第一章 计算机系统概述

1.1 操作系统的基本概念

1. 操作系统是计算机系统中最基本的系统软件，能控制和管理整个计算机系统的硬件与软件资源。
2. 操作系统的基本特征包括并发、共享、虚拟和异步。并发和共享是操作系统两个最基本的特征。
3. 操作系统的功能：
   处理机管理：进程控制，进程同步，进程通信，死锁处理，处理机调度等
   存储器管理：内存分配与回收，地址映射，内存保护与共享，内存扩充等
   文件管理：存储空间管理，目录管理，文件读写管理和保护等
   设备管理：缓冲管理，设备分配，设备处理和虚拟设备等
4. 操作系统提供的接口：命令接口和程序接口。
5. 命令接口分为联机命令接口和脱机命令接口，程序接口由一组系统调用（也称广义指令）组成，用户通过在程序中使用这些系统调用来请求操作系统为其提供服务。
6. 并发是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。
7. 顺序性是单道程序设计的基本特征。
8. 系统调用是由操作系统提供给用户的，是操作系统为应用程序使用内核功能所提供的接口，只能通过用户程序间接使用，目的是请求系统服务。

1.1 练习题

1. 下面（）资源不是操作系统应该管理的。
   A、CPU B、内存 C、外存 D、源程序
   D
   解析：源程序是一种计算机代码，不是操作系统的管理内容。
2. 下列关于并发性的叙述中，正确的是（）
   A、并发性是指若干事件在同一时刻发生
   B、并发性是指若干事件在不同时刻发生
   C、并发性是指若干事件在同一时间间隔内发生
   D、并发性是指若干事件在不同时间间隔内发生
   C
   解析：并发性是指若干事件在同一时间间隔内发生，而并行性是指若干事件在同一时刻发生。
3. 【2009统考真题】单处理机系统中，可并行的是（）
   I、进程与进程 II、处理机与设备 III、处理机与通道 IV、设备与设备
   A、I、II、III
   B、I、II、IV
   C、I、III、IV
   D、II、III、IV
   D
   解析：单处理机系统中，同一时刻只能有一个进程占用处理机，因此进程之间不能并行执行。
4. 用户可以通过（）两种方式来使用计算机。
   A、命令接口和函数
   B、命令接口和系统调用
   C、命令接口和文件管理
   D、设备管理方式和系统调用
   B
   解析：操作系统提供的接口：命令接口和程序接口（系统调用）。
5. 【2010统考真题】下列选项中，操作系统提供给应用程序的接口是（）
   A、系统调用
   B、中断
   C、库函数
   D、原语
   A
   解析：操作系统接口主要有命令接口和程序接口（也称系统调用）。
6. 操作系统与用户通信接口通常不包括（）
   A、shell
   B、命令解释器
   C、广义指令
   D、缓存管理指令
   D
   解析：命令解释器属于命令接口，shell是命令解析器，也属于命令接口。系统中的缓存全部由操作系统管理，对用户是透明的，操作系统不提供管理系统缓存的系统调用。
7. 【2013统考真题】计算机开机后，操作系统最终被加载到（）
   A、BIOS
   B、ROM
   C、EPROM
   D、RAM
   D
   解析：系统开机后，操作系统的程序会被自动加载到内存中的系统区，这段区域是RAM。

1.2 操作系统的发展与分类

1. 单道批处理系统
   特点：自动性、顺序性、单道性
   缺点：系统的资源得不到充分的利用
2. 多道批处理系统
   特点：多道、宏观上并行、微观上串行
   优点：资源利用率高、系统吞吐量大
   缺点：用户响应的时间较长、不提供人机交互能力
3. 分时操作系统
   特点：同时性（多路性）、交互性、独立性、及时性
   优点：较好地解决了人机交互问题
4. 实时操作系统
   硬实时操作系统：某个动作必须绝对地在规定的时刻发生，如飞行棋的飞行自动控制系统。
   软实时操作系统：能够接受偶尔违反时间规定且不会引起任何永久性的损害，如飞机订票系统。
   特点：及时性、可靠性
5. 此外还有网络操作系统、分布式操作系统、个人计算机操作系统（常见的有Windows、Linux、Macintosh等）、嵌入式操作系统、服务器操作系统、智能手机操作系统等。

1.2 练习题

1. 【2016统考真题】下列关于批处理系统的叙述中，正确的是（）
   I、批处理系统允许多个用户与计算机直接交互
   II、批处理系统分为单道批处理系统和多道批处理系统
   III、中断技术使得多道批处理系统和I/O设备可与CPU并行工作
   A、仅II、III
   B、仅II
   C、仅I、II
   D、仅I、III
   A
   解析：批处理缺少交互能力，I错误
2. 【2017统考真题】与单道程序系统相比，多道程序系统的优点是（）
   I、CPU利用率高
   II、系统开销小
   III、系统吞吐量大
   IV、I/O设备利用率高
   A、仅I、III
   B、仅I、IV
   C、仅II、III
   D、仅I、III、IV
   D
3. 实时系统的进程调度，通常采用（）算法
   A、先来先服务
   B、时间片轮转
   C、抢占式的优先级高者优先
   D、高响应比优先
   C
   解析：实时系统必须能足够及时地处理某些紧急的外部事件，因此普遍用高优先级，并用“可抢占”来确保实时处理。
4. 分时系统的一个重要性能是系统的响应时间，对操作系统的（）因素进行改进有利于改善系统的响应时间。
   A、加大时间片
   B、采用静态页式管理
   C、优先级+非抢占式调度算法
   D、代码可重入
   C
   解析：采用优先级+非抢占式调度算法，既可让重要的作业/进程通过高优先级尽快获得系统响应，又可保证次要的作业/进程在非抢占式调度下不会迟迟得不到系统响应，二者兼顾，有利于改善系统的响应时间。
5. 【2018统考真题】下列关于多任务操作系统的叙述中，正确的是（）
   I、具有并发和并行的特点
   II、需要实现对共享资源的保护
   III、需要运行在多CPU的硬件平台上
   A、仅I
   B、仅II
   C、仅I、II
   D、I、II、III
   C
   解析：多任务操作系统可在同一时间内运行多个应用程序，I正确。多个任务必须互斥地访问共享资源，为达到这一目标必须对共享资源进行必要的保护，II正确。现代操作系统都是多任务的（主要特点是并发和并行），并不一定需要运行在多CPU的硬件上，单个CPU也可满足要求，III错误。

1.3 操作系统的运行环境

1. 可将CPU的状态划分为用户态（目态）和核心态（又称管态、内核态）。
2. 大多数操作系统内核包括：时钟管理、中断机制、原语、系统控制的数据结构及处理。
3. 发生中断或异常时，运行用户态的CPU会立即进入核心态，这是通过硬件实现的。
4. 异常（Exception）也称内中断、例外或陷入（trap），指源自CPU执行指令内部的事件，如程序的非法操作码、地址越界、算术溢出、虚存系统的缺页及专门的陷入指令等引起的事件。
5. 异常不能被屏蔽，一旦出现应立即处理。
6. 中断处理的过程

7. 在用户程序中，凡是与资源有关的操作（如存储分配、进行I/O传输及管理文件等），都必须通过系统调用方式向操作系统提出服务请求，并由操作系统代为完成。
8. 系统调用的处理需要由操作系统内核程序负责完成，要运行在核心态。用户程序可以执行陷入指令（又称访管指令或trap指令）来发起系统调用，请求操作系统提供服务。
9. 下面列举一些由用户态转向核心态的例子：
   （1）用户程序要求操作系统的服务，即系统调用。
   （2）发生一次中断。
   （3）用户程序中产生了一个错误状态。
   （4）用户程序中企图执行一条特权指令。
   （5）从核心态转向用户态由一条指令实现，这条指令也是特权命令，一般是中断返回指令。
10. 若程序的运行由用户态转到核心态，则会用到访管指令，访管指令是在用户态使用的，所以它不可能是特权指令。
11. 操作系统中，通道技术是一种硬件技术。
12. 操作系统执行程序时，必须从起始地址开始执行。
13. 输入/输出指令需要中断操作，中断必须在核心态下执行。
14. 系统调用需要触发trap指令。
15. 在中断发生后，进入操作系统的程序属于操作系统程序。

1.3 练习题

1. （）是操作系统必须提供的功能。
   A、图形用户界面（GUI）
   B、为进程提供系统调用命令
   C、中断处理
   D、编译源程序
   C
   解析：中断是操作系统必须提供的功能，因为计算机的各种错误都需要中断处理，核心态与用户态切换也需要中断处理。
2. 用户程序在用户态下要使用特权指令引起的中断属于（）
   A、硬件故障中断
   B、程序中断
   C、外部中断
   D、访管中断
   D
   解析：要使用特权指令，就先要转成核心态去运行，这个过程就是访管中断。
3. 下列操作系统的各个功能组成部分中，（）可不需要硬件的支持。
   A、进程调度
   B、时钟管理
   C、地址映射
   D、中断系统
   A
   解析：中断系统和地址映射显然都需要硬件支持，因为中断指令和地址映射中的重定位都是离不开硬件支持的。而时钟管理中，重置时钟等是由硬件直接完成的。进程调度由调度算法决定CPU使用权，由操作系统实现，无须硬件的支持。
4. 计算机区分核心态和用户态指令后，从核心态到用户态的转换是由操作系统程序执行后完成的，而用户态到核心态的转换则是由（）完成的。
   A、硬件
   B、核心态程序
   C、用户程序
   D、中断处理程序
   A
   解析：计算机通过硬件中断机制完成由用户态到核心态的转换。中断处理程序一般也在核心态执行，因此无法完成“转换成核心态”这一任务。若由用户程序将操作系统由用户态转换到核心态，则用户程序中就可使用核心态指令，这就会威胁到计算机的安全。
5. 只能在核心态下运行的指令是（）
   A、读时钟指令
   B、置时钟指令
   C、取数指令
   D、寄存器清零
   B
   解析：若在用户态下执行“置时钟指令”，则一个用户进程可在时间片还未到之前把时钟改回去，从而导致时间片永远不会用完，进而导致该用户进程一直占用CPU，这显然不合理。
6. 在操作系统中，只能在核心态下执行的指令是（）
   A、读时钟
   B、取数
   C、广义指令
   D、寄存器清零
   C
   解析：广义指令即系统调用命令，它必然工作在核心态。（注意区分“调用”和“执行”，广义指令的调用可能发生在用户态，调用广义指令的那条指令不一定是特权指令，但广义指令存在于核心态中，所以执行一定在核心态。）
7. 下列选项中，必须在核心态下执行的指令是（）
   A、从内存中取数
   B、将运算结果装入内存
   C、算术运算
   D、输入/输出
   D
   解析：输入/输出指令涉及中断操作，而中断处理工作在核心态。
8. 【2011统考真题】下列选项中，在用户态执行的是（）
   A、命令解释程序
   B、缺页处理程序
   C、进程调度程序
   D、时钟中断处理程序
   A
   解析：缺页处理和时钟中断都属于中断，在核心态执行；进程调度是操作系统内核进程，在核心态执行；命令解释程序属于命令接口，面对用户，在用户态执行。
9. 【2012统考真题】下列选项中，不可能在用户态发生的事件是（）
   A、系统调用
   B、外部中断
   C、进程切换
   D、缺页
   C
   解析：（注意本题是“在用户态发生”，与上题的“在用户态执行”区分），系统调用是操作系统提供给用户程序的接口，发生在用户态，被调用程序在核心态下执行；外部中断是用户态到核心态的“门”，也发生在用户态，在核心态完成中断过程；进程切换属于系统调用执行过程中的事件，只能发生在核心态；缺页产生后，在用户态发生缺页中断，然后进入核心态执行缺页中断服务程序。
10. 【2013统考真题】下列选项中，会导致用户进程从用户态切换到内核态的操作是（）。
    I、整数除以零
    II、sin()函数调用
    III、read系统调用
    A、仅I、II
    B、仅I、III
    C、仅II、III
    D、I、II和III
    B
    解析：整数除零（需中断处理）和read系统调用函数需要在内核态执行。
11. 【2012统考真题】中断处理和子程序调用都需要压栈以保护现场，中断处理一定会保存而子程序调用不需要保存其内容的是（）
    A、程序计数器
    B、程序状态字寄存器
    C、通用数据寄存器
    D、通用地址寄存器
    B
    解析：子程序调用只需保存程序断点，即该指令的下一条指令的地址；中断调用子程序不仅要保存断点（PC的内容），还要保存程序状态字寄存器（PSW）的内容。在中断处理中，最重要的两个寄存器是PC和PSWR。
12. 【2014统考真题】下列指令中，不能在用户态执行的是（）
    A、trap指令
    B、跳转指令
    C、压栈指令
    D、关中断指令
    D
    解析：trap指令、跳转指令、压栈指令均可以在用户态执行，其中trap指令负责由用户态转换为内核态。关中断指令为特权指令，必须在核心态才能执行。（注意：关中断指令是权限非常大的指令，因为中断是现代操作系统正常运行的核心保障之一）
13. 【2015统考真题】内部异常（内中断）可分为故障（fault）、陷阱（trap）和终止（abort）三类。下列有关内部异常的叙述中，错误的是（）
    A、内部异常的产生与当前执行指令相关
    B、内部异常的检测由CPU内部逻辑实现
    C、内部异常的响应发生在指令执行过程中
    D、内部异常处理后返回到发生异常的指令继续执行
    D
    解析：内中断是指来自CPU和内存内部产生的中断，包括程序运算引起的各种错误，如地址非法、校验错、页面失效、非法指令、用户程序执行特权指令自行中断（INT）和除数为零等，以上都是在指令的执行过程中产生的；内中断不能被屏蔽，一旦出现应立即处理；考虑到特殊情况，如除数为零和自行中断（INT）都会自动跳过中断指令，所以不会返回到发生异常的指令继续执行。
14. 【2016统考真题】异常是指令执行过程中在处理器内部发生的特殊事件，中断是来自处理器外部的请求事件。下列关于中断或异常情况的叙述中，错误的是（）
    A、“访存时缺页”属于中断
    B、“整数除以0”属于异常
    C、“DMA传送结束”属于中断
    D、“存储保护错”属于异常
    A
    解析：中断是指来自CPU执行指令以外事件的发生，如设备发出的I/O结束中断，表示设备输入/输出处理已经完成，希望处理机能够向设备发出下一个输入输出请求，同时让完成输入/输出后的程序继续运行。时钟中断，表示一个固定的时间片已到，让处理机处理计时、启动定时运行的任务等。异常也称内中断、例外或陷入（trap），指源自CPU执行指令内部的事件，如程序的非法操作码、地址越界、算术溢出、虚存系统的缺页及专门的陷入指令等引起的事件。因此“访存时缺页”属于异常。
15. 【2015统考真题】处理外部中断时，应该由操作系统保存的是（）
    A、程序计数器（PC）的内容
    B、通用寄存器的内容
    C、块表（TLB）的内容
    D、Cache中的内容
    B
    解析：外部中断处理过程，PC值由中断隐指令自动保存，而通用寄存器内容由操作系统保存。
16. 【2015统考真题】假定下列指令已装入指令寄存器，则执行时不可能导致CPU从用户态变为内核态（系统态）的是（）
    A、DIV R0,R1 ;(R0)/(R1)->R0
    B、INT n ;产生软中断
    C、NOT R0 ;寄存器R0的内容取非
    D、MOV R0,addr;把地址addr处的内存数据放入寄存器R0
    C
    解析：部分指令可能出现异常导致中断，从而转到核心态，指令A有除零异常的可能；指令B为中断指令；指令D有缺页异常的可能；指令C不会发生异常。
17. 【2017统考真题】执行系统调用的过程包括如下主要操作：
    ①返回用户态
    ②执行陷入（trap）指令
    ③传递系统调用参数
    ④执行相应的服务程序
    正确的执行顺序是（）。
    A、② --> ③ --> ① --> ④
    B、② --> ④ --> ③ --> ①
    C、③ --> ② --> ④ --> ①
    D、③ --> ④ --> ② --> ①
    C
    解析：执行系统调用的过程：正在运行的进程先传递系统调用参数，然后由陷入（trap）指令负责将用户态转换为内核态，并将返回地址压入堆栈以备后用，接下来CPU执行相应的内核态服务程序，最后返回用户态，选项C正确。
18. 【2018统考真题】定时器产生时钟中断后，由时钟中断服务程序更新的部分内容是（）。
    I、内核中时钟变量的值
    II、当前进程占用CPU的时间
    III、当前进程在时间片内的剩余执行时间
    A、仅I、II
    B、仅II、III
    C、仅I、III
    D、I、II、III
    D
    解析：时钟中断的主要工作是处理和时间有关的信息以及决定是否执行调度程序。和时间有关的所有信息包括系统时间、进程的时间片、延时、使用CPU的时间、各种定时器，因此I、II、III均正确。
19. 下列关于系统调用的叙述中，正确的是（）
    I、在执行系统调用服务程序的过程中，CPU处于内核态
    II、操作系统通过提供系统调用避免用户程序直接访问外设
    III、不同的操作系统为应用程序提供了统一的系统调用接口
    IV、系统调用是操作系统内核为应用程序提供服务的接口
    A、仅I、IV
    B、仅II、III
    C、仅I、II、IV
    D、仅I、III、IV
    C
    解析：用户可以在用户态调用操作系统的服务，但执行具体的系统调用服务程序是处于内核态的，I正确；用户程序需要通过系统调用使用操作系统的设备管理服务，II正确；操作系统不同，底层逻辑、实现方式均不相同，为应用程序提供的系统调用接口也不同，III错误；系统调用是用户在程序中调用操作系统提供的子功能，IV正确。

1.4 操作系统的体系结构

1. 操作系统的两种主要的体系结构：大内核和微内核。
2. 大内核系统将操作系统的主要功能模块都作为一个紧密联系的整体运行在核心态，从而为应用提供高性能的系统服务。因为各管理模块之间共享信息，能有效利用相互之间的有效特性，所以具有无可比拟的性能优势。
3. 微内核系统将内核中最基本的功能（如进程管理等）保留在内核，而将那些不需要在核心态执行的功能移到用户态执行，从而降低了内核的设计复杂性。微内核结构有效地分离了内核与服务、服务与服务，使得它们之间的接口更加清晰，维护的代价大大降低，各部分可以独立地优化和演进，从而保证了操作系统的可靠性。因为需要频繁地在核心态和用户态之间进行切换，操作系统的执行开销偏大，影响了系统的效率。

1.4 练习题

1. 相对于传统操作系统结构，采用微内核结构设计和实现操作系统具有诸多好处，下列（）是微内核结构的特点。
   I、使系统更加高效
   II、添加系统服务时，不必修改内核
   III、微内核结构没有单一内核稳定
   IV、使系统更可靠
   A、I、III、IV
   B、I、II、IV
   C、II、IV
   D、I、IV
   C
   解析：微内核结构的信息交换影响了系统的效率，I错误；由于内核的服务变少，且一般来说内核的服务越少内核越稳定，所以III错；而II、IV正是微内核的优点。