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1、第五章 设备管理习题1. 简略叙述I/O操作的演变过程：查询方式中断方式通道方式，并分析对于多道程序设计所带来的影响。答：I/O操作最早为查询方式，将待传输的数据放入I/O寄存器并启动设备，然后反复测试设备状态寄存器直至完成。采用这种方式，处理机与设备之间是完全串行的。伴随设备中断处理机的能力，产生了中断I/O方式。CPU在启动设备后，可从事其它计算工作，设备与CPU并行，当设备I/O操作完成时，向CPU发送中断信号，处理机转去进行相应处理，然后可能再次启动设备传输。中断使多道程序设计成为可能：一方面中断使操作系统能够获得处理机控制权，另一方面通过I/O中断可以实现进程状态的转换。中断使处理机
2、与设备之间的并行成为可能，但I/O操作通常以字节为单位，当设备很多时对处理机打扰很多，为此人们设计了专门处理I/O传输的处理机通道。通道具有自己的指令系统，可以编写通道程序，一个通道程序可以控制完成许多I/O传输，只在通道程序结束时，才向处理机发生一次中断。2. 通道与DMA之间有何共同点？有何差别？答：通道与DMA都属于多数据I/O方式，二者差别在于：通道控制器具有自己的指令系统，一个通道程序可以控制完成任意复杂的I/O传输，而DMA并没有指令系统，一次只能完成一个数据块传输。3、假定一磁盘有200个柱面，编号为0199，当前存取臂的位置在143号柱面上，并刚刚完成125号柱面的服务请求，如
3、果请求队列的先后顺序是：86，147，91，177，94，150，102，175，130试问：为完成上述请求，下列算法存取臂移动的总量是多少？并写出存取臂移动的顺序。(1) FCFS;(2) SSTF;(3) SCAN;解：(1)565 即145861479117794150102175130(2)162 即143147150130102949186175177169 即 (3)1431471501751771301029491864. 独占型设备利用率低的原因何在? 虚拟技术为何能提高独占型设备的利用率? 输入型和输出型虚拟设备各是如何实现的?答：用户直接使用独占型设备的方式是在申请命令与释
4、放命令之间进程将一直占用所申请到的独占型设备，这种设备使用方式有如下两个主要缺点：(1)由于独占型设备速度较慢，进程在执行使用命令时需要花费较长时间等待I/O传输完成，因而影响进程推进速度；(2)由于在各个使用命令之间可能夹杂着与该设备无关的操作(如计算、操作其它设备等)，进程在占有该设备的期间内不一定一直使用该设备，因而降低了设备的利用率。为克服上述缺点，引入了虚拟设备。利用共享型设备实现的数量较多、速度较快的独占型设备称为虚拟设备。其基本思想是在独占型设备与内存进程之间加入一个共享型设备作为过渡，因为共享型设备速度很快，所以进程I/O传输所需等待时间较短，提高了进程推进速度。另外由于信息在
5、独占型设备与共享型设备之间的传输是连续进行的，即独占型设备被占用期间一直被使用，因而提高了设备资源的利用率。(1）输入型虚拟设备实现对于输入型虚拟设备来说，信息的流向是由独占型设备到共享型设备，再由共享型设备到进程空间。假定用于输入的独占型设备为读卡机，用于实现虚拟设备的共享型设备是磁盘。 对于进程所发出的申请命令、使用命令及释放命令，系统所需完成的工作如下：申请：分配一台虚拟设备(盘区)，分配一台实设备(读卡机)，将信息由实设备(读卡机)连续地传输到虚拟设备(盘区)，释放实设备(读卡机)。使用：将信息由虚拟设备(盘区)传输到进程空间。释放：收回虚拟设备(盘区)。(2）输出型虚拟设备实现对于输
6、出型虚拟设备来说，信息的流向是由进程空间到共享型设备，再由共享型设备到独占型设备. 假定用于输出的独占型设备为打印机，用于实现虚拟设备的共享型设备是磁盘. 对于进程所发出的申请命令、使用命令及释放命令，系统所需完成的工作如下：申请：分配一台虚拟设备(盘区)。使用：将信息由进程空间传输到虚拟设备(盘区)。释放：分配一台实设备(打印机)，信息全部由虚拟设备传输到实设备(打印机)，收回实设备(打印机)，收回虚拟设备(盘区域)。5.在下述三种类型通道中，哪种类型支持通道程序的并发执行? (1) 字节多路通道 (2) 数据选择通道 (3) 数组多路通道答：(1) 字节多路通道(byte multiple
7、xor channel)：通道中含有许多非分配型子通道，每个子通道所连接的I/O设备以字节为单位，分时间地与通道交换数据，主要用于连接低速I/O设备，通道程序可以并发执行。(2) 数组选择通道(block selector channel)：其所连的I/O设备是以块为单位与通道交换数据。用于连接多台高速设备，但其中只有一个分配型子通道，在一段时间内只能执行一道通道程序。(3) 数组多路通道(block multiplexor channel)：所连外部设备以块为单位与通道交换数据. 用于连接多台高速设备，允许几个通道程序分时并行工作。6.用户申请独占型设备为何不指定具体设备，而仅指定设备类别?
8、答：进程申请独占型设备资源时，应当指定所需设备的类别，而不是指定某一具体的设备编号，系统根据当前请求以及资源分配情况在相应类别的设备中选择一个空闲设备并将其分配给申请者，这称作设备无关性。这种分配方案具有如下两个优点: (1) 提高设备资源利用率，假设申请者指定具体设备，被指定的设备可能正被占用，因而无法得到，而其它同类设备可能空闲，造成资源浪费和进程不必要的等待；(2) 程序与设备无关，假设申请者指定具体设备，而被指定设备已坏或不联机，则需要修改程序。7.为何不允许用户程序直接执行设备驱动指令?答：(1)系统中的设备可能被多个进程所共享，例如磁盘就是这样的设备。如果允许用户程序直接执行设备驱
9、动指令，那么就有可能损坏设备。(2)设备操作涉及很复杂的驱动过程，一般用户编写驱动程序是很大的负担，操作系统的目标是方便用户使用计算机系统，因而提供标准驱动程序。8.何谓“磁道粘着”? 假设每个磁道各有一个磁头，是否还存在磁道粘着问题?答：在最短查找时间优先(SSTF)等磁盘引臂调度算法中，磁头引臂可能长时间停留在磁盘的某些磁道局部，而不光顾另外一些磁道。例如，某一时刻外磁道请求不断，则内磁道请求可能长时间得不到满足，这种现象称为“磁道粘着”。假若每个磁道各有一个磁头，则不存在磁道粘着问题。9.处理机与通道之间是如何通讯的? 通道与处理机之间呢?答：通道与处理机之间相对独立，通道程序的执行可与
10、处理机的操作并行；因为一个系统中可能有多个通道，这些通道也可并行地执行相应的通道程序。通常，通道程序形成之后，处理机将通道程序的起始地址放到内存指定单元处，然后执行通道启动指令使通道开始工作。通道被启动之后由指定单元取来通道程序的起始地址，并放入通道地址字CAW中，由此依次地执行各条通道指令。当通道程序执行完毕，或执行到通道结束指令时，产生通道中断信号，该信号发给处理机，处理机响应中断后取出中断字，分析中断原因并进行相应的中断处理。10.假设要修改某一磁盘块上的一部分，而其它部分保持原内容不变，应当如何做?答：首先将该磁盘块内容读入内存缓冲区，然后在内存中修改相关内容，最后将修改后的缓冲区完整
11、地回写到磁盘中。11. 什么叫缓冲(buffering)? 缓冲与缓存(caching)有何差别?答：利用存储区缓解数据到达速度与离去速度不一致而采用的技术称为缓冲，此时同一数据只包含一个拷贝。例如，操作系统以缓冲方式实现设备的输入和输出操作主要是缓解处理机与设备之间速度不匹配的矛盾，从而提高资源利用率和系统效率。缓存是为提高数据访问速度而将部分数据由慢速设备预取到快速设备上的技术，此时同一数据存在多个拷贝。例如，远程文件的一部分被取到本地。当然，在有些情况下，缓冲同时具有缓存的作用。例如UNIX系统对于块型设备的缓冲区，在使用时可保持与磁盘块之间的对应关系，既有缓冲的作用也有缓存的作用，通过
12、预先读与延迟写技术，进一步提高了I/O效率。12. 与为每个设备配置一个(或若干个)缓冲区相比，采用可为多个设备共用的缓冲池有何优点?答：将一个缓冲区与一个固定的设备相联系，不同设备使用不同的缓冲区，这种缓冲区管理模式称为私用缓冲。私用缓冲利用率低，某一执行I/O传输的设备，其私用缓冲区可能不够，而另外未执行I/O操作的设备，其私用缓冲区被闲置导致浪费。为提高缓冲区的利用率，通常不将缓冲区与某一个具体设备固定地联系在一起，而是将所有缓冲区集中起来加以管理，按需要动态分派给正在进行I/O传输的设备，系统中的共用缓冲区集合被称为缓冲池(buffer pool)。13. 在系统中缓冲区空间总长度固定
13、的前提下，一个缓冲区过大或过小各有何优点和缺点?答：缓冲区过大会造成资源浪费（平均浪费半个缓冲区容量），但是能减少I/O传输次数；缓冲区过小则会因I/O传输次数增多而增加系统开销，另外缓冲区过小会引缓冲链指针过多而浪费缓冲空间。14. 某磁盘组共有200个柱面，由外至内依次编号为0,199。I/O请求以10,100,191,31,20,150,32的次序到达，假定引臂当前位于柱面98处，对FCFS,SSTF,SCAN调度算法分别给出寻道示意图，并计算总移动量。对SCAN假定引臂当前移动方向由外向内。FCFS磁盘调度算法寻道示意图总移动量=（98-10）+（100-10）+（191-100）+（191-31）+（31-20）+（150-20）+（150-32）=88+90+91+160+9+130+118=686 SSTF磁盘调度算法寻道示意图总移动量=（100-98）+（150-100）+（191-150）+（191-32）+（32-31）+（31-20）+（20-10）=2+50+41+159+1+9+10=272SCAN磁盘调度算法寻道示意图总移动量=（100-98）+（150-100）+（191-150）+（199-191）+（199-32）+（32-31）+（31-20）+（20-10）=2+50+41+8+167+1+9+10=288
