1、计算机系统概述第1章 计算机系统概述1.1、图1.3中的理想机器还有两条I/O指令： 0011 = 从I/O中载入AC 0111 = 把AC保存到I/O中在这种情况下，12位地址标识一个特殊的外部设备。请给出以下程序的执行过程（按照图1.4的格式）：1. 从设备5中载入AC。2. 加上存储器单元940的内容。3. 把AC保存到设备6中。假设从设备5中取到的下一个值为3940单元中的值为2。答案：存储器（16进制内容）：300：3005；301：5940；302：7006 步骤1：3005IR；步骤2：3AC 步骤3：5940IR；步骤4：325AC 步骤5：7006IR：步骤6：AC设备 61
2、.2、本章中用6步来描述图1.4中的程序执行情况，请使用MAR和MBR扩充这个描述。答案：1. a. PC中包含第一条指令的地址300，该指令的内容被送入MAR中。 b. 地址为300的指令的内容（值为十六进制数1940）被送入MBR，并且PC增1。这两个步骤是并行完成的。 c. MBR中的值被送入指令寄存器IR中。 2. a. 指令寄存器IR中的地址部分（940）被送入MAR中。 b. 地址940中的值被送入MBR中。 c. MBR中的值被送入AC中。 3. a. PC中的值（301）被送入MAR中。 b. 地址为301的指令的内容（值为十六进制数5941）被送入MBR，并且PC增1。 c.
3、 MBR中的值被送入指令寄存器IR中。 4. a. 指令寄存器IR中的地址部分（941）被送入MAR中。 b. 地址941中的值被送入MBR中。 c. AC中以前的内容和地址为941的存储单元中的内容相加，结果保存到AC中。 5. a. PC中的值（302）被送入MAR中。 b. 地址为302的指令的内容（值为十六进制数2941）被送入MBR，并且PC增1。 c. MBR中的值被送入指令寄存器IR中。 6. a. 指令寄存器IR中的地址部分（941）被送入MAR中。 b. AC中的值被送入MBR中。 c. MBR中的值被存储到地址为941的存储单元之中。1.4、假设有一个微处理器产生一个16位
4、的地址（例如，假设程序计数器和地址寄存器都是16位）并且具有一个16位的数据总线。a.如果连接到一个16位存储器上，处理器能够直接访问的最大存储器地址空间为多少？b.如果连接到一个8位存储器上，处理器能够直接访问的最大存储器地址空间为多少？c.处理访问一个独立的I/O空间需要哪些结构特征？d.如果输入指令和输出指令可以表示8位I/O端口号，这个微处理器可以支持多少8位I/O端口？答案：对于(a)和(b)两种情况，微处理器可以直接访问的最大存储器地址空间为216 = 64K bytes；唯一的区别是8位存储器每次访问传输1个字节，而16位存储器每次访问可以传输一个字节或者一个16位的字。对于(c
5、)情况，特殊的输入和输出指令是必要的，这些指令的执行体会产生特殊的“I/O信号”（有别于“存储器信号”，这些信号由存储器类型指令的执行体产生）；在最小状态下，一个附加的输出针脚将用来传输新的信号。对于(d)情况，它支持28 = 256个输入和28 = 256个输出字节端口和相同数目的16位I/O端口；在任一情况, 一个输入和一个输出端口之间的区别是通过被执行的输入输出指令所产生的不同信号来定义的。1.5、考虑一个32位微处理器，它有一个16位外部数据总线，并由一个8MHz的输入时钟驱动。假设这个微处理器有一个总线周期，其最大持续时间等于4个输入时钟周期。请问该微处理器可以支持的最大数据传送速度
6、为多少？外部数据总线增加到21位，或者外部时钟频率加倍，哪种措施可以更好地提高处理器性能？请叙述你的设想并解释原因。答案：时钟周期1/（8MHZ）125ns总线周期4125ns500ns每500ns传输2比特；因此传输速度4MB/s加倍频率可能意味着采用了新的芯片制造技术（假设每个指令都有相同的时钟周期数）；加倍外部数据总线，在芯片数据总线驱动/锁存、总线控制逻辑的修改等方面手段广泛（或许更新）。在第一种方案中，内存芯片的速度要提高一倍（大约），而不能降低微处理器的速度；第二种方案中，内存的字长必须加倍，以便能发送/接受32位数量。1.6、考虑一个计算机系统，它包含一个I/O模块，用以控制一台
7、简单的键盘/打印机电传打字设备。CPU中包含下列寄存器，这些寄存器直接连接到系统总线上：INPR：输入寄存器，8位OUTR：输出寄存器，8位FGI：输入标记，1位FGO：输出标记，1位IEN：中断允许，1位I/O模块控制从打字机中输入击键，并输出到打印机中去。打字机可以把一个字母数字符号编码成一个8位字，也可以把一个8位字解码成一个字母数字符号。当8位字从打字机进入输入寄存器时，输入标记被置位；当打印一个字时，输出标记被置位。a. 描述CPU如何使用这4个寄存器实现与打字机间的输入/输出。b. 描述通过使用IEN，如何提高执行效率？答案：a.来源于打字机的输入储存在INPR中。只有当FGI0时
8、，INPR才会接收来自打字机的数据。当数据接收后，被储存在INPR里面，同时FGI置为1。CPU定期检查FGI。如果FGI1，CPU将把INPR里面的内容传送至AC，并把FGI置为0。 当CPU需要传送数据到打字机时，它会检查FGO。如果FGO0，CPU处于等待。如果FGO1，CPU将把AC的内容传送至OUTER并把FGO置为0。当数字符号打印后，打字机将把FGI置为1。 b.（A）描述的过程非常浪费。速度远高于打字机的CPU必须反复不断的检查FGI和FGO。如果中断被使用，当打字机准备接收或者发送数据时，可以向CPU发出一个中断请求。IEN计数器可以由CPU设置（在程序员的控制下）。1.7、
9、实际上在所有包括DMA模块的系统中，DMA访问主存储器的优先级总是高于处理器访问主存储器的优先级。这是为什么?答案：如果一个处理器在尝试着读或者写存储器时被挂起, 通常除了一点轻微的时间损耗之外没有任何危害。但是，DMA可能从或者向设备(例如磁盘或磁带)以数据流的方式接收或者传输数据并且这是不能被打断的。否则，如果DMA设备被挂起（拒绝继续访问主存），数据可能会丢失。1.9、一台计算机包括一个CPU和一台I/O设备D，通过一条共享总线连接到主存储器M，数据总线的宽度为1个字。CPU每秒最多可执行106条指令，平均每条指令需要5个机器周期，其中3个周期需要使用存储器总线。存储器读/写操作使用1个
10、机器周期。假设CPU正在连续不断地执行后台程序，并且需要保证95%的指令执行速度，但没有任何I/O指令。假设1个处理器周期等于1个总线周期，现在要在M和D之间传送大块数据。a.若使用程序控制I/O，I/O每传送1个字需要CPU执行两条指令。请估计通过D的I/O数据传送的最大可能速度。b.如果使用DMA传送，请估计传送速度。答案：a.处理器只能分配5的时间给I/O.所以最大的I/O指令传送速度是10e60.0550000条指令/秒。因此I/O的传送速率是25000字/秒。 b.使用DMA控制时，可用的机器周期下的数量是10e6（0.0550.952）2.1510e6 如果我们假设DMA模块可以使
11、用所有这些周期，并且忽略任何设置和状态检查时间，那么这个值就是最大的I/O传输速率。1.10、考虑以下代码： for ( i = 0；i 20；i+) for (j = 0；j 10；j+) ai = ai*ja. 请举例说明代码中的空间局部性。b. 请举例说明代码中的时间局部性。答案：a.读取第二条指令是紧跟着读取第一条指令的。 b.在很短的间歇时间内， ai在循环内部被访问了十次。1.11、请将附录1A中的式（1.1）和式（1.2）推广到n级存储器层次中。答案：定义： Ci = 存储器层次i上每一位的存储单元平均花销 Si = 存储器层次i的规模大小 Ti = 存储器层次i上访问一个字所需
12、时间 Hi = 一个字在不高于层次i的存储器上的概率 Bi = 把一个数据块从层次i+1的存储器上传输到层次i的存储器上所需时间 高速缓冲存储器作为是存储器层次1；主存为存储器层次2；针对所有的N层存储器层以此类推。有： Ts的引用更复杂，我们从概率论入手：所期望的值，由此我们可以写出： 我们需要清楚如果一个字在M1（缓存）中，那么对它的读取非常快。如果这个字在M2而不在M1中，那么数据块需要从M2传输到M1中，然后才能读取。因此，T2 = B1+T1进一步，T3 = B2+T2 = B1+B2+T1以此类推： 所以， 但是， 最后， 1.12、考虑一个存储器系统，它具有以下参数： Tc =
13、100 ns Cc = 0.01 分/位 Tm = 1200 ns Cm = 0.001 分/位a.1MB的主存储器价格为多少？b.使用高速缓冲存储器技术，1MB的主存储器价格为多少？c.如果有效存取时间比高速缓冲存储器存取时间多10% ，命中率H为多少？答案：a.价格 = Cm8106 = 8103 = 80 b.价格 = Cc8106 = 8104 = 800 c.由等式1.1知：1.1T1 = T1+(1-H)T2 (0.1)(100) = (1-H)(1200) H=1190/12001.13、一台计算机包括包括高速缓冲存储器、主存储器和一个用做虚拟存储器的磁盘。如果要存取的字在高速缓
14、冲存储器中，存取它需要20ns；如果该字在主存储器中而不在高速缓冲存储器中，把它载入高速缓冲存储器需要60ns（包括最初检查高速缓冲存储器的时间），然后再重新开始存取；如果该字不在主存储器中，从磁盘中取到内存需要12ms，接着复制到高速缓冲存储器中还需要60ns，再重新开始存取。高速缓冲存储器的命中率为0.9，主存储器的命中率为0.6，则该系统中存取一个字的平均存取时间是多少（单位为ns）？答案：有三种情况需要考虑：字所在的位置概率访问所需时间（ns）在缓存中0.920不在缓存，在主存中（0.1）（0.6）= 0.0660+20 = 80不在缓存也不在主存中（0.1）（0.4）= 0.0412
15、ms+60+20 = 12,000,080所以平均访问时间是：Avg = (0.9)(20) + (0.06)(80) + (0.04)(12000080) = 480026 ns1.14、假设处理器使用一个栈来管理过程调用和返回。请问可以取消程序计数器而用栈指针代替吗？答案：如果栈只用于保存返回地址。或者如果栈也用于传递参数，这种方案只有当栈作为传递参数的控制单元而非机器指令时才成立。这两种情况下可以取消程序计数器而用栈指针代替。在后者情况中，处理器同时需要一个参数和指向栈顶部的程序计数器。第2章 操作系统概述2.1假设我们有一台多道程序的计算机，每个作业有相同的特征。在一个计算周期T中，一
16、个作业有一半时间花费在I/O上，另一半用于处理器的活动。每个作业一共运行N个周期。假设使用简单的循环法调度，并且I/O操作可以与处理器操作重叠。定义以下量： 时间周期=完成任务的实际时间 吞吐量=每个时间周期T内平均完成的作业数目 处理器使用率=处理器活跃（不是处于等待）的时间的百分比 当周期T分别按下列方式分布时，对1个、2个和4个同时发生的作业，请计算这些量：a. 前一般用于I/O，后一半用于处理器。b. 前四分之一和后四分之一用于I/O，中间部分用于处理器。答：（a）和（b）的答案相同。尽管处理器活动不能重叠，但I/O操作能。 一个作业 时间周期=NT 处理器利用率=50 两个作业 时间
17、周期=NT 处理器利用率=100 四个作业 时间周期=（2N-1）NT 处理器利用率=1002.2 I/O限制的程序是指如果单独运行，则花费在等待I/O上的时间比使用处理器的时间要多的程序。处理器限制的程序则相反。假设短期调度算法偏爱那些在近期石油处理器时间较少的算法，请解释为什么这个算法偏爱I/O限制的程序，但是并不是永远不受理处理器限制程序所需的处理器时间？受I/O限制的程序使用相对较少的处理器时间，因此更受算法的青睐。然而，受处理器限制的进程如果在足够长的时间内得不到处理器时间，同一算法将允许处理器去处理此进程，因为它最近没有使用过处理器。这样，一个处理器限制的进程不会永远得不到处理器。
18、2.3请对优化分时系统的调度策略和用于优化多道程序批处理系统的调度策略进行比较。分时系统关注的是轮转时间，时间限制策略更有效是因为它给所有进程一个较短的处理时间。批处理系统关心的是吞吐量，更少的上下文转换和更多的进程处理时间。因此，最小的上下文转换最高效。2.4系统调用的目的是什么?如何实现与操作系统相关的的系统调用以及与双重模式（内核模式和用户模式）操作相关的系统调用？系统调用被应用程序用来调用一个由操作系统提供的函数。通常情况下，系统调用最终转换成在内核模式下的系统程序。2.5在IBM的主机操作系统OS/390中，内核中的一个重要模块是系统资源管理程序（System Resource Ma
19、nager,SRM），他负责地址空间（进程）之间的资源分配。SRM是的OS/390在操作系统中具有特殊性，没有任何其他的主机操作系统，当然没有任何其他类型的操作系统可以比得上SRM所实现的功能。资源的概念包括处理器、实存和I/O通道，SRM累计处理器、I/O通道和各种重要数据结构的利用率，它的目标是基于性能监视和分析提供最优的性能，其安装设置了以后的各种性能目标作为SRM的指南，这会基于系统的利用率动态的修改安装和作业性能特点。SRM依次提供报告，允许受过训练的操作员改进配置和参数设置，以改善用户服务。现在关注SRM活动的一个实例。实存被划分为成千上万个大小相等的块，称为帧。每个帧可以保留一块
20、称为页的虚存。SRM每秒大约接受20次控制，并在互相之间以及每个页面之间进行检查。如果页未被引用或被改变，计数器增1。一段时间后，SRM求这些数据的平均值，以确定系统中一个页面未曾被触及的平均秒数。这样做的目的是什么？SRM将采取什么动作？操作系统可以查看这些数据已确定系统的负荷，通过减少加在系统上的活跃作业来保持较高的平均利用率。典型的平均时间应该是两分钟以上，这个平均时间看起来很长，其实并不长。第3章 进程描述和控制3.1. 给出操作系统进行进程管理时的五种主要活动，并简单描述为什么需要它们。答：用户进程和系统进程创建及删除。系统中的进程可以为信息共享、运算加速、模块化和方便并发地执行。而
21、并发执行需要进程的创建和删除机制。当进程创建或者运行时分配给它需要的资源。当进程终止时，操作系统需要收回任何可以重新利用的资源。进程的暂停和继续执行。在进程调度中，当进程在等待某些资源时，操作系统需要将它的状态改变为等待或就绪状态。当所需要的资源可用时，操作系统需要将它的状态变为运行态以使其继续执行。提供进程的同步机制。合作的进程可能需要共享数据。对共享数据的并行访问可能会导致数据冲突。操作系统必须提供进程的同步机制以使合作进程有序地执行，从而保证数据的一致性。提供进程的通信机制。操作系统下执行的进程既可以是独立进程也可以是合作进程。合作进程之间必须具有一定的方式进行通信。提供进程的死锁解决机
22、制。在多道程序环境中，多个进程可能会竞争有限的资源。如果发生死锁，所有的等待进程都将永远不能由等待状态再变为运行态，资源将被浪费，工作永远不能完成。3.2. 在PINK89 中为进程定义了以下状态：执行（运行）态、活跃（就绪）态、阻塞态和挂起态。当进程正在等待允许使用某一资源时，它处于阻塞态；当进程正在等待它已经获得的某种资源上的操作完成时，它处于挂起态。在许多操作系统中，这两种状态常常放在一起作为阻塞态，挂起态使用本章中给出的定义。请比较这两组定义的优点。答：PINK89中引用了以下例子来阐述其中阻塞和挂起的定义：假设一个进程已经执行了一段时间，它需要一个额外的磁带设备来写出一个临时文件。在
23、它开始写磁带之前，进程必须得到使用某一设备的许可。当它做出请求时，磁带设备可能并不可用，这种情况下，该进程就处于阻塞态。假设操作系统在某一时刻将磁带设备分配给了该进程，这时进程就重新变为活跃态。当进程重新变为执行态时要对新获得的磁带设备进行写操作。这时进程变为挂起态，等待该磁带上当前所进行的写操作完成。这种对等待某一设备的两种不同原因的区别，在操作系统组织其工作时是非常有用的。然而这并不能表明那些进程是换入的，那些进程是换出的。后一种区别是必需的，而且应该在进程状态中以某种形式表现出来。3.3. 对于图3.9（b）中给出的7状态进程模型，请仿照图3.8（b）画出它的排队图。答：图9.3给出了单
24、个阻塞队列的结果。该图可以很容易的推广到多个阻塞队列的情形。3.4. 考虑图3.9（b）中的状态转换图。假设操作系统正在分派进程，有进程处于就绪态和就绪/挂起态，并且至少有一个处于就绪/挂起态的进程比处于就绪态的所有进程的优先级都高。有两种极端的策略：（1）总是分派一个处于就绪态的进程，以减少交换；（2）总是把机会给具有最高优先级的进程，即使会导致在不需要交换时进行交换。请给出一种能均衡考虑优先级和性能的中间策略。答：对于一个就绪/挂起态的进程，降低一定数量（如一或两个）优先级，从而保证只有当一个就绪/挂起态的进程比就绪态的进程的最高优先级还高出几个优先级时，它才会被选做下一个执行。3.5.
25、表3.13给出了VAX/VMS操作系统的进程状态。a. 请给出这么多种等待状态的理由。b. 为什么以下状态没有驻留和换出方案：页错误等待、也冲突等待、公共事件等待、自由页等待和资源等待。c. 请画出状态转换图，并指出引发状态装换的原因。答：a. 每一种等待状态都有一个单独的队列与其相关联。当影响某一等待进程的事件发生时，把等待进程分成不同的队列就减少了定位这一等待进程所需的工作量。例如，当一个页错误完成时，调度程序就可以在页错误等待队列中找到等待的进程。b. 在这些状态下，允许进程被换出只会使效率更低。例如，当发生页错误等待时，进程正在等待换入一个页从而使其可以执行，这是将进程换出是毫无意义的
26、。c. 可以由下面的进程状态转换表得到状态转换图。当前状态 下一状态当前正在执行可计算（驻留）可计算（换出）各种等待状态（驻留）各种等待状态（换出）当前正在执行重调度等待可计算（驻留）调度换出可计算（换出）换入各种等待状态（驻留）事件发生换出各种等待状态（换出）事件发生3.6. VAM/VMS操作系统采用了四种处理器访问模式，以促进系统资源在进程间的保护和共享。访问模式确定： 指令执行特权：处理器将执行什么指令。 内存访问特权：当前指令可能访问虚拟内存中的哪个单元。四种模式如下： 内核模式：执行VMS操作系统的内核，包括内存管理、中断处理和I/O操作。 执行模式：执行许多操作系统服务调用，包括
27、文件（磁盘和磁带）和记录管理例程。 管理模式：执行其他操作系统服务，如响应用户命令。 用户模式：执行用户程序和诸如编译器、编辑器、链接程序、调试器之类的实用程序。在较少特权模式执行的进程通常需要调用在较多特权模式下执行的过程，例如，一个用户程序需要一个操作系统服务。这个调用通过使用一个改变模式（简称CHM）指令来实现，该指令将引发一个中断，把控制转交给处于新的访问模式下的例程，并通过执行REI（Return from Exception or Interrupt，从异常或中断返回）指令返回。a. 很多操作系统有两种模式，内核和用户，那么提供四种模式有什么优点和缺点？b. 你可以举出一种有四种以
28、上模式的情况吗？答：a. 四种模式的优点是对主存的访问控制更加灵活，能够为主存提供更好的保护。缺点是复杂和处理的开销过大。例如，程序在每一种执行模式下都要有一个独立的堆栈。b. 原则上，模式越多越灵活，但是四种以上的模式似乎很难实现。3.7. 在前面习题中讨论的VMS方案常常称为环状保护结构，如图3.18所示。3.3节所描述的简单的内核/用户方案是一种两环结构，SILB04指出了这种方法的问题：环状（层次）结构的主要缺点是它不允许我们实施须知原理，特别地，如果一个对象必须在域Dj中可访问，但在域Di中不可访问，则必须有就ji。这意味着在Di中可访问的每个段在Dj中都可以访问。a. 请清楚地解释
29、上面引文中提出的问题。b. 请给出环状结构操作系统解决这个问题的一种方法。答：a. 当ji时，运行在Di中的进程被禁止访问Dj中的对象。因此，如果Dj中包含的信息比Di中的更具有特权或者要求的安全性更高，那么这种限制就是合理的。然而，通过以下方法却可以绕过这种安全策略。一个运行在Dj中的进程可以读取Dj中的数据，然后把数据复制到Di中。随后，Di中的进程就可以访问这些信息了。b. 有一种解决这一问题的方法叫做可信系统，我们将在16章中进行讨论。3.8. 图3.7（b）表明一个进程每次只能在一个事件队列中。a. 是否能够允许进程同时等待一个或多个事件？请举例说明。b. 在这种情况下，如何修改图中
30、的排队结构以支持这个新特点？答：a. 一个进程可能正在处理从另一个进程收到的数据并将结果保存到磁盘上。如果当前在另一个进程中正有数据在等待被取走，进程就可以继续获得数据并处理它。如果前一个写磁盘操作已经完成，并且有处理好的数据在等待写出，那么进程就可以继续写磁盘。这样就可能存在某一时刻，进程即在等待从输入进程获得数据，又在等待磁盘可用。b. 有很多种方法解决这一问题。可以使用一种特殊的队列，或者将进程放入两个独立的队列中。不论采用哪种方法，操作系统都必须处理好细节工作，使进程相继地关注两个事件的发生。3.9. 在很多早期计算机中，中断导致寄存器值被保存在与给定的中断信息相关联的固定单元。在什么
31、情况下这是一种实用的技术？请解释为什么它通常是不方便的。答：这种技术是基于被中断的进程A在中断响应之后继续执行的假设的。但是，在通常情况下，中断可能会导致另一个进程B抢占了进程A。这是就必须将进程A的执行状态从与中断相关的位置复制到与A相关的进程描述中。然而机器却有可能仍将它们保存到前一位置。参考：BRIN73。3.10. 3.4节曾经讲述过，由于在内核模式下执行的进程是不能被抢占的，因此UNIX不适用于实时应用。请阐述原因。答：由于存在进程不能被抢占的情况（如在内核模式下执行的进程），操作系统不可能对实时需求给予迅速的反应。第4章 线程、对称多处理和微内核4.1. 一个进程中的多个线程有以下两个优点：（1）在一个已有进程中创建一个新线程比创建一个新进程所需的工作量少；（2）在同一个进程中的线程间的通信比较简单。请问同一个进程中的两个线程间的模式切换与不同进程中的两个线程间的模式切换相比，所需的工作量是否要少？答：是的，因为两个进程间
