操作系统]-课后习题系列-第二章
(1)计算机系统既有操作系统程序，又有用户程序，在什么情况下操作系统程序才能占用中央处理器？
这道题解答了三方面的内容：一个是程序和CPU之间的占用关系；一个是操作系统开始时占用CPU；最后一个是，操作系统在中断装置判断有事件发生时才让操作系统占用CPU。简单的说，就是操作系统是总管，没事的时候他等待，“有事”中断他出面。
答：一个计算机系统，尤其是采用多道程序设计的计算机系统，不仅有操作系统和其他的系统软件，而且还有若干应用程序。这些程序只有占用中央处理执行时才能履行自己职责。而中央处理器在任何时刻最多只能被一个程序占用。
计算机开启时，自动执行引导程序。引导程序首先进行系统初始化的工作，然后把操作系统中的核心装入主存储器。此后操作系统便等待用户请求（事件）的发生，当有某个事件出现，硬件便能识别并能发生一个中断，从而通知操作系统，由它的服务程序去处理，处理结束后，又等待下一个事件发生。
中断是计算机系统结构一个重要的组成部分。中断装置由一些特定的寄存器的控制线路组成，CPU每执行完一条指令，中断装置都要判断是否有事件发生。如果没有事件发生，CPU继续执行；若有事件发生，中断装置中断原先占用CPU的程序的执行，让操作系统的处理事件服务程序占用CPU对事件进行处理，处理完后，再让被中断的程序继续占用CPU执行下去。
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(2)阐述硬件的中断装置的作用。
答：中断是计算机系统结构一个重要的组成部分。在中断机制中的硬件部分(中断装置)的作用就是在CPU每执行完一条指令后，判别是否有事件发生，如果没有事件发生，CPU继续执行；若有事件发生，中断装置中断原先占用CPU的程序的执行，把被中断程序的断点保存起来，让操作系统的处理服务程序占用CPU对事件进行处理，处理完后，再让被中断的程序继续占用CPU执行下去。所以中断装置的作用总的来说就是使操作系统可以控制各个程序的执行，为用户提供各种服务。
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(3)操作系怎样让多个程序同时执行?
以上几道题均涉及到中断机制，其实说的就是这个机制的作用，中断机制包括硬件部分和软件部分，硬件就是中断装置，由它来发现事件并告诉软件(操作系统)，再配合操作系统来处理事件，所以计算机的任务管理就是由操作系统和中断装置的密切配合完成的。
答：一个计算机系统，尤其是采用多道程序设计的计算机系统，不仅有操作系统和其他的系统软件，而且还有若干应用程序。这些程序只有占用中央处理执行时才能履行自己职责。而中央处理器在任何时刻最多只能被一个程序占用。
中断装置在判别到有某个事件发生时，就会触发一个中断让操作系统去占用处理器。操作系统对事件处理结束后，又主动让出处理器，并根据对事件处理情况从那些具备占用处理器条件的程序中选择一个，让它占用处理器，直到系统再一次发生事件而被中断。操作系统总是按照预定的策略去选择可占用处理器的程序，系统中若干程序可以交替地占用处理器，形成多个程序同时执行的状态。
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(4)为什么要把“启动I/O”等指令定义为特权指令?
答：一个程序可以在其它程序等待外围设备传送信息时占用处理器执行，在执行中如果它也使用启动指令去启动一台正在工作的外围设备，那么就会造成冲突。为保护输入输出的完整性，把“启动I/O”等的一类可能影响系统安全的指令定义为特权指令。特权指令只允许操作系统使用，用户程序不能使用特权指令。用户程序若要启动I/O，必须请求操作系统代为启动，这种方式不但可以保证安全地使用外围设备，正确地传送信息，而且可减少用户为启动设备而必须了解外围设备特性以及启动等工作，大大方便了用户。
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(5)怎样限制用户程序中使用特权指令?
这三道题中的关键字是“特权指令”、CPU的两种工作方式“管态”和“目态”、访问地址、基址、限长寄存器等。弄清了这几个关键字的意义，也就清楚了系统中“硬件保护”的实现方法。
答：为了保证正确的操作，应该限制用户程序使用特权指令，为此，中央处理器设置了两种工作方式：管态和目态。在管态下，中央处理器可执行包含特权指令在内的一切指令；在目态下，中央处理器不准执行特权指令。操作系统在管态下工作，用户程序在目态下工作。如果中央处理器在目态下取到了特权指令，中央处理器就拒绝执行该指令，并产生“非法操作”事件经中断装置和操作系统通知用户修改。
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(6)操作系统与硬件如何配合来实现存储保护的?
答：主存储器往往同时装入了操作系统程序和若干用户程序，为了保证正确操作，必须对主存储器区域进行存储保护。存储保护随着主存储器管理方式的不同，实现保护的方法也有所不同，一般是操作系统与硬件配合来实现存储保护。
在连续分配的存储系统中，硬件中设置了两个寄存器来限定用户程序执行时可以访问的空间范围。这两个寄存器是基址寄存器和限长寄存器，用来限定用户程序执行时可以访问的主存空间范围。程序执行时，系统对每一个访问内存的地址进行核对："基址寄存器值≤访问地址≤基址寄存器值+限长寄存器值"成立，则允许访问；否则，不允许访问。这样就保护了该区域以外的存储信息不受到破坏，一旦程序执行中出错也不会涉及其他程序。
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(7)为什么要研究操作系统的结构?
答：操作系统是一种程序量大且接口复杂的系统软件。设计一个操作系统要投入大量的人力和花费较长的时间。因而，如何保证操作系统能正确，高效地工作至关重要。由于程序的结构是影响程序质量的内在因素，因此，有必要对操作系统的结构进行研究。
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正确性、高效性、可维护性和可移值性是操作系统结构设计的重要方面。
(8)应从哪些方面考虑操作系统的结构设计?
答：操作系统的结构设计应追求以下目标：
正确性：一个结构良好的操作系统不仅能保证正确性而且易于验证其正确性；
高效性：核心程序是影响计算机系统效率的的关键所在应遵循少而精的原则，使处理既有效又灵活。
可维护性：操作系统要容易维护
可移植性：在结构设计时，尽量减少与硬件直接有关的程序量并将其独立封装
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(9)操作系统采用层次结构有什么优点?
操作系统结构的设计方法有：无序模块法、内核扩充法、层次结构法和管程设计法等。
答：各种设计方法总的目标都要保证操作系统工作的可靠性。层次结构法的最大特点是把整体问题局部化，采用层次结构不仅结构清晰，而且便于调试，有利于功能的增加，删减和修改。层次结构的主要优点是有利于系统的设计和调试，正确性容易得到保证，也提高了可维护性和可移植性。
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(10)用户怎样使用操作系统提供的接口?
答：用户是通过操作系统来使用计算机系统的，操作系统为用户提供两种类型的使用接口：
使用接口就是指如何输入命令和输出结果。操作员接口就是操作员怎么输入命令。程序员接口就是程序程序员怎么用程序来使用操作系统的功能。
操作员接口：用户可以用作业控制语言写出控制作业执行步骤的"作业说明书"，也可以从键盘上输入操作控制命令或从"命令菜单"中选择命令指出作业的执行步骤。
程序员接口：操作系统提供了许多不同功能的子程序-系统功能调用，用户可以在程序中调用这些子程序。
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(11)操作系统为什么要提供"系统调用"？
答：在用户编写的源程序一级，用户使用程序设计语言描述算题任务的逻辑要求，有一些要求的实现只有通过操作系统的功能程序才能完成。操作系统编制了许多不同功能的子程序，用户程序在执行中可以调用这些子程序。由操作系统提供的这些子程序称为"系统功能调用"程序，简称"系统调用"。系统调用是操作系统提供给用户程序的服务接口。 |
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