操作系统教程总复习

Chapter1操作系统概观

一．基本概念：操作系统、并发性、共享性、异步性、多道程序设计、系统调用、内核（单内核、多内核）

1．操作系统的定义和目标

理组织计算机工作流程和为用户方便而有效地使用计算机提供良好运行环境的最基本的系统软件。

目标：方便用户使用、扩充机器功能、管理各类资源、提供系统效率、构筑开放环境。

2．什么是系统调用？可分为哪些类型？

答：系统调用是一种中介角色，把用户和硬件隔离开来，应用程序只有通过系统调用才能请求系统服务并使用系统资源。系统调用是应用程序获得操作系统服务的唯一途径。系统调用可分为：进程管理、文件操作、设备管理、贮存管理、进程通信、信息维护六类。

3．什么是多道程序设计？多道程序设计技术有什么特点？

答：多道程序设计是允许多个作业(程序)同时进入计算机系统的主存并启动交替计算的方法。主存中多个相互独立的程序均处于开始和结束之间，从宏观上看是并行的，躲到程序都处于运行过程中，但尚未运行结束。从微观上看是串行的，各道程序轮流占用CPU以交替进行。引入多道程序设计，可以提高CPU的利用率，充分发挥计算机硬部件的并行性。

4．什么是操作系统内核

答：内核是一组程序模块，作为可信软件来提供支持进程并发执行的基本功能和基本操作，通常驻留在内核空间，运行于核心态，具有访问硬件设备和所有主存空间的权限，是仅有的能够执行特权指令的程序。

5．列举内核的分类、属性和特点。

答：内核具有以下属性①内核是由中断驱动的。②内核是不可抢占的③内核部分程序在屏蔽中断状态下执行。内核可使用特权指令。内核具有以下特点：①没有中断，进程设计者不需要中断的概念，进程运行过程中无需处理中断。②为每个进程都提供一台虚拟机，进程好像在各自私有处理机上顺序推进，实现多进程的并发特性。③为进程提供功能强大的指令系统，即及其的非特权指令和系统调用所组成的新指令系统。

二、操作系统的资源管理技术（复用、虚化、抽象）

1、操作系统的资源管理技术

资源管理：资源复用、资源虚化、资源抽象。

资源复用有两种基本方法：空分复用共享和时分复用共享。

空分复用共享：资源可以进一步分割成更多和更小的单位供进程使用。举例：主存和辅助存储器（磁盘）资源。

时分复用资源：进程占用该类资源使用后，很可能随时被剥夺，被另一个进程抢占使用。举例：处理器资源和磁盘机。

资源虚化：操作系统中的一类有效的资源管理技术，能进一步地提高操作系统为用户服务的能力和水平。

本质：对资源进行转化、模拟或整合，把一个物理资源转变为逻辑上的多个对应物，创建无需共享的多个独占资源的假象，以达到多用户共享一套计算机物理资源的目的。

虚化技术：只要某个程序运行空间超出可用物理主存空间的大小，操作系统便在主存和磁盘之间主动地传送与当前计算有关的程序段或数据段。

资源抽象：通过创建软件来屏蔽硬件资源的物理特性和接口细节，简化对硬件资源的操作、控制和使用，即不考虑物理细节而对资源执行操作。

资源复用和资源虚化的主要目的是解决物理资源数量不足的问题，资源抽象则用于处理系统的复杂性，重点解决资源的易用性。

三、操作系统的功能

1、操作系统的作用与功能

①作用：（1）操作系统作为用户接口和公共服务程序，（2）操作系统作为程序执行的控制者和协调者，（3）操作系统作为扩展机或虚拟机，（4）操作系统作为资源的管理者和控制者。

②功能：处理器管理，存储管理（主存分配，地址转换与存储保护，主存共享，存储扩充），设备管理（提供设备中断处理；提供缓冲区管理；提供设备独立性，实现逻辑设备到物理设备之间的映射；设备的分配和回收；实现共享型设备的驱动调度；实现虚拟设备），文件管理（提供文件的逻辑组织方法；提供文件的物理组织方法；提供文件的存取和使用方法；实现文件的目录管理；实现文件的共享和安全性控制；实现文件的存储空间管理），网络与通信管理（网络资源管理，数据通信管理，网络管理），用户接口（程序接口，操作接口）。

四、操作系统的主要特性（并发性、共享性、异步性）

Q：试述现在操作系统的基本特性及其所要解决的问题。

A：并发性：指两个或两个以上的活动或事件在同一个时间间隔内发生。

共享性：指计算机系统的资源可以被多个并发执行的程序共同使用，而不是被某个程序独占。

异步性：在多道程序环境中，允许多个程序并发执行，并发活动会导致随机事件的发生。

并发性会使操作系统的设计和实现变得复杂化。与共享性有关的问题是资源分配、信息保护、存取控制。异步性会给系统带来潜在的危险，有可能会导致并发程序的执行产生与时间有关的错误。

五、操作系统的主要类型（三类）及各类型的主要特点

批处理操作系统：根据预先设定的调度策略选择若干作业并发地执行，系统的资源利用率高，作业吞吐量大。缺点：作业的周转时间延长，不具备交互式计算的能力，不利于程序的开发和调试。特征：脱机工作、成批处理、单/多道程序运行

分时操作系统：允许多个联机用户同时使用一个计算机系统进行交互式计算的操作系统。特点：同时性、独立性、及时性、交互性。

**分时操作系统与批处理系统的不同点：追求目标不同、适应作业不同、资源利用率不同、作业控制方式不同。

实时操作系统：当外部事件或数据产生时，能够对其予以接收并以足够快的速度进行处理，所得结果能够在规定的时间内控制产生过程或对控制对象做出快速响应，并控制所有实时任务协调运行的操作系统。组成：数据采集、加工处理、操作控制、反馈处理。

微机操作系统

网络操作系统:控制计算机在网络中传送信息和共享资源，并为网络用户提供所需的各种服务。主要功能：网络通信、资源管理、网络管理和网络服务等。

分布式操作系统：由多台分散的计算机经网络连接而成的系统，每台计算机既高度自治，又协同工作，能够在系统范围内实现资源管理和任务分配，能够并行运行分布式程序。用于管理分布式计算机系统的操作系统。

嵌入式操作系统：运行在嵌入式应用环境中，对整个系统及所有操作的各个部件、装臵等资源进行统一协调、处理、指挥和控制的系统软件。

六、实现多道程序设计必须解决的问题

答：①存储保护②处理器的管理与分配③资源的管理与调度

〃多道程序设计的相关计算

Chapter2处理器管理

一、概念：特权指令与非特权指令、管理状态（和用户状态）、中断和中断源、中断优先级、异常、进程和先出，源于、剥夺式（抢占式）调度和非剥夺式调度

1.特权指令与非特权指令：

所谓特权指令是指仅供内核程序使用的指令，如启动设备、设臵时钟、控制中断屏蔽位、清空主存、建立存储键、加载PSW等敏感性操作。内核能够执行全部指令，应用程序只能使用非特权指令。

2.管理状态（又叫核心态）和用户状态：

当处理器处于核心态时，CPU运行可信软件，硬件允许执行全部机器指令，可以访问所有主存单元和系统资源，并具有改变处理器状态的能力；当处理器处于用户态时，CPU运行非可信软件，程序无法执行特权指令，且访问权限仅限于当前CPU上进程的地址空间，这样就能防止内核受到应用程序的侵害。

3.中断和中断源

中断是指在程序执行过程中，遇到急需处理的事件时，暂时中止现行程序在CPU上的运行，转而执行相应的事件处理程序，待处理完成后再返回断点或调度其他程序执行。

4.中断优先级

中断装臵所预设的相应顺序成为中断优先级。

5.异常（也称内中断或同步中断）

是指来自处理器内部的中断信号，通常是由于在程序执行过程中，发现与当前指令关联的、不正常的或错误的事件。

6.进程：是指可并发执行的程序在某个数据集合上的一次计算活动，也是操作系统进行资源分配和保护的基本单位。

线程：是进程中能够并发执行的实体，是进程的组成部分，也是处理器调度和分派的基本单位。

7.原语：原语在核心态执行，是完成系统特定功能的不可分割的过程，它具有

原子操作，

其程序段不允许被中断，或者说原语不能并发执行。

8.剥夺式调度：又称抢占式。当进程正在处理器上运行时，系统可根据所规定的原则剥夺分配给此进程的处理器，并将其移入就绪队列，选择其他进程运行。

非剥夺式调度：又称非抢占式。一旦某个进程开始运行后便不再让出处理器，除非此进程运行结束，或主动放弃处理器，或因发生某个事件而不能继续执行。

二、特权指令与非特权指令的判断

特权指令指仅供内核程序使用的指令。如：启动设备、设臵时钟、控制中断屏蔽位、清空主存、建立存储键、加载PSW。