NCRE - 嵌入式系统开发工程师 – 操作系统（随笔）

1、基本知识

（1）嵌入式系统的定义：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。

（2）嵌入式系统发展的4个阶段：无操作系统阶段、简单操作系统阶段、实时操作系统阶段、面向Internet阶段。

（3）嵌入式系统的组成：硬件层、中间层、系统软件层、应用软件层。

   ①硬件层：嵌入式微处理器、存储器、通用设备接口和I/O接口。

   ②中间层（也称为硬件抽象层HAL或者板级支持包BSP）：它将系统上层软件和底层硬件分离开来，使系统上层软件开发人员无需关系底层硬件的具体情况，根据BSP层提供的接口开发即可。

      BSP有两个特点：硬件相关性和操作系统相关性。

   ③系统软件层：由RTOS、文件系统、GUI、网络系统及通用组件模块组成。RTOS是嵌入式应用软件的基础和开发平台。

   ④应用软件：由基于实时系统开发的应用程序组成。

2、重难点

Ⅰ.概念类

（1）从不同角度审视操作系统的作用

         计算机安全保护角度：提供第一道安全防线

         计算机系统的发展角度：提供虚拟机和扩展机

         计算机应用角度：提供人机交互接口

         软件设计和开发角度：提供软件开发基础

（2）函数fork()

         作用：进程控制类函数。通过系统调用创建一个与原来进程几乎完全相同的进程（子进程）。但是被创建的子进程的起始执行指令地址却是从原进程代码所执行fork()函数之后开始执行的。

（3）访问磁盘时间分为三部分

         寻道时间Ts，旋转延时时间Tr，传输时间Tt。

         其中寻道时间和旋转延时时间属于机械操作，操作用时占大头，数据传输时间最短。

（4）Pthread线程包中，几个线程操作的区别

         pthread_join：等待一个特定的线程退出

         pthread_yield：线程让出CPU

         pthread_exit：终止调用它的线程并返回一个指向某个对象的指针

         pthread_create：用户编程创建一个新的线程

（5）在虚拟页式系统中，当需要进行页面置换时，有关置换算法作用对象

         先进先出页面置换算法(FIFO)：将驻留在内存中时间最长的一页调出

         最近最少使用页面置换算法(LRU)：最长时间未被使用过的页面

         最近最不常用页面置换算法(LFU)：在一段时间里被使用的次数最少的页面

         理想页面置换算法(OPT)：置换以后不再需要的，或者在最长时间以后才可能会用到的页面

（6）死锁、活锁、饥饿对应的现象（所举例仅为了区别）

         死锁：相关进程进入阻塞状态，且无法唤醒

         活锁：相关进程没有阻塞，可被调度，但是没有进展

         饥饿：相关进程没有阻塞，但是调度被无限推后

（7）下列进程之间的通信方式是同步还是异步（仅一部分）

         共享内存：即共享缓冲区方式，缓冲区数目不为1时可同步或异步；

         消息机制：指进程间通过相互发送信息进行通信，可同步或异步；

         管道通信：是一方进程发送另一方只能接收，此方式只为同步；

         套接字：是一组进程间交换数据的协议，可以是同步或异步；

（8）对于不同的系统，其调度算法的设计目标是

         ①交互式系统：较均匀的性能、较快的响应时间

         ②批处理系统：较大的吞吐量、较短的周转时间、较高的CPU利用率

         ③实时系统：满足截止时间要求、满足可靠性要求

    

Ⅱ.计算类

（1）假设系统由相同类型的7个资源被3个进程共享，若要使系统不会死锁，每个进程最多可以申请的资源个数是？

      解析： 假设n个进程同时请求资源（共a个同类型资源），每个进程占有m个资源，不发生死锁的条件是

n×(m-1)﹤a

（2）页式存储管理方案中，若一个进程的虚拟地址空间为2GB，页面大小为4KB。当用4字节表示物理页号时，页表需要占用的页面数？

      解析： 该进程虚拟地址空间存在的页面数＝2GB÷4KB＝219＝512K（页）

                   用4字节表示物理页号，则页表占219×4B＝2MB

（页表：一种特殊的数据结构，放在系统空间的页表区，存放逻辑页与物理页帧的对应关系。）

                   所以，页表占用的页面数＝2MB÷4KB＝512

（3）某页式存储管理系统采用一级页表。如果访问内存的时间为0.4us，快表的命中率为90%，请问有效访问时间是多少？

      解析： 命中率——CPU在任一时刻从Cache中可靠获取数据的概率。命中率越高，正确获取数据的可靠性就越大。

命中率＝命中次数÷存储器访问总次数×100%

                   分页系统要访问两次（一级页表）：

                   第一次要访问页表，将页号换成页地址，并与偏移量相加，得出实际地址；

                   第二次要访问实际的地址。

                   则所用时间是0.8us。

                   有快表，命中率为90%，则访问时间为0.4×90%＋0.8×10%＝0.44us

（由于CPU以及快表本身耗用的时间没有给出，所以假定这些时间可以忽略不计）

（4）在一个采用虚拟页式存储管理方案的系统中，页面大小为50个整型变量。假设某一个进程分配有3个页框，其中程序占用2个页框并常驻内存。下列程序数据进行初始化时，会产生多少次缺页中断？

              for(i = 1; i <= 50; i++ )

                    for(j = 1; j <= 100; j++) C[i,j] = 0;

      解析： 由于程序运行需要3个页框，而程序需要使用2个页框来常驻内存，那么就只有一个页框来支持换页。在进行初始化时，数组需要的容量为50×100＝5000个整型的空间，每一个页面大小为50个整型，因此会产生5000÷50＝100次缺页中断。

（5）下表是某页式内存分配的情况，页面大小为4096B，有效位为1表示该页在内存。系统将逻辑地址0x0E8D、0x3010、0x411B、0x00FB、0x231E转换为物理地址时，会发生几次缺页中断？

逻辑页号	页框号	有效位
0	08000000	1
1	--------	0
2	08005000	1
3	--------	0
4	FF003000	1

      解析： 页面大小为4096B=2¹²，所以页内地址共有12位，也就是须有12位地址才能表示一个大小为4096B的页的所有位的地址。

                  五个十六进制数对应的二进制形式为：

0x0E8D：0000 1110 1000 1101

0x3010：0011 0000 0001 0000

0x411B：0100 0001 0001 1011

0x00FB：0000 0000 1111 1011

0x231E：0010 0011 0001 1110

                  由上得：将每一个二进制地址从右往左数12位即是逻辑地址的页内地址，剩下的就是逻辑地址的页号，然后根据上表判断该页号在不在内存中。如果在内存中，将逻辑地址转换为物理地址自然是不会发生缺页中断的；反之，如果不在内存中，就会存在缺页中断。比如：

0x411B：0100 0001 0001 1011 

（逻辑页号为高四位0100，即4，表中显示逻辑页号为4的页在内存中，所以不发生缺页中断）

（6）假设某文件由100个逻辑记录组成，每个逻辑记录长度为80个字符。磁盘空间被划分为若干块，块大小为1024个字符。若：

    ①不采用成组操作时，磁盘空间的利用率是多少？

    ②采用成组操作，且块因子为12，那么磁盘空间的利用率又是多少？

      解析： 只计算每块的利用率。不去考虑前面的“100个逻辑记录”这句话。则

不采用成组操作：80÷1024=7.8%

采用成组操作：12×80÷1024=94%

（7）假设某文件系统的物理结构采用类UNIX的二级索引结构。主索引表有12项，前10项给出文件前10块的磁盘地址，第11项给出一级索引表的地址，第12项给出二级索引表的地址。一级和二级索引表的大小均为一个磁盘块，可存放100个磁盘地址。针对以上描述的文件系统，一个文件最大为多少块？

      解析： 一级索引表可存放100个磁盘地址，则二级索引表可存放100×100。题目已给出前面的10项可存放10快，所以：10+100+100×100=10110（块）

（8）在UNIX系统中，若文件File1的权限是756。则文件属主、同组用户、其他用户的权利范围？

      解析： 根据公式

x, y, z＝4a+2b+c

                  式中：

                           x：文件属主（对应数字7）；

                           y：同组用户（对应数字5）；

                           z：其他用户（对应数字6）。

                           a：为1表示可读，为0表示不可读；

                           b：为1表示可写，为0表示不可写；

                           c：为1表示可执行，为0表示不可执行。（注：a, b, c只能为整数！）

                                                                    4a+2b+c

                                                               [x]   1   1   1   [7]

                                                               [y]   1   0   1   [5]

                                                               [z]   1   1   0   [6]

所以：文件属主可读、可写、可执行；同组用户可读、不可写、可执行；其他用户可读、可写、不可执行。

 

【--- 本篇完 ---】

 

声明：由于笔者水平有限，文中错误和未理解到处在所难免，敬请读者批评指正。