第1章 操作系统概述习题

1.3典型例题分析

1.叙述操作系统在计算机系统中的位置。

答:操作系统是运行在计算机硬件系统上的最基本的系统软件。它控制和管理着所有的系统硬件〈CPU、主存、各种硬件部件和外部设备等〉,也控制和管理着所有的系统软件(系统程序和用户进程等〉,操作系统对计算机使用者提供了一种良好的操作环境,也为其他各种应用系统提供了最基本的支撑环境。

现代操作系统是一个复杂的软件系统,它与计算机硬件系统有千丝万缕的联系,也与用户有着密不可分的关系,它在计算机系统中位于计算机裸机和计算机用户之间。如图1.1所示,紧挨着硬件的就是操作系统,它通过系统核心程序对计算机系统中的几类资源进行管理,如处理机、存储器、输入/输出设备、数据与文档资源、用户作业等,并向用户提供若干服务,通过这些服务将所有对硬件的复杂操作隐藏起来,为用户提供一个透明的操作环境。

在操作系统的外层是其他系统软件。操作系统是最基本的系统软件。用户可以直接通过系统软件层与计算机打交道,也可以建立各类应用软件和应用系统,通过它们来解决用户的问题。

由此可见,操作系统是介于计算机硬件和用户之间的一个接口。

2.推动批处理系统和分时系统形成和发展的主要动力是什么?

答:(1)推动批处理系统形成和发展的主要动力是"不断提高系统资源利用率"和"提高系统吞吐量"。主要表现在:脱机输入/输出技术的应用和作业的自动过渡大大地提高了I/0的速度及I/O设备与CPU并行工作的程度,减少了CPU的空闲时间;多道程序设计技术的应用更进一步提高了CPU、内存和I/O设备的利用率和系统的吞吐量。

(2)推动分时系统形成和发展的主要动力是"为了更好地满足用户的需要"。主要表现在:CPU的分时使用缩短了作业的平均周转时间;人机交互能力的提供使用户能方便地直接控制自己的作业;主机的共享使多个用户(包括远程用户)能同时使用同一台计算机独立地、互不干扰地处理自己的作业。

3.怎样理解"由于计算机上装有操作系统,从而扩展了原计算机的功能"。

答:计算机系统的硬件结构和机器一级的操作包含了诸如指令集、存储器组织、总线结构和输入/输出部件等的操作与控制,这些最基本的操作恰恰又是最复杂和最难以由用户直接进行的操作。例如z用户要进行文件读写,而文件是以二进制代码的方式存放在磁盘、磁带等存储装置中,需要有一种途径把用户的要求转换成对具体的硬件部件、电路信号、选择开关等的细微操作,用户自己不可能完成这些操作,但操作系统把用户的高级操作转换成一系列的低级操作,最终完成文件的读写。所有的低级操作对用户来讲都是透明的,即无需用户关心的、看不见的,操作系统把硬件全部隐藏起来,给用户提供了一个友好的、易于操作的界面。此外,操作系统还要进行大量的系统事务处理。如响应中断的发生、处理定时操作、管理存储器及其他低级操作。所以,可以说操作系统是硬件系统的扩展,从而扩展了原计算机的功能,它比直接对计算机硬件系统进行操作要容易得多。

4.试从交互性、及时性以及可靠性三个方面:比较分时系统与实时系统。

答:(1)从交互性方面来考虑：交互性问题是分时系统的一个关键问题,在分时系统中,用户可以通过终端与系统进行广泛的人机交互,如文件编辑、数据处理和资源共享。实时系统也具有交互性,但在实时系统中仅限于访问系统中某些特定的专用服务程序,也就是说它的交互性具有很大的局限性。

(2)从及时性方面来考虑：分时系统的及时性是指用户能在很短的时间内获得系统的响应,此时间间隔是由人们能接受的等待时间决定的,一般为2—3s。对实时系统来说,及时性是它的关键问题之一,实时信息系统的及时性要求与分时系统相似,而实时控制系统的及时性要

求则是由被控制对象所要求的开始截止时间和完成截止时间决定的, 一般要求秒级、毫秒级甚至微秒级的响应时间。

(3)从可靠性方面来看：可靠性是实时系统的另一个关键问题,实时系统中的任何差错都可能带来巨大的经济损失,甚至无法预料的灾难性后果,所以实时系统往往采取多级容错措施来保证系统的高度可靠。分时系统虽然也要求可靠,但比实时系统的要求要低。

其他进程的制约,不再"一气呵成",这必然导致不确定性特征的产生。

5.试比较分层式结构与模块式结构的异同。

答:分层式结构与模块式结构一样具有模块化的特征。分层式结构也要将复杂的操作系统按其功能分成若干个比较简单、相对独立的模块。为了使模块之间能够交互,它也必须规定模块之间的接口。因此,分层式结构具有模块式结构的优点。

分层式结构与模块式结构的主要区别在于,分层式结构中各模块之间是有序的。分层式结构将各个功能模块按它们的功能流图的调用次序安排成若干层,各层之间的模块不能像模块式结构那样通过接口毫无规则地相互依赖、互相调用,而只能是单向依赖或单向调用,即每层中的模块只能使用较低层模块提供的功能和服务。因此,分层式结构中,模块之间的组(织结构和依赖关系更加清晰,这不仅增加了系统的可读性和可适应性,同时还可使每一层建i立在可靠的基础上,从而提高系统的可靠性。

6.微内核结构具有哪些优点?

答:微内核结构的优点如下:

(1)提高了系统的灵活性和可扩充性。在微内核结构中,操作系统的大部分功能都是由相对独立的服务器来实现的,用户可以根据需要选配其中的部分或全部服务器:还可以随着计算机硬件和操作系统技术的发展,相应地更新若干服务器或增加一些新的服务器。

(2)提高了操作系统的可靠性。由于所有的服务器都是运行在用户态,它们不能直接访问硬件,因此,当某个服务器出现错误时,通常只会影响到它自己,但不会引起内核和其他服务器的损坏和崩溃。

(3)适用于分布式系统。对用户进程(即客户)而言,如果他通过消息传递与服务器通信,那么他只需发送一个请求,然后等待服务器发来的响应,而根本无需知道这条消息是在本地机就地处理还是通过网络送给远地机上的服务器。

1.4自测题

1.4.1 基本题

一．判断题(你认为正确的在题后括号内划“√”，反之划“×”)

1.可以将操作系统看作是一个资源分配器,用来控制I/O设备和用户的程序。 ( )

2.操作系统是一种时间驱动程序。 ( )

3.设备独立性就是指系统具有使用不同设备的能力。 ( )

4.多机系统就是由两个或多个计算机相连而成的系统。 ( )

5.主/辅计算机系统是指主机控制辅机的各种动作的系统。 ( )

6.多道程序的引入主要是为了提高CPU的利用率。（）8.Windows NT是一个多用户、多任务操作系统。 ( )

二．单项选择题，在每小题的四个备选答案中选出一个正确答案，并将其代码写在题干后面的括号内。不选、错选或多选者该题无分。

1.操作系统是一种_______。

A.通用软件

B.系统软件 c.应用软件 D.软件包

2.实时操作系统必须在________内处理完来自外部的事件。

A.响应时间

B.周转时间

C.被控对象规定时间

D.调度时间

3.操作系统的_______管理部分负责对进程进行调度。

A.主存储器

B.控制器 c.运算器 D.处理机

4.一个计算机系统,采用多道程序设计技术后,使多道程序实现了______。

A.微观上并行

B.宏观上并行

C.微观上和宏观上并行

D.微观上和宏观上串行

5.一个计算机系统可以认为由以下四个层次构成,而我们所说的裸机是指_____。

A.硬件层

B.操作系统层

C.语言处理程序层

D.应用程序层

6.操作系统是对____________进行管理的软件。

A.软件

B.硬件 c.计算机资源 D.应用程序

7.若把操作系统看作计算机系统资源的管理者,下列的_____不属于操作系统所管理的资源。

A.程序

B.内存

C.CPU

D.中断

8.从用户的观点看,操作系统是____________。

A.用户与计算机之间的接口

B.控制和管理计算机资源的软件

C.合理地组织计算机工作流程的软件

D.由若干层次的程序按一定的结构组成的有机体

9.设计实时操作系统时,首先应考虑系统的____________.

A.可靠性和灵活性

B.实时性和可靠性

C.灵活性和可靠性

D.优良性和分配性

10.操作系统中采用多道程序设计技术提高CPU和外部设备的__________。

A.利用率

B.可靠性

C.稳定性

D.兼容性

11.操作系统是现代计算机系统不可缺少的组成部分,是为了提高计算机的________和方便用户使用计算机而配备的一种系统软件。

A.速度

B.利用率

C.灵活性

D.兼容性

12.所谓_______是指将一个以上的作业放入主存,并且同时处于运行状态,这些作业共享处理机的时间和外围设备等其他资源。

A.多重处理

B.多道程序设计

C.实时处理

D.共行执行

13._________操作系统允许在一台主机上同时连接多台终端,多个用户可以通过各自的终端同时交互地使用计算机。

A.网络

B.分布式

C.分时

D.实时

14.如果分时操作系统的时间片一定,那么_____________,则响应时间越长。

A.用户数越少

B.用户数越多

C.内存越少

D.内存越多

15．在________操作系统控制下,计算机系统能及时处理由过程控制反馈的数据并作出响应。

A.实时

B.分时

C.分布式

D.单用户

16.在下列操作系统的各个功能组成部分中,_______不需要硬件的支持。

A.进程调度

B.时钟管理

C.地址映射

D.中断系统

17.分布式计算机系统与通常的网络系统的主要区别在于它的______。

A.并行性

B.资源共享性

C.透明性

D.复杂性

18.在设计分时操作系统时,首先要考虑的是__________。

A．灵活性和可适应性 B.交互性和响应时间

C.周转时间和系统吞吐

D.实时性和可靠性。

19.在分时系统中,当用户数目为100时,为保证响应时间不超过2秒,此时的时间片最大应为_____________。

A.10ms

B.2Oms

C.50ms

D.100ms

20.分时系统和实时系统都具有交互性,实时系统的交互性允许用户访问___________。

A.文字编精程序

B.专用服务程序

C.专用硬件

D.数据处理程序

三．填空题

1.人们早期在计算机上运行一个程序,必须经过_____、______、______和_______四个步骤.

2.操作系统的基本功能包括_______、_______、_______、_____。除此之外还为用户使用操作系统提供了用户接口。

3.批处理系统的主要优点是_______和_________;其主要缺点是_____和______。

4.在操作系统中采用多道程序设计技术,能有效地提高CPU、内存和I /0设备的_______。为实现多道程序设计需要有___________。

5.多道程序环境下的各道程序,宏观上,它们是在________运行,微观上则是在______执行。6．单道批处理系统是在解决_____________和________的矛盾中发展起来的。

7.在分时和批处理系统结合的操作系统中引入了"前台"和"后台"作业的概念,其目的是____________。

8.推动批处理系统形成和发展的主要动力是________，推动分时系统形成和发展的动力是_____，推动微机操作系统发展的主要动力是___________。

9.实时操作系统与分时操作系统的主要区别是_______。

10.分时系统的响应时间(及时性)主要是根据_______确定的,而实时系统的响应时间则是由____________确定的。

11.采用多道程序设计技术能充分发挥_________与_________并行工作的能力。

12.并发和____________是操作系统的两个最基本的特征,两者之间互为存在条件。

13.为实现多道程序设计,计算机系统在硬件方面必须提供两种支持,它们是_______和______。

14.分时系统中的______是衡量一个分时系统性能的一项重要指标。

15.现代操作系统从内部结构来分析通常包括_____和_______两部分。

四．简答题

1.操作系统的主要目标是什么?

2.操作系统有哪些基本功能?

3.试说明现代操作系统的基本特征是什么?

4.多道程序设计实现的硬件基础是什么?

5.实现多道程序设计要解决哪些问题?

6.在操作系统中引入多道程序设计技术,带来了哪些好处?

7.分时操作系统形成和发展的主要动力是什么?

8.在设计实时系统时要考虑哪些问题?

9.分布式计算机系统的主要特点是什么?

10.网络操作系统的主要功能有哪些?网络操作系统的主要特点是什么?

11.多道程序(multiprogramming)和多重处理(multiprocessing)有何区别?

12.在操作系统中实现虚拟所采用的关键技术是什么?并加以说明。

1.4.2 解析题

一．论述题

1. 实现分时系统的关键问题是什么？应如何解决？

2.讨论操作系统可以从哪些角度出发,如何把它们统一起来?

3.设计计算机操作系统与哪些硬件器件有关?

4.试对分时操作系统和实时操作系统进行比较。

5.操作系统具有哪些特征?它们之间有何关系?

1.4.3 自测题答案

一．基本题

（一）判断题：

1.√

2. √

3.×

4. √

5. √

6.×

7. √

8.×

（二）选择题

1.B

2.C

3.D

4.B

5.A

6.C

7.D

8.A

9.B 10.A

11.B 12.B 13.C 14.B 15.A 16.A 17. 18. 19. 20.

(三)填空

1.预约机器时间、将程序手工装入内存、指定开始地址启动程序运行和从控制台上监控程序的执行

2.处理机管理、存储器管理、设备管理、信息(或文件)管理

3.资源利用率高、系统吞吐量大周转时间长、无交互作用

4. 利用率更大的内存

5.并行串行

6．人机矛盾； CPU与I/O设备速度不匹配的矛盾

7. 为了提高CPU的利用率

8. 提高系统资源利用率方便用户计算机硬件的不断更新换代

9. 及时性和高可靠性

10. 用户所能接受的等待控制对象所能接受的时延

11. CPU 外设

12. 共享

13.中断通道

14.相应时间

15.内核核外

（四）简答题

1.答：解:操作系统的主要目标是:

(1)为计算机用户提供一个良好的环境,使其能以方便、有效的方式在计算机硬件上执行程序。

(2)根据解决某给定问题的需要来分配计算机的各种资源.而且,这种分配应尽可能公平、有效。

(3)作为控制程序,它有如下两种主要功能：监控用户程序的执行以避免各种错误和对计算

机系统的不合理使用；对I/O设备的操作和控制的管理。

(4)合理地组织计算机系统的工作流程,以改善系统的性能。

2.答:操作系统的职能是管理和控制计算机系统中的所有硬、软件资源,合理地组织计算机工作流程,并为用户提供一个良好的工作环境和友好的接口。操作系统的基本功能包括:处理机管理、存储管理、设备管理、信息管理(文件系统管理)和用户接口等。

3.答：现代操作系统具有以下基本特征:

(1)并发性并发指的是在操作系统中存在着许多同时的或并行的活动。

(2)共事性系统中存在的各种并发活动要求共享系统中的硬件、软件资源。

(3)虚拟性虚拟是指将一个物理实体映射为若干逻辑实体,例如虚拟处理机,虚拟存储器等。

(4)不确定性在多道程序设计环境下,各程序按异步方式运行,每道程序在何时执行、各自执行的顺序以及每道程序所需的时间、电程序执行的结果都是不确定的。

4.答：多道程序设计的硬件基础是中断系统和通道技术,它们为多道程序设计的实现提供了有力的支持。

在多道程序设计的环境下,当CPU要求在主存和外设间传输数据时,通过发I/O指令命令通道工作,完成相应的数据传输,这样使得CPU从繁琐的I/O操作中解放出来,当I/O操作完成后,通道以中断方式请求CPU的处理,从而实现了CPU的计算与I/O操作的并行。

5.答：为了实现多道程序设计,必须解决以下三个问题:

(1)存储保护和地址重定位。

(2)处理机的管理和调度。

(3)资源的管理和调度。

6. 答：在OS中引入多道程序设计技术,可带来如下好处：

(1)提高CPU的利用率当内存中仅存放一道程序时,每逢该程序运行中发出I/0请求后,CPU 空闲,必须在其I/0完成后才继续运行；尤其是I/0设备的低速性,更使CPU的利用率显著降低。在引入多道程序设计技术后,由于可同时把若干道程序装入内存,并可使它们交替地执行,这样,当正在运行的程序因I/0而暂停执行时,系统可调度另一道程序运行,从而可保持CPU 处于忙碌状态

(3)可提高内存和I/0设备利用手为了能运行较大作业,通常内存都具有较大容量,但由于80%以上的作业都属于中小型,因此在单道程序环境下也必定造成内存的浪费。类似地,系统中所配置的多种类型的I/0设备,在单道程序环境下,也不能充分利用。如果允许在内存中装入多道程序,并允许它们并发执行,则无疑会大大提高内存利用率和I/0设备的利用率。

(3)增加系统吞吐量在保持CPU、I/0设备不断忙碌的同时,也必然会大幅度地提高

系统的吞吐量,从而降低作业加工所需费用。

7. 答:如果说批处理系统形成和发展的主要推动力是"不断提高系统资源利用率"和"提高系统吞吐量",那么,分时系纺形成和发展的主要动力则是"为了更好地满足用户需要",主要表现在:

(1)缩短了作业的周转时间z在批处理系统中,用户把作业提交给系统后,往往要经过几个小时甚至几天的延迟,才能得到所需的结果,这样长的周转时间,对那些只需运行几分钟的小型作业的用户来说,显然是不愿接受的。用户总是希望作业周转时间尽可能地短。

(2)提供人机交互能力z在批处理系统中,用户一旦把作业提交给系统,自己便失去了对作业控制的能力,必须先写好作业说明书,然后连同作业一起交给系统,由系统根据说明书中的控制信息说明,对作业进行控制。为此,系统要求用户能事先充分估计到其作业在运行过程中可能出现的各种情况。实际上,这是难以做到的,因此,用户强烈地需要系统能够做到2边运行

作业,边告知运行中出现的问题,用户便可随时针对所出现的问题,采取适当的解决办法,亦即,用户希望系统提供人机交互能力,这一点,对用户调试一个新程序,或修改老程序来说,尤为重要。

(3)多个用户共享一台计算机:在60年代,计算机的价格还十分昂贵,不可能为每一个上机用户配置一台计算机,只能使多个用户通过各自的终端,同时使用一台计算机来处理各自的作业,而不相互干扰。

8.答：设计实时系统时要考虑以下问题:

(1)实时时钟管理。

(2)连续人—机对话。

(3)过载的保护。

(4)高可靠性的保证。

9.答：分布式计算机系统具有以下主要特点:

(1)分布式系统中任意两台计算机之间可以利用通信交换信息。

(2)分布式系统各计算机具有相对的自主性或自治性。

(3)分布式系统具有透明性。各计算机上的资源可以共享,而且用户不必考虑资源所在的位置。

(4)分布式系统具有整体性或协同性。各计算机可以共同完成一个任务,每台计算机只完成整个任务的一部分。

(5)分布式系统具有坚定性。任何一台计算机出现故障不会使系统瘫痪,可以"降级"使用。

10.答：网络操作系统作为一个操作系统应具有传统(单机)操作系统的功能:处理机管理、存储管理、文件管理和设备管理等。除此之外,网络操作系统还应提供以下功能:

(1)实现网络中各节点机之间的通信。

(2)实现网络中的资源共享。

(3)提供多种网络服务。

(4)提供网络用户的应用程序接口。

网络操作系统具有以下特点:

(1)复杂性。

(2)并行性。

(3)节点之间的通信与同步。

(4)安全性。

11.答:多道程序(multiprogramming)是作业之间自动调度执行、共享系统资源,并不是真正地同时执行多个作业;而多重处理(multiprocessing)系统配置多个CPU,能真正同时执行多道程序。要有效使用多重处理,必须采用多道程序设计技术,而多道程序设计原则上不一定要求多重处理系统的支持。

12. 答：在操作系统中实现虚拟功能所采用的关键技术,是"分时技术"。例如,将一台物理处理机虚拟为多台逻辑上的处理机,是靠多道程序分时地使用同一台物理处理机来实现的；微观上,该处理机在每一时刻只运行一道程序,它们分时地运行；然而宏观上,系统中确有几道程序在同时运行,从而给用户形成的感觉是,系统中同时有多台处理机在为其中的每一道程序服务,显然,用户所感觉到的处理机并不实际存在,故称为虚拟处理机。

二．解析题

（一）．论述题

1.答：实现分时系统的关键问题是使用户能与自己的作业交互作用，即用户在自己的终端上键入一命令以请求系统服务后,系统能及时地接收并处理该命令,并在用户能够接受的时延内将结果返回给用户。

及时地接收命令和返回输出结果是比较容易做到的,一般只要在系统中配置一多路卡,并为每个终端配置一个缓冲区用来暂存用户键入的命令和输出的结果便可以了。因此,要着重解决的问题是确保在较短的时间内,系统中所有的用户程序都能执行一次,从而使用户键入的命令能够得到及时处理。为此,系统不应让一个作业长期占用CPU直至它运行结束,而应设置一个较短的时间片,并规定每个程序只能运行一个时间片,然后,不管它是否运行完毕,都必须将CPU让给下一个作业,从而使所有的作业都得到及时的处理,使用户的请求得到及时的响应。

2. 答:讨论操作系统可以从以下角度出发:(l)操作系统是计算机资源的管理者;〈2)操作系统为用户提供使用计算机的界面；（3)用进程管理观点研究操作系统,即围绕进程运行过程来讨论操作系统。

上述这些观点彼此并不矛盾,只不过代表了同一事物(操作系统)站在不同的角度来看待。每一种观点都有助于理解、分析和设计操作系统。

3.计算机操作系统的重要功能之一是对硬件资源的管理。因此设计计算机操作系统时应考虑下述计算机硬件资源:

(1)CPU与指令的长度及执行方式;

(2)内存、缓存和高速缓存等存储装置;

(3)各类寄存器,包括各种通用寄存器、控制寄存器和状态寄存器等;

(4)中断机构;

(5)外部设备与I/O控制装置;

(6)内部总线与外部总线;

(7)对硬件进行操作的指令集。

4. 答:我们可以从以下几个方面对这两种操作系统进行比较:

（1）实时信息处理系统与分时操作系统一样都能为多个用户服务。系统按分时原则为多个终端用户服务:而对实时控制系统,则表现为经常对多路现场信息进行采集以及对多个对象或多个执行机构进行控制。

（2）实时信息处理系统与分时操作系统一样,每个用户各占一个终端,彼此独立操作,互不干扰。因此用户感觉就像他一人独占计算机:而在实时控制系统中信息的采集和对对象的控制也都是彼此互不干扰的。

（3）实时信息系统对响应时间的要求与分时操作系统类似,都是以人所能接受的等待时间来确定的:而实时控制系统的响应时间则是以控制对象所能接受的延时来确定的。

（4）分时操作系统是一种通用系统,主要用于运行终端用户程序,因此它具有较强的交互能力。而实时操作系统虽然也有交互能力,但其交互能力不及前者。

（5）分时操作系统要求系统可靠,相比之下,实时操作系统则要求系统高度可靠。

5.答:操作系统的特征有并发、资源共享、虚拟和不确定性。它们的关系如下:

(1)并发和共享是操作系统最基本的特征。为了提高计算机资源的利用率,操作系统必然要采用多道程序设计技术,使多个程序共享系统的资源,并发地执行。

(2)并发和共享互为存在的条件。一方面,资源的共享以程序(进程)的并发执行为条件,若系统不允许程序并发执行,自然不存在资源共享问题:另一方面,若系统不能对资源共享实施有效管理,协调好诸进程对共享资源的访问,也必将影响到程序的并发执行，甚至根本无法并发执行。

(3)虚拟以并发和资源共享为前提。为了使并发进程能更方便、更有效地共享资源,操作系统常采用多种虚拟技术来在逻辑上增加CPU和设备的数量以及存储器的容量,从而解决众多并发进程对有限的系统资源的争用问题。

(4)不确定性是并发和共享的必然结果。操作系统允许多个并发进程共享资源;相互合作,

使得每个进程的运行过程受到其他进程的制约,不再"一气呵成",这必然导致不确定性特征的产生。