第五章習(xí)題及答案

第五章設(shè)備管理1．試闡明設(shè)備控制器的構(gòu)成。答：由設(shè)備控制器與處理機的接口，設(shè)備控制器與設(shè)備的接口與I/O邏輯構(gòu)成。2．為了實現(xiàn)CPU與設(shè)備控制器間的通信，設(shè)備控制器應(yīng)具有哪些功能？答：接受和識別命令；數(shù)據(jù)互換；標識和匯報設(shè)備狀態(tài)；地址識別；數(shù)據(jù)緩沖；差錯控制。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。一般具有許多非分派型子通道，數(shù)量從幾十到數(shù)百個，每個子通道連接一臺I/O設(shè)備，控制其I/O操作。子通道準時間片輪轉(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)，傳播速率很高，每次只容許一種設(shè)備數(shù)據(jù)。（3）數(shù)組多路通道。將數(shù)組選擇通道傳播速率高和字節(jié)多路通道的各子通道分時并行操作的長處結(jié)合而成。具有多種非分派型子通道，具有很高的數(shù)據(jù)傳播率和通道運用率。4．怎樣處理因通道局限性而產(chǎn)生的瓶頸問題？答：處理問題的有效措施是增長設(shè)備到主機間的通路而不增長通道，把一種設(shè)備連到多種控制器上，控制器又連到多種通道上，這種多通路方式處理了“瓶頸”問題，提高了系統(tǒng)可靠性，個別通道或控制器的故障不會使設(shè)備和存儲器之間沒有通路。5．試對VESA及PCI兩種總線進行比較。答：VESA總線的設(shè)計思想是以低價占領(lǐng)市場?？偩€帶寬32位，最高傳播速率132Mb/s。廣泛用于486微機。缺陷是能連接的設(shè)備數(shù)僅為2~4臺，控制器中無緩沖，難于適應(yīng)處理器速度的提高，不支持Pentium機。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)傳播和提供一致接口。管理層中配有數(shù)據(jù)緩沖，放大了線路的驅(qū)動能力，最多支持10種外設(shè)，支持高時鐘頻率的CPU運行，最大傳播速率132Mb/s?？蛇B接ISA、EISA等老式總線，又支持Pentium的64位系統(tǒng)，是基于飛躍等新一代微處理器而發(fā)展的總線。6．試闡明推進I/O控制發(fā)展的重要原因是什么？答：推進I/O控制發(fā)展的重要動力在于盡量減少主機對I/O控制的干預(yù)，把主機從繁雜的I/O控制事務(wù)中解脫出來，用更多的時間和精力去完畢其數(shù)據(jù)處理任務(wù)。同步，中斷機制在計算機系統(tǒng)中的引入、DMA控制器的出現(xiàn)和通道研制的成功使I/O控制的發(fā)展具有了技術(shù)支持和成為也許。7．有哪幾種I/O控制方式？各合用于何種場所？答：共有四種I/O控制方式。(1)程序I/O方式：初期計算機無中斷機構(gòu)，處理機對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I/O控制方式：合用于有中斷機構(gòu)的計算機系統(tǒng)中。(3)直接存儲器訪問（DMA）I/O控制方式：合用于具有DMA控制器的計算機系統(tǒng)中。(4)I/O通道控制方式：具有通道程序的計算機系統(tǒng)中。8．試闡明DMA的工作流程。答：以從磁盤讀入數(shù)據(jù)為例，闡明DMA的工作流程。當(dāng)CPU要從磁盤讀入數(shù)據(jù)塊時，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中。同步還發(fā)送本次要讀入數(shù)據(jù)的內(nèi)存起始目的地址，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DMA控制器傳送數(shù)據(jù)，后來CPU便處理其他任務(wù)。整個數(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．引入緩沖的重要原因是什么？答：引入緩沖的重要原因是：（1）緩和CPU與I/O設(shè)備間速度不匹配的矛盾（2）減少對CPU的中斷頻率，放寬對中斷響應(yīng)時間的限制（3）提高CPU與I/O設(shè)備之間的并行性10．在單緩沖狀況下，為何系統(tǒng)對一塊數(shù)據(jù)的處理時間為max（C,T）+M?答：在塊設(shè)備輸入時，先從磁盤把一塊數(shù)據(jù)輸入到緩沖區(qū)，耗時為T；然后由操作系統(tǒng)將緩沖區(qū)數(shù)據(jù)送給顧客區(qū)，耗時M；接下來由CPU對塊數(shù)據(jù)進行計算，耗時C。在單緩沖狀況下，磁盤把數(shù)據(jù)輸入到緩沖區(qū)的操作和CPU對數(shù)據(jù)的計算過程可以并行展開，因此系統(tǒng)對每一整塊數(shù)據(jù)的處理時間為max(C,T)+M。11．為何在雙緩沖狀況下，系統(tǒng)對一塊數(shù)據(jù)的處理時間為max（T,C）?答：寫入者花費時間T將數(shù)據(jù)寫滿一種緩沖區(qū)后再寫另一種緩沖區(qū)；讀出者花費時間M將一種緩沖區(qū)數(shù)據(jù)送到顧客區(qū)后再傳送另一種緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，計算者讀出顧客區(qū)數(shù)據(jù)進行處理。由于將數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)傳到顧客區(qū)操作必須與讀顧客區(qū)數(shù)據(jù)處理串行進行，并且可以與從外存?zhèn)魉蛿?shù)據(jù)填滿緩沖區(qū)的操作并行。因此耗時大概為max(C+M,T)。考慮M是內(nèi)存數(shù)據(jù)塊的移動耗時非常短暫可以省略，因此近似地認為系統(tǒng)對一塊數(shù)據(jù)處理時間為max(C,T)。12．試繪圖闡明把多緩沖用于輸出時的狀況。答：多緩沖用于輸出的示意圖如下：13．試闡明收容輸入工作緩沖區(qū)和提取輸出工作緩沖區(qū)的工作狀況。答：①收容輸入工作緩沖區(qū)的工作狀況為：在輸入進程需要輸入數(shù)據(jù)時，調(diào)用GetBuf(EmptyQueue)過程，從EmptyQueue隊列的隊首摘下一種空緩沖區(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)掛在輸入隊列InputQueue的隊尾。②提取輸出工作緩沖區(qū)的工作狀況為：當(dāng)要輸出數(shù)據(jù)時，調(diào)用GetBuf(OutputQueue)過程，從輸出隊列的隊首獲得一裝滿輸出數(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)掛到空緩沖隊列EmptyQueue的隊尾。14．何謂安全分派方式和不安全分派方式？答：①安全分派方式是指每當(dāng)進程發(fā)出I/O祈求后，便進入阻塞狀態(tài)，直到其I/O操作完畢時才被喚醒。在采用這種分派方略時，一旦進程已獲得某種設(shè)備資源后便阻塞，使它不也許再祈求任何資源，而在它運行時又不保持任何資源。這種分派方式已經(jīng)摒棄了導(dǎo)致死鎖的“祈求和保持”條件，分派是安全的。缺陷是進程進展緩慢，CPU與I/O設(shè)備串行工作。②不安全分派方式是指進程發(fā)出I/O祈求后仍繼續(xù)執(zhí)行，需要時又可發(fā)出第二個I/O祈求、第三個I/O祈求。僅當(dāng)進程祈求的設(shè)備已被另一種進程占有時，進程才進入阻塞狀態(tài)。長處是一種進程可同步操作多種設(shè)備，進程推進迅速。缺陷是分派不安全，也許具有“祈求和保持”條件，也許導(dǎo)致死鎖。因此，在設(shè)備分派程序中需增長一種功能，用于對本次的設(shè)備分派與否會發(fā)生死鎖進行安全性計算，僅當(dāng)計算成果表明分派安全的狀況下才進行分派。15．為何要引入設(shè)備獨立性？怎樣實現(xiàn)設(shè)備獨立性？答：現(xiàn)代操作系統(tǒng)為了提高系統(tǒng)的可適應(yīng)性和可擴展性，都實現(xiàn)了設(shè)備獨立性或設(shè)備無關(guān)性?；竞x是應(yīng)用程序獨立于詳細使用的物理設(shè)備，應(yīng)用程序以邏輯設(shè)備名祈求使用某類設(shè)備。實現(xiàn)了設(shè)備獨立性功能可帶來兩方面的好處：（1）設(shè)備分派時的靈活性；（2）易于實現(xiàn)I/O重定向。為了實現(xiàn)設(shè)備的獨立性，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)備名祈求使用某類設(shè)備；系統(tǒng)執(zhí)行時是使用物理設(shè)備名。鑒于驅(qū)動程序是與硬件或設(shè)備緊密有關(guān)的軟件，必須在驅(qū)動程序之上設(shè)置一層設(shè)備獨立性軟件，執(zhí)行所有設(shè)備的公有操作、完畢邏輯設(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）并向顧客層（或文獻層）軟件提供統(tǒng)一接口，從而實現(xiàn)設(shè)備的獨立性。16．在考慮到設(shè)備的獨立性時，應(yīng)怎樣分派獨占設(shè)備？答：在考慮到設(shè)備的獨立性時，應(yīng)按如下環(huán)節(jié)來分派獨占設(shè)備：(1)進程以邏輯設(shè)備名提出I/O祈求。(2)根據(jù)邏輯設(shè)備表獲得I/O祈求的邏輯設(shè)備對應(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，找到屬于祈求類型、空閑可用且分派安全設(shè)備的設(shè)備控制表，將對應(yīng)設(shè)備分派給祈求進程；未找到則等待等待喚醒和分派。(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)字段判斷與否忙碌，忙則等待；否則將該控制器分派給進程。(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，判斷通道與否忙碌，忙則等待；否則將該通道分派給進程。(6)只有在設(shè)備、控制器和通道三者都分派成功時，這次的設(shè)備分派才算成功，然后便可啟動設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳送。17．何謂設(shè)備虛擬？實現(xiàn)設(shè)備虛擬時所依賴的關(guān)鍵技術(shù)是什么？答：設(shè)備虛擬是指把獨占設(shè)備通過某種技術(shù)處理改導(dǎo)致虛擬設(shè)備?？商摂M設(shè)備是指一臺物理設(shè)備在采用虛擬技術(shù)后，可變成多臺邏輯上的虛擬設(shè)備，則可虛擬設(shè)備是可共享的設(shè)備，將它同步分派給多種進程使用，并對這些訪問該物理設(shè)備的先后次序進行控制。18．試闡明SPOOLing系統(tǒng)的構(gòu)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)、輸入進程SPi和輸出進程SPo三部分構(gòu)成。19．在實現(xiàn)后臺打印時，SPOOLing系統(tǒng)應(yīng)為祈求I/O的進程提供哪些服務(wù)？答：在實現(xiàn)后臺打印時，SPOOLing系統(tǒng)應(yīng)為祈求I/O的進程提供如下服務(wù)：（1）由輸出進程在輸出井中申請一空閑盤塊區(qū)，并將要打印的數(shù)據(jù)送入其中；（2）輸出進程為顧客進程申請空白顧客打印表，填入打印規(guī)定，將該表掛到祈求打印隊列。（3）一旦打印機空閑，輸出進程便從祈求打印隊列的隊首取出一張祈求打印表，根據(jù)表中規(guī)定將要打印的數(shù)據(jù)從輸出井傳送到內(nèi)存緩沖區(qū)，再由打印機進行打印。20．試闡明設(shè)備驅(qū)動程序具有哪些特點。答：設(shè)備驅(qū)動程序具有如下特點：（1）是祈求I/O進程與設(shè)備控制器間的一種通信程序；（2）驅(qū)動程序與I/O設(shè)備的特性緊密有關(guān)；（3）驅(qū)動程序與I/O控制方式緊密有關(guān)；（4）驅(qū)動程序與硬件緊密有關(guān)，部分程序用匯編語言書寫，基本部分往往固化在ROM中。21．試闡明設(shè)備驅(qū)動程序應(yīng)具有哪些功能？答：設(shè)備驅(qū)動程序的重要功能包括：（1）將接受到的抽象規(guī)定轉(zhuǎn)為詳細規(guī)定；（2）檢查顧客I/O祈求合法性，理解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，啟動分派到的I/O設(shè)備，完畢指定I/O操作；（4）及時響應(yīng)由控制器或通道發(fā)來的中斷祈求，根據(jù)中斷類型調(diào)用對應(yīng)中斷處理程序處理；（5）對于有通道的計算機，驅(qū)動程序還應(yīng)當(dāng)根據(jù)顧客I/O祈求自動構(gòu)成通道程序。22.設(shè)備中斷處理程序一般需完畢哪些工作？答：設(shè)備中斷處理程序一般需完畢如下工作：(1)喚醒被阻塞的驅(qū)動程序進程；(2)保護被中斷進程的CPU環(huán)境；(3)分析中斷原因、轉(zhuǎn)入對應(yīng)的設(shè)備中斷處理程序；(4)進行中斷處理；(5)恢復(fù)被中斷進程。23.磁盤訪問時間由哪幾部分構(gòu)成？每部分時間應(yīng)怎樣計算？答：磁盤訪問時間由尋道時間Ts、旋轉(zhuǎn)延遲時間Tr、傳播時間Tt三部分構(gòu)成。（1）Ts是啟動磁臂時間s與磁頭移動n條磁道的時間和，即Ts=m×n+s。（2）Tr是指定扇區(qū)移動到磁頭下面所經(jīng)歷的時間。硬盤15000r/min時Tr為2ms;軟盤300或600r/min時Tr為50~100ms。（3）Tt是指數(shù)據(jù)從磁盤讀出或向磁盤寫入經(jīng)歷的時間。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/rN。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)先考慮進程祈求訪問磁盤的先后次序；(2)最短尋道時間優(yōu)先算法優(yōu)先考慮規(guī)定訪問的磁道與目前磁頭所在磁道距離與否近來；(3)掃描算法考慮欲訪問的磁道與目前磁道間的距離，更優(yōu)先考慮磁頭目前的移動方向。25.為何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速度遠低于內(nèi)存的訪問速度，一般低上4-6個數(shù)量級。因此，磁盤I/O已成為計算機系統(tǒng)的瓶頸。為提高磁盤I/O的速度，便引入了磁盤高速緩沖。磁盤高速緩沖是指運用內(nèi)存中的存儲空間，暫存從磁盤中讀出的一系列盤塊中的信息。26.在設(shè)計磁盤高速緩沖時，怎樣實現(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)傳給祈求進程。當(dāng)進程祈求訪問某個盤塊中的數(shù)據(jù)時，由關(guān)鍵先查看磁盤高速緩沖，看其中與否存在所需盤塊數(shù)據(jù)的拷貝。若有便直接從中提取數(shù)據(jù)交付給祈求進程，防止了訪盤操作，本次訪問速度提高4-6個數(shù)量級；否則先從磁盤中將要訪問的數(shù)據(jù)讀入并交付給祈求者進程，同步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：提前讀是指在讀目前盤塊的同步，將下一種也許要訪問的盤塊數(shù)據(jù)讀入緩沖區(qū)，以便需要時直接從緩沖區(qū)中讀取，無需啟動磁盤。延遲寫是指在寫盤塊時，將對應(yīng)緩沖區(qū)中的立即寫數(shù)據(jù)臨時不立即寫以備很快之后再被訪問，只將它置上“延遲寫”標志并掛到空閑緩沖隊列的末尾。當(dāng)移到空閑緩沖隊首并被分派出去時，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列中，任何規(guī)定訪問都可直接從