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第一章 计算机系统知识1. 计算机体系结构（计算机系统结构） 属性：硬件所能处理的数据类型、所能支持的寻址方式、CPU的内部寄存器、CPU的指令系统、主存的组织与主存的管理、中断系统的功能、输入输出设备及连接接口、计算机特性结构类型。 分类：(1)Flynn分类法(1966)：指令流、数据流、多倍性按指令流和数据流的不同组织方式分：单指令流单数据流(SISD);单指令流多数据流(SIMD);多指令流单数据流(MISD);多指令流多数据流(MIMD)。 (2)冯式分类法(1972)：最大平行度Pm ：指计算机系统在单位时间内能够处理的最大的二进制位数。 设每个时钟周期ti 内能处理的二进制位数为pi ，则T个时钟周期内平均并行度为：Pa =(Pi)/T ， 在T 周期内的平均利用率为：u=Pa/Pm=(Pi)/(T*Pm)。平均并行度取决于系统的运行程度，与应用程序无关。 按最大并行度进行分类：字串行、位串行(WSBS):N=1,M=1；字并行、位串行(WPBS):N=1,M1；字串行、位并行(WSBP):N1,M=1；字并行、位并行(WPBP):N1,M1。与计算机组成的区别：前者解决的问题是计算机系统总体上、功能上需要解决的问题，后者要解决的是逻辑上如何具体实现的问题；指令系统的确定属于前者，而指令的具体实现属于后者；主存容量及编址方式的确定属于前者，而具体如何构成主存属于后者。 结构的并行性：内容：同时性、并发性 并行处理分类：存储器操作并行；处理器操作步骤并行(流水线处理机)；处理器操作并行(阵列处理机)。 指令、任务、作业并行（多处理机、分布式系统、计算机网络） 并行性的发展：精简指令集计算机(RISC)、指令集上并行的的超标量处理机、超级流水线处理机、超长指令计算机、多微处理机系统、数据流计算机；大规模并行处理(MPP)的多处理机系统和多计算机系统。2.存储系统：层次结构：CPU寄存器、高速缓存Cache、主存、辅存。 分类：按位置分：内存与外存；按构成材料分：磁盘存储器半导体存储器(元件分双极型和MOS型；数据是否刷新分静态SM和动态DM)光盘存储器按工作方式分：读写只读：固定只读ROM、可编程只读PROM、可擦写可编程只读EPROM、电擦除可编程只读EEPROM、闪存FM按访问方式分：地址访问和内容访问；按寻址方式分：随机（RAM）、顺序(SAM)、直接(DAM)。相联存储器：工作原理：把数据或数据的某一部分作为关键字，将该关键字与存储器中的每一单元进行比较，找出存储器中所有与关键字相同的数据字。 结构：输入检索寄存器：用来存放要检索的内容（关键字） 屏蔽寄存器：用来屏蔽不参与检索的字段 比较器：比较检索的关键字与存储体的每一单元 存储体：存放信息 匹配寄存器：记录比较的结果 数据寄存器：存放存储体中某一单元的内容 地址寄存器 使相联存储器具有按地址查找的功能 地址译码器 作用范围：高速缓存；虚拟存储器中做段表、页表或快表存储器；DB和知识库。 高速缓存：含义：存放当前最活跃的程序和数据，作为主存局部域的副本。特点：容量小，速度快，由快速半导体存储器构成，内容是主存局部域的副本，对程序员是透明的。 组成：控制部分：判断CPU要访问的信息是否在cache存储器中，若在为命中，反之没命中。存储部分：存放主存的部分复制（副本）信息。 地址映像：含义：将主存地址转换成cache存储器的地址。方法：直接映像：优点：地址变换简单；缺点：灵活性差全相联映像：优点：主存的块调入Cache的位置灵活，不受限制； 缺点：无法从主存块号中直接获得Cache的块号，变换复杂，速度较慢。组相联映像：组用直接映像方式；块用全相联映像方式 替换算法：目标：使cache获得最高的命中率。 类型：随机替换、先进先出、近期最少使用、优化替换 性能分析：等效访问时间ta =Htc+(1-H)tm ，速度提高倍数r=tm/ta （H为命中率，tc为存取时间，tm为主存的访问时间）虚拟存储器：含义:是由主存、辅存、存储管理单元及操作系统中存储管理软件组成的存储系统。 分类：页式：页表硬件少，查表速度快，主存零头少；缺点：分页无逻辑意义，不利于存储保护段式:优点：段的界限分明，支持程序的模块化设计，易编译、修改、保护程序段，便于多道程序的共享；缺点：段的长度不一，主存利用率不高，产生大量内存碎片，造成浪费，段表庞大，查表速度慢。段页式：优点：兼有前两者的优点；缺点：地址变换速度慢。 外存：磁盘存储器：构成：盘片、驱动器、控制器和接口。 类型：软盘、硬盘 光盘存储器：类型：只读型、只写一次型、可擦除型。 组成：光学、电学和机械部件 特点：记录密度高；存储容量大；采用非接触式读/写信息；信息可长期保持； 采用多通道记录时数据传送率可超过200MB/S；制造成本低；对机械结构的精度要求不高；存取时间较长。 磁盘阵列技术：磁盘阵列是由多台磁盘存储器组成，一个快速大容量高可靠的外存子系统。 常见为廉价冗余磁盘阵列（RAID）,分为6级。3.计算机指令结构: CISC：复杂指令集计算机RISC：精简指令集计算机作用：简化了CPU的控制器，提高了处理速度。特点：指令种类少；指令长度固定，格式种类少；采用硬布线控制逻辑；复杂寻址方式少（寄存器寻址方式、立即数寻址方式以及相对寻址方式）；设置最少的访内指令；在CPU内部设置大量的寄存器；非常适合流水线操作。4.输入输出技术：1.微机最常用的内存与接口的编址方式：1） 内存与接口地址独立(隔离)的编址方法：优点：地址清楚，在编程或读程序中很易使用和辨认。缺点：用于接口的指令太少，功能太弱。2） 内存与接口地址统一(混合)的编址方法：优点：原则上用于内存的指令全部可用于接口，大大地增强了接口的操作功能。指令不区分内存或接口指令。缺点：地址空间分为两部分，使内存地址不连续。内存与接口指令相同，读程序时指令难辨认。 2.直接程序控制：无条件传送程序查询方式：缺点：降低了CPU的效率；对外部的突发事件无法做出实时响应。 3.中断方式：缺点：CPU必须等待I/O系统完成数据传输任务，整个系统的性能严重下降。 处理方法：多中断信号线法、中断软件查询法、菊花链法、总线仲裁法、中断向量表法。 优先级控制：当不同优先级的多个中断源同时提出请求时，CPU应优先响应优先级最高的中断源；中断嵌套。 4.DMA方式：在进行数据传送时，CPU让出总线的控制权，由硬件中的DMA控制器接管总线控制权。 5.输入输出处理机(IOP):功能：提高主机的工作效率。 数据传送方式：字节多路方式、选择传送方式、数组多路方式5.流水线：指令流水线：将一条指令分解成一连串执行的子过程，在CPU中变一条指令的串行子过程为若干条指令的子过程在CPU中重叠执行。 采用时间重叠技术。 流水技术的特点：流水线可分成若干个相互联系的子过程；实现子过程的功能所需时间尽可能相等；形成流水处理需要一段准备时间；指令流发生不能顺序执行时，会使流水过程中断，再形成流水过程则需要时间。 分类：计算机流水线技术包括指令流水线和运算操作流水线。 流水线结构的分类：按完成的功能分：单功能流水线、多功能流水线 按同一时间内各段间的连接方式分：静态流水线、动态流水线 按数据表示分：标量流水处理机、向量流水处理机 流水线处理机的主要指标：吞吐率：指单位时间里流水线处理机流出的结果数。建立时间:T0=mt0阻塞流水线情形引起：执行转移指令和共享资源冲突。6.总线结构：含义：任何连接两个以上电子元器件的导线。 分类：芯片内总线元件级总线 内(系统)总线：专用标准：ISA（工业标准）总线、 EISA总线、 PCI总线 外(通信)总线：RS-232C：（串行）传输线较少、传送距离远、多种可供选的传送速率、较好的抗干扰性。SCSI总线：（并行）USB：（串行）支持即插即用，并支持热插拔IEEE-1394（串行）支持即插即用，并支持热插拔7.多处理机与并行处理：阵列(并行)处理机：将重复设置的多个处理单元按一定方式连成阵列，在单个控制部件控制下，对分配给自己的数据进行处理，并行地完成一条指令所规定的操作。 SIMD计算机的互联网络：设计目标：结构简单、灵活；处理单元间信息传送的步骤尽可能少。 类型：立方体单级互连网络、PM2I单级互连网络、混洗交换单级互联网络 多处理机：互连条件：高频带、低成本、连接方式的多样性、在不规则通信情况下连接的无冲突性分类：异构型(非对称型)、同构型(对称型)、分布式处理系统。 结构：总线式结构（单总线、多总线、分级式、环式）、交叉开关结构、多端口存储器结构、开关枢纽式结构 特点：结构灵活性、程序的并行性、并行任务派生、进程同步、资源分配和任务调度 并行处理机：结构：具有分布式存储器的并行处理机结构：具有共享存储器的并行处理机结构 特点：资源重复、连接模式、专用性、复合性 8.计算机安全：信息安全的基本要素：机密性、完整性、可用性、可控性、可审查性 安全等级：A1可验证安全设计、B3安全域、B2结构化安全保护、B1 标记安全保护、C2 受控访问控制、C1 自主安全保护、D 无安全功能 安全威胁：类型：故意；偶然 实例：授权侵犯、拒绝服务、窃听、信息泄露、截获/修改、假冒、否认、 非法使用、人员疏忽、完整性破坏、媒体清理、物理入侵、资源耗尽 影响数据安全的因素：内部、外部9.数据加密技术：含义：对明文（未经加密的数据）按照某种加密算法（数据的变换算法）进行处理，而形成难以理解的密文（经加密后的数据）。内容：加密/解密算法：算法的设计通常需要满足3个条件：可逆性、密钥安全和数据安全。密钥管理：产生、备份、恢复、更新，多密钥管理 元素：算法和密钥 类型：对称（私人密钥）加密：文件加密和解密使用相同的密钥。使用简单快捷，密钥较短，破译困难。数据加密标准（DES）算法、三重DES(TDEA)、RC-5、国际数据加密算法（IDEA）非对称（公共密钥）加密：以（RSA）算法为代表，加密密钥可公开，解密密钥要保密。保密性较好，消除了最终用户交换密钥的需要，加密和解密花费时间长，速度慢，只适合对少量数据加密。10.认证技术：认证方：帐户名/口令认证、使用摘要算法认证、基于PKI(公钥架构)的认证公钥架构PKI系统：PKI 技术是信息安全技术的核心组成部分：认证机构（CA）、数字证书库、密钥备份及恢复系统、证书作废系统、应用接口标准化：公钥加密标准PKCS、公钥基础设施协议目的：通过自动管理密钥和证书，为用户建立起一个安全的网络运行环境，使用户可在多种应用环境下方便地使用加密和数字签名技术，从而保证网上数据的机密性、完整性、有效性。HASH函数与信息摘要数字签名：信息发送者使用以单向散列（Hash）函数对信息生成信息摘要；信息发送者使用自己的私钥签名信息摘要；信息发送者把信息本身和已签名的信息摘要一起发送出去；信息接受者通过使用与信息发送者使用的同一个单向散列函数对接受的信息本身生成新的信息摘要，再使用信息发送者的公钥对信息摘要进行验证，以确认信息发送者的身份和信息是否被修改过。数字加密：当信息发送者需要发送信息时，先生成一个对称密钥，用该密钥加密要发送的报文；信息发送者用信息接受者的公钥加密上述密钥；信息发送者将第一步和第二步的结果结合在一起传给信息接受者，再用此对称密钥解密被发送方加密的密文，得到真正的原文。SSL安全协议（安全套接层协议）： 主要服务：用户和服务器的合法性认证；加密数据以隐藏被传送的数据；保护数据的完整性 实现过程：接通阶段、密码交换阶段、会谈密码阶段、检验阶段、客户认证阶段、结束阶段数字时间戳技术：时间戳是一个经加密后形成的凭证文档 组成部分：需加时间戳的文件的摘要；DTS收到的日期和时间；DTS的数字签名 产生过程：用户先将需要加时间戳的文件用Hash编码加密形成摘要，再将该摘要发送到DTS，DTS在加入了收到文件摘要的日期和时间信息后再对该文件加密（数字签名），送回用户。11.计算机可靠性：元器件的可靠性：开始阶段：器件工作处于不稳定期，失效率较高；-筛选元器件 第二阶段：器件进入正常工作期，失效率最低，基本保持常数； 第三阶段：器件开始老化，失效率又重新提高-“浴盆曲线”与失效率的关系：R(t)=e-t主要指标：平均无故障时间：MTBF=1/ （为失效率）平均修复时间MTRF ：正常工作的概率A=MTBF/（MTBF+MTRF）RAS技术：可靠性R、可用性A、可维修性S可靠性数学模型：串联系统：R=2-（1-R1）（1-R2）（1-Rn） =1+2+n并联系统：R=R1R2Rn N模冗余系统：计算机系统的性能评价：方法：时钟频率、指令执行速度、等效指令速度法、数据处理速率、 核心程序法基准测试程序：整数测试程序、浮点测试程序、SPEC基准程序、TPC基准程序计算机故障诊断技术：故障：永久性、间歇性、瞬间性 内容：故障检测、故障定位 主要方法：对电路直接进行测试的故障定位测试法、“检查诊断程序”法、微诊断法 计算机容错技术：方法：时间冗余，元器件冗余 发展：简单的双机备份：热备份（双重系统）、冷备份（双工系统） 操作系统支持的双机容错 故障处理步骤及方法：故障封闭、检错、重复执行、诊断、系统重构及恢复、修复、重入。第二章 程序语言基础知识1. 程序语言概述基本概念：低级语言和高级语言、编译语言和解释语言、程序设计语言的定义（语法、语义、语用）种类：命令式程序设计语言、面向对象程序设计语言、函数式程序设计语言、逻辑型程序设计语言基本成分：数据：按数据的作用域大小，可分为全局量和局部量；按生存期可分为自动生存期、静态生存期和动态生成期；按程序运行时数据的值是否能改变可分为常量和变量。按类型可分为：Void、标量(算术、枚举和指针)、函数和聚合(数组、结构体和共用体)。按其构造方式又可分为基本类型派生类型：特殊类型：空类型（void）用户定义类型：枚举型构造类型：数组、结构、联合指针类型：type*抽象数据类型：类类型运算：算术运算、关系运算、逻辑运算控制：顺序结构、选择结构、循环结构、C(C+)提供的控制结构语句(复合语句、if语句、switch语句、循环语句while/do-while/for)传输函数：定义：函数首部、函数体声明：先声明后引用调用：递归调用调用函数和被调用函数间交换信息的方法：由被调函数把返回值返回给主调函数；通过参数带回信息。实参与形参间交换信息的方法：值调用和引用调用2. 语言处理程序基础（汇编程序、编译程序、解释程序） 汇编语言：指令(机器指令)语句：传送指令、算术运算指令、逻辑运算指令、移位指令、转移指令、处理机控制指令 伪指令语句：常数定义伪指令语句、存储定义伪指令语句、开始伪指令语句、结束伪指令语句宏指令语句：宏的引用汇编程序：功能：将汇编语言所编写的源程序翻译成由机器指令和其他信息组成的目标程序。 基本工作：一是将每一条可执行汇编语句转换成对应的机器指令；二是处理源程序中出现的伪指令。翻译过程：第一次扫描：定义符号的值并创建一个符号表ST;第二次扫描：产生目标程序。编译程序： 功能：把某高级语言书写的源程序翻译成与之等价的低级语言(汇编语言或机器语言)的目标程序过程：词法分析阶段：词法分析程序语法分析阶段：语法分析程序语义分析阶段：语义分析程序，分静态语义分析（语法制导翻译）和动态语义分析中间代码生成阶段：中间代码生成程序代码优化阶段：代码优化程序，主要对中间代码的优化目标代码生成阶段：目标代码生成程序符号表管理与出错管理：表格管理程序和出错处理程序基本概念：字母表、字符、字符串及长度、空串、连接、空集、字符串的方幂、字符串集合*及运算（或/合并、积/连接、幂、正则闭包+、闭包*） 文法和语言的形式描述：文法定义：文法符号（终结符、非终结符）、开始符号、产生式的左右部、候选式文法分类：0型（短语）、1型（上下文有关）、2型（上下文无关）、3型（正规/线性）（差别在对生产式施加不同的限制）句子和语言：推导与直接推导、直接归约和归约、句型和句子、语言文法的等价词法分析：正规表达式和正规集有限自动机：确定的有限自动机（DFA）：五元组（S,f,S0,Z） 表示方式：状态转换图、状态转换矩阵不确定的有限自动机（NFA）NFA到DFA的转换：定义状态集、NFA转换为DFA、DFA的最小化、正规式与有限自动机间的转换、词法分析器的构造语法分析：上下文无关文法:规范推导（最右推导）、短语、直接短语和句柄自顶向下分析方法：消除文法的左递归、提取公共左因子、LL(1)文法、递归下降分析法、预测分析法自底向上分析方法（移进归约分析法）：数学模型为下推自动机若用算符优先分析表，用“最左素短语”来刻画“可归约串”，对应为算符优先分析器若用LR分析表，用“句柄”来刻画“可归约串”，对应为LR分析器LR分析器：组成：驱动器（驱动程序）、分析表（动作表、状态转换表）、分析栈（文法符号栈和相应的状态栈） 类型：LR(0),SLR(1),LALR(1),LR(1) 格局的形式：栈，剩余输入，动作（移进、归约、接受、报错）语法制导翻译和中间代码生成：中间代码：后缀式(逆波兰)、树形表示、三元式表示、四元式表示 常见语法单位的翻译：常见语法单位：算术表达式、布尔表达式、赋值语句、控制语句中间代码优化：对程序进行等价变换，使得从变换后的程序能生成更有效的目标程序。 中间代码形式：树与后缀表示形式、四元式形式目标代码生成：目标代码形式：汇编语言形式、机器指令形式（绝对、可再定位）解释程序：结构：分析部分（词法分析、语法分析、语义分析程序）、解释部分 高级语言编译与解释程序的比较：效率、灵活性、可移植性高级语言实现语言处理（4种方案）：第1种，源程序被直接解释执行。第2种，先将源程序翻译成高级中间代码，然后再扫描高级中间代码，对高级中间代码进行解释执行。第3种，也是一种解释程序的实现方案，与第2种方案的解释程序不同点在于，首先将源程序转化成和机器代码十分接近的低级中间代码，然后再解释执行这种低纸中间代码。这类系统具有良好的可移植性。第4种，是普通的编译程序。在编译程序方案下，高级语言编写的源程序被最终翻译成机器语言表示的目标程序。这类系统的目标执行效率最高。第三章 操作系统知识1. 操作系统基础知识定义：管理计算机系统资源、控制程序执行、改善人机界面和为应用软件提供支持的一种系统软件。作用：通过资源管理，提高计算机系统的效率；改善人机界面，向用户提供友好的工作环境；特征：并发性、共享性、虚拟性、不确定性功能：进程管理：控制、同步、通信、调度 文件(信息)管理：文件存储空间管理、目录管理、文件读写管理和存取控制、软件管理 存储管理：存储分配与回收、存储保护、地址映射（变换）、主存扩充（覆盖、交换、虚拟存储） 设备管理：输入输出设备的分配、启动、完成和回收 作业管理类型：批处理：优点：同一批内各作业的自动依次执行，改善了主机CPU和I/O设备的使用效率，提高了吞吐量。 缺点：磁带或磁带需要人工装卸，作业需要人工分类，监督程序易遭到用户程序的破坏；一次要处理一批作业，在该批作业处理过程中，任何用户都不能与计算机进行交互。分时：特点：多路性、独立性、交互性、及时性-Unix系统实时：类型：实时控制系统、实时信息控制系统 特点：快速的响应时间、有限的交互能力、高可靠性 与分时的区别：设计目标、交互性、响应时间敏感度网络：高效、可靠的网络通信；对网络共享资源的有效管理；提供各种服务；网络安全管理；提供互操作能力。分布式：与网络操作系统的区别：网络操作系统工作时必须确认网址，分布式系统用户则不必知道计算机的确切位置，它负责整个系统的资源分配，能够更好地隐藏系统内部的实现细节。微机嵌入式结构：(1)无序结构法：又称整体结构或模块组合结构。为面向过程的操作系统 (2)层次结构法：层次结构清晰，且有利于系统功能的增加或删改。 (4)微内核结构法：它具有良好的模块化和结构化特征，模块之间和上下层之间通过消息来通信。2. 处理机管理：程序：顺序执行：用前趋图表示特征：顺序性、封闭性、可再现性 并发执行：特征：失去了程序的封闭性；程序和机器的执行程序的活动不再一一对应； 并发程序间的相互制约性。 进程：进行系统资源分配、调度和管理的最小单位组成：程序、数据、进程控制块(PCB) 状态：运行、就绪、阻塞(等待或睡眠)-三态模型 新建、就绪、运行、阻塞、终止-五态模型 运行、活跃就绪、静止就绪、活跃阻塞、静止阻塞-具有挂起状态的进程状态 控制：由操作系统内核（进程控制机构）实现内核的功能：支撑功能：中断处理、时钟管理、原语操作 资源管理功能：进程管理、存储器管理、设备管理控制原语：创建原语、撤销原语、挂起原语、激活原语、阻塞原语、唤醒原语 通信：同步：进程间的直接制约问题互斥：进程间的间接制约问题互斥临界区管理：原则：有空即进；无空则等；有限等待；让权等待 信号量机制：整型信号量：公用（实现进程互斥）、私用（实现进程同步）记录型信号量信号量集机制 PV操作：定义 实现进程的互斥 实现进程的同步 高级通信原语：类型：共享存储系统、消息传递系统、管道通信 方式：直接、间接 管程：含义：是一种并发性的构造，包括用于分配一个特定的共享资源或一组共享资源的数据和过程。 组成：一些共享数据、一组能为并发进程所执行的作用在共享数据上的操作的集合、初始代码及存取权。 实现同步机制的基础：条件结构操作系统的3集调度：高级（长调度、作业调度、接纳调度）中级（中程调度、对换调度）低级（短程调度、进程调度） 调度：方式：非剥夺调度与剥夺调度 算法类型：先来先服务、时间片轮转、优先级调度（静态、动态）、多级反馈调度 优先级的确定：对I/O型进程；对计算型进程；对I/O次数少，主要为CPU处理的进程；I/O完成时，提高优先级，时间片用完时，降低优先级。 死锁：产生原因：竞争资源及进程推进顺序非法。 条件：互斥条件、请求保持条件、不可剥夺条件、环路条件 处理：策略：鸵鸟策略（不理睬策略）、预防策略、避免策略、检测与解除死锁 预防：预先静态分配法：破坏了“不可剥夺条件”资源有序分配法：破坏了“环路条件” 避免：安全状态银行家算法 检测：允许死锁产生，系统定时运行一个死锁检测程序。 解除：资源剥夺法、撤销进程法 线程(轻型进程)： 基本状态：就绪、运行、阻塞 类型： 用户级线程、内核支持线程 与进程的区别：调度、并发性、拥有资源、系统开销3. 存储管理：存储器的结构：“寄存器-主存-外存”和“寄存器-缓存-主存-外存”结构 存储器基本概念：虚拟地址（相对/程序/逻辑地址）、地址空间（逻辑/相对地址空间）存储空间(物理/绝对地址空间)、地址重定位（静态、动态） 存储管理的功能：主存的分配和回收、提高主存的利用率、存储保护、主存扩充 类型：分页存储管理：纯分页存储管理：分页原理、地址结构（页号、页内地址）、页表、地址变换机构 快表（联想存储器）：保存当前访问频率高的少数活动页的页号及相关信息。 两级页表机制：外层页表（页表目录）、页表 虚拟存储管理：局部性原理：时间局限性、空间局限性 定义：具有请求调入功能和置换功能，能仅把作业的一部分装入主存便可运行作业的存储器系统，它能从逻辑上对主存容量进行扩充的一种虚拟的存储器系统。 实现：请求分页系统、请求分段系统、请求段页式系统 特征：离散性、多次性、对换性、虚拟性 请求分页中的硬件支持：请求分页的页表机制、缺页中断机构、页面变换机构 页面置换算法：最佳置换算法、先进先出置换算法、最近最久未使用置换算法、 最近未用置换算法 工作集：指在某段时间间隔里，进程实际要访问的页面的集合。4. 设备管理：设备分类：按数据组织分：块设备：磁盘特征：传输速率较高，可寻址的，采用DMA方式。 字符设备：特征：传输速率较低，不可寻址，采用中断方式从资源分配角度分：独占设备、共享设备、虚拟设备（假脱机技术）按数据传输率分：低速、中速、高速按输入输出对象分：人机通信、机机通信按是否可交互分：交互设备、非交互设备目标：如何提高设备的利用率，即提高CPU与I/O设备间的并行操作程度，为用户提供方便统一的界面。提高设备利用率的技术：中断技术、DMA技术、通道技术、缓冲技术设备独立性：用户操作的是简便的逻辑设备，而具体的I/O物理设备由操作系统实现的性能。任务：保证在多道程序环境下，当多个进程竞争使用设备时，按一定策略分配和管理各种设备，控制设备的各种操作，完成I/O设备与主存间的数据交换。主要功能：动态地掌握并记录设备的状态；设备分配和释放；缓冲区管理；实现物理I/O设备的操作； 提供设备使用的用户接口；设备的访问和控制；I/O缓冲和调度。I/O设备管理软件：设计目标：设备独立性和统一命名 分层构造：中断处理程序： 设备驱动程序：任务：接受来自与设备无关的上层软件的抽象请求，进行与设备相关的处理。特点：与I/O设备的硬件结构密切联系。要求：通用驱动程序设备安装便利；专用驱动程序设备运行效率高。与设备无关的系统软件：功能：设备驱动程序的统一接口；设备命名；设备保护； 提供一个与设备无关的逻辑块；缓冲；存储设备的块分配；独占设备的分配和释放；错误处理。用户级软件：用户进程：进行I/O调用，格式化I/O，spooling设备无关软件：命名，保护，阻塞，缓冲，分配设备驱动程序：置设备寄存器，检查状态中断处理程序：当I/O结束时，唤醒驱动程序硬件：执行I/O操作 通道：目的：使数据的传输独立于CPU，使CPU从繁琐的I/O工作中解脱出来。分类：字节多路通道、数组选择通道、数组多路通道 DMA技术：含义：在进行数据传送时，CPU让出总线的控制权，由硬件中的DMA控制器接管总线控制权。数据传送方式：停止CPU访问内存、周期挪用、与CPU交替访问内存缓冲技术：目的：缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾；减少对CPU的中断频率，放宽对中断响应时间的限制；提高CPU和I/O设备间的并行性。 类型：单缓冲、双缓冲、多缓冲、环形缓冲 Spooling(外围设备联机操作)/假脱机技术：组成：预输入程序、缓输出程序、井管理程序及输入井和输出井文档：作业表、预输入表输入井中作业的4种状态：提交状态、后备状态、执行状态、完成状态磁盘驱动调度： 目标：使磁盘的平均寻道时间最少。 操作时间：寻找时间（移臂调度）、延迟时间（旋转调度）、传送时间算法：移臂调度：先来先服务、最短寻道时间优先、扫描算法(电梯调度算法)、单向扫描调度算法、N-STEP-SCAN算法、FSCAN算法旋转调度：选择延迟时间最短的访问者去执行。5. 文件管理：文件：含义：具有符号名的、在逻辑上具有完整意义的一组相关信息项的集合。 结构：文件体和文件说明 类型：按文件性质和用途分：系统文件、库文件、用户文件 按信息保存期限分：临时文件、档案文件、永久文件 按文件的保护方式分：只读文件、读写文件、可执行文件、不保护文件UNIX系统分：普通文件、目录文件、设备文件（特殊文件） 常用的文件系统类型：FAT VFAT EXT2 HPFS 分类目的：对不同文件进行管理，提高系统效率；提高用户界面友好性。 文件（管理）系统：含义：操作系统中实现文件统一管理的一组软件和相关数据集合。 功能：按名存取、统一的用户接口、并发访问和控制、安全性控制、优化性能、差错恢复 文件的组织结构：逻辑结构：记录式文件：记录长度：定长、不定长（变长）流式文件：顺序访问，文件体为字节流，不划分记录。 物理结构：连续结构（顺序结构） 链接结构（串联结构） 索引结构：索引表 多个物理块的索引表：链接文件、多重索引方式 UNIX文件系统的索引结构：UNIX寻址方式有直接、一级间接、二级间接、三级间接文件目录：含义：文件控制块的有序集合，专门用于文件的检索。 文件控制块FCB/文件说明/文件目录项：基本信息类、存取控制信息类、使用信息类 结构：一级目录结构：结构简单；查找速度慢，不允许重名，不便于实现文件共享二级目录结构（主文件目录MFD、用户目录UFD）提高了检索目录的速度，较好地解决了重名问题。多用户时不便于共享文件多级（树形）目录结构：允许重名，提高检索目录的速度。文件存取方法：顺序存取法、直接存取法、按键存取法 文件存取空间的管理：磁盘分配表：外存空闲空间管理的数据结构 管理方法：空闲块表：适用于连续文件结构位示图：描述能力强，适合各种物理结构空闲块链：不需磁盘分配表，节省空间。成组链接法 文件的使用：操作系统在操作级向用户提供的命令：目录管理类命令、文件操作类命令、文件管理类命令操作系统在编程级向用户提供的系统调用：创建、撤销、打开、关闭、读、写文件 文件的共享：形式：采用文件名和文件说明分离的目录结构，节省大量主存空间，减少访问外存的次数。 文件链接：硬链接（基于索引节点的链接）、符号链接 文件的保护：存取控制矩阵：二维矩阵 存取控制表：用户类型：文件主、同组用户、其他用户 用户权限表 密码系统的安全管理：系统级：注册与等录 用户级：设置存取权限，用户分为超级用户、系统操作员和一般用户 目录级：只有系统核心具有写目录的权利 文件级：设置文件属性：只执行、隐含、只读、读写、共享、系统 访问权限确定：用户访问权、目录访问权、文件属性文件的可靠性：转储和恢复：静态转储、动态转储、海量转储、增量转储日志文件：系统故障恢复，协助后备副本进行介质故障恢复文件系统的一致性：块的一致性检查和文件的一致性检查6. 作业管理：作业：由程序、数据和作业说明书组成 作业管理程序：操作系统中用来控制作业的进入、执行和撤消的一组程序 作业控制：脱机：通过作业控制语言(JCL，作业控制命令)编写用户作业说明书。联机：通过直接输入作业控制命令来提交和运行用户作业。 作业状态：提交、后备、执行、完成 作业控制块JCB：记录与该作业有关的各种信息的登记表。 作业后备队列：作业控制块排成一个或多个队列。 作业调度：考虑因素：与系统的整体设计目标一致、均衡使用系统资源、平衡系统和用户要求。响应RP=作业响应时间/作业执行时间 =（作业执行时间+作业等待时间）/作业执行时间 算法：先来先服务、短作业优先、响应比高优先、优先级调度算法、均衡调度算法 算法性能的衡量指标：平均周转时间或平均带权周转时间 周转时间： 带权周转时间： 平均周转时间： 平均带权周转时间： 用户界面：硬件部分：用户向计算机输入数据或命令的输入装置 （用户接口/人机界面） 由计算机输出供用户观察或处理的输出装置 软件部分：用户与计算机相互通信的协议、约定、操作命令及其处理软件发展过程：控制面板式用户界面字符用户界面：功能强、灵活性好、屏幕开销少；操作步骤繁琐，不易学会。图形用户界面：超文本技术最大特点是具有指向性。新一代用户界面：以用户为中心、自然、高效、高带宽、非精确、无地点限制 以多媒体、多通道及智能化为技术支持7. 网络操作系统：特征：硬件独立性、多用户支持、支持网络实用程序及其管理功能、多种客户端支持、提供目录服务、支持多种增值服务。 分类：集中模式、客户/服务器模式、对等模式（具有发布处理及分布控制的特征） 功能：具备操作系统的基本功能，联网功能，支持网络体系结构和各种网络通信协议，提供网络互联功能，支持有效、可靠安全地数据传送。 实例：Unix、Windows NT、NetWare8. 嵌入式操作系统：含义：是运行在嵌入式智能芯片环境中，对整个智能芯片及它所操作、控制的各种部件装置 等资源进行统一协调、调度、指挥和控制的系统软件。特点：微型化、可定制、实时性、可靠性、易移植性 环境：配有源码级可配置的系统模块设计、丰富的同步原语、可选择的调度算法、可选择主存分配策略、定时器与计时器、多方式中断处理支持、多种异常处理选择、多种通信方法支持、标准C语言库、数学运算库和开放式应用程序接口。实例：windowsCE 、vxworks、psos、palm OS、c/os-9. 操作系统实例：1）UNIX操作系统体系结构：用户级、核心级、硬件级文件系统：引导块、超级块、索引节点区、数据存储区进程管理：组成：进程控制块PCB：常驻主存的基本进程控制块proc 非常驻主存的进程扩充控制块user正文段：每个正文段都占据正文表text的一个表项，指明它在主存和磁盘的位置。数据段 控制：进程同步、通信、调度及存储管理调度：采用动态优先数调度算法，优先数决定就绪进程能否占用处理机的优先权优先数确定方法：设置方法、计算方法存储管理：对换技术、分页式虚拟存储机制，采用二次机会页面替换算法设备管理：设备类型：块设备、字符设备 文件系统与设备驱动程序的接口：设备开关表 硬件与驱动程序的接口：控制寄存器、I/O指令 设备处理程序：用于启动设备的设备驱动程序；负责处理I/O完成工作的设备中断处理程序 特点：块设备与字符设备具有相似的层次结构；将设备作为一个特殊文件，并赋予文件名；采用完善的缓冲区管理技术。 输入输出转向：Shell语言、程序、过程管道：使得用户可在不改动程序本身的前提下使多个程序可通过标准输入输出设备进行数据传送。shell程序/过程：正则表达式：确定字符串模式的一个规则集，简洁、完整地描述文本字符串关键特性。 Shell脚本 Shell变量