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新聞資訊

    第一章 操作系統(tǒng)引論

    一、簡答題

    1.在計算機系統(tǒng)上配置OS的目標是什么?作用表現(xiàn)在哪幾個方面?

    在計算機系統(tǒng)上配置OS,主要目標是實現(xiàn):方便性、有效性、可擴充性和開放性;

    OS的作用主要表現(xiàn)在以下3個方面:

    1)OS作為用戶與計算機硬件系統(tǒng)之間的接口;

    2)OS作為計算機系統(tǒng)資源的管理者;

    3)OS實現(xiàn)對計算機資源的抽象。

    2.試說明OS與硬件、其他系統(tǒng)軟件以及用戶之間的關(guān)系。

    操作系統(tǒng)是覆蓋在硬件上的第一層軟件,他管理計算機的硬件和軟件資源,并向用戶提供良好的界面。操作系統(tǒng)與硬件密切相關(guān),它直接管理著硬件資源,為用戶完成所有與硬件相關(guān)的操作,從而極大地方便了用戶對硬件資源的使用并提高了硬件資源的利用率。操作系統(tǒng)是一種特殊的系統(tǒng)軟件,其他系統(tǒng)軟件運行在操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上,可獲得操作系統(tǒng)提供的大量服務(wù),也就是說操作系統(tǒng)是其他系統(tǒng)軟件與硬件之間的接口。而一般用戶使用計算機除了需要操作系統(tǒng)支持以外,還需要用到大量的其他系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件,以使其工作更高效和方便。

    3.試說明推動OS發(fā)展的主要動力是什么。

    1)計算機系統(tǒng)資源的利用率不斷提高;

    2)方便用戶;

    3)器件不斷更新?lián)Q代;

    4)計算機體系結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展;

    5)新的應(yīng)用需求不斷被提出。

    4.在OS中,何謂脫機I/O方式和聯(lián)機I/O方式?

    脫機I/O方式是指事先將裝有用戶程序或數(shù)據(jù)的紙帶或卡片裝入紙帶輸入機或卡片機,在外圍機的控制下,把紙帶或卡片上的數(shù)據(jù)或程序輸入到磁帶上,該方式下的I/O操作由外圍機控制完成,并且是在脫離主機的情況下進行的,因此叫作脫機I/O方式。聯(lián)機I/O方式是指程序和數(shù)據(jù)的I/O都是在主機的直接控制下進行的。

    5.試說明推動分時系統(tǒng)形成和發(fā)展的主要動力是什么?

    1)CPU( unit,中央處理機)的分時使用縮短了作業(yè)的平均周轉(zhuǎn)時間;

    2)人機交互功能的提供使用戶能方便地直接控制自己的作業(yè);

    3)主機的共享使多個用戶(包括遠程用戶)能同時使用一臺計算機獨立地、互不干擾地處理各自的作業(yè)。

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    6.實現(xiàn)分時系統(tǒng)的關(guān)鍵問題是什么?應(yīng)如何解決?

    實現(xiàn)分時系統(tǒng)的關(guān)鍵問題:使用戶能與自己的作業(yè)進行交互,即用戶在自己的終端上輸入一條命令以請求系統(tǒng)服務(wù)后,系統(tǒng)能及時地接收并處理該命令,并在用戶能接受的時延內(nèi)將結(jié)果返回給用戶。

    解決:及時地接收命令和返回輸出結(jié)果的實現(xiàn)方式是在系統(tǒng)中配置一個多路卡,并為每個終端配置一個緩沖區(qū)以暫存用戶輸入的命令和輸出的結(jié)果。因此,關(guān)鍵要解決的問題是確保在較短的時間內(nèi)系統(tǒng)中所有的用戶程序都能執(zhí)行一次,從而使用戶輸入的命令能夠得到及時響應(yīng)。為此,一方面,用戶作業(yè)被提交后應(yīng)立即進入內(nèi)存;另一方面,系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置一個被稱為時間片的很短的時間,并規(guī)定每個程序每次最長只能連續(xù)運行一個時間片,如果時間片用完,則不管它是否運行完畢,都必須將CPU讓給下一個作業(yè)。通過使作業(yè)分時共享CPU,所有的作業(yè)都可以得到及時的處理,用戶的請求亦可得到及時的響應(yīng)。

    7.為什么要引入實時系統(tǒng)?

    實時系統(tǒng)是指系統(tǒng)能及時響應(yīng)外部事件的請求,在規(guī)定的時間內(nèi)完成對外部事件的處理,并控制所有實時任務(wù)協(xié)調(diào)一致地運行。引入實時系統(tǒng)是為了更好地滿足實時控制領(lǐng)域和實時信息處理領(lǐng)域的需要。

    8.什么是HRT任務(wù)和SRT任務(wù)?試舉例說明。

    1)硬實時任務(wù)是指系統(tǒng)必須滿足任務(wù)對截止時間的要求,否則可能出現(xiàn)難以預(yù)測的結(jié)果,如運載火箭的控制等;

    2)軟實時任務(wù)對截止時間的要求并不嚴格,偶爾錯過任務(wù)的截止時間,對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響也不大,如網(wǎng)頁內(nèi)容的更新、火車售票系統(tǒng)剩余票數(shù)的更新等。

    9.試從及時性、交互性及可靠性方面對分時系統(tǒng)和實時系統(tǒng)進行比較。

    1)從交互性方面來考慮。交互性問題是分時系統(tǒng)的關(guān)鍵問題。在分時系統(tǒng)中,用戶可以通過終端與系統(tǒng)進行廣泛的人機交互,如文件編輯、數(shù)據(jù)處理和資源共享等。實時系統(tǒng)也具有交互性,但在實時系統(tǒng)中,交互性僅限于訪問系統(tǒng)中某些特定的專用服務(wù)程序,也就是說,它的交互性具有很大的局限性;

    2)從及時性方面來考慮。分時系統(tǒng)的及時性是指用戶能在很短的時間間隔內(nèi)獲得系統(tǒng)的響應(yīng),這一時間間隔是根據(jù)人們能接受的等待時間來確定的,一般為2~3s。對實時系統(tǒng)來說,及時性是它的關(guān)鍵問題之一,實時信息系統(tǒng)的及時性要求與分時系統(tǒng)相似,而實時控制系統(tǒng)的及時性要求則是由被控制對象所要求的開始截止時間和完成截止時間決定的,一般為秒級、百毫秒級、毫秒級,甚至更低;

    3)從可靠性方面來考慮??煽啃允菍崟r系統(tǒng)的另一個關(guān)鍵問題,實時系統(tǒng)中的任何差錯都可能帶來巨大的經(jīng)濟損失,甚至導致無法預(yù)料的災(zāi)難性后果,因此實時系統(tǒng)往往采取多級容錯措施來保證系統(tǒng)高度可靠。分時系統(tǒng)雖然也要求可靠,但比實時系統(tǒng)的要求要低。

    10.微機OS按運行方式來分,可以分為哪幾類?舉例說明。

    1)單用戶單任務(wù)OS:只允許一個用戶上機(使用計算機),且只允許用戶程序作為一個任務(wù)運行,主要配置在8位和16位微機上。最具代表性的單用戶單任務(wù)OS是CP/M(8位)和MSDOS(16位);

    2)單用戶多任務(wù)OS:只允許一個用戶上機,但允許用戶把程序分為若干個任務(wù)并發(fā)執(zhí)行,從而有效地改善了系統(tǒng)性能。最具代表性的單用戶多任務(wù)OS是由微軟公司推出的系列,如 3.1、 95、 98等;

    3)多用戶多任務(wù)OS:允許多個用戶通過各自的終端使用一臺機器,共享主機系統(tǒng)中的各種資源,而每個用戶程序又可進一步分為若干個任務(wù)并發(fā)執(zhí)行,從而可以進一步提高資源利用率和系統(tǒng)吞吐量。最具代表性的多用戶多任務(wù)OS是UNIX系統(tǒng),各種類UNIX系統(tǒng)(如、Linux系統(tǒng)等)以及 NT/系列的系統(tǒng)。

    11.OS具有哪幾大特征?它們之間有何關(guān)系?

    并發(fā)、共享、虛擬和異步這4個基本特征;

    1)并發(fā)和共享是OS最基本的特征。為了提高計算機資源的利用率,OS必然要采用多道程序設(shè)計技術(shù),使多個程序共享系統(tǒng)的資源、并發(fā)地執(zhí)行;

    2)并發(fā)性和共享性互為存在的條件。一方面,資源的共享是以程序(進程)的并發(fā)執(zhí)行為條件的,若系統(tǒng)不允許程序并發(fā)執(zhí)行,就不會存在資源共享問題;另一方面,若系統(tǒng)不能對資源共享實施有效管理,協(xié)調(diào)好各進程對共享資源的訪問,則必將影響程序的并發(fā)執(zhí)行,甚至會使程序無法并發(fā)執(zhí)行;

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    3)虛擬性以并發(fā)性和共享性為前提。為了使并發(fā)進程能更方便、更有效地共享資源,OS常采用多種虛擬技術(shù)在邏輯上增加CPU和設(shè)備的數(shù)量以及存儲器的容量,從而解決并發(fā)進程對有限系統(tǒng)資源的共享問題;

    4)異步性是并發(fā)性和共享性的必然結(jié)果。OS允許多個并發(fā)進程共享資源、相互合作計算機控制系統(tǒng)第二版課后答案,使得每個進程的運行過程受到了其他進程的制約,不再“一氣呵成”,這必然會導致異步這一特征的產(chǎn)生。

    12.是什么原因使OS具有異步特征?

    在多道程序環(huán)境下,允許多個進程并發(fā)執(zhí)行。但由于資源等因素的限制,進程的執(zhí)行通常并非“一氣呵成”,而是以“走走停?!钡姆绞竭M行。內(nèi)存中的每個進程在何時執(zhí)行、何時暫停、以怎樣的速度向前推進,都是不可預(yù)知的。故而作業(yè)完成的先后次序與進入內(nèi)存的先后次序并不完全一致,亦即進程是以異步方式運行的。但在有關(guān)進程控制及同步機制等的支持下,只要運行環(huán)境相同,作業(yè)經(jīng)多次運行都會獲得完全相同的結(jié)果,因而異步方式是允許的。因此,OS具有異步特征。

    13.何謂OS內(nèi)核?OS內(nèi)核的主要功能是什么?

    在現(xiàn)代OS理論中,一般將OS劃分為若干層次,再將OS的不同功能分別設(shè)置在不同層次中。通常將一些與硬件緊密相關(guān)的模塊(如中斷處理程序等)、各種常用設(shè)備的驅(qū)動程序以及運行頻率較高的模塊(如時鐘管理模塊、進程調(diào)度模塊和公用基本操作模塊等)都安排在緊靠硬件的軟件層次中,讓它們常駐內(nèi)存,進而形成了所謂的OS內(nèi)核。

    OS內(nèi)核的主要功能有:①支撐功能,包括中斷處理、時鐘管理和原語操作等;②資源管理功能,包括進程管理、存儲器管理、設(shè)備管理等。

    14.何謂原語?何謂原子操作?

    原語:是指由若干條指令組成的,用于完成一定功能的一個過程;

    原子操作:是指一個操作中的所有動作要么全做,要么全不做,換言之,它是一個不可分割的基本單位。因此,原語在執(zhí)行過程中是不允許被中斷的。原子操作在內(nèi)核態(tài)下執(zhí)行,常駐內(nèi)存。

    15.簡要描述處理機的雙重工作模式。

    一般地,處理機至少需要兩種單獨運行模式:用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)。

    1)用戶態(tài)也稱為目態(tài),計算機硬件可以通過一個模式位為1來表示它。當計算機系統(tǒng)執(zhí)行用戶程序時,系統(tǒng)處于用戶態(tài);

    2)內(nèi)核態(tài)也稱為管態(tài)或系統(tǒng)態(tài),計算機硬件可以通過一個模式位為0來表示它。每當OS能夠控制計算機時,它就處于內(nèi)核態(tài)。例如,當用戶程序通過系統(tǒng)調(diào)用請求OS服務(wù)時,系統(tǒng)必

    須從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài),以響應(yīng)請求。

    16.簡述中斷處理過程。

    一旦CPU響應(yīng)中斷,系統(tǒng)就會開始進行中斷處理。中斷處理過程主要包括以下3步。

    1)保護被中斷進程的現(xiàn)場。為了在中斷處理結(jié)束后能使進程正確地返回中斷點,系統(tǒng)必須保存當前處理機狀態(tài)字和程序計數(shù)器的值;

    2)分析中斷原因,轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的中斷處理程序。在多個中斷請求同時發(fā)生時,處理優(yōu)先級最高的中斷源所發(fā)出的中斷請求;

    3)恢復(fù)被中斷進程的現(xiàn)場,CPU繼續(xù)執(zhí)行被中斷的原進程。

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    17.處理機管理有哪些主要功能?它們的主要任務(wù)是什么?

    處理機管理的主要功能有進程管理、進程同步、進程通信和處理機調(diào)度。各部分的主要任務(wù)為:

    1)進程管理,為作業(yè)創(chuàng)建進程,撤銷已結(jié)束進程,控制進程在運行過程中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換;

    2)進程同步,協(xié)調(diào)多個進程(含線程)的運行;

    3)進程通信,實現(xiàn)在相互合作的進程之間進行信息交換;

    4)處理機調(diào)度,包括作業(yè)調(diào)度和進程調(diào)度。作業(yè)調(diào)度是按照一定的算法從后備隊列里選出若干個作業(yè),為它們分配運行所需的資源;進程調(diào)度是按照一定的算法從進程的就緒隊列中選出一個進程,把處理機分配給它,并設(shè)置運行現(xiàn)場,使進程投入執(zhí)行。

    18.存儲器管理有哪些主要功能?它們的主要任務(wù)是什么?

    內(nèi)存管理的主要功能有內(nèi)存分配、內(nèi)存保護、地址映射和內(nèi)存擴充。各部分的主要任務(wù)為:

    1)內(nèi)存分配,為每道程序分配內(nèi)存;

    2)內(nèi)存保護,確保每道程序僅在自己的內(nèi)存空間運行,彼此互不干擾;

    3)地址映射,將地址空間的邏輯地址轉(zhuǎn)換為內(nèi)存空間對應(yīng)的物理地址;

    4)內(nèi)存擴充,即從邏輯上擴充內(nèi)存,實現(xiàn)請求調(diào)入功能和置換功能等。

    19.設(shè)備管理有哪些主要功能?它們的主要任務(wù)是什么?

    設(shè)備管理的主要功能包括緩沖管理、設(shè)備分配、設(shè)備處理以及設(shè)備虛擬等。各部分的主要任務(wù)為:

    1)完成用戶提出的I/O請求,為用戶進程分配所需的I/O設(shè)備,并完成指定的I/O操作;

    2)提高CPU和I/O設(shè)備的利用率,提高I/O速度,方便用戶使用I/O設(shè)備。

    20.文件管理有哪些主要功能?它們的主要任務(wù)是什么?

    文件管理的主要功能有:文件存儲空間的管理、目錄管理、文件的讀/寫管理和保護。其主要任務(wù)是對用戶文件和系統(tǒng)文件進行管理以方便用戶使用,并保證文件安全。

    21.現(xiàn)代OS的新功能有哪些?

    現(xiàn)代OS是在傳統(tǒng)OS的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的,它除了具有傳統(tǒng)OS的功能外,還具有保障系統(tǒng)安全、支持用戶通過聯(lián)網(wǎng)獲取服務(wù)和可處理多媒體信息等功能。

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    22.什么是微內(nèi)核OS?它具有哪些優(yōu)點?

    微內(nèi)核OS具有如下4個特征:①足夠小的內(nèi)核;②基于客戶/服務(wù)器模式;③應(yīng)用策略與機制分離原則;④采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)。

    微內(nèi)核OS的主要優(yōu)點包括:①提高了系統(tǒng)的可擴展性;②增強了系統(tǒng)的可靠性和可移植性;③提供了對分布式系統(tǒng)的支持;④融入了面向?qū)ο蠹夹g(shù)。

    23.外核OS的基本思想是什么?

    外核OS的基本思想是:內(nèi)核不提供傳統(tǒng)OS中的進程、虛擬存儲等抽象事物,而是專注于物理資源的隔離(保護)與復(fù)用。具體來說,在基于外核結(jié)構(gòu)的OS中,內(nèi)核負責保護系統(tǒng)資源,而硬件資源的管理職責則委托給了應(yīng)用程序,這樣,OS就可以做到在保證資源安全的前提下,減少對應(yīng)用程序的限制,充分滿足應(yīng)用程序?qū)τ布Y源的不同需求。

    24.什么是系統(tǒng)調(diào)用?系統(tǒng)調(diào)用與一般用戶程序和庫函數(shù)有何區(qū)別?

    系統(tǒng)調(diào)用是OS提供給程序員的唯一接口。程序員利用系統(tǒng)調(diào)用,在源程序?qū)用鎰討B(tài)請求和釋放系統(tǒng)資源,并調(diào)用系統(tǒng)中已有的系統(tǒng)功能來完成那些與機器硬件部分相關(guān)的工作以及控制程序的執(zhí)行速度等。因此,系統(tǒng)調(diào)用像一個“黑箱子”,對用戶屏蔽了OS的具體動作而只提供有關(guān)的功能。

    系統(tǒng)調(diào)用與一般用戶程序、庫函數(shù)的區(qū)別在于:

    1)系統(tǒng)調(diào)用(程序)在內(nèi)核態(tài)執(zhí)行計算機控制系統(tǒng)第二版課后答案,調(diào)用它們時需要一個類似于硬件中斷處理機制的中斷處理機制來提供系統(tǒng)服務(wù);

    2)普通的用戶程序是直接為用戶完成某特定功能而設(shè)計的,它們一般在用戶態(tài)執(zhí)行;

    3)庫函數(shù)是把函數(shù)放到庫里供別人使用的一種方式,是面向應(yīng)用開發(fā)、方便人們編程的。

    二、計算題

    25.設(shè)有3道程序A、B、C,它們按照優(yōu)先次序(A->B->C)順序執(zhí)行,它們的計算時間和I/O操作時間如表1-1所示,假設(shè)3道程序以串行方式使用相同的設(shè)備進行I/O操作,試畫出單道程序運行和多道程序運行的時間關(guān)系圖,并計算完成這3道程序所須花費的時間。

    表1-1 時間表

    26.一個多道批處理系統(tǒng)中僅有P1和P2兩個作業(yè),P2比P1晚5ms到達,它們的計算和I/O操作順序如下。

    P1:計算 60ms, I/O操作 80ms, 計算 20ms。

    P2: 計算 120ms, I/O操作 40ms,計算 40ms。

    不考慮調(diào)度和切換時間,請就算完成兩個作業(yè)需要的最少時間。

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    三、綜合應(yīng)用題

    27.OS的概念、特征和功能是什么?

    操作系統(tǒng)是指控制和管理整個計算機系統(tǒng)的硬件和軟件資源,并合理地組織調(diào)度計算機的工作和資源的分配,以提供給用戶和其他軟件方便的接口和環(huán)境,它是計算機系統(tǒng)中最基本的系統(tǒng)軟件;

    操作系統(tǒng)的特征(并發(fā)、共享、虛擬、異步);

    操作系統(tǒng)的功能:

    1)作為用戶與計算機硬件系統(tǒng)之間的接口;

    2)作為計算機系統(tǒng)資源的管理者;

    3)實現(xiàn)對計算機資源的抽象。

    28.圖難畫,詳見書本啊(圖1-14 略)

    (1)敘述該計算問題中處理機、輸入機和打印機是如何協(xié)同工作的。

    輸入機讀取數(shù)據(jù)后,處理機對該數(shù)據(jù)進行計算處理,經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)最后在打印機上輸出,如此反復(fù)。

    (2)計算在圖1-14所示的執(zhí)行情況下處理機的利用率。

    40/320=1/8=0.125=12.5%

    (3)簡述處理機利用率不高的原因。

    處理機、輸入機和打印機之間未并行工作,系統(tǒng)中的資源得不到充分利用。

    (4)請畫出能提高處理機利用率的執(zhí)行方案。(如圖)

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