大学计算机操作系统第1章 计算机系统概述
第1章 操作系统概述
分时式共享使用。 分时式共享使用。 也就是说用户（进程）占用该资源无需使用一个 也就是说用户（进程） 逻辑上的完整周期。 逻辑上的完整周期。 例如说对处理机的使用， 例如说对处理机的使用，用户程序随时都可以被 剥夺使用CPU，只要运行现场保存好了， 剥夺使用CPU，只要运行现场保存好了，下次该 用户程序再次占用CPU时就可以继续运行 时就可以继续运行。 用户程序再次占用CPU时就可以继续运行。 再例如对磁盘的I 当一个用户（进程） 再例如对磁盘的I／0，当一个用户（进程）让磁 盘执行了一条I 请求后，其他用户（进程） 盘执行了一条I／0请求后，其他用户（进程）又 可向磁盘发出I 请求， 可向磁盘发出I／0请求，系统并不要求某个用户 进程）的几个I （进程）的几个I／0请求之间不能插入其他用户 进程） 请求。 （进程）的I／0请求。
3. 文件管理(file management) 文件管理(file
创建或删除文件 创建或删除目录 提供操作文件和目录的原语 将文件映射到辅存上 在稳定的存储媒介上备份文件
4. 作业管理(job management) 作业管理(job
作业管理的任务就是为用户提供一个使用系 统的良好环境，使用户能有效地组织自己的 工作流程，并使整个系统能高效地运行。
操作系统原理
第1章 操作系统概述
目录
1．1 计算机系统概述 1．2 操作系统的概念 1．3 操作系统的功能 1. 4 操作系统的用户接口 1．5 操作系统的发展历史 1．6 操作系统分类 1．7 研究操作系统的几种观点
1．1 计算机系统概述
1.1.1 计算机的发展与分类 计算机的发展历程 第一代，电子管计算机（1946年~1957年 第一代，电子管计算机（1946年~1957年） 第二代，晶体管计算机（1958年~1964年 第二代，晶体管计算机（1958年~1964年） 第三代，集成电路计算机（1965年~1970年 第三代，集成电路计算机（1965年~1970年） 第四代，大规模集成电路计算机（1971年至今 年至今） 第四代，大规模集成电路计算机（1971年至今） 未来的计算机 光子计算机 生物计算机 量子计算机
《计算机操作系统教程》第三版答案
第一章操作系统概述课后习题1. 硬件将处理机划分为两种状态，即管态和目态，这样做给操作系统设计带来什么好处 ? 答：便于设计安全可靠的操作系统。
管态和目态是计算机硬件为保护操作系统免受用户程序的干扰和破坏而引入的两种状态。
通常操作系统在管态下运行，可以执行所有机器指令；而用户程序在目态下运行，只能执行非特权指令。
如果用户程序企图在目态下执行特权指令，将会引起保护性中断，由操作系统终止该程序的执行，从而保护了操作系统。
2. 何为特权指令?举例说明之。
如果允许用户执行特权指令，会带来什么后果？答：只能在态下才能执行的指令称为特权指令。
如开关中断、置程序状态寄存器等。
如果允许用户执行特权指令，它将不仅影响当前运行的程序，而且还有可能影响操作系统的正常运行，甚至整个系统。
3. 中断向量在机器中的存储位置是由硬件确定的，还是由软件确定的 ? 答：中断向量在机器中的位置是由硬件确定的。
例如，在 INTEL 80x86 CPU 中，内存空间0x00000——0x003ff为中断向量空间。
4. 中断向量的内容是由操作系统程序确定的还是由用户程序确定的？答：中断向量的内容是由操作系统程序确定的。
向量的内容包括中断处理程序的入口地址和程序状态字（中断处理程序运行环境），中断处理程序是由操作系统装入内存的，操作系统将根据装入的实际地址和该中断处理程序的运行环境来填写中断向量。
5. 中断向量内的处理机状态位应当标明是管态还是目态 ? 为什么? 答：应当标明是管态。
该状态由系统初试化程序设置，这样才能保证中断发生后进入操作系统规定的中断处理程序。
6. 中断和程序并发之间的关系是什么？答：中断是程序并发的必要条件。
如果没有中断，操作系统不能获得系统控制权，无法按调度算法对处机进行重新分配，一个程序将一直运行到结束而不会被打断。
7. 说明“栈”和“堆”的差别．答：栈是一块按后进先出（FIFO）规则访问的存储区域，用来实现中断嵌套和子程序调用的参数和返回断点。
操作系统第一章
操作系统第一章操作系统是计算机系统中的一个重要组成部分，它负责管理计算机系统的硬件和软件资源，为用户提供良好的使用环境。
本章将介绍操作系统的定义、发展历程、功能以及不同类型的操作系统。
一、操作系统的定义和发展历程操作系统是一种系统软件，它管理计算机系统的硬件和软件资源，为用户和应用程序提供各种功能和服务。
早期的计算机并没有操作系统，用户需要直接与计算机硬件打交道，操作繁琐且容易出错。
随着计算机技术的发展，操作系统逐渐出现并不断演化，为计算机系统的使用和管理带来了很大的便利。
二、操作系统的功能1. 资源管理：操作系统负责对计算机系统的硬件资源进行管理和分配，包括处理器、内存、磁盘、网络等资源的调度和分配，以提高系统的性能和效率。
2. 进程管理：操作系统负责管理和控制计算机系统中的进程，包括进程的创建、调度、同步和通信等操作，确保多个进程能够协调运行。
3. 内存管理：操作系统负责管理计算机系统中的内存资源，包括内存的分配、回收、物理地址映射等操作，以满足不同应用程序对内存的需求。
4. 文件管理：操作系统负责管理计算机系统中的文件系统，包括文件的创建、读写、保护和组织等操作，为用户和应用程序提供方便的文件访问接口。
5. 设备管理：操作系统负责管理计算机系统中的各类设备，包括输入输出设备、通信设备等，为用户和应用程序提供设备访问的接口和控制。
6. 用户接口：操作系统为用户提供友好的使用界面，包括命令行界面和图形用户界面等，使用户能够方便地操作计算机系统。
三、不同类型的操作系统1. 批处理操作系统：早期的计算机操作系统主要以批处理为主，用户通过提交批处理作业，由操作系统依次执行。
典型的批处理操作系统有IBM的OS/360和Unix的早期版本。
2. 分时操作系统：分时操作系统允许多个终端同时连接到计算机系统，每个用户可以独立地与计算机交互，并共享计算机的资源。
Unix是最早的分时操作系统之一。
3. 实时操作系统：实时操作系统对任务的执行时间有严格要求，主要用于控制和监控系统，例如工业自动化、航空航天等领域。
《计算机操作系统》第1章 操作系统概述
《计算机操作系统》第1章操作系统概述在当今数字化的时代，计算机已经成为我们生活和工作中不可或缺的一部分。
而在计算机的运行中，操作系统扮演着至关重要的角色，就如同一位默默付出的幕后英雄，掌控着计算机的各项资源，为用户和应用程序提供了一个稳定、高效的运行环境。
那么，究竟什么是计算机操作系统呢？简单来说，操作系统是管理计算机硬件与软件资源的程序，同时也是计算机系统的内核与基石。
它负责控制和协调计算机的各种活动，使得计算机能够正常、高效地运行。
操作系统的主要功能可以概括为以下几个方面。
首先是进程管理。
进程就像是计算机中的一个个“任务”，操作系统需要合理地分配 CPU时间，让各个进程能够有序地执行，避免出现混乱和冲突。
通过进程调度算法，操作系统决定哪个进程先运行，哪个进程等待，从而确保计算机的资源得到充分利用。
其次是内存管理。
内存是计算机存储数据和程序的重要场所，操作系统要负责合理地分配内存空间，确保各个程序都能得到足够的内存来运行，同时还要防止内存泄漏和非法访问等问题。
它会采用分页、分段等技术，有效地管理内存，提高内存的使用效率。
然后是文件管理。
我们在计算机中存储的各种文档、图片、视频等都以文件的形式存在。
操作系统负责组织和管理这些文件，包括创建、删除、读取、写入等操作。
它为用户提供了一个方便、直观的文件系统，使得用户能够轻松地找到和操作自己需要的文件。
设备管理也是操作系统的重要职责之一。
计算机中的各种硬件设备，如键盘、鼠标、显示器、打印机等，都需要操作系统来进行管理和控制。
操作系统要为设备驱动程序提供接口，使得设备能够正常工作，并且要处理设备之间的资源竞争和协调问题。
除此之外，操作系统还提供了用户接口。
这包括命令行接口和图形用户接口。
命令行接口适合专业人员进行高效的操作，而图形用户接口则更加直观、易用，适合普通用户进行日常的操作。
操作系统的种类繁多，常见的有 Windows、Mac OS、Linux 等。
《操作系统精髓与设计原理·第六版》中文版答案总结
复习题答案第1章计算机系统概述1.1 列出并简要地定义计算机的四个主要组成部分。
主存储器，存储数据和程序；算术逻辑单元，能处理二进制数据；控制单元，解读存储器中的指令并且使他们得到执行；输入/输出设备，由控制单元管理。
1.2 定义处理器寄存器的两种主要类别。
用户可见寄存器：优先使用这些寄存器，可以使机器语言或者汇编语言的程序员减少对主存储器的访问次数。
对高级语言而言，由优化编译器负责决定把哪些变量应该分配给主存储器。
一些高级语言，如C语言，允许程序言建议编译器把哪些变量保存在寄存器中。
控制和状态寄存器：用以控制处理器的操作，且主要被具有特权的操作系统例程使用，以控制程序的执行。
1.3 一般而言，一条机器指令能指定的四种不同操作是什么？处理器－寄存器：数据可以从处理器传送到存储器，或者从存储器传送到处理器。
处理器－I/O：通过处理器和I/O模块间的数据传送，数据可以输出到外部设备，或者从外部设备输入数据。
数据处理：处理器可以执行很多关于数据的算术操作或逻辑操作。
控制：某些指令可以改变执行顺序。
1.4 什么是中断？中断：其他模块（I/O，存储器）中断处理器正常处理过程的机制。
1.5 多中断的处理方式是什么？处理多中断有两种方法。
第一种方法是当正在处理一个中断时，禁止再发生中断。
第二种方法是定义中断优先级，允许高优先级的中断打断低优先级的中断处理器的运行。
1.6 内存层次的各个元素间的特征是什么？存储器的三个重要特性是：价格，容量和访问时间。
1.7 什么是高速缓冲存储器？高速缓冲存储器是比主存小而快的存储器，用以协调主存跟处理器，作为最近储存地址的缓冲区。
1.8 列出并简要地定义I/O操作的三种技术。
可编程I/O：当处理器正在执行程序并遇到与I/O相关的指令时，它给相应的I/O模块发布命令（用以执行这个指令）；在进一步的动作之前，处理器处于繁忙的等待中，直到该操作已经完成。
中断驱动I/O：当处理器正在执行程序并遇到与I/O相关的指令时，它给相应的I/O模块发布命令，并继续执行后续指令，直到后者完成，它将被I/O模块中断。
《操作系统精髓与设计原理·第六版》中文版答案
复习题答案第1章计算机系统概述1、1 列出并简要地定义计算机得四个主要组成部分。
主存储器,存储数据与程序;算术逻辑单元,能处理二进制数据;控制单元,解读存储器中得指令并且使她们得到执行;输入/输出设备,由控制单元管理。
1、2 定义处理器寄存器得两种主要类别。
用户可见寄存器:优先使用这些寄存器,可以使机器语言或者汇编语言得程序员减少对主存储器得访问次数。
对高级语言而言,由优化编译器负责决定把哪些变量应该分配给主存储器。
一些高级语言,如C语言,允许程序言建议编译器把哪些变量保存在寄存器中。
控制与状态寄存器:用以控制处理器得操作,且主要被具有特权得操作系统例程使用,以控制程序得执行。
1、3 一般而言,一条机器指令能指定得四种不同操作就是什么？处理器－寄存器:数据可以从处理器传送到存储器,或者从存储器传送到处理器。
处理器－I/O:通过处理器与I/O模块间得数据传送,数据可以输出到外部设备,或者从外部设备输入数据。
数据处理:处理器可以执行很多关于数据得算术操作或逻辑操作。
控制:某些指令可以改变执行顺序。
1、4 什么就是中断？中断:其她模块(I/O,存储器)中断处理器正常处理过程得机制。
1、5 多中断得处理方式就是什么？处理多中断有两种方法。
第一种方法就是当正在处理一个中断时,禁止再发生中断。
第二种方法就是定义中断优先级,允许高优先级得中断打断低优先级得中断处理器得运行。
1、6 内存层次得各个元素间得特征就是什么？存储器得三个重要特性就是:价格,容量与访问时间。
1、7 什么就是高速缓冲存储器？高速缓冲存储器就是比主存小而快得存储器,用以协调主存跟处理器,作为最近储存地址得缓冲区。
1、8 列出并简要地定义I/O操作得三种技术。
可编程I/O:当处理器正在执行程序并遇到与I/O相关得指令时,它给相应得I/O模块发布命令(用以执行这个指令);在进一步得动作之前,处理器处于繁忙得等待中,直到该操作已经完成。
中断驱动I/O:当处理器正在执行程序并遇到与I/O相关得指令时,它给相应得I/O模块发布命令,并继续执行后续指令,直到后者完成,它将被I/O模块中断。
操作系统(西安电子科技大学)
图1-3 计算机系统的层次关系
第1章 操作系统概述
1.3 操作系统的概念
为了深入理解操作系统的定义， 我们应注意以下 几点： （1） 操作系统是系统软件， 而且是裸机之上的第 一层软件。 （2） 操作系统的基本职能是控制和管理系统内的 各种资源， 有效地组织多道程序的运行。
第1章 操作系统概述
作为“管理者”， 操作系统主要负责如下事情： ① 监视各种资源并随时记录它们的状态； ② 实施某种策略以决定谁获得资源， 何时获得， 获得多少； ③ 分配资源供需求者使用； ④ 回收资源， 以便再分配。
第1章 操作系统概述
4. 文件管理功能 文件管理功能应包括： 文件存储空间的管理、 文 件操作的一般管理、 目录管理、 文件的读写管理和存 取控制。 (1) 文件存储空间的管理。 系统文件和用户文件都要放在磁盘上。
第1章 操作系统概述
（2） 文件操作的一般管理。 包括文件的创建、 删除、 打开、 关闭等。 （3） 目录管理。 包括目录文件的组织、 实现用 户对文件的“按名存取”， 以及目录的快速查询和文 件共享等。 （4） 文件的读写管理和存取控制。
第1章 操作系统概述
1.1 计算机发展简史
计算机的发展历史大致可分为以下几个阶段： 第一代： 1946年～1959年， 以美国建造的ENIAC 为代表， 主要电子器件是电子管。 第二代： 1960年～1964年， 主要特征是以晶体管 为主要电子器件， 如IBM 7090系列。 第三代： 1965年～1973年， 以集成电路作为计算 机的主要器件， 如IBM 360机种。
第1章 操作系统概述
2) 地址映射 大家都有这种经历: 我们在编写程序时并不考虑程 序和数据要放在内存的什么位置， 程序中设置变量、 数组和函数等只是为了实现这个程序所要完成的任务。 3) 内存保护 不同用户的程序都放在一个内存中， 必须保证它 们在各自的内存空间中活动， 不能相互干扰， 更不能 侵犯操作系统的空间。
第1章_操作系统概述习题及答案
第一章操作系统概述习题及答案一、填空题1．用户与操作系统的接口有，两种。
【答案】命令接口，系统调用【解析】按用户界面的观点，操作系统是用户与计算机之间的接口。
用户通过操作系统提供的服务来有效地使用计算机。
一般操作系统提供了两类接口为用户服务，一种是程序一级的接口，即通过一组广义指令（或称系统调用）供用户程序和其他系统程序调用；另一种是作业一级的接口，提供一组控制命令供用户去组织和控制自己的作业。
2．用户程序调用操作系统有关功能的途径是。
【答案】利用系统调用命令【解析】系统调用命令是操作系统专门给编程人员提供的调用操作系统有关功能的途径，一般在汇编语言和C语言中都提供了使用系统调用命令的方法。
编程人员可以在这些语言中利用系统调用命令动态请求和释放系统资源。
3．UNIX系统是①操作系统，DOS系统是②操作系统。
【答案】①分时（或多用户、多任务），②单用户（或单用户、单任务）【解析】UNIX系统是一个可供多个用户同时操作的会话式的分时操作系统，DOS系统是为个人计算机设计的一个单用户操作系统。
4．现代计算机中，CPU工作方式有目态和管态两种。
目态是指运行①程序，管态是指运行②程序。
执行编译程序时，CPU处于③。
【答案】①用户，②操作系统，③目态【解析】CPU工作方式分为目态和管态，主要是为了把用户程序和操作系统程序区分开，以利于程序的共享和保护。
5．从资源分配的角度讲，计算机系统中的资源分为、、和。
操作系统相应的组成部分是、、和。
【答案】处理机、存储器、输入／输出设备和文件资源；处理机管理、存储器管理、设备管理和文件系统【解析】计算机系统中的资源分为硬件资源和软件资源。
硬件资源有处理机、内／外存储器及输入／输出设备。
而软件资源指的是程序、数据和相应的文档。
从资源管理的观点，操作系统是计算机资源系统的管理系统，它提供了处理机管理、存储器管理、输入／输出设备管理和信息文件管理的功能。
对每种资源的管理都可从提供资源情况的记录、资源分配策略、资源分配和回收等几个方面来加以讨论。
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• 多处理器的存在对用户是透明的。
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组织结构
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检查中断；
执行指令
初始化中断
允许 处理程序
中断
停止
中断和指令周期
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1.4.2 中断处理
设备发中断信号 CPU向设备发确认中断信号
关中断 保存中断现场
根据中断向量表 设置新运行现场
开中断
执行中断处理程序
关中断 恢复被中断程序的现场
开中断 返回断点，继续执行
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1.4.3 多个中断
• 顺序中断处理
当正在处理一个中断时，禁止中断（对任何新的中断 请求信号不予理睬，处理完这个再处理下个）
是否请求一次读或写； 涉及的I/O设备的地址； 开始读或写的存储器单元； 需要读或写的字数。
• 处理器继续其它工作。DMA模块直接与存储器交 互，传送整个数据块，无须处理器参与；
• 传送完成，DMA模块发一个中断信号给处理器。
➢ 问题：在DMA传送过程中，当处理器需要访问总
线时，因存在竞争，处理器将暂停一个总线周期
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1.6 高速缓存 1.6.1动机
• 指令执行期间，处理器需要多次访问内存； • 处理器和内存的速度不匹配，处理器速度的提高
一直快于内存访问速度的提高——处理器执行指 令的速度受限； • 利用局部性原理，在处理器和内存之间提供一个 容量小而速度快的存储器——高速缓存。
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1.6.2 高速缓存原理
• 高速缓存试图使访问速度接近现有最快的存储器 ，同时保持价格便宜的大存储容量。
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1.6.3 高速缓存设计
• 高速缓存大小 • 块大小 • 映射函数 • 置换算法 • 写策略 • 高速缓存的级数
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1.7 直接内存存取
• I/O操作三种可能的技术
可编程I/O 中断驱动I/O 直接内存存取（DMA）
，处理器的执行速度会变慢。
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1.8 多处理器和多核计算机组织结构
• 并行处理——提高性能
对称多处理器（SMP） 多核计算机 集群
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1.8.1 对称多处理器（SMP）
• SMP是具有以下特点的独立计算机系统：
具有两个或两个以上可比性能的处理器； 所有处理器共享内存和I/O设备，并通过总线或其他内
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访问的局部性原理
• 在执行程序期间，处理器的指令访存和数据访存 呈现“簇”状（一组数据集合），例如：
循环：重复访问一小范围的指令集合； 数组操作：存取一簇数据。
• 经过很长一段时间，程序访问的“簇”会改变， 但在较短时间内，处理器主要访问存储器中固定 的“簇”。
• 如二级存储结构，程序当前访问的“簇”暂时存 放在第一级存储器中，而第二级存储器包含所有 指令和数据。
1.8.2 多核计算机
• 多核（muliticore）计算机是指将两个或多个处 理器（核）组装在同一块芯片上。
• 每个核上通常会包含组成一个独立的处理器的所 有零部件。
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作业
• 复习题 1.4， 1.5， 1.7 • 习题 1.13
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• 当I/O模块准备好与处理器交换数据时，将打断 处理器的执行并请求服务；
• 处理器执行数据传送，然后恢复以前的执行过程 。
➢ 问题：处理器仍需要主动干预在存储器和I/O模 块之间的数据传送，任何数据传送都必须完全通 过处理器。
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直接内存存取（DMA）
• 当处理器要读或写一块数据时，给DMA模块产生 一条命令，发送以下信息：
第1章 计算机系统概述
• 主要内容
1.1 基本构成 1.2 微处理器的发展演化 1.3 指令的执行 1.4 中断 1.5 存储器的层次结构 1.6 高速缓存 1.7 直接内存存取 1.8 多处理器和多核计算机组织结构
1
1.1 基本构成
2
1.2 微处理器的发展演化
• 微处理器
一个芯片上容纳一个处理器内核
缺点：没有考虑相对优先级和时间限制的要求
• 嵌套中断处理
定义中断优先级，允许高优先级的中断打断低优先级 的中断处理程序的运行。
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顺序中断处理
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嵌套中断处理
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1.5 存储器的层次结构
寄存器 高速缓存
内存 磁盘 磁带
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层次结构的特点
• 由上至下：
每“位”的价格递减 容量递增 存取时间递增 处理器访问存储器的频率递减
• 容量较大、价格较便宜的慢速存储器，是容量较 小、价格较贵的快速存储器的后备。
• 存储器层次结构能够成功的关键：低层访问频率 递减。
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例
• 假定有一个二级存储器（内存+高速缓存），内 存存取时间为1us，高速缓存存取时间为0.1us， 且高速缓存的命中率为95%，则访问一个字节的 平均存取时间为： 0.95×0.1＋0.05×(0.1+1)＝0.15（us）
• 多核微处理器
一个芯片上容纳多个处理器内核，共享执行单元
双核、四核 每个核还可以配多个硬件线程——逻辑处理器
• 片上系统
CPU、高速缓存以及系统中的多数硬件都在同一芯片上 满足便携式设备的需求
3
1.3 指令的执行
取指阶段
执行阶段
开始
取下一条指令
执行指令
基本指令周期
停止
4
5
1.4 中断
• 中断是一种机打断其工作。
• 中断分类：
程序中断 时钟中断 I/O中断 硬件失效中断
• 中断是提高处理器效率的一种手段。
利用中断功能，处理器可以在I/O操作的执行过程中执 行其他指令。
I/O操作和用户程序中指令的执行是并发的。
6
无中断
7
有中断
8
1.4.1 中断和指令周期
开始
取指阶段
执行阶段
中断阶段
取下一条指令
不允许中断
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可编程I/O
• I/O模块执行请求的动作并设置I/O状态寄存器中 相应的位；
• 处理器执行I/O指令后，要定期检查I/O的状态， 以确定I/O操作是否已经完成。
➢ 问题：处理器在等待I/O操作完成期间需不断询 问I/O模块的状态，严重降低了整个系统的性能 。
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中断驱动I/O
• 处理器给I/O模块发送I/O命令，然后继续做其它 有用的工作；