操作系統(tǒng) 習(xí)題及答案 第二章 操作系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境

第二章操作系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境習(xí)題1．請(qǐng)簡(jiǎn)述處理器的組成和工作原理。你認(rèn)為哪些部分和操作系統(tǒng)密切相關(guān)，為什么？處理器由運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器組成，其中運(yùn)算器負(fù)責(zé)算數(shù)運(yùn)算、存儲(chǔ)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、控制器負(fù)責(zé)流程控制。每一個(gè)部分都和操作系統(tǒng)密切相關(guān)。2．為了支持操作系統(tǒng)，現(xiàn)代處理器一般都提供哪兩種工作狀態(tài)，以隔離操作系統(tǒng)和普通程序？?jī)煞N狀態(tài)各有什么特點(diǎn)？現(xiàn)代處理器一般都提供管態(tài)和目態(tài)等兩種工作狀態(tài)。用戶程序在目態(tài)下運(yùn)行，只能使用非特權(quán)指令，具有較低的特權(quán)級(jí)別。操作系統(tǒng)在管態(tài)下運(yùn)行，可以使用特權(quán)指令和非特權(quán)指令，具有較高的特權(quán)級(jí)別。3．計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中既有操作系統(tǒng)程序，又有用戶程序，在什么情況下操作系統(tǒng)程序才能占用中央處理器？當(dāng)用戶程序占用CPU時(shí)，CPU在目態(tài)下運(yùn)行，只能使用非特權(quán)指令，當(dāng)需要使用特權(quán)指令時(shí)，將引起一次處理器狀態(tài)的切換，此時(shí)處理器通過中斷機(jī)制，將目態(tài)轉(zhuǎn)換為管態(tài)，然后將處理權(quán)移交給操作系統(tǒng)中的一段代碼，操作系統(tǒng)才能占用CPU。從目態(tài)變?yōu)楣軕B(tài)其轉(zhuǎn)換的唯一途徑是通過中斷。4．為什么要把“啟動(dòng)I/O”等指令定義為特權(quán)指令？一個(gè)程序可以在其它程序等待外圍設(shè)備傳送信息時(shí)占用處理器執(zhí)行，在執(zhí)行中如果它也使用啟動(dòng)指令去啟動(dòng)一臺(tái)正在工作的外圍設(shè)備，那么就會(huì)造成沖突。為保護(hù)輸入輸出的完整性，把“啟動(dòng)I/O”等的一類可能影響系統(tǒng)安全的指令定義為特權(quán)指令。特權(quán)指令只允許操作系統(tǒng)使用，用戶程序不能使用特權(quán)指令。用戶程序若要啟動(dòng)I/O，必須請(qǐng)求操作系統(tǒng)代為啟動(dòng)，這種方式不但可以保證安全地使用外圍設(shè)備，正確地傳送信息，而且可減少用戶為啟動(dòng)設(shè)備而必須了解外圍設(shè)備特性以及啟動(dòng)等工作，大大方便了用戶。5．怎樣限制用戶程序中使用特權(quán)指令？為了保證正確的操作，應(yīng)該限制用戶程序使用特權(quán)指令，為此，中央處理器設(shè)置了兩種工作方式，管態(tài)和目態(tài)。在管態(tài)下，中央處理器可執(zhí)行包含特權(quán)指令在內(nèi)的一切指令；在目態(tài)下，中央處理器不準(zhǔn)執(zhí)行特權(quán)指令。操作系統(tǒng)在管態(tài)下工作，用戶程序在目態(tài)下工作。如果中央處理器在目態(tài)下取到了特權(quán)指令，中央處理器就拒絕執(zhí)行該指令，并產(chǎn)生“非法操作”事件經(jīng)中斷裝置和操作系統(tǒng)通知用戶修改。6．什么是分級(jí)的存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)？它主要解決了什么問題？從整個(gè)系統(tǒng)上來看，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中層次化的儲(chǔ)存體系是由寄存器、高速緩存、內(nèi)存儲(chǔ)器、硬盤存儲(chǔ)器、磁帶機(jī)和光盤存儲(chǔ)器等裝置構(gòu)成。容量、速度和成本這三個(gè)目標(biāo)不可能同時(shí)到最優(yōu)。存取的速度與價(jià)格相反，為了解決這一問題，可采用層次化的存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)。由于現(xiàn)代的程序設(shè)計(jì)技術(shù)很注重代碼的復(fù)用，一旦進(jìn)入這樣的程序段就會(huì)重復(fù)存取相同的指令集合?；谶@一原理，充分有理由設(shè)計(jì)出多級(jí)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，并使得存取級(jí)別較低的比率小于存儲(chǔ)級(jí)別較高的存儲(chǔ)器比率。7．請(qǐng)簡(jiǎn)述程序局部性原理。由于現(xiàn)代的程序設(shè)計(jì)技術(shù)很注重代碼的復(fù)用，程序內(nèi)中會(huì)有很多的循環(huán)和子程序調(diào)用。一旦進(jìn)入這樣的程序段就會(huì)重復(fù)存取相同的指令集合。對(duì)數(shù)據(jù)的存取也有類似的局部性現(xiàn)象。一段時(shí)間后，使用的代碼和數(shù)據(jù)的集合會(huì)改變，但在較短時(shí)間里能穩(wěn)定的保持在一個(gè)存儲(chǔ)的局部區(qū)域中，處理器也主要和這個(gè)局部打交道。8．什么是存儲(chǔ)保護(hù)？有哪些方法實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)保護(hù)？保護(hù)存儲(chǔ)在內(nèi)存中的用戶程序和操作系統(tǒng)，以及它們的數(shù)據(jù)。界地址寄存器：在處理器中設(shè)置一對(duì)界限寄存器來存儲(chǔ)該用戶作業(yè)在內(nèi)存中的上限和下限地址。將一個(gè)寄存器作為基址寄存器，另一個(gè)寄存器作為限長(zhǎng)寄存器（指示存儲(chǔ)區(qū)域的長(zhǎng)度）來指出程序在內(nèi)存中的存儲(chǔ)區(qū)域。9．操作系統(tǒng)與硬件如何配合來實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)保護(hù)的？操作系統(tǒng)通過與硬件中的界地址寄存器實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)保護(hù)。其方法是在CPU中設(shè)置一對(duì)界限寄存器來存放某個(gè)作業(yè)在內(nèi)存中的下限和上限地址，或者一個(gè)寄存器作為基址寄存器，另一個(gè)作為限長(zhǎng)寄存器。每當(dāng)CPU訪問內(nèi)存時(shí)，硬件自動(dòng)將被訪問的內(nèi)存地址與界限寄存器的內(nèi)容進(jìn)行比較，以判斷是否越界。如果未越界，則按此地址訪問內(nèi)存，否則將產(chǎn)生越界中斷。10．什么是中斷？為什么說中斷對(duì)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)很重要？所謂中斷是指CPU對(duì)系統(tǒng)中或系統(tǒng)外所發(fā)生的異步事件的響應(yīng)。異步事件是指無一定時(shí)序關(guān)系的隨機(jī)發(fā)生的事件。中斷是所有要打斷CPU的正常工作次序，并要求其去處理某一事件的一種常用手段。中斷技術(shù)解決了主機(jī)和外設(shè)并行工作的問題，消除了因外設(shè)的慢速而使得主機(jī)等待的現(xiàn)象，為多機(jī)操作和實(shí)時(shí)處理提供了硬件基礎(chǔ)。充分發(fā)揮處理器的使用效率。提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)能力。11．中斷的作用是什么?中斷的作用有兩個(gè)方面:首先是使CPU能充分發(fā)揮使用效率，讓I/O設(shè)備用中斷的方式用CPU通信，報(bào)告其完成CPU所要求的數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r和問題，以免除CPU不斷地查詢和等待，從而大大提高CPU的效率。其次是提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)能力，當(dāng)系統(tǒng)要求實(shí)時(shí)處理某些事件時(shí)，可以通過中斷請(qǐng)求及時(shí)處理，從而使CPU立即作出響應(yīng)。12．中斷向量是什么？其作用是什么？引起中斷的事件稱為中斷事件或中斷源，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供的中斷源的有序集合稱為中斷字。處理某一種中斷事件的程序稱為中斷處理程序。為了使中斷裝置便于找到所需的中斷處理程序，專門設(shè)計(jì)了中斷處理程序入口地址映射表，稱為中斷向量表，表中的每一項(xiàng)稱為中斷向量，主要由程序狀態(tài)字PSW和程序計(jì)數(shù)器PC的值組成。中斷向量的作用是通過它可以找到中斷處理程序在內(nèi)存中的存儲(chǔ)位置。13．中斷響應(yīng)主要做哪些工作？中斷響應(yīng)主要包括5個(gè)工作:1)處理器接收中斷信號(hào)；2)保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，將中斷斷點(diǎn)的PSW和程序計(jì)數(shù)器PC的值存入系統(tǒng)堆棧；3)分析中斷向量，取得中斷處理程序的入口地址；4)將處理器的PC值置為中斷處理程序的入口地址；5)調(diào)用中斷處理程序。14．中斷處理的主要步驟是什么？中斷處理指中斷信號(hào)已經(jīng)被中斷系統(tǒng)的硬件中斷裝置接收和響應(yīng)之后，相應(yīng)的中斷處理程序進(jìn)行中斷處理的步驟。包括檢查I/O相關(guān)的狀態(tài)信息，操縱1/0設(shè)備或者在設(shè)備和內(nèi)存之間傳送數(shù)據(jù)等。在中斷處理程序結(jié)束工作之后，處理器會(huì)檢測(cè)到一條中斷返回指令。處理器執(zhí)行此指令，恢復(fù)中斷時(shí)所保護(hù)的中斷斷點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)，處理器也從管態(tài)恢復(fù)成被中斷時(shí)的目態(tài)。整個(gè)中斷處理結(jié)束。15．為什么要對(duì)中斷進(jìn)行屏蔽？屏蔽掉不夠緊急或不夠重要的中斷信號(hào)，使系統(tǒng)優(yōu)先處理最緊急或最重要的中斷信號(hào)。16．多個(gè)中斷同時(shí)發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)是怎樣處理的？多級(jí)中斷與中斷優(yōu)先級(jí)1）中斷信號(hào)依據(jù)緊急程度和重要性劃分等級(jí)，在需要處理的各類中斷信號(hào)中，它們的緊急程度和重要性是不同的。系統(tǒng)當(dāng)然要優(yōu)先處理最緊急的或者最重要的中斷信號(hào)。而中斷信號(hào)本身的重要性或緊急性，則由該中斷的級(jí)別的高低來表時(shí)。2）當(dāng)同一中斷等級(jí)的多個(gè)接口中同時(shí)都有中斷請(qǐng)求時(shí)，一般有兩種方式；固定的優(yōu)先數(shù)：給每個(gè)設(shè)備接口安排一個(gè)不同的、固定的優(yōu)先順序。輪轉(zhuǎn)法：用一個(gè)表格，依次輪轉(zhuǎn)響應(yīng)，這是一個(gè)較為公平合理的方法。中斷嵌套中斷按照優(yōu)先級(jí)分級(jí)，允許優(yōu)先級(jí)較高的中斷打斷優(yōu)先級(jí)較低的中斷處理過程，于是引發(fā)中斷嵌套。17．闡述硬件的中斷裝置的作用。中斷是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一個(gè)重要的組成部分。在中斷機(jī)制中的硬件部分（中斷裝置）的作用就是在CPU每執(zhí)行完一條指令后，判別是否有事件發(fā)生，如果沒有事件發(fā)生，CPU繼續(xù)執(zhí)行；若有事件發(fā)生，中斷裝置中斷原先占用CPU的程序的執(zhí)行，把被中斷程序的斷點(diǎn)保存起來，讓操作系統(tǒng)的處理服務(wù)程序占用CPU對(duì)事件進(jìn)行處理，處理完后，再讓被中斷的程序繼續(xù)占用CPU執(zhí)行下去。所以中斷裝置的作用總的來說就是使操作系統(tǒng)可以控制各個(gè)程序的執(zhí)行，為用戶提共各種服務(wù)。18．常用的I/O控制技術(shù)有哪些？各有什么特點(diǎn)？DMA方式：通過DMA控制器成塊的控制數(shù)據(jù)在內(nèi)存和IO設(shè)備之間的移動(dòng)。通道方式：獨(dú)立的對(duì)IO數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，和CPU并行，不需要CPU干預(yù)。19．緩沖技術(shù)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中起著什么樣的作用？它是如何工作的？緩沖技術(shù)：匹配計(jì)算機(jī)中高速設(shè)備和低速設(shè)備的交互。解決了設(shè)備之間速度不一樣的問題工作：每當(dāng)用戶輸入數(shù)據(jù)時(shí)，現(xiàn)在緩沖區(qū)中尋找，如果已經(jīng)在緩沖區(qū)，直接使用，否則由內(nèi)存輸入到緩沖區(qū)在由用戶使用。20．時(shí)鐘對(duì)操作系統(tǒng)有什么重要作用？防止系統(tǒng)死循環(huán)，實(shí)現(xiàn)作業(yè)按時(shí)間片輪轉(zhuǎn)。21．硬件時(shí)鐘怎樣實(shí)現(xiàn)？其作用是什么？在電路中的晶體振蕩器每隔一段時(shí)間產(chǎn)生固定的脈沖頻率，時(shí)鐘電路中的時(shí)鐘寄存器根據(jù)時(shí)鐘電路產(chǎn)生的脈沖數(shù)對(duì)時(shí)鐘寄存器加1，作用是防止系統(tǒng)死循環(huán)，實(shí)現(xiàn)作業(yè)按時(shí)間片輪轉(zhuǎn)。22．軟件時(shí)鐘怎樣實(shí)現(xiàn)？其作用是什么？由操作系統(tǒng)維護(hù)，常用作相對(duì)時(shí)鐘。作用是防止系統(tǒng)死循環(huán)，實(shí)現(xiàn)作業(yè)按時(shí)間片輪轉(zhuǎn)。23．系統(tǒng)調(diào)用和一般過程調(diào)用的區(qū)別是什么？運(yùn)行的狀態(tài)不同。在程序中的過程一般或者都是用戶程序，或者都是系統(tǒng)程序，即都是運(yùn)行在同一個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)的（用戶態(tài)或系統(tǒng)態(tài)）。進(jìn)入的方式不同。一般的過程調(diào)用可以直接由調(diào)用過程轉(zhuǎn)向被調(diào)用的過程。而執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，由于調(diào)用過程與被調(diào)用過程是處于不同的狀態(tài)，因而不允許由調(diào)用過程直接轉(zhuǎn)向被調(diào)用過程，通常是通過訪管中斷（即軟中斷）進(jìn)入，先進(jìn)入操作系統(tǒng)，經(jīng)分析后，才能轉(zhuǎn)向相應(yīng)的命令處理程序。返回方式的不同。一般的過程調(diào)用在被調(diào)用過程執(zhí)行完后，將返回到調(diào)用過程繼續(xù)執(zhí)行。但是，在采用搶占式調(diào)度方式的系統(tǒng)中，被調(diào)用過程執(zhí)行完后，系統(tǒng)將對(duì)所有要求運(yùn)行的進(jìn)程進(jìn)行優(yōu)先級(jí)分析。24．系統(tǒng)調(diào)用的主要處理