9、输入输出-中断-总线-可靠性

1、输入输出技术、中断

1、内存与接口地址的编址方法（了解概念即可）

计算机系统中存在多种内存与接口地址的编址方法，常见的是下面两种：（了解概念即可）

1）内存与接口地址独立编址方法

内存地址和接口地址是完全独立的两个地址空间。访问数据时所使用的指令也完全不同，用于接口的指令只用于接口的读/写，其余的指令全都是用于内存的。因此，在编程序或读程序时很易使用和辨认。这种编址方法的缺点是用于接口的指令太少、功能太弱。

2）内存与接口地址统一编址方法

内存地址和接口地址统一在一个公共的地址空间里，即内存单元和接口共用地址空间。优点是原则上用于内存的指令全都可以用于接口，这就大大地增强了对接口的操作工呢个，而且在指令上也不再区分内存或接口指令。该编址方法的缺点就在于整个地址空间被分成两部分，其中一部分分配给接口使用，剩余的为内存所用，这经常会导致内存地址不连续。

2、计算机和外设间的数据交互方式（重点、考点）

计算机和外设间的数据交互方式：

• 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。（CPU查询外设，一直等待外设完成传输，而外设的传输效率是极低的，这种查询方式是串行的）

• 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。（是并行方式，外设和CPU并行处理、传输）

  中断响应时间是指从发出中断请求到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不都由DMA控制器来完成，在主存和外设之间建立直接的数据通路，**效率更高。（也是并行，CPU不用参与传输数据）

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。（考点，要记）

中断就是打断，打断现在正在做的事情。

关中断主要是为了保存断点和保护现场。记录当前走到哪里了，以便回来后继续执行。

中断 基本流程（了解即可）

2、总线结构

• 总线（Bus），是指计算机设备和设备之间的传输信息的公共数据通道。（接到电脑主板上的线基本就是总线），总线是连接计算机硬件系统内多种设备的通信线路，它的一个重要特征是由总线上的所有设备共享，因此可以将计算机系统内的多种设备连接到总线上。

• 从广义上讲，任何连接两个以上电子元器件的导线都可以称为总线，通常分为以下三类：

  **内部总线：**内部芯片级别的总线，芯片与处理器之间通信的总线。（肉眼看不到，在芯片内部等）

  系统总线：是板级总线，用于计算机内各部分之间的连接（比如硬盘和主板等），具体分为**数据总线（并行数据传输位数）、地址总线（系统可管理的内存空间的大小）、控制总线（传输控制命令）。（考点：总线的分类考试时只需要回答：数据总线、地址总线、控制总线即可）**代表的有 ISA 总线、EISA总线、PCI总线。

  **外部总线：**设备一级的总线（计算机和外部之间的），微机和外部设备的总线。代表的又RS232（串行总线）、SCSI（并行总线）、USB（通用串行总线，即插即用，支持热插拔）。

并行总线适合近距离的数据传输（成本高），速度高；

串行总线适合远距离传输（成本低），速度低；

单总线结构在一个总线上适应不同种类的设备，可以同时接收数据，但同时只能有一个设备发送数据，设计复杂导致性能降低。

3、可靠性

可靠性指标：（公式考的比较少，了解）

平均无故障时间：MTTF = 1/失效率

平均故障修复时间：MTTR = 1/修复率

平均故障间隔时间：MTBF = MTTF +MTTR

系统可用= MTTF / (MTTF +MTTR) * 100%

串并联系统可靠性（考试重点）：

无论什么系统，都是由多个设备组成的，协同工作，而这多个设备的组合方式，可以是串联、并联，也可以是混合模式，假设每个设备的可靠性为R1，R2…Rn，则不同系统的可靠性公式如下：

串联系统，一个设备不可靠，整个系统奔溃，整个系统可靠性：R = R1 * R2 * … * Rn.

*并联系统，所有设备都不可靠，整个系统才崩溃，整个系统可靠性R=1-(1-R1) * (1-R2) … * (1-Rn).

N模冗余系统（了解即可）： N 模冗余系统由 **N个（N = 2n + 1）相同的子系统和一个表决器组成，**表决器把N个子系统中占多数相同结果的输出作为输出系统的输出，如图所示。在N个子系统中，只要有n+1或n+1个以上子系统能正常工作，系统就能正常工作，输出正确的结果。

10、操作系统-进程管理-同步互斥

1、操作系统概述

操作系统由两个重要的作用：（了解即可，不考）

第一，通过资源管理提高计算机系统的效率；

第二，改善人机界面，向用户提高友好的工作环境。

操作系统的4个特征是：并发性、共享性、虚拟性和不确定性。

并发：是宏观上的，比如用户开了两个程序，看上去两个程序是并发的，实际CPU上两个是交替进行的；

并行：并行是同一时刻两个同时运行，真正意义上的同时进行。

1、操作系统的功能（了解即可）

（1）进程管理。实质上对处理机的执行“时间”进行管理，采用多道程序等技术将CPU的时间合理地分配给每个任务，朱啊哟包括进程控制、进程同步、进程通信和进程调度。

（2）文件管理。主要包括文件存储空间管理、目录管理、文件的读/写管理和存取控制。

（3）存储管理。存储管理是对主存储器“空间”进行管理，主要包括存储分配与回收、存储保护、地址映射（变换）和主存扩充。

（4）设备管理。实质是对硬件设备的管理，包括对输入/输出设备的分配、启动、完成和回收。

（5）作业管理。包括任务、界面管理、人机交互、图形界面、语音控制盒虚拟现实等。

2、操作系统的分类（了解基本分类即可）

（1）批处理操作系统：单道批处理和多道批处理（主机与外设可并行）

（2）分时操作系统：一个计算机系统与多个终端设备连接。将CPU的工作时间划分为许多很短的时间片，轮流为各个终端的用户服务。

（3）实时操作系统：实时是指计算机对于外来信息能够以足够快的速度进行处理，并在被控制对象允许的时间范围内作出快速反应。实时系统对交互能力要求不高，但要求可靠性有保障。

（4）**网络操作系统：**是使联网计算机能方便而有效地共享网络资源，为网络用户提供各种服务的软件和有关协议的集合。三种模式：集中模式、客户端/服务器模式、对等模式。

（5）**分布式操作系统：**分布式计算机系统是由多个分散的计算机经连接而成的计算机系统，系统中的计算机无主、次之分，任意两台计算机可以通过通信交换信息。

（6）**微型计算机操作系统：**简称微机操作系统，常用的有Windows、Mac OS、Linux。

嵌入式操作系统（比如智能空调、智能电饭煲等）主要特点：

微型化、可定制、实时性、可靠性、易移植性。

嵌入式操作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。

2、进程

**进程的组成：**进程控制块PCB（唯一标志）、程序（描述进程要做什么）、数据（存放进程执行时所需数据）。

进程基础的状态是下左图终端中的三态图。需要熟练掌握左下图中的进程三态之间的转换。

运行态：表示当前进程正在运行，正在运行的进程需要CPU

就绪态：就是除了CPU之外，什么都有了，就等待被CPU调度、执行了。

阻塞态：没有CPU，也没有其他条件、数据（比如一般为没有外设，缺少外设会阻塞，等待外设传输数据）

运行过程中，此时需要读取外设（比如硬盘中的）的数据，则CPU不会等待，CPU会抛弃进程，进程自己去读取数据，此时进程没了CPU，也在等待读取数据，所以就变为了阻塞状态。而外设的数据的进程完成之后，数据有了，还缺少CPU，就变为了就绪状态。就绪状态有了 CPU，就又变为了运行状态，运行状态的时间片到了之后，CPU会执行其他进程，当前进程没了CPU但还没执行完（数据还在）则又会转为就绪状态。

1、前驱图

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，A B C 可以并行执行，但是必须 A B C 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。

2、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：

**P代表进程，R代表资源，**R方框中有几个圆球就表示了有几个这种资源，在上图中，R1指向P1，表示R1有一个资源已经分配给了P1，P1指向R2，表示P1还需要请求一个R2资源才能执行。

阻塞节点：某进程所请求的资源已经全部分配完毕，无法获取所需资源，该进程被阻塞了无法继续。如上图中的P2。

非阻塞节点：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。

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。

R1 、R2 资源分配完毕了，但凡请求 R1、R2资源的进程都会阻塞；

R3资源只分配了1个，还剩1个，因此但凡请求 R3 资源的进程都不会阻塞了；

R2 分配完了之后，P1还需要请求1个R2的资源，所以P1事阻塞的；P2 同理。

所以 P1、P2是阻塞节点、P3是非阻塞节点

P1、P2是阻塞的所以没法执行，如果要优化，应该 P3先执行，执行完了，即可以释放出资源了，释放出的资源，可以满足 P1、P2的执行。

所以是可以化简的，简化顺序为P3-》P1-》P2，同理P3-》P2-》P1也可以。

3、进程同步与互斥（考点、重点）

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：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，都是从A到B地，汽车较快到达，但要等自行车到了，大家才能在B地一起开饭、玩耍。

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。

**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，则该进程为阻塞状态（因为无资源可用），并将其插入阻塞队列。

P(S) = S - 1，原本3个资源，申请1，即P(S)还剩2个资源可申请；

S <= 0，说明没有资源可以申请了且当前还有多少个进程在等待资源。

**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。

P(V) = S + 1，释放资源，说明可申请的资源又多了。

S<=0表示进程队列中有几个进程在等待资源，执行了 V 操作之后，说明释放了一个资源，在等待的几个进程中 有一个就可以获取到资源 进行执行了。因此 V 操作之后 S 还 <= 0，就去进程队列中唤醒一个进程，去拿取刚释放的资源去执行；如果 V操作之后，S > 0，说明没有进程在等待资源，就可以继续下一步了。

经典问题：生产者和消费者的问题

三个信号量：互斥信号量S0（仓库独立使用权），同步信号量S1（仓库空闲个数）、同步信号量S2（仓库商品个数）

生产者流程	消费者流程
生产一个商品S	P(S0)
P(S0)	P(S2)
P(S1)	取出一个商品
将商品放入仓库中	V(S1)
V(S2)	V(S0)
V(S0)

生产者流程：

1、生产一个商品 S

2、S 不能直接放入仓库，因为如果当前仓库独立使用权（仓库的使用是互斥的：即要么放入，要么取出，不能同时放入或取出）被消费者使用，则生产者没有权限放入仓库，所以需要执行 P(S0)

3、拿到仓库独立使用权之后，还要判断仓库空闲个数（即仓库是否已经满了，还能继续放置多少个商品），所以需要执行 P(S1)

4、当有仓库独立使用权之后且仓库可以继续放入商品（空闲满足放入的生产的商品个数）时，则执行 【把商品放入仓库中】

5、商品放入之后，则同步更新当前仓库商品的个数，即 V(S2)

6、更新个数之后，即可以释放独立使用权了，即 V(S0)，即表明商品已经被生产者放入，且生产者已经不需要继续使用仓库了（因为已经将生产的商品放入了）

消费者流程：

1、同理，消费者在从仓库中拿取一个商品时，同样需要判断是否有权利使用仓库，所以需要执行 P(S0)

2、拿到仓库使用权之后，还要判断当前仓库的商品个数，即是否有商品可以供消费者拿取，所以执行P(S2)

3、当有权利使用仓库且仓库商品个数满足消费者需求时，则消费者执行【取出一个商品】

4、取出之后，则同步当前仓库的空闲个数（即还能放入多少商品），所以是 V(S1)，因为拿出了1个商品，所一当前仓库的空闲个数一定是加1的，所以要更新空闲个数

5、更新之后，即可释放仓库的使用权了，即V(S0)

前驱图中的每一个箭头都是一个信号量。

P1执行完了之后，P2、P3才能执行，所以P1执行完了之后，一定释放了 P2、P3相关的信号量。即 V(S1)、V(S2)，而 P2 执行的正是 P(S1)，所以 P1 -> P2 的箭头的信号量就是 S1，则 P1-> P3 的箭头的信号量就是 S2.

所以此时 26 的填空即选 C。所以 b 就是 V(S3)。

所以 P2->P4的箭头的信号量就是 S3。P2执行完就需要释放一个信号量，就是 V(S3).

P3执行需要请求资源，由上箭头可知，是 P(S2)，所以c是P(S2).

P3执行完成后，需要释放一个信号量，假设是 S4，则 P4->P5的箭头就是 S5 信号量。

如果 P3->P5就是S4，P4->P5就是S5，那么 P3执行完了之后就会释放S4，即d为 V(S4)，P4执行完了就是释放S5，即e为V(S5)，所以P5执行就要请求S4、S5，所以f为P(S4)P(S5)。

经验证，答案正确。

所以：

26答案为 C

27答案为 B

28答案为 B

根据上题中的 Process P2、Process P3、Process P4、Process P5 中的 P、V 操作，可以将前驱图的箭头代表的信号量推知如下：

所以 P1 执行完，就是 V(S1)V(S2)，即①为 V(S1)V(S2)

P2执行就需要 P(S1)，即②为P(S1)

所以①和②答案为 C

P3 的执行就需要 P(S2)P(S3)，即③为P(S3)

P3执行完后就需要释放，所以是 V(S5)V(S6)，即④为V(S5)V(S6)

所以③和④答案为 B

P4执行完后就需要释放，所以是V(S7)，所以⑤为V(S7)

P6 执行就需要请求 S7、S8，所以⑥为P(S7)P(S8)

所以⑤和⑥的答案为 D