操作系统习题集 - 5 - 输入输出.doc

习题集 - 5 - 输入输出1. 为了便于上层软件的编制，设备通常需要提供是_A. 控制寄存器、状态寄存器和控制命令B. I/O地址寄存器、工作方式状态寄存器和控制命令C. 中断寄存器、控制寄存器和控制命令D. 控制寄存器、编程空间和控制逻辑寄存器解：A。中断寄存器位于计算机主机；不存在I/O地址寄存器；编程空间一般是由体系结构和操作系统决定的。2. 程序直接控制I/O方式具有的特点是_A. 比DMA方式的效率低B. 具有较好的自然性和易于理解性C. 控制软件易于编写D. 便于实现异步的通信解：B。3. DMA I/O控制方式的特点是_A. 设备与主机的并行执行B. I/O批量数据的交换会大量浪费CPU时间C. 控制软件易于编写D. 简化了设备的设计解：A。4. Memory-Mapped I/O方式相对于I/O端口方式存在哪些优点？解：(1) 不需要特殊的指令支持。Memory-Mapped I/O通过一般的访存指令访问设备控制寄存器，而I/O端口方式则需要类似于IN/OUT形式的访问指令，这些指令一般在C和C+等高级语言中无法实现；(2) 无需特殊的保护机制隔离用户进程和I/O；(3) 所有访问存储器的指令均可以访问控制寄存器，便于系统性能优化。注：(1) I/O端口方式中，计算机系统使用了一个专门的I/O空间，对设备控制寄存器进行编址，而对I/O空间的访问需要使用特殊的机器指令。例如：IN R0,4指令是指将I/O空间的控制寄存器4的内容读入CPU寄存器R0。(2) 在Memory-Mapped I/O方式中，计算机系统专门使用一段特殊的地址来编址设备控制寄存器，对这些特殊地址的访问就是对设备控制寄存器的访问。(3) Memory-Mapped I/O方式的缺点：现代计算机CPU都会对存储进行缓存，按时缓存设备控制寄存器内容是灾难性的。5. 什么是设备无关性(device independence)？解：设备无关性一般是指程序可以通过一组统一的操作过程来操作设备，这种操作接口与具体的设备无关。解析：按照操作系统的设计目标，任何子系统追求的目标应该是“性能”和“方便”。在I/O管理中“方便”一词可以特指为“设备无关性”。I/O管理的设备无关性是一种透明性问题，任何系统想达到完全的透明性是非常困难的。比如在现代操作系统中为设备操作都提供了“打开”、“关闭”、“读”、“写”等接口，程序员可以使用与文件相同的模式操作设备。这就体现了一种“设备无关性”。设备无关性的另一种形式是“统一的命名”，在UNIX系统中为所有的设备均在/dev目录下创建了一个设备文件，用户可以向打开一个普通文件一样打开设备。即使是这样，UNIX的设备无关性也不是完全的。为了支持对特殊设备的特殊控制，UNIX提供了ioctl接口方便程序对设备的控制。比如可以使用ioctl设置串口的波特率、校验位等。另外在程序设计领域、图形接口设计和文件设计方面也会出现“设备无关”的术语。文件的设备无关性是指无论文件出现在哪个平台上，这个平台上的软硬件均可以解释和操作它，比如HTML文件和XML文件等等。6. 请分别说明阻塞(blocking)和非阻塞(non-blocking)I/O应该使用的基本情形。为什么不可以只是实现非阻塞I/O，而且使用非阻塞I/O来实现阻塞I/O？解：一般说来，阻塞I/O 比较适合于只是等待某个特殊事件的过程。例如磁盘、磁带和键盘的读操作，没有从这些设备中获得足够的信息就无法进行下一个步骤。倘若I/O来自多个设备源，而且I/O到达的次序是不确定的时候，非阻塞I/O就非常有效。例如，网络服务器需要读取来自网络的多个请求；窗口管理器既可以读取键盘又可以获得鼠标输入，等等。如果只实现非阻塞I/O，那么在需要阻塞I/O时，应用程序则需“忙”等待。7. UNIX利用内核共享的数据结构来协调内核中的I/O部件，而Windows NT在I/O部件之间使用面向对象消息传递。请比较它们之间的优劣。解：UNIX系统相对于Windows NT的优势：(1) 效率高，数据传递开销小，数据移动的数量小。(2) 快速实现，不需要与其他内核部件之间的协调。(3) 简单，数据不易丢失。但是也存在着缺点：(1) 数据缺乏保护，部件的变化可能会引起副作用，难以调试；(2) 难以实现新的I/O方法，一种新的I/O方法往往需要新的数据结构，数据结构的维护是比较困难的；(3) I/O子系统的设计复杂，充满了数据结构、访问例程和锁机制，难以理解，难以维护。8. 考虑在一个单用户PC上的下述I/O情形：(1) 使用鼠标作为图形用户接口。(2) 在一个多任务操作系统上的磁带驱动器。(3) 包含用户文件的磁盘驱动器。(4) 通过直接总线连接的图形卡，可以通过内存映射I/O进行访问。对于上述I/O，操作系统的设计应该怎样使用缓冲、高速缓存和spooling等技术呢？会使用程序控制I/O或者中断I/O吗？为什么？解：(1) 鼠标设备：缓冲是需要的，可以在高优先级操作发生时记录鼠标的移动。但是Spooling和高速缓存是不合适的。最合适的I/O方式是中断驱动I/O。(2) 磁带驱动器：缓冲可以管理磁带驱动器与I/O源(或目标)之间的吞吐能力差别。缓存可以用于维持磁带驱动器的数据，减少I/O次数。Spooling可以在多用户并发访问(磁带驱动器可能为多个PC或者其他主机服务)时管理并发I/O。中断驱动I/O可能能够获得最佳性能。(3) 磁盘驱动器：缓冲可以维持用户空间与磁盘间传输的数据以减少I/O次数。高速缓存可以用于维持磁盘数据以减少机械运动和磁记录读/写，也可以提高I/O性能。因为磁盘是共享访问的设备，因此没有必要使用Spooling进行虚拟化。因为磁盘带宽相对较低，因此中断驱动I/O比较适宜。(4) 图形卡：需要使用缓冲来控制多重访问(在显示当前图像时，使用双缓冲，准备下一幅图像)，以提高显示性能。因为图形卡设备的数据率较高，因此Spooling和高速缓存是没有必要的。程序控制或者中断I/O只是用于输入和I/O完成状态的检测，在内存映射I/O阶段没有必要。注：(1) 缓冲(buffering)和高速缓存(caching)虽然都可以使用主存来实现，但是在I/O管理中存在一些细小的差异。缓存专指操作系统或者设备驱动程序为了减少I/O次数而在贮存空间开辟的一片区域。而缓存是指硬件系统为了提高性能使用的特殊快速存储器，例如CPU的一级和二级缓存可以减少访存次数，磁盘控制器缓存可以减少磁记录读写次数。(2) 程序直接控制的I/O方式在现代操作系统中通常称为轮询(polling)I/O方式，专指CPU能够通过查询设备状态来决定I/O指令的一种方式。简单的程序直接控制I/O实际上是很高效的，只是重复的I/O会因为慢等待