### 计算机操作系统知识点详解
#### 一、设计现代操作系统的四大目标
现代操作系统的四大设计目标包括：方便性、有效性、可扩充性和开放性。
- **方便性**：指用户可以简单、高效地使用操作系统提供的服务和资源，如通过图形用户界面简化操作流程。
- **有效性**：指操作系统能够合理、高效地管理和使用计算机硬件资源，以提高系统整体性能。
- **可扩充性**：指操作系统能够在不影响现有系统稳定性的前提下，容易地添加新的功能和服务。
- **开放性**：指操作系统支持多种标准和协议，易于与其他系统或应用程序进行集成和互操作。
#### 二、操作系统的三大作用
操作系统的三大作用分别是：
1. **作为用户与计算机硬件系统之间的接口**：提供图形用户界面（GUI）或命令行界面（CLI），使得用户可以通过简单的命令或图形元素操作硬件资源。
2. **作为计算机系统资源的管理者**：负责管理包括处理器、内存、外设在内的所有硬件资源，确保资源被高效且公平地分配给不同的应用程序。
3. **作为扩充机器**：通过软件手段扩展硬件的功能，例如通过虚拟内存技术来增加可用内存的大小。
#### 三、多道批处理系统的形成和发展动力
多道批处理系统的发展主要受到不断提高计算机资源利用率和系统吞吐量需求的驱动。这种系统允许多个作业同时存在于主存中，并在CPU和I/O设备之间切换执行，从而提高了系统效率。
#### 四、脱机I/O与联机I/O的区别
1. **脱机I/O**：
- 解决人机矛盾及CPU和I/O设备之间速度不匹配的问题。
- 通过外围机控制，预先将用户程序和数据从低速输入设备输入到磁带上，再高速输入到内存中。
- 当程序运行完毕后，计算结果被高速输出到磁带上，之后在外围机控制下输出到相应的输出设备。
2. **联机I/O**：
- 在主机控制下直接进行输入输出操作。
- 更加实时高效，但成本相对较高。
#### 五、分时系统的形成和发展动力
分时系统的形成和发展主要是为了满足用户对人机交互的需求，使得用户能够更加方便地使用计算机资源。分时系统允许多个用户通过网络连接到同一台计算机上，每个用户都可以感觉到自己单独使用计算机。
#### 六、实时任务与实时系统的分类
1. **实时任务的类型**：
- **周期性实时任务**：定期发生的任务，如定时更新显示内容。
- **非周期性实时任务**：不定期发生的任务，如突发的系统中断处理。
- **硬实时任务**：对截止时间有严格要求的任务，一旦错过截止时间将导致任务失败。
- **软实时任务**：对截止时间有一定的容忍度，即使稍微延迟也不会造成严重后果。
2. **实时系统的类型**：
- **实时控制系统**：主要用于工业自动化领域，如生产线上对设备的精确控制。
- **实时信息处理系统**：主要用于数据处理领域，如金融交易系统中的数据处理。
#### 七、实现多道程序面临的问题
实现多道程序面临的几个主要问题包括：
1. **处理机管理**：如何有效分配和调度CPU时间片。
2. **内存管理**：如何高效地分配和回收内存资源。
3. **I/O设备管理**：如何协调I/O设备与CPU之间的数据传输。
4. **文件管理**：如何管理和组织文件系统中的数据。
5. **作业管理**：如何合理安排作业的执行顺序。
#### 八、单道与多道批处理系统的对比
1. **单道批处理系统**：
- 特点：自动性、顺序性、单道性。
- 优点：简化了操作系统的设计和实现。
- 缺点：资源利用率低，无法充分利用多道程序的优势。
2. **多道批处理系统**：
- 特点：调度性、无序性、多道性。
- 优点：资源利用率高，系统吞吐量大。
- 缺点：平均周转时间长，缺乏用户交互能力。
#### 九、实现分时系统的关键问题及解决方案
实现分时系统的关键在于确保每个用户的指令都能得到及时响应和处理。解决方案包括：
1. **及时接收**：通过设置多路卡或多路复用器来同时接收来自不同用户的输入。
2. **及时处理**：采用时间片轮转法等调度策略，确保每个用户程序能在短时间内运行至少一次。
#### 十、实时操作系统的重要性
实时操作系统是为了满足实时控制领域和实时信息处理领域的特殊需求而设计的。这些领域对系统的响应时间和可靠性有着极高的要求，实时操作系统通过优化调度机制和资源管理策略来保障这些要求。
#### 十一、操作系统的四大特征及其基本特征
1. **并发**：允许多个进程同时执行。
2. **共享**：多个进程可以共享系统的资源。
3. **虚拟**：通过虚拟化技术扩展有限的物理资源。
4. **异步性**：进程以不可预知的速度向前推进。
- 最基本特征是并发和共享。
#### 十二、内存管理的主要功能及任务
1. **内存分配**：为进程分配内存空间。
2. **内存保护**：防止一个进程非法访问其他进程的内存空间。
3. **地址映射**：将逻辑地址转换成物理地址。
4. **内存扩充**：通过虚拟内存技术提高内存容量。
#### 十三、处理机管理的主要功能及任务
1. **进程控制**：创建、撤销进程，控制进程的状态转换。
2. **进程同步**：确保进程间的正确协作。
3. **进程通信**：实现进程间的信息交换。
4. **调度**：选择就绪队列中的进程分配CPU。
#### 十四、设备管理的主要功能及任务
1. **缓冲管理**：通过缓存技术减少I/O操作次数。
2. **设备分配**：根据进程需求分配I/O设备。
3. **设备处理**：控制设备的具体操作。
4. **虚拟设备**：通过软件模拟实现设备共享。
#### 十五、文件管理的主要功能及任务
1. **存储空间管理**：有效地管理文件在存储介质上的存储位置。
2. **目录管理**：维护文件和目录的层次结构。
3. **读写管理**：控制文件的读取和写入操作。
4. **文件共享**：支持文件的共享机制。
