计算机软件资格考试—第二章 操作系统基础知识

特殊的操作系统分类网络操作系统方便有效共享网络资源提供服务软件和有关协议的集合主要的网络操作系统有Unix、Linux和Windows Server系统分布式操作系统任意两台计算机可以通过通信交换信息是网络操作系统的更高级形式具有透明性、可靠性和高性能等特性微机操作系统WindowsMicrosoft开发的图形用户界面、多任务、多线程操作系统Linux免费使用和自由传播的类Unix操作系统多用户、多任务、多线程和多CPU的操作系统嵌入式操作系统运行在智能芯片环境中特点微型化、可定制针对硬件变化配置、实时性、可靠性、易移植性HAL和BSP支持可共享×操作系统的主要任务是管理计算机系统中的软、硬件资源。在网络操作系统环境中当用户A的文件或文件夹被共享时其安全性与未共享时相比将会有所下降这是因为访问用户A的计算机或网络的人可能能够读取、复制或更改共享文件夹中的文件。在Windows系统中若用鼠标左键双击应用程序窗口左上角的图标则可以关闭该应用程序窗口。在Windows资源管理器中若要选择窗口中分散的多个文件在缺省配置下可以先选择一个文件然后按住CTRL键不放并用鼠标左键单击要选择的文件。在Windows“资源管理器”中单击需要选定的第一个文件按下Shift键再用鼠标左键单击需要选定的最后一个文件能够一次选定连续的多个文件。Windows操作系统通常将系统文件保存在Windows文件夹或Program Files文件夹中。在Windows系统中对话框是特殊类型的窗口其大小不能改变但可以被移动。在Windows系统中对用户组默认权限由高到低的顺序是administrators→power users→users→everyoneWindows系统中内置了一些用户组其中对计算机拥有不受限制的完全访问权的用户组是Administrators。在Windows系统中如果希望某用户对系统具有完全控制权限则应该将该用户添加到Administrators用户组中。在Windows系统中若要移动窗口可用鼠标拖动窗口的标题栏。在 Windows 资源管理中如果选中的某个文件再按Delete键可以将该文件删除但需要时还能将该文件恢复。若用户同时按下Delete和shift组合键时则可以删除此文件且无法从“回收站”恢复。在Windows环境中若要将某个文件彻底删除(即不放入回收站)则应先选中该文件并同时按下ShiftDel快捷键然后在弹出的对话框中单击“是”‌ 按钮。在Windows操作系统中“回收站”可以恢复硬盘上使用Del键删除的文件或文件夹。在Windows系统中扩展名com表示DOS可执行命令文件。在Windows系统中可通过文件扩展名判别文件类型例如exe是一种可执行文件的扩展名。在Windows系统中扩展名bat表示该文件是批处理文件。在Windows中要打开命令提示窗口可在“运行”框中输入cmd。当用户双击一个文件名时Windows系统通过建立的文件关联来决定使用什么程序打开该文件。Windows系统中的磁盘碎片整理程序使每个文件和文件夹占用卷上连续的磁盘空间合并卷上的可用空间这样使系统对文件和文件夹能更有效地访问。在Windows系统中磁盘碎片整理程序可以分析本地卷以及合并卷上的可用空间使其成为连续的空闲区域从而使系统可以更高效地访问文件或文件夹。Windows磁盘碎片整理程序可以使每个文件和文件夹占用磁盘上连续的空间合并盘上的可用空间通过对磁盘进行碎片整理可以提高对文件和文件夹的访问效率。计算机加电自检后引导程序首先装入的是操作系统否则计算机不能做任何事情。若用户想用鼠标来复制所选定的文件应该在按下Ctrl键的同时按住鼠标左键拖拽文件到目的文件夹松开鼠标即可完成文件的复制。Windows将查看器查看的事件分为应用程序事件、安全性事件和系统事件。Windows操作系统中的文件名最长可达255个字符文件名中可以使用大写或小写字母系统会保留创建文件时所使用的大小写字母但访问时文件名不区分大小写。“剪贴板”是内存中的一块区域在Windows资源管理器中要恢复误删除的文件可以按下CtrlZ键来实现。系统安全性保护技术措施主要包括数据加密、存取控制和用户鉴别。产生死锁如进程推进顺序不当、同类资源分配不当、PV操作使用不当的必要条件是互斥条件、请求保持条件、不可剥夺条件及环路等待条件。可以通过打破产生死锁的必要条件来预防死锁如采用静态分配资源的策略则可打破环路等待条件。在页式存储管理中每次从主存中取指令或取操作数要2次访问主存。页式存储管理是众多存储管理方式中的一种其分页的基本思想是把程序的逻辑空间和内存的物理空间按照同样的大小划分成若干页面以页面为单位进行分配。在页式存储管理中系统中虚地址是一个由页号和位移组成的有序对。每次从主存中取指令或取操作数时首先都要找到其页号对应的页然后在该页中找到位移对应的指令或操作数因此需要两次访问主存。计算机系统采用流水线技术执行程序指令时多条指令执行过程的不同阶段可以同时进行处理。设备驱动程序是直接与硬件交互的软件。分布式操作系统支持网络系统功能并具有透明性。分布式操作系统保留了网络系统的全部功能并具有透明性、可靠性和高性能等特性。嵌入式操作系统运行在智能芯片环境中其特点有微型化、可定制、实时性、可靠性、易移植性。操作系统文件管理中目录文件是由文件控制块组成的。在操作系统文件管理中通常采用文件目录来组织和管理外存中的信息。操作系统通过文件目录和目录项来组织和管理外存中的信息。操作系统为了解决进程间合作和资源共享所带来的同步与互斥问题通常采用的一种方法是使用信号量。信号量S的物理意义若S≥0表示某资源的可用数若S0则其绝对值表示阻塞队列中等待该资源的进程数。例若PV操作的信号量S的初值是2当前值为-1则有|-1|(取绝对值)1个等待进程。PV操作是实现进程同步与互斥的常用方法。其中P操作表示申请一个资源V操作表示释放一个资源。信号量S的初始值为8在S上执行了10次P操作6次V操作后S的值是4。P操作每执行一次信号量减1V操作每执行一次信号量加1。所以答案为 8-1064.在进程状态转换过程中可能会引起进程阻塞的原因是执行P操作。假设系统有n(n≥5)个并发进程共享资源R且资源R的可用数为m。若采用PV操作则相应的信号量S的取值范围应为m-n~m。假设系统有n个进程共享资源R且资源R的可用数为2那么该资源相应的信号量S的初值应设为2。假设系统有n个进程共享资源R且资源R的可用数为m那么该资源相应的信号量S的初值应设为m。若在系统中有若干个互斥资源R、m个并发进程每个进程都需要n个资源R那么使系统不发生死锁的资源R的最少数目为(m-1)×n。m个并发进程一个并发进程占n个资源Rm-1个并发进程占(m-1)×n个资源R还有一个并发进程占用处理器在占用处理器资源时不会占用其他互斥资源R。系统不可能发生死锁的最小资源数(w−1)×m1≤n(w-1)×m1≤n(w−1)×m1≤nw所需资源数m进程数例若系统中有4个互斥资源R当系统中有2个进程竞争R且每个进程都需要i个R(i3)时该系统可能会发生死锁的最小值是3。系统不可能发生死锁的最小资源数(i−1)×21≤4(i-1)×21≤4(i−1)×21≤4i最小取2时系统不可能发生死锁那么发生死锁的最小值是3若计算机系统中某时刻有5个进程其中1个进程的状态为“运行”2个进程的状态为“就绪”2个进程的状态为“阻塞”则该系统中并发的进程数为5如果系统中的5个进程都要求使用2个互斥资源R那么该系统不产生死锁的最少资源数R应为6。假设系统中进程的三态模型如下图所示图中的a和b处应分别填写时间片到、进程调度程序调度图中的c和d处应分别填写执行了P操作、I/O完成。当现运行进程执行P操作后该进程处于运行状态或者进入阻塞状态。若进程P1正在运行操作系统强行撤下P1进程所占用的CPU让具有更高优先级的进程P2运行这种调度方式称为抢占方式。例1系统进程资源图如下图所示图中方框分别表示资源R1和R2其资源数分别为3和2P1和P2表示进程。有向边指向进程表示得到了1个资源有向边指向资源表示申请1个资源。若某进程申请的资源得不到满足则该进程处于等待状态若进程申请的资源可以得到满足则该进程处于非等待状态。可以推断下图中进程P1为非等待状态P2为等待状态。图中所示资源分配情况是已分配1个R1资源给进程P1、1个R1资源给进程P2已分配1个R2资源给进程P1、1个R2资源给进程P2此时还有1个R1资源待分配、R2资源为0个。P1还需1个R1资源P2还需R2资源。显然进程P1再申请1个R1资源的请求可以得到满足因此P1为非等待状态而P2申请的1个R2得不到满足因此P2为等待状态。由于P1申请的资源都能满足因此其得到资源后可执行其运行完毕释放所占用的资源从而使得P2申请的资源R2可得到满足P2得以继续运行运行完毕可释放其占用的资源不会发生死锁。例2在如下所示的进程资源图中P1、P2是阻赛节点P3是非阻赛节点该进程资源图是可以化简的其化简顺序为P3→P1→P2R1(2个资源)R2(3个资源)R3(2个资源)P1得到一个申请一个得到一个P2申请一个得到一个得到一个P3得到一个得到一个申请一个R1已经全部分配给P1和P3所以P2再请求一个R1的时候将进入阻塞状态。同理R2已经全部分配给P1、P2和P3当P1再请求一个R2时将陷入阻塞。R3还有一个未用资源当P3申请时可以顺利获得故不会阻塞。因为P3非阻塞且非孤立所以可以化简。将其所用资源归还资源图后P1获得R2即可运行然后也可以化简最后P2可以运行。例3假设系统中有进程Pi(1,2,3,4)资源R(1,2,3),目资源R1、R2、R3的可用数分别为2、3、2。系统的进程资源图如下图所示当有向边由Pi指向R时表示进程Pi申请一个资源R;当有向边由R指向Pi时表示将一个资源分配给进程Pi。如果进程申请的资源得不到满足则该进程处于等待状态;否则该进程处于非等待状态。该图表明P1、P2和P3为等待状态P4为非等待状态。对该进程资源图可以进行化简其正确的化简顺序为P4→P3→P2→P1。(注化简是指图中的进程得到所需资源可运行完毕并释放所占用的资源)例4进程P1、P2、P3、P4和P5的前趋图如下所示若用PV操作控制进程P1、P2、P3、P4和P5并发执行的过程需要设置5个信号量S1、S2、S3、S4和S5且信号量S1~S5的初值都等于零。如下的进程执行图中a、b、c、d、e处应分别填写P(S2)、V(S4)、P(S1)、V(S2)V(S3)、P(S3)P(S4)、V(S5)例5进程P1、P2、P3和P4的前趋图如下所示若用PV操作控制进程P1-P4并发执行的过程则需要设置5个信号量进程P1、P2、P3和P4的前造图如下所示若用PV操作控制进程P1~P4并发执行的过程则需要设置5个信号量S1、S2、S3、S4和S5且信号量S4~S5的初值都等于0。如下的进程执行图中a、b、c、d、e、f处应分别填写V(S1)V(S2)、P(S1)P(S3)、V(S4)、P(S2)、V(S3)V(S5)、P(S4)P(S5)某企业有生产部和销售部生产部负责生产产品并送入仓库销售部从仓库取产品销售。假设仓库可存放n件产品。用PV操作实现他们之间的同步过程如下图所示。其中信号量S是一个互斥信号量初值为1S1是一个同步信号量表示仓库的容量初值为nS2是一个同步信号量表示仓库是否有产品初值为0。这道题中使用了三个信号量分别是 S、S1 和 S2。S 是互斥信号量用于保护仓库的互斥访问初值为 1。S1 是同步信号量表示仓库的空闲容量初值为 n。S2 是同步信号量表示仓库中的产品数量初值为 0。对实时性要求高的操作系统应该使用的进程调度算法是优先级调度。常用的进程调度算法有先来先服务、时间片轮转、优先级调度和多级反馈调度算法。时间片轮转适用于分时系统公平分配CPU时间。扫描仪、打印机、读卡机、磁带机属于独占设备不能采用时间片轮转分配算法短作业优先适合批处理系统减少平均等待时间。先来先服务简单但可能导致长任务阻塞系统。常用的空闲空间的管理方法有位示图、空闲区表和空闲块链3种。例1大小为120GB的磁盘物理块的大小为4MB那么位示图的大小为120×1024÷4÷83840120×1024÷4÷83840120×1024÷4÷83840字节例2某字长为32位的计算机的文件管理系统采用位示图(bitmap)记录磁盘的使用情况。若磁盘的容量为300GB物理块的大小为1MB那么位示图的大小为9600个字。需要的字个数300×1024÷1÷329600300×1024÷1÷329600300×1024÷1÷329600关系1 字 (字长/8) 字节例3某文件管理系统为了记录磁盘的使用情况在磁盘上建立了位示图(bitmap)。若系统中字长为16位磁盘上的物理块依次编号为012…那么8192号物理块的使用情况在位示图中的第513个字中描述。每个字可表示多少物理块每字数N个物理块物理块号 B 对应到位示图中的字序号 W(从1开始)第 W 个字包含的物理块号范围为[(W-1)xN,(W-1)xNN-1]W⌊BN⌋1W⌊\frac{B}N⌋1W⌊NB​⌋1其中⌊⋅⌋ 表示向下取整B 是物理块号从 0 起W 是字序号从 1 起物理块号 B 在字内的位偏移(从 0开始计位)位偏移B mod N页式存储例某计算机系统页面大小为4K进程P的页面变换表如下表所示。若P中某数据的逻辑地址为十六进制2C18H则该地址;经过地址变换后其物理地址应为十六进制2和C18H。的页号和页内地址分别为5C18H。根据题意计算机的系统页面大小为4K即2¹²表示需要用12位二进制(3位十六进制)来表示页面大小所以在逻辑地址(4位十六进制表示下)中后3位为页内地址前1位为页号。因此逻辑地址为十六进制(2C18)ʜ【页号页内地址】其页号为2页内地址为(C18)ʜ。查页表后可知页号为2的页会存储到物理块号为5的页内所以该地址经过变换后其物理地址应为物理块号5拼上页内地址(C18)ʜ即十六进制(5C18)ʜ。存储管理方案存储管理的主要目的是解决多个用户使用主存的问题。其管理方案主要包括分区存储管理、分页存储管理、分段存储管理、段式存储管理以及虚拟存储管理。分页存储管理地址结构项目公式页内偏移量位数页内地址log2(页大小)log_2(页大小)log2​(页大小)页大小2页内地址2^{页内地址}2页内地址页号位数log2​(逻辑地址空间大小)−log2​(页大小)log_2​ (逻辑地址空间大小)−log_2​ (页大小)log2​​(逻辑地址空间大小)−log2​​(页大小)总页数逻辑地址空间大小页大小\frac{逻辑地址空间大小}{页大小}页大小逻辑地址空间大小​逻辑页号 p⌊页大小逻辑地址页大小\frac{页大小逻辑地址}{页大小}页大小页大小逻辑地址​⌋偏移量 d逻辑地址 mod 页大小页内最大地址单页内最大偏移页大小-1例1在页式存储管理方案中如果地址长度为 32 位页内地址12位页号20位可以得出页内地址页内偏移量12位页大小21240962^{12}40962124096字节4KB1024 字节 1 KB页内最大地址单页内最大偏移页大小-14095字节总页数进程最大逻辑页面数2201048576页1MB2^{20}1048576页1MB2201048576页1MB“总页数1MB”这种写法在字面上不严谨它实际意思是 “总页数 1 兆页”1 million pages而不是“1 兆字节”这里的 M 表示数量百万不是容量 MB例2某操作系统采用分页存储管理方式下图给出了进程A和进程B的页表结构。如果物理页的大小为512字节那么进程A逻辑地址为1111(十进制)的变量存放在4号物理内存页中。假设进程A的逻辑页4与进程B的逻辑页5要共享物理页8那么应该在进程A页表的逻辑页4和进程B页表的逻辑页5对应的物理页处分别填8,8页大小 512 字节页内偏移量位数(页内地址)log2(页大小)log25129位页内偏移量位数(页内地址)log_2(页大小)log_2^{512}9位页内偏移量位数(页内地址)log2​(页大小)log2512​9位逻辑页号p⌊页大小逻辑地址页大小⌋⌊1111512⌋2逻辑页号 p ⌊\frac{页大小逻辑地址}{页大小}⌋⌊\frac{1111}{512}⌋2逻辑页号p⌊页大小页大小逻辑地址​⌋⌊5121111​⌋2进程A页表中逻辑页2→物理页4共享意味着两个进程的不同逻辑页映射到同一个物理页从而访问相同的内存内容。内存的段式管理有许多优点。例如这种管理方式支持程序的模块化设计和并行编程的要求、可以使各段程序的修改互不影响、便于多道程序共享主存的某些段。但这种管理方式地址变换速度慢内存碎片(零头)多造成浪费。虚拟存储器具有请求调入功能和置换功能主要有3种方式请求分页系统、请求分段系统、请求段页式系统。缺页中断与一般中断的主要区别在于缺页中断在指令执行期间产生和处理中断信号而一般中断在一条指令执行结束后下一条指令开始执行前检查和处理中断信号 缺页中断返回到被中断指令的开始重新执行该指令而一般中断返回到下一条指令执行一条指令在执行期间可能会产生多次缺页中断。在请求分页系统中当运行进程访问的页面不在主存且主存中没有可用的空闲块时系统应该先产生缺页中断然后依次按照决定淘汰页→页面调出→页面调入的顺序进行处理。产生中断时由硬件保护并更新程序计数器PC的内容其主要目的是快速进入中断处理程序并正确返回被中断的程序。常用的磁盘调度算法(又叫移臂调度算法)有先来先服务、最短寻道时间优先、扫描算法和单向扫描调度算法等。在磁盘移臂调度算法中单向扫描算法在返程时不响应进程访问磁盘的请求。在磁盘移臂调度算法中先来先服务和最短寻道时间优先算法可能会随时改变移动臂的运动方向。硬磁盘的主要技术指标道密度、位密度、存储容量、平均存取时间、寻道时间、等待时间、数据传输率。在计算机系统中通常可以利用磁盘碎片整理程序定期对磁盘进行碎片整理以提高计算机访问磁盘的效率。在计算机系统中构成虚拟存储器既需要硬件也需要软件。采用虚拟存储器的目的是扩大用户的地址空间。采用虚拟存储器的主要目的是扩大可使用的主存空间。虚拟存储器由硬件和操作系统来实现信息调度和管理。虚拟存储器可以容纳超过主存容量的多个作业同时运行在一个地址空间。虚拟存储器由硬件和操作系统来实现信息调度和管理。SSD固态硬盘和普通HDD硬盘SSD固态硬盘中没有机械马达和风扇工作时无噪音和震动SSD固态硬盘中不使用磁头比普通HDD硬盘的访问速度快SSD固态硬盘不会发生机械故障普通HDD硬盘则可能发生机械故障设有一个64Kx32位的存储器(每个存储单元为32位)其存储单元的地址线(宽度)为16根数据线宽度为32位。已知存储器容量64Kx32 位“64K中的K210K2^{10}K210所以64K64×21026×21021664K64×2^{10}2^6×2^{10} 2^{16}64K64×21026×210216此处“64K表示存储单元的数量而不是总位数。每个存储单元是 32 位(即 4 字节)存储单元的地址宽度(地址线的数量)由存储单元的数量决定地址线(宽度)log₂(存储单元的数量)log₂21616根地址线(宽度)log_₂(存储单元的数量)log_₂^{2^{16}}16根地址线(宽度)log₂​(存储单元的数量)log₂216​16根单位数据线条数数据线宽度根或位地址线条数地址线数量、地址线宽度位并行线数某计算机的字长是32位其内存容量是1GB若内存空间按字编址那么其地址范围是0000000~FFFFFFF(十六进制表示)。字长32位表示一个存储单元是32位所以是4B。一个字节8位即1B按字编制的存储单元数为1GB4B210MB22B210×210KB22B210×210×210B22B228\frac{1GB}{4B}\frac{2^{10}MB}{2^2B}\frac{2^{10}×2^{10}KB}{2^2B}\frac{2^{10}×2^{10}×2^{10}B}{2^2B}2^{28}4B1GB​22B210MB​22B210×210KB​22B210×210×210B​228。一个十六进制F转换为二进制为1111是4位因此28位需要7个F。若计算机中地址总线的宽度为24位则最多允许直接访问主存储器16MB的物理空间(以字节为单位编址)。24位地址总线可以访问的物理空间容量为224B16M2^{24}B16M224B16M。按查找文件的起点不同可以将路径分为绝对路径和相对路径。从根目录开始的路径称为绝对路径从用户当前工作目录开始的路径称为相对路径相对路径是随着当前工作目录的变化而改变的。软件的界面有多种类型现在大多数网络应用软件采用浏览器界面。