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1操作系统概述
1.操作系统概述
1.2例题解析
例1.2.1影响计算机系统性能的主要因素是什么？
解影响计算机系统性能的主要因素分为软件和硬件两个方面：
（1）硬件方面主要是指构成计算机系统器件的性能和硬件的体系结构，如存储器的速度和容量、多处理机结构、总线结构等。
（2）软件方面主要是指操作系统，因为操作系统决定了硬件是否能被用户使用、硬件的功能是否能发挥出来、其它软件能否在计算机系统上运行。
例1.2.2说明操作系统与软件的关系
解操作系统与软件的关系如下：
（1）操作系统是每台计算机必备的系统软件。
（2）操作系统是所有软件运行的基础，所有的其他软件都是建立在操作系统基础之上的，并得到它的支持和服务。
同硬件一样，软件资源也要操作系统进行有效的管理。
（3）软件的开发依赖于操作系统。
开发软件必需在一定的操作系统环境下进行，操作系统所能提供的功能支持在一定程度上决定软件开发的难易程度。
（4）操作系统影响软件的生命周期。
如果主流操作系统的变更，就意味着一批应用软件生命的结束。
（5）应用软件是操作系统上的可用资源，是操作系统生存的基础。
如何评论一个操作系统的好坏？
不仅要考虑其可靠性、易用性、安全性、兼容性等等，还要衡量在此操作系统上开发出的软件的数量和质量。
许多用户使用操作系统的主要目的是使用其上的能够完成某种特定功能的应用软件，例如某些财务公司安装有微软的Windows系列操作系统，而其工作中经常使用的却是Windows上开发的各种财务软件，此财务软件是Windows操作系统上的可用资源。
只有拥有大量应用软件的操作系统才能更多的占有市场，具有旺盛的生命力。
微软的Windows系列是PC机上最流行的操作系统，它不仅拥有众多的软件产品，如软件开发工具VB、VC++、办公软件Office等，还有大量的应用软件。
尽管其操作系统价格高，性能还有许多不足之处，还是拥有大量的用户。
如果说PC上的CPU不用Intel还可以用AMD或其它公司芯片的话，操作系统则除了选择Windows，其它选择都是困难的。
IBM的OS/2已经退出竞争的舞台。
虽然有PC版的UNIX，如SUN的Solaris和SCO的Unixware及OpenServer，但在办公自动化、字处理等大宗应用领域远不如Windows来得普及。
Linux系统虽然是免费产品，是唯一从PC到巨型机（包括MPP）系统上全谱系（即可伸缩性强）可运行的系统，其可靠性、稳定性、可扩充性、可伸缩性都是世人称道的。
但是大多数普通用户使用PC的目的是为了字处理、办公自动化、上网浏览、玩游戏，Linux在这方面的软件产品逊色得多，而这正好是Windows的强项。
（6）操作系统与软件是相互促进的。
好的操作系统下可以开发出更多的软件，而丰富的软件资源有助于操作系统的竞争和生存。
例1.2.3说明操作系统与计算机硬件的关系。
解
（1）操作系统的运行需要硬件的支持，如特权指令、中断机构和通道机构等；操作系统性能的发挥受硬件条件的影响，如内存的容量会影响Windows系统的运行速度。
（2）操作系统决定了硬件是否能被用户使用，决定了硬件的功能是否能发挥出来。
（3）操作系统与硬件的发展是相互促进的。
操作系统的重要任务之一是管理计算机的硬件。
操作系统的运行需要硬件的强有力的支持。
为了能使操作系统高效地运行，硬件系统的组织结构也在不断地进行改进。
（4）一种操作系统只能运行在特定种类的计算机上。
（5）一台计算机可以运行不同的操作系统。
例1.2.4一个操作系统能否管理任何种类的计算机？
解操作系统是与计算机硬件关系最密切的软件，负责管理计算机系统的硬件资源，不同种类的计算机有不同体系结构，不同的处理器，不同的指令系统，不同硬件配置，操作系统能够管理的软硬件资源受到一定的限制，一种操作系统只能安装到特定种类的计算机上。
如，Windows98只能用于管理IBMPC兼容机，而不能用于管理APPLE公司的Machintosh计算机。
例1.2.5为什么要区分系统态和用户态？
解区分系统态和用户态主要原因如下：
（1）为了防止操作系统及关键数据受到用户程序有意或无意的破坏，通常将处理机的执行状态分成系统态和用户态两种。
处于用户态执行的程序的操作要受到限制，不能去执行特权指令，访问操作系统区域和其他程序的区域，这就防止了用户程序对操作系统和其他用户程序的破坏。
操作系统的内核通常是运行在系统态的，用户态的程序通过系统调用接受系统态程序运行的服务。
（2）用户态下的进程能存取它们自己的指令与数据，但不能存取内核指令和数据或其他进程的指令和数据。
然而，系统态下的进程能够存取内核和用户地址。
例如，一个进程的虚拟地址空间可划分成仅在系统态下可存取及在系统态和用户态都可存取的两部分。
某些机器指令是特权指令（PrivilegeInstruction），如I/O指令等。
在用户态下执行的进程没有执行特权指令的能力，在用户态下执行特权指令会引起错误。
而在系统态下的进程可以执行一切指令。
例1.2.6多道程序系统的意义？
解多道程序系统的意义是：
（1）提高系统资源的利用率和系统吞吐率。
当一道程序需要等待某种事件发生时，处理机不需要空闲等待，而去执行另一道程序，这样也可以使处理机与外部设备并行操作，可以使其它资源并行或并发操作。
（2）客观世界本身就是一个多道系统，客观世界问题的解决要求多道程序系统的出现，这样可以使问题的解决更迅速、更直接、更方便。
例1.2.7实现多道程序系统的最主要硬件支持是什么？
解中断系统和通道技术。
（1）很多进程的切换是由时钟中断引起的，尤其是分时系统。
用户程序进行系统调用时通过软中断来实现，如TRAP。
通道和外设的操作也要向操作系统发送中断。
（2）在多道程序系统中，当CPU要求在主存和外设间传输数据时，通过发出I/O指令命令通道工作，通道独立地在内存和外设间进行数据传输，I/o操作完成后，通道以中断方式通知CPU，从而实现了CPU计算与I/O操作的并行。
例1.2.8微软的DOS存在很多技术问题，如内存管理、安全性、单道程序系统，但是它为什么成为了主流操作系统？
解主要原因是：
（1）适合当时的硬件条件；
（2）开发并聚集了大量的可用软硬资源；
（3）配备在流行的计算机上。
例1.2.9单道批处理系统如何克服手工操作阶段计算机系统的缺点的？
解手工操作阶段就是没有操作系统的时期，主要缺点是用户操作和准备操作的时间过长，大量的系统时间被浪费在人工操作上。
单道批处理系统引入了专职的操作员来减少用户的操作时间，将类似的作业作为一组通过计算机，实现了批处理，减少了建立作业运行环境所需要的时间，配备了简单的操作系统，完成了一个作业到另一作业的自动转换。
例1.2.10操作系统的什么用户接口一般用户使用的比较少？
为什么？
解一般用户使用程序接口较少。
程序接口是程序员在编写程序时利用操作系统所提供功能的方法，可以在高级语言和汇编语言中使用。
而一般用户主要通过交互操作界面控制和管理计算机，运行软件，使用需要的功能。
目前大多数软件使用高级语言开发，大多数功能可以通过高级语言的语句实现，不需要直接使用程序接口来完成，只有一些特殊功能才需要在高级语言中使用操作系统的程序接口。
因此大多数用户使用的是操作系统的控制接口。
例1.2.11批处理系统的优势是什么？
它给用户带来什么不便？
解吞吐量大，善于处理交互性少的作业。
它的缺点是交互性差。
用户不能动态地调试程序，不能动态地、交互地与计算机面对面地对话。
例1.2.12多用户分时系统如何既克服多道批处理的缺点又使系统的效率不降低？
解多道批处理具有非交互和效率高的特点。
手工操作阶段的计算机系统是交互的，但是用户操作和准备操作的时间过长，大量的系统的时间被浪费在人工操作上，因此引入了专职的操作员来减少用户的操作时间的浪费。
可见，交互性与效率是一对矛盾。
在多用户分时系统中，每个用户通过自己的终端将程序送到机器中，从而在主机中形成多道程序，通过对处理机的分时，而使终端上的用户可以交互地控制程序的执行，这样既保证了交互性又使系统的效率不降低，解决了交互性和效率之间的矛盾。
例1.2.13多道批处理与单道批处理的共同点和不同点？
解多道批处理与单道批处理的共同点是批处理，即非交互性、需要专职的操作员；不同点是多道批处理可以同时将多个作业装入内存执行，而单道批处理只能一次装入一个作业执行。
例1.2.14多用户分时系统如何保证系统的交互性？
解多用户分时系统的交互性体现在终端上的用户感觉上就好似单独使用一台计算机一样。
通过将处理机的时间分成很小的时间片，轮流地分配给联机终端。
由于人在终端上操作速度较慢，而处理机可以在很短的时间内分配给联机终端几个时间片，从而保证终端上的用户在感觉上好似单独使用一台计算机一样。
例1.2.15网络系统的工作站（客户机）与多用户分时系统的终端的区别？
解网络系统的工作站（客户机）本身是一个自主的计算机系统，有自己的内存、处理机和操作系统，具有独立的处理能力，而多用户分时系统的终端本身没有独立的处理能力，只是分时系统主机的输入和输出设备，程序的执行完全在主机上进行。
1.3习题
1.3.1选择最合适的答案
1.一般用户更喜欢使用的系统是（D）。
A.手工操作B.单道批处理
C.多道批处理D.多用户分时系统
2.与计算机硬件关系最密切的软件是（D）。
A.编译程序B.数据库管理系统
C.游戏程序D.OS
3.现代OS具有并发性和共享性，是（D）的引入导致的。
A.单道程序B.磁盘C.对象D.多道程序
4.早期的OS主要追求的是（A）。
A.系统的效率B.用户的方便性
C.可移植D.可扩充性
5.（A）不是多道程序系统
A.单用户单任务B.多道批处理系统
C.单用户多任务D.多用户分时系统
6.（B）是多道操作系统不可缺少的硬件支持。
A.打印机B.中断机构
C.软盘D.鼠标
7.特权指令可以在（D）执行。
A.目态B.浏览器中
C.任意的时间D.进程调度中
8.没有了（C）计算机系统就启动不起来。
A.编译器B.DBMS
C.OSD.浏览器
9.通道能够完成（B）之间的数据传输。
A.CPU与外设B.内存与外设
C.CPU与主存D.外设与外设
10.操作系统的主要功能有（C）。
A.进程管理、存储器管理、设备管理、处理机管理
B.虚拟存储管理、处理机管理、进程调度、文件系统
C.处理机管理、存储器管理、设备管理、文件系统
D.进程管理、中断管理、设备管理、文件系统
11.单处理机计算机系统中，（A）是并行操作的。
A.处理机的操作与通道的操作是并行的
B.程序与程序
C.主程序与子程序
D.用户程序与操作系统程序
12.处理机的所有指令可以在（D）执行。
A.目态B.浏览器中
C.任意的时间D.系统态
13.（B）功能不是操作系统直接完成的功能。
A.管理计算机硬盘B.对程序进行编译
C.实现虚拟存储器D.删除文件
14.要求在规定的时间内对外界的请求必须给予及时响应的OS是（B）。
A.多用户分时系统B.实时系统
C.批处理系统时间D.网络操作系统
15.操作系统是对（C）进行管理的软件。
A.硬件B.软件
C.计算机资源D.应用程序
16.（B）对多用户分时系统最重要。
A.实时性B.交互性
C.共享性D.运行效率
17.（D）对多道批处理系统最重要。
A.实时性B.交互性
C.共享性D.运行效率
18.（A）对实时系统最重要。
A.及时性B.交互性
C.共享性D.运行效率
19.Windows98是（C）操作系统。
A.多用户分时B.批处理系统
C.单用户多任务D.单用单任务
20.分布式系统与网络系统的主要区别是（B）
A.并行性B.透明性
C.共享性D.复杂性
21.（C）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
22.如果分时操作系统的时间片一定，那么（B），则响应时间越长。
A.用户数越少B.用户数越多
C.内存越小D.内存越大
23.下面6个系统中，必须是实时操作系统的有（C）个。
·航空订票系统
·过程控制系统
·机器口语翻译系统
·计算机辅助系统
·办公自动化系统
·计算机激光照排系统
A.1B.2C.3D.4
24.下面对OS不正确的描述是（D）。
A.OS是系统资源管理程序B.OS是为用户提供服务的程序
C.OS是其它软件的支撑软件D.OS是系统态程序的集合
25.OS的不确定性是指（D）。
A.程序的运行结果不确定B.程序的运行次序不确定
C.程序多次运行的时间不确定D.A、B和C
26.下面哪一个不是程序在并发系统内执行的特点（ C）。
A.程序执行的间断性B.相互通信的可能性
C.产生死锁的必然性D.资源分配的动态性
27.在下面关于并发性的叙述中正确的是（C）。
A.并发性是指若干事件在同一时刻发生
B.并发性是指若干事件在不同时刻发生
C.并发性是指若干事件在同一时间间隔内发生
D.并发性是指若干事件在不同时间间隔内发生
28.一般来说，为了实现多道程序设计，计算机最需要（A）
A.更大的内存B.更多的外设
C.更快的CPUD.更先进的终端
1.3.2选择所有正确的答案
1.多道程序系统的运行必须要依赖（AB）硬件机构的支持。
A.通道B.中断
C.鼠标D.光盘
2.在单处理机计算机系统中，多道程序的执行具有（ABC）的特点。
A.程序执行宏观上并行B.程序执行微观上串行
C.设备和处理机可以并行D.设备和处理机只能串行
3.应用程序在（AB）系统上，相同的数据的条件下多次执行，所需要的时间是可能不同的。
A.多用户分时B.多道批处理
C.单道批处理D.单用单任务
4.能同时执行多个程序的OS是（ACD）。
A.多道批处理B.单道批处理
C.分时系统D.实时系统
5.下列哪些指令只能在系统态执行？
（AD）
A.关中断B.读系统时钟
C.向寄存器存数据D.修改系统时钟
6.（AB）可以直接通过OS的（作业）控制接口完成。
A.用户复制文件B.查看目录
C.向寄存器存数据D.读磁盘的扇区
7.用户要求（CD）系统对用户的请求在一定的时间内给予及时响应。
A.多道批处理B.单道批处理
C.分时系统D.实时系统
8.（AB）系统不是操作系统
A.WORDB.EXCEL
C.UNIXD.WINDOWS
9.（ABD）不适合批处理。
A.玩游戏B.飞行模拟
C.解大型方程组D.调试程序
10.下列的哪些特性是为多道操作系统特意准备的？
（AB）
A.特权指令B.系统态/用户态模式
C.时钟D.跳转指令
11.Unix操作系统允许用户在（A）上使用系统调用。
A.汇编语言B.C语言
C.英语D.各种程序设计语言
12.在单处理机系统中，相同的硬件条件下，要执行10个程序，每个程序单独执行需要6分钟，现在10个程序同时在多道程序系统执行，一般情况下，每个程序执行完毕需要的时间（B），全部执行完毕总共需要的时间（C）。
A.小于6分钟B.大于6分钟
C.小于等于60分钟D.大于60分钟
13.分时系统需要使用下面哪些技术（ACDF）
A.多道程序设计技术
B.作业说明书
C.终端命令解释程序
D.中断处理
E.作业调度
F.系统调用
14.下列哪几种指令应该只在核心态下执行（ADF）。
A.屏蔽所有中断
B.读时钟日期
C.设置时钟日期
D.改变存储映像图
E.存取某地址单元的内容
F.停机
1.3.3判断正误，简要说明理由
1.操作系统属于最重要的、最不可缺少的应用软件。
×
2.操作系统完成的主要功能是与硬件相关的。
√
3.操作系统的所有程序都在系统态执行。
×
4.多道程序系统在单处理机的环境下，程序的执行是并发不是并行的，程序的执行与I/O操作也只能并发不能并行。
×
5.当计算机系统没有用户程序执行时，处理机完全处于空闲状态。
×
6.超级用户（管理员、特权用户）可以使用特权指令。
×
7.系统的资源的利用率越高用户越满意。
×
8.多道程序的执行一定不具备再现性。
×
9.分时系统不需要多道程序技术的支持。
×
10.分时系统的用户具有独占性，因此一个用户可以独占计算机系统的资源。
×
11.设计实时操作系统时，首先应考虑系统的优良性和分配性。
×
12.批处理系统不允许用户随时干涉自己程序的运行。
√
13.虚拟机不需要硬件的支持。
×
14.操作系统的所有程序是长驻内存的。
×
1.3.4简答题
1.客户机/服务器模型常用于网络和分布式系统，是否可以用于单机系统？
2.系统调用与一般用户函数调用的区别？
3.一般计算机的启动过程？
4.一般用户最常用的操作系统与用户的接口是什么接口？
5.过程调用和系统调用的共同点是什么，它们与中断调用的差别是什么？
6.什么是处理机现场信息？
7.操作系统对计算机系统性能的影响有哪些？
8.多道程序系统如何实现CPU计算与I/O操作的并行？
9.分时系统的响应时间受哪些因素影响？
10.分时系统与实时系统的主要区别？
1.3.5解答题
1.在相同的硬件条件下，为什么一个程序可以在DOS和Windows上运行却不能在UINX上运行？
2.举例说明，只有被操作系统管理和控制的资源才能被用户使用。
3.举例说明，多道程序的引入提高了系统资源的利用率，同时也使操作系统复杂化。
4.用于国家导弹防御系统的计算机系统是一个什么样的系统？
5.为什么中断机构对于多道操作系统是必不可少的？
6.网络操作系统与分布式操作系统的区别？
7.评价一个操作系统的主要因素有哪些？
8.多用户分时系统如何克服多道批处理系统的缺点？
9.将手工操作、单道批处理、多道批处理、多用户分时系统按CPU的有效利用率，由小到大进行排列。
1.4习题解答要点
1.4.1选择最合适的答案
1.D2.D3.D4.A5.A6.B7.D8.C9.B10.C
11.A12.D13.B14.B15.C16.B17.D18.A19.C20.B
21.C22.B23.C24.D25.D26.C27.C28.A
1.4.3选择所有正确的答案
1.AB2.ABC3.AB4.ACD5.AD
6.AB7.CD8.AB9.ABD10.AB
11.A12.BC13.ACDF14.ADF
1.3.3判断正误，简要说明理由
1.错误
操作系统是最接近于计算机硬件的系统软件。
2.正确
3.错误
操作系统中有很多外部命令在用户态下执行，特别是微内核OS的许多功能是在外核的用户态上完成的。
4.错误
“多道程序系统在单处理机的环境下，程序的执行是并发不是并行的”这句话是正确的，但是程序的执行与I/O操作在通道、中断、DMA的支持下可以并行操作。
5.错误
系统进程可能正在执行，操作系统可以利用这段时间对系统进行整理等操作。
6.错误
这是把概念混淆了，超级用户是计算机系统中权利最大的用户，可以删除任何文件，撤消进程，这些操作的完成是超级用户通过使用操作系统提供的功能完成，这些功能一般用户没有权利使用。
特权指令是只能在核心态执行的机器指令。
7.错误
系统的资源利用率高可能使用户等待更长的时间，方便性、交互性也可能受到影响。
8.错误
单道程序的再现性是本身固有的，多道程序的执行失去了再现性，多道程序执行的再现性不是自然获得的，是通过程序员的编程控制添加上去。
9.错误
分时系统本身就是多道程序系统。
10.错误
分时系统的独占性是终端上的用户在使用计算机时在感觉上好似单独使用一台计算机一样。
这种感觉是通过将处理机的时间分成很小的时间片，轮流地分配给联机终端而完成的。
因此，分时系统的用户是与其它用户共享计算系统的资源。
11.错误
设计实时操作系统时，首先要考虑系统的实时性和可靠性。
12.正确
13.错误
通过OS将物理的资源转换为逻辑资源。
14.错误
内部命令长驻内存。
1.3.4简答题
1.客户机/服务器模型是一个通用的模型。
广义上讲提供服务的叫服务器，请求服务的叫客户机。
客户机/服务器模型操作系统中，文件服务、进程服务等功能是以服务器进程的方式运行于用户态，用户进程通过向服务器进程发出请求，获得服务器的服务。
因此，客户机/服务器模型既可以用于网络和分布式系统，也可以用于单机系统，只不过网络和分布式系统更需要这种形式。
2.系统调用执行的程序在操作系统中，在系统态执行；一般用户函数调用程序由用户准备，在用户态执行。
3.一般计算机的启动过程是：
（1）由ROM程序对硬件进行检测。
（2）由ROM中的启动程序引导磁盘上引导块（bootblock）读入内存。
（3）由引导块将OS的内核调入内存。
（4）执行OS内核程序，对OS自身进行初始化。
（5）加载外核处理程序，给出提示，等待用户操作
4.一般用户最常用的操作系统与用户的接口是控制接口，用户使用这个接口控制、管理和操作计算机系统，利用它控制程序的执行。
控制接口分为脱机接口、命令接口、图形接口、多媒体接口。
5.过程调用和系统调用的执行完全是同步的，也就是在相同的数据集上重复执行，它们的调用点是相同的，都需要保存现场信息，转去执行另外的程序，执行后返回。
中断调用是异步的，在相同的数据集上重复执行，中断的发生点可以是不同的。
6.处理机现场信息是处理机在任意时刻的状态信息集合，主要包括处理机程序状态寄存器的值、程序计数器和各个寄存器的值。
6.操作系统会影响到计算机系统的可靠性、方便性、效率、可维护性、处理任务的速度、软件成本等。
7.在多道程序系统中，当需要I/O操作，不需要CPU直接控制I/O操作的完成，利用通道、DMA及中断机构控制直接控制I/O操作的完成，这时CPU也不是空闲等待I/O操作的完成，而是转去执行另外一道程序。
8.分时系统的响应时间指用户从终端发出一个命令到系统处理完这个命令并做出回答所需要的时间，这个时间受时间片长度、终端用户个数、命令本身功能、硬件特性、主存与辅存的交换速度的影响。
10.分时系统是指在一个系统中多个用户分时地使用同一计算机。
实时系统是指计算机及时响应外部事件的请求，在规定时限内完成对该事件的处理，并控制所有实时设备和实时任务协调一致
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