2017计算机考研《操作系统》综合应用题(第1章)

2017计算机考研《操作系统》综合应用题(第1章)

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　　1.6.2 综合应用题

　　î 例题1

　　什么是操作系统?描述它的主要作用和基本特征?

　　例题1解答

　　操作系统是控制和管理计算机软硬件资源，以尽量合理有效的方法组织多个用户共享多种资源的程序集合。

　　操作系统的作用：

　　(1)管理系统中的各种资源;(2)为用户提供良好的界面。

　　操作系统具有以下4个基本特征。

　　(1)并发性：并发性是指两个或两个以上的事件或活动在同一时间间隔内发生。

　　(2)共享性：共享性是操作系统的另一个重要特性，是指操作系统中的资源(包括硬件资源和软件资源)可被多个并发执行的进程共同使用，而不是被一个进程所独占。

　　(3)虚拟性：是操作系统中的一种管理技术，它是把一个物理上的实体映射为若干个逻辑上的对应物。

　　(4)不确定性：在多道程序设计中，各个程序之间存在着直接或间接的联系，程序的推进速度受它运行环境的影响。这时同一程序和数据的多次运行可能得到不同的结果;程序的运行时间、运行顺序也具有不确定性;外部输入的请求、运行故障发生的时间也难以预测。这些都是不确定性的表现。

　　î 例题2

　　一般一个操作系统要提供三类接口给不同类型的使用者，是哪三类接口?

　　例题2解答

　　操作系统向用户提供了以下三种类型的接口。

　　(1)命令接口

　　按命令接口对作业控制方式的不同，命令接口包括联机命令接口和脱机命令接口两种类型。其中联机命令接口由终端处理程序、命令解释程序和一组联机命令组成：终端处理程序负责接收用户输入的终端命令，并将它显示在终端屏幕上;命令解释程序对接收到的命令进行识别，并调用相应命令的处理程序，以完成请求任务;操作系统则通过提供多条联机命令向用户提供各方面的服务。脱机命令接口由作业控制语言JCL组成，它向用户提供了一组作业控制命令。

　　(2)程序接口

　　程序接口即系统调用，它适用于用户在编程时请求操作系统提供的服务，如申请和释放内存、打开和关闭文件等。系统调用命令是为了扩充及其指令，增强系统功能，方便用户使用而提供的。因此，在一些计算机系统中，把系统调用命令称为广义指令或访管指令。实际上不仅用户程序要使用系统调用命令，而且系统程序也要使用系统调用来实现其功能。不同的操作系统，其所提供的系统调用命令条数、格式及所执行的功能都不尽相同，它是用户在编程时获得操作系统服务的唯一途径。

　　(3)图形接口

　　图形接口通过图形化的界面以更加友好的方式向用户提供服务。

　　î 例题3

　　若程序PA和PB单独执行时分别用TA和TB表示，TA=1小时，TB=1.5小时，其中处理器工作时间分别为TA=18分钟，TB=27分钟。如果采用多道程序设计方法，让PA、PB并行工作，假定处理器利用率达到50%，另加15分钟系统开销，请问系统效率能提高百分之几?

　　例题3解答

　　在串行情况下，程序运行时间共2.5小时，在并行方式下，处理器利用率达到50%，说明工作时间占总运行时间的50%，即总运行时间为(18+27)/50%(分钟)，另加15分钟系统开销，则并行与串行的效率比为[(18+27)/50%+15]分钟/2.5小时=70%，即效率提高30%。

　　î 例题4

　　操作系统的功能有哪几个方面?它们各自的含义是什么?

　　例题4解答

　　操作系统负责管理计算机系统的所有资源，并调度这些资源的使用。具体来说，其主要功能如下。

　　(1)处理机管理

　　处理机管理也称为进程管理，主要解决的问题是按一定的算法将处理机分配给系统中某个并发执行的程序即“进程”，使CPU资源得到充分地应用。

　　(2)存储管理

　　存储管理主要负责内存空间的管理，按一定策略为多个并发执行的程序(进程)分配内存空间，以充分利用内存空间，并负责保证内存中各程序间的信息不相互破坏、窃取。

　　(3)设备管理

　　设备管理负责对系统中所有的输入/输出设备进行管理，除了一般意义上的I/O设备外，这里还应包括外存、通道、控制器。设备管理负责对设备进行分配、启动和故障处理。目的是提高设备使用效率，方便用户进行输入/输出。

　　(4)文件管理

　　计算机系统中的信息是以文件形式存放在外存上的。文件管理的任务是负责对系统中的文件进行存储、组织、检索等对文件的操作，以方便用户对文件的访问，并解决多用户间文件的共享、保护、保密等问题。

　　(5)作业管理

　　作业管理的任务是为用户提供一个使用计算机系统的环境，使用户能有效、方便地组织自己的作业(工作流程)，并尽可能地提高整个系统的效率。

　　î 例题5

　　分时操作系统和实时操作系统的主要区别是什么?

　　例题5解答

　　分时操作系统和实时操作系统的区别可以从多路性、独立性、及时性、交互性和可靠性5个方面进行比较。

　　(1)多路性。实时系统与分时系统一样具有多路性，分时系统按分时原则为多个终端用户服务;而实时系统，其多路性则主要表现在经常对多路的现场信息进行采集及对多个对象或多个执行机构进行控制。

　　(2)独立性。实时系统与分时系统一样具有独立性。每个终端用户在向实时系统提出服务请求时，是彼此独立的操作，互不干扰;而且在实时系统中信息的采集和对对象的控制也是彼此互不干扰的。

　　(3)及时性。实时系统对实时性的要求与分时系统类似，都是以人能接受的等待时间来确定;但实时系统的及时性，则是以控制对象所要求的开始截止时间或完成截止时间来确定的，一般为秒级、百毫秒直至毫秒级，甚至有的要低于100μs。

　　(4)交互性。实时系统具有交互性，但这里人与系统的交换，仅限于访问系统中某些特定的专用服务程序。它不像分时系统那样能向终端用户提供数据处理服务、资源共享等服务。

　　(5)可靠性。分时系统要求系统可靠，相比之下，实时系统则要求系统高度可靠。因为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后果。因此，在实时系统中，采取了多级容错措施来保证系统的安全及数据的安全。

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　　î 例题6

　　处理机为什么要区分核心态和用户态两种操作方式?什么情况下进行两种方式的转换?

　　例题6解答

　　在CPU中运行的操作系统程序和用户程序对应的机器指令集是不同的。操作系统程序使用所有指令，但用户程序只能使用部分指令。从资源管理和程序控制执行的角度出发，将指令系统分为两大部分：特权指令和非特权指令。在程序执行时，根据执行程序对资源和机器指令的使用权限，把机器设置为两个状态：核心态和用户态。

　　也就是说，当系统处于核心态时，就可以使用所有指令、资源，并具备改变CPU状态的能力;而当CPU在用户态时，只能使用非特权指令。

　　如果CPU执行用户程序时(用户态)出现了中断，系统将自行转到中断处理程序，CPU就由用户态转换到核心态;中断处理结束后，返回继续执行用户程序，此时CPU又由核心态转到用户态。

　　î 例题7

　　为了让用户进程互斥地进入临界区，可以把整个临界区实现成不可中断的过程，即用户有屏蔽所有中断的能力。每当用户程序进入临界区的时候，屏蔽所有中断;当出了临界区的时候，再开放所有中断。你认为这种方法有什么缺点?

　　例题7解答

　　用户进程进入临界区时屏蔽所有中断，应当也包括系统程序。若屏蔽的是用户进程，的确可以保护临界资源，但若系统所发出的中断也被屏蔽，则会引起错误。虽然系统外中断往往与当前运行的程序无关，但如果是一些重要的硬件中断，如电源故障等，就可能会引起错误，故不可盲目屏蔽所有中断。

　　î 例题8

　　操作系统有哪几种类型，各自的工作方式是怎样的?

　　例题8解答

　　操作系统的基本类型有：批处理系统、分时系统、实时系统、个人计算机操作系统、网络操作系统和分布式操作系统。

　　(1)批处理系统。在批处理系统中，用户不能直接控制其作业的运行。一个作业包括程序、数据和作业说明书，作业说明书中描述该作业的处理要求。用户通过输入设备将作业提交给系统后，系统将其放入外存的后备作业队列中，系统按一定调度策略从后备作业队列中选择一个或多个作业进入内存，系统按作业说明书运行作业。即运行过程中，用户与作业间没有交互作用，不能直接干预作业的运行。

　　(2)分时系统。在分时系统中，主机连接着多个终端(Terminal)，用户使用各自的终端直接控制自己“程序”运行，操作系统采用时间片轮转的方****流为多个用户服务。UNIX就是一个非常著名的分时系统。分时系统具有以下特点：

　　— 多路性，微观上各用户轮流使用计算机，宏观上各用户并行工作;

　　— 交互性，用户直接控制自己的“程序”运行，以人机会话方式工作;

　　— 独立性，各用户可独立操作，互不干涉，不会发生混淆或破坏现象;

　　— 及时性，对用户的请求能及时做出响应，尤其是较批处理系统响应时间快。

　　(3)实时系统。实时系统往往是作为一控制设备使用的，它能够及时响应随机发生的外部事件，并在严格的时间范围内完成事件的处理，其主要特点一是及时性、二是高可靠性。实时系统又分为实时控制系统(如工业过程控制)和实时信息处理系统(如航空、铁路订票系统)两种。

　　(4)个人计算机操作系统。由于近年来个人计算机(PC)的发展，个人计算机操作系统也有了很大发展，如Windows 2000系列操作系统、OS2等，它们都是较为著名的个人计算机操作系统，用户以联机交互方式使用计算机。

　　(5)网络操作系统。网络操作系统是使网络上各计算机能方便而有效地通信及共享网络资源，为网络用户提供所需各种服务的软件、有关协议的集合。包括网络管理、通信、系统安全和多种服务。

　　(6)分布式操作系统。分布式操作系统也是通过网络将具有自治功能的计算机互联，未实现通信和资源共享，并协作完成任务的。它更强调如何将某个大任务划分为小任务，分派到不同系统协作完成。

　　î 例题9

　　简述系统调用的实现过程。

　　例题9解答

　　系统调用是操作系统提供给软件开发人员的唯一接口，开发人员可以利用它使用系统功能。OS核心中都有一组实现系统功能的过程(子程序)，系统调用是对上述过程的调用。因此系统调用直观上就像一个黑匣子，对用户屏蔽操作系统的具体动作而只提供有关的功能。

　　为了实现系统调用，系统设计人员还必须为实现各种系统调用功能的子程序编造入口地址表，每个入口地址都与相应的系统子程序名相对应。然后，由陷阱处理程序把陷阱指令中所包含的功能号与该入口地址表中的有关项对应起来，从而由系统调用功能号驱动有关系统子程序执行。

　　由于在系统调用处理结束后，用户程序还需利用系统调用的返回结果继续执行，因此，在进入系统调用处理之前，陷阱处理机构还需保存处理机现场。再者，在系统调用处理结束之后，陷阱处理机构还要恢复处理现场。在操作系统中，处理机的现场一般被保护在特定的内存区或寄存器中。系统调用的处理过程如图1-6所示。

　　有关系统调用的另一个问题是参数传递问题，不同的系统调用需要传递给系统子程序以不同的参数。而且，系统调用的执行结果也是以参数形式返回给用户程序的。一般把处理机在用户程序中执行称为用户态，而把处理机在系统程序中执行称为系统态。

　　î 例题10

　　什么是中断响应?什么是中断优先级?什么是中断屏敝?中断处理分哪几个阶段?

　　例题10解答

　　CPU暂停现行程序而转去响应中断请求的过程称为中断响应。

　　为使系统能及时响应并处理发生的所有中断，系统根据引起中断事件的重要性和紧迫程度，硬件将中断源分为若干个级别，称作中断优先级。

　　中断屏蔽是指在提出中断请求之后，CPU不予响应的状态。

　　中断处理分为4个阶段：

　　1.保存被中断程序的现场，其目的是为了在中断处理完之后，可以返回到原来被中断的地方继续执行;

　　2.分析中断源，判断中断原因;

　　3.转去执行相应的处理程序;

　　4.恢复被中断程序现场，继续执行被中断程序。

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　　î 例题11

　　什么是多道程序?支持多道程序的软、硬件条件是什么?

　　例题11解答

　　在主存同时存放多个程序，使它们同时处于运行状态的一种程序设计技术，叫做多道程序设计。

　　支持多道程序设计的软、硬件条件是：

　　(1)存储器管理：为多道程序分配主存，提供地址转换机构、主存保护和主存扩充的功能;

　　(2)处理机管理：使系统能按照某种策略把CPU分配给各个处理单元;

　　(3)设备管理：系统能根据运行程序的要求为其分配所需设备，并控制设备完成用户希望的数据传输;

　　(4)文件管理：为运行程序提供所需的各种联机处理和共享的信息等。

　　î 例题12

　　计算机系统中，断点、恢复点与PC寄存器之间的关系是什么?特殊的中断处理程序不一定从恢复点位置开始执行，能举出一个简单的例子简单说明一下为什么吗?

　　例题12解答

　　一般情况下，断点应为中断的那一瞬间PC的内容减去前一条指令所占单元长度，即中断发出时正在执行的那一条指令地址。中断时PC所指的地址(即断点的逻辑后续指令)称为恢复点。因为原来被中断的用户程序在此次中断处理过程中可能由于某些与其相关的事件不具备当前继续运行的条件，可能被降低了运行的优先权，也可能由于此次中断的处理使得其他程序获得了比其更高的优先权。为了权衡系统内各道程序的运行机会，在此时有必要进行一次调度选择。

　　î 例题13

　　某多道程序设计系统配有一台处理器和两台外设IO1、IO2，现有三个优先级由高到低的作业J1、J2、J3都已装入了主存，它们使用资源的先后顺序和占用时间分别是：

　　J1：IO2(30ms)，CPU(10ms);IO1(30ms)，CPU(10ms);

　　J2：IO1(20ms)，CPU(20ms);IO2(40ms);

　　J3：CPU(30ms)，IO1(20ms)。

　　处理器调度采用可抢占的优先数算法，忽略其他辅助操作时间，回答下列问题。

　　(1)分别计算作业J1、J2和J3从开始到完成所用的时间。

　　(2)三个作业全部完成时CPU的利用率。

　　(3)三个作业全部完成时外设IO1的利用率。

　　例题13解答

　　为了清楚的描述作业执行情况，我们用图1-7表示三个作业的并行执行情况。

　　(1)J1占用IO2传输30ms时，J1传输完成，抢占J2的CPU，运行10ms，再传输30ms，运行10ms，完成。由图1-2可见，J1从开始到完成所用的时间为：30+10+30+10=80ms。

　　J2与其并行地在IO1上传输20ms，抢占J3的CPU，J2运行10ms后，被J1抢占CPU，等待10ms之后，J2再次得到CPU，运行10ms，J2启动IO2传输，40ms完成。由图1-2可见，J2从开始到完成所用的时间为：20+10+10+10+40=90ms。

　　J3在CPU上执行20ms，被J2抢占CPU，等待30ms，再运行10ms，等待10ms，J3启动IO1进行20ms的传输，完成。J3从开始到完成所用的时间为：20+30+10+10+20=90ms。

　　(2)三个作业全部完成时，CPU的利用率为：(10+20+30+10)/90=7/9=78%。

　　(3)三个作业全部完成时，外设IO1的利用率为：(20+30+20)/90=7/9=78%。

　　î 例题14

　　A、B两个程序，程序A按顺序使用CPU 10s，使用设备甲5s，使用CPU 5s，使用设备乙5s，最后使用CPU 10s。程序B按顺序使用设备甲10s，使用CPU 10s，使用设备乙5s，使用CPU 5s，使用设备乙10s，试问：

　　(1)在顺序环境下执行程序A和程序B，CPU的利用率是多少?

　　(2)在多道程序环境下，CPU的利用率是多少?

　　例题14解答

　　(1)程序A和程序B顺序执行时，程序A执行完毕，程序B才开始执行。两个程序共耗时75s，其中占用CPU的时间为40s，因此顺序执行时CPU的利用率为40/75=53%。

　　(2)在多道程序环境下，两个程序并发执行，其执行情况如表1-1所示。可以看出，两个程序共耗时40s，其中CPU运行时间为40s，故此时的CPU的利用率为40/40=100%。

　　表1-1 在多道程序环境下A、B执行情况

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