一、操作系统原理

1. 考点分析

1）考试分值分布

• 题量及分值: 单项选择题2题，多项选择题1题，合计约4分

• 出题特点: 多项选择题可能结合第一章和第二章内容联合出题

2）常考知识点

• 操作系统概念

  • 定义: 需要明确操作系统是什么，建立基本概念框架

  • 特征: 分析操作系统区别于其他软件的特殊性质

  • 功能: 详细讲解操作系统提供的核心服务功能

  • 研究观点: 从不同角度理解操作系统的本质

  • 发展历程: 了解操作系统演进的各个阶段

• 操作系统分类

  • 学习方法: 需要横向和纵向对比各类操作系统的特点

  • 对比维度: 包括但不限于响应时间、资源管理方式、适用场景等

• 操作系统结构

  • 重点结构: 微内核结构（客户机/服务器模式）

  • 学习意义: 在掌握概念和分类后，理解操作系统的内部组织形式

2. 操作系统的概念

1）计算机系统

• 计算机系统的概念

  • 定义：一种可以按用户要求接收和存储信息，自动进行数据处理并输出结果的系统

  • 核心功能：通过硬件系统和软件系统的协同工作实现数据处理自动化

  • 资源构成：包括软件资源（程序和数据）和硬件资源（CPU、存储器等）

• 计算机系统的组成

• 软件系统：

  • 应用软件：文字处理（Word）、图形图像处理（Photoshop）、科学计算、MIS等

  • 支撑软件：数据库、网络、多媒体等基础设施

  • 系统软件：操作系统、编译器

• 硬件系统：

  • 中央处理器：CPU（运算器+控制器）

  • 存储器：内存（RAM）、外存（磁盘、磁带）

  • I/O设备：输入设备（键盘、鼠标）、输出设备（显示器、打印机）

• 计算机硬件的五大组成部分

• 核心组件：

  • 运算器：执行算术和逻辑运算（如计算3+5=8）

  • 控制器：协调各部件工作（相当于”大脑”）

  • 存储器：存储程序和数据（内存临时存储，外存永久存储）

• 交互设备：

  • 输入设备：键盘、鼠标等数据输入装置

  • 输出设备：显示器、打印机等结果输出装置

• 协作关系：CPU（运算器+控制器）通过控制命令协调各部件工作

• 计算机系统的工作流程

• 典型流程（以3+5计算为例）：

  • 输入设备接收用户指令（键盘输入3+5）

  • 数据存入存储器

  • 运算器从存储器取数计算

  • 结果返回存储器

  • 输出设备显示结果（显示器输出8）

• 控制机制：控制器全程监控流程，确保正确执行指令序列

• 操作系统在计算机系统中的角色

  • 核心职能：

    • 资源管理：协调硬件/软件资源使用（如打印机排队）

    • 流程控制：防止资源冲突（避免多个程序同时使用打印机）

  • 类比说明：类似公司总经理，负责资源调配和工作协调，不直接参与具体业务

2）操作系统的定义

• 本质：系统软件的模块集合

• 三大核心功能：

  • 资源管理：有效组织硬件/软件资源

  • 流程控制：合理调度工作任务

  • 用户服务：提供友好的人机交互

• 关键术语：

  • 有效：提高CPU利用率（避免空转），优化内存/外设使用效率

  • 合理：公平调度（避免”死锁”和”饥饿”现象）

    • 死锁示例：进程互相等待对方释放资源

    • 饥饿示例：打印任务长期得不到执行

3）操作系统的特征

• 核心特征：操作系统具有并发性、共享性和随机性三大特征

• 领导作用：操作系统通过整合计算机系统资源、控制程序执行来发挥管理作用

• 并发性

  • 基本概念：指计算机系统中同时存在多个（≥2）运行中的程序

  • 与并行区别：

    • 并行：多个程序独立执行（如两人从不同门进入房间）

    • 并发：多个程序同时存在于系统（如两人已在房间内）

  • 实现形式：

    • 用户程序间并发执行

    • 用户程序与系统程序并发执行

  • 处理器环境差异：

    • 单处理器：微观上程序交替执行（伪并发）

    • 多处理器：真正物理并发（宏观微观都并发）

• 共享性

  • 基本概念：系统资源被多个程序共同使用，需在操作系统控制下实现

  • 重要共享资源：

    • 中央处理器（CPU）

    • 内存储器

    • 外存储器

    • 外部设备

  • 共享形式：

    • 互斥共享：

      • 特点：资源可被多用户使用，但某时刻仅限一个用户

      • 代表设备：打印机、磁带机、扫描仪

    • 同时共享：

      • 特点：同一时间可被多程序同时访问

      • 代表设备：硬盘、可重入操作系统代码

• 随机性

  • 核心定义：操作系统无法预知程序行为及硬件状态变化

  • 未知因素：

    • 硬件状态变化时机

    • 进程状态转换

    • 数据处理请求

  • 管理特点：虽然作为系统”领导”，但无法实时掌握所有子系统的具体运行状态

4）研究操作系统的观点

• 五种核心观点：

  • 软件观点：操作系统是大型系统软件，具有程序集合特性

  • 资源管理观点：协调用户程序和作业，管理硬件资源分配

  • 进程观点：分析系统并行工作，处理任务分割与关系

  • 虚拟机观点：通过功能分层将裸机扩展为虚拟计算机

  • 服务提供者观点：为用户提供系统调用等广义指令服务

• 软件观点详解

  • 外在特性：

    • 通过操作命令定义集和界面确定使用方式

    • 界面设计完全决定用户与系统的交互方式

  • 内在特性：

    • 具有一般软件的结构特点

    • 包含应用软件不具备的特殊结构

    • 程序集合需满足”有效合理”的关键要求

• 资源管理观点详解

  • 管理机制：

    • 记录系统资源使用状态（空闲/占用）

    • 响应资源请求并回收闲置资源

    • 通过优先级和调度算法解决资源竞争

  • 管理对象：

    • 中央处理器（CPU）

    • 内存与外存（程序和数据存储）

    • I/O设备及控制器（键盘、鼠标、打印机等）

• 进程观点详解

  • 分析重点：

    • 系统各部分并行工作情况

    • 管理任务分割与相互关系

  • 进程分类：

    • 用户进程：执行用户程序

    • 系统进程：执行操作系统功能

    • 操作系统需协调两类进程运行

• 虚拟机观点详解

  • 核心思想：

    • 用户通过OS间接操作硬件（裸机）

    • 功能分层实现：每层完成特定功能

    • 逐层扩充最终形成虚拟计算机系统

  • 关键优势：

    • 屏蔽硬件复杂性

    • 提供统一服务接口

    • 增强系统安全性和可靠性

• 服务提供者观点详解

  • 服务内容：

    • 提供系统调用（广义指令）

    • 功能强大且易用的用户接口

    • 简化用户操作流程

  • 设计目标：

    • 使用便利性

    • 操作安全性

    • 执行高效性

5）操作系统的功能

• 五大核心功能：

  • 进程管理（处理器管理）

  • 存储管理

  • 文件管理

  • 设备管理

  • 用户接口

• 进程管理

  • 四大核心功能：

    • 进程控制：创建/撤销进程，管理状态转换

    • 进程同步：处理进程间同步与互斥关系

    • 进程通信：协作进程间的信息交换机制

    • 进程调度：又称低级调度/处理器调度

  • 调度体系：

    • 进程调度（低级调度）

    • 线程调度

    • 作业调度

• 存储管理

  • 三大管理任务：

    • 多程序内存空间分配

    • 内存程序数据隔离保护

    • 内存扩充问题解决（虚拟存储技术）

  • 核心功能实现：

    • 内存分配与回收：动态资源管理

    • 存储保护：防止程序越界访问

    • 内存扩充：第五章重点（虚拟存储）

• 文件管理

  • 主要任务：

    • 支持文件存储、检索、修改操作

    • 解决共享、保密、保护问题

    • 提供用户友好文件使用环境

  • 功能实现：

    • 存储空间管理：外存分配与效率优化

    • 目录管理：实现按名存取

    • 安全性控制：权限管理与存取控制

• 设备管理

  • 核心职责：

    • 外部设备分配、启动与故障处理

    • 提高设备使用效率与系统速度

  • 关键技术：

    • 中断技术

    • 缓冲技术

    • 虚拟技术

    • 通道技术

  • 特殊功能：

    • 中断处理机制

    • 错误处理能力

• 用户接口

  • 设计目标：

    • 提供良好使用环境

    • 优化用户工作流程

  • 三种接口类型：

    • 命令接口：

      • 联机命令接口（交互式）

      • 脱机命令接口（批处理）

    • 程序接口：面向开发人员

    • 图形界面接口：终端窗口常用

• 应用案例

6）操作系统的發展

• 主要发展阶段：

  • 手工操作阶段

  • 监控程序阶段

  • 多道批处理系统

  • 分时系统

  • 现代操作系统（Android、Unix等）

二、知识小结