计算机操作系统第五章设备管理复习资料.doc

第五章 设备管理（一）简答题1、 为什么要在设备管理中引入缓冲技术？解：缓冲技术是用来在两种不同速度的设备之间传输信息时平滑传输过程的常用手段。在OS的设备管理中，引入缓冲技术的主要原因可归结为以下几点。（1）缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。一般情况下，程序的运行过程是时而进行计算，时而进行输入或输出。以打印机输出为例，如果没有缓冲，则程序在输出时，必然由于打印机的速度跟不上而使CPU停下来等待；然而在计算阶段，打印机又无事可做。如果设置一个缓冲区，程序可以将待输出的数据先输出到缓冲区中，然后继续执行；而打印机则可以从缓冲区取出数据慢慢打印。（2）减少中断CPU的次数。例如，假定设备只用一位二进制数接收从系统外传来的数据，则设备每接收到一位二进制数就要中断CPU一次，如果数据通信速率为9.6Kb/s，则中断CPU的频率也是9.6KHz，即每100us就要中断CPU一次，若设置一个具有8位的缓冲寄存器，则可使CPU被中断的次数降低为前者的1/8。（3）提高CPU和I/O设备之间的并行性。由于在CPU和设备之间引入了缓冲区，CPU可以从缓冲区中读取或向缓冲区写入信息，相应地设备也可以向缓冲区写入或从缓冲区读取信息。在CPU工作的同时，设备也能进行输入输出操作，这样，CPU和I/O设备就可以并行工作。2、 引入缓冲的主要原因是什么？P155【解】引入缓冲的主要原因是：l 缓和CPU和I/O设备速度不匹配的矛盾； l 减少对CPU的中断频率，放宽对中断响应时间的限制l 提高CPU和I/O设备之间的并行性。3、 请简述为什么要在核心I/O子系统中要引入缓冲机制（Buffering）。答：引入缓冲的主要原因：（1）缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。（2）减少对CPU的中断频率，放宽对中断响应时间的限制。（3）提高CPU与I/O设备之间的并行性。4、 简述SPOOLing（斯普林）系统的工作原理。解：多道程序并发执行后，可利用其中的一道程序来模拟脱机输入时外围控制机的功能，将低速I/O设备上的数据传送到高速磁盘上；再利用另一道程序来模拟脱机输出时外围控制机的功能，将高速磁盘上的数据传送到输出设备上，这样就可以在主机的直接控制下，实现脱机输入、输出操作，这时外围操作与CPU对数据的执行同时进行。4、有如下请求磁盘服务的队列，要访问的磁道分别是98、183、37、122、14、124、65、67。现在磁头在53道上，若按最短寻道时间优先法，磁头的移动道数是多少？解：最短寻道时间优先法总是让查找时间最短的那个请求先执行，而不考虑请求访问者到来的先后时间。即靠近当前移动臂位置的请求访问者将优先执行。当前磁头在53道上，则总的移动道数为：12 + 2+ 30+ 23+ 84+ 24+ 2+ 59 =23665 67 37 14 98 122 124 1835、 什么是虚拟设备？请说明SPOOLing系统是如何实现虚拟设备的。解：虚拟设备是指通过虚拟技术将一台独占设备变换为若干台逻辑设备，供若干个用户进程同时使用，通常把这种经过虚拟技术处理后的设备称为虚拟设备。SPOOLing系统主要由输入井和输出井（磁盘上）、输入缓冲区和输出缓冲区（内存中）、输入进程和输出进程三部分组成。当要运行用户程序时，由输入进程将用户要求的程序和数据预先从输入设备经由输入缓冲区送到输入井，当程序运行需要输入数据时，直接从输入井将数据读入内存。当用户程序要求输出数据时，由输出进程先将数据从内存送到输出井，待输出设备空闲时，再将输出井中的数据经由输出缓冲区送到输出设备上。由于磁盘是共享设备，输入井及输出井是磁盘上的2个存储区域，因此多个用户进程可以共享使用输入井及输出井，这样，就将独占型设备改造成了可共享使用的虚拟设备。下面以打印机为例进行说明，当用户进程请求打印输出时，操作系统同意为进程打印，但并不真正把打印机分配给该用户进程，而是为进程在磁盘上的输出井中分配一个空闲区域，并将要打印的数据送入其中，同时还为用户进程申请一张用户请求打印表，将用户的打印要求填入其中，再将该请求打印表挂在请求打印队列上。如果还有进程要求打印输出，系统仍可以接受该请求，也为进程完成上述操作。如果打印机空闲，输出进程将从请求打印队列的队首取出一张请求打印表，根据表中的要求将要打印的数据从输出井传送到内存的输出缓冲区，再由打印机进行打印。打印完成后，输出进程再查看请求打印队列中是否还有请求打印表，若有，则再取出第一张请求打印表，并根据其中的打印要求进行打印，如此重复，直至请求打印队列空为止，输出进程才将自己阻塞起来，直到下次再有打印请求时才被唤醒。6、 在应如何实现I/O的问题上，整个系统可以只设置一个I/O进程，负责系统内的所有设备的I/O操作。是否还有其他实现方案（至少回答2种）？解：在不同操作系统中，所采用的设备处理方式并不完全相同。除整个系统设置一个I/O进程这种方式外，还有以下2种方式。（1）为每一类设备设置一个I/O进程，它专门执行这类设备的I/O操作。例如，为同一类型的打印机设置一个打印进程。（2）不设置专门的I/O进程，而只为各类设备设置相应的设备处理程序模块，供用户或系统进程调用。7、 简述中断处理过程。解：当中断发生时，一旦CPU响应中断，系统就开始进行中断处理。中断处理过程如下：（1） 保护被中断进程现场。为了在中断处理结束后能使进程正确地返回到中断点，系统必须保存当前处理机状态字PSW和程序计数器PC等的值。（2） 分析中断原因，转去执行相应的中断处理程序。在多个中断请求同时发生时，处理优先级最高的中断源发出的中断请求。（3） 恢复被中断进程的现场，CPU继续执行原来被中断的进程。8、 在某系统中，从磁盘将一块数据输入到缓冲区需要花费的时间为T，CPU对一块数据进行处理的时间为C，将缓冲区的数据传送到用户区所花时间为M，那么在单缓冲和双缓冲情况下，系统处理大量数据时，一块数据的处理时间为多少？解：在无缓冲的情况下，为了读取磁盘数据，应先从磁盘把一块数据输入到用户数据区，所花费的时间为T；然后再由CPU对这一块数据进行计算，计算时间为C，所以每一块数据的处理时间为T+C。（1）在单缓冲的情况下，应先从磁盘把一块数据输入到缓冲区，所花费的时间为T；然后由OS将缓冲区的数据传送到用户区，其所花的时间为M；接下来便由CPU对这一块数据进行计算，计算时间为C。由于CPU的计算操作与磁盘的数据输入操作可以并行，因此一块数据的处理时间为max(C,T)+M（2）在双缓冲区的情况下，应先从磁盘把一块数据输入到第一个缓冲区，当装满第一个缓冲区后，操作系统可将第一个缓冲区的数据传送到用户区并对第一块数据进行计算时，与此同时可以将磁盘输入数据送入第二个缓冲区；当计算完成后，若第二个缓冲区已装满数据，则又可以将第二个缓冲区中的数据传送至用户区并对第二块数据进行计算时，与此同时可以将磁盘输入数据送入第一个缓冲区，如此反复交替使用2个缓冲区。当CT时，计算操作比输入操作慢，在此情况下，上一块数据计算完成后，仍需将一个缓冲区中的数据传送到用户区，花费时间为M，再对这块数据进行计算，花费时间为C，所以一块数据的处理时间为C+M，即max(C,T)+M；当C”，其后接文件名或设备名，表示命令的输出改向，送到指定文件或设备上。而输入重定向“T时，计算操作比输入操作慢，在此情况下，上一块数据计算完成后，仍需将一个缓冲区中的数据传送到用户区，花费时间为M，再对这块数据进行计算，花费时间C，所以一块数据的处理时间为C+M，即max(C,T)+M；当CT时，输入操作比计算操作慢，在此情况下，由于M远小于T，故在将磁盘上的一块数据传送到一个缓冲区期间（花费时间为T），计算机已完成了将另一个缓冲区中的数据传送到用户区并对这块数据进行计算的工作，所以一块数据的处理时间为T，即max(C,T)。31、 试绘图说明把多缓冲用于输出时的情况。32、 试说明收容输入工作缓冲区和提取输出工作缓冲区的工作情况。33、 何谓安全分配方式和不安全分配方式？P163【解】安全分配方式：在这种分配方式中，每当进程发出I/O请求后，便进入阻塞状态，直到其I/O操作完成时才被唤醒。在采用这种分配策略时，一旦进程已经获得某种设备（资源）后便阻塞，使该进程不可能再请求任何资源，而在它运行时又不保持任何资源。因此这种分配方式已经摒弃了造成死锁的四个必要条件之一的“请求和保持”条件，从而使设备分配是安全的。不安全分配方式：在这种分配方式中，进程在发出I/O请求后仍继续运行，需要时又发出第二个I/O请求、第三个I/O请求等。仅当进程所请求的设备已被一进程占用时，请求才进入阻塞状态。34、 为何要引入设备独立性？如何实现设备的独立性？P163【解】引入设备独立性是为了：提高OS的可适应性可扩充性，在现代OS中都毫无例外地实现了设备的独立性，也称为设备无关性。其基本含义是：应用程序独立于具体使用的物理设备。在实现了设备独立性功能后，可使设备分配时更具灵活性，也易于实现I/O重定位。设备独立的实现可有以下层次的实现而实现： 设备独立性软件：其完成功能：执行所有设备的公有操作；向用户层（或文件层）软件提供统一的接口。 逻辑设备名到物理设备名映射的实现 ：逻辑设备表（LUT）；LUT的设置问题整个系统设置一张LUT、每个用户设置一张LUT。 独占设备的分配程序 1. 基本的设备分配程序 ：分配设备 、分配控制器 、分配通道。2. 设备分配程序的改进 ：增加设备的独立性 、考虑多通路情况。35、 在考虑到设备的独立性时，应如何分配独享设备？36、 何为设备虚拟？实现设备虚拟时所依赖的关键技术是什么？37、 试说明SPOOLing系统的组成。P166【解】SPOOLing系统是对脱机输入、输出该的模拟，它必须有高速随机外存的支持，这通常是采用磁盘。SPOOLing系统主要有以下三部分： 输入井和输出井。这是在磁盘上开辟的两个大存储空间。输入井是模拟脱机输入时的磁盘设备，用于暂存I/O设备输入的数据；输出井是模拟脱机输出时的磁盘，用于暂存用户程序的输出数据。 输入缓冲区和输出缓冲区。为了缓和CPU和磁盘之间的速度不匹配的矛盾，在内存中要开辟两个缓冲区：输入缓冲区和输出缓冲区。输入缓冲区用于暂存由输入设备送来的数据，以后再传送到输入井。输出缓冲区用于暂存输出井送来的数据，以后再传送给输出设备。 输入进程Spi和输出进程Spo。这里利用两个进程来模拟脱机I/O时的外围控制机。其中，进程Spi模拟脱机输入时的外围机，将用户要求的数据从输入机通过输入缓冲区再送到输入井，当CPU需要输入数据时，直接从输入井读入内存；进程Spo模拟脱机输出时的外围控制机，把用户要求的数据，先从内存送到输出井，待输出设备空闲时，再将输出井中的数据经过输出缓冲区送到输出设备上。输入进程Spi输出进程Sp0输入缓冲区Bi输入缓冲区Bi输入井输出井磁盘输出设备输入设备如下图示出了SPOOLing系统的组成：38、 在实现后台打印时，SPOOLing系统应为请求I/O的进程提供哪些服务？【解】（1） 由输出进程在输出井中为之申请一空闲盘块区，并将用户的数据送入其中；（2） 输出进程再为用户进程申请一张空白的用户请求打印表，并将用户的打印要求填入其中，再将该表挂到请求打印队列上。39、 试说明设备驱动程序具有哪些特点？40、 试说明设备驱动程序应完成哪些功能？41、 设备驱动程序通常要完成哪些工作？42、 设备中断处理程序通常完成哪些工作？【解】（1） 唤醒被阻塞的驱动程序进程（2） 保护被中断进程的CPU环境（3） 分析中断原因、转入相应的设备中断处理程序（4） 进行中断处理（5） 恢复被中断进程的现场43、 磁盘访问时间由哪几部分组成？每部分时间应如何计算？P173【解】磁盘访问时间由以下三部分组成：l 寻道时间：指磁臂（磁头）移动到指定磁道上所经历的时间。该时间是启动磁臂的时间S与磁头移动N条磁道所花费的时间之和，即TS=M*N+S。l 旋转延迟时间T：指定扇区移动到磁头下面所经历的时间。l 传输时间Tt：指把数据从磁盘读出或写入数据所经历的时间。Tt的大小与每次所读/写的字节数b和旋转速度有关。 Tt=b/rN。其中，r为磁盘每秒钟的转数；N为一条磁道上的字节数，第一次读/写的字节数相当于半条磁道上的字节数时，T与Tt相同。因此，可将访问时间Ta表示为： Ta= TS +1/2r+b/rN44、 目前常用的磁盘调度算法由哪几部分组成？每种算法优先考虑的问题是什么？（见补充题）【解】目前常用的磁盘调度算法有：先来先服务、最短寻道时间优先及扫描等算法。先来先服务：优先考虑的是按进程请求访问磁盘的先后次序进行调度。最短寻道时间优先：优先考虑的是与当前磁头所有的磁道距离最近，以使每次的寻道时间最短。扫描：优先考虑的是磁头当前的移动方向。循环扫描算法：优先考虑的磁头的单向性。45、 为什么要引入磁盘调度高速缓冲？何谓磁盘高速缓冲？P176【解】引入磁盘调度高速缓冲是因为：目前，磁盘的I/O速度远低于对内存的访问速度，通常要低上46个数量级。因此，磁盘的I/O已成为计算机系统的瓶颈。于是，人们便千方百计地去提高磁盘I/O的速度，其中最主要的技术，便是采用磁盘高速缓存。磁盘高速缓冲，并不是通常意义下的内存和CPU之间的所增设一个小容量高速存储器，而是指利用内存中的存储空间，来暂存从磁盘中读出的一系列盘块中的信息。因此，这里的高速缓存是一组在逻辑上属于磁盘、物理上驻留在内存中的盘块。46、 在设计磁盘高速缓冲时，如何实现数据交付？P176【解】数据交付是指：将磁盘高速缓存中的数据传送给请求者进程。当有一进程请求访问某个盘块中的数据时，由核心先去看磁盘高速缓冲器，看其中是否存在进程所需访问的盘块数据的拷贝。若有其拷贝，便直接从高速缓存中提取数据交付请求者进程，这样就避免了访盘操作，否则，应先从磁盘中将要访问的数据读入并交付给请求者进程，同时也将数据送高速缓存，当以后又要访问该数据时，便可直接从高速缓存中提取。系统可以采用两种方式将数据交付给请求者进程：l 数据交付：这是直接将高速缓存中的数据，传送到请求者进程的内存工作区中。l 指针交付：只将指向高速缓存中某区域的指针，交付给请求者进程。此方式由于所传送的数据量少，因而节省了数据从磁盘高速缓存存储空间到进程的内存工作区的时间。47、 何谓提前读、延迟写和虚拟盘？P178【解】提前读：即在读当前块的同时，还要求将下一个盘块（提前读的块）中的数据也读入缓冲区。这样，当下一次要读该盘块中的数据时，由于该数据已被提前读入缓冲区，因而此时便可直接从缓冲区取得下一盘块的数据，而不再去启动磁盘I/O，从而大大减少了读数据的时间。延迟写：指在缓冲区A中的数据本应立即写回磁盘，但考虑到该缓冲区中的数据不久后可能还会再被本进程访问（共享资源），因而并不立即将该缓冲区A中的数据写入磁盘，而是将它挂在空闲缓冲区队列的末尾，随着空闲缓冲区的使用，缓冲区也缓缓往前移动，直至移到空闲缓冲区之首。当再有进程申请到该缓冲区时，才将该缓冲区中的数据写入磁盘，而把该缓冲区作为空闲区分配出去。当缓冲区A仍在队列中时，任何访问该数据的进程，都可以直接读出其中的数据而不必去访问磁盘。虚拟盘：指利用内存空间去仿真磁盘，又称RAM盘。该盘的设备驱动程序也可以接受所有标准的磁盘操作，但这些操作的执行，不是在磁盘上而是在内存中。这些对用户都是透明的。48、 廉价磁盘冗余阵列是如何提高磁盘的访问速度和可靠性的？P180【解】 为了提高对磁盘的访问速度：已把在大、中型机中应用的交叉存取技术应用到磁盘存储系统中。在该系统中，有多台磁盘驱动器，系统将每一盘块中的数据分为若干个子盘块数据，再把每一个子盘块的数据分别存储到各个不同磁盘中的相同位置上。在以后，当要将一个盘块的数据传送到内存时，采取并行传输方式，将各个盘块中的子盘块数据同时向内存中传输，从而使传输时间大大减少，从而提高了磁盘的访问速度。可靠性的实现：在廉价磁盘冗余阵列RAID 3级和RAID 5级中实现的。 RAID 3级：它利用一台奇偶校验来完成数据的校验功能的，这样提高了可靠性。 RAID 5级：这是一种具有独立传送功能的磁盘阵列，每个驱动器都各有的独立的数据通路，独立地进行读/写，且无专门的校验盘。用来进行纠错的校验信息，是以螺旋方式散布在所有数据盘上。以此来提高可靠性。49、 磁盘空间连续分配的主要优缺点是什么？【解】1、 优点：（1） 顺序访问容易（2） 顺序访问速度快2、 缺点：（1） 要求有连续的存储空间（2） 必须事先知道文件的长度50、 什么是隐式链接和显式链接？何谓文件分配表FAT?【解】（1） 隐式链接：在采用隐式链接分配方式时，在文件目录的每个目录项中，都须含有指向链接文件第一个盘块和最后一个盘块的指针。（2） 显式链接：把用于链接文件各物理块的指针，显式地存放在内存的一张链接表中。（3） FAT：由于查找记录的过程是在内存中进行的，因而不仅显著提高了检索速度，而且大大减少了访问磁盘的次数。由于分配给文件的所有盘块号都放在该表中，故把该表称为文件分配表FAT（File Allocation Table）。51、 为什么要引入索引分配方式？其主要问题是什么？【解】（1） 引入索引分配方式是因为，链接分配方式虽然解决了连续分配所存在的问题，但又出现另外两个问题：u 不能支持高效地直接存取。u FAT需占用很大的内存空间。（2） 事实上，在打开某个文件时，只需把占用盘块的盘块号调入内存即可，完全没有必要将整个FAT调入内存。为此，又必须先将每个文件所对应的盘块号集中地存放在一起。索引分配方法就是基于这一想法而形成的一种分配方法。它为每个文件分配一个索引块（表），把分配给该文件的所有盘块号都记录在该索引块中，因而该索引块就是一个含有许多盘块号的数组。（3） 索引分配方式的主要问题是：可能要花费较多的外存空间，对于小文件采用索引分配方式时，其索引块的利用率是极低的。52、 假如盘块大小为4KB，每个盘块号占4个字节，在两级索引分配时，允许的最大文件是多少？【解】一个索引块中可存放：4KB/4B=1K个盘块号, 在两级索引时，最多可包含的、存放文件的盘块的盘块号总数N=1K1K =1M个盘块号, 允许的最大文件长度=1M4KB=4GB52、什么是与设备无关性？有什么好处？ 答：为了提高OS的可适应性和可扩展性，在现代OS中都毫无例外地实现了设备独立性，也称设备无关性。基本含义：应用程序独立于具体使用的物理设备。为了实现设备独立性而引入了逻辑设备和物理设备两概念。在应用程序中，使用逻辑设备名称来请求使用某类设备；而系统在实际执行时，还必须使用物理设备名称。优点：设备分配时的灵活性、易于实现I/O重定向（用于I/O操作的设备可以更换（即重定向），而不必改变应用程序。（二）选择题1. 缓冲技术中的缓冲池在 中。AA. 主存B. 外存C. ROMD. 寄存器2. 引入缓冲的主要目的是 。AA. 改善CPU和I/O设备之间速度不匹配的情况B. 节省内存C. 提高CPU的利用率D. 提高I/O设备的效率3. CPU输出数据的速度远远高于打印机速度，为了解决这一矛盾，可采用 。CA. 并行技术B. 通道技术C. 缓冲技术D. 虚存技术4. 为了使多个进程能有效地同时处理输入和输出，最好使用 结构的缓冲技术。AA. 缓冲