操作系统原理期末考试试题B卷参考答案.docx

1、操作系统原理期末考试试题B卷参考答案南开大学信息技术科学学院本科生2008-2009年度第一学期操作系统原理课程期末试卷（B卷）专业年级姓名学号成绩得 分 一、简答题（本题共30分，每题6分，必做） 草稿区1. 请简述分时操作系统中两种最主要的进程调度策略，并对每种策略举出2种实例。剥夺式调度：操作系统按照进程调度算法控制多个进程分享CPU，使得CPU在多个进程之间进行切换，这种机制叫做剥夺式调度。 (定义1分)而非剥夺式调度是指： 进程一旦占用CPU，就会一直运行到结束，其他进程只能等待该进程释放CPU后才能依次占用CPU，这种机制叫非剥夺式调度。(定义1分)剥夺式调度算法：时间片轮转，优先

2、级调度，最短剩余时间优先等。(每个1分)非剥夺式调度算法：先来先服务，最短作业优先等。(每个1分)2. 请简要解释DMA机制的工作方式，并分析DMA驱动I/O与中断驱动I/O的差别？DMA，即直接存储器存取，是指在外设和存储器之间开辟一个直接的数据通道，数据传输由另外的DMA控制器来完成(2分)。DMA控制器在开始传输之前获取目的地址，由DMA控制器控制外设将数据写入存储器。(2分)这种方式驱动I/O和中断驱动I/O的最主要的区别在于不再需要CPU的参与。(2分)3. 文件的逻辑结构分为几种形式？文件的磁盘布局分为几种形式？ 文件的逻辑结构主要分两大类：字符流式的无结构文件和记录式的有结构文件

3、。(2分)字符流式的文件管理简单，用户操作较为简单，常见的如源代码文件、目标代码文件等。记录式文件将文件中的记录按照一定的方式进行排列，从而形成不同的逻辑结构，用户方便对其进行修改、追加、查找等功能。(1分)文件的磁盘布局是指文件存储在磁盘上的具体实现方式，主要有连续分配、链表分配、在内存中采用表的链表分配（索引文件）、i结点等几种方式。(3分) 草稿区4. 解释什么是中断，并对中断的处理过程做简要描述。中断是指计算机在执行期间，系统内发生任何非寻常的或者非预期的急需处理的事件，使得CPU暂时中断当前正在执行的的程序转去执行相应的事件处理程序，待处理完毕后又返回原来被中断处继续执行或者调度新的

4、进程执行的过程。（3分）一般中断处理程序主要由以下几步完成，判断中断响应文件、关中断、保存中断现场、分析中断原因转中断处理子程序、执行中断处理子程序、恢复现场、开中断、返回中断点。（3分）5. 请列出至少3种你认为CPU中比较重要的跟操作系统有关的寄存器。CPU中最重要的寄存器有：程序计数器PC，其中装有下一周期要被执行的指令的地址。（2分）指令寄存器IR，内装有待执行的指令。（2分）程序状态字PSW，该寄存器中的各个比特位代表着系统中当前的各种不同状态与信息。例如执行模式是否允许中断等。（2分） 得 分 二、编程计算题（本题共四小题，共计45分，必做） 草稿区 请在下面的表格中指定答题顺序，

5、在对应的分值下列明题号。每格只许列出一个题号，否则做无效处理。 必须写明所有题目的题号，如果填写不完全，视为不指定答题顺序。 如填写内容无效或者不填写表格，则按照默认的题面分值评分第一题（15分）第二题（12分）第三题（10分）第四题（8分）6. 进程同步互斥与死锁问题的解决（默认分值：15分）有一条南北双向的国家公路，其中一段路程共享一个单车道的隧道，行驶的汽车到达隧道入口处时，没有迎面而来的汽车时才能使用隧道。为了避免事故的发生，需要设计一套传感和信号系统。当一辆汽车接近隧道时，传感器通过Arrive函数向信号控制系统传递汽车运行的方向参数；当一辆汽车离开隧道时，传感器通过Depart函数

6、向信号控制系统传递汽车的运行参数。控制系统使用一个单核多线程CPU作为处理器，并在隧道两端设置信号灯如下：绿灯表示行进，红灯表示停止。图1是该问题的示意图： 请回答以下问题：1） 分析该问题中存在的同步和互斥关系，并确定需要使用几个传感器和信号灯，说明使用方式和设置位置。隧道是两边车的竞争条件。(1分)使用两个传感器和两个信号灯，分别在左右进入隧道的路上每条路上设置一个传感器和一个信号灯。信号灯位置在隧道口前，传感器位置在离隧道口更远一点的地方，在经过传感器后如果信号灯立即改变，有充分时间让司机停车。(2分)2） 用伪代码设计该控制系统的软件框架（描述每个进程的处理过程）。在你设计的软件框架中

7、，是否存在死锁的可能？如果有的话，你如何处理死锁问题？ 1. 信号量定义typedef int semph; semph LMutex = 1; semph RMutex = 1; semph Concur = 1; int iL2RCount = 0; int iR2LCount = 0;2. 左侧汽车过隧道进程/ 记录过隧道汽车数，对右侧信号量进行P操作P(Concur); / 在通过传感器时开始P(LMutex);iL2RCount+;if(iL2RCount = 1) P(RMutex); SetRLightRed(); V(LMutex);V(Concur);/ 过隧道Pass_Br

8、idge(L,R);/ 过隧道后的信号灯恢复P(LMutex);iL2RCount-;if(iL2RCount = 0) V(RMutex); SetRLightGreen(); V(LMutex);3. 右侧汽车过隧道进程与左侧类似。(6分) 草稿区7. 虚拟存储管理缺页调度问题的分析（默认分值：10分）使用“分页式”虚拟存储管理技术，假设一个进程P的页面访问顺序如下：0 1 2 3 0 1 4 0 1 2 3 4。该进程创建时没有加载任何页面，即该进程启动时其所有指令和数据都不在内存中。1） 设分配给该进程的物理页帧为3个，使用FIFO页面置换算法时，请问会发生多少次缺页中断？使用硬件实现

9、的LRU算法，会发生多少次缺页中断？FIFO: 9次(2分)当前页012301401234物理桢000333444444/11100000222/2221111133是否中断替换页/012301LRU: 10次(2分)当前页012301401234物理桢000333444222/11100000033/2221111114是否中断替换页/01234012） 对于以上两种页面置换算法，如希望减少缺页中断的次数，是否可以通过增加物理页帧来解决？为什么？FIFO在这种情况下不能减少缺页中断，反而会增加 (列表说明)。这是Belady异常现象。(2分)而LRU和其他如最优置换算法这类为栈式算法，增加物

10、理页帧后必然能提高命中率。(2分) 3）在分页系统中将I/O设备的数据缓冲区映射到内存空间后，其对应的页面是否能够被替换？为什么？不行。因为I/O设备的数据缓冲区映射到内存空间后，是虚拟的地址空间，并不真的存在于内存之中，因此不能进行页面替换。(2分) 草稿区8. I/O设备与I/O软件问题的分析和解决（默认分值：12分）设有一台32位计算机，使用单核CPU。你负责基于这台计算机设计一种新的网卡驱动程序，网卡的数据缓冲区为1M大小，为了完成这个任务，你必须分析并解决以下问题： 1） I/O软件问题：用户进程通过该网卡向局域网中的另一台计算机发送数据，请遵循I/O软件的层次和控制流程，描述用户进

11、程数据被保存到网卡缓冲区中的完整处理过程。注意：必须说明有哪些系统进程/服务进程参与，以及各自的作用。库例程(System call libraries)作用是给相应的系统调用提供参数并调用；守护进程(daemon process)是用于假脱机(spooling)技术，使用在如打印机等独占设备上；(6分)2)网卡的工作模式如下：用户发出一个系统调用，请求将数据发送到局域网的另一台计算机上。然后操作系统将数据复制到一个内核缓冲区中，再将数据复制到网卡的数据缓冲区中。当所有数据都安全存放在网卡的数据缓冲区后，再将它们以每秒10M位的速率发送。接收端的网卡以每微妙1位的速率保存它们。当最后一位被接受

12、后，目标计算机的CPU将被中断。OS将新到达的数据包复制到内核缓冲区中，并检查该数据包属于哪个接收进程，然后将数据复制到接收进程的内存空间中。设每一个中断及其相关的处理过程需花费1毫秒，数据包为1024字节（忽略包头），并且复制一个字节花费1微秒时间。请问从发送进程提出请求，到接收进程获得数据的最小时间间隔是多少？1ms(系统调用，请求发出)+2*1024byte/(1byte/us)(复制到网卡缓存)+1024byte/(10M*bit/s)(发送数据)+1024byte/(1bit/s)(接收数据)+1ms(接收完成，中断)+2*1024byte/(1byte/us)(复制) (3分)大约

13、15ms (1分) 草稿区9. 进程管理问题（默认分值：8分）设操作系统中的进程状态有如下七个：New、Ready、Run、Blocked、Exit、Suspend Ready、Suspend Blocked、Exit，请回答以下问题：1） 请分析New、Exit和Suspend状态的作用。New状态指该进程的数据结构已创建，但内存映像还没有被加载。(1分)Exit状态指该进程的全部工作已经完成，但是由于被其他进程引用等原因，数据结构还没有删除。(1分)Suspend状态指该进程内存映像已经被替换出内存。(1分)2） 请描述在计算机中何时处理进程调度？如果采用多级队列调度算法，请尝试设计一个进

14、程调度程序的软件框架。1. 在创建一个新进程时；2. 在某进程退出时；3. 当某进程被阻塞时；4. 在一个I/O中断发生时。如果在周期性提供时钟中断的系统中，可以在每k个时钟中断时做出调度策略。(2分)进程调度程序框架设计要点：1. 使用多级队列；2. 动态优先级调度；3. 响应时间短；4. 防止饥饿。(5分) 草稿区得 分 三、系统分析题（本题共三小题，共计25分，选做2题，多做题目不得分） 请在下面的表格中指定答题顺序，在对应的分值下列明题号。每格只许列出一个题号，否则做无效处理。 必须写明所有题目的题号，如果填写不完全，视为不指定答题顺序。 如填写内容无效或者不填写表格，则按照默认的题面

15、分值评分第一题（15分）第二题（10分） 10. 文件系统综合设计（默认分值：15分）假定你负责设计一个基于32位计算机的文件系统，如果存储磁盘的容量是60G，磁盘扇区大小为1M，文件的最大容量为2GB，文件名仅支持8.3格式。该文件系统主要满足商用I/O操作，因此空间变化比较频繁，请设计一种合理的文件系统磁盘空间管理方式。包括目录、文件的逻辑结构与物理实现。结合操作系统教材上的方法设计，涉及东西较多，实际上就是一个真实的文件系统了。由于用于商用I/O操作，需要对文件记录进行频繁的修改、增删、查找等操作，并且可能使用到大的数据量，为了有序地管理目录和文件，使用层次级的目录结构，对文件则选择记录

16、序列的逻辑组织结构。在物理实现时，选用i节点方式对文件目录进行管理。磁盘块分为功能块以及数据块，其中引导块，超级块，位图块以及i节点块为功能块，其余的为数据块。超级块记录文件系统的信息。位图块用来管理磁盘块的使用情况，位图块中的某个块为“1”表示对应的磁盘块可用。i节点块用于记录文件以及目录的信息。磁盘的第一个块是引导块，保留不用。超级块是第二个磁盘块。一个位图块有1M * 8 = 8M个二进制位，能表示8M * 1M = 8T的磁盘容量，所以只需一个位图块就能管理所有的磁盘块。文件系统的目录和文件不是固定的，所以i结点块动态分配，一个块能包含的i结点数与i结点的具体大小有关。一个文件最大是2

17、G，也就是2K个磁盘块，如果为每一个文件一次分配这么多块，会造成资源的浪费，因此可以默认为每个文件分配一个小数量的磁盘块，如果不够，再申请磁盘块，最多能申请2K个。 草稿区11. 操作系统综合设计（默认分值：15分）假设你需要为某企业设计一个分时操作系统，请回答以下问题：1) 你认为哪些系统进程最重要？时钟中断，设备驱动，shell，idle。文件系统服务。安全认证进程。根该系统具体负责的主要工作有关系，记录日志的进程，数据保存和处理系统等。灾难恢复进程。2) 如果该操作系统主要负责处理IO-Bounded进程，你认为系统性能的瓶颈可能是什么？如何解决？ 进程调度瓶颈。如果使用时间片轮转算法，

18、时间片长度会成为瓶颈，如果时间片过长，则无法满足频繁调度的需求；如果时间片过短，则进程调度占用时间比例过大。文件系统，查找文件，读写文件。建立索引。内存，页面替换瓶颈。IO速度瓶颈。数据同步问题等， 采用DMA ，I/O Channel等机制都可以的。 草稿区12. 系统安全分析（默认分值：10分）操作系统的安全性越来越重要，为了实现对数据和信息的安全保护，在操作系统设计过程中，需要设计很多方法技术。请回答以下问题：1) 从内存管理的角度分析，可以有哪些安全保护手段？基于段的管理：每个段有基地址，有段限长，有特权级。只有满足一定特权级要求的进程才可以访问该段，并且只能访问段限长大小之内的数据。在PSW中加入对内存的控制信息，如上下界保护法，为每一个进程设立上下界寄存器，里面存放着被保护程序和数据的起始地址和终止地址；基于物理页的管理：在页表中增加对访问的限制位，如保护键法为每一个被保护的存储块分配一个单独的保护键；基于进程的管理：进程的页面是受保护的，某个进程只能访问属于该进程的页面，不能访问其它进程的页面，除非页面共享。2) 为防止某些数据文件被非法访问，可以有哪些保护手段？保护域，对进程进行约束，让进程在某保护域中执行，由保护域限制进程访问的数据；存取控制表，对文件进行约束，在访问文件数据时按存取控制表进行检测；权限表，存储进程对各文件的操作权限；目录、文件、磁盘扇区的加密。