汤子瀛[1].计算机操作系统.习题答案.pdf

《计算机操作系统》是IT教育中不可或缺的一门课程，它深入探讨了操作系统的设计原理、功能特性以及其实现机制。汤子瀛教授所著的《计算机操作系统》一书，因其详尽的内容和深入浅出的讲解，成为了众多高校计算机专业学生的重要参考教材。下面，我们将根据给定的文件信息，提炼并扩展其核心知识点。 ### 操作系统的主要目标 设计现代操作系统（OS）的主要目标包括： 1. **方便性**：简化用户与计算机硬件之间的交互，提供用户友好的界面和工具。 2. **有效性**：高效利用计算机资源，提高系统的整体性能。 3. **可扩充性**：系统能够适应硬件和软件的升级，支持新的应用和服务。 4. **开放性**：遵循开放标准和协议，确保不同系统之间的兼容性和互操作性。 ### 操作系统的作用 操作系统的作用可从以下几个方面体现： 1. **作为用户与硬件的接口**：通过图形用户界面（GUI）或命令行界面（CLI），让用户能够轻松地控制和操作硬件资源。 2. **资源管理**：负责分配和调度处理器时间、内存、磁盘空间等资源，确保多个程序能够同时运行而不发生冲突。 3. **扩充机器**：通过提供高级抽象，如进程、线程、虚拟内存等，使得计算机的功能得以增强，超越了物理硬件的限制。 ### 多道批处理系统的发展动力 多道批处理系统的形成和发展主要受以下因素驱动： - **提高资源利用率**：通过允许多个作业同时在内存中等待执行，最大限度地利用CPU和I/O设备。 - **增加系统吞吐量**：能够在单位时间内处理更多的作业，提升系统的整体效率。 ### 输入输出技术 - **脱机I/O**：预先将数据从低速设备转移到高速磁带上，再由主机读取，减少了CPU的等待时间，提高了数据传输效率。 - **联机I/O**：直接在主机控制下进行输入输出操作，适用于需要实时响应的应用场景。 ### 分时系统的发展动力 分时系统的发展主要是为了满足用户需求，特别是： - **人机交互**：允许多个用户同时通过终端与同一台主机进行交互，提高了系统的响应速度和用户满意度。 - **资源共享**：用户可以共享主机资源，进行计算和数据处理。 ### 实时系统的类型 实时系统分为两大类： 1. **实时控制系统**：用于需要精确时间控制的场景，如工业自动化、航空控制等。 2. **实时信息处理系统**：用于需要快速处理大量数据的应用，如金融交易、气象预报等。 ### 实现多道程序面临的问题 在实现多道程序环境中，需要解决以下关键问题： - **处理机管理**：有效地调度CPU时间，确保多个程序能够公平地获得执行机会。 - **内存管理**：合理分配内存空间，防止程序间冲突，同时支持虚拟内存技术。 - **I/O设备管理**：优化I/O操作，避免设备竞争，提高数据传输效率。 - **文件管理**：组织和维护文件系统，提供文件访问和保护机制。 - **作业管理**：控制作业的提交、调度和执行流程，确保系统稳定运行。 ### 单道与多道批处理系统的对比 - **单道批处理系统**：一次只允许一个作业运行，自动性和顺序性明显，但资源利用率较低。 - **多道批处理系统**：允许多个作业同时存在内存中，资源利用率和系统吞吐量大大提高，但平均周转时间可能较长，且缺乏用户交互能力。 ### 分时系统的关键问题及其解决方案 - **及时接收和处理**：通过多路卡接收来自多个终端的数据，确保所有用户作业都能在短时间内得到执行。 ### 引入实时操作系统的原因 实时操作系统被引入以满足对实时控制和实时信息处理的高精度需求，特别是在安全关键型应用中，如航空航天、医疗设备和军事系统。 ### 操作系统的特征 操作系统的基本特征包括： - **并发**：允许多个程序或任务同时运行。 - **共享**：资源可以被多个程序或任务共享。 - **虚拟**：通过虚拟化技术，为用户提供比实际资源更多的“虚拟”资源。 - **异步性**：程序或任务可以独立于其他任务运行，无需等待特定事件的发生。 ### 内存管理的主要功能 内存管理的主要功能包括： - **内存分配**：为运行的程序分配足够的内存空间。 - **内存保护**：防止程序访问未经授权的内存区域，保障数据安全。 - **地址映射**：将程序的逻辑地址转换为物理地址，支持虚拟内存。 - **内存扩充**：通过虚拟内存技术，提供超出物理内存限制的存储空间。 ### 处理机管理的主要功能 处理机管理涉及： - **进程控制**：创建、终止进程，控制进程状态。 - **进程同步**：协调多个进程间的执行顺序，避免竞态条件。 - **进程通信**：允许进程间传递数据或信号，促进合作。 - **调度**：决定哪个进程将占用CPU，何时占用。 ### 设备管理的主要功能 设备管理的主要任务是： - **缓冲管理**：缓存数据，提高I/O操作效率。 - **设备分配**：合理分配I/O设备，避免资源冲突。 - **设备处理**：控制设备的启动、停止和错误检测。 - **虚拟设备**：通过软件模拟，实现设备的共享和虚拟化。 操作系统作为计算机系统的核心组成部分，不仅提供了用户与硬件之间的桥梁，还负责管理和优化各种资源，以确保系统的高效运行和用户体验的提升。通过深入理解操作系统的理论和实践，我们能够更好地开发和利用计算机系统，满足不断变化的技术需求。