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# 第一章 操作系统概述
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## 一、知识讲解
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### 1.1 操作系统的概念
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#### 1.1.1 操作系统的地位
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**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**。
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可以从两个视图理解：
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- **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）。
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- **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。
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> 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。
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#### 1.1.2 操作系统的作用
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操作系统的两大基本作用：
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1. **管理系统中各种软硬件资源**
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- **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。
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- **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）。
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- **设备管理**：设备的分配、驱动、I/O 控制。
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- **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）。
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2. **为用户（应用程序）提供良好的服务（界面）**
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- **API（系统调用）**：如 `open/read/write/fork/exec`。
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- **GUI（图形用户界面）**、**行式命令**（`ls, cd, cat, vi, rm, mount` 等）。
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- **JCL（作业控制语言）**：用于批处理系统。
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#### 1.1.3 操作系统的定义
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**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**。
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历史曾用名：**Operating Supervisor**、**Monitoring Program**（监控程序、监督程序）。
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> 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
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#### 1.2.1 操作系统的产生
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**(1) 手工操作阶段（20世纪40年代，无操作系统）**
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作业处理步骤：
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1. 程序、数据 → 穿孔机 → 纸带；
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2. 穿孔纸带 → 光电机 → 机器内存；
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3. 控制台开关启动第一条指令；
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4. 运行结果在电传打字机上输出。
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**缺点**：① 资源独占；② 手工费时。
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**经典例子**：
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- 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**。
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- 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**。
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- **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。
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**(2) 批处理阶段（20世纪50年代，操作系统雏形）**
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- **联机批处理**：
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- 优点：摆脱了人工干预（作业过渡无人工干预）。
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- 缺点：I/O 操作慢，主机等待时间长（CPU 与 I/O 串行）。
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- **脱机批处理**：
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- 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）。
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- 缺点：① 人工搬动磁带；② 需要额外的卫星机。
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**(3) 执行系统阶段（20世纪60年代初期）**
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- **通道（Channel）**：专门用于控制 I/O 设备的处理机（I/O 处理机）。
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- 有自己的指令系统和运控部件；
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- 与主机共享内存；
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- 接受主 CPU 委托执行通道程序，完成 I/O；
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- 通道 I/O 操作与主 CPU 并行；
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- 通道完成 I/O 时向主机发中断请求。
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- **假脱机 SPOOLing（Simultaneous Peripheral Operation On-Line）**：既非联机，也非脱机。
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- **意义**：通道和中断技术的出现，使操作系统进入初级阶段。
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#### 1.2.2 操作系统的完善
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| 类型 | 出现年代 | 关键思想 | 主要问题 |
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|------|---------|---------|---------|
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| **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 |
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| **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 |
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| **实时系统** | 60 年代中期 | 满足时间约束条件 | 可靠性 |
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| **通用操作系统** | 60 年代后期 | 三类系统结合 | 复杂度 |
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> **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）。
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#### 1.2.3 操作系统的发展
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- 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**。
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- 家用和商用微型计算机普及 → 出现**单用户多任务操作系统**。
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- 大型计算任务需要更强算力 → 出现**多处理机（并行）操作系统**。
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- 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**。
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- 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）
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#### (1) 并发性（Concurrency）
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- **多个程序在宏观上同时向前推进**。
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- 区分：
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- **并发（Concurrent）**：宏观同时，微观交替（单核下分时交替执行）。
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- **并行（Parallel）**：宏观微观都同时（多核/多 CPU 下物理同时执行）。
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- 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。
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- 并发是 OS 最重要的特性，其它三个特性都源自并发。
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#### (2) 共享性（Sharing）
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- **多个程序共用系统中的各种软硬件资源**。
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- 共享必须在 OS 的协调和控制下进行。
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- 共享方式：
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- **互斥共享**（如打印机）：一段时间内只允许一个进程访问。
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- **同时访问**（如磁盘、代码段）：宏观上多个进程可同时访问。
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#### (3) 异步性（Asynchronism，随机性）
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- 多个程序以**不可预知的速度**向前推进。
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- 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。
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- 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）。
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#### (4) 虚拟性（Virtual）
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- 把一个**实的资源**改造为**多个虚的资源**。
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- 典型例子：
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- 一个实的 CPU → 多个虚的 CPU（分时复用）。
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- 内存 + 外存 → 虚存。
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- 独占设备 + 共享设备 → 虚拟设备（数量多、速度快）。
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> 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
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#### 1.4.1 多道批处理系统（Off-line batch）
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- **作业（Job）** = 程序 + 数据 + 说明书（用 JCL 编写）。
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- **结果** = 程序运行结果 + 记帐信息。
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- **输入井 / 输出井**：磁带或磁盘上的缓冲区域。
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- **输入井作用**：缓冲（速度匹配）+ 作业调度（Job Scheduling）。
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- **输出井作用**：缓冲（速度匹配）。
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- 主机中作业合理搭配：
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- 目标 1：提高资源利用率（如**计算型 + I/O 型**搭配）。
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- 目标 2：提高吞吐量（Throughput）。
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- 特点：**多道**（同时容纳多个作业）+ **成批**（分批进入系统）。
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#### 1.4.2 分时操作系统（Time-Sharing，On-line）
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- 一台主机连接多个终端。
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- 界面 1：交互式命令语言（如 shell、command）。
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- 界面 2：图形用户界面（GUI）。
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- **特点**：
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- **多路性**：一个主机与多个终端相连。
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- **交互性**：以对话方式为用户服务。
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- **独占性**：每个终端用户仿佛拥有一台虚拟机。
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- 典型系统：CTSS（MIT）、Multics（MIT）、UNIX。
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#### 1.4.3 实时操作系统（Real-Time OS）
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应用领域：
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- **实时控制**：工业控制、军事控制、医疗控制……
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- **实时信息处理**：航班订票、联机情报检索……
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**关键指标**：`t2 - t1`（响应时间，response time）。
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**特点**：
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- **响应及时（Prompt Response）**：必须在规定时限内完成。
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- **可靠性高（High Reliability）**：不容许出错，常用于关键任务。
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#### 1.4.4 通用操作系统（Multi-Purpose OS）
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- 同时具有分时、实时、批处理功能。
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- 目标：提高处理能力，扩展应用领域。
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- 常见模式：
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- **分时（前台）+ 批处理（后台）**（如 DEC 的 VMS、HP 的 GCOS-8）。
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- **实时（前台）+ 批处理（后台）**。
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#### 1.4.5 单用户操作系统
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- 同一时刻仅有一个用户使用的系统。
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- 应用：台式机、笔记本……
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- 特点：**单用户、多进程、多线程**。
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- 不同的程序 → 不同的进程。
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- 相同的程序 → 不同的线程。
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#### 1.4.6 网络操作系统（Network OS, NOS）
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- **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**。
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- 目标：相互通讯、资源共享、提供网络服务。
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- 例子：database server、FTP server、e-mail server、telnet server。
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- 缺点：**No Transparent View**（用户必须显式知道资源在哪里）。
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#### 1.4.7 分布式操作系统（Distributed OS, DOS）
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| 耦合方式 | 来源 | 是否公共内存 | 是否公共时钟 | 典型系统 |
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|---------|------|-------------|------------|---------|
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| **紧耦合**（Tightly Coupled） | 多机系统（多 CPU） | 有 | 有 | 多处理机 OS |
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| **松散耦合**（Loosely Coupled） | 计算机网络（多 Host） | 无 | 无 | 分布式 OS |
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**分布式 OS 特征**：
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- 统一的操作系统。
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- 资源的进一步共享（内存、CPU）。
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- 可靠性高。
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- 透明性（用户像使用单机一样使用整个系统）。
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**目标**：进一步共享资源、负载均衡、计算加速。
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**途径**：迁移（Migration）——作业迁移、进程迁移（线程一般随同进程迁移）。
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**例子**：Solaris MC。
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#### 1.4.8 多处理机操作系统
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- 多处理机系统：**具有公共内存的多 CPU 系统**。
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- **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。
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- 多处理机 OS：有效管理和使用多个 CPU 的 OS。
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- 复杂性：多个**主动体**（CPUs）相互协作。
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- 例子：UNIX、Linux、Windows。
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#### 1.4.9 嵌入式操作系统
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- 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。
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- **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。
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- 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**。
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- 例子：Win CE .NET（微软"维纳斯"）、PalmOS、HOPEN（中科院钟锡昌"女娲"）。
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#### 1.4.10 多媒体操作系统
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- **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。
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- **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**。
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#### 1.4.11 智能卡操作系统
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- 智能卡：含 CPU 芯片 + ROM。
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- 面向 Java 的智能卡：JVM 解释程序，下载 Java applet 并执行。
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- 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
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#### 1.5.1 定时装置
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- **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。
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- **间隔时钟**：定时发生中断，一般间隔单位为"毫秒"。
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- **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。
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#### 1.5.2 系统栈（System Stack）
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- **作用**：保存中断现场、函数调用返回点、参数、局部变量、返回值。
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- **位置**：操作系统区域。
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- 例子：UNIX 中的 **PPDA**（Per-Process Data Area，含 user 区与系统栈）。
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- 与堆（heap）对比：
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- **栈**：自动分配/释放，存放局部变量、函数参数、返回地址，LIFO。
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- **堆**：手动分配/释放，存放动态对象，需程序员或 GC 回收。
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#### 1.5.3 特权指令与非特权指令
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| 类型 | 执行权限 | 影响 | 例子 |
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|------|---------|------|------|
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| **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 |
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| **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 |
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> 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。
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#### 1.5.4 处理机状态及状态转换
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- **系统态**（System Mode，又称**管态、核态、核心态**）。
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- **用户态**（User Mode，又称**目态、常态**）。
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- **状态转换**：
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- **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）。
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- **目态 → 管态**：中断、Trap（系统调用、异常、陷入）。
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- **Dual-Mode Operation**：现代 OS 都必须支持的两种模式。
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- 例子：
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- **IBM 360/370 PSW 状态位（第 15 位）**：0=系统态，1=用户态。
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- **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。
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#### 1.5.5 地址映射机构
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- **逻辑地址（虚地址）** → **物理地址（实地址）**。
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- 逻辑地址：程序中产生的地址（程序员视角）。
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- 物理地址：存储器实际地址（硬件视角）。
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- **软件映射可行但效率低**，所以常用硬件辅助（MMU）完成。
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#### 1.5.6 存储保护设施
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- **目的**：
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- 防止应用程序侵犯 OS 空间；
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- 防止应用程序侵犯其它用户空间。
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- 实现方式：
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- **越界检查**：地址是否在合法范围内。
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- **越权检查**（对共享区域）：是否有权访问。
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#### 1.5.7 中断装置
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- **发现并响应中断的硬件机构**。
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- 处理流程：
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1. 当前（PSW，PC）→ 系统栈（保存现场）；
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2. 中断向量（PSW，PC）→ 寄存器（装入新值）。
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- 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）。
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#### 1.5.8 通道与 DMA
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| 特性 | 通道（Channel） | DMA |
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|------|----------------|------|
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| 是否独立指令系统 | 有（通道指令系统：读/写/控制/转移） | **没有** |
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| 传输单位 | 较复杂，灵活 | **简单块传输** |
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| 工作方式 | 可执行通道程序 | 仅在两块内存间搬数据 |
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| 部件 | 有运控部件、CAW/CCW/CSW/CDW | 简单控制器 |
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- 通道的 4 类字：
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- **CAW**：通道地址字（Channel Address Word）。
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- **CCW**：通道命令字（Channel Command Word）。
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- **CSW**：通道状态字（Channel Status Word）。
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- **CDW**：通道数据字（Channel Data Word）。
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#### 1.5.9 I/O 保护
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- **定义所有 I/O 指令为特权指令**。
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- 目的：方便使用、防止发生冲突（多进程同时操作同一设备）。
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- 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
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#### (1) 交互终端命令（Command Language）
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例：UNIX Shell，`$ 命令名 -选项 参数`。
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#### (2) 图形界面（GUI, Graphic User Interface）
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如 Windows、macOS 的桌面系统。
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#### (3) Shell Interface 优点
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- 缩小核心（命令解释器在用户态，不进内核）。
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- 不同用户可以选择不同界面（多种 shell 共存）。
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- `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）。
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#### (4) 作业控制语言（JCL, Job Control Language）
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| 语句类型 | 作用 | 备注 |
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|---------|------|------|
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| **作业标识语句** | 用户标识、作业标识、帐号 | — |
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| **作业步语句** | 编译、连接装配、执行 | 一般对应**子进程** |
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| **资源描述语句** | 内存需求、计算时间、其它资源 | — |
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| **Goto 语句** | **正向转移** | **作业控制无循环** |
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#### (5) 系统调用命令（OS API）
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- 高级语言形式：`fd = open(file_name, mode)`
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- 汇编语言形式：准备参数 → `trap n` → 取返回值
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- **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
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核心循环：
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```
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程序 1 运行 → 发生中断 → 保存程序 1 现场 → 选择程序 P2 →
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恢复程序 2 现场 → 程序 2 运行 → ...（循环）
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```
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**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。
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**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）
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| 观点 | 核心思想 | 关键词 |
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|------|---------|--------|
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| **进程观点** | OS 支持进程、支持进程间协同 | 互斥、同步、通讯 |
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| **资源管理观点** | OS 是资源管理者 | 方便使用、防止冲突 |
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| **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） |
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- 单个实的 CPU → 多个虚拟 CPU。
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- 内存 + 外存 → 虚拟存储。
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- 独占设备 + 共享 → 虚拟设备。
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### 1.9 系统举例（Linux / Windows）
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#### 1.9.1 Linux 系统
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- **历史**：
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- 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。
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- 1994, **1.0 版**：支持 UNIX 标准 TCP/IP、BSD 兼容 socket、SCSI 高效访问。
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||
- 1995, **1.2 版**：最后一个仅在 PC 平台运行的 Linux。
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||
- 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）。
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- **特点**：
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- 源代码开放、免费；
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- 系统稳定可靠；
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- 速度快、效率高；
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- 内核模块化好，允许第三方配置文件系统及设备管理程序；
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||
- 功能完善；
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- 具有网络支持优势；
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- 标准化好。
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||
#### 1.9.2 Windows 10 系统
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||
- 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。
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- **特点**：
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- 具有多任务（包括多进程、多线程）管理功能，支持对称多处理；
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- 支持客户/服务器计算模式；
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||
- 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；
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||
- **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
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### 考点 1：操作系统的定义与地位
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- **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。
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- **考查方式**：选择、填空、简答。
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||
- **可能的题目**：
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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。
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- 答：硬件抽象层（HAL）。
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2. **简答**：请用一句话说明操作系统的定义。
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- 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。
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### 考点 2：操作系统的四大特性
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- **内容**：并发性、共享性、异步性（随机性）、虚拟性。
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- **考查方式**：选择、填空、简答。
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- **可能的题目**：
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1. **选择**：下列不属于操作系统基本特性的是（）。
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A. 并发性 B. 共享性 C. 实时性 D. 异步性
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- 答：C（实时性是 OS 类型而非特性）。
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2. **简答**：简述操作系统的四大基本特性及其相互关系。
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- 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。
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3. **填空**：操作系统四大特性中，______ 是基础，其它特性由其衍生。
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- 答：并发性。
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### 考点 3：并发与并行的区别
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- **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）。
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- **考查方式**：选择、填空。
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- **可能的题目**：
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1. **选择**：在单核 CPU 系统中，多个程序的执行体现了（）。
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A. 并行性 B. 并发性 C. 同步性 D. 共享性
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- 答：B。
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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 ______。
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- 答：并行；并发。
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### 考点 4：操作系统发展历史中的关键阶段
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- **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。
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- **考查方式**：选择、填空、简答。
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- **可能的题目**：
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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。
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- 答：手工操作阶段。
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2. **选择**：操作系统的出现标志着其走向成熟的阶段是（）。
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A. 手工操作 B. 联机批处理 C. 多道批处理 D. 分时系统
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- 答：C。
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3. **简答**：什么是 SPOOLing？它解决了什么问题？
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- 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。
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### 考点 5：手工操作阶段的瓶颈
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- **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。
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- **考查方式**：选择、填空、计算分析。
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- **可能的题目**：
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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？
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- 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。
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### 考点 6：多道批处理 vs 分时 vs 实时
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- **内容**：
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- **多道批处理**：多道 + 成批，无交互，追求吞吐量和资源利用率。
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- **分时系统**：多路 + 交互 + 独占（多终端共享主机），追求响应时间。
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- **实时系统**：追求严格的响应时限和高可靠性。
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- **考查方式**：选择、填空、简答。
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- **可能的题目**：
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1. **选择**：航班订票系统属于（）。
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A. 多道批处理 B. 分时系统 C. 实时系统 D. 网络系统
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- 答：C。
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2. **简答**：比较分时系统与实时系统的特点。
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- 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。
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### 考点 7：单用户/网络/分布式/多处理机/嵌入式 OS 的区别
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- **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）。
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- **考查方式**：选择、简答。
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- **可能的题目**：
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1. **选择**：下列关于分布式操作系统的叙述中，错误的是（）。
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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
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- 答：B（分布式 OS 应有透明性）。
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2. **简答**：简述紧耦合与松散耦合分布式系统的区别。
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- 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。
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### 考点 8：特权指令与管态/目态
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- **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。
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- **考查方式**：选择、填空、简答。
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- **可能的题目**：
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1. **选择**：下列指令中，必须在管态执行的是（）。
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A. 加法指令 B. 取数指令 C. 置 PSW 指令 D. 比较指令
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- 答：C。
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2. **填空**：用户程序在用户态执行了特权指令将产生 ______。
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- 答：陷入（trap）/ 异常。
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3. **简答**：为什么要区分管态和目态？
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- 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。
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### 考点 9：中断的作用与运行机理
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- **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。
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- **考查方式**：选择、填空、简答。
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- **可能的题目**：
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1. **填空**：实现多道程序的硬件基础是 ______ 中断。
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- 答：间隔时钟。
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2. **简答**：为什么说"中断是操作系统运行的驱动力"？
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- 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。
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### 考点 10：定时装置（绝对时钟 vs 间隔时钟）
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- **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。
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- **考查方式**：选择、填空。
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- **可能的题目**：
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1. **选择**：下列关于间隔时钟的叙述中，正确的是（）。
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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
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- 答：C。
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2. **填空**：间隔时钟是实现 ______ 的基础。
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- 答：多道程序（操作系统获得控制权）。
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### 考点 11：地址映射与存储保护
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- **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）。
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- **考查方式**：选择、填空。
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- **可能的题目**：
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1. **填空**：程序中产生的地址称为 ______，存储器实际地址称为 ______。
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- 答：逻辑地址（虚地址）；物理地址（实地址）。
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2. **选择**：存储保护设施的主要检查包括（）。
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A. 越界检查 B. 越权检查 C. 越界+越权 D. 仅口令检查
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- 答：C。
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### 考点 12：通道 vs DMA
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- **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。
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- **考查方式**：选择、简答。
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- **可能的题目**：
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1. **选择**：下列关于通道和 DMA 的叙述，错误的是（）。
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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
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- 答：C。
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2. **简答**：通道与 DMA 的主要区别是什么？
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- 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。
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### 考点 13：操作系统的三种研究观点
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- **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）。
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- **考查方式**：简答。
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- **可能的题目**：
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1. **简答**：研究操作系统有哪几种观点？各举两个具体例子。
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- 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。
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2. **填空**：在操作系统的虚拟机观点下，内存+外存被组织成 ______。
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- 答：虚拟存储。
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### 考点 14：通用操作系统的常见模式
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- **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。
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- **考查方式**：选择、填空。
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- **可能的题目**：
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1. **选择**：下列属于通用操作系统工作模式的是（）。
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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
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- 答：A。
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2. **填空**：分时 + 批处理模式中，______ 在前台，______ 在后台。
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- 答：分时；批处理。
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### 考点 15：UNIX Shell 的工作方式与系统调用
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- **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。
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- **考查方式**：选择、简答。
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- **可能的题目**：
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1. **简答**：简述 UNIX shell 与 cc 编译器的关系。
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- 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。
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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。
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- 答：trap（或 syscall、软中断）。
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### 考点 16：JCL 作业控制语言的特点
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- **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）。
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- **考查方式**：选择、填空、简答。
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- **可能的题目**：
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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。
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- 答：正向；无。
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2. **选择**：JCL 中的作业步语句一般对应（）。
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A. 父进程 B. 子进程 C. 线程 D. 内核线程
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- 答：B。
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### 考点 17：单用户操作系统的"多进程/多线程"含义
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- **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。
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- **考查方式**：选择、填空。
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- **可能的题目**：
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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 ______。
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- 答：进程；线程。
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2. **选择**：Windows 10 本质上属于（）。
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A. 多用户 OS B. 单用户 OS C. 分布式 OS D. 网络 OS
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- 答：B（PPT 明确说明）。
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### 考点 18：嵌入式操作系统的特点
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- **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**。
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- **考查方式**：选择、简答。
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- **可能的题目**：
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1. **选择**：下列不属于嵌入式操作系统特点的是（）。
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A. 微内核结构 B. 核心小 C. 可靠性高 D. 效率高
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- 答：D（嵌入式 OS 效率低）。
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2. **简答**：简述嵌入式操作系统的微内核结构优缺点。
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- 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**。
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### 考点 19：Linux 与 Windows 10 的关键特征
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- **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**。
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- **考查方式**：选择、填空、简答。
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- **可能的题目**：
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1. **填空**：Windows 10 基于 ______ 技术构建，本质属于 ______ 系统。
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- 答：NT；单用户。
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2. **选择**：下列关于 Windows 10 的叙述，错误的是（）。
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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
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- 答：C。
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3. **简答**：简述 Linux 系统的主要特点。
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- 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。
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### 考点 20：系统的两个关键运行支撑（间隔时钟 + 中断）
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- **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。
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- **考查方式**：综合简答。
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- **可能的题目**：
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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？
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- 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。
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