操作系统原理_庞丽萍_第一章绪言

操作系统原理理论课复习●考试方式：闭卷笔试●考试时间：2012年6月22日（周五）下午14:30~16:30●考试地点：教学楼B103(计科)、B104(网工&信安)●考试题型(总计100分)：⏹单项选择题(10小题，每小题1分，共10分)⏹多项选择题(5小题，每小题2分，共10分)⏹填空题(10小题，15空，每空1分，共15分)⏹简答题(本大题共5小题，每小题4分，共20分)⏹应用分析题(4题，第1小题15分，其余小题10分，共45分)●总评成绩计算：平时40分[考勤问答（5分）+ 平时作业（15分）+ 大作业（20分）] + 期末闭卷笔试60分= 100分●作业上交的截止时间：2/3必做平时作业考试前（6.22）、其余作业（包括大作业）考试后4天（6.26）●主要参考资料：教学大纲、课件、教材●学习基本要求：了解操作系统在整个计算机系统中的作用、了解操作系统的组成部分，掌握操作系统的基本原理、基本概念，掌握操作系统对各种资源的管理方法和操作系统各部分程序之间的关系，在此基础上真正掌握操作系统的工作原理和基本设计方法，具备分析和设计操作系统的初步能力。

了解在Unix/Linux/Windows中，操作系统基本原理的应用和实现技术。

●考核知识点：见下面的分章介绍●考核要求等级：⏹概念/特性：识记、领会⏹方法/算法：简单应用、综合应用第一部分背景为操作系统的学习提供背景知识，包括计算机系统结构的基本介绍和操作系统核心的基本概念。

第1章计算机系统概述本章内容：简介操作系统的计算机硬件基础，包括处理器、内存和I/O原理1.1 计算机硬件系统●知识点（识记）：硬件、中央处理器、存储器、输入输出设备、总线结构●计算机硬件的组成：处理器、内存、I/O设备、系统总线●当前主流PC机硬件系统的主要特点：？多核处理器、高速缓存、DRAM内存、I/O设备多样且接口标准化、系统总线包括前端总线、内存总线、高速图形总线、多级扩展总线（PCI与LPC）1.2 CPU寄存器知识点（领会）：寄存器、通用寄存器（用户程序可使用的）、专用寄存器（不可直接操作的）●寄存器分类和功用⏹通用寄存器/编程可见寄存器◆数据寄存器(如AX~DX)——逻辑计算◆地址寄存器——寻址◆变址寄存器(如SI和DI)——间接寻址◆段指针(如CS~ES)——段基址◆栈指针(如SS:SP&BP)——堆栈指针⏹专用寄存器/控制和状态寄存器——控制处理器操作◆程序计数器PC (Program Counter)(如IP)——指令地址◆指令寄存器IR (Instruction Register)（不可见）——指令内容◆程序状态字PSW (Program Status Word)(如FLAGS、286的MSW[MachineStatus Word，机器状态字]和386的CR0[Control Register 0，控制寄存器0])——包含条件码和其他状态信息●386指令⏹分类◆数据传送●数据传送：MOV XLA T XCHG MOVSD MOVSX MOVZX●堆栈存取：PUSH POP PUSHF POPF PUSHA POPA PUSHD POPDPUSHAD POPAD PUSHFD POPFD●地址传送：LEA LDS LES LSS LFS LGS●标志传送：LAHF SAHF●出入输出：IN OUT◆算术运算●加法：ADD ADC INC●減法：SUB SBB DEC NEG●乘法：MUL IMUL●除法：DIV IDIV CBW CWD CWDE CDQ●调整：AAA DAA AAS DAS AAM AAD◆位操作●逻辑计算：AND OR XOR NOT●位移旋转：SHL SHR SAL SAR ROL RCL RCR SHRD SHLD●位测试：BT BTC BTR BTS BSF BSR●标志设置：SETB SETAE SETBE SETA SETE/SETZ SETNE/SETNZSETL SETLE SETG SETGE SETS SETNS SETO SETNO SETPSETNP◆控制权转移●循环控制：LOOP LOOPD LOOPE LOOPED LOOPNE LOOPNED●过程调用：CALL RET RETN RETF●中断跳转：INT INTO IRET IRETD JMP JCXZ JXX◆字符串处理●前置：REP REPE REPZ REPNE REPNZ●字符串：MOVS SCAS CMPS LODS STOS●字符串I/O：INS/INSB/INSW/INSD OUTS/OUTSB/OUTSW/OUTSD◆处理器控制●设置与清除标志：CLC STC CLD STD CLI STI●直接控制模式：LOCK WAIT ESC HLT NOP◆系統控制●保护模式控制：LAR LSL LGDT SGDT LIDT SIDT LLDT LTR SLDTLMSW SMCW ARPL CLTS VERR VERW●内存范围检查：BOUND ENTER LEA VE●查错控制：CR0 CR1 CR3 DR0 DR1 DR2 DR3 DR6 DR7 TR6 TR7⏹寻址方式◆立即寻址——源操作数的值被直接包含在汇编指令之中，如mov ax,0◆寄存器寻址——源操作数的值已经被保存在寄存器之中，如mov ds,ax◆直接寻址——源操作数的偏移量包含在指令中（一般为标号），加上移位后的数据段寄存器DS，得到实际的20位物理地址，如mov ax,mydata◆寄存器间接寻址——源操作数为用方括号括起的下列寄存器之一：SI、DI、BX、BP，实际地址是合适的段地址加上该寄存器所对应的偏移地址，如mov ax,[bx]。

习题三参考答案（P54）3-1用户与操作系统的接口是什么？一个分时系统提供什么接口？一个批处理系统又提供什么接口？答：用户与操作系统的接口是指操作系统提供给用户与计算机打交道的外部机制。

一个分时系统提供的接口有系统功能调用和键盘操作命令。

一个批处理系统提供的接口有系统功能调用和作业控制语言。

3-2计算机对用户算题任务的加工过程一般分哪几个作业步？各作业步之间的关系如何？用自己的上机体会说明。

答：计算机对用户算题任务的加工过程一般分四个作业步：编辑、编译、连接和运行。

各作业步之间的关系如下：前一个作业步的结果是下一个作业步的操作对象；一个作业步的成功完成依赖于上一个作业步的成功完成。

3-3什么是系统调用？对操作系统的服务请求与一般的子程序调用有什么区别？答：系统调用是操作系统提供给编程人员的惟一接口。

编程人员利用系统调用，在源程序一级动态请求和释放系统资源，调用系统中已有的系统功能来完成那些与机器硬件部分相关的工作以及控制程序的执行速度等。

因此，系统调用像一个黑箱子那样，对用户屏蔽了操作系统的具体动作而只提供有关的功能。

系统调用与一般过程调用的主要区别如下：系统调用程序是在核心态执行，调用它们需要一个类似于硬件中断处理的中断处理机制来提供系统服务。

（也可按上课时讲的三个方面来阐述）3-5简述系统调用的执行过程。

答：系统调用命令的具体格式因系统而异，但由用户程序进入系统调用的步骤及执行过程大体相同：首先，将系统调用命令所需的参数（如功能号）或参数区首址装入指定寄存器；然后，在用户程序中适当的位置安排一条调用系统功能指令。

至于系统调用命令的功能号，有的系统直接在调用指令中给出，有的系统则把它作为系统调用命令的参数，在调用时放入指定寄存器。

当用户程序执行到调用系统功能的指令时，就转到系统调用的处理程序执行。

其过程如下：（1）为执行系统调用命令做准备，即将用户程序的“现场”保存起来，同时把系统调用命令的编号等参数放入约定的存储单元。

《操作系统》课程教学大纲一课程说明1、课程基本情况课程名称：操作系统英文名称：Operation System课程编号：2413218开课专业：计算机科学与技术开课学期：第4学期课程学分/周学时：5/5课程类型：专业主干必修课2、课程性质操作系统是计算机专业的专业课，以计算机组成原理为先导课程。

通过本课程的学习使学生能够从资源管理的角度了解操作系统的工作方式。

操作系统是计算机的核心软件，是所有计算机专业的必修课程，但由于课程本身理论性较强，较抽象，使得该门课程的教与学一直是计算机专业的一个难点。

3、本课程的教学目的和任务操作系统是计算机系统中的重要系统软件，是计算科学、信息学、软件专业重要的专业课程。

本课程的目的和任务是使学生全面地了解和掌握操作系统的目标、作用和模型，从资源管理的角度领会操作系统的功能和实现过程。

使学生系统科学地受到分析问题和解决问题的训练，提高运用理论知识解决实际问题的能力。

本课程概述操作系统的形成、类型和功能；阐述进程管理，包括进程和线程的基本概念、进程的同步和通信、调度和死锁；详细介绍存储器管理和虚拟存储器的概念以及对虚拟存储器性能的分析；讨论设备管理、文件系统以及磁盘存储器的管理以及操作系统的保护与安全；最后，对操作系统的最新发展包括网络操作系统、分布式操作系统做扼要介绍。

通过本课程的学习，帮助学生建立计算机操作系统处理问题的思维模式，初步掌握设计系统的基本思想，基础知识、基本原理和基本方法，培养和提高学生设计程序和调试程序的能力，启发学生将该课程的知识引入到其它基础课和专业课的学习。

4、本课程与相关课程的关系、教材体系特点及具体要求先行课程：《汇编语言程序设计》、C语言程序设计、数据结构、计算机组成原理关联课程：数据库原理与设计、计算机网络、分布式系统计算机操作系统是一个大型且复杂的系统软件，它是许多人共同合作编制而成。

对于学生，要求其从总体的概念和基本工作原理上入手，掌握操作系统的结构，计算机操作系统是由哪些功能模块组成，各模块的功能以及他们对软硬件资源进行管理的技术和方法，了解计算机操作系统的各部分是如何协调一致进行工作的5、教学时数及课时分配二教材及主要参考书《操作系统教程》孙钟秀编，高等教育出版社；《操作系统》庞丽萍等编，华中理工大学出版社；《Windows操作系统原理》，尤晋元编著，机械工业出版社，2001年8月《UNIX网络编程(第2版)(第2卷：进程间通信)》，[美]W.Richard Stevens 著，杨继张译，清华大学出版社，2000年3月《操作系统原理教程》，孟静编著，清华大学出版社三教学方法和教学手段说明启发式、讲授法多媒体授课和实验室实验四成绩考核办法考核内容应包括平时作业（实验过程）的认真程度；实验记录、实验报告、实验课程总结记录书写情况；仪器设备操作使用情况；遵守实验室工作规章制度情况；学期理论与操作考核等。

第一章操作系统引论1．设计现代OS的主要目标是什么？答：〔1〕有效性〔2〕方便性〔3〕可扩大性〔4〕开放性2．OS的作用可表现在哪几个方面？答：〔1〕OS作为用户及计算机硬件系统之间的接口〔2〕OS作为计算机系统资源的管理者〔3〕OS实现了对计算机资源的抽象3．为什么说OS实现了对计算机资源的抽象？答：OS首先在裸机上覆盖一层I/O设备管理软件，实现了对计算机硬件操作的第一层次抽象；在第一层软件上再覆盖文件管理软件，实现了对硬件资源操作的第二层次抽象。

OS 通过在计算机硬件上安装多层系统软件，增强了系统功能，隐藏了对硬件操作的细节，由它们共同实现了对计算机资源的抽象。

4．试说明推动多道批处理系统形成和开展的主要动力是什么？答：主要动力来源于四个方面的社会需求及技术开展：〔1〕不断提高计算机资源的利用率；〔2〕方便用户；〔3〕器件的不断更新换代；〔4〕计算机体系构造的不断开展。

5．何谓脱机I/O和联机I/O？答：脱机I/O 是指事先将装有用户程序和数据的纸带或卡片装入纸带输入机或卡片机，在外围机的控制下，把纸带或卡片上的数据或程序输入到磁带上。

该方式下的输入输出由外围机控制完成，是在脱离主机的情况下进展的。

而联机I/O方式是指程序和数据的输入输出都是在主机的直接控制下进展的。

6．试说明推动分时系统形成和开展的主要动力是什么？答：推动分时系统形成和开展的主要动力是更好地满足用户的需要。

主要表现在：CPU 的分时使用缩短了作业的平均周转时间；人机交互能力使用户能直接控制自己的作业；主机的共享使多用户能同时使用同一台计算机，独立地处理自己的作业。

7．实现分时系统的关键问题是什么？应如何解决？答：关键问题是当用户在自己的终端上键入命令时，系统应能及时接收并及时处理该命令，在用户能承受的时延内将结果返回给用户。

解决方法：针对及时接收问题，可以在系统中设置多路卡，使主机能同时接收用户从各个终端上输入的数据；为每个终端配置缓冲区，暂存用户键入的命令或数据。

《全国计算机等级考试四级教程：操作系统原理（2013年版）》根据教育部考试中心最新颁布的《全国计算机等级考试四级操作系统原理考试大纲（2013年版）》的要求编写而成。

主要内容包括：操作系统的基本概念、基本结构及运行机制，进程线程模型，进程线程同步机制，内存管理方案，文件系统的设计、实现及性能提升，I/O设备管理，死锁的概念及解决方案。

在本书的最后附有最新版的考试大纲、样卷及参考答案。

《全国计算机等级考试四级教程：操作系统原理（2013年版）》的编写目标是使考生具备操作系统基础知识，掌握操作系统中各部分功能的工作原理及关联性，熟悉各种典型实现技术，从而能够在应用开发中运用所掌握的知识。

《全国计算机等级考试四级教程：操作系统原理（2013年版）》可供报考四级操作系统原理的全国计算机等级考试考生使用，也可作为普通高等学校计算机操作系统课程的参考书。

目录第1章操作系统概论1.1 操作系统的概念1.1.1 计算机系统1.1.2 操作系统的定义1.1.3 操作系统的特征1.1.4 研究操作系统的观点1.1.5 操作系统的功能1.2 操作系统的发展1.2.1 手工操作1.2.2 监控程序（早期批处理）1.2.3 多道批处理1.2.4 分时系统1.2.5 UNIX通用操作系统1.2.6 个人计算机操作系统1.2.7 Android操作系统1.3 操作系统分类1.3.1 批处理操作系统1.3.2 分时系统1.3.3 实时操作系统1.3.4 嵌入式操作系统1.3.5 个人计算机操作系统1.3.6 网络操作系统1.3.7 分布式操作系统1.3.8 智能卡操作系统1.4 操作系统结构1.4.1 整体式结构1.4.2 层次结构1.4.3 微内核（客户机／服务器）结构第2章操作系统运行机制2.1 中央处理器（CPU）2.1.1 CPU的构成与基本工作方式2.1.2 特权指令和非特权指令2.1.3 处理器的状态2.1.4 程序状态字PSW2.2 存储体系2.2.1 存储器的层次结构2.2.2 存储保护2.3 中断与异常机制2.3.1 中断与异常的概念2.3.2 中断系统2.3.3 中断优先级与中断屏蔽2.4 系统调用2.4.1 系统调用简介2.4.2 系统调用的处理过程2.5 I/O技术2.6 时钟第3章进程线程模型3.1 多道程序设计模型3.1.1 程序的顺序执行3.1.2 多道程序系统中程序执行环境的变化3.1.3 程序的并发执行3.2 进程模型3.2.1 进程的概念3.2.2 进程的状态及其状态转换3.2.3 进程控制块3.2.4 进程控制3.3 线程模型3.3.1 线程的引入3.3.2 线程的基本概念3.3.3 线程实现机制3.3.4 Pthread线程包3.4 进程（线程）调度3.4.1 概述3.4.2 调度算法设计原则3.4.3 进程（线程）调度算法第4章并发与同步4.1 进程（线程）间相互作用4.2 进程互斥4.3 信号量（Semaphore）4.4 经典的进程同步问题4.5 管程4.6 进程通信4.6.1 共享内存4.6.2 消息机制第5章内存管理5.1 基本概念5.1.1 存储体系5.1.2 存储管理的任务5.1.3 地址转换5.1.4 内存管理方案简介5.2 分区存储管理方案5.2.1 固定分区5.2.2 可变分区5.2.3 分区管理方案的优缺点5.3 覆盖技术与交换技术5.3.1 覆盖技术5.3.2 交换技术5.4 页式存储管理方案5.4.1 基本思想5.4.2 存储空间的分配与回收5.4.3 地址转换与快表5.5 虚拟存储技术与虚拟页式存储管理方案的实现5.5.1 虚拟存储技术5.5.2 虚拟页式存储管理5.5.3 段式与段页式存储管理方案第6章文件管理6.1 概述6.1.1 文件和文件系统6.1.2 文件分类6.1.3 文件系统的功能6.2 文件的结构6.2.1 文件的逻辑结构6.2.2 文件的物理结构6.2.3 文件的存储介质6.2.4 文件的存取方式6.3 文件目录6.3.1 文件目录的组成6.3.2 文件目录结构6.3.3 树形目录6.3.4 路径名6.3.5 目录操作6.4 文件系统的实现6.4.1 存储空间的分配与回收6.4.2 实现文件系统的表目6.4.3 记录的成组与分解6.4.4 文件的操作6.5 文件的保护和安全6.5.1 文件的共享6.5.2 文件的保护6.5.3 文件的存取权限6.5.4 文件的保密6.6 文件系统的性能6.7 Windows的FAT文件系统和UNIX文件系统6.7.1 Windows的FAT文件系统6.7.2 UNIX文件系统第7章I/O设备管理7.1 设备与设备分类7.1.1 设备管理的重要性7.1.2 设备管理的任务7.1.3 设备的分类7.2 110硬件组成7.2.1 计算机I/O系统的结构7.2.2 110设备数据传送控制方式7.3 I/O软件在特点及结构7.3.1 设备驱动程序7.3.2 与设备无关的系统软件7.3.3 用户空间的1/0软件7.4 典型的I/O技术7.4.1 缓冲技术……第8章死锁附录1 全国计算机等级考试四级操作系统原理考试大纲（2013年版）附录2 全国计算机等级考试四级操作系统原理样卷及参考答案参考文献。

操作系统原理庞丽萍答案习题三答案操作系统原理庞丽萍答案华科习题三参考答案（P54）3-1用户与操作系统的接口是什么？一个分时系统提供什么接口？一个批处理系统又提供什么接口？答：用户与操作系统的接口是指操作系统提供给用户与计算机打交道的外部机制。

一个分时系统提供的接口有系统功能调用和键盘操作命令。

一个批处理系统提供的接口有系统功能调用和作业控制语言。

3-2计算机对用户算题任务的加工过程一般分哪几个作业步？各作业步之间的关系如何？用自己的上机体会说明。

答：计算机对用户算题任务的加工过程一般分四个作业步：编辑、编译、连接和运行。

各作业步之间的关系如下：前一个作业步的结果是下一个作业步的操作对象；一个作业步的成功完成依赖于上一个作业步的成功完成。

3-3什么是系统调用？对操作系统的服务请求与一般的子程序调用有什么区别？系统调用程序是在核心态执行，调用它们需要一个类似于硬件中断处理的中断3-5简述系统调用的执行过程。

及执行过程大体相同：存器；然后，在用户程序中适当的位置安排一条调用系统功能指令。

至于系统调用命令的功能号，有的系统直接在调用指令中给出，有的系统则把它作为系统调用命令的参数，在调用时放入指定寄存器。

当用户程序执行到调用系统功能的指令时，就转到系统调用的处理程序执行。

其过程如下：（1）为执行系统调用命令做准备，即将用户程序的“现场”保存起来，同时把系统调用命令的编号等参数放入约定的存储单元。

（2）根据系统调用命令的编号查找系统调用入口表，找到相应系统功能调用子程序的入口地址，然后转到该子程序执行。

当系统调用命令执行完毕，相应的结果通常返回给参数，这些参数放在约定的存储单元里。

（3）系统调用命令执行完毕后的处理，包括恢复用户程序执行的“现场”信息，同时把系统调用命令的返回参数或参数区首址放入指定的寄存器中，以供用户程序使用。

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操作系统原理与Linux系统实验考试范围第一章操作系统的发展也历经了初级阶段、操作系统的形成阶段和操作系统的进一步发展这三个阶段。

通道：一种专用的处理部件，它能控制一台或多台外设的工作，负责外设与主存之间的信息传输。

中断：指当主机与接到某种信号（如I/0设备完成信号）时，马上停止原来的工作，转去处理这一事件，当事件处理完毕，主机又回到原来的工作点继续工作。

操作系统的形成标志是：采用多道程序设计技术和分时技术。

多道程序设计技术：主存中同时存放几道相互独立的程序，它们在操作系统的控制之下，相互穿插地运行。

分时技术：把CPU时间划分成很短的时间片，轮流地分配给各个联机作业使用。

什么是操作系统：操作系统是一个大型的程序系统，它负责计算机的软、硬件资源的分配和管理；控制和协调并发活动；提供用户界面，使用户获得良好的工作环境。

操作系统的特性：1、并发（指能处理多个同时性活动的能力）；2、共享（多个计算任务对系统资源的共同享用）；3、不确定性并发和共享是一对孪生兄弟，程序的并发执行，必然要求对系统资源的共享，而只有提供系统资源共享的可能才能使程序真正的并发执行。

操作系统的资源管理：处理机管理、存储管理、设备管理和文件系统。

处理机管理：最核心的是问题是CPU的时间分配；功能是：确定进程调度策略；给出进程调度算法和进行处理机的分派。

存储管理：任何程序的执行都必须从主存中获取数据信息。

功能：1.存储分配和存储无关；2.存储保护；3.存储扩充。

文件系统：软件资源是各种程序和数据的集合，操作系统将这些信息组织成文件，以文件的形势进行管理。

操作系统的基本类型：批量操作系统、分时操作系统、实时操作系统。

个人计算机操作系统、网络操作系统和分布式操作系统。

分时操作系统特点：1.并行性 2.独占性 3.交互性实时操作系统：实时应用的目的是监视、响应或控制外部环境。

实时：计算机对外来信息能够以足够快的速度进行处理，并在被控制对象允许的截止期限内作出快速反应。