程、模块动态连接（Sun Sparc、PowerMac 等）。
• 特点：
  • 源代码开放、免费；
  • 系统稳定可靠；
  • 速度快、效率高；
  • 内核模块化好，允许第三方配置文件系统及设备管理程序；
  • 功能完善；
  • 具有网络支持优势；
  • 标准化好。

1.9.2 Windows 10 系统

• 基于 NT 技术构建的面向个人计算机平台的 OS，本质上属于单用户系统，但可以组网并提供网络服务。
• 特点：
  • 具有多任务（包括多进程、多线程）管理功能，支持对称多处理；
  • 支持客户/服务器计算模式；
  • 在设计上大量采用了面向对象思想，提供友好的图形操作界面；
  • 不是"纯"的微内核结构，许多系统服务功能已被放入核心。

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二、考点总结

考点 1：操作系统的定义与地位

• 内容：操作系统是位于硬件层（HAL）之上、所有其它软件层之下的系统软件，是管理系统中各种软硬件资源、方便用户使用计算机系统的程序集合。
• 考查方式：选择、填空、简答。
• 可能的题目：
  1. 填空：操作系统是位于 ______ 之上、所有其它软件层之下的一个系统软件。
     • 答：硬件抽象层（HAL）。
  2. 简答：请用一句话说明操作系统的定义。
     • 答：操作系统是位于 HAL 之上、所有其它软件层之下的系统软件，是管理系统中各种软硬件资源、方便用户使用计算机系统的程序集合。

考点 2：操作系统的四大特性

• 内容：并发性、共享性、异步性（随机性）、虚拟性。
• 考查方式：选择、填空、简答。
• 可能的题目：
  1. 选择：下列不属于操作系统基本特性的是（）。 A. 并发性 B. 共享性 C. 实时性 D. 异步性
     • 答：C（实时性是 OS 类型而非特性）。
  2. 简答：简述操作系统的四大基本特性及其相互关系。
     • 答：① 并发性（多个程序宏观同时推进）；② 共享性（多个程序共用软硬件资源）；③ 异步性（程序以不可预知速度推进）；④ 虚拟性（把实资源改造为多个虚资源）。并发是基础，共享是表现，异步是结果，虚拟是手段。
  3. 填空：操作系统四大特性中，______ 是基础，其它特性由其衍生。
     • 答：并发性。

考点 3：并发与并行的区别

• 内容：并发是宏观同时、微观交替（单核）；并行是宏观微观都同时（多核/多 CPU）。
• 考查方式：选择、填空。
• 可能的题目：
  1. 选择：在单核 CPU 系统中，多个程序的执行体现了（）。 A. 并行性 B. 并发性 C. 同步性 D. 共享性
     • 答：B。
  2. 填空：多核 CPU 上两个程序同时运行称为 ______；单核 CPU 上两个程序交替运行称为 ______。
     • 答：并行；并发。

考点 4：操作系统发展历史中的关键阶段

• 内容：手工操作 → 联机批处理 → 脱机批处理 → 执行系统（通道+中断）→ 多道批处理 → 分时 → 实时 → 通用 OS。
• 考查方式：选择、填空、简答。
• 可能的题目：
  1. 填空：操作系统的产生经历了 ______、联机批处理、脱机批处理、执行系统阶段。
     • 答：手工操作阶段。
  2. 选择：操作系统的出现标志着其走向成熟的阶段是（）。 A. 手工操作 B. 联机批处理 C. 多道批处理 D. 分时系统
     • 答：C。
  3. 简答：什么是 SPOOLing？它解决了什么问题？
     • 答：SPOOLing（Simultaneous Peripheral Operation On-Line，假脱机）通过磁盘上的输入井/输出井，将独占设备改造成可共享的设备，使 I/O 与计算并行，解决了早期批处理中 I/O 慢导致主机等待的问题。

考点 5：手工操作阶段的瓶颈

• 内容：随着 CPU 速度提升，手工操作时间成为瓶颈，必须引入 OS 接管。
• 考查方式：选择、填空、计算分析。
• 可能的题目：
  1. 计算分析：若作业运行时间 1h，手工操作 4min，则比例 1:15。当 CPU 速度提高 600 倍后，作业运行只需 6s，而手工操作仍 4min，比例为 40:1。这说明了什么问题？
     • 答：随着 CPU 速度提升，手工操作与程序运行时间比例急剧扩大，手工操作成为严重瓶颈，必须引入操作系统实现自动化作业管理。

考点 6：多道批处理 vs 分时 vs 实时

• 内容：
  • 多道批处理：多道 + 成批，无交互，追求吞吐量和资源利用率。
  • 分时系统：多路 + 交互 + 独占（多终端共享主机），追求响应时间。
  • 实时系统：追求严格的响应时限和高可靠性。
• 考查方式：选择、填空、简答。
• 可能的题目：
  1. 选择：航班订票系统属于（）。 A. 多道批处理 B. 分时系统 C. 实时系统 D. 网络系统
     • 答：C。
  2. 简答：比较分时系统与实时系统的特点。
     • 答：分时系统强调多路性、交互性、独占性，追求较快响应（如秒级），用于通用计算；实时系统强调严格时限和高可靠性（毫秒级甚至更短），用于工业控制、军事、订票等关键任务。

考点 7：单用户/网络/分布式/多处理机/嵌入式 OS 的区别

• 内容：单用户（一台机器一个用户）、网络（基于宿主 OS + 透明性差）、分布式（统一 OS + 强透明 + 迁移）、多处理机（公共内存 + SMP）、嵌入式（微内核 + 非计算机设备）。
• 考查方式：选择、简答。
• 可能的题目：
  1. 选择：下列关于分布式操作系统的叙述中，错误的是（）。 A. 具有统一的操作系统 B. 用户必须显式指定资源位置 C. 支持作业和进程迁移 D. 资源进一步共享
     • 答：B（分布式 OS 应有透明性）。
  2. 简答：简述紧耦合与松散耦合分布式系统的区别。
     • 答：紧耦合由多机系统发展而来，多 CPU 共享公共内存和时钟；松散耦合由计算机网络发展而来，多 Host 无公共内存、无公共时钟。前者典型为多处理机 OS，后者为分布式 OS。

考点 8：特权指令与管态/目态

• 内容：特权指令（关中断、置 PSW、停机、I/O）只能在内核态（管态、核态）执行；非特权指令用户态可执行。管态↔目态切换：管→目用置 PSW 特权指令，目→管用中断/Trap。
• 考查方式：选择、填空、简答。
• 可能的题目：
  1. 选择：下列指令中，必须在管态执行的是（）。 A. 加法指令 B. 取数指令 C. 置 PSW 指令 D. 比较指令
     • 答：C。
  2. 填空：用户程序在用户态执行了特权指令将产生 ______。
     • 答：陷入（trap）/ 异常。
  3. 简答：为什么要区分管态和目态？
     • 答：为了保护操作系统和关键资源不被用户程序破坏。特权指令只能在内核态执行，可避免用户程序随意进行 I/O、修改 PSW 等危险操作，保证系统稳定和安全。

考点 9：中断的作用与运行机理

• 内容：中断是 OS 获得 CPU 控制权的唯一途径；间隔时钟中断是实现多道程序的基础；中断装置自动保存 PSW/PC 到系统栈，并从中断向量装入新值。
• 考查方式：选择、填空、简答。
• 可能的题目：
  1. 填空：实现多道程序的硬件基础是 ______ 中断。
     • 答：间隔时钟。
  2. 简答：为什么说"中断是操作系统运行的驱动力"？
     • 答：操作系统是事件驱动的，只有当中断（I/O 完成、时钟、异常、trap 等）发生时，CPU 才能从用户程序切换到 OS 入口，从而执行调度、资源分配等服务。没有中断，OS 将永远得不到 CPU 控制权。

考点 10：定时装置（绝对时钟 vs 间隔时钟）

• 内容：绝对时钟记实际时间、不发中断、可被操作员修改；间隔时钟定时发中断（毫秒级），是实现多道程序的基础。
• 考查方式：选择、填空。
• 可能的题目：
  1. 选择：下列关于间隔时钟的叙述中，正确的是（）。 A. 记载实际时间 B. 不发中断 C. 定时发生中断 D. 用户可修改
     • 答：C。
  2. 填空：间隔时钟是实现 ______ 的基础。
     • 答：多道程序（操作系统获得控制权）。

考点 11：地址映射与存储保护

• 内容：逻辑地址（虚地址）→ 物理地址（实地址），由 MMU/地址映射机构完成。存储保护设施防止越界（侵犯 OS/他人空间）和越权（共享区访问）。
• 考查方式：选择、填空。
• 可能的题目：
  1. 填空：程序中产生的地址称为 ______，存储器实际地址称为 ______。
     • 答：逻辑地址（虚地址）；物理地址（实地址）。
  2. 选择：存储保护设施的主要检查包括（）。 A. 越界检查 B. 越权检查 C. 越界+越权 D. 仅口令检查
     • 答：C。

考点 12：通道 vs DMA

• 内容：通道是独立处理机，有指令系统（读/写/控制/转移），可执行复杂 I/O 任务；DMA 没有独立指令系统，仅做简单块传输。
• 考查方式：选择、简答。
• 可能的题目：
  1. 选择：下列关于通道和 DMA 的叙述，错误的是（）。 A. 通道有自己的指令系统 B. DMA 没有独立指令系统 C. DMA 能执行通道程序 D. 通道可与主 CPU 并行
     • 答：C。
  2. 简答：通道与 DMA 的主要区别是什么？
     • 答：① 通道有独立的指令系统（读、写、控制、转移），可执行通道程序；DMA 没有独立指令系统，只能做简单块传输。② 通道可控制多个 I/O 设备，DMA 一般用于单设备块传输。

考点 13：操作系统的三种研究观点

• 内容：进程观点（互斥/同步/通讯）、资源管理观点（方便使用/防止冲突）、虚拟机观点（虚资源/对硬件的扩充）。
• 考查方式：简答。
• 可能的题目：
  1. 简答：研究操作系统有哪几种观点？各举两个具体例子。
     • 答：① 进程观点：研究进程的创建/撤销/同步/通讯，如生产者-消费者问题中的互斥与同步。② 资源管理观点：研究 CPU 调度、内存分配、文件系统、I/O 管理等。③ 虚拟机观点：研究如何将一个物理 CPU 虚拟成多个逻辑 CPU（分时）、将内存+外存虚拟为虚存、将独占设备虚拟为共享设备。
  2. 填空：在操作系统的虚拟机观点下，内存+外存被组织成 ______。
     • 答：虚拟存储。

考点 14：通用操作系统的常见模式

• 内容：分时（前台）+ 批处理（后台）、实时（前台）+ 批处理（后台）。前台面向交互用户，后台批量跑作业。
• 考查方式：选择、填空。
• 可能的题目：
  1. 选择：下列属于通用操作系统工作模式的是（）。 A. 分时+批处理 B. 实时+网络 C. 单用户+多用户 D. 嵌入式+分布式
     • 答：A。
  2. 填空：分时 + 批处理模式中，______ 在前台，______ 在后台。
     • 答：分时；批处理。

考点 15：UNIX Shell 的工作方式与系统调用

• 内容：shell 是用户态命令解释器；cc 与 shell 都是目态进程，是父子关系（shell fork 出 cc）。系统调用通过 trap 指令从用户态进入管态。
• 考查方式：选择、简答。
• 可能的题目：
  1. 简答：简述 UNIX shell 与 cc 编译器的关系。
     • 答：在 UNIX 中，shell 是用户态的命令解释器，cc（编译器）也是用户态进程。当用户在 shell 中输入 cc 命令时，shell 通过 fork 创建子进程，然后在子进程中 exec 装入 cc，shell 等待 cc 完成。整个过程中 shell 与 cc 均为目态进程，二者构成父子进程关系。
  2. 填空：用户程序调用系统调用时，通过 ______ 指令从用户态切换到管态。
     • 答：trap（或 syscall、软中断）。

考点 16：JCL 作业控制语言的特点

• 内容：作业标识（用户/作业/帐号）、作业步（编译/连接/执行，对应子进程）、资源描述（内存/时间/资源）、Goto 跳转（无循环）。
• 考查方式：选择、填空、简答。
• 可能的题目：
  1. 填空：JCL 作业控制中 Goto 语句只能是 ______ 转移，且作业控制中 ______（有/无）循环。
     • 答：正向；无。
  2. 选择：JCL 中的作业步语句一般对应（）。 A. 父进程 B. 子进程 C. 线程 D. 内核线程
     • 答：B。

考点 17：单用户操作系统的"多进程/多线程"含义

• 内容：单用户 OS 也支持多进程/多线程；不同程序→不同进程；相同程序→不同线程。
• 考查方式：选择、填空。
• 可能的题目：
  1. 填空：单用户操作系统中，不同的程序对应不同的 ______，相同的程序对应不同的 ______。
     • 答：进程；线程。
  2. 选择：Windows 10 本质上属于（）。 A. 多用户 OS B. 单用户 OS C. 分布式 OS D. 网络 OS
     • 答：B（PPT 明确说明）。

考点 18：嵌入式操作系统的特点

• 内容：微内核结构，许多功能以应用程序模式运行；核心小、适应范围广、可靠性高，但效率低。
• 考查方式：选择、简答。
• 可能的题目：
  1. 选择：下列不属于嵌入式操作系统特点的是（）。 A. 微内核结构 B. 核心小 C. 可靠性高 D. 效率高
     • 答：D（嵌入式 OS 效率低）。
  2. 简答：简述嵌入式操作系统的微内核结构优缺点。
     • 答：优点：核心小（只含基本内存管理、CPU 管理、通讯），可靠性高，适应范围广，许多 OS 服务以用户态应用方式运行。缺点：模块间通过消息传递通信，效率低于宏内核。

考点 19：Linux 与 Windows 10 的关键特征

• 内容：Linux 是源代码开放、模块化、SMP 支持的类 UNIX 系统；Windows 10 基于 NT 技术，本质单用户，支持 SMP 与 C/S 模式，不是纯微内核。
• 考查方式：选择、填空、简答。
• 可能的题目：
  1. 填空：Windows 10 基于 ______ 技术构建，本质属于 ______ 系统。
     • 答：NT；单用户。
  2. 选择：下列关于 Windows 10 的叙述，错误的是（）。 A. 基于 NT 技术 B. 本质是单用户系统 C. 是纯微内核结构 D. 支持 SMP
     • 答：C。
  3. 简答：简述 Linux 系统的主要特点。
     • 答：① 源代码开放、免费；② 系统稳定可靠；③ 速度快、效率高；④ 内核模块化好，允许第三方配置文件系统及设备驱动；⑤ 功能完善、网络支持好；⑥ 标准化好。

考点 20：系统的两个关键运行支撑（间隔时钟 + 中断）

• 内容：间隔时钟提供确定性的中断来源，保证 OS 周期性获得控制权；中断装置完成 PSW/PC 的保存与恢复；二者共同保证多道程序运行。
• 考查方式：综合简答。
• 可能的题目：
  1. 简答：操作系统运行的硬件支撑有哪些？它们如何协同工作？
     • 答：① 中断装置：发现并响应中断，保存当前 PSW/PC 到系统栈，装入中断向量指向的新 PSW/PC。② 间隔时钟：定时（如毫秒级）产生中断，保证 OS 周期性获得 CPU 控制权，是多道程序的基础。③ 通道/DMA：使 I/O 与 CPU 并行。④ 地址映射与存储保护：实现内存独立和安全。⑤ 特权指令与管/目态切换：保证 OS 关键操作不被用户破坏。