操作系统原理复习大纲Word文件下载.docx

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以Intel80386为例，说明该CPU寄存器哪些是通用的（用户程序可使用的），哪些是专用的（不可直接操作的）？

说明专用的寄存器的内容及作用。

用户可见寄存器（数据寄存器和地址寄存器索引寄存器、段指针、栈指针）；

控制和状态寄存器（程序计数器、指令寄存器、程序状态字包括条件码和其它诸如中断允许/禁止位和管理/用户模式位的状态信息、存储器/IO地址/缓冲寄存器、中断寄存器等）。

　　以Intel80386为例，说明该CPU的指令分为哪几大类，寻址方式有哪几种？

哪些是特权指令？

　　3.指令执行，要求达到“领会”层次。

以算术运算指令为例，说明指令执行主要的步骤。

取指令和执行指令。

　　说明指令计数器寄存器在程序的执行过程中的作用和指令执行前后内容如何变化。

　　以Intel80386为例，说明程序状态字的基本内容和作用。

　　4.中断原理，要求达到“领会”层次。

　　说明中断机制的作用。

根据指令执行周期说明中断响应发生时机。

在每个指令周期的末尾检查中断。

　　以Intel80386为例，说明其中断机制的主要组成部件及其在中断过程中的作用。

　　以Intel80386为例，说明其中断响应时，在CPU控制权转移给中断处理程序前，程序状态字和程序计数器保存在何处？

　　什么叫中断向量？

以Intel80386为例，说明其中断向量的组织方式和保存位置。

　　以Intel80386为例，说明其中断响应时，CPU控制权怎样转移给中断处理程序的？

　　说明中断处理程序的一般结构。

　　说明多重嵌套中断中处理器的控制流转移过程。

　　5.存储器层次，要求达到“领会”层次。

存储器基本层次结构有哪几层。

CPU寄存器—高速缓冲存储器—主存储器—辅助存储器

　　从容量、速度、价格和CPU访问其内容的频率这几个方面，说明存储器层次从上到下的变化规律。

存储器为什么要层次化？

为了很好地在存取速度、价格和容量之间平衡—用户需求是大容量、低价格，而性能要求是高存取速度。

　　6.CACHING，要求达到“领会”层次。

　　什么是CACHE？

　　为什么存储器分层化是CACHING技术的体现？

　　列举CACHING技术在计算机硬件系统和软件系统中的一些典型应用

　　设CPU从高速缓存中存取一个字的时间为t1，而CPU从内存中存取一个字的时间为t2，CPU从高速缓存中存取命中率为r，如果数据没有命中，则数据从内存复制到高速缓存的时间为t3，说明该CACHING技术的效率。

　　7.I/O方式，要求达到“领会”层次。

　　说明CPU同步程序控制I/O方式过程

　　说明中断控制I/O方式过程

　　说明DMA控制I/O方式过程

　　说明通道控制I/O方式过程

从CPU利用率、CPU与设备通信方式和CPU与设备的并行程度这三个方面说明四种I/O方式各自的特点

可编程I/O、中断驱动I/O、DMA、I/O通道、I/O处理器。

　　第2章操作系统概述

（一）课程内容

　　1.操作系统的目的和功能

　　2.操作系统发展。

　　3.操作系统主要理论和模型

　　4.现代操作系统的特征。

　　5.LINUX/UNIX/WINDOWS特征。

（二）学习目的与要求

　　了解操作系统在计算机系统中的作用；

各类操作系统的特点；

作业控制语言和系统功能调用的作用，进程与线程概念，操作系统结构。

操作系统对计算机硬件的要求；

操作系统在计算机系统中的作用；

系统调用的实现原理，微内核结构的特点。

　　1.操作系统目的与功能，要求达到“识记”层次。

计算机系统由哪些部分组成。

计算机硬件系统、操作系统、实用工具、应用程序。

计算机系统有哪些硬件资源和软件资源。

硬件资源：

处理器、主存、I/O设备、I/O通道、文件等。

软件资源：

中断、信号、消息等。

操作系统的目的是什么。

方便、有效、易扩展。

操作系统的有哪些主要功能。

控制应用程序的执行、充当应用程序和计算机硬件之间的接口、作为计算机系统资源管理器。

为什么操作系统要具有易扩展性

硬件升级和新型硬件的出现、新的服务、纠正错误。

　　2.操作系统的发展，要求达到“领会”层次。

　　裸机时代使用计算机的操作特点是什么

　　联机操作的含义。

监控程序的主要功能是什么？

它解决了什么问题？

监控程序用在批处理系统中，它每次从输入设备读取一个作业并把控制权交给它，当此作业完成后，它把控制权返回给监控程序，监控程序自动加载下一个作业。

监控程序使得计算机能够连续处理多个作业，完成了调度功能，改善了作业的准备时间，提高了计算机的利用率。

多道批处理系统为什么能提高计算机系统的利用率，它要求硬件系统有什么特征？

I/O设备相对于处理器而言速度太慢，多道批处理系统使得当一个作业在等待I/O时，处理器可以切换到另一个不在等待I/O的作业，这就提高了处理器的使用效率。

需要硬件支持：

中断驱动I/O或者DMA。

　　脱机操作的含义。

分时系统有哪些特点？

它的硬件环境和应用环境各有什么特点？

分时操作系统的特点：

多路性、独占性、交互性、实时性。

实时系统有哪些特点？

时间约束性、可预测性、可靠性、交互性。

　　3.操作系统的理论与模型，要求达到“领会”层次。

　　为什么进程模型是操作系统理论的核心？

　　为什么进程的存储空间要隔离？

　　进程不能直接使用计算机物理地址空间？

操作系统要面临哪些安全威胁？

要提供哪些安全义务？

可用性、保密性、数据完整性和认证。

资源调度和管理的主要考虑的因素是什么？

公平性、有差别的响应性和有效性。

　　4.现代操作系统的特征，要求达到“领会”层次。

现代操作系统有哪些主要特征？

微内核体系结构、多线程、对称多处理、分布式操作系统、面向对象设计。

操作系统为什么要提供“系统功能调用”。

系统调用：

操作系统将一些常用的控制过程（如创建进程）编写成内核函数，应用程序通过系统调用将请求传递给内核，调用相应的内核函数完成相应的处理，因此系统调用是应用程序和系统内核之间的接口。

系统调用简化了应用程序的编写，使得编写大型应用程序成为可能。

库过程子程序调用与系统调用有什么差别？

试从效率、安全和可扩展性三个方面评价各自的好坏。

①调用内核函数；

②是操作系统内核的一个入口点，在内核地址空间执行；

③需要进行模式切换；

库过程调用：

①调用函数库中的一段程序；

②与用户程序联系，在用户地址空间执行（除非涉及I/O操作）；

③属于过程调用，调用开销较小（除非涉及I/O操作）；

不同的系统会提供不同的系统调用，但是标准函数库（如ANSIC）通常可以运行在不同的系统环境，具有较高的可移植性；

系统调用由于涉及模式切换，因此开销较库函数调用要大，但是如果涉及I/O操作，则库函数调用最终要通过系统调用完成，因此系统调用的开销会相对较小。

　　5UNIX/LINUX/WINDOWS的结构特点

UNIX属于哪一种操作系统，传统UNIX的结构属于哪一种操作系统结构？

分时操作系统；

多用户、多任务、支持多处理器。

通用操作系统是分时系统与批处理系统的结合。

分时优先，批处理在后。

　　LINUX属于哪一种操作系统，LINUX的结构属于哪一种操作系统结构？

　　WINDOWS属于哪一种操作系统，WINDOWS的结构属于哪一种操作系统结构？

　　试从效率、安全和可扩展性三个方面评价UNIX/LINUX/WINDOWS操作系统。

　　第3章进程描述与控制

　　1.进程的概念。

　　2.进程模型。

　　3.进程描述。

　　4进程控制

　　通过本章学习应该掌握多道程序设计是如何提高计算机系统效率的；

进程和程序有什么区别；

进程的基本状态以及状态变化；

进程控制，操作系统的代码执行方式。

多道程序设计，进程模型，进程控制。

　　1.什么是多道程序设计，要求达到“领会”层次。

什么是多道程序设计。

指计算机主存中同时驻留两个或两个以上相互独立的的进程，它们在操作系统的控制下交替地使用CPU，轮流执行。

多道程序设计为什么能提高处理器的工作效率。

①充分利用了外围设备的并行工作能力；

②提高了系统吞吐量。

多道程序设计对算题量和算题时间的影响。

算题量增大，但是每个计算问题的算题时间可能增加。

　　2.进程与进程控制块，要求达到“领会”层次。

　　什么叫进程：

计算机上程序的执行实例。

操作系统为什么要关注程序的执行过程。

只有监控程序的执行，才能很好地解决下面的问题：

不正确的同步、失败的互斥、死锁、不确定的程序操作。

说明进程与程序的区别与联系。

①程序是指令序列，是一个静态的概念；

进程是程序的执行实例，是一个动态的概念；

②程序是永久的，而进程具有一定的生命周期；

③进程由程序、数据和进程控制块三部分组成，进程可以执行不同程序中的代码；

程序运行在不同的数据集合上就对应着不同的进程；

④程序不能独立运行，而进程则拥有对资源的控制和所有权并且是操作系统调度和分派的实体，进程还能够在执行的过程中派生出其它进程。

⑤进程能更真实地描述并发，而程序不能；

　　进程的基本状态有哪些？

　　根据进程状态变化基本模型图，描述一个进程生命周期的典型经历。

　　根据有进程交换（挂起状态）的模型，描述一组进程生命周期的典型经历。

　　描述一个进程生命周期的状态变化时，操作系统所做的工作。

　　3.进程描述，要求达到“领会”层次。

　　进程控制块典型元素有哪些？

描述一个进程生命周期的典型经历与进程控制块的内容的联系。

　　进程控制块有何作用

　　进程映像有哪些内容？

　　4.进程控制，要求达到“领会”层次。

　　为什么CPU要有多种执行模式。

　　操作系统内核的典型功能有哪些？

　　以一个具体的CPU为例，说明执行模式反映在什么位置，描述硬件是如何实现执行模式切换的。

　　进程创建的主要工作有哪些？

　　模式切换过程大致如何？

　　进程切换过程大致如何？

？

　　进程切换与模式切换有何关系？

　　进程队列主要有哪些？

结合进程生命周期的典型经历，描述进程在队列的进出情况。

　　进程撤销的主要工作有哪些？

　　操作系统自身功能代码的有几种执行方式？

　　内核方式执行有何特点？

　　用户空间子程序调用方式执行有何特点？

　　用户空间进程方式执行有何特点？

第4章线程、微内核和对称多处理

　　1.进程与线程

　　2.对称多处理

　　3.微内核

　　通过本章学习应该掌握多线程技术是如何提高多道程序设计方法的效率；

进程和线程有什么区别和联系；

线程的基本状态以及状态变化；

线程控制，微内核操作系统的结构特点，SMP概念。

线程模型，微内核的操作系统工作原理。

　　1.进程和线程概念，要求达到“领会”层次。

　　传统进程模型的双重作用是什么？

　　多线程环境中，进程的作用是什么？

　　线程的实体有哪些内容？

　　为什么多线程比多进程更有效率？

列举几种更适用多线程技术的单用户多任务系统例子

单进程单线程：

MS-DOS；

多进程单线程：

UNIX；

单进程多线程：

Java运行环境；

多进程多线程：

Windows、Mach、Solaris。

　　线程状态主要有哪些？

　　如果一个程序中包含了多个远程过程调用，说明单处理器的环境中，用线程进行远程过程调用可以加快程序的执行。

　　用户级线程有哪些特点？

　　内核级线程有哪些特点？

　　2.对称多处理，要求达到“领会”层次。

对称多处理结构有哪些特点？

集群系统（多计算机系统）和共享存储器多处理机系统（主从结构和对称结构）。

对称多处理的特点：

①内核可以在任何处理器上执行，并且每个处理器可以从可用的进程或线程池中进行各自的调度工作；

②内核可以由多进程或者多线程构成，允许部分内核并行执行。

　　3.微内核，要求达到“领会”层次。

什么叫内核？

①内核是操作系统最基本的部分，它为众多应用程序提供对计算机硬件的安全访问，这种访问是有限的，由内核决定一个程序在什么时候对某部分硬件操作多长时间；

②直接对硬件操作是非常复杂的，内核提供了一种硬件抽象的方法来完成这些操作，硬件抽象隐藏了复杂性，为应用程序和计算机硬件之间提供了一套简洁，统一的接口，使程序设计更为简单。

微内核的操作系统结构有什么特点？

一致接口、可拓展性、灵活性、可移植性、可靠性、分布式系统支持、对面向对象操作系统的支持。

操作系统结构发展主要分为几种结构？

试从效率、安全和可扩展性三个方面评价各种结构的好坏。

单体结构的操作系统；

分层结构的操作系统（每层处理相当多的功能，一层中的主要变化可能对相邻层产生巨大影响，因此可扩展性差；

相邻层之间有很多交互，因此很难保证安全性）；

微内核体系结构（用水平分层的结构代替了传统的纵向分层的结构，可扩展性好；

更加安全）。

第5章并发：

互斥与同步

　　1.并发原理。

　　2.互斥硬件支持

　　3.信号量

　　4.管程

　　5.消息传递。

　　6.读者-写者问题。

　　理解在多道程序设计的系统中经常有多个进程并发执行，并发进程竞争资源时会出现与时间有关的错误；

掌握用PV操作实现进程的互斥和同步，以保证系统的安全；

了解采用信箱方式的进程通信；

怎样防止和避免死锁的发生。

分析与时间有关的错误；

用PV操作实现进程的同步与互斥；

解决死锁问题的方法。

　　1.并发原理，要求达到“领会”层次。

进程的顺序性指什么？

顺序性：

进程在顺序处理器上的执行时按顺序进行的，一次执行一个操作，当进程独占处理器顺序执行时，具有封闭性和可再现性。

进程的并发性指什么？

如果一个系统中存在一组可以同时执行的进程，就说这组进程具有并发性。

可同时执行是指在多道程序设计系统中，一个进程的工作还没有完成，另一个进程就可以开始工作（交替执行），进程的执行时间是相互重叠的。

竞态是怎样的一种现象？

产生的原因是什么？

原因：

共享数据、多个进程或线程并发执行。

　　能够分析两个程序并发执行中产生竞态（与时间有关的错误）的时序。

　　临界区是什么？

　　说明临界区互斥模型基本结构。

　　说明解决相关临界区互斥方案的要求。

　　说明软件实现临界区互斥各种方案，分析各种方案的可行性及局限性

　　2.互斥硬件支持，要求达到“领会”层次。

　　说明关中断为什么能实现临界区互斥及这种方案的局限性

　　说明TS指令的功能，描述利用TS指令实现临界区互斥方案，分析这种方案的可行性及局限性

　　说明EXCH指令的功能，描述利用EXCH指令实现临界区互斥方案，分析这种方案的可行性及局限性

　　“忙等待”方式是指什么？

对CPU利用率有何影响？

“原语”是怎样的一种过程

原语：

由若干条机器指令构成的具有某种特定功能的一段程序，在执行过程中不允许被中断。

　　说明信号量的基本结构，描述P、V操作的流程

　　说明信号量的值的取值范围及相应的阻塞队列状态，描述P、V操作各自在资源管理中的含义。

　　说明信号量实现临界区互斥的方案，分析方案的可行性，说明信号量方案的优点

什么叫进程同步？

说明信号量实现进程同步的方案。

同步：

进程之间因为直接制约而通过发消息相互合作、相互等待，使得各个进程之间按一定的先后顺序执行。

　　说明生产者-消费者问题的基本模型，说明用信号量实现有限缓冲模型的方案。

　　如果生产者-消费者问题的信号量实现有限缓冲模型的方案中交换了信号量P操作的顺序，是否产生死锁，分析发生死锁所要求的进行并发时序。

说明引进管程的主要原因

一种程序设计语言结构：

比信号量更加易于控制，使用信号量设计一个正确的程序很困难。

说明管程的基本性质

管程包括一个或多个过程、一段初始化代码、局部数据、条件变量。

①局部数据变量只能被管程中的过程访问，任何外部过程不能访问；

②一个进程通过调用管程的一个过程进入管程；

③在任何时候智能有一个进程在管程中执行，调用管程的任何其它进程将被挂起等待管程可用。

　　说明Hore管程的实现方案，分析方案的可行性，说明其比信号量方案更优越之处

　　说明条件变量与信号量的异同

　　说明进程同步和互斥的本质是进程之间传递信息

　　说明消息传递过程中，消息在不同的存储空间的位置变化

　　描述实现进程通信的基本原语发送（send）和接收（receive）的流程。

　　说明消息传递过程中send操作和receive操作的作用。

说明消息传递中发送进程与接收进程同步的几种组合方式。

①阻塞send，阻塞receive（称为会合）；

②无阻塞send，阻塞receive（最有用的一种组合，允许发送者给多个目标进程快速地发送一条或多条消息）；

③无阻塞send，无阻塞receive。

　　说明可以用消息传递实现发送进程与接收进程的协作同步。

　　说明可以用消息传递实现发送进程与接收进程的实现临界区互斥。

　　说明读者-写者问题的基本要求，描述用信号量实现的读者优先方案，说明方案为什么是读者优先的。

说明写者优先的具体含义，描述用信号量实现的写者优先方案。

第6章并发：

死锁与饥饿

　　1.死锁原理。

　　2.死锁预防

　　3.死锁避免

　　4.死锁检测

　　5.综合的死锁策略

　　6.哲学家就餐问题。

　　7.UNIX/LINUX/WINDOWS操作系统的并发机制

　　理解在多道程序设计的系统中经常有多个进程死锁或饥饿的本质原因，掌握一些预防和避免死锁的方法，了解现代操作系统解决死锁的综合策略。

死锁条件，分析死锁产生的时序；

资源按预分配方法、安全状态概念与银行家算法思想。

死锁是怎样产生的

死锁条件：

互斥、占有且等待、非抢占、循环等待。

死锁的原因：

①系统资源不足；

②资源分配不当；

③进程运行推进顺序不合适。

---资源有限且操作不当。

　　说明二个进程的联合进程图与死锁的关系

说明资源分配图与死锁的关系

　　说明破坏互斥条件的可能性

说明破坏占有且等待条件如何实现

方法：

一次性请求所有所需要的资源，并且阻塞这个进程直到所有的请求被满足。

缺点：

①进程可能事先不会知道它所需要的所有资源；

②阻塞很长时间等待所有请求都被满足，而实际上只要有一部分资源它就可以继续执行；

分配给进程的资源可能相当长的一段时间处于不可用状态，但在此其间它们又不能被其它进程使用。

说明破坏不可剥夺条件的可能性

①如果占有某些资源的进程进行进一步的资源请求被拒绝，则该进程必须释放它最初占用的资源；

②如果一个进程请求当前被另一个进程占有的一个资源，则操作系统可以抢占另一个进程，要求它释放资源。

第二种方法要求进程之间具有不同的优先级；

两种方法都要求资源状态可以很容易地保存和恢复。

说明资源按序分配方法的要点，证明该方法能破坏环路条件

定义资源类型的线性顺序。

　　3.死锁避免：

进程启动拒绝和资源分配拒绝。

　　说明进程启动拒绝的要点

安全状态是怎样的资源分配状态？

至少有一个进程执行序列不会导致死锁。

说明银行家算法的主要数据结构。

Claim矩阵C，Allocation矩阵A，C-A，Resource向量R，Available向量V。

　　描述银行家算法的基本流程。

说明银行家算法的局限性。

①必须事先声明每个进程的所有资源请求，包括资源类型和数目；

②考虑的进程必须是无关的，即他们的执行顺序没有任何同步要求的限制；

③分配的资源数目必须是固定的；

④在占有资源时进程不能退出。

说明死锁检测与银行家算法的异同，这种方法有什么局限性？

只要有可能，被请求的资源都被授权给进程。

操作系统周期性地执行一个算法检测循环等待条件，确定当前是否存在死锁。

当检测到死锁时就采用某种策略恢复死锁。

说明现代操作系统中如何对待死锁问题？

为什么现代操作系统并不常发生死锁的现象？

①把资源分成几种不同的资源类；

②为预防在资源类之间由于循环等待而产生死锁，可以使用线性排序策略；

③在一个资源类中使用该资源类最适合的算法。

　　说明哲学家就餐问题的基本约束条件

用信号量解决哲学家就餐问题时，每个哲学家都统一先左后右拿筷子，分析死锁是怎样发生的。

同时拿起左边的筷子然后拿右边的筷子。

说