操作系统练习册01

第一篇 理论知识与习题解答

第一篇 理论知识与习题解答

第1章 引 论

本章主要讲述操作系统的基本概念，具体包括操作系统的地位和目标，操作系统的形成与发展，以及操作系统的功能与特征等内容。

重点提示：

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操作系统的基本概念 多道程序设计技术

多道程序设计是操作系统的理论基础，利用处理机和外设并行工作来提高系统的效率，使得处理机、内存和外设资源得到更加充分地利用，但多道程序的引入，必然给操作系统的理解、设计和调试带来复杂的因素。

1-1 重点难点指导

1-1-1 操作系统的地位与目标

操作系统是计算机系统中的一个系统软件，能有效地组织和管理计算机系统中的硬件和软件资源，合理地组织计算机工作流程，控制程序的执行，并向用户提供各种服务功能，使得用户能够灵活、方便、有效地使用计算机，并使整个计算机系统能高效地运行的一组程序模块的集合。

1．操作系统的地位

操作系统是计算机系统中硬、软件资源的总指挥部。操作系统的性能高低决定了整体计算机的潜在硬件性能能否发挥出来。操作系统本身的安全可靠程度，决定了整个计算机系统的安全性和可靠性。操作系统是软件技术含量最大、附加值最高的部分，是软件技术的核心，是软件的基础运行平台。

2．操作系统的目标

（1）方便性。配置操作系统后可使计算机系统更容易使用。

（2）有效性。操作系统使计算机资源的使用更有效，即资源利用率更高。

（3）可扩充性。操作系统应采用模块化结构，以便于增加新的功能和修改老的功能模块。

（4）开放性。为使出自不同厂家的计算机及其设备能通过网络加以集成化并正确、有效地协同工作，实现应用程序的可移植性和互操作性，因而要求计算机具有统一的开放环境，其中首先是要求操作系统具有开放性。

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操作系统习题解答与实验指导（第三版）

1-1-2 操作系统的形成与发展

1．无操作系统时的计算机系统 （1）人工操作方式

第一代计算机时期（1946年至20世纪50年代中期）没有操作系统。这时期的计算机操作是由用户（即程序员）采用人工操作方式直接使用计算机硬件系统，即由程序员将事先已穿孔（对应于程序和数据）的纸带（或卡片）装入纸带输入机（或卡片输入机），再启动它们将程序和数据输入计算机，然后启动计算机运行。当程序运行完毕并取走计算结果后，下一个用户才能上机。

（2）脱机输入/输出方式

为了解决人机矛盾及CPU和I/O设备之间速度不匹配的矛盾，50年代末出现了脱机输入/输出技术。该技术是指事先将装有用户程序和数据的纸带（或卡片）装入纸带（或卡片）输入机，在一台外围机的控制下把纸带（卡片）上的数据（程序）输入到磁带（盘）上。当CPU需要这些程序和数据时再从磁带（盘）上高速地调入内存。类似地，当CPU需要输出时可由CPU直接高速地把数据从内存送到磁带（盘）上，然后在另一台外围机的控制下，将磁带（盘）上的结果通过相应的输出设备输出。

2．单道批处理操作系统

批处理技术是把一批作业以脱机输入方式输入到磁带（盘）上，并在系统中配上监督程序，在监督程序的控制下使这批作业能一个接一个地连续处理。由于系统对作业的处理都是成批地进行，且在内存中始终只保持一道作业，故称为单道批处理系统。

单道批处理系统是最早出现的一种操作系统。严格地说，它只能算是操作系统的前身而并非是现在人们所理解的操作系统。尽管如此，该系统比起人工操作方式已有很大的进步，其主要特征为：自动性、顺序性、单道性。

3．多道批处理操作系统

（1）多道批处理系统的基本概念 在早期的单道批处理系统中，内存中仅有一道作业，这使得系统中仍有较多的空闲资源，致使系统的性能较差。为了进一步提高资源的利用率和系统的吞吐率，于20世纪60年代中期引入了多道程序设计技术，由此形成了多道批处理系统。

在多道批处理系统中，用户所提交的作业都先存放在外存中并排成一个队列，该队列被称为“后备队列”。然后，由作业调度程序按一定的算法从后备队列中选择若干个作业调入内存，使它们共享CPU和系统中的各种资源，以达到提高资源利用率和系统吞吐量的目的。

（2）多道批处理系统的特征

多道批处理系统的特征为：多道性、无序性、调度性。 4．分时系统

（1）分时系统的产生

如果说，推动多道批处理系统形成和发展的主要动力是提高资源利用率和系统吞吐率，那么，推动分时系统形成和发展的主要动力则是用户的需要。体现在人-机交互、共享主机、便于用户上机等方面。 2

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（2）分时系统的特征

分时系统与多道批处理系统相比，具有完全不同的特征：

① 多路性。允许在一台主机上同时连接多台联机终端，系统按分时原则为每个用户服务。宏观上，是多个用户同时工作，共享系统资源；而微观上，则是每个用户作业轮流运行一个时间片。多路性即同时性，它提高了资源利用率，从而促进了计算机更广泛地应用。

② 独立性。每个用户各占一个终端，彼此独立操作、互不干扰。

③ 及时性。用户的请求能在很短时间内获得响应。

④ 交互性。用户可通过终端与系统进行广泛的人机对话。其广泛性表现在：用户可以请求系统提供各方面的服务，如文件编辑、数据处理和资源共享等。

5．实时系统 （1）实时系统的引入

虽然多道批处理系统和分时系统已获得较为令人满意的资源利用率和响应时间，从而使计算机的应用范围日益扩大，但它们仍然不能满足以下两个领域的需要：

① 实时控制。 ② 实时信息处理。

我们把实时控制系统和实时信息处理系统统称为实时系统。所谓“实时”，是表示“及时”、“即时”，而实时系统是指系统能及时（或即时）响应外部事件的请求，在规定的时间内完成该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。 （2）实时任务的类型

① 按任务执行时是否呈现周期性来划分，包括周期性实时任务和非周期性实时任务。 ② 根据对截止时间的要求来划分，包括强实时任务和弱实时任务。 （3）实时系统与分时系统的比较

实时系统具有如下特性：多路性、独立性、及时性、交互性和可靠性。

6．微机操作系统

配置在微机上的操作系统称为微机操作系统。微机操作系统可按微机的字长而分成8位、16位和32位的微机操作系统，也可分为单用户单任务操作系统、单用户多任务操作系统和多用户多任务操作系统。

7．多处理机操作系统

引入多处理机系统的原因可归结为以下几点： ① 增加系统的吞吐量。 ② 节省投资。

③ 提高系统的可靠性。 （2）多处理机操作系统的类型

在多处理机系统中所配置的多处理机操作系统，可分成以下两种模式：

① 非对称多处理机模式，又称为主-从模式。在非对称多处理机系统中，把处理机分为主处理机和从处理机两类。主处理机只有一个，其上配置了操作系统，用于管理整个系统的资源，并负责为各从处理机分配任务。从处理机可有多个，它们执行预先规定的即由主处理机所分配的任务。在一般来说，主-从式操作系统易于实现，但资源利用率低。

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② 对称多处理机模式。通常在对称多处理机系统中，所有的处理机都是相同的。在每个处理机上运行一个相同的操作系统备份，用它来管理本地资源和控制进程的运行以及各计算机之间的通信。这种模式的优点是允许多个进程同时运行。同时，还必须注意使各处理机的负载平衡，以免有的处理机超载运行，而有的处理机又空闲。

8．网络操作系统

网络操作系统有以下两种工作模式：客户机/服务器（Client/Server，C/S）模式和对等模式。

网络操作系统应具有下述5方面的功能： ① 网络通信。 ② 资源管理。 ③ 网络服务。 ④ 网络管理。 ⑤ 互操作能力。 9．分布式操作系统 （1）分布式系统

在分布式系统中，系统的处理和控制功能都分散在系统的各个处理单元上。系统中的所有任务也可动态地被分配到各个处理单元上去，使它们并行执行，实现分布处理。在分布式系统中，如果每个处理单元都是计算机，则可称为分布式计算机系统；如果处理单元只是处理机和局部存储器，则只能称为分布式（处理）系统。

（2）分布式操作系统与网络操作系统的比较

① 分布性。分布式操作系统不是集中地驻留在某一个站点中，而是较均匀地分布在系统的各个站点上，计算机网络虽然具有分布处理功能，然而网络的控制功能则大多集中在某个（些）主机或网络服务器中，或者说控制方式是集中式。

② 并行性。分布式操作系统的任务分配程序可将多个任务分配到多个处理单元上，使这些任务并行执行，从而加速了任务的执行。而在网络操作系统中通常无任务分配功能。

③ 透明性。分布式操作系统通常能很好地隐藏系统内部的实现细节。对于网络操作系统，虽然它也具有一定的透明性，但主要是指在操作实现上的透明性。

④ 共享性。在分布式系统中，分布在各个站点上的软、硬件资源可供全系统中的所有用户共享，并能以透明方式对它们进行访问。而网络操作系统虽然也能提供资源共享，但所共享的资源大多是设置在主机或网络服务器中。而在其他计算机上的资源则通常仅由使用该机的用户独占。

⑤ 健壮性。由于分布式系统具有健壮性，即具有较好的可用性和可靠性。网络操作系统具有潜在的不可靠性，

10. 嵌入式操作系统

嵌入式系统在用来控制设备的计算机中运行，这种设备不是一般意义上的计算机，并且不允许用户安装软件。嵌入式操作系统是用于嵌入式操作系统的系统软件，它已经从单一的弱功能向高专业化的强功能方向发展。嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。嵌入式操作系统是相对于一4

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般操作系统而言的，它除具备了一般操作系统最基本的功能，如任务调度、同步机制、中断处理、文件功能等外，还有以下特点：

(1)可装卸性。开放性、可伸缩性的体系结构。

(2)强实时性。EOS实时性一般较强，可用于各种设备控制当中。 (3)统一的接口。提供各种设备驱动接口。

(4)操作方便、简单、提供友好的图形GUI，图形界面，追求易学易用。

(5)提供强大的网络功能，支持TCP/IP协议及其它协议，提供TCP／UDP／IP／PPP协议支持及统一的MAC访问层接口，为各种移动计算设备预留接口。

(6)强稳定性，弱交互性。 (7)固化代码。

(8)更好的硬件适应性，也就是良好的移植性。 11．推动操作系统发展的主要动力

（1）不断提高计算机资源利用率的需要。 （2）方便用户。

（3）器件的不断更新换代。 （4）计算机体系结构的不断发展。

1-1-3 操作系统的功能与特征

1．操作系统的功能 （1）处理机管理的功能

处理机管理的主要任务是对处理机进行分配，并对其运行进行有效地控制和管理。在多道程序环境下，处理机的分配和运行都是以进程为基本单位，因而对处理机的管理可归结为对进程的管理。它包括以下几方面：

① 进程控制。负责进程的创建、撤销及状态转换。 ② 进程同步。对并发执行的进程进行协调。 ③ 进程通信。负责完成进程间的信息交换。 ④ 进程调度。按一定的算法进行处理机分配。 （2）存储器管理的功能

存储器管理的主要任务是：为多道程序的运行提供良好的环境，方便用户使用存储器，提高存储器的利用率，以及能从逻辑上来扩充主存。为此，存储器管理应具有以下功能：内存分配、内存保护、地址映射和内存扩充等。

① 内存分配。按一定的策略为每道程序分配内存。

② 内存保护。保证各程序在自己的内存区运行而不相互干扰。

③ 地址映射。将地址空间中的逻辑地址转换为内存空间中与之对应的物理地址。 ④ 内存扩充。通过虚拟技术从逻辑上扩充内存。 （3）设备管理的功能

设备管理的主要任务是：完成用户提出的I/O请求，为用户分配I/O设备；提高CPU和I/O设备的利用率；提高I/O速度；方便用户使用I/O设备。为实现上述任务，设备管理应具

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