操作系统知识

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操作系统概述

• 操作系统定义： 能有效组织和管理系统中的各种软/硬件资源，合理的组织计算机系统工作流程，控制程序的执行，并且向用户提供一个良好的工作环境的友好的接口
• 操作系统有三个重要的作用：

1. 管理计算机中运行的程序和分配各种软硬件资源
2. 为用户提供友善的人机界面
3. 为应用程序的开发和运行提供一个高效率的平台

• 操作系统的4个特征：并发性、共享性、虚拟性、不确定性（异步性）

操作系统功能

1. 进程管理。实质上是对处理机的执行“时间”进行管理，采用多道程序等技术将CPU的时间合理的分配给每个任务，主要包括进程控制、进程同步、进程通信、进程调度
2. 文件管理。主要包括文件存储空间管理、目录管理、文件的读/写管理和存取控制
3. 存储管理， 存储管理是对主存储器“空间”进行管理，主要包括存储分配与回收、存储保护、地址映射（变换）和主存扩充
4. 设备管理。实质是对硬件设备的管理，包括对输入/输出设备的分配、启动、完成和回收
5. 作业管理。包括任务、界面管理、人机交互、图形界面、语音控制和虚拟现实等。

操作系统分类

• 批处理操作系统： 单道批处理和多道批处理（主机与外设可并行）
• 分时操作系统： 一个计算机系荣与多个终端设备连接。将CPU的工作时间划分为许多很短的时间片，轮流为各个终端的用户服务
• 实时操作系统： 实时是指计算机对于外来信息能够以足够的速度进行处理，并在被控对象允许的时间范围内作出快速反应。实时系统对交互能力要求不高，但要求可靠性有保障
• 分布式操作系统： 分步式计算机系统是由多个分散的计算机经连接而成的计算机系统，系统中的计算机无主次之分，任意两台计算机可以通过通信交换信息
• 微型计算机操作系统： 简称微机操作系统，常用的有windows， Mac os， Iinux

嵌入式操作系统主要特点：

1. 微型化。从性能和成本角度考虑，希望占用的资源和系统代码量少，如内存少、字长短、运行速度有限、能源少（用微小型电池）
2. 可定制。从减少成本和缩短研发周期考虑，要求嵌入式操作系统能运行在不同的微处理平台上，能针对硬件变化进行结构与功能上的配置，以满足不同应用需要
3. 实时行。嵌入式操作系统主要应用于过程控制、数据采集、传输通信、多媒体信息及关键要害领域需要迅速响应的场合，所以对实时性要求较高
4. 可靠性。系统构件/模块和体系结构必须达到应有的可靠性，对关键要害应用还要提供容错和防故障措施
5. 易移植性。为了提高系统的易移植性，通常采用硬件抽象层和板级支撑宝的底层设计技术

• 嵌入式系统初始化过程按照自底向上，从硬件到软件的次序依次为：片级初始化-> 板级初始化->系统初始化

进程组成和状态

• 进程的组成： 进程控制块PCB（唯一标志）、程序（描述进程要做什么）、数据（存放进程执行时所需数据）
• 进程基础的状态时下作图中的三态图（需熟练掌握三态之间转换）
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运行态：当前进程正在运行，需要CPU
就绪态： 除了CPU别的条件都有，处于就绪队列中，等待被分配CPU
阻塞态：可能外设在传输数据，既没有CPU也没有数据

前趋图

• 用来表示哪些任务可以并行执行，哪些任务之间有顺序关系，具体如下图，可知，ABC可以并行执行，但是必须ABC都执行完后才能执行D，这就确定了两点： 任务间的并行、任务间的先后顺序

  
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进程资源图（P：process，R：resource）

• 用来表示进程和资源之间的分配和请求关系，如下图所示：

  
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• P代表进程，R代表资源，R方框中有几个圆球就表示有几个这种资源，在上图中，R1指向P1，表示R1有一个资源已经分配给了P1，P1指向R2，表示P1还需要请求一个R2资源才能执行
• 阻塞节点：某进程所请求的资源已经全部分配完毕，无法获取所需资源，该进程被阻塞了无法继续，如P2
• 非阻塞节点：某进程所请求的资源还有剩余，可以分配给该进程继续运行，如P1、P3（R2分配完资源后还剩一个资源，但是资源会回收，所以P1P3都是非阻塞节点）

• 当一个进程资源图中所有进程都是阻塞节点时，即陷入死锁状态

  
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C B
所请求的资源剩余0 则是阻塞节点，非0则是非阻塞节点
资源可以释放，化简顺序可以为P3->P1->P2或者P3->P2->P1, P3执行完了后会释放一个R1和R2，P1和P2可以继续执行
进程资源图化简的方法是：先看系统中还剩多少资源没分配，在看有哪些进程是不阻塞的，接着来把不阻塞的进程的所有边都去掉，形成一个孤立的点，再把系统分配给这个进程的资源回收回来，这样，系统剩余的空闲资源便多了起来，接着又去看看剩下的进程有哪些是不阻塞的，然后又把他们逐个编程孤立的点，最后，所有资源和进程都变成孤立的点。图中P3是不阻塞的，故P3为化简图的开始，把P3孤立，再回收分配给他的资源，可以看到P1 P2也变成不阻塞节点了

进程的同步与互斥（※）

• 临界资源：各进程间需要以互斥的方式对其进行访问的资源
• 临界取：指进程中对临界资源实施操作的那段程序。本质是一段程序代码
• 互斥：某资源（即临界资源）在同一时间内只能由一个任务单独使用，使用时需要加锁，使用完成后解锁才能被其他任务使用，如打印机
• 同步： 多个任务可以并发执行，只不过有速度上的差异，在一定情况下停下等待，不存在资源是否单独或共享的问题；如自行车和汽车
• 互斥信号量： 对临界资源采用互斥访问，使用互斥信号量后其他进程无法访问，初值为1
• 同步信号量： 对共享资源的访问控制，初值一般时共享资源的数量
• P操作：申请资源，S=S-1，若S>=0 （S>0代表信号量，也就是资源数）,则执行P操作的进程继续执行；若S<0,则置该进程为阻塞状态（因为无可用资源），并将其插入阻塞队列

• V操作：释放资源 ，S=S+1，若S>0,则执行V操作的进程继续执行，若S<=0（S<0,代表目前阻塞的进程量）,则从阻塞状态唤醒一个进程，并将其插入就绪队列（此时因为缺少资源被P操作阻塞的进程可以继续执行），然后执行V操作的进程继续

  
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• 题型1

  
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CBB
五个信号量对应前趋图上的无根连线
执行完会释放资源（V），执行前会申请资源（P）

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• 题型2

  
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CBD