第6章 设备管理Word格式.docx

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B．SPOOLING系统加快了作业执行的速度

C．SPOOLING系统使独占设备变成共享设备

D．SPOOLING系统利用了处理器与通道并行工作的能力。

本题的考核要点是SPOOLING技术。

涉及的概念有4方面：

（1）该项技术应有外存空间作为物质基础，同时应当至少有一台独占设备实现输入或输出，因此选项A错误。

（2）SPOOLING技术又称“脱机输入输出系统”。

它将独享设备改造成与共享设备，使进程避免长期等待I/O操作的完成，因此加快了作业执行的速度。

所以说B是正确的。

（3）SPOOLING技术将外存空间模拟成多台独占设备，功能上看，它将一台独占设备变成一台共享设备，因而C是对的。

（4）在计算机系统中安装上通道设备，使处理器与通道可以并行工作。

这作为一种硬件配置，与没有通道的系统相比，系统的资源利用率得到提高。

不过，无论有没有配置通道，SPOOLING系统都是可以运行的。

因此D是不正确的。

例6.2.4I/O软件一般分为4个层次，用户层、与设备无关软件层、设备驱动程序以及中断处理程序。

请说明以下各工作是在哪一层完成的？

（1）向设备寄存器写命令；

（2）检查用户是否有权使用设备；

（3）将二进制整数转换成ASCII码以便打印。

解本题的考核要点为设备管理模块的结构。

有些系统的结构分为本题所说的4层结构，而有的系统将设备驱动程序与中断处理程序合并为1层，共分为3层（见汤子瀛《计算机操作系统》，P221）。

无论如何划分并不影响本题的回答。

设备驱动程序是设备管理的底层软件，用于控制I/O设备进行具体输入输出操作。

其功能是：

1）将抽象的要求转换为具体的要求；

2）检查用户I/O请求的合法性，了解外设的状态，设置设备的工作方式；

3）向设备发出I/O命令，启动设备，实现I/O。

（1）由于“向设备寄存器写命令”属于直接操作设备控制器的操作，因此属于设备驱动程序。

（2）用户层软件是用户与设备管理模块的接口，负责解释用户的应用请求，并将这种请求转化为具体的输入输出操作。

不过，该层软件并不检查用户的访问权限，因此，“检查用户是否有权使用设备”属于设备驱动程序。

（3）与设备无关软件层软件主要负责将逻辑设备名转换为物理设备，实现设备的分配和回收，进行缓冲区管理等。

“将二进制整数转换成ASCII码以便打印”不属于该层软件。

它应当是将抽象要求转换为具体要求的一部分，所以也属于设备驱动程序。

例6.2.5在缓冲池中有3个队列，分别为空白缓冲队列em，输入缓冲队列in，以及输出缓冲队列out。

过程add_buf（type，numb）和take_buf（type，numb）分别用来把缓冲区numb插入type队列和从type队列中取出缓冲区numb。

试描述进程从任一缓冲队列得到一个缓冲区的过程get_buf（type,numb）和将一个缓冲区numb放入缓冲队列的过程put_buf（type,numb）。

解设队列type的互斥信号量为S（type），初值为1。

设描述资源数目的信号量RS（type），初值为n。

信号量的定义及初始化过程，以及get_buf（）过程和put_buf（）过程的描述如下：

SemaphoreS（type）：

=1；

SemaphoreRS（type）：

=n；

/*n为type队列长度*/

PROCEDUREget_buf（type,number）

BEGIN

P（RS（type））;

P（S（type））;

Pointerofbuffer（number）=take_buf（type,number）

V（S（type））;

END;

PROCEDUREput_buf（type,number）

add_buf（type,number）

V（RS（type））;

END。

例6.7描述操作系统中使用公用缓冲池时数据块插入缓冲队列的输入过程。

本题考核的要点是缓冲池技术。

缓冲池由多个缓冲区组成，其中每个缓冲区包括缓冲区首部和缓冲体两部分。

系统通过操作缓冲池首部，实现对缓冲区的管理。

解通常，缓冲池中有3个队列：

em队列（空白缓冲区队列）、in队列（装满输入数据的缓冲区队列）、out队列（装满输出数据的缓冲区队列）。

令参数type表示缓冲队列类型，number表示缓冲区号。

缓冲池管理中负责数据输入的过程可包括：

（1）过程get_buf（type，number）：

以某种选取规则从type指定的缓冲区队列中摘取一个缓冲区number。

（2）过程put_buf（type，number）：

将number缓冲区程将缓冲区放入相应缓冲区队列。

使用上述操作，输入过程可被描述如下：

（1）输入进程调用过程get_buf（em，number）从空白缓冲区队列em中取出一个缓冲区，返回的号码为number。

将该空白缓冲区命名为hin。

（2）将输入的数据装入缓冲区hin，当hin中装满了由输入设备输入的数据之后，系统调用过程put_buf（in，hin）将该缓冲区插入输入缓冲队列in中。

例6.8逻辑设备表（LUT）的主要功能是（）和（）。

设备驱动程序是一种低级的系统例程，它通常分为（）和（）两个部分。

本题的考核要点是设备管理的基本概念。

涉及的内容有：

设备管理的功能之一是，将用户输入的逻辑设备名映射为系统内的物理设备。

可使系统在设备分配中更灵活，设备管理更具独立性。

在多用户系统中，LUT是系统为每个进程配置的一种数据结构。

该结构被保存到进程的PCB中，内含两个域：

逻辑设备名和指向系统设备的指针。

因此，该问题的正确答案应为：

（实现逻辑设备到物理设备的映射）和（实现设备独立性）。

②．设备驱动程序是设备管理的底层软件，用于控制I/O设备进行具体输入输出操作。

此外，当输入输出操作完成时，产生的外中断信号由系统予以响应，转入设备中断处理程序，根据操作的状态进行相应的处理。

因此正确答案应为：

控制I/O设备进行具体输入输出操作程序、设备中断处理程序

例6.9（论述题）试给出两种I/O调度算法，并说明为什么I/O调度中不能采用时间片轮转法。

本题的考核要点是I/O调度算法。

两种常用的I/O调度算法是：

①．先来先服务算法。

当系统中多个进程对同一I/O设备提出输入输出请求时，该算法把它们按请求顺序排成一个等待队列，并将该I/O设备分配给队列中的第一个进程。

②．优先权高者优先算法。

当系统中多个进程对同一I/O设备提出输入输出请求时，该算法把它们按优先权由高到低的顺序排成一个等待队列。

并将该I/O设备分配给队列中的第一个进程（其优先权最高）。

时间片轮转算法是不能用于I/O调度中的。

因为在I/O操作中，大部分外部设备都是独占设备，其固有属性决定了设备只能独占使用，不能共享使用。

这种设备一旦被某进程占用，直到使用完才能被释放。

而且在通道程序控制的输入输出系统中，通道程序的执行是不受中断影响的。

时间片中断信号并不能中断通道程序的操作。

所以I/O调度中不能采用时间片轮转法。

例6.10某操作系统采用双缓冲传送磁盘上的数据。

设从磁盘将数据传送到缓冲区所用时间为T1，将缓冲区中数据传送到用户区所用时间为T2（假设T2<

<

T1），CPU处理数据所用时间为T3，则处理该数据，系统所用总时间为（）。

（A）T1+T2+T3（B）MAX（T2,T3）+T1

（C）MAX（T1,T3）+T2（D）MAX（T1,T3）

分析：

系统采用双缓冲传送某磁盘数据时：

①．如果T3>

T1，即CPU处理数据快，数据传送慢。

此时意味着I/O设备可连续输入，磁盘将数据传送到缓和冲区，再传送到用户区，与CPU处理数据可视为并行处理。

时间的花费取决于CPU最大花费时间，则系统的用总时间为T3。

②．如果T3<

T1，即CPU处理数据比数据传送快，此时CPU不必等待I/O设备，磁盘将数据传送到缓冲区，与缓冲区中数据传送到用户区，及CPU处理数据，二者可视为并行执行，则花费时间取决于磁盘将数据传送到缓冲区所用时间T1。

答案应为D。

例6.11下面是一段简单的通道程序，则四个选项中叙述不正确的是（）。

操作

P

R

计数

内存地址

WRITE

1

90

743

100

250

READ

230

1200

120

400

350

70

2000

（A）该段通道程序包括六条、两类通道指令

（B）这些指令涉及的数据内存地址有相邻接的地方

（C）该段通道程序共处理了5条记录

（D）单记录最大为230个字节

本题考核的是通道程序的功能。

涉及的概念有：

①．每一行就是一条指令；

该段通道程序的6条指令可分为WRITE和READ两类通道指令。

1．在6条指令中，第2条和第5条指令访问的内存地址是邻接的。

2．在通道指令中，域R是记录的结束标志。

R=0表明本通道指令与下一条通道指令处理的数据属于同一条记录；

R=1表明本指令处理完数据后，记录就结束了。

因此上面的程序涉及5条记录。

3．程序中的第4条指令和第5条指令共同处理一条记录，即第4条记录。

记录的长度为240（120+120）字节。

例6.12（填空题）进行设备分配时所需的数据表格主要有（）、（）、（）和（）等。

本题的考核要点是设备分配中使用的数据结构。

主要包括：

∙设备控制表（UC或DCB）：

记录设备的使用情况。

主要有设备类型、设备标识符、设备状态、出错后的重复执行次数、控制器表指针，及其他信息。

∙控制器控制表（CC或COCB）：

记录控制器的使用情况。

主要有控制器标识符、控制器状态、通道控制表指针，及其他信息。

∙通道控制表（CH或CHCB）：

记录通道的使用情况。

主要有通道标识符、通道状态、控制器控制表指针，及其他信息。

∙系统设备表（SDT）：

这是系统范围内的数据结构，记录全部设备的使用情况。

主要有设备类型、设备标识符、设备控制表指针、设备驱动程序入口等。

上述前3个表的组织结构如下图所示。

例6.13（填空题）某操作系统中，采用中断驱动I/O控制方式，设中断时，CPU用1ms来处理中断请求，其它时间CPU完全用来计算，若系统时钟中断频率为100HZ，则，CPU的利用率为（）。

（A）60%（B）90%

（C）80%（D）70%

本题的考核要点是时钟中断处理时CPU的利用率。

首先根据中断频率确定两次中断的间隔时间T为：

T=1/100=0.01s=10ms

其次，在10ms时间间隔内，CPU需要花费1ms去处理中断，生硬杀时间用来进行计算。

因此CPU的利用率p为:

p=1-1ms/10ms=90%

例6.14（问答题）某操作系统中采用单缓冲传送磁盘数据。

设从磁盘将数据传送到缓冲区所用时间为T1，将缓冲区数据传送到用户区所用时间为T2，CPU处理数据所用时间为T3。

问系统处理该数据所用总时间为多少？

。

本题考核的要点是系统利用单缓冲区进行数据输入的原理。

在单缓冲区情况下，磁盘将数据传送到缓冲区的操作，与CPU处理数据可视为并行操作。

处理过程见下图。

当第一个数据块从外存输入缓冲区，并将缓冲区数据送入用户区后，第二个数据块从外存输入缓冲区的操作就可以与CPU运行用户区的程序操作并行操作。

见下图。

从图中可以看出，处理一个数据块的时间可以估算为MAX（T1，T3）+T2。

例6.15（填空题）利用通道实现了（）之间数据的快速传输。

（A）CPU和外设（B）内存和CPU

（C）内存和外设（D）外设和外设

本题的考核要点是通道的作用。

①．计算机系统中设置通道设备，是为了使一些原来由CPU处理的输入输出操作转给通道，由通道来完成。

这样一来可以按CPU从繁杂的输入输出操作中解脱出来。

设有通道的硬件结构为：

②．通道设备与CPU之间的连接实现的是接收CPU来的参数设置、启动外设的命令，及向CPU报告操作状态等。

通道设备与内存之间的连接，主要实现内存和外设之间的数据快速传输。

另外，通道与内存的连接还在于通道设备本身没有自己的内存，它所执行的通道程序必须来自于内存中。

例6.16（填空题）设备驱动程序是系统提供的一种通道程序，它专门用于在请求I/O的进程与设备控制器之间传输信息。

下面的选项中不是设备驱动程序功能的是（）。

（A）检查用户I/O请求的合法性

（B）及时响应由控制器或通道发来的中断请求

（C）控制I/O设备的I/O操作

（D）了解I/O设备的状态，传送有关参数，设置设备的工作方式

本题考核的要点是设备驱动程序的功能。

设备驱动程序的功能有以下5种：

1．将接收到的抽象要求转换为具体要求。

2．检查拥护I/O的合法性，了解I/O设备的状态，传递有关部门参数，设置设备的工作方式。

3．发出I/O操作命令，启动I/O设备，完成I/O操作。

4．响应通道发来的中断请求，根据中断类型调用响应的中断处理程序。

5．构造通道程序。

例6.17（填空题）下列哪种设备不是从设备分配策略角度来说的（）。

（A）系统设备（B）独享设备

（C）共享设备（D）虚拟设备

本题的考核要点是设备的分类问题。

主要涉及的概念有：

1．按设备的所属权划分，设备可分为系统设备和用户设备。

2．按设备分配方式划分，设备可分为3种：

独享设备（又称独占设备）、共享设备和虚拟设备。

其中，

∙独享设备采用独享分配策略，采用的是“请求-分配-使用-回收”分配方式。

∙共享设备和虚拟设备采用的是共享分配策略，比如用P、V操作实现临界资源的使用，用任务排队方式实现磁盘的分时访问等。

例6.18（选择题）对于速率为9.6KB/s的数据通信来说，如果说设置一个具有8位的缓冲寄存器，则CPU中断时间和响应时间大约分别为（）。

（A）0.8ms，0.8ms（B）8ms，1ms

（C）0.8ms，0.1ms（D）0.1ms，0.1ms

本题的考核要点是中断时间和响应时间的计算。

设计的内容为：

①．已知传输速率为9.6KB/s的数据通信，产生中断的频率为9.6KHZ。

题中引用了8位的缓冲寄存器可使中断频率降为1/8，即，9.6*1024/8。

那么，CPU的中断时间为T1：

T1=8/（9.6*1024）≈0.8ms。

②．CPU的响应时间T2为：

T2=1/（9.6*1024）≈0.1ms。

（注意：

若再增设一个8位的缓冲寄存器，响应时间也可放宽到0.8ms。

）

例6.19（问答题）在设备管理中，保持设备独立性有何意义？

本题的考核要点是设备分配原理。

当用户需要一台系统设备时，用户请求中给出一个逻辑设备名。

据此，系统就在多台同类的物理设备中分配一台具体的物理设备。

这样一来，就在逻辑设备与物理设备之间建立了一个映射。

系统将这一映射保存在进程的PCB中。

以后该进程需要利用设备进行I/O时，系统就查阅PCB，根据设备的映射关系去启动物理设备。

设备独立性的优点有：

∙方便用户编程。

用户不必知道设备在系统中的标识。

∙便于程序移植。

程序中使用的是逻辑设备，与具体的物理设备无关，因此便于移植到其他系统中。

∙资源利用率提高。

如果一台设备忙或者有故障，可换另外一台。

∙能适应多用户多进程的需要。

例6.20（问答题）用流程图描述设备中断的处理过程。

本题的考核要点是中断的处理。

其处理过程可分为以下几步：

1．唤醒被阻塞的驱动程序进程。

2．保护被中断进程的CPU现场信息。

3．分析中断原因，转入相应的中断处理程序执行。

4．进行中断处理。

对于输入设备中断处理来说，需要将读入的数据从缓冲区转到用户区；

对于输出设备来说，可将用户区中的下一批数据转到缓冲区。

无论输入还是输出，都可重新启动外部设备进行下一次I/O，同时，还要将等待I/O的进程唤醒。

5．恢复被中断程序的现场。

流程图为：

例6.21（问答题）在一个CPU和输入设备I、输出设备O并行执行的系统中，设输入设备I和输出设备O的启动受CPU指令的控制，且输出设备O的启动还受输出缓冲是否装满输出数据的限制。

只有装满输出数据，输出设备才能被启动。

试描述中断处理方式下的CPU动作过程。

本题的考核要点是系统响应中断的处理过程。

在一个多道程序运行环境中，当进程A正在使用CPU运行自己的程序且需要进行输入输出。

系统一方面启动输入输出设备，令一方面系统需要选择另一个进程B使用CPU，该处理过程可见下图所示。

CPU的动作过程为：

1．当前进程A有输入输出请求时，CPU发出“启动外设”命令。

2．A被阻塞起来等待外设的输入输出操作完成，进程调度原语从就绪队列上选择一个新的就绪进程B使用CPU。

3．当外设的输入输出完成后，I/O控制器向CPU发出中断信号（比如INTR）。

4．CPU在收到中断信号之后，保护B的现场信息，转向预先设计好的中断处理程序对数据传输的结果进行处理。

5．中断处理结束后，恢复B的现场信息，继续执行被中断的进程B。

在以后的进程调度中，只要选中了请求I/O的进程A，A才可以继续工作。

6.2习题

一、选择最合适的答案

1．在下面的I/O控制方式中，需要CPU干预最少的方式是（）。

（A）程序I/O方式

（B）中断驱动I/O控制方式

（C）直接存储器访问DMA控制方式

（D）I/O通道控制方式

2．某操作系统中，采用中断驱动I/O控制方式，设中断时，CPU用1ms来处理中断请求，其它时间CPU完全用来计算，若系统时钟中断频率为100HZ，则，CPU的利用率为（）。

（A）60%（B）70%

（C）80%（D）90%

3．下列哪一条不是磁盘设备的特点（）。

（A）传输速率较高，以数据块为传输单位

（B）一段时间内只允许一个用户（进程）访问

（C）I/O控制方式常采用DMA方式

（D）可以寻址，随机地读/写任意数据块

4．利用通道实现了（）之间数据的快速传输。

（A）CPU和外设（B）内存和CPU

（C）内存和外设（D）外设和外设

5．假脱机技术中，对打印机的操作实际上是用对磁盘存储实现的，用以替代打印机的部分是指（）。

（A）共享设备（B）独占设备

（C）虚拟设备（D）物理设备

6．设从磁盘将一块数据传送到缓冲区所用时间为80μs，将缓冲区中数据传送到用户区所用时间为40μs，CPU处理数据所用时间为30μs，则处理该数据，采用单缓冲传送某磁盘数据，系统所用总时间为（）。

（A）120μs（B）110μs

（C）150μs（D）70μs

7．对于速率为9.6KB/s的数据通信来说，如果说设置一个具有8位的缓冲寄存器，则CPU中断时间和响应时间大约分别为（）。

8．在调试程序时，可以先把所有输出送屏幕显示而不必正式输出到打印设备，其运用了（）。

（A）SPOOLing技术（B）I/O重定向

（C）共享技术（D）缓冲技术

9．设备驱动程序是系统提供的一种通道程序，它专门用于在请求I/O的进程与设备控制器之间传输信息。

（A）检查用户I/O请求的合法性

（B）及时响应由控制器或通道发来的中断请求

（C）控制I/O设备的I/O操作

10．下列关于通道、设备、设备控制器三者之间的关系叙述中正确的是（）。

（A）设备控制器和通道可以分别控制设备

（B）设备控制器控制通道和设备一起工作

（C）通道控制设备控制器，设备控制器控制设备

（D）设备控制器控制通道，通道控制设备

二、选择所有正确的答案

1．下列哪一个选项是引入缓冲的原因（）。

（A）缓和CPU和I/O设备间速度不匹配的矛盾

（B）减少对CPU的中断频率，放宽对中断响应时间的限制

（C）减少CPU对I/O控制的干预

（D）提高CPU和I/O设备之间的并行性

2．从设备分配的角度来看，设备分成（）。

A．独享设备B.系统设备

C．用户设备D.共享设备

E．虚拟设备

3．在操作系统中，下列选项属于软件机制的是（）。

（A）缓冲池（B）通道技术

（C）覆盖技术（D）Spooling技术

4．下列哪种设备是从设备分配策略角度来说的（）。

（A）系统设备（B）独享设备

5．下列关于通道、设备、设备控制器三者之间的关系叙述中正确的是（）。

（A）控制器和通道可以分别控制设备

（B）控制器、通道和设备一起工作

（C）通道控制设备控制器，设备控制器控制设备

6．在假脱机I/O技术中，对打印机的操作实际上是用对磁盘存储的访问。

那么，用以替代打印机的部分通常称作（）。

（A）共享设备（B）独占设备

（C）虚拟设备（D）物理设备

7．下列存储设备中，适合作为共享设备