【正文】 嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)(Embedded Operating System)運(yùn)行在嵌入式智能芯片環(huán)境中，對(duì)整個(gè)智能芯片及其控制的各種部件和裝置等資源進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)、處理、指揮和控制。用戶在使用分布式操作系統(tǒng)時(shí)不需要像使用網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)那樣，指明資源在哪臺(tái)計(jì)算機(jī)上，因此分布式操作系統(tǒng)的透明性、穩(wěn)固性、統(tǒng)一性及系統(tǒng)效率都比網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)要強(qiáng)，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)難度也大。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)包括實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)和實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)。? 多用戶同時(shí)性：允許多個(gè)用戶同時(shí)聯(lián)機(jī)使用計(jì)算機(jī)。當(dāng)一個(gè)作業(yè)運(yùn)行結(jié)束后，隨即自動(dòng)調(diào)入同批的下一個(gè)作業(yè)運(yùn)行，從而節(jié)省了作業(yè)之間的人工操作時(shí)間，提高了資源的利用率。Error! No text of specified style in document.59操作系統(tǒng)對(duì)計(jì)算機(jī)的資源進(jìn)行全面管理，它的基本特征是多任務(wù)并行和多用戶資源共享。文件管理的功能包括：建立、修改和刪除文件；按文件名進(jìn)行訪問；決定文件信息的存放位置、存放形式及存取權(quán)限；管理文件間的聯(lián)系及提供對(duì)文件的共享、保護(hù)和保密等，允許多個(gè)用戶協(xié)同工作又不引起混亂。為了發(fā)揮設(shè)備和處理機(jī)的并行工作能力，常常采用緩沖技術(shù)和虛擬技術(shù)。如何分配內(nèi)存，以保證系統(tǒng)及各用戶程序的存儲(chǔ)區(qū)互相不沖突，是內(nèi)存分配所要解決的問題。在多道程序或多用戶的情況下，要組織多個(gè)作業(yè)同時(shí)運(yùn)行，對(duì)多個(gè)用戶進(jìn)行響應(yīng)，就需要解決對(duì)處理機(jī)的分配、調(diào)度和資源回收等問題。對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)而言，并發(fā)是指宏觀上看系統(tǒng)內(nèi)有多道程序同時(shí)運(yùn)行，微觀上看實(shí)際上是串行運(yùn)行。由于操作系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中占據(jù)著重要地位，所以它已經(jīng)成為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中一個(gè)必不可少的關(guān)鍵組成部分。? 設(shè)備管理，包括 設(shè)備的類 型、設(shè)備分配有關(guān)的調(diào)度算法、通道、DMA 與緩沖技術(shù)、假脫機(jī)和磁盤調(diào)度等。? 文件管理，包括文件與文件系 統(tǒng)的概念、文件的結(jié)構(gòu)和組織等。2. 操作系統(tǒng)的作用(1) 通過資源管理，提高工作效率。2) 共享性共享性是指系統(tǒng)中各個(gè)并發(fā)活動(dòng)要共享計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的各種軟、硬件資源，因此操作系統(tǒng)必須解決在多道程序間合理地分配和使用資源。處理機(jī)管理負(fù)責(zé)解決如何把 CPU 時(shí)間合理地、動(dòng)態(tài)地分配給程序運(yùn)行的基本單位——進(jìn)程，使處理機(jī)得到充分的利用。? 存儲(chǔ)保護(hù)：系統(tǒng)中有多個(gè)程序在運(yùn)行，如何保證一道程序在執(zhí)行過程中不會(huì)有意或無(wú)意地破壞另一道程序？如何保證用戶程序不會(huì)破壞系統(tǒng)程序？這些就是存儲(chǔ)保護(hù)問題。由于輸入/輸出設(shè)備種類很多，使用方法各不相同，因此，設(shè)備管理應(yīng)為用戶提供一個(gè)良好的界面，使具體的設(shè)備特性透明化，以便用戶能方便、靈活地使用這些設(shè)備。5) 用戶接口(作業(yè)管理)上述 4 項(xiàng)功能是操作系統(tǒng)對(duì)軟、硬件資源的管理。多任務(wù)并行是指操作系統(tǒng)可以支持用戶同時(shí)提交多項(xiàng)任務(wù)，同時(shí)工作；資源共享是指系統(tǒng)中的資源為多個(gè)用戶共同使用。早期單道批處理系統(tǒng)解決了作業(yè)自動(dòng)轉(zhuǎn)換問題，從而減少了作業(yè)建立和人工操作的時(shí)間。? 交互性：每個(gè)用戶可隨時(shí)通過終端向系統(tǒng)提出服務(wù)請(qǐng)求，系統(tǒng)也可隨時(shí)通過終端響應(yīng)用戶，從而加快了調(diào)試過程。實(shí)時(shí)控制是指生產(chǎn)過程控制(如煉鋼、電力生產(chǎn)和數(shù)控機(jī)床) 及武器控制等；實(shí)時(shí)處理是指實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和訂票系統(tǒng)等。分布式操作系統(tǒng)對(duì)于多機(jī)合作和系統(tǒng)重構(gòu)、穩(wěn)固性和容錯(cuò)能力有更高的要求，希望分布式操作系統(tǒng)有更短的響應(yīng)時(shí)間、更大的吞吐量和更高的可靠性。Error! No text of specified style in document.616. 研究操作系統(tǒng)的觀點(diǎn)研究和分析操作系統(tǒng)，可以從資源管理觀點(diǎn)和虛擬機(jī)觀點(diǎn)出發(fā)。主要研究資源的使用情況、資源的分配策略及分配和回收資源。操作系統(tǒng)位于硬件之上，所有其他 軟件之下，是其他 軟件的共同 環(huán)境與平臺(tái)。操作系統(tǒng)在裸機(jī)上運(yùn)行，其他軟件在操作系統(tǒng)上運(yùn)行。在 (3) 的控制下，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能及時(shí)處理由過程控制反饋的數(shù)據(jù)并做出響應(yīng)。 這 種 切 換 ， 通 常 是 由 中 斷 引 起 的 。程序是進(jìn)程運(yùn)行所對(duì)應(yīng)的運(yùn)行代碼，程序員考試同步輔導(dǎo)(上午科目 )(第 2 版)641一個(gè)進(jìn)程對(duì)應(yīng)于一個(gè)程序，一個(gè)程序可以同時(shí)對(duì)應(yīng)于多個(gè)進(jìn)程，代碼在運(yùn)行過程中不會(huì)被改變的程序，常稱為純碼程序或可重入程序，這類程序是可共享的程序。? 就緒(ready)：只要獲得處理機(jī)即可運(yùn)行。 進(jìn)程的控制進(jìn)程的控制就是對(duì)系統(tǒng)中所有進(jìn)程從創(chuàng)建到消亡的全過程實(shí)施有效的控制。2) 時(shí)鐘管理操作系統(tǒng)的許多活動(dòng)要用到時(shí)鐘管理。 進(jìn)程間的通信1. 同步與互斥在操作系統(tǒng)中，多個(gè)進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行，因此進(jìn)程間必然存在資源共享和相互合作的問題?；コ馐且ＷC臨界資源在某一時(shí)刻只被一個(gè)進(jìn)程訪問。除了設(shè)置初值外，對(duì)信號(hào)量只能進(jìn)行特殊的操作：P 操作和 V 操作。當(dāng) S0 時(shí)，表示還有資源可以分配；當(dāng) S0 時(shí)，其絕對(duì)值表示信號(hào)量等待隊(duì)列中進(jìn)程的數(shù)目。(2) 消息傳遞系統(tǒng)：進(jìn)程間的數(shù)據(jù)交換以消息為單位，程序員直接利用系統(tǒng)提供的一組通信命令(原語(yǔ))來(lái)實(shí)現(xiàn)通信。系統(tǒng)中一個(gè)作業(yè)只需經(jīng)過一次高級(jí)調(diào)度。1) 先來(lái)先服務(wù)先來(lái)先服務(wù)(FCFS)是按照作業(yè)提交或進(jìn)程變?yōu)榫途w狀態(tài)的先后次序，分配 CPU。進(jìn)程可以未使用完一個(gè)時(shí)間片，就出讓 CPU(如阻塞) 。確定優(yōu)先級(jí)的依據(jù)主要有：進(jìn)程類型(系統(tǒng)進(jìn)程優(yōu)先級(jí)較高) 、對(duì)資源的需求(對(duì) CPU 和內(nèi)存需求較少的進(jìn)程優(yōu)先級(jí)較高 )、用戶要求( 緊迫程度和付費(fèi)多少)。系統(tǒng)發(fā)生死鎖時(shí)，死鎖進(jìn)程的個(gè)數(shù)至少為兩個(gè)；所有死鎖進(jìn)程都有等待資源，其中至少有兩個(gè)進(jìn)程已占有資源。? 循環(huán)等待：在進(jìn)程資源有向圖中存在一個(gè)進(jìn)程環(huán)路，環(huán)路中每一個(gè)進(jìn)程已獲得的資源同時(shí)被下一個(gè)進(jìn)程所請(qǐng)求。? 死鎖的解除：檢測(cè)到死鎖發(fā)生后，常采用資源剝奪法和撤銷進(jìn)程法解除死鎖。? 不同的線程可以執(zhí)行相同的程序。引入線程的好處主要有如下幾個(gè)。在操作系統(tǒng)的進(jìn)程管理中，若系統(tǒng)中有 10 個(gè)進(jìn)程使用互斥 資源 R ，每次只允許 3 個(gè)進(jìn)程進(jìn)入互斥段( 臨界區(qū))，則信號(hào)量 S 的變化范圍是 7～3 ；若信號(hào)量 S 的當(dāng)前值為 2，則表示系統(tǒng)中有 2 個(gè)正在等待該資源的進(jìn)程。其中，就緒狀態(tài)表示一個(gè)進(jìn)程獲得了除處理機(jī)外的一切所需資源，一旦得到 處理機(jī)即可運(yùn)行，則稱此進(jìn)程處于就緒狀態(tài)，若進(jìn)程 P1 正在運(yùn)行，操作系統(tǒng)強(qiáng)行撤下 P1 進(jìn)程所占用的 CPU，讓具有更高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程 P2運(yùn)行，此時(shí) P1 進(jìn)程處于就緒狀態(tài)。答案：(26)B (27)C例 7：用戶進(jìn)程 A 從“運(yùn)行 ”狀態(tài)轉(zhuǎn)換到“阻塞”狀態(tài)可能是由于 (26) 。答案：B例 9：已知有 n 個(gè)進(jìn)程共享一個(gè)互斥段，如果最多允許 m 個(gè)進(jìn)程(mn)同時(shí)進(jìn)入互斥段，則信號(hào)量的變化范圍是 (26) 。(2022 年上半年試題 15)A. 多道程序設(shè)計(jì) B. Spooling 　　 C. 緩沖 　　 D. 虛擬設(shè)備分析：多道程序系統(tǒng)讓多個(gè)程序在系統(tǒng)中輪流運(yùn)行，當(dāng)一個(gè)程序不用處理機(jī)時(shí)，另一個(gè)程序就使用。答案：A例 12：某系統(tǒng)中有一個(gè)緩沖區(qū)，進(jìn)程 P1 不斷地生產(chǎn)產(chǎn)品送入緩沖區(qū)，進(jìn)程 P2 不斷地從 緩 沖 區(qū) 取 產(chǎn) 品 消 費(fèi) 。進(jìn)程管理可把進(jìn)程的狀態(tài)分成 (2) 三種。讓多個(gè)程序在系統(tǒng)中輪流運(yùn)行的系統(tǒng)稱為多道程序系統(tǒng)，在多道程序系統(tǒng)中需要采用 (4) 來(lái)描述程序的執(zhí)行，它是運(yùn)行中的程序單位。它從 0 號(hào)單元開始編址，并順序分配所有的符號(hào)名所對(duì)應(yīng)的地址單元，所以它不是主存中的真實(shí)地址，故稱為相對(duì)地址、程序地址、邏輯地址或虛擬地址。由操作系統(tǒng)中的裝入程序 Loader 和地址重定位機(jī)構(gòu)來(lái)完成。(1) 主存儲(chǔ)器的分配和回收。它是一種靜態(tài)分區(qū)方式，在系統(tǒng)生成時(shí)已將主存劃分為若干個(gè)分區(qū)，每個(gè)分區(qū)的大小可不等。形成的物理地址必須滿足：上界寄存器≤物理地址≤下界寄存器采用基址和限長(zhǎng)寄存器保護(hù)法時(shí)，基址寄存器中存放作業(yè)的裝入地址，限長(zhǎng)寄存器裝入作業(yè)的長(zhǎng)度，形成的物理地址必須滿足：基址寄存器≤物理地址≤基址寄存器+限長(zhǎng)寄存器 分頁(yè)存儲(chǔ)管理1. 純分頁(yè)存儲(chǔ)管理分頁(yè)原理：將一個(gè)進(jìn)程的地址空間劃分為若干個(gè)大小相等的區(qū)域，稱為頁(yè)。頁(yè)表：系統(tǒng)為每個(gè)進(jìn)程建立一張頁(yè)面映射表，簡(jiǎn)稱頁(yè)表?？毂碇淮娣女?dāng)前進(jìn)程最活躍的少數(shù)幾頁(yè)，隨著進(jìn)程的推進(jìn)，快表內(nèi)容動(dòng)態(tài)更新。進(jìn)程在執(zhí)行中，通過查段表來(lái)找到每個(gè)段所對(duì)應(yīng)的內(nèi)存區(qū)。在分段存儲(chǔ)系統(tǒng)中常常利用存儲(chǔ)保護(hù)鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)保護(hù)。這樣，便可使一個(gè)大的用戶程序在較小的主存空間中運(yùn)行，也可使主存中同時(shí)裝入更多的進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行。與一般中斷則的主要區(qū)別在于：缺頁(yè)中斷在指令執(zhí)行期間產(chǎn)生和處理中斷信號(hào)，而一般中斷在一條指令執(zhí)行完后檢查和處理中斷信號(hào)。 典型例題分析例 1：產(chǎn)生中斷時(shí)，由硬件保護(hù)并更新程序計(jì)數(shù)器 PC 的內(nèi)容，其主要目的是 (19) 。平均尋道(址) 時(shí)間表示從當(dāng)前道移至目標(biāo)道的平均時(shí)間，反應(yīng)了磁頭的移動(dòng)定位速度。若磁 盤的轉(zhuǎn)速提高一倍，只是減少了平均等待時(shí)間，對(duì) 平均尋道時(shí)間沒有影響，與磁盤的存儲(chǔ)道密度和磁盤的轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，所以以上選項(xiàng)只有 D 正確。答案：D例 2：若分頁(yè)系統(tǒng)地址的結(jié)構(gòu)如圖 26 所示，該系統(tǒng)頁(yè)的大小為 (24) 字節(jié)，頁(yè)號(hào)的取值范圍為 (25) 。Error! No text of specified style in document.813) 地址轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)請(qǐng)求分頁(yè)系統(tǒng)中的地址轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)是在分頁(yè)系統(tǒng)的地址轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，為實(shí)現(xiàn)虛擬存儲(chǔ)器而增加了某些功能后形成的，如產(chǎn)生和處理缺頁(yè)中斷、從主存中換出一頁(yè)等。虛擬存儲(chǔ)器具有請(qǐng)求調(diào)入功能和置換功能，能僅把作業(yè)的一部分裝入主存便可運(yùn)行作業(yè)的存儲(chǔ)器系統(tǒng)，能從邏輯上對(duì)主存容量進(jìn)行擴(kuò)充。局部性表現(xiàn)為時(shí)間局部性和空間局部性兩類。2. 段的動(dòng)態(tài)鏈接和裝配所謂動(dòng)態(tài)鏈接，是指在一個(gè)程序開始運(yùn)行時(shí)，只將主程序裝配好并調(diào)入內(nèi)存，在運(yùn)行過程中若訪問一個(gè)新的模塊時(shí)，再裝配此模塊，并與主程序鏈接起來(lái)。 分段存儲(chǔ)管理1. 基本原理在分段存儲(chǔ)管理方式中，作業(yè)的地址空間被劃分為若干個(gè)段，每個(gè)段是一組完整的邏輯信息，如有主程序段、子程序段、數(shù)據(jù)段及堆棧段等，每個(gè)段都有自己的名字，都是從0 開始編址的一段連續(xù)的地址空間，各段長(zhǎng)度是不等的。頁(yè)表的作用是實(shí)現(xiàn)從頁(yè)號(hào)到物理塊號(hào)的地址映射。地址機(jī)構(gòu)：分頁(yè)系統(tǒng)的地址機(jī)構(gòu)如圖 25 所示，由兩部分組成，頁(yè)號(hào) P 和偏移量 W(即頁(yè)內(nèi)地址) 。它是一種動(dòng)態(tài)分區(qū)方式，存儲(chǔ)空間的劃分是在作業(yè)裝入時(shí)進(jìn)行的，故分區(qū)的個(gè)數(shù)可變，分區(qū)的大小剛好等于作業(yè)的大小。(3) 存儲(chǔ)保護(hù)：任務(wù)是確保每道程序都在自己的主存空間運(yùn)行，互不干擾。(1) 靜態(tài)地址重定位，是指在程序裝入主存時(shí)已經(jīng)完成了邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換，在程序的執(zhí)行期間將不會(huì)再發(fā)生變化。源程序經(jīng)過匯編或編譯后再經(jīng)過鏈接編輯程序加工形成程序的裝配模塊，即轉(zhuǎn)換為相對(duì)地址編址的模塊，它是以 0為基址順序進(jìn)行編址的。系統(tǒng)中主存的使用一般分成兩部分：一部分為系統(tǒng)空間，存放操作系統(tǒng)本身及相關(guān)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)；另一部分為用戶空間，存放用戶的程序和數(shù)據(jù)。代表進(jìn)程在就緒隊(duì)列排隊(duì)的是 (2) 。 進(jìn) 程 P1 與 P2 的 同 步 模 型 如下 圖 24 所示，為此，應(yīng)設(shè)信號(hào)量 S1 的初值為 (18) ，信號(hào)量 S2 的初值為 (19) 。引入多道程序技術(shù)的目的是為了 進(jìn)一步提高系統(tǒng)資源的利用率。當(dāng)?shù)?1 個(gè)申請(qǐng)?jiān)撡Y源的進(jìn)程對(duì)信號(hào)量 S 執(zhí)行 P 操作，信號(hào)量 S 減 1 等于 m1，進(jìn)程可繼續(xù)執(zhí)行；當(dāng)?shù)诙€(gè)申請(qǐng)對(duì) S 執(zhí)行 P 操作；S 減 1 等于 m2，進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行…… 由此可推知，當(dāng)?shù)?n 個(gè)申請(qǐng)對(duì)信號(hào)量 S 執(zhí)行 P 操作，信號(hào)量 S 減 1 等于(nm)，所以正確答案為 C。用戶進(jìn)程 A 從“ 運(yùn)行”狀態(tài)轉(zhuǎn)換到“阻塞”狀態(tài)可能是由于 該進(jìn)程執(zhí)行了 P 操作。(2022 年下半年試題 227)(26) A. 0 B. 1 C. 5 D. 6(27) A. 0～10 B. 1～ 9 C. 4～6 D. –5～5分析：本題中已知有 10 個(gè)進(jìn)程共享一個(gè)互斥段，如果最多允 許 6 個(gè)進(jìn)程同時(shí)進(jìn)入互斥段，說(shuō)明系統(tǒng)有 6 個(gè)單位的資 源，信號(hào)量 S 的初值應(yīng)設(shè)為 6。(2022 年上半年試題 227)圖 22 進(jìn)程三態(tài)模型圖(26) A. 時(shí)間片到、作業(yè)調(diào)度程序調(diào)度 B. 執(zhí)行了 P 操作、時(shí)間片到C. 時(shí)間片到、進(jìn)程調(diào)度程序調(diào)度 D. 時(shí)間片到，執(zhí)行了 P 操作(27) A. I/O 完成、執(zhí)行了 P 操作 B. 執(zhí)行了 P 操作、 I/O 完成C. 時(shí)間片到、執(zhí)行了 V 操作 D. 執(zhí)行了 V 操作、 I/O 完成分析：由系統(tǒng)進(jìn)程的三態(tài)模型可知， a 處應(yīng)為時(shí)間片到， b 處應(yīng)為進(jìn)程調(diào)度程序調(diào)度；c處應(yīng)為執(zhí)行了 P 操作， d 處應(yīng)為 I/O 完成。? 兩個(gè)線程間切換花費(fèi)的時(shí)間少。? 線程是處理機(jī)的獨(dú)立調(diào)度單位，多個(gè)線程是可以并發(fā)執(zhí)行的。在引入線程的操作系統(tǒng)中，線程是進(jìn)程程序員考試同步輔導(dǎo)(上午科目 )(第 2 版)701中的一個(gè)實(shí)體，是 CPU 調(diào)度和分派的基本單位。其中，方框表示資源，圓圈表示進(jìn)程。2. 產(chǎn)生死鎖的 4 個(gè)必要條件產(chǎn)生死鎖的原因：一是系統(tǒng)提供的資源數(shù)量有限，不能滿足每個(gè)進(jìn)程的使用；二是多道程序運(yùn)行時(shí)，進(jìn)程推進(jìn)順序不合理。進(jìn)程每執(zhí)行一個(gè)時(shí)間片，就降低其優(yōu)先級(jí)，從而一個(gè)進(jìn)程持續(xù)執(zhí)行時(shí)，其優(yōu)先級(jí)可能會(huì)降低到出讓 CPU 為止。? 時(shí)間片長(zhǎng)度變化的影響：時(shí)間片過長(zhǎng)，退化為 FCFS 算法，進(jìn)程在一個(gè)時(shí)間片內(nèi)都執(zhí)行完，造成響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)；時(shí)間片過短，用戶的一次請(qǐng)求需要多個(gè)時(shí)間片才能處理完，上下文切換次數(shù)增加，系統(tǒng)效率降低，同樣造成響應(yīng)時(shí)間增長(zhǎng)。FCFS 的特點(diǎn)比較有利于長(zhǎng)作業(yè)，而不利于短作業(yè)；有利于 CPU 繁忙的作業(yè)，