操作系統(tǒng)原理-第七章 設備管理

1、第七章設備管理7.3習題7.3.1、選擇最合適的答案在下面的I/O控制方式中，需要CPU干預最少的方式是()。程序I/O方式中斷驅動I/O控制方式直接存儲器訪問DMA控制方式I/O通道控制方式某操作系統(tǒng)中，采用中斷驅動I/O控制方式，設中斷時，CPU用1ms來處理中斷請 求，其它時間CPU完全用來計算，若系統(tǒng)時鐘中斷頻率為100HZ，則，CPU的利用率為()。(A) 60%(B) 70%(C) 80%(D) 90% 下列哪一條不是磁盤設備的特點()。傳輸速率較高，以數(shù)據(jù)塊為傳輸單位一段時間內(nèi)只允許一個用戶(進程)訪問I/O控制方式常采用DMA方式可以尋址，隨機地讀/寫任意數(shù)據(jù)塊 利用通道實現(xiàn)了

2、()之間數(shù)據(jù)的快速傳輸。(A) CPU和外設(B)內(nèi)存和CPU內(nèi)存和外設(D)外設和外設假脫機技術中，對打印機的操作實際上是用對磁盤存儲實現(xiàn)的，用以替代打印機的 部分是指()。共享設備(B)獨占設備(C)虛擬設備(D)物理設備設從磁盤將一塊數(shù)據(jù)傳送到緩沖區(qū)所用時間為80 us，將緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)傳送到用戶 區(qū)所用時間為40 us，CPU處理數(shù)據(jù)所用時間為30 us，則處理該數(shù)據(jù)，采用單緩沖傳送某 磁盤數(shù)據(jù)，系統(tǒng)所用總時間為()。(A)120us(B)110 us(C)150us(D)70us對于速率為9.6KB/s的數(shù)據(jù)通信來說，如果說設置一個具有8位的緩沖寄存器，則CPU中斷時間和響應時間大約分

3、別為()。(B) 8ms, 1ms(D) 0.1ms, 0.1ms(A) 0.8ms, 0.8ms(C) 0.8ms, 0.1ms在調(diào)試程序時，可以先把所有輸出送屏幕顯示而不必正式輸出到打印設備，其運用 了()。(A)SPOOLing 技術(B)I/O 重定向(C)共享技術(D)緩沖技術設備驅動程序是系統(tǒng)提供的一種通道程序，它專門用于在請求I/O的進程與設備控 制器之間傳輸信息。下面的選項中不是設備驅動程序功能的是()。檢查用戶I/O請求的合法性及時響應由控制器或通道發(fā)來的中斷請求控制I/O設備的I/O操作了解I/O設備的狀態(tài)，傳送有關參數(shù)，設置設備的工作方式 下列關于通道、設備、設備控制器三

4、者之間的關系敘述中正確的是()。設備控制器和通道可以分別控制設備設備控制器控制通道和設備一起工作通道控制設備控制器，設備控制器控制設備設備控制器控制通道，通道控制設備7.3. 2選擇所有正確的答案 下列哪一個選項是引入緩沖的原因()。緩和CPU和I/O設備間速度不匹配的矛盾減少對CPU的中斷頻率，放寬對中斷響應時間的限制減少CPU對I/O控制的干預提高CPU和I/O設備之間的并行性 從設備分配的角度來看，設備分成()。A.獨享設備B.系統(tǒng)設備C.用戶設備D.共享設備E.虛擬設備 在操作系統(tǒng)中，下列選項屬于軟件機制的是()。緩沖池(B)通道技術(C)覆蓋技術(D) Spooling技術下列哪種設

5、備是從設備分配策略角度來說的()。(A)系統(tǒng)設備(B)獨享設備共享設備(D)虛擬設備 下列關于通道、設備、設備控制器三者之間的關系敘述中正確的是()?？刂破骱屯ǖ揽梢苑謩e控制設備控制器、通道和設備一起工作通道控制設備控制器，設備控制器控制設備設備控制器控制通道，通道控制設備在假脫機I/O技術中，對打印機的操作實際上是用對磁盤存儲的訪問。那么，用以 替代打印機的部分通常稱作()。(A)共享設備(B)獨占設備虛擬設備(D)物理設備下列存儲設備中，適合作為共享設備的是()。(A)語音輸入輸出設備(B)打印機(C)鼠標(D)磁盤 低速設備一般被設置成獨占設備，可用作獨占設備的有()。(A)軟磁盤(B)

6、磁帶機(C)可擦寫光驅(D)磁鼓 系統(tǒng)中的通道數(shù)量較少，可能會產(chǎn)生“瓶頸”問題。()不是解決此問題的有 效方法在結構上增加一些連線，以增加數(shù)據(jù)傳送通路在數(shù)據(jù)傳輸線路上多增設一些緩沖區(qū)提高CPU的速度采用虛擬設備技術I/O系統(tǒng)硬件結構分為4級：1.設備控制器2. I/O設備3.計算機4. I/O通道，按 級別由高到低的順序是()。(A) 2-4-1-3(B) 3-1-4-2(C) 2-1-4-3(D) 3-4-1-27.3.3、判斷正誤，簡要說明理由操作系統(tǒng)采用緩沖技術的緩沖池主要是通過硬件來實現(xiàn)的。低速設備一般被設置成共享設備。通道指令和一般機器的指令沒有什么不同。數(shù)組選擇通道和數(shù)組多路通道可

7、以支持多個通道程序并發(fā)執(zhí)行，而字節(jié)多路通道不 支持多個通道程度并發(fā)執(zhí)行。共享設備允許多個作業(yè)同時使用設備，即每一時刻可有多個作業(yè)在使用該共享設備， 因而提高了系統(tǒng)設備資源的利用率。由于設備分配中設置了若干數(shù)據(jù)結構，所以在設備分配中不會發(fā)生死鎖。I/O通道控制方式中不需要任何CPU干預。先來先服務算法、優(yōu)先級高者優(yōu)先算法、時間片輪轉算法等是經(jīng)常在設備分配中采用 算法。由于獨占設備在一段時間內(nèi)只允許一個進程使用，因此，多個并發(fā)進程無法訪問這 類設備。操作系統(tǒng)中應用的緩沖技術，多數(shù)通過使用外存來實現(xiàn)。7.3.4、簡答題計算機中設備控制器是由哪些部分構成的？什么是字節(jié)多路通道？什么是數(shù)組選擇通道和數(shù)組

8、多路通道？有哪幾種I/O控制方式？分別適用何種場合？試說明DMA的工作流程。在單緩沖情況下，為什么系統(tǒng)對一塊數(shù)據(jù)的處理時間為max(C,T)+M。為什么在雙緩沖情況下，系統(tǒng)對一塊數(shù)據(jù)的處理時間為max(C,T)？試繪圖說明把多緩沖用于輸出時的情況。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。何謂安全分配方式和不安全分配方式？為什么要引入設備獨立性？如何實現(xiàn)設備獨立性？試說明SPOOLing系統(tǒng)的組成。在實現(xiàn)后臺打印時，SPOOLing系統(tǒng)應為請求I/O的進程提供哪些服務？,試說明設備驅動程序具有哪些特點？,試說明設備驅動程序應具有哪些功能？設備驅動程序通常要完成哪些工作？設備中斷處

9、理程序通常需完成哪些工作？7.4習題解答要點7.4.1單選題1.D 2.D3.B 4.C5.C 6.C7.C 8.B9.C 10.C7.4.2多選題1. (ABD)2. (ADE)3.(ACD)4.(BCD)5.(BC)6. (C)7.(D)8.(ABC)9.(BCD)10. (D)7.4.3判斷題答案：(錯)。緩沖技術的實現(xiàn)方法有硬件和軟件兩種。硬件方法，適于應用在速度和安全性要求較高的重要場合，且費用很高；軟件方法，即在內(nèi)存中開辟出專門的存儲區(qū)來做緩沖區(qū)。操作系統(tǒng)采用的緩沖池技術是系統(tǒng)公用資源，由多個緩沖區(qū)組成，是通過采用軟件的方法在內(nèi)存中實現(xiàn)的。答案：（錯）計算機外部設備分為：高速設備和

10、低速設備。低速設備是不可以共享使用的，因為在一段時間內(nèi)不能由多個進程同時訪問。答案：（錯）通道指令與一般機器指令有如下幾點不同之處：通道指令的尋址方式較一般機器指令簡單。通道指令的指令格式方式較一般機器指令簡單。通道指令的操作 碼較一般機器指令簡單。答案：（錯）在硬件結構中只有數(shù)組多路通道支持多個通道程序并發(fā)執(zhí)行。答案：（錯）共享設備允許多個作業(yè)在一段時間內(nèi)同時使用設備。答案：（錯）為了保證每一次設備分配的順利實施，系統(tǒng)中設置了 DCB、COCB、CHCB、SDT等數(shù)據(jù)結構。但這并不能保證設備分配的安全性。要想保證分配不發(fā)生死鎖，還需進行安全性測算。答案：（錯）通道在I/O程序執(zhí)行的開始或結束

11、時，必需要CPU進行一定的處理。只有在執(zhí)行I/O程序期間，無需CPU干預。答案：（錯）前兩種算法可用在設備分配中采用，而時間片輪轉算法則不適合在設備O分配中。因為一般設備的I/O操作一經(jīng)啟動后，便一直運行下去直到完成，I/O操作期間不宜中斷，更不宜切換給其他進程使用。答案：（錯）可以把獨占設備作為系統(tǒng)的一種臨界資源，用互斥的方法訪問它。錯。因為操作系統(tǒng)中應用的緩沖技術是有其限定性的，一般是在內(nèi)存中或通過硬件技術來實現(xiàn)的?；旧喜煌ㄟ^外存來實現(xiàn)。7.4.4簡答題 1 .答：包括：設備控制器與CPU的接口；設備控制器與設備的接口；輸入輸出邏輯數(shù)據(jù)寄廣游I足I邏輯寄存器（見下圖所示）。2.答：字節(jié)多

12、路通道含有多個子通道。每個子通道連接一臺低速設備，以輪流方式控節(jié).器三設備潑I-控制線控制器控制器 與設備 依口 1共享主通道。任一子通道交換完一個字節(jié)后就將主通道讓給下一個子通道。數(shù)組選擇通道可連接多臺高速外設，具有較高的傳輸速率。它有一臺分配型子通道， 一段時間內(nèi)只能執(zhí)行一道通道程序，使一臺設備獨占通道以進行數(shù)據(jù)交換，直到交換完后才 可讓給其他的設備。數(shù)組多路通道含有多個非分配型子通道，每個子通道連接一臺高速外設，以輪流方 式共享主通道。任一子通道交換完若干字節(jié)后就將主通道讓給下一個子通道。答：共有四種I/O方式：程序I/O方式，又稱作“忙-等”方式。該方式執(zhí)行一個循環(huán)程序，反復查詢外設狀

13、 態(tài)，如果外設“忙碌”則循環(huán)查詢，直到查得外設狀態(tài)為“閑置”時止。該方式適用于機內(nèi) 沒有中斷機構的場合。中斷控制I/O方式。該方式在進行I/O時，CPU向控制器發(fā)出I/O命令后，由控制 器控制外設操作，CPU轉其他任務的處理，即，CPU與外設并行工作。當外設完成I/O后 向CPU發(fā)中斷信號，CPU只需花費很少的時間進行I/O的善后處理，此前毋須進行干預。 該方式可適于低速外設I/O,并可配合DMA和通道方式實現(xiàn)I/O。DMA (直接內(nèi)存訪問)方式。該方式適于高速外設I/O，一次可以在外設與內(nèi)存之 間傳輸一個或多個數(shù)據(jù)塊。傳輸完畢后才需CPU干預。通道方式。該方式中，系統(tǒng)預先要將I/O的過程實現(xiàn)

14、為一段通道程序，置于內(nèi)存的 特定位置，而后啟動通道。由通道負責執(zhí)行通道程序對外設進行I/O控制，CPU轉其他程序 運行。I/O完成后通道向CPU發(fā)中斷信號，CPU花很少時間作善后處理。答：CPU需要訪問外存時，便發(fā)送一條訪問命令給DMA的命令寄存器CR、一 個內(nèi)存地址碼給DMA的內(nèi)存地址寄存器MAR、本次要傳送的字節(jié)數(shù)給DMA的數(shù)據(jù)計數(shù) 器DC、外存地址給DMA的I/O控制邏輯中。啟動DMA控制器，然后CPU轉其他任務處理。DMA控制器負責控制數(shù)據(jù)在內(nèi)存與外存之間傳送。每傳送一個字節(jié)就需挪用一個內(nèi) 存周期，按MAR從內(nèi)存讀出或寫入內(nèi)存一個字節(jié)，修改MAR和計數(shù)器DC。當DC修改為0，表示傳送結

15、束，由DMA向CPU發(fā)出中斷請求。答：令T是讀外存數(shù)據(jù)送內(nèi)存緩沖區(qū)時間，M是數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)傳送到用戶區(qū)的時間， C是讀內(nèi)存用戶區(qū)數(shù)據(jù)進行計算的時間。當進行第I次讀外存數(shù)據(jù)送緩沖區(qū)時，系統(tǒng)可同時 讀出用戶區(qū)中第(I-1)次數(shù)據(jù)進行計算。此兩項操作并行進行且互不干擾，并與數(shù)據(jù)從緩 沖區(qū)傳送到用戶區(qū)的操作串行進行，因此處理一塊數(shù)據(jù)的時間大約為max(C,T)+M。答：該方式又稱緩沖對換方式。寫入者花費時間T將數(shù)據(jù)寫滿一個緩沖區(qū)后再寫另 一個緩沖區(qū)；讀出者花費時間M將一個緩沖區(qū)數(shù)據(jù)送到用戶區(qū)后再傳送另一個緩沖區(qū)數(shù)據(jù)， 運算者讀出用戶區(qū)進行處理。由于將數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)傳送到用戶區(qū)操作必須與讀用戶區(qū)數(shù)據(jù)進 行處

16、理串行進行，而且它們又可以與從外存?zhèn)魉蛿?shù)據(jù)填滿緩沖區(qū)的操作并行。因此耗時大約 為max(C+M,T)?？紤]到M是內(nèi)存中數(shù)據(jù)塊的“搬家”耗時，非常短暫可以省略，因此近似 地認為是：max(C,T)。答：一般情況下，需要將多緩沖區(qū)形成一個環(huán)。環(huán)上設置兩個指針：Nexti和Nextg。前者指出數(shù)據(jù)的存入位置，后者指出數(shù)據(jù)的提取位置。下圖是由6個緩沖區(qū)組成的環(huán)，其中， 帶陰影的表示是裝滿數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，不帶陰影的是空緩沖區(qū)。當需要將環(huán)中的一個緩沖區(qū)數(shù)據(jù)輸出時，用P操作獨占該環(huán)；判斷Nexti與Nextg 是否重合，若是重合則表示環(huán)中數(shù)據(jù)已空，需要通過V操作釋放該環(huán)，并阻塞等待。若 Nexti與Nextg

17、沒有重合，則從Nextg處取出一個緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，將Nextg順序向后推一個 位置，需要通過V操作釋放該環(huán)。答：當需要輸入數(shù)據(jù)時，調(diào)用GetBuf （emq）過程從空閑隊列上摘下一個空緩沖 區(qū)，作為收容輸入工作緩沖區(qū)hin，輸入的數(shù)據(jù)被裝入hin中，裝滿hin后，調(diào)用PutBuf（inq， hin）過程將hin掛入輸入隊列inq中。當需要輸出數(shù)據(jù)時，調(diào)用GetBuf （outq）過程從輸出隊列上摘下一個裝滿數(shù)據(jù)的緩沖 區(qū)，作為提取輸出工作緩沖區(qū)sout，將sout中的數(shù)據(jù)提取輸出，sout的數(shù)據(jù)被提取完后，調(diào) 用PutBuf （emq， sout）過程將sout掛入空閑隊列中。答：安全分配是一種

18、“擯棄請求和保持條件”的資源分配方式。在這種方式中， 一個進程請求資源一旦獲得（比如I/O請求時獲得所需的設備），該進程就由運行狀態(tài)變?yōu)?阻塞狀態(tài)，使它不可能再請求新的資源。相反，當該進程開始運行時（比如I/O完成后被喚 醒），它已不占有資源。因此，這種分配擯棄了造成死鎖的一個條件，分配是安全的。這種 分配方式的缺點是進程推進速度慢，因為CPU與I/O是串行的。不安全的分配方式是指，進程在提出資源請求時（比如I/O請求）并不將它阻塞，而 是允許它繼續(xù)使用CPU，并提出第二次資源請求。這樣，若第二次請求的資源已被其他進 程占用使該進程被阻塞時，則該進程具備了 “請求和保持”條件，可能產(chǎn)生死鎖，因

19、而說， 這種分配是不安全的分配。答：設備獨立性又稱為設備無關性。它指的是應用程序在使用設備進行I/O時， 使用的是邏輯設備，而系統(tǒng)在實際執(zhí)行時使用的是物理設備，由操作系統(tǒng)負責邏輯設備與物 理設備的映射。引入設備獨立性可以使設備的分配具有極大的靈活性，并易于實現(xiàn)I/O重定 向。系統(tǒng)為每個進程設置一張“邏輯設備表”（LUT）。當某進程用邏輯名來請求設備時， 系統(tǒng)查閱“系統(tǒng)設備表”SDT，為它分配相應的可用物理設備。系統(tǒng)將這種用戶邏輯設備與 系統(tǒng)物理設備的映射，建立在該用戶的LUT中，并將該物理設備的驅動程序入口地址填入 LUT中。以后，該進程利用邏輯設備名請求I/O操作時，系統(tǒng)通過查找LUT即可找

20、到物理 設備及其驅動程序。SPOOLing技術實現(xiàn)了將獨占設備虛擬為多臺邏輯設備的功能。答：輸入輸出井。這是在磁盤上開辟兩個大空間，一個是輸入井，用來收容輸入 設備上的數(shù)據(jù)（模擬拖機輸入的磁盤）；另一個是輸出井，用來收容用戶進程的輸出數(shù)據(jù)（模 擬脫機輸出的磁盤）。輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)。這是內(nèi)存中開辟的兩個緩沖區(qū)，一個是輸入緩沖區(qū)，暫存 輸入設備來的數(shù)據(jù)，以后再傳送到輸入井；另一個是輸出緩沖區(qū)，暫存輸出井送來的數(shù)據(jù)， 以后傳送到輸出設備。輸入進程和輸出進程。輸入進程實現(xiàn)的是收容輸入和提取輸入。在收容輸入時，負責 將輸入設備的數(shù)據(jù)通過內(nèi)存輸入緩沖區(qū)轉存到磁盤的輸入井中；提取輸入時，負責將磁盤輸

21、入井的數(shù)據(jù)送入內(nèi)存用戶區(qū)。輸出進程實現(xiàn)的是收容輸出和提取輸出，過程與輸入過程相反。請求打印隊列。答：這項工作由SPOOLing的輸出進程來承擔，主要做三件事：在輸出井上請求一塊緩沖區(qū)，將要打印的數(shù)據(jù)送入其中。請求一張空白“用戶請求打印表”，填入打印說明信息后掛入請求打印隊列。一旦打印機空閑，就從請求打印隊列頭部取下一個請求打印表，根據(jù)表中要求將輸出 井的數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存緩沖區(qū)，由打印機輸出。答：設備驅動程序又稱設備處理程序，主要特點有：將進程的I/O請求傳送給設備控制器，并將設備控制器記錄的設備狀態(tài)、I/O完成情 況反饋給進程。設備驅動程序與設備的緊密性相關，不同的設備應配置不同的設備驅動程序。設

22、備驅動程序與I/O控制方式緊密相關，四種控制方式應當各不相同。設備驅動程序與硬件緊密相關，部分程序必須用匯編語言編寫。目前，驅動程序的基 本操作都被固化到ROM中了。答：設備驅動程序是請求I/O的進程與設備控制器之間的一個通信程序，主要功能 有：將用戶的要求轉換為具體要求。檢查用戶的合法性，了解設備狀態(tài)，根據(jù)要求傳遞參數(shù)，設置設備的工作方式。向設備控制器發(fā)I/O命令啟動設備，完成具體的I/O操作。及時響應外設的中斷請求，根據(jù)中斷類型調(diào)用相應的中斷處理程序。具有通道的控制系統(tǒng)，還要構造通道程序。答：設備驅動程序在啟動設備前做一些必要的預備工作，然后啟動設備。即：將抽象要求轉換為具體要求。檢查I/

23、O請求的合法性。讀出設備狀態(tài)并檢查。傳遞參數(shù)。設置工作方式。啟動I/O設備。答：當設備完成了 I/O之后，設備控制器向CPU發(fā)送一個中斷請求，CPU響應后即可轉向中斷處理程序。中斷處理程序的工作可分為以下幾步：喚醒等待該項I/O的進程。保護被中斷進程的CPU運行環(huán)境。分析中斷原因，轉入相應的中斷處理程序。進行中斷處理?；謴捅恢袛噙M程的現(xiàn)場。7.5考研試題精選及解析假設磁盤有100個柱面，編號099。在完成了柱面25的請求后，當前正在處理43柱面 的請求。磁盤請求的柱面按38、6、40、2、20、22、10的次序到達磁盤驅動器，尋道每移 動一個柱面需10ms，計算以下算法的總尋道時間。(1)FC

24、FS (2)最短尋道優(yōu)先(3)電梯調(diào) 度(西北工業(yè)大學2001年驅動調(diào)度題)解：此類題應注意的移動方向，目前為由里到外(小到大)。FCFS磁盤臂移動順序為：43386402-20-2210移動總數(shù)為141 故總尋道時間為1410ms最短尋道優(yōu)先磁盤臂移動順序為：4340382220106-2移動總數(shù)為29故總尋道時間為290ms電梯調(diào)度磁盤臂移動順序為：4340382220106-2移動總數(shù)為29故總尋道時間為290ms一個軟盤有40個柱面，尋道時移過每個柱面花6ms。若不采用文件塊緊密存放措施，則 邏輯上相鄰的塊平均間隔13個柱面，若采用文件塊緊密存放措施，則邏輯上相鄰的塊平均 間隔2個柱面

25、。假定讀寫時找到柱面后平均旋轉延遲時間為100ms，傳輸速率為每塊25ms， 則在此兩種情況下傳輸一個100塊的文件各需多長時間？華南理工大2001驅動調(diào)度題) 解：讀第一塊時平均移動20個柱面，需時20X6ms=120ms。平均旋轉延遲時間為100ms， 傳輸速率為每塊25ms，故讀取第一塊花時=120+100+25=245ms。不采用文件塊緊密存放措施從第二塊起每塊花時=13 X6ms+100+25=203ms，故傳輸一個100塊的文件需=245+99X 203=20342ms=20.342s。采用文件塊緊密存放措施從第二塊起每塊花時=2X6ms+100+25=137ms，故傳輸一個100

26、塊的文件需=245+99X137=20342ms=13808ms=13.808s。假如有4個記錄A、B、C、D,順序存放在磁盤的某磁道上，該磁道劃分為4塊，每塊 存放一個記錄?，F(xiàn)在要順序處理這些記錄，如果磁盤的轉速為20ms轉一周，處理程序每讀 出一個記錄后花5ms時間進行處理。試問：處理完這4個記錄需多少時間？為了縮短處理 時間應進行優(yōu)化分布，試問應如何安排這些記錄?并計算處理的總時間。(上交大1995驅動 調(diào)度題)解：優(yōu)化前順序存放A、B、C、D，處理總時間=(5+5)+ (5X3+5+5) + (5X3+5+5) + (5X 3+5+5)=85ms優(yōu)化后存放次序 A、C、B、D，處理總時間=(5+5)+ (5+5) + (5+5+5) + (5+5)=45msI/0軟件一般分為四個層次：用戶層、與設備無關的軟件層、設備驅動程序以及中斷處理 程序。試說明以下各個工作是在哪一層完成的？向設備寄存器寫命令；檢查用戶是否有權使用設備；將二進制整數(shù)轉化成ASCII碼以便打印。(北京大學2000設備管理) 解：I/O軟件層次如下層次I/O功能用戶層I/O軟件I/O 調(diào)用、I/O 格式化、SPOOLing設備無關軟件命名、保護、阻塞、