操作系统 习题及答案 第二章 操作系统运行环境

第二章操作系统运行环境习题1．请简述处理器的组成和工作原理。你认为哪些部分和操作系统密切相关，为什么？处理器由运算器、存储器、控制器组成，其中运算器负责算数运算、存储器负责数据存储、控制器负责流程控制。每一个部分都和操作系统密切相关。2．为了支持操作系统，现代处理器一般都提供哪两种工作状态，以隔离操作系统和普通程序？两种状态各有什么特点？现代处理器一般都提供管态和目态等两种工作状态。用户程序在目态下运行，只能使用非特权指令，具有较低的特权级别。操作系统在管态下运行，可以使用特权指令和非特权指令，具有较高的特权级别。3．计算机系统中既有操作系统程序，又有用户程序，在什么情况下操作系统程序才能占用中央处理器？当用户程序占用CPU时，CPU在目态下运行，只能使用非特权指令，当需要使用特权指令时，将引起一次处理器状态的切换，此时处理器通过中断机制，将目态转换为管态，然后将处理权移交给操作系统中的一段代码，操作系统才能占用CPU。从目态变为管态其转换的唯一途径是通过中断。4．为什么要把“启动I/O”等指令定义为特权指令？一个程序可以在其它程序等待外围设备传送信息时占用处理器执行，在执行中如果它也使用启动指令去启动一台正在工作的外围设备，那么就会造成冲突。为保护输入输出的完整性，把“启动I/O”等的一类可能影响系统安全的指令定义为特权指令。特权指令只允许操作系统使用，用户程序不能使用特权指令。用户程序若要启动I/O，必须请求操作系统代为启动，这种方式不但可以保证安全地使用外围设备，正确地传送信息，而且可减少用户为启动设备而必须了解外围设备特性以及启动等工作，大大方便了用户。5．怎样限制用户程序中使用特权指令？为了保证正确的操作，应该限制用户程序使用特权指令，为此，中央处理器设置了两种工作方式，管态和目态。在管态下，中央处理器可执行包含特权指令在内的一切指令；在目态下，中央处理器不准执行特权指令。操作系统在管态下工作，用户程序在目态下工作。如果中央处理器在目态下取到了特权指令，中央处理器就拒绝执行该指令，并产生“非法操作”事件经中断装置和操作系统通知用户修改。6．什么是分级的存储体系结构？它主要解决了什么问题？从整个系统上来看，在计算机系统中层次化的储存体系是由寄存器、高速缓存、内存储器、硬盘存储器、磁带机和光盘存储器等装置构成。容量、速度和成本这三个目标不可能同时到最优。存取的速度与价格相反，为了解决这一问题，可采用层次化的存储体系结构。由于现代的程序设计技术很注重代码的复用，一旦进入这样的程序段就会重复存取相同的指令集合。基于这一原理，充分有理由设计出多级存储结构，并使得存取级别较低的比率小于存储级别较高的存储器比率。7．请简述程序局部性原理。由于现代的程序设计技术很注重代码的复用，程序内中会有很多的循环和子程序调用。一旦进入这样的程序段就会重复存取相同的指令集合。对数据的存取也有类似的局部性现象。一段时间后，使用的代码和数据的集合会改变，但在较短时间里能稳定的保持在一个存储的局部区域中，处理器也主要和这个局部打交道。8．什么是存储保护？有哪些方法实现存储保护？保护存储在内存中的用户程序和操作系统，以及它们的数据。界地址寄存器：在处理器中设置一对界限寄存器来存储该用户作业在内存中的上限和下限地址。将一个寄存器作为基址寄存器，另一个寄存器作为限长寄存器（指示存储区域的长度）来指出程序在内存中的存储区域。9．操作系统与硬件如何配合来实现存储保护的？操作系统通过与硬件中的界地址寄存器实现存储保护。其方法是在CPU中设置一对界限寄存器来存放某个作业在内存中的下限和上限地址，或者一个寄存器作为基址寄存器，另一个作为限长寄存器。每当CPU访问内存时，硬件自动将被访问的内存地址与界限寄存器的内容进行比较，以判断是否越界。如果未越界，则按此地址访问内存，否则将产生越界中断。10．什么是中断？为什么说中断对现代计算机很重要？所谓中断是指CPU对系统中或系统外所发生的异步事件的响应。异步事件是指无一定时序关系的随机发生的事件。中断是所有要打断CPU的正常工作次序，并要求其去处理某一事件的一种常用手段。中断技术解决了主机和外设并行工作的问题，消除了因外设的慢速而使得主机等待的现象，为多机操作和实时处理提供了硬件基础。充分发挥处理器的使用效率。提高系统的实时能力。11．中断的作用是什么?中断的作用有两个方面:首先是使CPU能充分发挥使用效率，让I/O设备用中断的方式用CPU通信，报告其完成CPU所要求的数据传输的情况和问题，以免除CPU不断地查询和等待，从而大大提高CPU的效率。其次是提高系统的实时能力，当系统要求实时处理某些事件时，可以通过中断请求及时处理，从而使CPU立即作出响应。12．中断向量是什么？其作用是什么？引起中断的事件称为中断事件或中断源，计算机系统提供的中断源的有序集合称为中断字。处理某一种中断事件的程序称为中断处理程序。为了使中断装置便于找到所需的中断处理程序，专门设计了中断处理程序入口地址映射表，称为中断向量表，表中的每一项称为中断向量，主要由程序状态字PSW和程序计数器PC的值组成。中断向量的作用是通过它可以找到中断处理程序在内存中的存储位置。13．中断响应主要做哪些工作？中断响应主要包括5个工作:1)处理器接收中断信号；2)保护现场，将中断断点的PSW和程序计数器PC的值存入系统堆栈；3)分析中断向量，取得中断处理程序的入口地址；4)将处理器的PC值置为中断处理程序的入口地址；5)调用中断处理程序。14．中断处理的主要步骤是什么？中断处理指中断信号已经被中断系统的硬件中断装置接收和响应之后，相应的中断处理程序进行中断处理的步骤。包括检查I/O相关的状态信息，操纵1/0设备或者在设备和内存之间传送数据等。在中断处理程序结束工作之后，处理器会检测到一条中断返回指令。处理器执行此指令，恢复中断时所保护的中断断点现场，处理器也从管态恢复成被中断时的目态。整个中断处理结束。15．为什么要对中断进行屏蔽？屏蔽掉不够紧急或不够重要的中断信号，使系统优先处理最紧急或最重要的中断信号。16．多个中断同时发生时，系统是怎样处理的？多级中断与中断优先级1）中断信号依据紧急程度和重要性划分等级，在需要处理的各类中断信号中，它们的紧急程度和重要性是不同的。系统当然要优先处理最紧急的或者最重要的中断信号。而中断信号本身的重要性或紧急性，则由该中断的级别的高低来表时。2）当同一中断等级的多个接口中同时都有中断请求时，一般有两种方式；固定的优先数：给每个设备接口安排一个不同的、固定的优先顺序。轮转法：用一个表格，依次轮转响应，这是一个较为公平合理的方法。中断嵌套中断按照优先级分级，允许优先级较高的中断打断优先级较低的中断处理过程，于是引发中断嵌套。17．阐述硬件的中断装置的作用。中断是计算机系统结构一个重要的组成部分。在中断机制中的硬件部分（中断装置）的作用就是在CPU每执行完一条指令后，判别是否有事件发生，如果没有事件发生，CPU继续执行；若有事件发生，中断装置中断原先占用CPU的程序的执行，把被中断程序的断点保存起来，让操作系统的处理服务程序占用CPU对事件进行处理，处理完后，再让被中断的程序继续占用CPU执行下去。所以中断装置的作用总的来说就是使操作系统可以控制各个程序的执行，为用户提共各种服务。18．常用的I/O控制技术有哪些？各有什么特点？DMA方式：通过DMA控制器成块的控制数据在内存和IO设备之间的移动。通道方式：独立的对IO数据进行处理，和CPU并行，不需要CPU干预。19．缓冲技术在计算机系统中起着什么样的作用？它是如何工作的？缓冲技术：匹配计算机中高速设备和低速设备的交互。解决了设备之间速度不一样的问题工作：每当用户输入数据时，现在缓冲区中寻找，如果已经在缓冲区，直接使用，否则由内存输入到缓冲区在由用户使用。20．时钟对操作系统有什么重要作用？防止系统死循环，实现作业按时间片轮转。21．硬件时钟怎样实现？其作用是什么？在电路中的晶体振荡器每隔一段时间产生固定的脉冲频率，时钟电路中的时钟寄存器根据时钟电路产生的脉冲数对时钟寄存器加1，作用是防止系统死循环，实现作业按时间片轮转。22．软件时钟怎样实现？其作用是什么？由操作系统维护，常用作相对时钟。作用是防止系统死循环，实现作业按时间片轮转。23．系统调用和一般过程调用的区别是什么？运行的状态不同。在程序中的过程一般或者都是用户程序，或者都是系统程序，即都是运行在同一个系统状态的（用户态或系统态）。进入的方式不同。一般的过程调用可以直接由调用过程转向被调用的过程。而执行系统调用时，由于调用过程与被调用过程是处于不同的状态，因而不允许由调用过程直接转向被调用过程，通常是通过访管中断（即软中断）进入，先进入操作系统，经分析后，才能转向相应的命令处理程序。返回方式的不同。一般的过程调用在被调用过程执行完后，将返回到调用过程继续执行。但是，在采用抢占式调度方式的系统中，被调用过程执行完后，系统将对所有要求运行的进程进行优先级分析。24．系统调用的主要处理