第2章作业
1、 为了支持操作系统，现代处理器一般都提供哪两种工作状态，以隔离操作系统和普通程序？两种状态各有什么特点？
答：现代处理器的工作状态分为管态和目态；
管态一般指操作系统管理程序运行的状态，具有较高的特权优先级，又称特权态，系统态；
目态一般指用户程序运行时的状态，具有较低的优先级，又称普通态，用户态；
当处理器处于管态时，全部指令都可以执行（包括特权指令），可以使用所有资源，并具有改变处理器状态的能力；当处理器处于目态时，就只有非特权指令可以执行。
2、 什么是分级的存储体系结构？它主要解决了什么问题？
答：层次化的存储体系结构如下所示：
寄存器
高速缓存
主存储器
硬磁盘存储器
磁带机 | 光盘存储器
当沿着层次下降时，每比特的价格将下降，容量将增大，速度将变慢而处理器的访问频率将下降。较小、较贵而快速的存储设备有较大、教便宜而慢速的存储设备作后盾，它们通过访问频率的控制来提高存储系统的效能。
这种结构主要解决了存储设备容量、速度和成本之间的矛盾，提高存储系统效能。
3、 什么是存储保护？有哪些方法实现存储保护？查阅资料了解Intel x86处理器关于存储管理的材料，看看它是怎么支持操作系统实现内存管理以及存储保护的。
答：存储保护：对主存中的信息加以严格控制，保证操作系统和其它程序，以及它们的数据不被破坏。
实现存储保护的方法：
1． 界地址寄存器：在CPU中设置一对界限寄存器来存放该用户作业在主存中的下限和上限地址，或者将一个寄存器作为基址寄存器，另一个寄存器作为限长寄存器来指出程序在内存的存放区域。每当CPU访问主存时，硬件自动将被访问的主存地址和界限寄存器的内容进行比较，以判断是否越界。如果未越界，则按此地址访问主存，否则将产生程序中断。
2． 存储键：每个存储块都有一个与其它相关的二进位组成的存储保护键附加在每个存储块上的。当一个用户作业被允许进入主存时，操作系统分给它一个唯一的不与其它作业相同的存储键号。并将分配给该作业的各存储键也设置成同样的键号。当操作系统挑选该作业上CPU运行时，操作系统同时将它的存储键号放入程序状态字PSW中的“钥匙”进行比较。如果相匹配，则允许访问。否则，拒绝并报警。
Intel自80386之后都具有实模式和保护模式这两种工作模式，实模式与8086兼容，但在实模式下，处理器不能发挥自身的优越性能，不能支持多用户、多任务操作系统的运行。在保护模式下，为了对存储器中的程序及数据实现保护和共享提供硬件支持，为了对实现虚拟存储器提供硬件支持，80386以后的处理器不仅采用扩充的存储器分段管理机制，而且还提供可选的存储器分页管理机制。这些存储管理机制由存储管理部件MMU实现。为了支持多任务，对各任务实施保护是必需的。从80286开始，处理器就具备了保护机制。保护机制能有效的实现不同任务之间的保护和同一任务内的保护。通过把每个任务放置在不同的虚拟地址空间的方法来实现任务与任务之间的隔离，达到应用程序之间的保护的目的。而在同一个任务之内，定义四种执行特权级别，用于限制对任务中的段进行访问，实现同一任务内的保护。
4、什么是中断？中断的一般处理过程怎样的？请简述操作系统是如何利用中断机制的？
所谓中断是指CPU对系统中或系统外发生的异步事件的响应。异步事件是指无一定时序关系的随机发生的事件。当这些异步事件发生后，打断了处理器对当前程序的执行，而转去处理该异步事件（即执行该事件的中断处理程序），直到处理完了之后，在转回原程序的中断点继续执行。
以外部中断为例，中断的一般处理过程是：
外设发出中断，由8259A的INTR引线将中断请求送至CPU，CPU执行完当前指令后响应中断请求，获取中断向量号，并将当前的寄存器和被中断时的地址压栈保存，根据中断请求号找到中断服务程序的入口地址，开始执行中断处理程序。执行完中断处理程序后，恢复原先保存在堆栈中的寄存器（即恢复被中断前的运行环境），转回原程序的中断点继续执行。
中断系统对于操作系统完成器管理计算机的任务十分重要，一般来说中断具有以下作用：能充分发挥处理器的使用效率：因为输入输出设备可以用中断的方式同CPU通信，报告其完成CPU所要求的数据传输的情况和问题，这样可以避免CPU不断地查询和等待，从而大大提高处理器的效率。提高系统的实时能力：因为具有较高实时处理要求的设备，可以通过中断方式请求及时处理，从而使处理器立即运行该设备的处理程序（也是该中断的中断处理程序）。所以目前的各种微型机，小型机及大型机均有中断系统。
5、时钟对操作系统有什么重要作用？
答：（1）在多道程序运行的环境中，它可以为系统发现一个陷入死循环的作业，从而防止机时的浪费；
（2）在分时系统中，用间隔时钟来实现作业间按时间片轮转；
（3）在实时系统中，按要求的时间间隔输出正确的时间信号给一个实时的控制设备
（4）定时唤醒那些要求延迟执行的各个外部事件
（5）记录用户使用各种设备的时间和记录某外部事件发生的时间间隔
（6）记录用户和系统所需要的绝对时间
第3章作业
1、假设有三个作业，它们的进入时间及估计运行时间如下：
作业号 进入时刻 估计运行时间
1 10：00 60分钟
2 10：10 60分钟
3 10：25 15分钟
在单道批处理方式下，采用先来先服务算法和最短作业优先算法进行作业调度。请给出它们的调度顺序，并分别计算出作业平均周转时间和带权平均周转时间。请对计算结果进行解释。
答：（1）先来先服务算法的调度顺序：1->2->3
作业平均周转时间：
带权平均周转时间：
（2）最短作业优先算法的调度顺序：1->3->2
作业平均周转时间：
带权平均周转时间：
2、有一个两道的批处理操作系统，作业调度采用最短作业优先的调度算法，进程调度采用基于优先数的抢占式调度算法，有如下的作业序列：
作业 进入时间 估计运行时间 优先数
JOB1 10：00 40分钟 5
JOB2 10：20 30分钟 3
JOB3 10：30 50分钟 4
JOB4 10：50 20分钟 6
其中优先数数值越小优先级越高。
（1）列出所有作业进入内存时间及运行结束时间
（2）计算作业平均周转时间和带权平均周转时间
作业 进入输入井时间 进入内存时间 运行时间 结束时间 周转时间 带权周转时间
JOB1 10：00 10：00 10：00－10：20
10：50－11：10 11：10 70 7/4
JOB2 10：20 10：20 10：20－10：50 10：50 30 1
JOB3 10：30 11：10 11：10－12：00 12：00 90 9/5
JOB4 10：50 10：50 12：00－12：20 12：20 90 9/2
作业平均周转时间：T = 70
带权平均周转时间：T = 2.26
3、某系统采用不能移动已在内存储器中作业的可变分区方式管理内存储器，现有供用户使用的内存空间100K，系统配有4台磁带机，有一批作业如下：
作业 进入时间 估计运行时间 内存需要 磁带机需要
JOB1 10：00 25分钟 15K 2台
JOB2 10：20 30分钟 60K 1台
JOB3 10：30 10分钟 50K 3台
JOB4 10：35 20分钟 10K 2台
JOB5 10：40 15分钟 30K 2台
该系统采用多道程序设计技术，对磁带机采用静态分配，忽略设备工作时间和系统进行调度所共花的时间，请分别写出采用“先来先服务调度算法”和“最短作业优先算法”选中作业执行的次序以及作业平均周转时间。
若允许移动已在内存中的作业，则作业被选中的次序又是怎样的呢？计算出作业平均周转时间。
不允许移动已在内存中的作业——先来先服务
作业 进入输入井时间 进入内存时间 执行时间 结束时间 周转时间
JOB1 10：00 10：00 10:00-10:25 10:25 25
JOB2 10：20 10：20 10:25-10:55 10:55 35
JOB3 10：30 11:30 11:30-11:40 11:40 70
JOB4 10：35 10:35 10:55-11:15 11:15 40
JOB5 10：40 10:55 11:15-11:30 11:30 50
作业平均周转时间：（25＋35＋70＋40＋50）/5=44
不允许移动已在内存中作业——最短作业优先
作业 进入输入井时间 进入内存时间 执行时间 结束时间 周转时间
JOB1 10：00 10：00 10:00-10:25 10:25 25
JOB2 10：20 10：20 10:25-10:55 10:55 35
JOB3 10：30 11:30 11:30-11:40 11:40 70
JOB4 10：35 10:35 11:10-11:30 11:30 55
JOB5 10：40 10:55 10:55-11:10 11:10 30
作业平均周转时间：(25+35+70+55+30)/5=43
4、作业调度的主要功能是什么？常用的作业调度算法有哪几种？作业调度与进程调度有什么区别？各在什么情况下调用它们？如何评价一个作业调度算法的性能？确定调度算法的原则是什么？
答：作业调度程序本身通常作为一个进程在系统中执行；它在系统初始化时被创建。它的主要功能是审查系统能否满足用户作业的资源要求以及按照一定的算法选取作业。
常见的批处理作业调度算法：先来先服务算法（FCFS：First Come First Serve）；短作业优先算法（SJF：Shortest Job First）；最高响应比优先算法（HRN：Highest Response Ratio Next）；基于优先数调度算法（HPF：Highest Priority First）；均衡调度算法。
作业调度按一定的算法从磁盘上的“输入井”中选择资源能得到满足的作业装入内存，使作业有机会去占用处理器执行。但是，一个作业能否占用处理器？什么时间能够占用处理器？必须由进程调度来决定。所以，作业调度选中了一个作业且把它装入内存时，就应为该作业创建一个进程，若有多个作业被装入内存，则内存中同时存在多个进程，这些进程的初始状态为就绪状态，然后，由进程调度来选择当前可占用处理器的进程，进程运行中由于某种原因状态发生变化，当它让出处理器时，进程调度就再选另一个作业的进程运行。由此可见，作业调度与进程调度相互配合才能实现多道作业的并行执行。
调度算法性能的衡量：在一个以批处理为主的系统中为了吸引更多的用户来处理作业，系统总是力求缩短用户作业的周转时间。因此，通常用作业的平均周转时间或平均带权周转时间的长短来衡量调度性能的优劣。前者用来衡量不同调度算法对同一作业流的调度性能，而后者可用来比较某种调度算法对不同作业流的调度性能。
确定调度算法的原则：（1）选择的调度算法应与系统的整个设计目标保持一致。例如，批处理系统应注重提高计算机效率，尽量增加系统的平均吞吐量（指单位时间内平均算题个数）；而分时系统应保证用户所能忍受的响应时间；实时系统的调度策略是在保证及时响应和处理与时间有关的事件的前提下，才能考虑系统资源的使用效率。
（2）注意系统资源的均衡使用，使“I/O繁忙”的作业与“CPU繁忙”的作业搭配起来运行。
（3）应保证提交的作业在规定的截止时间内完成，而且应设法缩短作业的平均周转时间。
5、系统调用的作用是什么？请阐述系统调用的工作原理和实现过程。
所谓系统调用，就是用户在程序中调用操作系统所提供的一些子功能。这是一种特殊的过程调用，这种调用通常是由特殊的机器指令实现的。系统调用是操作系统提供给编程人员的唯一接口。编程人员利用系统调用，动态请求和释放系统资源，调用系统中已有的系统功能来完成与计算机硬件部分相关的工作以及控制程序的执行速度等。因此，系统调用像一个黑箱子那样，对用户屏蔽了操作系统的具体动作而只提供有关的功能。
由于操作系统的特殊性，应用程序不能采用一般的过程调用方式来调用这些功能过程，而是利用一种系统调用命令去调用所需的操作系统功能过程。由于在运行系统调用时，由于调用和被调用过程工作在不同的系统状态，因而不允许由调用过程直接转向被调用过程，而要通常都是通过软中断机制切换系统状态。并且在执行完响应的系统调用处理程序后不是返回调用过程继续执行，而是将引起新的调度。
为了提供系统调用功能，操作系统内必须有事先编制好的实现这些功能的子程序或过程。显然，这些程序或过程是操作系统程序模块的一部分，且不能直接被用户程序调用。
还需要陷入（TRAP）或异常处理机构。当用户使用操作系统调用时，产生一条相应的指令，处理机在执行到该指令时发生相应的中断，并发出有关的信号给该处理机构；该处理机构在收到了处理机发来的信号后，启动相关的处理程序去完成该系统调用所要求的功能。
把由于系统调用引起处理机中断的指令称为陷入或异常指令（或称访管指令）。在操作系统中，每个系统调用都对应一个事先给定的功能号，每个系统调用至少应该有一个参数，即通过eax寄存器传递来的系统调用号。
为了实现系统调用，系统设计人员还必须为实现各种系统调用功能的子程序编造入口地址表，每个入口地址都与相应的系统程序名对应起来。然后，陷入处理程序把陷入指令中所包含的功能号与该入口地址表中的有关项对应起来，从而由系统调用功能号驱动有关子程序执行。
由于在系统调用处理结束之后，用户程序还需利用系统调用的返回结果继续执行，因此，在进入系统调用处理之前，陷入处理机构还需保存处理机现场。再者，在系统调用处理结束之后，还要恢复处理机现场。在操作系统中，处理机的现场一般被保护在特定的内存区或寄存器中。
有关系统调用的另一个问题是参数传递过程问题。不同的系统调用需要传递给系统子程序以不同的参数，而且，系统调用的执行结果也要以参数形式返回给用户程序。几种常用的实现方法。一种是由陷入指令自带参数。一般来说，一条陷入指令的长度总是有限的，而且，该指令还要携带一个系统调用的功能号，从而，陷入指令只能自带极有限的几个参数进入系统内部。另一种方法是通过有关通用寄存器来传递参数。显然，这些寄存器应是系统程序和用户程序都能访问的。不过，由于寄存器长度也是较短的，从而无法传递较多的参数。因此，较多的系统中，大多在内存中开辟专用堆栈区来传递参数。
另外，在系统发生访管中断或陷入中断时，不让用户程序直接访问系统程序，反映在处理机硬件状态的处理机状态字PSW中的相应位要从用户执行模式转换为系统执行模式。这一转换在发生访管中断时由硬件自动实现。
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