操作系統(tǒng)原理與實踐教程(第四版)習題及答案 第8章

第8章設備管理簡單敘述設備管理的任務和功能。答：設備管理的主要任務包括：響應用戶進程提出的I/O請求，選擇和分配I/O設備進行數(shù)據(jù)傳輸操作。控制I/O設備和CPU(或內存)之間進行數(shù)據(jù)交換，提高設備和設備之間、CPU和設備之間以及進程和進程之間的并行操作度，提高CPU與I/O設備的利用率，提高I/O設備的速度。方便用戶使用設備，為用戶提供友好的透明接口，把用戶和設備硬件特性分開，使得用戶在編寫應用程序時不必涉及具體的設備，系統(tǒng)按照用戶的要求控制設備工作。另外，這個接口還為新增加的用戶設備提供一個和系統(tǒng)核心相連接的入口，以便用戶開發(fā)新的設備管理程序。為了完成上述任務，設備管理應具有下述功能：設備分配:計算機系統(tǒng)中的設備不允許用戶直接使用，而是由操作系統(tǒng)統(tǒng)一分配和控制。設備分配的基本任務是根據(jù)用戶進程的I/O請求及系統(tǒng)當前的I/O資源情況，按照某種設備分配算法為用戶進程分配所需的設備。緩沖管理:為緩和CPU和I/O設備間速度不匹配的矛盾，提高CPU與I/O設備之間以及各設備之間的并行性，現(xiàn)代操作系統(tǒng)都引入了緩沖技術。設備驅動:設備驅動是指對物理設備進行控制，實現(xiàn)真正的I/O操作。設備驅動的基本任務是實現(xiàn)CPU與設備控制器之間的通信，即接收由CPU發(fā)來的I/O命令，如讀/寫命令，轉換為具體要求后，傳給設備控制器，啟動設備去執(zhí)行；同時也將由設備控制器發(fā)來的信號傳送給CPU，如設備是否完好、是否準備就緒、I/O操作是否已完成等，并進行相應的處理。簡單比較一下各種I/O控制方式的優(yōu)缺點。答：I/O控制方式有四種，即程序直接控制方式、中斷控制方式、DMA方式和通道控制方式。它們各自的優(yōu)缺點敘述如下：程序直接控制方式。優(yōu)點是控制簡單，不需要很多硬件支持。但CPU和外設之間只能串行工作，且CPU的大部分時間處于循環(huán)測試狀態(tài)，這使得CPU的利用率大大降低；CPU在一段時間內只能和一臺外設交換數(shù)據(jù)信息，從而不能實現(xiàn)設備之間的并行工作；由于程序直接控制方式依靠測試設備狀態(tài)標志來控制數(shù)據(jù)傳送，因此無法發(fā)現(xiàn)和處理因設備或其它硬件所產生的錯誤。所以，程序直接控制方式只適用于那些CPU執(zhí)行速度較慢且外設較少的系統(tǒng)。中斷控制方式。優(yōu)點是能實現(xiàn)CPU與設備、設備與設備間的并行操作，CPU的利用率較程序直接控制方式大大提高。但I/O控制器的數(shù)據(jù)緩沖寄存器通常較小，且數(shù)據(jù)緩沖寄存器裝滿數(shù)據(jù)后將會發(fā)出中斷，因此一次數(shù)據(jù)傳送過程中中斷次數(shù)較多，耗去了大量CPU時間；如果系統(tǒng)中配置的外設數(shù)目較多，且都以中斷方式進行控制，則將耗去大量CPU時間或因CPU來不及處理而造成數(shù)據(jù)丟失。DMA方式。與中斷方式相比，DMA方式的優(yōu)點是在一批數(shù)據(jù)傳送完成后中斷CPU，從而大大減少了CPU進行中斷處理的次數(shù)，并且DMA方式下的數(shù)據(jù)傳送是在DMA控制器控制下完成的，在數(shù)據(jù)傳輸過程中無需CPU干預。但DMA方式仍有一定的局限，如對外設的管理和某些操作仍由CPU控制，且多個DMA控制器的使用也不經濟。通道控制方式。通道是一個專管輸入/輸出控制的處理機。在通道控制方式下，CPU只需發(fā)出I/O指令，通道就能完成相應的I/O操作，并在操作結束時向CPU發(fā)出中斷信號。由此可見，CPU僅在I/O操作開始和結束時花極短的時間處理與I/O操作有關的事宜，其余時間都與通道并行工作，此外一個通道還能控制多臺外設。但是，通道價格較高，從經濟的角度出發(fā)不宜過多使用。為什么要引入緩沖技術，其基本實現(xiàn)思想是什么？答：緩沖技術是用來在兩種不同速度的設備之間傳輸信息時平滑傳輸過程的常用手段。在操作系統(tǒng)的設備管理中，引入緩沖技術的主要原因可歸結為以下幾點。緩解CPU和I/O設備間速度不匹配的矛盾。減少對CPU的中斷頻率。提高CPU和I/O設備之間的并行性。緩沖技術的實現(xiàn)思想是在CPU和外設之間設立緩沖，用以暫存CPU和外設之間交換的數(shù)據(jù)，從而緩和CPU與外設速度不匹配所產生的矛盾。緩沖的實現(xiàn)方法有兩種：一種實現(xiàn)方法是采用硬件緩沖器，但由于這種方法成本太高，除一些關鍵部位外，一般情況下不采用硬件緩沖器；另一種實現(xiàn)方法是在內存劃出一塊存儲區(qū)，專門用來臨時存放輸入/輸出數(shù)據(jù)，這個區(qū)域稱為緩沖區(qū)。4.什么是SPOOLing系統(tǒng)，如何利用SPOOLing系統(tǒng)實現(xiàn)打印機的虛擬分配？答：SPOOLing是外圍設備同時聯(lián)機操作，又稱為假脫機輸入/輸出操作。SPOOLing技術可將一臺物理I/O設備虛擬為多臺邏輯I/O設備，從而允許多個用戶共享一臺物理I/O設備。SPOOLing技術是對脫機輸入、輸出系統(tǒng)的模擬，因此，它必須建立在具有多道程序輸入和輸出井：這是在磁盤上開辟的兩個大存儲空間。輸入井是模擬脫機輸入時的磁盤設備，用于暫存I/O設備輸入的數(shù)據(jù)；輸出井是模擬脫機輸出的磁盤，用于暫存用戶程序的輸出數(shù)據(jù)。輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)：為了緩和CPU和磁盤之間速度不匹配的矛盾，在內存中開辟兩個緩沖區(qū)：輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)。輸入緩沖區(qū)用于暫存由輸入設備送來的數(shù)據(jù)，以后再傳送到輸入井；輸出緩沖區(qū)則用于暫存從輸出井送來的數(shù)據(jù)，以后再傳送給輸出設備。輸入進程和輸出進程：SPOOLing利用兩個進程來模擬脫機I/O時的外圍控制機。其中，輸入進程模擬脫機輸入時的外圍控制機，將用戶要求的數(shù)據(jù)從輸入機通過輸入緩沖區(qū)再送到輸入井，當CPU需要輸入數(shù)據(jù)時，直接從輸入井中讀到內存；輸出進程模擬脫機輸出時的外圍控制機，把用戶要求輸出的數(shù)據(jù)，先從內存送到輸出井，待輸出設備空閑時，再將輸出井中的數(shù)據(jù)經過輸出緩沖區(qū)送到輸出設備上。5.簡單描述I/O軟件的設計原則以及各層的功能。答：I/O軟件設計時主要考慮以下幾個問題：設備無關性。對于I/O系統(tǒng)中許多種類不同的設備，作為程序員，只需要知道如何使用這些資源來完成所需要的操作，而無需了解設備的有關具體實現(xiàn)細節(jié)。例如，應用程序訪問文件時，不必考慮它是存儲在硬盤、軟盤，還是CD-ROM上。對于管理軟件，也無需因為I/O設備變化，而重新編寫涉及設備管理的程序。統(tǒng)一命名。要實現(xiàn)設備的無關性，其中一項重要的工作就是如何給I/O設備命名。不同的操作系統(tǒng)有不同的命名規(guī)則，一般而言，是在系統(tǒng)中對各類設備采取預先設計的、統(tǒng)一的邏輯名稱進行命名，所有軟件都以邏輯名稱訪問設備。這種統(tǒng)一命名與具體設備無關，即同一邏輯設備的名稱，在不同的情況下可能對應于不同的物理設備。出錯處理。錯誤多數(shù)是與設備緊密相關的，因此對于錯誤的處理，應該在盡可能靠近硬件的地方處理，在底層軟件能夠解決的錯誤就不要讓高層軟件感知，只有底層軟件解決不了的錯誤才通知高層軟件解決。緩沖技術。由于CPU與I/O設備之間的速度差異，需要使用緩沖技術。對于不同類型的設備，其緩沖區(qū)的大小是不一樣的，塊設備的緩沖是以數(shù)據(jù)塊為單位，而字符設備的緩沖則以字節(jié)為單位。因此，I/O軟件應能屏蔽這種差異，向高層軟件提供統(tǒng)一大小的數(shù)據(jù)塊或字符單元，使得高層軟件能夠只與邏輯塊大小一致的抽象設備進行交互。設備的分配和釋放。對于系統(tǒng)中的共享設備，如磁盤等，可以同時為多個用戶服務。對于共享設備，應該允許多個進程同時對其提出I/O請求。對于獨占設備，如鍵盤和打印機等，在某一段時間只能供一個用戶使用，對其分配和釋放不當，將引起混亂，甚至死鎖。對于獨占設備和共享設備帶來的許多問題，I/O軟件必須能夠同時進行妥善地解決。I/O控制方式。針對具有不同傳輸速率的設備，綜合系統(tǒng)效率和系統(tǒng)代價等因素，合理選擇I/O控制方式，如像打印機等低速設備應采用中斷驅動方式，而對磁盤等高速設備則采用DMA控制方式等，以提高系統(tǒng)的利用率。為方便用戶，I/O軟件應能屏蔽這種差異，向高層軟件提供統(tǒng)一的操作接口。操作系統(tǒng)通常把I/O軟件組織成如下4個層次。I/O中斷處理程序。用于保存被中斷進程的CPU環(huán)境，轉入相應的中斷處理程序進行處理，處理完后再恢復被中斷進程的現(xiàn)場，然后返回到被中斷進程。設備驅動程序。與硬件直接相關，負責具體實現(xiàn)系統(tǒng)對設備發(fā)出的操作指令，驅動I/O設備工作的驅動程序。設備無關軟件。負責實現(xiàn)與設備驅動器的統(tǒng)一接口、設備命名、設備的保護以及設備的分配與釋放等，同時為設備管理和數(shù)據(jù)傳送提供必要的存儲空間。用戶層I/O軟件。實現(xiàn)與用戶交互的接口，用戶可直接調用在用戶層提供的、與I/O操作有關的庫函數(shù)，對設備進行操作。為什么要引入設備獨立性，如何實現(xiàn)設備獨立性？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即可找到物理設備及其驅動程序。設備分配中會出現(xiàn)死鎖嗎，為什么？答：設備分配中會出現(xiàn)死鎖。因為在不安全分配方式中，進程在發(fā)出I/O請求后仍繼續(xù)運行，需要時則可以發(fā)出第二個、第三個I/O請求等。僅當進程所請求的設備已被另一個進程占用時，請求進程才進入阻塞狀態(tài)。這種分配方式的優(yōu)點是，一個進程可同時使用多個設備，使進程推進迅速。其缺點是分配不安全，因為它可能具備“請求和保持”條件，從而可能造成死鎖。因此，在設備分配時，還應對本次的設備分配是否會發(fā)生死鎖進行安全性檢查，僅當分配是安全的情況下才可以進行設備分配。試說明DMA的工作流程。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、一個內存地址碼給DMA的內存地址寄存器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轉其它任務處理。DMA控制器負責控制數(shù)據(jù)在內存與外存之間傳送。每傳送一個字節(jié)就需挪用一個內存周期，按MAR從內存讀出或寫入內存一個字節(jié)，修改MAR和計數(shù)器DC。當DC修改為0時，表示傳送結束，由DMA向CPU發(fā)出中斷請求。什么是中斷，簡單敘述中斷的處理過程？答：中斷是指計算機在執(zhí)行期間，系統(tǒng)內發(fā)生任何非尋常的或非預期的急需處理事件，使得CPU暫時中斷當前正在執(zhí)行的程序而轉去執(zhí)行相應的事件處理程序，待處理完中斷程序之后又返回原來被中斷處繼續(xù)執(zhí)行或調度新進程的過程。中斷處理的過程如下：首先，CPU檢查響應中斷的條件是否滿足。CPU響應中斷的條件是：有來自于中斷源的中斷請求、CPU允許中斷。如果中斷響應條件不滿足，則中斷處理無法進行。如果CPU響應中斷，則CPU關中斷，使其進入不可再次響應中斷的狀態(tài)。保存被中斷進程的現(xiàn)場。為了在中斷處理結束后能使進程正確地返回到中斷點，系統(tǒng)必須保存當前處理機狀態(tài)字PSW和程序計數(shù)器PC等的值。這些值一般保存在特定堆?；蛴布拇嫫髦小７治鲋袛嘣?，調用中斷處理子程序。在多個中斷請求同時發(fā)生時，處理優(yōu)先級最高的中斷。執(zhí)行中斷處理子程序。對陷阱來說，在有些系統(tǒng)中則是通過陷阱指令向當前執(zhí)行進程發(fā)出軟中斷信號后調用相應的處理子程序。退出中斷，恢復被中斷進程的現(xiàn)場或調度新進程占據(jù)處理機。開中斷，CPU繼續(xù)執(zhí)行。試說明設備驅動程序應完成哪些功能？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。什么是設備的安全分配方式和不安全分配方式？答：安全分配是一種“擯棄請求和保持條件”的資源分配方式。在這種方式中，一個進程一旦獲得請求資源，該進程就由運行狀態(tài)變?yōu)樽枞麪顟B(tài)，使它不可能再請求新的資源。相反，當該進程開始運行時(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和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系統(tǒng)不做任何檢查，將資源分配給它，當它再提出第2個資源請求時，若請求的資源已被其它進程占用，該進程不得不被阻塞等待，那么我們說該進程具備了“請求和保持”的條件。具備這種條件的進程可能產生死鎖，因此說，這種分配是不安全的分配。I/O軟件一般分為4個層次：用戶層I/O軟件、設備無關軟件、設備驅動程序、I/O中斷處理程序。請說明下列工作各由哪一層I/O軟件來完成：①為了讀盤，計算磁道、扇區(qū)和磁頭；②維護最近使用的盤塊所對應的緩沖區(qū)；③把命令寫到設備寄存器中；④檢查用戶使用設備的權限；⑤把二進制整數(shù)轉換成ASCⅡ碼并打印。答：①、③、④和⑤屬于設備驅動程序的職責，②屬于設備無關軟件層的職責，13.在某個系統(tǒng)的某個運行時刻，有如下表示的磁盤訪問的請求序列，假設磁頭當前在15柱面，磁臂方向為從小到大。15、20、9、16、24、13、29請給出最短查找時間優(yōu)先算法和電梯調度算法的柱面移動數(shù)，并分析為何通常情況下，操作系統(tǒng)并不采用效率更高的最短查找時間優(yōu)先算法。答：（1）按照最短查找時間優(yōu)先算法，柱面的訪問次序是：15、16、13、9、20、24、29令磁臂移動方向從小到大為正向，從大到小的方向為反向，那么，最短查找時間優(yōu)先算法的柱面移動次數(shù)為：1+|-3|+|-4|+11+4+5=28。（2）按照電梯調度算法，柱面的訪問次序是：15、16、20、24、29、13、9電梯調度算法的柱面移動數(shù)為：1+4+4+5+|-16|+|-4|=34。（3）從本題給的例子看，最短查找時間優(yōu)先算法比電梯調度算法的柱面移動數(shù)少6。因此說前者的效率更高一些。但是，由于磁頭在訪問操作中，可能不斷有新的柱面請求加入，使磁頭忙于應付一些距離較近的柱面請求，冷落了對遠距離柱面的響應。長此以往，將可能造成某些遠距離柱面處于“饑餓”狀態(tài)。這就是通常情況下操作系統(tǒng)并不采用最短查找時間優(yōu)先算法的原因。14.假設有A、B、C和D四個記錄存放在磁盤的某個磁道上。該磁道分成4塊，每塊存放一個記錄，其布局如下：塊號1234記錄號ABCD現(xiàn)在要順序處理這些記錄，如果磁盤旋轉速度為20ms轉一周，處理程序每讀出一個記錄后花5ms的時間進行處理。試問處理完這4個記錄的總時間是多少？為了縮短時間，應該如何優(yōu)化分布，優(yōu)化后的處理時間是多少？答：由題分析可知，讀出一個扇區(qū)的時間為5ms(也就是盤片旋轉一周的1/4)，處理的時間也為5ms。系統(tǒng)處理完記錄A后要讀記錄B必須等待磁盤旋轉3個扇區(qū)。因此系統(tǒng)處理完記錄B需要耗時35+5+5=25ms。其它記錄的讀出與處理耗時皆如此分析，則優(yōu)化前總處理耗時T1為：T1=(5+5)+(53+5+5)+(53