《系统分析师教程（第2版）》笔记——第 3 章 计算机系统

第 3 章 计算机系统【版权声明与学习说明】本文系笔者学习《系统分析师教程第2版》第3章后结合个人理解整理的原创学习笔记。文中所有表格、通俗化举例及箭头式总结均为本人消化后重新归纳表述不代表原书官方立场。整理初衷仅为交流学习、备考记录无意侵犯原作者版权。若您认为存在不当引用请通过CSDN私信联系我会第一时间处理。推荐备考的朋友购买正版教材尊重知识成果。计算机系统是系统分析师开展工作的核心载体由硬件系统和软件系统组成。本章围绕计算机系统的核心组件存储器、输入输出、指令系统、多处理机和关键支撑软件操作系统展开详细拆解其结构、原理、技术细节和应用场景。掌握这些知识能帮助分析师理解系统运行机制优化系统设计、提升性能是开展系统分析与设计工作的基础。3.1 计算机系统概述3.1.1 计算机系统层次结构从底层到顶层依次为硬联逻辑→微指令系统→机器指令语言→编译程序→汇编程序→解释程序→应用程序→应用层。底层硬联逻辑、微指令硬件核心直接控制硬件执行速度最快。中间层机器指令、编译 / 汇编 / 解释程序软硬件接口负责将高级语言转换为硬件能识别的指令。顶层应用程序、应用层面向用户解决具体业务问题如办公软件、电商系统。3.1.2 计算机系统硬件核心遵循冯・诺依曼体系结构由五大核心组件构成各组件通过数据流和控制流协同工作组件核心功能通俗解释运算器完成算术加减乘除和逻辑运算与或非计算机的 “计算器”控制器控制各组件协同工作解析指令并执行计算机的 “大脑指挥官”存储器存储程序和数据分主存、辅存计算机的 “仓库”输入设备向计算机输入原始数据和命令如键盘、鼠标、扫描仪计算机的 “耳朵和眼睛”输出设备输出计算机运行结果如显示器、打印机、音箱计算机的 “嘴巴和双手”中央处理单元CPU运算器 控制器的集成体是硬件系统核心决定系统运算速度。外部设备外设输入设备 输出设备的统称负责计算机与外部环境的交互。3.1.3 计算机系统软件软件按功能分为系统软件和应用软件二者分工明确系统软件负责管理、调度、监视计算机系统为应用软件提供运行环境核心包括 5 类操作系统如 Windows、Linux管理软硬件资源的核心软件。语言处理程序编译程序、汇编程序、解释程序将高级语言如 Java、Python转换为机器语言。服务性程序如杀毒软件、备份工具辅助系统运行和维护。数据库管理系统如 MySQL、Oracle管理数据存储和查询。计算机网络软件如 TCP/IP 协议栈、浏览器支持网络通信。应用软件为解决具体业务问题开发的程序如财务管理软件、营销管理软件、办公软件。固件firmware存储在 EPROM/EEPROM 中的程序兼具软硬件优点执行速度快于软件灵活性优于硬件如设备驱动程序。3.2 存储器系统存储器是计算机的 “数据仓库”用于存放程序和数据是实现 “程序控制” 的基础。系统采用三级存储架构高速缓冲存储器 Cache→主存储器→辅助存储器平衡速度、容量和成本。3.2.1 主存储器内存定义计算机运行时直接与 CPU 交互的存储器CPU 可直接随机读写速度较快但容量有限。核心分类类型读写特性断电后数据适用场景随机存取存储器RAM可读可写丢失易失性暂存运行中的程序和数据动态 RAMDRAM可读可写丢失需定时刷新主流内存如 DDR4、DDR5容量大、成本低静态 RAMSRAM可读可写不丢失无需刷新高速缓存Cache速度快、成本高只读存储器ROM只读不写不丢失非易失性存放 BIOS、专用子程序等固定程序3.2.2 辅助存储器辅存定义用于持久化存储大量数据容量大、成本低、速度慢不能被 CPU 直接访问需先调入主存。核心类型磁带存储器顺序存取容量大、价格低、便携但速度极慢适用于离线备份。硬盘存储器机械硬盘HDD由磁道、扇区、柱面组成直接存取容量大、成本低存取时间 寻道时间 等待时间 读写时间。固态硬盘SSD基于闪存芯片速度快、无机械磨损价格较高。混合硬盘HHD结合 HDD 和 SSD闪存缓存常用文件兼顾容量和速度。磁盘阵列RAID核心目的缩小 CPU 与磁盘的速度差距提升 I/O 性能和可靠性。关键技术分块、交叉、重聚技术。主流级别核心特点级别核心特点适用场景RAID 0无冗余数据分块存储速度最快故障率高对可靠性要求低、追求速度的场景如视频编辑RAID 1磁盘镜像1 个工作盘 1 个镜像盘安全性最高容量利用率 50%存放系统软件、重要数据如数据库日志RAID 5无独立校验盘校验信息分布在所有盘兼顾性能和可靠性通用场景如企业服务器、数据库RAID 10RAID 01先镜像后分块兼顾速度和可靠性性价比高对速度和可靠性均有要求的场景如电商核心系统光盘存储器CD-ROM只读厂家预写数据用户只能读。CD-R一次写入多次读取用户可写一次之后不可修改。CD-RW可擦写可多次读写类似磁盘。DVD-ROM容量比 CD 更大分单面单层、单面双层等结构。3.2.3 高速缓冲存储器Cache核心作用解决 CPU 与主存之间的速度差距冯・诺依曼瓶颈提升数据传输效率。工作原理基于程序的局部性原理时间局部性刚访问的存储单元可能再次访问空间局部性刚访问的单元附近单元可能被访问将常用数据预存到 Cache 中。访问流程CPU 需数据时先查 Cache→命中则直接读取未命中则从主存读取同时写入 Cache。核心指标命中率H Cache 命中次数 / 总访问次数命中率越高系统性能越好。关键技术映射机制主存块到 Cache 块的映射直接映射主存块只能映射到 Cache 固定块KI mod C实现简单但灵活性差。全相联映射主存块可映射到 Cache 任意块灵活性高但速度慢、成本高。组相联映射Cache 分组主存块先映射到组直接映射再映射到组内任意块全相联兼顾灵活性和速度主流方案。替换算法Cache 满时淘汰旧数据随机算法随机淘汰实现简单但效率低。先进先出FIFO淘汰最早进入 Cache 的数据易出现 Belady 异常页数增加但缺页率上升。近期最少使用LRU淘汰最近最少使用的数据符合局部性原理效率最高。写操作保证 Cache 与主存数据一致写直达Write Through写 Cache 时同时写主存数据一致但速度慢。写回Write Back写 Cache 时不立即写主存淘汰时再写回速度快但需标志位跟踪修改。标记法修改时只写主存Cache 中数据置为无效读取时重新从主存调入。3.2.4 网络存储技术用于解决分布式环境下的存储共享和扩展问题核心有 3 种技术类型核心特点适用场景直接附加存储DAS存储设备通过 SCSI 电缆直接连服务器依赖服务器无独立存储操作系统早期小型系统现已基本被 NAS 替代网络附加存储NAS专用文件服务器通过网络接口连网支持 NFS/CIFS 协议文件级共享中小企业文件共享如办公文档、视频存储存储区域网络SAN专用存储网络块级存储速度快、扩展性强分 FC SAN、IP SAN、IB SAN大型企业核心业务如数据库、虚拟化IP SANiSCSI基于 TCP/IP 网络成本低、配置简单支持远距离传输是目前主流 SAN 方案。3.2.5 虚拟存储技术核心思想将多个存储介质硬盘、RAID 等集中管理为 “存储池”屏蔽物理存储差异为用户提供大容量、高性能的逻辑存储。实现方式主机级虚拟化通过服务器端卷管理软件实现成本低。存储设备级虚拟化由存储控制器实现兼容性较差多为厂商专属。网络级虚拟化通过 SAN 专用装置实现支持多厂商设备开放性好。核心特点集中管理、高带宽、灵活性强、兼容性好保护已有投资。3.3 输入输出系统I/O 系统由 I/O 设备、I/O 接口控制器、I/O 控制管理软件组成负责计算机与外部环境的信息交换。3.3.1 输入输出工作方式共 5 种工作方式核心差异在于 CPU 参与程度和效率工作方式核心原理优点缺点适用场景程序控制方式CPU 执行 I/O 程序实现数据传送分无条件传送和程序查询软硬件简单CPU 利用率低简单开关量控制如 LED 灯程序中断方式外设准备就绪后向 CPU 发中断请求CPU 暂停现行程序处理 I/O提升 CPU 效率需中断控制逻辑中低速外设如键盘、打印机DMA 工作方式由 DMA 控制器直接控制主存与外设数据传输CPU 不参与高速批量传输需专用 DMA 控制器高速外设如硬盘、显卡通道方式专用 I/O 控制部件独立执行 I/O 指令减少 CPU 介入主机与外设并行度高硬件复杂大型计算机系统I/O 处理机独立于 CPU 的处理机专用处理 I/O可完成码制转换、文件管理等功能强、效率高成本高大型 / 巨型计算机3.3.2 总线定义多个部件分时共享的公共信息传输线路同一时刻只能有一个部件发送信息多个部件可接收信息。核心分类按功能地址总线传地址、数据总线传数据、控制总线传控制信号。按传输方式并行总线多位数据同时传速度快、串行总线多位数据依次传适用于远距离。关键性能指标总线宽度数据线数量决定单次传输数据位数如 32 位、64 位。总线带宽最大数据传输速率总线带宽 总线宽度 × 总线频率。总线负载可连接的最大设备数量。支持热插拔设备可在系统运行时插拔不影响系统运行如 USB 设备。3.3.3 I/O 接口I/O 控制器核心作用解决主机与外设的速度、信息格式差异是二者的 “翻译官” 和 “协调员”。核心功能通信联络控制协调主机与外设时序、地址译码选择目标外设、数据缓冲避免数据丢失、数据格式转换如并串转换、传递控制命令和状态信息。分类按数据传输方式串行接口一次传 1 位如 USB、RS232、并行接口一次传多位如 IDE、SCSI。按通用性通用接口如 USB、IEEE-1394、专用接口如显卡接口、声卡接口。常见接口核心参数接口类型传输速率核心特点适用场景USB 3.04.8Gb/s热插拔、支持 127 个设备鼠标、U 盘、打印机等外设SATA 3.06Gb/s热插拔、串行传输硬盘、固态硬盘SCSI5Gb/s支持多设备菊花链连接大容量存储设备、服务器外设IEEE-1394800Mb/s热插拔、支持 63 个节点高清摄像头、外置硬盘eSATA3.2Gb/s外部 SATA 接口物理连接稳固外置固态硬盘、硬盘盒I/O 端口接口中可被 CPU 直接访问的寄存器分数据端口传数据、命令端口发控制命令、状态端口反馈外设状态。端口编址独立编址I/O 映射专用 I/O 指令、统一编址存储器映射用数据传送指令。3.4 指令系统指令是计算机执行操作的命令所有指令的集合构成指令系统指令集是软硬件的核心分界面。3.4.1 基本指令系统1. 设计要求完整性具备通用计算机所需的基本指令类型。规整性对称性如所有通用寄存器待遇一致、均匀性不同数据类型、存储设备的指令设置一致。高效率常用指令执行速度快、使用频率高。兼容性不同型号计算机的指令系统兼容便于软件移植。2. 基本指令分类指令类型核心功能示例数据传送类实现寄存器、主存间的数据传送一般传送MOV、堆栈操作PUSH/POP、数据交换XCHG运算类算术运算加减乘除、逻辑运算与或非、移位算术 / 逻辑 / 循环移位ADD加法、AND逻辑与、SHL左移程序控制类控制程序执行顺序转移JMP、程序调用CALL、返回RET、循环控制LOOPI/O 类主机与外设信息交换IN输入、OUT输出处理机控制和调试类控制处理机状态、管理系统资源特权指令如设置中断屏蔽、调试指令如断点设置3.4.2 复杂指令系统CISC定义设置大量复杂指令将常用软件功能用硬件实现追求指令功能强大。核心特点指令数量多100~250 条使用频率悬殊20% 指令占 80% 执行时间80-20 规律。寻址方式多5~20 种、指令长度不固定。可直接操作主存数据以微程序控制为主。缺陷复杂指令执行周期长硬件设计复杂。80% 的复杂指令使用频率低浪费硬件资源。3.4.3 精简指令系统RISC定义精简指令集只保留常用简单指令复杂功能通过多条简单指令实现追求执行效率。核心特点指令数量少优先选取高频简单指令仅支持 LOAD从主存读数据和 STORE写数据到主存指令操作主存其余操作在寄存器间进行。寻址方式少仅支持寄存器、立即数、相对寻址、指令长度固定、格式统一。以硬布线逻辑控制为主单周期指令执行支持流水线技术。CPU 通用寄存器数量多32 个以上分指令 Cache 和数据 Cache并行存取。核心思想程序执行时间 PI×CPI×TI指令条数CPI平均执行周期数T周期时间。RISC 的 I 比 CISC 多但 CPI 远小于 CISCRISC CPI≈1CISC CPI4~10T 更短整体执行速度更快。关键技术延迟转移技术、指令取消技术、重叠寄存器窗口技术、指令流调整技术。3.5 多处理机系统多处理机系统由多个独立处理机组成通过共享主存或通信网络协同工作突破单处理机的性能限制。3.5.1 多处理机系统概述1. 与并行处理机SIMD的区别对比维度多处理机MIMD并行处理机SIMD结构灵活性高适应多样算法低针对数组 / 向量计算程序并行性任务级并行复杂操作级并行简单任务派生需专门指令派生并行任务指令本身启动多个处理单元并行进程同步需专门同步机制受同一控制器控制自然同步资源调度需动态分配资源和调度进程处理单元数目固定无需复杂调度2. 分类按存储访问方式类型核心特点代表架构适用场景共享存储方式紧耦合多个处理机共享主存通过主存传递信息SMP对称多处理机多用户分时应用、一般通用应用分布式存储方式松耦合每个处理机独占本地存储器通过互连网络通信MPP海量并行处理机粗粒度并行计算如科学计算、大数据处理3.5.2 海量并行处理结构MPP核心特点大规模并行处理采用分布式存储可扩展至数百 / 数千个处理机。关键技术虚拟共享存储器SVM/DSM将物理分散的本地存储器逻辑统一编址用户可视为全局共享存储简化编程。SVM 实现方式硬件实现高效、操作系统 / 库实现无需专用硬件、编译实现复杂。3.5.3 对称多处理机结构SMP核心特点多个处理机共享主存处理机类型相同、地位对称由操作系统统一调度。存储模型均匀存储器存取UMA所有处理机访问主存速度相同。非均匀存储器存取NUMA访问本地存储器速度快访问远程存储器速度慢。只用高速缓存的存储器结构COMA主存换成高速缓存全局地址空间由缓存组成。扩展架构S2MP可扩展共享存储多处理机结合 SMP 的简单编程和 MPP 的扩展性基于 NUMA 结构存储带宽随处理机数量扩展。3.5.4 互连网络定义连接处理机、存储模块、外设的硬件网络负责组件间的信息传输是多处理机系统的核心。互连函数描述连接关系恒等置换同编号连接、交换置换第 0 位位值不同连接、方体置换第 k 位位值不同连接。核心互连方式方式核心特点优缺点总线方式共享总线连接所有组件简单、成本低但争用严重扩展性差交叉开关每个处理机与每个存储模块直接连接无争用速度快但复杂度高成本高开关枢纽由仲裁单元和开关单元组成平衡争用和复杂度扩展性较好多端口存储器存储器控制冲突请求分解多处理机访问简化互连网络提高存储访问效率多级互连网络总线与交叉开关的折中模块化结构扩展性好时延随级数上升3.6 操作系统操作系统OS是管理计算机软硬件资源的核心软件负责合理组织工作流程、控制程序执行为用户提供友好接口。3.6.1 操作系统概述1. 核心作用资源管理提高计算机系统效率合理分配 CPU、内存、外设等资源。人机接口提供友好的工作环境让用户 / 程序方便使用系统。2. 核心特征与功能特征并发性多个程序同时运行、共享性资源被多个用户 / 程序共享、虚拟性将物理资源抽象为多个逻辑资源、不确定性程序执行顺序和时间不确定。功能处理机管理进程管理分配和管理 CPU核心是进程调度。存储器管理内存分配、保护、扩充虚拟存储。设备管理设备分配、传输控制、设备独立性用户无需关注具体设备。文件管理文件存储空间管理、目录管理、文件操作和保护。用户接口程序接口系统调用面向开发者、操作接口命令行 / 图形界面面向用户。3. 操作系统分类类型核心特点适用场景分时操作系统如 UNIX、LinuxCPU 时间分片轮流为多个终端用户服务交互性强多用户共享主机如服务器、工作站实时操作系统如 VxWorks、uC/OS-II快速响应外部事件满足实时性要求工业控制、导弹制导、飞机订票系统网络操作系统如 Windows Server、NetWare管理网络资源支持网络通信和共享局域网、企业网络文件服务器、数据库服务器分布式操作系统如 Amoeba、Mach管理分布式计算机系统资源分布共享透明性强分布式计算、云计算平台嵌入式操作系统如 Android、iOS、Windows CE微型化、可定制、实时性强、可靠性高智能手机、智能家电、嵌入式设备4. 互联网环境对操作系统的要求自主配置和自适应协调适应节点数量、状态、需求的动态变化。支持跨网络互连、互通和协作有线 / 无线、固定 / 移动节点结合。管理和协调资源共享扩展至感知、能源、通信资源。支持功能、性能、可信性动态演化。可信赖保障安全性、私密性、可靠性。3.6.2 进程管理1. 程序与进程程序静态的指令集合如.exe 文件。进程程序的一次执行过程是资源分配和调度的基本单位由进程控制块PCB、程序、数据组成PCB 是进程存在的唯一标志。前驱图描述程序段之间的依赖关系有向无循环图体现程序并发执行的制约关系。程序并发执行特征间断性、失去封闭性、不可再现性、相互制约性。2. 进程状态与转换五态模型状态新建态进程刚创建未提交→就绪态具备运行条件等待 CPU→运行态占用 CPU 执行→阻塞态等待某事件如 I/O 完成→终止态进程结束。转换触发条件新建态→就绪态系统完成进程创建。就绪态→运行态进程调度CPU 空闲选中就绪态进程。运行态→就绪态时间片到或有更高优先级进程进入就绪态。运行态→阻塞态进程请求某事件如 I/O 操作。阻塞态→就绪态等待的事件发生如 I/O 完成。运行态→终止态进程执行完成或异常终止。3. 信号量与 PV 操作进程同步与互斥工具信号量S整型变量用于描述资源可用数量。S≥0可用资源数S0绝对值为等待该资源的进程数。公用信号量互斥初值为 1实现进程间互斥访问临界资源。私用信号量同步初值为 0 或正整数实现进程间协作。PV 操作不可分割的原子操作P 操作申请资源SS-1若 S0进程阻塞并插入等待队列。V 操作释放资源SS1若 S≤0唤醒等待队列中的一个进程。应用示例生产者 - 消费者问题信号量设置S互斥信号量初值 1保护缓冲区、S1同步信号量初值 n缓冲区空闲数、S2同步信号量初值 0缓冲区产品数。生产者流程生产产品→P (S1)→P (S)→产品送缓冲区→V (S)→V (S2)。消费者流程P (S2)→P (S)→从缓冲区取产品→V (S)→V (S1)→消费产品。4. 高级通信原语低级通信PV 操作编程复杂、效率低适合少量数据交换。高级通信传递大量数据效率高、编程简单核心方式共享存储模式进程共享数据结构或存储区。消息传递模式以消息为单位通信如 Send/Receive 原语。管道通信通过共享文件管道传递字符流连接读进程和写进程。5. 死锁定义多个进程互相等待对方占用的资源导致无法继续运行。必要条件缺一不可互斥条件资源独占、不剥夺条件资源不可强制剥夺、请求与保持条件持有资源并请求新资源、环路条件进程 - 资源形成环路。处理策略预防破坏任一必要条件如预先静态分配资源、资源有序分配。避免银行家算法检测分配资源后系统是否安全安全状态是存在安全序列可让所有进程完成。检测与解除定时检测死锁发现后通过资源剥夺或撤销进程解除。6. 线程定义进程中的实体是调度和分配的基本单位比进程更 “轻便”轻型进程。核心特点基本不拥有资源共享所属进程的全部资源如内存空间、文件句柄。线程状态就绪、运行、阻塞。分类用户级线程不依赖内核创建 / 切换快、内核支持线程依赖内核调度更灵活。优势减少进程切换开销提高系统并发度如文件服务进程可通过多线程同时处理多个用户请求。3.6.3 存储器管理核心任务管理主存空间提高利用率、扩充容量保护内存数据安全。1. 存储管理方案方案核心原理优点缺点分区存储管理主存划分为若干区域每个区域分配给一个作业实现简单内存利用率低有碎片分页存储管理作业和主存均划分为等大的页块作业分页后离散分配到主存块无外碎片内存利用率高有内碎片页内未用空间分段存储管理作业按逻辑功能划分为段如代码段、数据段段离散分配到主存符合程序逻辑便于共享和保护有外碎片段页式存储管理先分段再分页结合分段和分页优势兼顾逻辑独立性和内存利用率管理复杂开销大虚拟存储管理仅将作业部分装入主存其余部分存辅存需用时调入突破物理内存限制扩大逻辑内存需硬件支持有页面置换开销2. 虚拟存储管理核心理论基础程序的局部性原理时间局部性、空间局部性。工作集理论进程在某段时间内实际访问的页面集合需将工作集驻留主存以降低缺页率。实现方式请求分页系统分页 请求调页 页面置换。请求分段系统分段 请求调段 分段置换。请求段页式系统段页式 请求调页 页面置换。页面置换算法缺页时淘汰页面最佳Optimal淘汰最长时间不被访问的页面理想化无法实现。先进先出FIFO淘汰最早进入主存的页面实现简单有 Belady 异常。近期最少使用LRU淘汰最近最少使用的页面符合局部性原理效率最高。最近未用NUR淘汰最近未使用的页面实现简单开销低。3.6.4 设备管理核心目标提高设备利用率为用户提供统一、方便的设备接口。1. I/O 软件层次从底层到顶层中断处理程序处理设备中断唤醒驱动程序。设备驱动程序控制具体设备设置设备寄存器、检查状态。与设备无关的系统软件提供统一设备接口处理缓冲区、设备分配。用户级软件用户进程发起 I/O 请求如读文件。2. 关键技术SPOOLing 技术外围设备联机操作核心思想用磁盘上的输入井和输出井模拟脱机 I/O将独占设备转换为共享虚拟设备。组成预输入程序将外设数据读入输入井、缓输出程序将输出井数据写入外设、井管理程序管理输入 / 输出井。优势提高设备利用率和 CPU 与外设并行度如打印机共享。磁盘调度算法优化磁头移动减少寻道时间先来先服务FCFS按请求顺序调度公平但平均寻道时间长。最短寻道时间优先SSTF选择距当前磁头最近的请求缩短单次寻道时间。扫描算法SCAN电梯调度磁头沿一个方向移动处理所有请求后反向避免饥饿。单向扫描CSCAN磁头单向移动到达端点后直接返回另一端减少延迟。3.6.5 文件管理文件系统是操作系统中管理文件的软件集合负责文件的存储、检索、共享和保护。1. 文件的组织结构逻辑结构用户视角有结构文件记录式文件由多个记录组成如数据库表。无结构文件流式文件由字符流组成如文本文件、二进制文件。物理结构存储视角文件在辅存的存放方式连续结构文件数据连续存放在辅存块速度快但易产生碎片。链接结构文件数据分散存放通过指针链接无碎片但随机访问慢。索引结构为文件建立索引表记录文件数据块位置兼顾速度和无碎片主流方案。多级索引UNIX 系统采用三级索引直接寻址、一级 / 二级 / 三级间接寻址支持大容量文件。2. 文件目录定义文件控制块FCB的有序集合FCB 包含文件名、物理地址、文件属性等信息。目录结构一级目录结构所有文件在一个目录下简单但易重名、查找慢。二级目录结构分主目录和用户目录解决重名问题。多级目录结构树形结构目录层级嵌套支持文件分类查找快如 Windows、Linux 的目录结构。路径名绝对路径从根目录开始的完整路径如 “C:\Users\Document\test.txt”。相对路径从当前目录开始的路径如 “Document\test.txt”。3. 文件存储空间管理核心是管理辅存空闲空间常用方法方法核心原理优点缺点位示图用一位表示一个物理块的空闲状态0 空闲1 占用描述能力强适合各种物理结构位示图大小随磁盘容量增长空闲区表记录所有空闲区的起始块号和块数适合连续文件分配空闲区多时光查表开销大空闲块链空闲块通过指针链接形成链表无需专用数据结构节省空间遍历链表开销大成组链接法将空闲块分组每组记录下一组空闲块信息兼顾空间和效率UNIX 系统采用实现复杂4. 文件的共享和保护共享不同用户 / 进程使用同一文件节省空间、减少复制开销。硬链接多个目录项指向同一索引结点删除一个链接不影响文件。符号链接建立新文件记录原文件路径跨越文件系统但增加读盘次数。保护防止文件被非法访问核心方式存取控制矩阵二维矩阵用户 × 文件记录存取权限读 R、写 W、执行 X。存取控制表为每个文件记录授权用户及权限简化矩阵。用户权限表为每个用户记录可访问的文件及权限。密码文件加密存储访问时需输入密码解密。5. 文件系统的安全与可靠性安全级别系统级登录认证、用户级用户权限、目录级目录访问权限、文件级文件存取权限。可靠性保障转储和恢复定期备份文件数据故障后恢复。日志文件记录文件操作故障后通过日志回滚或前滚恢复数据。一致性检查检测并修复文件系统的块一致性和文件一致性。3.6.6 作业与用户界面1. 作业管理作业用户提交给计算机的计算任务总和由程序、数据、作业说明书组成。作业步作业执行的每个步骤如编译、链接、执行。作业控制方式脱机控制用户编写作业说明书提交后无需干预。联机控制用户通过终端输入命令实时控制作业执行。作业调度算法选择作业进入内存执行评价指标平均周转时间作业完成时间 - 提交时间、平均带权周转时间周转时间 / 执行时间。常用算法先来先服务FCFS、短作业优先SJF、高响应比优先HRN、时间片轮转RR。2. 用户界面定义用户与计算机通信的软 / 硬件总称包括输入 / 输出设备和通信协议、命令等软件。类型命令接口命令行如 DOS 命令、Linux Shell 命令面向专业用户。图形界面接口GUI窗口、图标、菜单直观易用如 Windows、macOS。程序接口系统调用面向开发者如 C 语言的 read ()、write () 函数。发展阶段控制面板式→字符用户界面→图形用户界面→新一代用户界面虚拟现实、语音交互、多通道交互。3.6.7 国产操作系统核心基于 Linux 内核二次开发打破国外垄断主要类型操作系统核心特点适用场景银河麒麟KylinOS自主知识产权分安全版、服务器版政府、军工、企业服务器深度deepin桌面应用为主界面友好支持国产硬件个人电脑、办公终端统信UOS完善的生态支持多架构兼容性好政企办公、金融、能源领域中标麒麟强化 Linux 内核分桌面版、服务器版政府、教育、金融行业红旗 Linux成熟的 Linux 发行版分多个版本企业服务器、桌面办公安超 OS云操作系统软硬件解耦支持混合负载企业上云、数字化转型