操作系統(tǒng) 習(xí)題及答案 第七章 設(shè)備管理

第七章設(shè)備管理習(xí)題1．設(shè)備管理的目標(biāo)和功能是什么？目標(biāo)：在馮·諾依曼體系的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，輸入輸出設(shè)備的種類極其繁多，傳輸速度不同，接口方式不同，它們的功能和性能存在著較大的差異。所以在操作系統(tǒng)中要為用戶建立一個(gè)通用的、一致的設(shè)備訪問接口，屏蔽每種設(shè)備各自的特性差異，使用戶和應(yīng)用程序開發(fā)人員能夠方便地使用輸入輸出設(shè)備。功能：銜接CPU和I/O設(shè)備之間的性能差距；實(shí)現(xiàn)設(shè)備的統(tǒng)一管理，提供簡(jiǎn)單易用的訪問接口；保證設(shè)備使用過(guò)程中（例如數(shù)據(jù)傳輸）的安全性。2．解釋設(shè)備的絕對(duì)號(hào)與相對(duì)號(hào)。為了對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中配置的各種不同類型的外部設(shè)備進(jìn)行管理，系統(tǒng)為每一臺(tái)設(shè)備確定一個(gè)編號(hào)，以便區(qū)分和識(shí)別，這個(gè)確定的編號(hào)稱為設(shè)備的“絕對(duì)號(hào)”。在多道程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，用戶并不知道哪臺(tái)設(shè)備被占用了，哪臺(tái)設(shè)備是空閑的，因此，在一般情況下用戶不直接使用設(shè)備的絕對(duì)號(hào)。需要使用設(shè)備時(shí)，用戶向系統(tǒng)申請(qǐng)所要使用的設(shè)備類型。至于實(shí)際使用哪一臺(tái)，由系統(tǒng)根據(jù)該類設(shè)備的分配情況來(lái)決定。有時(shí)用戶可能要求同時(shí)使用幾臺(tái)同類設(shè)備，為了避免使用時(shí)的混亂，用戶可以把自己要求使用的若干臺(tái)類設(shè)備給出編號(hào)，由用戶在程序中定義的設(shè)備編號(hào)稱設(shè)備的“相對(duì)號(hào)”。3．用戶程序中采用“設(shè)備類、相對(duì)號(hào)”的方式來(lái)使用設(shè)備有什么優(yōu)點(diǎn)？系統(tǒng)在為用戶分配具體設(shè)備的同時(shí)，建立設(shè)備的“絕對(duì)號(hào)”與用戶使用的“設(shè)備類、相對(duì)號(hào)”的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這種分配方式使設(shè)備分配的適應(yīng)性好、靈活性強(qiáng)，因?yàn)椋合到y(tǒng)只需要從指定的某一類設(shè)備中提供“好的且尚未分配的”設(shè)備來(lái)進(jìn)行分配，而如果分配給用戶的設(shè)備出了故障，系統(tǒng)可以從同類設(shè)備中找另一臺(tái)“好的且尚未分配的”設(shè)備替換，相比于用戶直接指定絕對(duì)號(hào)的方式，用戶的申請(qǐng)更容易得到滿足，且發(fā)生設(shè)備故障時(shí)系統(tǒng)能夠靈活地替換設(shè)備，將用戶編程時(shí)的邏輯設(shè)備與程序?qū)嶋H執(zhí)行時(shí)的物理設(shè)備區(qū)分開來(lái)。4．為什么提出“設(shè)備的獨(dú)立性”的概念？實(shí)現(xiàn)設(shè)備獨(dú)立性的好處是什么？為了提高設(shè)備管理軟件的設(shè)計(jì)效率以及可移植性，提出了“設(shè)備的獨(dú)立性”的概念。I/O軟件獨(dú)立于設(shè)備，就可以提高設(shè)備管理軟件的設(shè)計(jì)效率，當(dāng)輸入輸出設(shè)備更新時(shí)，沒有必要重新編寫全部I/O軟件。例如，一些操作系統(tǒng)中，只要安裝了相對(duì)應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，就可以很方便地安裝好新的輸入輸出設(shè)備。甚至不必重新編譯操作系統(tǒng)就能將設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序移到他處執(zhí)行。5．什么是設(shè)備的靜態(tài)分配方式？什么是設(shè)備的動(dòng)態(tài)分配方式？各有什么特點(diǎn)？靜態(tài)分配方式是在用戶作業(yè)開始執(zhí)行前，由系統(tǒng)一次分配該作業(yè)所要求的全部設(shè)備、控制器（和通道）。一旦分配之后，這些設(shè)備、控制器（和通道）就一直為該作業(yè)所占用，直到該作業(yè)被撤銷。動(dòng)態(tài)分配在進(jìn)程執(zhí)行過(guò)程中根據(jù)執(zhí)行需要進(jìn)行。當(dāng)進(jìn)程需要設(shè)備時(shí)，通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用命令向系統(tǒng)提出設(shè)備請(qǐng)求，由系統(tǒng)按照事先規(guī)定的策略給進(jìn)程分配所需要的設(shè)備、I/O控制器（和通道），一旦用完之后，便立即釋放。靜態(tài)分配方式是安全分配方式，不會(huì)出現(xiàn)死鎖，但設(shè)備的使用效率低。因此，靜態(tài)分配方式并不符合分配的總原則。動(dòng)態(tài)分配方式有利于提高設(shè)備的利用率，但如果分配算法使用不當(dāng)，則有可能造成進(jìn)程死鎖。6．CPU與外部設(shè)備之間有幾種輸入/輸出控制方式？它們各自的特點(diǎn)是什么？四種I/O控制方式：程序控制方式；中斷控制方式；DMA控制方式和通道控制方式。程序控制方式指用戶進(jìn)程直接控制處理器進(jìn)行內(nèi)存和外部設(shè)備之間信息傳送的方式，也即是“忙-等待”方式/輪詢方式/循環(huán)測(cè)試方式，該方式的控制者是用戶進(jìn)程，CPU會(huì)在等待時(shí)不斷測(cè)試設(shè)備狀態(tài)寄存器是否為完成狀態(tài)。該方式的優(yōu)點(diǎn)為硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且CPU和外設(shè)的操作能夠通過(guò)狀態(tài)信息得到同步，缺點(diǎn)是CPU的效率低，因?yàn)檎麄€(gè)傳輸都完全在CPU控制下完成，所以對(duì)外部出現(xiàn)的異常事件無(wú)實(shí)時(shí)響應(yīng)能力，一般該方式只適用于慢速CPU且外部設(shè)備較少的系統(tǒng)（如單片機(jī)）。中斷控制方式指在發(fā)生了一個(gè)異常事件時(shí)調(diào)用相應(yīng)處理程序（中斷服務(wù)程序）進(jìn)行服務(wù)，這種情況下，中斷源通過(guò)向CPU發(fā)出一個(gè)中斷，使CPU在合適的時(shí)機(jī)（當(dāng)前指令執(zhí)行完且狀態(tài)為允許中斷的情況下）響應(yīng)該請(qǐng)求，轉(zhuǎn)到相應(yīng)的中斷服務(wù)程序入口處，由軟件完成中斷服務(wù)。該方式的優(yōu)點(diǎn)是，CPU與外設(shè)大部分時(shí)間內(nèi)并行工作，提高了效率；同時(shí)具有實(shí)時(shí)響應(yīng)能力，外部中斷源處于主動(dòng)地位，也能及時(shí)處理異常情況，提高計(jì)算機(jī)可靠性。但這種方式需要CPU和設(shè)備控制器具備中斷機(jī)構(gòu)：CPU能夠識(shí)別中斷請(qǐng)求并具備多種響應(yīng)能力，設(shè)備控制器需要能夠鎖存外設(shè)中斷請(qǐng)求以及屏蔽本級(jí)中斷請(qǐng)求（中斷請(qǐng)求觸發(fā)器和中斷屏蔽觸發(fā)器）。DMA控制方式：DMA是直接內(nèi)存訪問，完全由硬件執(zhí)行I/O數(shù)據(jù)交換，DMA控制器從CPU完全接管對(duì)總線的控制，數(shù)據(jù)交換不經(jīng)過(guò)CPU，直接在內(nèi)存和外部設(shè)備之間進(jìn)行，最后以中斷的方式向CPU報(bào)告?zhèn)魉筒僮鞯慕Y(jié)束。相比于中斷方式中每處理一次I/O數(shù)據(jù)交換都會(huì)耗去一定CPU處理時(shí)間，所以對(duì)于高速的外部設(shè)備以及成組大量數(shù)據(jù)交換的情況，仍然顯得速度太慢，所以采用了DMA方式。DMA的優(yōu)點(diǎn)在于操作由硬件電路實(shí)現(xiàn)，傳輸速度快，且CPU只在初始化和結(jié)束時(shí)參與，對(duì)數(shù)據(jù)傳送基本不干預(yù)，減少大批量數(shù)據(jù)傳輸時(shí)CPU的開銷，并行工作的CPU效率高。通道控制方式：通道是具有特殊功能的處理器，有自己的指令和程序，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)外部設(shè)備的統(tǒng)一管理和外部設(shè)備與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳送，進(jìn)一步減少數(shù)據(jù)輸入輸出對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行效率的影響，比DMA更進(jìn)一步增加了各種操作的并行能力。通道按照信息交換方式的不同可以分為選擇通道、數(shù)組多路通道和字節(jié)多路通道，通道能夠接受CPU的指令并與指定的外部設(shè)備進(jìn)行通信讀取內(nèi)存，組織外設(shè)和內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳送以及提供需要的數(shù)據(jù)緩存空間。7．啟動(dòng)磁盤執(zhí)行一次輸入輸出操作花費(fèi)時(shí)間由哪幾部分組成？ 尋道時(shí)間，延遲時(shí)間，傳送時(shí)間。尋道時(shí)間指磁頭在磁臂帶動(dòng)下移動(dòng)到指定磁道（柱面）花費(fèi)的時(shí)間，延遲時(shí)間指需要訪問的扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭下所需時(shí)間，傳送時(shí)間指由磁頭進(jìn)行讀寫完成信息傳送的時(shí)間，前兩者的時(shí)長(zhǎng)與信息在磁盤上的位置有關(guān)，而傳送時(shí)間是硬盤設(shè)計(jì)時(shí)就固定的。8．什么是移臂調(diào)度？什么是旋轉(zhuǎn)調(diào)度？各有哪些主要的調(diào)度算法？ 根據(jù)訪問者指定的柱面位置來(lái)決定執(zhí)行次序的調(diào)度被稱為“移臂調(diào)度”，主要的移臂調(diào)度算法有先來(lái)先服務(wù)算法、最短尋找時(shí)間優(yōu)先算法、電梯調(diào)度算法和單向掃描算法。 在旋臂定位后有若干個(gè)訪問者等待訪問該磁道（柱面）的情況下，根據(jù)延遲時(shí)間來(lái)決定執(zhí)行次序的調(diào)度被稱為“旋轉(zhuǎn)調(diào)度”。旋轉(zhuǎn)調(diào)度應(yīng)分析以下情況：若干訪問者請(qǐng)求訪問同一磁道上的不同扇區(qū)；請(qǐng)求訪問不同磁道上的不同編號(hào)扇區(qū)；請(qǐng)求訪問不同磁道上的具有相同編號(hào)的扇區(qū)。9．假設(shè)一個(gè)活動(dòng)頭磁盤有200道，編號(hào)從0~199。當(dāng)前磁頭正在54道上服務(wù)，并且剛剛完成了39道的請(qǐng)求?，F(xiàn)有如下訪盤請(qǐng)求序列（磁道號(hào)）：86，147，91，173，95，148，101，26，169，80，129，22試給出采用下列算法后磁頭移動(dòng)的順序和移動(dòng)總量（總磁道數(shù)）。（1）最短尋道時(shí)間優(yōu)先磁盤調(diào)度算法。（2）掃描法磁盤調(diào)度算法（假設(shè)沿磁頭移動(dòng)方向不再有訪問請(qǐng)求時(shí)，磁頭沿相反方向移動(dòng)。）（1）最短尋道時(shí)間：54->80->86->91->95->101->129->147->148->169->173->26->22移動(dòng)總量：270（2）掃描法：54->80->86->91->95->101->129->147->148->169->173->26->22 移動(dòng)總量：27010．假設(shè)磁盤的磁臂現(xiàn)在第8號(hào)柱面上，有6個(gè)訪盤請(qǐng)求在等待，如下所示。請(qǐng)給出最省時(shí)間的響應(yīng)次序。序號(hào)柱面號(hào)磁頭號(hào)扇區(qū)號(hào)①963②756③15206④944⑤2095⑥7152 先來(lái)先服務(wù)：8->9->7->15->9->20->7；最短尋道時(shí)間：8->9->7->15->20或8->7->9->15->20；電梯調(diào)度算法：8->9->15->20->7或8->7->9->15->20；單向掃描：8->9->15->20->0->7。 最快的算法是電梯調(diào)度算法8->7->9->15->20，移動(dòng)的柱面數(shù)是14。11．假定某磁盤的旋轉(zhuǎn)速度是每圈20毫秒，格式化后每個(gè)盤面被分成10個(gè)扇區(qū)，現(xiàn)有10個(gè)邏輯記錄存放在同一磁道上，安排如下所示。扇區(qū)號(hào)邏輯記錄1A2B3C4D5E6F7G8H9I10J處理程序要順序處理這些記錄，每讀出一個(gè)記錄后處理程序要花4毫秒的時(shí)間進(jìn)行處理，然后再順序讀下一個(gè)記錄并處理，直到處理完這些記錄，回答：（1）順序處理完這10個(gè)記錄總共花費(fèi)了多少時(shí)間？（2）請(qǐng)給出一種記錄優(yōu)化分布的方案，使處理程序能在最短時(shí)間內(nèi)處理完這10個(gè)記錄，并計(jì)算優(yōu)化分布時(shí)需要花費(fèi)的時(shí)間。 （1）20/10=2ms，即每2ms可以轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)扇區(qū)讀出一個(gè)記錄，所以讀取完記錄1并處理完后磁頭到達(dá)4，因此需要再轉(zhuǎn)一圈回到記錄2，延遲為8*2=16ms，故處理10個(gè)記錄的總時(shí)間為：10*(2+4)+(10-1)*16=204ms （2）重新排布為，處理完一個(gè)記錄后，磁頭恰好轉(zhuǎn)到下一個(gè)記錄處，即偏移量為3，上述記錄重排為1,8,5,2,9,6,3,10,7,4；總時(shí)間是10*(2+4)=60ms。12．假定有一個(gè)磁盤組共有100個(gè)柱面，每個(gè)柱面上有8個(gè)磁道，每個(gè)盤面被分成8個(gè)扇區(qū)，現(xiàn)有一個(gè)含有6400個(gè)邏輯記錄的文件，邏輯記錄的大小與扇區(qū)大小一致，該文件以順序結(jié)構(gòu)的形式被存放到磁盤上，柱面、磁道、扇區(qū)的編號(hào)均從“0”開始，邏輯記錄的編號(hào)也從“0”開始，文件信息從0柱面、0磁道、0扇區(qū)開始存放，試問：（1）該文件的第3680個(gè)邏輯記錄應(yīng)存放在哪個(gè)柱面的第幾磁道的第幾個(gè)扇區(qū)？（2）第78柱面的第6磁道的第6扇區(qū)中存放了該文件的第幾個(gè)邏輯記錄？ （1）柱面號(hào)=[3680/64]=57，磁道號(hào)=(3680-64*57)/8=4，扇區(qū)號(hào)=3680-64*57-8*4=0，所以在柱面57第4磁道的第0扇區(qū)。 （2）78*64+6*8+6=5046。13．為什么引入通道？有哪幾類通道？它們各自的特點(diǎn)是什么？ 引入通道能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)外設(shè)的統(tǒng)一管理和外部設(shè)備與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳送，進(jìn)一步減少數(shù)據(jù)輸入輸出對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行效率的影響，增加CPU和通道操作的并行能力以及各設(shè)備之間的并行操作能力，使用戶有可能靈活增加外設(shè)。按照信息交換方式的不同，一個(gè)系統(tǒng)中可以設(shè)立三種類型的通道，即選擇通道、數(shù)組多路通道和字節(jié)多路通道。選擇通道是一種高速通道，物理上可以連接多個(gè)設(shè)備（但這些設(shè)備不能同時(shí)工作），它主要用于連接高速外部設(shè)備（如磁盤、磁帶），信息以成組方式高速傳輸，因此傳輸率高，但通道利用率低。數(shù)組多路通道是對(duì)選擇通道的一種改進(jìn)，當(dāng)某個(gè)設(shè)備正在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)通道只為該設(shè)備服務(wù)，但當(dāng)設(shè)備執(zhí)行尋址等控制性動(dòng)作時(shí)通道將暫時(shí)斷開連接，掛起該設(shè)備的通道程序而去為其他設(shè)備服務(wù)，因此在傳輸率高的基礎(chǔ)上又具有多路并行操作能力，通道利用率高，缺點(diǎn)是控制復(fù)雜。字節(jié)多路通道是一種簡(jiǎn)單的共享通道，在分時(shí)基礎(chǔ)上為多臺(tái)低速中速設(shè)備服務(wù)，各設(shè)備與通道之間的數(shù)據(jù)傳送以字節(jié)為單位交替進(jìn)行，輪流占用很短的時(shí)間片。14．解釋通道命令、通道程序、地址字和通道狀態(tài)字。通道命令是計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備提供的用于使用輸入輸出設(shè)備的操作命令,每一條通道命令規(guī)定了設(shè)備的一種操作，通常由命令碼、數(shù)據(jù)主存地址、傳送字節(jié)個(gè)數(shù)及標(biāo)志碼等部分組成。通道程序是由一組通道命令組成的,這一級(jí)通道命令規(guī)定了通道執(zhí)行一次輸入輸出操作應(yīng)用的工作。通道地址字(CAW)是在具有通道的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中,用來(lái)存放通道程序首地址的主存固定單元。通道狀態(tài)字(CSW)是用于記錄通道和設(shè)備執(zhí)行情況的主存單元，通常包括通道命令地址、設(shè)備狀態(tài)、通道狀態(tài)和剩余字節(jié)個(gè)數(shù)等幾個(gè)字段。通道狀態(tài)字采用雙機(jī)器字(64位)表示。15．中央處理器與通道之間是怎樣配合工作的？ CPU通過(guò)通道控制器向通道發(fā)出指令后，就會(huì)去執(zhí)行其他任務(wù)，期間數(shù)據(jù)的一切操作例如待傳送數(shù)據(jù)塊的大小以及傳送到內(nèi)存中的位置等細(xì)節(jié)都由通道決定和控制，直到通道完成了數(shù)據(jù)傳送，保存了信息狀態(tài)并結(jié)束傳送后，以中斷請(qǐng)求的形式通知CPU。16．設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的主要功能是什么？ 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)底層中唯一知道各種輸入輸出設(shè)備的控制器細(xì)節(jié)以及其用途的部分，與輸入輸出設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)密切聯(lián)系，是操作系統(tǒng)內(nèi)核和機(jī)器硬件之間的接口。它有以下幾項(xiàng)主要功能：對(duì)設(shè)備初始化和釋放；把數(shù)據(jù)從內(nèi)核傳送到硬件，并從硬件讀取數(shù)據(jù)；讀取應(yīng)用程序傳送給設(shè)備文件的數(shù)據(jù)和回送應(yīng)用程序請(qǐng)求的數(shù)據(jù)；檢測(cè)和處理設(shè)備出現(xiàn)的錯(cuò)誤。17．請(qǐng)說(shuō)明SPOOLing技術(shù)的基本思想，SPOOLing系統(tǒng)由哪些部分組成？簡(jiǎn)述它們的功能。 SPOOLing技術(shù)又稱虛擬設(shè)備技術(shù)，是多道程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)中處理獨(dú)占外部設(shè)備的一種方法，可以提高設(shè)備利用率并縮短單個(gè)程序的響應(yīng)時(shí)間，它可以使進(jìn)程在所需的外設(shè)不存在或被占用的情況下使用該設(shè)備。 SPOOLing系統(tǒng)主要包括輸入程序模塊、輸出程序模塊、作業(yè)調(diào)度程序三部分。輸入程序模塊在作業(yè)執(zhí)行前利用慢速設(shè)備將作業(yè)預(yù)先輸入到后援緩存器（輸入井）中，之后作業(yè)進(jìn)入內(nèi)存運(yùn)行時(shí)就可以直接從輸入井中取出數(shù)據(jù)。輸出程序模塊負(fù)責(zé)將作業(yè)執(zhí)行過(guò)程中寫入輸出井的數(shù)據(jù)，在作業(yè)全部運(yùn)行完畢后再輸出到外部。作業(yè)調(diào)度程序負(fù)責(zé)SPOOLing系統(tǒng)內(nèi)的作業(yè)的調(diào)度，以及對(duì)輸入井的讀寫的管理調(diào)度。18．SPOOLing系統(tǒng)中輸入井和輸出井的作用是什么？ 輸入井在作業(yè)執(zhí)行前就被預(yù)先輸入了作業(yè)以及相關(guān)的數(shù)據(jù)，因此在作業(yè)進(jìn)入內(nèi)存運(yùn)行后使用數(shù)據(jù)時(shí)，就可以直接從其中獲取。輸出井是作業(yè)執(zhí)行時(shí)寫入的數(shù)據(jù)，因此作業(yè)不必直接啟動(dòng)外設(shè)進(jìn)行輸出，這被稱為緩輸出。預(yù)輸入和緩輸出使得SPOOLing能統(tǒng)一管理對(duì)作業(yè)的輸入、組織調(diào)度和輸出，同時(shí)使得外部設(shè)備在CPU直接控制下又與CPU并行工作，這也被稱為假脫機(jī)。19．實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備的主要條件是什么？ 實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備的條件是硬件要有大容量的緩沖區(qū)（如硬盤），有中斷裝置和通道，軟件要