完整版计算机操作系统教程 第三版 张尧学 张高 史美林 著 清华大学出版社 课后答案
全套课件计算机操作系统教程第三版
1.4操作系统的硬件介绍
• 1.4.1中央处理器（CPU） • 1.4.2存储系统 • 1.4.3 中断机制 • 1.4.4 I/O设备
• 1.4.5 时钟
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1.4.1中央处理器（CPU）
• 计算机的“大脑”是CPU，它从内存中取出指令并执行。 在每个CPU的基本周期中，首先从内存中取出指令，解码 以确定其类型和操作数，然后执行。循环以上过程，程序 得以执行完毕。
机上覆盖一层I/O设备管理软件，用户便可以利用这层
I/O设备管理软件提供给用户的接口来进行数据的输入
和输出，那么用户此时看到的计算机是一台功能强大、
使用方便的计算机，但实际上，计算机的硬件丝毫没
有变化，这样的计算机称为软件扩充的机器，或称软
件虚拟机。
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1.1.2 作为资源管理的操作系统
• 从作为机器功能扩充的观点看，操作系统是为用户提供基 本的方便的接口，这是一种自顶向下的观点或是自内向外 的观点。但是从用户向机器的观点或自底向上的观点来看， 操作系统则用来管理一个复杂计算机系统的各个部分。现 代计算机包含处理器、存储器、时钟、磁盘、终端、网络 接口、打印机以及许多其他设备。从这个角度来看，操作 系统的任务是在相互竞争的程序之间有序地控制对处理器、 存储器以及其他I/O接口设备的分配。
1.4.2 存储系统
• 1、存储系统的层次结构
•
最高层是CPU中的寄存器，由于采用和CPU相同的材料制造，所以速度和CPU
一样快。但寄存器一般容量比较小，在1KB以下。
•
第二层是高速缓存，它主要被硬件控制使用。当一个程序要读一个存储字时，
通过硬件系统首先检查是否在高速缓存中。如果在，称为高速缓存命中，直接读
计算机操作系统教程(张尧学 史美林 张高)(第三版)第二章
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• 系统调用的分类（书P32） – 设备管理 – 文件管理 – 进程管理 – 进程通信 – 存储管理
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– 虚拟现实 • 虚拟现实（virtual reality,VR）是用计算机技术来生成一个 逼真的三维视觉、听觉、触觉、嗅觉等感觉世界，让用户可以 从自己的视点出发，利用自然的技能和某些设备对这一生成的 虚拟世界进行浏览和交互考察。实际应用的虚拟现实系统大体 可分为：
–桌面虚拟现实系统 –沉浸虚拟现实系统 –分布式虚拟现实系统 –增强现实
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系统调用原则 – 为了保障操作系统的安全性，使得操作系统的程序不被用户
程序破坏，一般操作系统都不允许用户程序访问操作系统的 系统程序及数据。编程人员可以利用陷入（访管）指令来向 操作系统提出对系统程序及数据访问要求。
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– X-window • X-window 是1986年由美国MIT的雅典娜工程开发小组为了提供 一个独立于硬件的用户图形界面而开发成功的，广为流行的是 1988年3月发行的X11.2版本。尤其与UNIX操作系统结合，可运 行于IBM-PC到各种大中型机以及巨型机上，它又可运行在X终 端上。同时它也给程序员提供了工具箱（toolkit）和事件驱 动型编程模型。
《计算机操作系统教程(第三版)》 第2章 作业管理
（2）将源程序和初始数据记录在某种输入介质上。例如 穿成一盘纸带，或在终端设备（包括键盘、显示器）上 直接编辑源程序。 （3）按照一定要求来控制计算机工作，并经过加工最后 算出结果。
二、对作业的处理的几个作业步
（1）编辑（修改）：建立新文件或是对原有文件进行修 改。 （2）编译：请求系统把修改好的源程序翻译成浮动目标 模块，并将它放在磁盘上，也可以穿孔输出或二者有之。 （3）链接：请求系统把主程序模块和其他所需要的子程 序和例行程序链接装配在一起，成为一个可执行的完整 的内存映像文件。 （4）运行：将内存映像文件调入内存，并启动之，最后 给出计算结果。 下一页
2.1.3 分时系统作业控制方法—命令
在分时系统（联机工作方式）中，终端与主 机的通信过程大致分为四步：呼叫、联接、通信、 退出。 1．呼叫 2．联接 3．通信 4．退出
（1）呼叫
当终端用户想从终端打入命令或输入信息时，他 首先要进行呼叫，例如通过类似电话拨号的方式 进行呼叫。当呼叫成功后，用户就可以从终端的 键盘上打入各种命令输入到计算机系统，即开始 第二步——联接。
三、作业步之间的关系表现为
（ 1 ）每个作业步运行的结果产生下一个作业步 所需要的文件。如图2.1所示。
（ 2 ）一个作业步能否正确地执行，依赖于前一 个作业步是否成功地完成。
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图2.1 作业步之间的关系
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2.1.2 批处理系统作业运行前的准备——作 业控制语言
在脱机工作方式下系统提供作业控制语言 （ JCL，Job Control Language），它既可以写 成操作说明书的形式，也可穿孔成为作业控制卡 的形式（前者较多地为批处理系统所采用）。 操作系统根据作业申请表来分配作业所需的 资源并注册该作业；通过作业说明书（或作业控 制卡）对作业实施运行控制。一般在批处理系统 中都提供JCL语言。
计算机操作系统教程(张尧学 史美林 张高)(第三版)第四章
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4.2
作业调度
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作业调度是按照某种规则，从后备作业 队列中挑选作业进入内存，参与处理机的竞 争的过程。
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从后备队列中选 出一个作业 审核资源要求 否 放弃作业 资源要求 能满足吗？ 是 分配资源 建立进程 进程调度 (a) 后备状态到执行状态的转变
回收分配给作业的全部资源 计算作业的执行费用 撤消作业的所有进程，以及JCB 调度下一个作业
(b) 执行状态到完成状态的转变
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外存
就绪
等待
提交状态
收容状态
就绪 等待
交换调度 执行状态 完成状态 执行
作业注册
作业调度
进程调度
内存
线程调度
作业的状态及转换
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4.1.2 调度的层次
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又称为作业调度，用于决定把外存上处于后备队列中的作业调入 内存，并为它们创建进程、分配必要的资源，然后，将新创建的进程 排在就绪队列中，准备执行。在作业调度中，必须解决两个问题： 1） 接纳多少个作业：多道程序的度数的确定应该系统的规模和运行 速度，做适当的折中。 2） 接纳哪些作业：应该将作业从外存中调入内存，将取决于所采用 的调度算法。关于各种不同的调度算法将随后讨论。
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操作系统第三版 张尧学著 第3章 进程管理
以上进程的定义，尽管各有侧重，但在本质上是 相同的。即主要注重进程是一个动态的执行过程这 一概念。也可以这样定义进程：一个具有独立功能 的程序对某个数据集在处理机上的执行过程和分配 资源的基本单位。这里，程序指一组操作序列，而 数据集则是接受程序规定操作的一组存储单元的内 容。 进程和程序是两个既有联系又有区别的概念，它 们的区别和关系可简述如下：
3.1.3 作业和进程的关系 作业是用户需要计算机完成某项任务时要求计算机 所作工作的集合。进程是已提交完毕程序的执行过 程的描述，是资源分配的基本单位。区别与关系： (1) 作业是用户向计算机提交任务的任务实体。而进 程则是完成用户任务的执行实体，是向系统申请分 配资源的基本单位。任一进程，只要它被创建，总 有相应的部分存在于内存中。 (2) 一个作业可由多个进程组成。且必须至少由一个 进程组成，但反过来不成立。 (3) 作业的概念主要用在批处理系统中。而进程的概 念则用在几乎所有的多道系统中。
(1) 描述信息 ① 进程名或进程标识号 ② 用户名或用户标识号 ③ 家族关系 (2) 控制信息 ① 进程当前状态(就绪态、执行态和等待状态。) ② 进程优先级 与进程优先级有关的PCB表项有： a. 占有CPU时间； b. 进程优先级偏移； c. 占据内存时间，等。
③ 程序开始地址 ④ 各种计时信息 给出进程占有和利用资源的有关情况。 ⑤ 通信信息 用来说明该进程在执行过程中与别的进程所发 生的信息交换情况。 (3) 资源管理信息 PCB 中包含最多的是资源管理信息，包括有关存 储器的信息、使用输入输出设备的信息、有关文件 系统的信息等。这些信息有： ① 占用内存大小及其管理用数据结构指针，例如 后述内存管理中所用到的进程页表指针等。
从上述讨论可以看出，由于程序的顺序性、静 态性以及孤立性，用程序段作为描述其执行过程和 共享资源的基本单位既增加操作系统设计和实现的 复杂性，也无法反映操作系统所应该具有的程序段 执行的并发性、用户随机性，以及资源共享等特征。 也就是说，用程序作为描述其执行过程以及共享资 源的基本单位是不合适的。需要有一个能描述程序 的执行过程且能用来共享资源的基本单位。这个基 本单位被称为进程process（或任务task）。
计算机操作系统教程(张尧学(第三版)第五章
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关于动态地址重定位可以如下图所示的过程说明：
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用户程序的虚地址空间 0 100 1KB 0 内存 基地址寄存器 操作系统 22628 22KB 22528
XXXXX
20KB 22KB 22KB+100 XXXXXX
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动态地址重定位
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动态地址重定位是在程序执行过程中，在CPU访问 内存之前，将要访问的程序或数据地址转换成内存地 址。动态地址重定位依靠硬件地址变换机构完成。
硬件地址转换机构一般由一个“基地址寄存器” 和一个“虚地址寄存器”组成，用户程序不做任何修 改地装入分配给它的存储区域。当调度到用户程序运 行时，则转换成实际的物理地址。
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分区的分配与释放
制 作 者 ： 郭 平 、 王 在 模 、 何 静 媛
分区的分配： 若采用的是一个队列的管理方案，则当一个分区被释放时， 需要在队列中选出一个作业运行，可以有以下几种方案： （1）选出第一个可容纳的作业。该方案虽然实现简单，选择 率高，但是可能会因为一个小作业进入而浪费掉该分区的大部分 存储空间，存储利用率不高。 （2）在队列中找出该分区能容纳的最大的作业。由于每个分 配出的分区产生出的内部碎片小，因此，此方案存储空间的利用 率高；缺点是对小作业不公平。
22kb10022kb300023kbd图51地址变换示意图郭平王在模何静媛其中程序a中的一条入口地址为3000的一条指令为call100其中程序a中的一条入口地址为3000的一条指令为call100在装入内存之后由于程序的起始地址不再为0故程序中的指令需要做相应的转换
计算机操作系统教程_第三版_(张尧学_张高_史美林_著)_清华大学出版社_第6章g
第(2)点反映了进程的静态特性 一个进程的静态描述是由三部分组成的，即进程状态控制块 PCB，进程的程序文本（正文）段以及进程的数据段。 这三部分统称为进程上下文.
6.2.2 进程的虚拟地址结构 Linux进程的虚拟地址结构依赖于硬件，本书默认那些 与硬件有关部分依赖于intel 80x86。80x86平台中，每个进 程拥有一个4GB的虚拟空间。其中0-3GB的地址空间有用户 进程使用，3-4GB的地址空间称为核心地址空间，在所有进 程中共享，只被核心使用，用户进程不能使用。 Linux进程由逻辑段组成，一个进程的虚拟地址空间 被分成若干个虚拟区域来存放上述的逻辑段。区是虚拟地 址空间上的一段连续区域，是共享、保护以及进行内存分 配和地址变换的独立实体。 Linux中的区和段页式管理中的段非常相像。所不同的 是，段页式管理中的虚拟地址空间是二维的，而Linux的各 个进程的分区虚拟地址仍然是一维的。
为了使操作系统内核能在每次开机时顺利地装 入内存，用户必须事先把Linux操作系统的执行代 码以文件方式存储在计算机硬盘设备中，并对计算 机系统中的相应资源，例如高速缓存、交换区等进 行初始化。这一过程被称为操作系统的安装过程。
பைடு நூலகம்
Intel 80x86提供了4种不同权限的执行模式， Linux系统使用其中2种模式：核心态和用户态。 两态之间的主要区别是，用户态下的进程能存 取它们自己的指令与数据，但不能存取核心指令和 数据。然而，核心态下的进程能存取核心和用户地 址。另外，某些机器的指令是特权指令(如输入输出 指令)，在用户态下执行会引起错误，只能在核心态 下执行。 在不同的执行模式下执行时，同一进程使用不 同的堆栈，分别称为核心态堆栈和用户态堆栈。在 进程切换到不同执行模式时候，操作系统负责为进 程切换到相应的堆栈。
操作系统教程第三版
二○一八年十月四日
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2.1.2 单处理器和多处理器系统
• 单处理器系统： 一个计算机系统只 包括一个中央处理器ห้องสมุดไป่ตู้ • 多处理器系统： 一个计算机系统有 多个中央处理器；
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从串行到并行
• 早期计算机系统是基于单个处理 器的 顺序处理机器 ，程序员编写 串行执行的代码，让其在处理器 上串行执行。 • 为了提高计算机处理速度，想到 将多处理器引入计算机， 并行处 理指令的方法。
二○一八年十月四日
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2.1.4 特权指令与非特权指令
从资源管理和控制程序执行的角度 出发，必须把指令寄存器中的指令分 作两部分：特权指令、非特权指令 特权指令：只允许操作系统使用，不 允许一般用户使用的指令。如启动 I/O设备、设置时钟、加载PSW等； 非特权指令 ：除特权指令之外的指令 称为非特权指令；
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中断的概念(4)
中断系统： 中断的实现实行软件和 硬件综合完成，硬件部分叫做 中断 装置，软件部分即中断处理程序 。中 断装置和中断处理程序统称为中断 系统。
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中断的概念(5)
中断装置： 是发现中断源并产生中 断的硬件，由 中断逻辑线路 和 中断 寄存器组成；其职能主要有两点：
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2.1.5 处理器的状态(1)
中央处理器怎么知道当前是操作系 统还是一般用户程序在运行呢? 处理器状态标志属于程序状态字 PSW的一位，可设置处理器成不同状 态。大多数计算机系统将CPU执行状 态分为管态和目态。
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处理器的状态(2)
管态：又叫特权态，系统态或核心态。CPU 在管态下可以执行指令系统的全集，使用全 部资源。通常，操作系统程序在管态下运行 目态 ：又叫常态或用户态。 CPU 处于目态时， 只能执行非特权指令。用户程序只能在目态 下运行
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第一章绪论I•什么是操作系统的幕本功能？答:操作系统的职能是管理和控制汁算机系统中的所有硬、软们资源，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U•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(文们骡统管理)和用户接Ii 等.2. 什么是批处理、分时和实时系统?各有什么特征?答：批处理系统(batchprocess ingsystem) ：操作员把用户提交的作收分类.把一批作收编成一个作业执行序列，由专门编制的监督程序(monitor) 自动依次处理.其主要特征是：用户脱机使用计算机、成批处理、多道程序运行.分时系统(timcsharingopcrationsystcm ):把处理机的运行时(fnJ分成很短的时fFIJ片，按l<"t fnJ 片轮转的方式，把处理机分配给各进程使用.其主要特征是:交互性、多用户同时性、独立性。
实时系统(rcaltimcsystcm): 在被控对象允许时间范围内作出响应.其主要特征是:对实时信息分析处理速度要比进入系统快、要求安全可靠、资源利用率低。
3. 多道程序(multiprogramming) 和多爪处理(multiprocessing) 有何区别?答: 多道程序(multiprogramming) 是作收之间自动调度执行、共享系统资源.并不是真正地同时俏行多个作业：而多熏处W.. (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.第二章作业管理和用户接口1. 什么是作业?.作业步？答：把在一次应用业务处理过程中, 从输入开始到输出结束, 用户要求计算机所做的有关该次业务的处理的全部工作称为一个作业。
作业由不同的顺序相连的作业步组成。
作业步是在一个作业的处理过程中,计算机所做的相对独立的工作。
如.编辑愉入是一个作业步.它产生源程序文件:编译也是一个作业步.它产生目标代码文件.2. 作业山几部分组成?各有什么功能?荞:作业山三部分组成:程序、数据和作业说明书.程序和数据完成用户所要求的业务处理工作.作业说明书则体现用户的控制愈图.3. 作业的愉入方式有哪JL种?各有何特点谷:作业的输入方式有 5 种:联机输入方式、脱机袖入方式、直接棍合方式、SPOOLING (Simultancous Peripheral OperationsOnlinc) 系统和网络愉入方式.各有如卜特点:(1) 联机输入方式:用户和系统通过交互式会话来怕入作业.(2) 脱机输入方式, 又称预输入方式, 利用低档个人计甘机作为外幽处理极进行钧入处理,存储在后备存储器I : .然后将此后援存储器连接到高速外围设备1二和上机相连。
从而在较短的时间内完成作业的愉入工作。
(3) 直接祸合方式:把上机和外围低档机通过一个公用的人容量外存六接祸合起来,从而省去了在脱机愉入中那种依靠人工干预末传递后援存储雄的过程.(4) SPOOLING系统nl译为外田设备同时联机摊作。
在SPOOLING系统中.多台外团设备通好道或DMA 器件和主机与外存连接起来作业的愉入愉出过程由土机中的掩作系统控翻。
(5) 网络怕入方式:网络愉入方式以上述几仲泊入方式为赞拙.当用户需要把在计算机网络中某一台主机上输入的信息传送到同一网中另台主机上进行摊作成执行时.就构成了网络输入方式。
4•试述SPOOLING系统的_I-作原理。
答:在s阳OLIN6系统巾，多台外围设备通过通逝或DMA器件和主机与外存连接起来，作业的输入输出过程由主机中的操作系统控制•操作系统中的输入程序包一含两个独立的过程，一个过程负责从外部设备把信息读入缓冲区，另一个过程是写过程，负责把缓冲区中的信息送入到外存输入井巾。
在系统输入模块收到作业输入请求后，输入管理模块中的读过积负责将信息从愉入装置读入缓冲区。
当缓冲V 满时，由写过程将信息从缓冲区写到外存输入井中。
读过程和写过程反复循环•直到一个作业愉入完毕。
当读过程读到一个硬件结束标志后，系统再次驱动写过程把最后一批信息写入外存并调用中断处理程序结束该次输入。
然后系统为该作业建立作业控制块JCB从而使输入井中的作业进入作业等待队列，等待作业调度程序选中后进入内存。
5.作业说明书和作业控制块有何异同？答:作业说明书主要包含三方面内容:作业的基本描述、作业控制描述和资源要求描述•作业基本描述主要包括用户名、作业名、使用的编程语言名、允许的最大处理时间等，而作业控制描述则大致包括作业在执行过程中的控制方式，例如是脱机控制还是联机控制、各作业步的操作顺序以及作业不能正常执行时的处理等.资源要求描述包括要求内存大小、外设种类和台数、处理机优先级、所需处理时间、所需库A数或实用程序等•而作业控制块是作业说明书在系统中生成的一张表格，该表格迁记该作业所要求的资源情况、预计执行时间和执行优先级等。
从而，操作系统通过该表了解到作业要求，并分配资源和控制作业中R 序和数据的编译、链接、装入和执行等•6•操作系统为用户提供哪些接门？它们的区别是什么？答:操作系统为用户提供两个接I］，一个是系统为用户提供的各种命令接口•用户利用这些操作命令来组织和控制作业的执行或管理计算机系统，另一个接门是系统调用，编程人员使用系统调用来请求 a 作系统提供服务。
例如申请和释放外设等类资源、控制程序的执行速度等•。
7•作业控制方式有哪几种？调查你周围的计算机的作业控制方式。
答:作业控制的主要方式有两种:脱机方式和联机方式。
脱机控制方式利用作业控制语言来编写表示用户控制意图的作业控制程序，也就是作业说明书。
作业控制语言的语句就是作业控制命令。
不同的批处理系统提供不同的作业控制语言。
联机控制方式不同于脱机控制方式，它不要求用户填写作业说明书，系统只为用户提供一组键盘或其他操作方式的命令。
用户使用操作系统提供的操作命令和系统会话，交互地控制程序执行和管理计算机系统。
8•什么是系统调用？系统调用与一般用户程序有什么区别？与库函数和实用程序又有什么区别?答:系统调用是操作系统提供给编程人员的唯一接口。
编程人员利用系统调用，在源程序一级动态请求和释放系统资源，调用系统中己有的系统功能来完成那些与机器硬件部分相关的工作以及控制程序的执行速度等。
因此，系统调用像一个黑箱子那样，对用户屏蔽了操作系统的具体动作而只提供有关的功能。
它与一般用户程序、库函数和实用程序的区别是:系统调用程序是在核心态执行，调用它们需要一个类似于硬件中断处理的I一卜断处理机制来提供系统服务。
9•简述系统调用的实现过程。
答:用户在程序中使用系统调用，给出系统凋用名和函数后，即产生一条相应的陷入指令，通过陷入处理机制调用服务，引起处理机中断，然后保护处理机现场，取系统调用功能号并寻找子程序入口，通过入口地址表来调用系统子程序，然后返回用户程序继续执行。
10. 为什么说分时系统没有作业的概念? 答:因为在分时系统中，每个用户得到的时问片有限，用户的程序和数据信息直接输入到内存工作区中和其他程序一起抢占系统资源投入执行，而不必i 序选择.因此，分时系统没有作业控制表，也没有作业调度存输入并等待作业调度程11. 试述UNIX 的主要特点.答:UNIX的主要特点是：(1) UNIX系统是一个可供多用户同时操作的交互式分时操作系统，(2) 为了向用厂’提供交互式功能和使得用)”可以利用UNIX系统的功能，UNIX系统向用户提供了两种友好的界面或接口:系统调用和命令;(3) UNIX系统具有一个可装卸的分层树型结构文件系统，该文件系统使用方便、搜索简单，(4) UNIX 系统把所有外部设备都当成文件，并分别赋予它们对应的文件名。
从而，用厂'可以像使用文件那样使用任一设备而不必了解该设备的内部特性，这既简化了系统设计，又方便了用)”，(5) UNIX系统核心程序的绝大部分源代码和系统_L的支持软件都用C语言编写。
且UNIX系统是一个开放式系统，即具有统一的用户接口，使得UNIX用户的应用程序可在不同的执行环境下运行。
正是由于UNIX具有•上述这些特点，使得UNIX系统得到了广泛的应用和发展.12. UNIX操作系统为用户提供哪些接口？试举例说明•答;UNIX系统为用户提供两个接口，即面向操作命令的接口Shell和面向编程用户的接口：系统调用。
常见的Shell 命令女口：login, Iogout, vi, ernacs.印，rm, Is, cc, link,adducer,chown, dbx, date 等;常见的系统调用如:ioctl, read, write, open, close, crest, excel, flock, stat, mount, fork, wait, exit, socket 等.13 •在你周围装有UNIX系统的计算机上，练习使用后台命令，管道命令等Shell的基木命令。
吞甘k, 二答:例1:用Shell谱言编制一Shell程序.该程序在用户输入年、月之后，自动打印输出该年该月的日历：echo"Please input the month: ”read monthecho'Please input the year: ”read year第三章用户V 理和配置份理1. 有A说，一个进程是山伪处理机执行的一个程序，这话对吗？为什么？答:对。
因为伪处理机的概念只有在执行时刁存在, 它表示多个进程在单处理机上并发执行的二个调度单位。
因此，尽V进程是动态概念，是程序的执行过程，但是，在多个进程并行执行时，仍然只有一个进程占据处理机执行, 而其他并发进程则处于就绪或等待状态。
这些并发进程就相当干由伪处理机执行的程序。
2. 试比较进程和程序的区别。
答:(1)进程是一个动态概念。
而程序是一个静态概念.积序是指令的有序集介.无执行含义.进程则强调执行的过程(2) 进程具有并行特征(独立性，异步性).程序则没有.(3) 不同的进程可以包含同一个程序，同一程序在执行中也可以产生多个进程。
3. 我们说程序的并发执行将导致最终结果失去封闭性广这话对所有的程序都成立吗?举例说明.答:并非所有程序均成立。
如:Begin local" ZK::10print(x)End上述程序中x 是内部变量，不可能被外部程序访问，因此这段程序的运行不会受外部环境影晌.4. 试比较作业和进程的区别。
答:一个进程是一个程序对某个数据集的执行过程，是分配资源的摹本单位。
作业是用于需要计算机完成某项任务，而要求计算机所做工作的集合。
一个作业的完成要经过作业提交，作业收容、作业执行和作业完成 4 个阶段。