第五章習(xí)題及答案

1、第五章 設(shè)備管理1試說明設(shè)備控制器的組成。答：由設(shè)備控制器與處理機(jī)的接口，設(shè)備控制器與設(shè)備的接口與I/O邏輯組成。2為了實(shí)現(xiàn)CPU與設(shè)備控制器間的通信，設(shè)備控制器應(yīng)具備哪些功能？答：接收和識(shí)別命令；數(shù)據(jù)交換；標(biāo)識(shí)和報(bào)告設(shè)備狀態(tài)；地址識(shí)別；數(shù)據(jù)緩沖；差錯(cuò)控制。3什么是字節(jié)多路通道？什么是數(shù)組選擇通道和數(shù)組多路通道？答：（1）字節(jié)多路通道。按字節(jié)交叉方式工作的通道。通常含有許多非分配型子通道，數(shù)量從幾十到數(shù)百個(gè)，每個(gè)子通道連接一臺(tái)I/O 設(shè)備，控制其I/O 操作。子通道按時(shí)間片輪轉(zhuǎn)方式共享主通道。（2）數(shù)組選擇通道。按數(shù)組方式傳送數(shù)據(jù)，傳輸速率很高，每次只允許一個(gè)設(shè)備數(shù)據(jù)。（3）數(shù)組多路通道。將數(shù)

2、組選擇通道傳輸速率高和字節(jié)多路通道的各子通道分時(shí)并行操作的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合而成。含有多個(gè)非分配型子通道，具有很高的數(shù)據(jù)傳輸率和通道利用率。4如何解決因通道不足而產(chǎn)生的瓶頸問題？答：解決問題的有效方法是增加設(shè)備到主機(jī)間的通路而不增加通道，把一個(gè)設(shè)備連到多個(gè)控制器上，控制器又連到多個(gè)通道上，這種多通路方式解決了“瓶頸”問題，提高了系統(tǒng)可靠性，個(gè)別通道或控制器的故障不會(huì)使設(shè)備和存儲(chǔ)器之間沒有通路。5試對(duì)VESA 及PCI兩種總線進(jìn)行比較。答：VESA總線的設(shè)計(jì)思想是以低價(jià)占領(lǐng)市場(chǎng)?？偩€帶寬32位，最高傳輸速率132Mb/s。廣泛用于486微機(jī)。缺點(diǎn)是能連接的設(shè)備數(shù)僅為24 臺(tái)，控制器中無緩沖，難于適應(yīng)處理器

3、速度的提高，不支持Pentium機(jī)。PCI總線在CPU和外設(shè)間插入了復(fù)雜的管理層，協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)傳輸和提供一致接口。管理層中配有數(shù)據(jù)緩沖，放大了線路的驅(qū)動(dòng)能力，最多支持10種外設(shè)，支持高時(shí)鐘頻率的CPU運(yùn)行，最大傳輸速率132Mb/s?？蛇B接ISA、EISA 等傳統(tǒng)總線，又支持Pentium的64位系統(tǒng)，是基于奔騰等新一代微處理器而發(fā)展的總線。6試說明推動(dòng)I/O控制發(fā)展的主要因素是什么？答：推動(dòng)I/O 控制發(fā)展的主要?jiǎng)恿υ谟诒M量減少主機(jī)對(duì)I/O 控制的干預(yù)，把主機(jī)從繁雜的I/O控制事務(wù)中解脫出來，用更多的時(shí)間和精力去完成其數(shù)據(jù)處理任務(wù)。同時(shí)，中斷機(jī)制在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的引入、DMA 控制器的出現(xiàn)和通道研

4、制的成功使I/O 控制的發(fā)展具備了技術(shù)支持和成為可能。7有哪幾種I/O控制方式？各適用于何種場(chǎng)合？答：共有四種I/O 控制方式。(1)程序I/O 方式：早期計(jì)算機(jī)無中斷機(jī)構(gòu)，處理機(jī)對(duì)I/O設(shè)備的控制采用程序I/O方式或稱忙等的方式。(2)中斷驅(qū)動(dòng)I/O 控制方式：適用于有中斷機(jī)構(gòu)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。(3)直接存儲(chǔ)器訪問（DMA）I/O 控制方式：適用于具有DMA控制器的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。(4)I/O 通道控制方式：具有通道程序的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。8試說明DMA 的工作流程。答：以從磁盤讀入數(shù)據(jù)為例，說明DMA的工作流程。當(dāng)CPU要從磁盤讀入數(shù)據(jù)塊時(shí)，先向磁盤控制器發(fā)送一條讀命令。該命令被送到命令寄存器CR

5、中。同時(shí)還發(fā)送本次要讀入數(shù)據(jù)的內(nèi)存起始目標(biāo)地址，送入內(nèi)存地址寄存器MAR；本次要讀數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)送入數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器DC，將磁盤中的源地址直接送DMA控制器的I/O 控制邏輯上。然后啟動(dòng)DMA 控制器傳送數(shù)據(jù)，以后CPU 便處理其它任務(wù)。整個(gè)數(shù)據(jù)傳送過程由DMA控制器控制。下圖為DMA方式的工作流程圖。9引入緩沖的主要原因是什么？答：引入緩沖的主要原因是：（1）緩和CPU與I/O 設(shè)備間速度不匹配的矛盾（2）減少對(duì)CPU的中斷頻率，放寬對(duì)中斷響應(yīng)時(shí)間的限制（3）提高CPU與I/O 設(shè)備之間的并行性10在單緩沖情況下，為什么系統(tǒng)對(duì)一塊數(shù)據(jù)的處理時(shí)間為max（C,T）+M ?答：在塊設(shè)備輸入時(shí)，先從磁盤把

6、一塊數(shù)據(jù)輸入到緩沖區(qū)，耗時(shí)為T；然后由操作系統(tǒng)將緩沖區(qū)數(shù)據(jù)送給用戶區(qū)，耗時(shí)M；接下來由CPU 對(duì)塊數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，耗時(shí)C。在單緩沖情況下，磁盤把數(shù)據(jù)輸入到緩沖區(qū)的操作和CPU 對(duì)數(shù)據(jù)的計(jì)算過程可以并行展開，所以系統(tǒng)對(duì)每一整塊數(shù)據(jù)的處理時(shí)間為max(C, T) + M。11為什么在雙緩沖情況下，系統(tǒng)對(duì)一塊數(shù)據(jù)的處理時(shí)間為max（T,C）?答：寫入者花費(fèi)時(shí)間T 將數(shù)據(jù)寫滿一個(gè)緩沖區(qū)后再寫另一個(gè)緩沖區(qū)；讀出者花費(fèi)時(shí)間M 將一個(gè)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)送到用戶區(qū)后再傳送另一個(gè)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，計(jì)算者讀出用戶區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。由于將數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)傳到用戶區(qū)操作必須與讀用戶區(qū)數(shù)據(jù)處理串行進(jìn)行，而且可以與從外存?zhèn)魉蛿?shù)據(jù)填滿緩沖區(qū)的操

7、作并行。因此耗時(shí)大約為max(C+M,T)?？紤]M 是內(nèi)存數(shù)據(jù)塊的移動(dòng)耗時(shí)非常短暫可以省略，因此近似地認(rèn)為系統(tǒng)對(duì)一塊數(shù)據(jù)處理時(shí)間為max(C,T)。12試?yán)L圖說明把多緩沖用于輸出時(shí)的情況。答：多緩沖用于輸出的示意圖如下：13試說明收容輸入工作緩沖區(qū)和提取輸出工作緩沖區(qū)的工作情況。答： 收容輸入工作緩沖區(qū)的工作情況為：在輸入進(jìn)程需要輸入數(shù)據(jù)時(shí)，調(diào)用GetBuf(EmptyQueue)過程，從EmptyQueue隊(duì)列的隊(duì)首摘下一個(gè)空緩沖區(qū)，作為收容輸入工作緩沖區(qū)Hin。然后把數(shù)據(jù)輸入其中，裝滿后再調(diào)用PutBuf(InputQueue, Hin)過程，將該緩沖區(qū)掛在輸入隊(duì)列InputQueue的隊(duì)

8、尾。 提取輸出工作緩沖區(qū)的工作情況為：當(dāng)要輸出數(shù)據(jù)時(shí)，調(diào)用GetBuf(OutputQueue)過程，從輸出隊(duì)列的隊(duì)首取得一裝滿輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)作為提取輸出工作緩沖區(qū)Sout。在數(shù)據(jù)提取完后，再調(diào)用PutBuf(EmptyQueue, Sout)過程，將該緩沖區(qū)掛到空緩沖隊(duì)列EmptyQueue的隊(duì)尾。14何謂安全分配方式和不安全分配方式？答： 安全分配方式是指每當(dāng)進(jìn)程發(fā)出I/O 請(qǐng)求后，便進(jìn)入阻塞狀態(tài)，直到其I/O 操作完成時(shí)才被喚醒。在采用這種分配策略時(shí)，一旦進(jìn)程已獲得某種設(shè)備資源后便阻塞，使它不可能再請(qǐng)求任何資源，而在它運(yùn)行時(shí)又不保持任何資源。這種分配方式已經(jīng)摒棄了造成死鎖的“請(qǐng)求和保持

9、”條件，分配是安全的。缺點(diǎn)是進(jìn)程進(jìn)展緩慢，CPU與I/O 設(shè)備串行工作。不安全分配方式是指進(jìn)程發(fā)出I/O 請(qǐng)求后仍繼續(xù)執(zhí)行，需要時(shí)又可發(fā)出第二個(gè)I/O 請(qǐng)求、第三個(gè)I/O 請(qǐng)求。僅當(dāng)進(jìn)程請(qǐng)求的設(shè)備已被另一個(gè)進(jìn)程占有時(shí)，進(jìn)程才進(jìn)入阻塞狀態(tài)。優(yōu)點(diǎn)是一個(gè)進(jìn)程可同時(shí)操作多個(gè)設(shè)備，進(jìn)程推進(jìn)迅速。缺點(diǎn)是分配不安全，可能具有“請(qǐng)求和保持”條件，可能造成死鎖。因此，在設(shè)備分配程序中需增加一個(gè)功能，用于對(duì)本次的設(shè)備分配是否會(huì)發(fā)生死鎖進(jìn)行安全性計(jì)算，僅當(dāng)計(jì)算結(jié)果表明分配安全的情況下才進(jìn)行分配。15為何要引入設(shè)備獨(dú)立性？如何實(shí)現(xiàn)設(shè)備獨(dú)立性？答：現(xiàn)代操作系統(tǒng)為了提高系統(tǒng)的可適應(yīng)性和可擴(kuò)展性，都實(shí)現(xiàn)了設(shè)備獨(dú)立性或設(shè)備無

10、關(guān)性。基本含義是應(yīng)用程序獨(dú)立于具體使用的物理設(shè)備，應(yīng)用程序以邏輯設(shè)備名請(qǐng)求使用某類設(shè)備。實(shí)現(xiàn)了設(shè)備獨(dú)立性功能可帶來兩方面的好處：（1）設(shè)備分配時(shí)的靈活性；（2）易于實(shí)現(xiàn)I/O 重定向。為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備的獨(dú)立性，應(yīng)引入邏輯設(shè)備和物理設(shè)備概念。在應(yīng)用程序中，使用邏輯設(shè)備名請(qǐng)求使用某類設(shè)備；系統(tǒng)執(zhí)行時(shí)是使用物理設(shè)備名。鑒于驅(qū)動(dòng)程序是與硬件或設(shè)備緊密相關(guān)的軟件，必須在驅(qū)動(dòng)程序之上設(shè)置一層設(shè)備獨(dú)立性軟件，執(zhí)行所有設(shè)備的公有操作、完成邏輯設(shè)備名到物理設(shè)備名的轉(zhuǎn)換（為此應(yīng)設(shè)置一張邏輯設(shè)備表）并向用戶層（或文件層）軟件提供統(tǒng)一接口，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的獨(dú)立性。16在考慮到設(shè)備的獨(dú)立性時(shí)，應(yīng)如何分配獨(dú)占設(shè)備？答：在考慮到

11、設(shè)備的獨(dú)立性時(shí)，應(yīng)按如下步驟來分配獨(dú)占設(shè)備：(1) 進(jìn)程以邏輯設(shè)備名提出I/O請(qǐng)求。(2) 根據(jù)邏輯設(shè)備表獲得I/O請(qǐng)求的邏輯設(shè)備對(duì)應(yīng)物理設(shè)備在系統(tǒng)設(shè)備表中的指針。(3) 檢索系統(tǒng)設(shè)備表，找到屬于請(qǐng)求類型、空閑可用且分配安全設(shè)備的設(shè)備控制表，將對(duì)應(yīng)設(shè)備分配給請(qǐng)求進(jìn)程；未找到則等待等待喚醒和分配。(4) 到設(shè)備控制表中找出與其相連接的控制器的控制器控制表，根據(jù)狀態(tài)字段判斷是否忙碌，忙則等待；否則將該控制器分配給進(jìn)程。(5) 到該控制器的控制器控制表中找出與其相連接的通道的通道控制表，判斷通道是否忙碌，忙則等待；否則將該通道分配給進(jìn)程。(6) 只有在設(shè)備、控制器和通道三者都分配成功時(shí)，這次的設(shè)備分

12、配才算成功，然后便可啟動(dòng)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。17何謂設(shè)備虛擬？實(shí)現(xiàn)設(shè)備虛擬時(shí)所依賴的關(guān)鍵技術(shù)是什么？答：設(shè)備虛擬是指把獨(dú)占設(shè)備經(jīng)過某種技術(shù)處理改造成虛擬設(shè)備。可虛擬設(shè)備是指一臺(tái)物理設(shè)備在采用虛擬技術(shù)后，可變成多臺(tái)邏輯上的虛擬設(shè)備，則可虛擬設(shè)備是可共享的設(shè)備，將它同時(shí)分配給多個(gè)進(jìn)程使用，并對(duì)這些訪問該物理設(shè)備的先后次序進(jìn)行控制。18試說明SPOOLing 系統(tǒng)的組成。答：SPOOLing 系統(tǒng)由輸入井和輸出井、輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)、輸入進(jìn)程 SPi 和輸出進(jìn)程 SPo 三部分組成。19在實(shí)現(xiàn)后臺(tái)打印時(shí)，SPOOLing 系統(tǒng)應(yīng)為請(qǐng)求I/O 的進(jìn)程提供哪些服務(wù)？答：在實(shí)現(xiàn)后臺(tái)打印時(shí)，SPOOLin

13、g 系統(tǒng)應(yīng)為請(qǐng)求 I/O的進(jìn)程提供以下服務(wù)：（1）由輸出進(jìn)程在輸出井中申請(qǐng)一空閑盤塊區(qū)，并將要打印的數(shù)據(jù)送入其中；（2）輸出進(jìn)程為用戶進(jìn)程申請(qǐng)空白用戶打印表，填入打印要求，將該表掛到請(qǐng)求打印隊(duì)列。（3）一旦打印機(jī)空閑，輸出進(jìn)程便從請(qǐng)求打印隊(duì)列的隊(duì)首取出一張請(qǐng)求打印表，根據(jù)表中要求將要打印的數(shù)據(jù)從輸出井傳送到內(nèi)存緩沖區(qū)，再由打印機(jī)進(jìn)行打印。20試說明設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序具有哪些特點(diǎn)。答：設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序具有如下特點(diǎn)：（1）是請(qǐng)求 I/O 進(jìn)程與設(shè)備控制器間的一個(gè)通信程序；（2）驅(qū)動(dòng)程序與 I/O 設(shè)備的特性緊密相關(guān)；（3）驅(qū)動(dòng)程序與 I/O 控制方式緊密相關(guān)；（4）驅(qū)動(dòng)程序與硬件緊密相關(guān)，部分程序用匯編語言

14、書寫，基本部分往往固化在ROM中。21試說明設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)具有哪些功能？答：設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的主要功能包括：（1）將接收到的抽象要求轉(zhuǎn)為具體要求；（2）檢查用戶I/O請(qǐng)求合法性，了解I/O 設(shè)備狀態(tài)，傳遞有關(guān)參數(shù)，設(shè)置設(shè)備工作方式；（3）發(fā)出I/O 命令，啟動(dòng)分配到的I/O設(shè)備，完成指定I/O 操作；（4）及時(shí)響應(yīng)由控制器或通道發(fā)來的中斷請(qǐng)求，根據(jù)中斷類型調(diào)用相應(yīng)中斷處理程序處理；（5）對(duì)于有通道的計(jì)算機(jī)，驅(qū)動(dòng)程序還應(yīng)該根據(jù)用戶 I/O 請(qǐng)求自動(dòng)構(gòu)成通道程序。22.設(shè)備中斷處理程序通常需完成哪些工作？答：設(shè)備中斷處理程序通常需完成如下工作：(1) 喚醒被阻塞的驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)程；(2) 保護(hù)被中斷進(jìn)程的

15、CPU環(huán)境；(3) 分析中斷原因、轉(zhuǎn)入相應(yīng)的設(shè)備中斷處理程序；(4) 進(jìn)行中斷處理；(5) 恢復(fù)被中斷進(jìn)程。23.磁盤訪問時(shí)間由哪幾部分組成？每部分時(shí)間應(yīng)如何計(jì)算？答：磁盤訪問時(shí)間由尋道時(shí)間Ts、旋轉(zhuǎn)延遲時(shí)間Tr、傳輸時(shí)間Tt 三部分組成。（1）Ts 是啟動(dòng)磁臂時(shí)間s 與磁頭移動(dòng)n條磁道的時(shí)間和，即Ts = m × n + s。（2）Tr是指定扇區(qū)移動(dòng)到磁頭下面所經(jīng)歷的時(shí)間。硬盤15000r/min時(shí)Tr為2ms;軟盤300或600r/min時(shí)Tr為50100ms。（3）Tt 是指數(shù)據(jù)從磁盤讀出或向磁盤寫入經(jīng)歷的時(shí)間。Tt 的大小與每次讀/寫的字節(jié)數(shù)b和旋轉(zhuǎn)速度有關(guān)：Tt = b/r

16、N。24.目前常用的磁盤調(diào)度算法有哪幾種？每種算法優(yōu)先考慮的問題是什么？答：目前常用的磁盤調(diào)度算法有先來先服務(wù)、最短尋道時(shí)間優(yōu)先及掃描等算法。(1) 先來先服務(wù)算法優(yōu)先考慮進(jìn)程請(qǐng)求訪問磁盤的先后次序；(2) 最短尋道時(shí)間優(yōu)先算法優(yōu)先考慮要求訪問的磁道與當(dāng)前磁頭所在磁道距離是否最近；(3) 掃描算法考慮欲訪問的磁道與當(dāng)前磁道間的距離，更優(yōu)先考慮磁頭當(dāng)前的移動(dòng)方向。25.為什么要引入磁盤高速緩沖？何謂磁盤高速緩沖？答：目前磁盤的I/O速度遠(yuǎn)低于內(nèi)存的訪問速度，通常低上4-6個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，磁盤I/O已成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的瓶頸。為提高磁盤I/O的速度，便引入了磁盤高速緩沖。磁盤高速緩沖是指利用內(nèi)存中的存

17、儲(chǔ)空間，暫存從磁盤中讀出的一系列盤塊中的信息。26.在設(shè)計(jì)磁盤高速緩沖時(shí)，如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交付？答：數(shù)據(jù)交付是指將磁盤高速緩存中的數(shù)據(jù)傳給請(qǐng)求進(jìn)程。當(dāng)進(jìn)程請(qǐng)求訪問某個(gè)盤塊中的數(shù)據(jù)時(shí)，由核心先查看磁盤高速緩沖，看其中是否存在所需盤塊數(shù)據(jù)的拷貝。若有便直接從中提取數(shù)據(jù)交付給請(qǐng)求進(jìn)程，避免了訪盤操作，本次訪問速度提高4-6 個(gè)數(shù)量級(jí)；否則先從磁盤中將要訪問的數(shù)據(jù)讀入并交付給請(qǐng)求者進(jìn)程，同時(shí)送高速緩存以便下次直接讀取。27何謂提前讀、延遲寫和虛擬盤？答：提前讀是指在讀當(dāng)前盤塊的同時(shí)，將下一個(gè)可能要訪問的盤塊數(shù)據(jù)讀入緩沖區(qū)，以便需要時(shí)直接從緩沖區(qū)中讀取，無需啟動(dòng)磁盤。延遲寫是指在寫盤塊時(shí)，將對(duì)應(yīng)緩沖區(qū)中的立即寫數(shù)據(jù)暫時(shí)不立即寫以備不久之后再被訪問，只將它置上“延遲寫”標(biāo)志并掛到空閑緩沖隊(duì)列的末尾。當(dāng)移到空閑緩沖隊(duì)首并被分配出去時(shí)，才寫緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。只要延遲寫塊仍在空閑緩沖隊(duì)列中，任何要求訪問都可直接從其