现代操作系统课后答案解析：多道程序与I/O管理

"这份资源是关于《现代操作系统》课程的详细课后答案，适用于学习者共享和复习。" 操作系统是计算机系统的核心组成部分，它管理着计算机的硬件资源，特别是CPU、内存以及I/O设备，为用户提供一个抽象的、高效的计算环境。在第一章中，讨论了几个关键概念： 1. 扩展机器：操作系统通过虚拟化技术，让用户感觉拥有比实际物理资源更多的计算能力。这包括内存管理和处理器调度，使得多个进程可以同时在内存中运行。 2. 多道程序设计：这是一种策略，通过在内存中同时保持多个进程并频繁切换，使得CPU在等待I/O操作完成时也能保持高利用率。这对于提升系统效率至关重要，尤其是在没有直接存储器访问（DMA）技术时，CPU在I/O操作期间可以转而执行其他任务。 3. 输入/输出（I/O）缓冲和spooling技术：输入spooling用于预先将数据从输入设备如卡片读入磁盘，以便CPU可以处理其他任务。输出spooling则涉及先将打印任务写入磁盘，然后批量打印，避免了打印机直接处理多个请求时的冲突和等待。 4. 多道程序设计的重要性在于提高CPU利用率，尤其是在I/O密集型应用中。如果没有DMA，多道程序设计可以通过CPU在I/O操作间隙执行其他任务来增加系统的整体效率。 5. 硬件保护：早期的计算机缺乏保护操作系统免受恶意用户程序攻击的硬件机制。随着技术发展，如Intel Pentium系列处理器，引入了不同级别的硬件保护机制，确保系统安全。 6. 计算机体系结构的兼容性：如Intel的Pentium系列，虽然性能和功耗各异，但保持了架构兼容性，允许软件在不同型号的处理器上运行。 7. 显示器缓冲区的计算：计算不同分辨率和色彩深度显示器所需的缓冲区大小，展示了硬件资源需求与成本之间的关系。 8. 内核模式和用户模式：某些操作，如硬件访问和系统调用，应当在具有更高权限的内核模式下进行，以防止用户程序误操作导致系统崩溃。 9. 个人计算机和大型机的区别：个人计算机通常支持单用户交互式操作，而大型机更注重多用户批处理和分时系统，且在资源共享和保护方面有更高的要求。 10. 流水线（Pipeline）计算：提到每秒执行十亿条指令，不论管道有多少阶段，最终的输出速率是不变的，这是流水线计算的基本原理。 11. 数据传输速率与存储：计算了一本书内容的字符数，并探讨了在不同存储级别（寄存器和缓存）中传输这些数据所需的时间。 课后答案涵盖了操作系统的基本原理和技术，包括进程管理、内存管理、I/O操作、硬件保护、系统性能优化等多个方面，对于学习者深入理解现代操作系统的工作机制非常有帮助。