[Versión MOOC del sistema operativo de computadora] Capítulo 1 Ejercicios después de clase

El objetivo principal de configurar un sistema operativo en un sistema informático es lograr: conveniencia, efectividad, escalabilidad y apertura ;
el papel del sistema operativo se refleja principalmente en los siguientes tres aspectos:

El sistema operativo sirve como interfaz entre el usuario y el sistema de hardware de la computadora;

El sistema operativo actúa como administrador de los recursos del sistema informático;

OS implementa la abstracción de recursos informáticos.

2. Intente explicar la relación entre el sistema operativo y el hardware, otro software del sistema y los usuarios.

El sistema operativo es la primera capa de software que cubre el hardware, administra los recursos de hardware y software de la computadora y proporciona una buena interfaz a los usuarios. El sistema operativo está estrechamente relacionado con el hardware: administra directamente los recursos de hardware y completa todas las operaciones relacionadas con el hardware para el usuario, lo que facilita en gran medida el uso de los recursos de hardware por parte del usuario y mejora la utilización de los recursos de hardware. El sistema operativo es un tipo especial de software del sistema. Otro software del sistema se ejecuta sobre la base del sistema operativo y puede obtener una gran cantidad de servicios proporcionados por el sistema operativo. En otras palabras, el sistema operativo es la interfaz entre otro software del sistema. y hardware. Además de la compatibilidad con el sistema operativo, los usuarios generales también necesitan utilizar una gran cantidad de otros programas de sistema y aplicaciones para que su trabajo sea más eficiente y conveniente.

3. Intente explicar cuál es la principal fuerza impulsora para el desarrollo del sistema operativo.

1) La tasa de utilización de los recursos del sistema informático continúa aumentando;
2) La comodidad del usuario;
3) Los dispositivos se actualizan constantemente;
4) La arquitectura informática continúa desarrollándose;
5) Constantemente se proponen nuevos requisitos de aplicación.

4. En el sistema operativo, ¿qué son el modo de E/S fuera de línea y el modo de E/S en línea?

El método de E/S fuera de línea significa que la cinta o tarjeta de papel que contiene el programa o los datos del usuario se cargan de antemano en la máquina de entrada de cinta de papel o en la máquina de tarjetas, y bajo el control de la máquina periférica, los datos o el programa en la cinta de papel. o se ingresa una tarjeta en la cinta, las operaciones de E/S en este modo se completan bajo el control de la máquina periférica y se realizan sin la máquina host, por lo que se denomina modo de E/S fuera de línea. El método de E/S en línea significa que la E/S de programas y datos se realiza bajo el control directo del host.

5. ¿Cuáles son las principales fuerzas impulsoras que promueven la formación y el desarrollo de sistemas de tiempo compartido?

1) El uso de tiempo compartido de la CPU (unidad central de procesamiento, unidad central de procesamiento) acorta el tiempo promedio de respuesta de los trabajos; 2
) La provisión de funciones de interacción persona-computadora permite a los usuarios controlar directamente sus propios trabajos de manera conveniente;
3) El El uso compartido de hosts permite que muchos usuarios individuales (incluidos los usuarios remotos) puedan usar una computadora al mismo tiempo para procesar sus propios trabajos de forma independiente y sin interferir entre sí.

6. ¿Cuáles son las cuestiones clave al implementar un sistema de tiempo compartido? ¿Cómo resolverlo?

La cuestión clave en la implementación de un sistema de tiempo compartido: permitir a los usuarios interactuar con sus propios trabajos, es decir, después de que el usuario ingresa un comando en su terminal para solicitar servicios del sistema, el sistema puede recibir y procesar el comando de manera oportuna. y ejecutar el comando de manera oportuna que sea aceptable para el usuario. Los resultados se devuelven al usuario dentro del plazo.
Solución: La forma de recibir comandos y devolver resultados de salida de manera oportuna es configurar una tarjeta multicanal en el sistema y configurar un búfer para cada terminal para almacenar temporalmente los comandos ingresados por el usuario y los resultados de salida. Por lo tanto, el problema clave a resolver es garantizar que todos los programas de usuario en el sistema puedan ejecutarse una vez en un corto período de tiempo, de modo que los comandos ingresados por el usuario puedan responderse de manera oportuna. Para ello, por un lado, el trabajo del usuario debe ingresarse en la memoria inmediatamente después de su envío; por otro lado, el sistema debe establecer un tiempo muy corto llamado segmento de tiempo y estipular que cada programa solo puede ejecutarse. continuamente durante un tiempo máximo a la vez. Si el intervalo de tiempo se agota, la CPU debe entregarse al siguiente trabajo independientemente de si ha terminado de ejecutarse. Al permitir que los trabajos compartan la CPU en tiempo compartido, todos los trabajos se pueden procesar de manera oportuna y las solicitudes de los usuarios también se pueden responder de manera oportuna.

7. ¿Por qué introducir un sistema en tiempo real?

Un sistema en tiempo real se refiere a un sistema que puede responder a solicitudes de eventos externos de manera oportuna, completar el procesamiento de eventos externos dentro de un tiempo específico y controlar todas las tareas en tiempo real para que se ejecuten de manera coordinada. El sistema en tiempo real se introduce para satisfacer mejor las necesidades del campo de control en tiempo real y del campo de procesamiento de información en tiempo real.

8. ¿Qué son las tareas HRT y SRT? Dar un ejemplo

1) Las tareas difíciles en tiempo real significan que el sistema debe cumplir con los requisitos de fecha límite de la tarea; de lo contrario, pueden ocurrir resultados impredecibles, como el control del vehículo de lanzamiento; 2) Las tareas suaves en tiempo real no tienen requisitos de fecha límite estrictos
y las tareas ocasionalmente pueden La fecha límite no tendrá mucho impacto en el sistema, como la actualización del contenido de la página web, la actualización del número de billetes restantes en el sistema de emisión de billetes de tren, etc.

9. Intente comparar los sistemas de tiempo compartido y los sistemas de tiempo real en términos de puntualidad, interactividad y confiabilidad.

1) Piénselo en términos de interactividad. La cuestión de la interactividad es una cuestión clave en los sistemas de tiempo compartido. En un sistema de tiempo compartido, los usuarios pueden realizar una amplia interacción persona-computadora con el sistema a través del terminal, como edición de archivos, procesamiento de datos e intercambio de recursos. Los sistemas en tiempo real también son interactivos, pero en los sistemas en tiempo real la interactividad se limita a acceder a algunos programas de servicio dedicados específicos en el sistema, es decir, su interactividad tiene grandes limitaciones; 2) Considere desde la perspectiva de la puntualidad
. La puntualidad de un sistema de tiempo compartido significa que los usuarios pueden obtener una respuesta del sistema en un corto intervalo de tiempo, este intervalo de tiempo se determina en función del tiempo de espera que las personas pueden aceptar, que generalmente es de 2 a 3 segundos. Para los sistemas en tiempo real, la puntualidad es una de sus cuestiones clave. Los requisitos de puntualidad de los sistemas de información en tiempo real son similares a los sistemas de tiempo compartido, mientras que los requisitos de puntualidad de los sistemas de control en tiempo real están determinados por la hora de inicio y finalización requerida. por el objeto controlado. El plazo de finalización generalmente está determinado por segundos, cientos de milisegundos, milisegundos o incluso menos;
3) Considere la confiabilidad. La confiabilidad es otra cuestión clave en los sistemas en tiempo real. Cualquier error en los sistemas en tiempo real puede causar enormes pérdidas económicas e incluso tener consecuencias catastróficas impredecibles. Por lo tanto, los sistemas en tiempo real a menudo adoptan medidas de tolerancia a fallas de múltiples niveles para garantizar que el sistema es altamente confiable. Aunque los sistemas de tiempo compartido también requieren confiabilidad, sus requisitos son menores que los de los sistemas de tiempo real.

10. ¿En qué categorías se puede dividir el sistema operativo de microcomputadora según su modo de funcionamiento? Por ejemplo.

1) SO de usuario único y tarea única: solo permite que un usuario acceda a la computadora (usar la computadora) y solo permite que el programa de usuario se ejecute como una tarea. Se configura principalmente en microcomputadoras de 8 y 16 bits. Los SO de tarea única de usuario único más representativos son CP/M (8 bits) y MSDOS (16 bits);
2) SO multitarea de usuario único: solo se permite que un usuario se ejecute en la computadora, pero el El usuario puede dividir el programa en varias tareas de ejecución simultánea, mejorando así eficazmente el rendimiento del sistema. El sistema operativo multitarea para un solo usuario más representativo es la serie Windows lanzada por Microsoft, como Windows 3.1, Windows 95, Windows 98, etc.; 3) Sistema operativo multitarea multiusuario
: permite que varios usuarios utilicen una máquina a través de sus respectivos terminales, comparten varios recursos en el sistema host, y cada programa de usuario se puede dividir en varias tareas para su ejecución simultánea, lo que puede mejorar aún más la utilización de recursos y el rendimiento del sistema. Los sistemas operativos multiusuario y multitarea más representativos son los sistemas UNIX, varios sistemas similares a UNIX (como Solaris, sistemas Linux, etc.) y los sistemas de la serie Windows NT/Server.

11. ¿Cuáles son las características principales del sistema operativo? ¿Cuál es la relación entre ellos?

Las cuatro características básicas son concurrencia, uso compartido, virtualidad y asincronía;
1) La concurrencia y el uso compartido son las características más básicas del sistema operativo. Para mejorar la utilización de los recursos informáticos, el sistema operativo debe adoptar tecnología de programación múltiple para permitir que múltiples programas compartan recursos del sistema y se ejecuten simultáneamente; 2) La
concurrencia y el uso compartido son condiciones mutuamente excluyentes. Por un lado, el intercambio de recursos está condicionado a la ejecución concurrente de programas (procesos). Si el sistema no permite la ejecución concurrente de programas, no habrá problema de compartir recursos; por otro lado, si el sistema no puede efectivamente gestionar el intercambio de recursos, la coordinación Mejorar el acceso de cada proceso a los recursos compartidos definitivamente afectará la ejecución concurrente del programa, e incluso hará imposible ejecutar el programa al mismo tiempo; 3) La
virtualidad se basa en la concurrencia y el intercambio. Para permitir que los procesos concurrentes compartan recursos de manera más conveniente y efectiva, el sistema operativo a menudo utiliza una variedad de tecnologías virtuales para aumentar lógicamente la cantidad de CPU y dispositivos y la capacidad de memoria, resolviendo así el problema de los procesos concurrentes que comparten recursos limitados del sistema; 4)
Asíncrono El sexo es el resultado inevitable de la concurrencia y el compartir. El sistema operativo permite que múltiples procesos concurrentes compartan recursos y cooperen entre sí, de modo que el proceso de ejecución de cada proceso esté restringido por otros procesos y ya no sea "coherente", lo que inevitablemente conducirá a la aparición de características asincrónicas.

12. ¿Qué causa que el sistema operativo tenga características asincrónicas?

En un entorno de multiprogramación, se permite la ejecución de múltiples procesos al mismo tiempo. Sin embargo, debido a limitaciones de recursos y otros factores, la ejecución del proceso generalmente no se realiza de una sola vez, sino de forma intermitente. Es impredecible cuándo se ejecuta cada proceso en la memoria, cuándo se pausa y a qué velocidad avanzará. Por lo tanto, el orden en que se completan los trabajos no es exactamente el mismo que el orden en que se ingresan en la memoria, es decir, el proceso se ejecuta de forma asincrónica. Sin embargo, con el soporte de mecanismos de sincronización y control de procesos relevantes, siempre que el entorno de ejecución sea el mismo, el trabajo obtendrá exactamente los mismos resultados después de ejecutarlo varias veces, por lo que se permite el método asincrónico. Por tanto, el sistema operativo tiene características asincrónicas.

13. ¿Qué es el kernel del sistema operativo? ¿Cuáles son las principales funciones del kernel del sistema operativo?

En la teoría moderna del sistema operativo, el sistema operativo generalmente se divide en varios niveles y luego las diferentes funciones del sistema operativo se establecen en diferentes niveles. Por lo general, algunos módulos estrechamente relacionados con el hardware (como controladores de interrupciones, etc.), controladores de varios dispositivos de uso común y módulos con frecuencias de ejecución más altas (como módulos de administración de reloj, módulos de programación de procesos, módulos de operación básica común, etc.) están dispuestos en la capa de software cerca del hardware, se hacen residir en la memoria, formando así el llamado núcleo del sistema operativo.
Las funciones principales del kernel del sistema operativo son: ① Funciones de soporte, incluido el procesamiento de interrupciones, administración del reloj, operaciones primitivas, etc.; ② Funciones de administración de recursos, incluida la administración de procesos, administración de memoria, administración de dispositivos, etc.

14.¿Qué es una lengua primitiva? ¿Qué son las operaciones atómicas?

Primitiva: se refiere a un proceso compuesto por varias instrucciones y se utiliza para completar una determinada función;
operación atómica: se refiere a todas las acciones de una operación que se realizan o no se realizan en absoluto, en otras palabras, es una unidad básica indivisible. Por lo tanto, no se permite interrumpir las primitivas durante la ejecución. Las operaciones atómicas se ejecutan en modo kernel y residen en la memoria.

15. Describa brevemente el modo de funcionamiento dual del procesador.

Generalmente, un procesador requiere al menos dos modos operativos separados: modo de usuario y modo kernel.
1) El modo de usuario también se denomina modo visual y el hardware de la computadora puede representarlo estableciendo un bit de modo en 1. Cuando el sistema informático ejecuta el programa de usuario, el sistema está en el estado de usuario;
2) El estado del núcleo también se denomina estado del tubo o estado del sistema, y el hardware de la computadora puede representarlo estableciendo un bit de modo en 0. Siempre que el sistema operativo puede controlar la computadora, está en modo kernel. Por ejemplo, cuando un programa de usuario solicita un servicio del sistema operativo a través de una llamada al sistema, el sistema debe
cambiar del modo de usuario al modo kernel para responder a la solicitud.

16. Describa brevemente el proceso de manejo de interrupciones.

Una vez que la CPU responde a la interrupción, el sistema comienza a procesar la interrupción. El proceso de manejo de interrupciones incluye principalmente los siguientes tres pasos.
1) Proteger el sitio del proceso interrumpido. Para permitir que el proceso regrese correctamente al punto de interrupción después de que se complete el procesamiento de la interrupción, el sistema debe guardar la palabra de estado actual del procesador y el valor del contador del programa; 2) Analizar la causa de la
interrupción y transferirla al programa de procesamiento de interrupción correspondiente. . Cuando ocurren múltiples solicitudes de interrupción al mismo tiempo, se procesa la solicitud de interrupción emitida por la fuente de interrupción con la mayor prioridad;
3) Se restaura la escena del proceso interrumpido y la CPU continúa ejecutando el proceso interrumpido original.

17. ¿Cuáles son las principales funciones de gestión del procesador? ¿Cuál es su tarea principal?

Las principales funciones de la gestión del procesador incluyen la gestión de procesos, la sincronización de procesos, la comunicación de procesos y la programación del procesador. Las tareas principales de cada parte son:
1) Gestión de procesos, creación de procesos para trabajos, cancelación de procesos finalizados y control de la transición de estado de los procesos durante la ejecución; 2
) Sincronización de procesos, coordinación de la ejecución de múltiples procesos (incluidos subprocesos);
3) La comunicación de procesos realiza el intercambio de información entre procesos que cooperan;
4) Programación del procesador, incluida la programación de trabajos y la programación de procesos. La programación de trabajos consiste en seleccionar varios trabajos de la cola de respaldo de acuerdo con un determinado algoritmo y asignar los recursos necesarios para su operación; la programación de procesos consiste en seleccionar un proceso de la cola lista del proceso de acuerdo con un determinado algoritmo y asignarle el procesador. y configure el sitio en ejecución para poner el proceso en ejecución.

18. ¿Cuáles son las principales funciones de la gestión de la memoria? ¿Cuál es su tarea principal?

Las funciones principales de la gestión de memoria incluyen la asignación de memoria, la protección de la memoria, la asignación de direcciones y la expansión de la memoria. Las tareas principales de cada parte son:
1) Asignación de memoria, asignando memoria para cada programa;
2) Protección de la memoria, asegurando que cada programa solo se ejecute en su propio espacio de memoria y no interfiera entre sí;
3) Mapeo de direcciones, asignando memoria en el espacio de direcciones, la dirección lógica se convierte en la dirección física correspondiente al espacio de memoria;
4) expansión de la memoria, es decir, expandir lógicamente la memoria para realizar la función de transferencia de solicitud y la función de reemplazo, etc.

19. ¿Cuáles son las principales funciones de la gestión de dispositivos? ¿Cuál es su tarea principal?

Las funciones principales de la administración de dispositivos incluyen la administración del búfer, la asignación de dispositivos, el procesamiento de dispositivos y la virtualización de dispositivos. Las tareas principales de cada parte son:
1) Completar las solicitudes de E/S realizadas por el usuario, asignar los dispositivos de E/S requeridos al proceso del usuario y completar las operaciones de E/S especificadas; 2) Mejorar la utilización de la
CPU y la eficiencia de los dispositivos de E/S, mejora la velocidad de E/S y facilita a los usuarios el uso de dispositivos de E/S.

20.¿Cuáles son las principales funciones de la gestión de archivos? ¿Cuál es su tarea principal?

Las funciones principales de la gestión de archivos incluyen: gestión del espacio de almacenamiento de archivos, gestión de directorios, gestión y protección de lectura/escritura de archivos. Su tarea principal es administrar los archivos del usuario y los archivos del sistema para facilitar el uso del usuario y garantizar la seguridad de los archivos.

21. ¿Cuáles son las nuevas características del sistema operativo moderno?

El sistema operativo moderno se desarrolla sobre la base del sistema operativo tradicional y, además de las funciones del sistema operativo tradicional, también tiene funciones como garantizar la seguridad del sistema, ayudar a los usuarios a obtener servicios a través de Internet y procesar información multimedia.

22. ¿Qué es un sistema operativo microkernel? ¿Qué ventajas tiene?

Microkernel OS tiene las siguientes cuatro características: ① Un núcleo suficientemente pequeño; ② Basado en el modelo cliente/servidor; ③ Aplica el principio de separación de estrategias y mecanismos; ④ Utiliza tecnología orientada a objetos.
Las principales ventajas del sistema operativo microkernel incluyen: ① Mejorar la escalabilidad del sistema; ② Mejorar la confiabilidad y portabilidad del sistema; ③ Proporcionar soporte para sistemas distribuidos; ④ Incorporar tecnología orientada a objetos.

23. ¿Cuál es la idea básica del sistema operativo de núcleo externo?

La idea básica del sistema operativo de núcleo externo es que el kernel no proporciona cosas abstractas como procesos y almacenamiento virtual en el sistema operativo tradicional, sino que se centra en el aislamiento (protección) y la reutilización de recursos físicos. Específicamente, en un sistema operativo basado en una estructura central externa, el kernel es responsable de proteger los recursos del sistema, mientras que las responsabilidades de administración de los recursos de hardware se confían a las aplicaciones. De esta manera, el sistema operativo puede reducir la carga de las aplicaciones y al mismo tiempo garantizar la seguridad de los recursos. Las restricciones del programa satisfacen plenamente las diferentes necesidades de recursos de hardware de las aplicaciones.

24.¿Qué es una llamada al sistema? ¿Cuál es la diferencia entre las llamadas al sistema y los programas de usuario generales y las funciones de biblioteca?

Las llamadas al sistema son la única interfaz proporcionada por el sistema operativo a los programadores. Los programadores utilizan llamadas al sistema para solicitar y liberar dinámicamente recursos del sistema en el nivel del programa fuente, y llamar a funciones del sistema existentes en el sistema para completar el trabajo relacionado con la parte del hardware de la máquina y controlar la velocidad de ejecución del programa. Por lo tanto, la llamada al sistema es como una "caja negra" que protege al usuario de las acciones específicas del sistema operativo y solo proporciona funciones relevantes.
La diferencia entre las llamadas al sistema y los programas de usuario generales y las funciones de biblioteca es que:
1) Las llamadas (programas) al sistema se ejecutan en el modo kernel y, al llamarlas, se requiere un mecanismo de procesamiento de interrupciones similar al mecanismo de procesamiento de interrupciones de hardware para proporcionar al sistema. servicios; 2
) Usuarios comunes Los programas están diseñados directamente para que los usuarios completen una función específica, y generalmente se ejecutan en modo usuario;
3) Las funciones de biblioteca son una forma de poner funciones en una biblioteca para que otros las usen. Están orientadas a la aplicación. desarrollo y facilitar la programación de las personas.

2. Preguntas de cálculo (importantes)

25. (Importante)

Hay tres programas A, B y C. Se ejecutan en orden de prioridad ( A->B->C ). Su tiempo de cálculo y tiempo de operación de E/S se muestran en la Tabla 1-1. Suponga que los tres Los programas se ejecutan en orden de prioridad (A->B->C). Utilice el mismo dispositivo para realizar operaciones de E/S en modo serie. Intente dibujar el diagrama de relación de tiempo entre la ejecución de un solo programa y la ejecución de múltiples programas, y calcule el tiempo que lleva completar estos tres programas.

26. (Importante)

En un sistema de procesamiento por lotes multicanal solo hay dos trabajos, P1 y P2. P2 llega 5 ms después que P1 . Su secuencia de cálculo y operación de E/S es la siguiente.
P1: Cálculo 60 ms, operación de E/S 80 ms, cálculo 20 ms.
P2: Cálculo 120 ms, operación de E/S 40 ms, cálculo 40 ms.
Haciendo caso omiso de la programación y el tiempo de cambio, calcule el tiempo mínimo necesario para completar ambos trabajos.

3. Preguntas completas sobre la aplicación

27. ¿Cuáles son los conceptos, características y funciones del sistema operativo? (importante)

El sistema operativo se refiere al control y gestión de los recursos de hardware y software de todo el sistema informático, y a la organización y programación racional del trabajo de la computadora y la asignación de recursos para proporcionar a los usuarios y otro software interfaces y entornos convenientes. parte de un sistema informático software de sistema;

Características del sistema operativo (concurrencia, compartido, virtual, asíncrono);

Las funciones del sistema operativo:
1) Actuar como interfaz entre el usuario y el sistema de hardware de la computadora;
2) Actuar como administrador de los recursos del sistema informático;
3) Realizar la abstracción de los recursos de la computadora.

28. Las imágenes son difíciles de dibujar; consulte los libros para obtener más detalles.

(1) Describa cómo funcionan juntos el procesador, la máquina de entrada y la impresora en este problema computacional.
Después de que la máquina de entrada lee los datos, el procesador realiza cálculos sobre los datos y los datos procesados finalmente se envían a la impresora, y así sucesivamente. (Obviamente en serie)
(2) Calcule la utilización del procesador en la situación de ejecución que se muestra en la Figura 1-14.
40/320=1/8=0,125=12,5%
(3) Describa brevemente las razones de la baja utilización del procesador.
El procesador, la máquina de entrada y la impresora no funcionan en paralelo y los recursos del sistema no se utilizan por completo.
(4) Elabore un plan de implementación que pueda mejorar la utilización del procesador. (en la foto)

Durante el proceso de entrada, procese primero y luego imprímalo.

Espero ser de ayuda! !