1、操作系统概述
- 操做系统的作用：通过资源管理提高计算机系统的效率；改善人机界面面向用户提供友好的工作环境。
- 操做系统的特征：并发性、共享性、虚拟性、不确定性。
- 操做系统的功能：进程管理、存储管理、文件管理、设备管理、作业管理。
- 操做系统的分类：批处理操做系统、分时操做系统（轮流使用CPU工作片）、实时操做系统（快速响应）、网络操做系统、分布式操做系统（物理分散的计算机互联系统）、微机操做系统（Windows）、嵌入式操做系统。
- 计算机启动的基本流程为：BIOS→主引导记录→操做系统。
2、进程的组成和状态
- 进程的组成：进程控制块PCB（唯一标志）、程序（描述进行要做什么）、数据（存放进程执行时所需数据）。
- 进程基础的状态是下左图中的三态图，这是系统自动控制时只有三种状态，而右下图中的五态，是多了两种状态：静止就绪和静止阻塞，需要人为的操作才会进入对应状态，活跃就绪即就绪，活跃阻塞即等待。
- 可知，当人为干预后，进程将被挂起，进入静止状态，此时，需要人为激活，才能恢复到活跃状态，之后的本质还是三态图。
3、前趋图
- 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。
4、进程资源图
- 进程资源图：用来表示进程和资源之间的分配和请求关系，如下图所示：
- 阻塞节点：某进程所请求的资源已经全部完毕，无法获取所需资源，该进程被阻塞了无法继续。如上图P2.
- 分阻塞节点：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。如上图中P1、P3。
- 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。
5、同步与互斥
- 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。
- 临界资源：各进程间需要以互斥方式对其进行访问的资源。
- 临界区：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，初值一般是共享资源的数量。
6、信号量操作
- P操作：申请资源 ，S=S-1，若S>=0,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，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。
7、死锁
- 当一个进程在等待永远不可能发生的事件时，就会产生死锁，若系统中有多个进程处于死锁状态，就会造成系统死锁。
- 死锁产生的四个必要条件：
- 资源互斥
- 每个进程占有资源并等待其他资源
- 系统不能剥夺进程资源
- 进程资源图是一个环路
- 死锁产生后，解决措施是打破四大条件，有下列方法。
- 死锁预防：采用某种策略限制并发进程对资源的请求，破坏死锁产生的四各条件之一，使系统任何时刻都不满足死锁的条件。
- 死锁避免：一般采用银行家算法来避免，银行家算法，就是提前计算出一条不会死锁的资源分配方法，才分配资源，否则不分配资源，相当于借贷，考虑对方还得起才借钱，提前考虑好以后，就可以避免死锁。
- 死锁检测：允许死锁产生，但系统定时运行一个检测死锁的程序，若检测到系统中发生死锁，则设法加以解除。
- 死锁解除：即死锁发生后的解除方法，如强制剥夺资源，撤销进程等。
- 死锁计算问题：系统内有n各进程，每个进程都需要R个资源，那么其发生死锁的最大资源数为n*(R-1)。其不发生死锁的最小资源数为n*（R-1）+1。
8、线程
- 传统的进程有两个属性：可拥有资源的独立单位，可独立调度和分配的基本单位。
- 引入线程后，线程是独立调度的最小单位，进程是拥有资源的最小单位，线程可以共享进程的公共数据、全局变量、代码、文件等资源，但不能共享线程独有的资源，如线程的栈指针等标识数据。
9、页式存储管理
- 将进程空间分为一个个页，假设每个页大小为4k，同样的将系统的物理空间也分为一个个4k大小的物理块（页帧号）。这样，每次将需要运行的逻辑页装入物理块中，运行完再装入其他需要运行的页，就可以分批次运行完进程，而无需将整块逻辑空间全部装入物理内存中。
- 优点：利用率高、碎片小（只在最后一个页中有）、分配及管理简单。
- 缺点：增加了系统开销，可能产生抖动现象。
10、页面置换算法
- 有时候，进程空间分为100个页面，而系统 内存只有10个物理块，无法全部满足分配，就需要将马上要执行的页面先分配进去，而后根据算法进行淘汰，使100个页面能够按执行顺序调入物理块中执行完。
- 缺页表示需要执行的页不在内存物理块中，需要从外部调入内存，会增加执行时间，因此，缺页数越多，系统效率越低。
- 最优算法：OPT，理论上的算法，无法实现，是在进程执行完后进行的最佳效率计算，用来让其他算法比较差距。原理是选择未来最长时间内不被访问的页面置换，即分配的页数越多，缺页率可能越多（即效率越低）。
- 最近最少使用：LRU，在最近的过去，进程执行过程中，过去最少使用的页面被置换淘汰，根据局部性原理，这种方式效率高，且不会产生抖动现象。
11、快表
- 是一块小容量的相联存储器，由快速存储器组成，按内容访问，速度快，并且可以从硬件上保证按内容并行查找，一般用来存放当前访问最频繁的少数活动页面的页号。
- 快表是将页面存于Cache中；满标表示将页表存于内存上。
- 因此慢表需要访问两次内存才能取出页，而快表是访问一次Cache和一次内存，因此更快。
12、段式存储管理
- 将进程空间分为一个个段，每段也有段号和段内地址，与页式存储不同的是，每段物理大小不同，分段是根据逻辑整体分段的。
- 地址表示：（段号、段内偏移）：其中段内偏移不能超过该段号对应的段长，否则越界错误，而此地址对应的真正内存地址应该是：段号对应的基地址+段内偏移。
- 优点：程序逻辑完整、修改互不影响。
- 缺点：内存利用率低，内存碎片浪费大。
13、段页式存储管理
- 对进程空间先分段、后分页，具体原理图和优缺点如下：
- 优点：空间浪费小、存储共享容易、能动态连接。程序逻辑完整修改互不影响
- 缺点：由于管理软件的增加，复杂性和开销性也增加，执行速度下降。内存利用率低，内存碎片浪费大
14、文件结构
- 计算机系统中采用的索引文件结构如下图所示：
- 系统中有13个索引节点，0-9为直接索引，即每个索引节点存放的是内容，假设每个物理盘大小为4kb，共可存4KB*10=10KB数据；
- 10号索引节点为一级间接索引节点，大小为4kb，存放的并非直接数据，而是链接到直接物理盘块的地址，假设每个地址占4B，则共有1024个地址，对应1024个物理盘，客村1024*4KB=4098KB数据。
- 二级索引节点类似，直接盘存放一级地址，一级地址再存放物理盘块地址，而后链接到存放数据的物理盘块，容量又扩大了一个数量级，为1024*1024*4KB数据。
15、树形文件目录
- 相对路径：是从当前路径开始的路径。
- 绝对路径：是从根目录开始的路径。
- 全文件名=绝对路径+文件名。要注意，绝对路径和相对路径是不加最后的文件名的，只是单纯的路径序列。
- 树形结构主要是区分相对路径和绝对路径，如下图所示：
16、空闲存储空间管理
- 空闲区表法：将所有空闲空间整合成一张表，即空闲空间目录。
- 空闲链表法：将所有空闲空间链接成一个链表，根据需要分配。
- 成组链接法：既分组，每组又链接 成链表，是上述两种方法的综合。
- 位示图法：对每个物理空间用一位标识，为1则使用，为0则空闲，形成一张位示图。
17、设备管理
- 设备的分组方式：
- 按数据组织分类：块设备、字符设备。
- 资源分配角度分类：独占设备、共享设备和虚拟设备。
- 数据传输速率分类：低速设备、中速设备、高速设备。
- I/O软件层次结构：
18、输入输出技术
- 程序控制（查询）方式：CPU主动查询外设是否完成数据传输，效率极低。
- 程序中断方式：外设完成数据传输后，向CPU发送中断，等待CPU处理数据，效率相对较高。适用于键盘等实时性较高的场景。
- 中断响应时间指的是从发送中断请求开始进入中断处理程序；中断处理时间指的是从中断处理开始到中断处理结束。中断向量提供中断服务程序的入口地址。多级中断嵌套，使用堆栈来保护断点和现场。
- DMA方式（直接主存存取）：CPU只需完成必要的初始化等操作，数据传输的整个过程都由DMA控制器来完成，在主存和外设之间建立直接的数据通路，效率很高。适用于硬盘等高速设备。
- 在一个总线周期结束后，CPU会响应DMA请求开始读取数据：CPU响应程序中断方式请求是在一条指令执行结束时；区分指令执行结束和总线周期结束。
19、虚设备和SPOOLING技术
- 一台实际的物理设备，例如打印机，在同一时间只能由一个进程使用，其他进程只能等待，且不知道什么时候打印机空闲，此时，极大的浪费了外设的工作效率。
- 引入SPOOLING技术，就是在外设上建立两个数据缓冲区，分别称为输入井和输出井，这样，无论多少进程，都可以共用这一台打印机，只需要将打印机命令发出，数据就会排对存储在缓冲区中，打印机会自动按顺序打印，实现了物理外设的共享，使得每个进程都感觉在使用一个打印机，这就是物理设备的虚拟化。如下图所示：
20、微内核操作系统
- 微内核，顾名思义，就是尽可能的将内核做的很小，只将最为核心必要的东西放入内核中，其他能独立的东西都放入用户进程中，这样，系统就被分为了用户态和内核态，如下图所示：
21、嵌入式操作系统
- 嵌入式操作系统特点：微型化、代码质量高、专业化、实时性强、可裁剪可配置。
- 实时嵌入式操作系统的内核服务：异常和中断、计时器、I/O管理。
- 常见的嵌入式RTOS（实时操作系统）：VxWorks，RT-Linux，QNX，pSOS。
- 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
- 芯片级是微处理器的初始化，板卡级是其他硬件设备初始化，系统级初始化是软件及操作系统初始化。