NCRE - 嵌入式系統開發工程師 – 作業系統（随筆）
1、基本知識
（1）嵌入式系統的定義：以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬體可裁剪，适應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。
（2）嵌入式系統發展的4個階段：無作業系統階段、簡單作業系統階段、實時作業系統階段、面向Internet階段。
（3）嵌入式系統的組成：硬體層、中間層、系統軟體層、應用軟體層。
①硬體層：嵌入式微處理器、存儲器、通用裝置接口和I/O接口。
②中間層（也稱為硬體抽象層HAL或者闆級支援包BSP）：它将系統上層軟體和底層硬體分離開來，使系統上層軟體開發人員無需關系底層硬體的具體情況，根據BSP層提供的接口開發即可。
BSP有兩個特點：硬體相關性和作業系統相關性。
③系統軟體層：由RTOS、檔案系統、GUI、網絡系統及通用元件子產品組成。RTOS是嵌入式應用軟體的基礎和開發平台。
④應用軟體：由基于實時系統開發的應用程式組成。
2、重難點
Ⅰ.概念類
（1）從不同角度審視作業系統的作用
計算機安全保護角度：提供第一道安全防線
計算機系統的發展角度：提供虛拟機和擴充機
計算機應用角度：提供人機互動接口
軟體設計和開發角度：提供軟體開發基礎
（2）函數fork()
作用：程序控制類函數。通過系統調用建立一個與原來程序幾乎完全相同的程序（子程序）。但是被建立的子程序的起始執行指令位址卻是從原程序代碼所執行fork()函數之後開始執行的。
（3）通路磁盤時間分為三部分
尋道時間Ts，旋轉延時時間Tr，傳輸時間Tt。
其中尋道時間和旋轉延時時間屬于機械操作，操作用時占大頭，資料傳輸時間最短。
（4）Pthread線程包中，幾個線程操作的差別
pthread_join：等待一個特定的線程退出
pthread_yield：線程讓出CPU
pthread_exit：終止調用它的線程并傳回一個指向某個對象的指針
pthread_create：使用者程式設計建立一個新的線程
（5）在虛拟頁式系統中，當需要進行頁面置換時，有關置換算法作用對象
先進先出頁面置換算法(FIFO)：将駐留在記憶體中時間最長的一頁調出
最近最少使用頁面置換算法(LRU)：最長時間未被使用過的頁面
最近最不常用頁面置換算法(LFU)：在一段時間裡被使用的次數最少的頁面
理想頁面置換算法(OPT)：置換以後不再需要的，或者在最長時間以後才可能會用到的頁面
（6）死鎖、活鎖、饑餓對應的現象（所舉例僅為了差別）
死鎖：相關程序進入阻塞狀态，且無法喚醒
活鎖：相關程序沒有阻塞，可被排程，但是沒有進展
饑餓：相關程序沒有阻塞，但是排程被無限推後
（7）下列程序之間的通信方式是同步還是異步（僅一部分）
共享記憶體：即共享緩沖區方式，緩沖區數目不為1時可同步或異步；
消息機制：指程序間通過互相發送資訊進行通信，可同步或異步；
管道通信：是一方程序發送另一方隻能接收，此方式隻為同步；
套接字：是一組程序間交換資料的協定，可以是同步或異步；
（8）對于不同的系統，其排程算法的設計目标是
①互動式系統：較均勻的性能、較快的響應時間
②批處理系統：較大的吞吐量、較短的周轉時間、較高的CPU使用率
③實時系統：滿足截止時間要求、滿足可靠性要求
Ⅱ.計算類
（1）假設系統由相同類型的7個資源被3個程序共享，若要使系統不會死鎖，每個程序最多可以申請的資源個數是？
解析： 假設n個程序同時請求資源（共a個同類型資源），每個程序占有m個資源，不發生死鎖的條件是
n×(m-1)﹤a
（2）頁式存儲管理方案中，若一個程序的虛拟位址空間為2GB，頁面大小為4KB。當用4位元組表示實體頁号時，頁表需要占用的頁面數？
解析： 該程序虛拟位址空間存在的頁面數＝2GB÷4KB＝219＝512K（頁）
用4位元組表示實體頁号，則頁表占219×4B＝2MB
（頁表：一種特殊的資料結構，放在系統空間的頁表區，存放邏輯頁與實體頁幀的對應關系。）
是以，頁表占用的頁面數＝2MB÷4KB＝512
（3）某頁式存儲管理系統采用一級頁表。如果通路記憶體的時間為0.4us，快表的命中率為90%，請問有效通路時間是多少？
解析： 命中率——CPU在任一時刻從Cache中可靠擷取資料的機率。命中率越高，正确擷取資料的可靠性就越大。
命中率＝命中次數÷存儲器通路總次數×100%
分頁系統要通路兩次（一級頁表）：
第一次要通路頁表，将頁号換成頁位址，并與偏移量相加，得出實際位址；
第二次要通路實際的位址。
則所用時間是0.8us。
有快表，命中率為90%，則通路時間為0.4×90%＋0.8×10%＝0.44us
（由于CPU以及快表本身耗用的時間沒有給出，是以假定這些時間可以忽略不計）
（4）在一個采用虛拟頁式存儲管理方案的系統中，頁面大小為50個整型變量。假設某一個程序配置設定有3個頁框，其中程式占用2個頁框并常駐記憶體。下列程式資料進行初始化時，會産生多少次缺頁中斷？
for(i = 1; i <= 50; i++ )
for(j = 1; j <= 100; j++) C[i,j] = 0;
解析： 由于程式運作需要3個頁框，而程式需要使用2個頁框來常駐記憶體，那麼就隻有一個頁框來支援換頁。在進行初始化時，數組需要的容量為50×100＝5000個整型的空間，每一個頁面大小為50個整型，是以會産生5000÷50＝100次缺頁中斷。
（5）下表是某頁式記憶體配置設定的情況，頁面大小為4096B，有效位為1表示該頁在記憶體。系統将邏輯位址0x0E8D、0x3010、0x411B、0x00FB、0x231E轉換為實體位址時，會發生幾次缺頁中斷？
| 邏輯頁号 | 頁框号 | 有效位 |
| 08000000 | 1 | |
| 1 | -------- | |
| 2 | 08005000 | 1 |
| 3 | -------- | |
| 4 | FF003000 | 1 |
解析： 頁面大小為4096B=212，是以頁内位址共有12位，也就是須有12位位址才能表示一個大小為4096B的頁的所有位的位址。
五個十六進制數對應的二進制形式為：
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：将每一個二進制位址從右往左數12位即是邏輯位址的頁内位址，剩下的就是邏輯位址的頁号，然後根據上表判斷該頁号在不在記憶體中。如果在記憶體中，将邏輯位址轉換為實體位址自然是不會發生缺頁中斷的；反之，如果不在記憶體中，就會存在缺頁中斷。比如：
0x411B：0100 0001 0001 1011
（邏輯頁号為高四位0100，即4，表中顯示邏輯頁号為4的頁在記憶體中，是以不發生缺頁中斷）
（6）假設某檔案由100個邏輯記錄組成，每個邏輯記錄長度為80個字元。磁盤空間被劃分為若幹塊，塊大小為1024個字元。若：
①不采用成組操作時，磁盤空間的使用率是多少？
②采用成組操作，且塊因子為12，那麼磁盤空間的使用率又是多少？
解析： 隻計算每塊的使用率。不去考慮前面的“100個邏輯記錄”這句話。則
不采用成組操作：80÷1024=7.8%
采用成組操作：12×80÷1024=94%
（7）假設某檔案系統的實體結構采用類UNIX的二級索引結構。主索引表有12項，前10項給出檔案前10塊的磁盤位址，第11項給出一級索引表的位址，第12項給出二級索引表的位址。一級和二級索引表的大小均為一個磁盤塊，可存放100個磁盤位址。針對以上描述的檔案系統，一個檔案最大為多少塊？
解析： 一級索引表可存放100個磁盤位址，則二級索引表可存放100×100。題目已給出前面的10項可存放10快，是以：10+100+100×100=10110（塊）
（8）在UNIX系統中，若檔案File1的權限是756。則檔案屬主、同組使用者、其他使用者的權利範圍？
解析： 根據公式
x, y, z＝4a+2b+c
式中：
x：檔案屬主（對應數字7）；
y：同組使用者（對應數字5）；
z：其他使用者（對應數字6）。
a：為1表示可讀，為0表示不可讀；
b：為1表示可寫，為0表示不可寫；
c：為1表示可執行，為0表示不可執行。（注：a, b, c隻能為整數！）
4a+2b+c
[x] 1 1 1 [7]
[y] 1 0 1 [5]
[z] 1 1 0 [6]
是以：檔案屬主可讀、可寫、可執行；同組使用者可讀、不可寫、可執行；其他使用者可讀、可寫、不可執行。
【--- 本篇完 ---】
聲明：由于筆者水準有限，文中錯誤和未了解到處在所難免，敬請讀者批評指正。