操作系统第5章

第五章设备管理1、试说明设备控制器的组成。

P163答：设备控制器的组成由设置控制器与处理机的接口；设备控制器与设备的接口；I/O 逻辑。

2、为了实现CPU与设备控制器间的通信，设备控制器应具备哪些功能？P162-P163 答：基本功能：接收和识别命令；数据交换；标识和报告设备的状态；地址识别；数据缓冲；差错控制。

3、什么是字节多路通道？什么是数组选择通道和数组多路通道？P164-P165 答：1、字节多路通道：这是一种按字节交叉方式工作的通道。

它通常都含有许多非分配型子通道，其数量可从几十到数百个，每个子通道连接一台I/O 设备，并控制该设备的I/O 操作。

这些子通道按时间片轮转方式共享主通道。

只要字节多路通道扫描每个子通道的速率足够快，而连接到子通道上的设备的速率不是太高时，便不致丢失信息。

2、数组选择通道：字节多路通道不适于连接高速设备，这推动了按数组方式进行数据传送的数组选择通道的形成。

3、数组多路通道：数组选择通道虽有很高的传输速率，但它却每次只允许一个设备数据。

数组多路通道是将数组选择通道传输速率高和字节多路通道能使各子通道（设备）分时并行操作的优点相结合而形成的一种新通道。

它含有多个非分配型子通道，因而这种通道既具有很多高的数据传输速率，又能获得令人满意的通道利用率。

4、如何解决因通道不足而产生的瓶颈问题？P166答：解决“瓶颈”问题的最有效的方法，便是增加设备到主机间的通路而不增加通道，就是把一个设备连接到多个控制器上，而一个控制器又连接到多个通道上。

多通路方式不仅解决了“瓶颈”问题。

而且提高了系统的可靠性，因为个别通道或控制器的故障不会使设备和存储器之间没有通路。

5、试对VESA及PCI两种总线进行比较。

P167答：1、VESA 该总线的设计思想是以低价位迅速点领市场。

VESA 总线的带宽为32 位，最高传输速率为132Mb/s。

VESA 总线仍存在较严重的缺点，它所能连接的设备数仅为2—4 台，在控制器中无缓冲，故难于适应处理器速度的不断提高，也不能支持后来出现的Pentium 微机。

第5章习题解答一、填空1．一个文件的文件名是在创建该文件时给出的。

2．所谓“文件系统”，由与文件管理有关的那部分软件、被管理的文件以及管理所需要的数据结构三部分组成。

3．块是辅助存储器与内存之间进行信息传输的单位。

4．在用位示图管理磁盘存储空间时，位示图的尺寸由磁盘的总块数决定。

5．采用空闲区表法管理磁盘存储空间，类似于存储管理中采用可变分区存储管理方法管理内存储器。

6．操作系统是通过文件控制块（FCB）感知一个文件的存在的。

7．按用户对文件的存取权限将用户分成若干组，规定每一组用户对文件的访问权限。

这样，所有用户组存取权限的集合称为该文件的存取控制表。

8．根据在辅存上的不同存储方式，文件可以有顺序、链接和索引三种不同的物理结构。

9．如果把文件视为有序的字符集合，在其内部不再对信息进行组织划分，那么这种文件的逻辑结构被称为“流式文件”。

10．如果用户把文件信息划分成一个个记录，存取时以记录为单位进行，那么这种文件的逻辑结构称为“记录式文件”。

二、选择1．下面的 B 不是文件的存储结构。

A．索引文件B．记录式文件C．串联文件D．连续文件2．有一磁盘，共有10个柱面，每个柱面20个磁道，每个盘面分成16个扇区。

采用位示图对其存储空间进行管理。

如果字长是16个二进制位，那么位示图共需A字。

A．200 B．128 C．256 D．1003．操作系统为每一个文件开辟一个存储区，在它的里面记录着该文件的有关信息。

这就是所谓的 B 。

A．进程控制块B．文件控制块C．设备控制块D．作业控制块4．文件控制块的英文缩写符号是 C 。

A．PCB B．DCB C．FCB D．JCB5．一个文件的绝对路径名总是以 C 打头。

A．磁盘名B．字符串C．分隔符D．文件名6．一个文件的绝对路径名是从 B 开始，逐步沿着每一级子目录向下，最后到达指定文件的整个通路上所有子目录名组成的一个字符串。

A．当前目录B．根目录C．多级目录D．二级目录7．从用户的角度看，引入文件系统的主要目的是D 。

第五章一填空题1.对打印机的I/O控制方式常采用中断驱动I/O控制方式，对磁盘的I/O控制方式常采用直接存储器访问I/O方式。

2.DMA是指允许CPU和I/O设备之间直接交换数据的设备。

在DMA中必须设置地址寄存器，用于存放由内存到设备的内存源地址，还必须设置数据寄存器，用来暂存交换的数据。

3.设备控制器是CPU和I/O设备之间的接口，它接受来自CPU的I/O命令，并用于控制I/O设备的工作。

4.缓冲池中的每个缓冲区由缓冲首部和缓冲体两部分组成。

5.I/O软件通常被组织成用户层软件、设备独立性软件、设备驱动程序和中断处理程序四个层次6.驱动程序与I/O设备的I/O控制方式紧密相关，如果计算机中连有3个同种类型的彩色终端和2个同种类型的黑白终端，则可以为它们配置2个设备驱动程序。

7.为实现设备分配，系统中应配置设备控制表和系统设备表的数据结构，为实现控制器和通道的分配，系统还应配置控制器控制表和通道控制表的数据结构。

8.除了设备的独立性外，在设备分配时还应考虑设备的固有属性、设备分配算法和设备分配的安全性三种因素。

9.为实现设备独立性，在系统中必须设置逻辑设备表，通常它包括逻辑设备名、物理设备名和设备驱动程序的入口地址三项。

10.SPOOLing系统是由磁盘中的输入井和输出井,内存中的输入缓冲区和输出缓冲区以及输入进程SPi和输出进程SPo组成的。

11.实现后台打印时，SPOOLing系统中的输出进程只为请求I/O的进程做两件事：(1)为之在输出井中申请一空闲磁盘块区，并将要打印的数据送入其中；(2)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表中，再将排在请求打印队列中。

12.磁盘的访问时间由寻道时间、旋转延迟时间和传输时间三部分组成，其中占比重比较大的是寻道时间，故从磁盘调度的目标为使磁盘的平均寻道时间最少。

13.在磁盘调度中，选择优先为离当前磁头最近的磁道上的请求服务的算法为最短寻道时间优先(SSTF)算法，这种算法的缺点是会产生饥饿现象，选择优先为当前磁头移动方向上，离当前磁头最近的磁道上请求服务的算法为扫描(SCAN)算法。

第五章参考答案1、设备控制器位于设备与CPU之间，它要与CPU、设备进行通信。

设备控制器一般都由3部分构成：设备控制器与CPU的接口、设备控制器与设备的接口、I/O逻辑。

2、设备控制器应具备下列功能1）接收与识别命令：接收与识别CPU发送的命令，这些命令放在寄存器中。

由设备驱动程序进行解释与执行。

2）交换数据：3）标识与报告设备状态4）地址识别：如内存的每一个单元都有地址，每个设备已都有一个地址。

CPU就是通过这些地址来控制与识别设备。

5）数据缓冲：由于CPU和内存的速度较高，而I/O设备的速度较低，因此在他们中间必要通过缓冲区进行速度匹配。

6）差错控制9、引入缓冲主要原因有（1）缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。

凡是数据到达和离去速度不匹配的地方均可采用缓冲技术。

在操作系统中采用缓冲是为了实现数据的I/O操作，以缓解CPU与外部设备之间速度不匹配的矛盾，提高资源利用率（2）减少对CPU的中断次数（频率）。

14、1）安全分配方式：当进程发出I/O请求后，便进入阻塞状态，直到I/O完成才被唤醒。

不可能造成死锁2）不安全分配方式：在这种方式中，当进程提出I/O请求后，仍然进行运行，需要时又提出第二个I/O请求。

可能造成死锁。

设备独立性是指应用程序独立于具体使用的物理设备。

引入设备独立性有二：1）设备分配具有灵活性：当进程以物理设备名来请求某设备时，如果该设备已经分配，而尽管这是还有其它的相同设备正在空闲（但名字不同），该进程仍然要被阻塞。

但如果用逻辑设备名来请求，系统就会从这类设备中进行分配。

2）易于实现I/O重定向：/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。

为了实现设备独立性必须引入逻辑设备与物理设备（设备的独立性是通过逻辑设备来实现的）。

在应用程序中使用的是逻辑设备（通过逻辑设备名来请求设备）；而系统执行时，是使用的物理设备。

因此必须有将逻辑设备转化为物理设备的功能（OS要做的事情）将一台物理I/O设备虚拟为多个逻辑I/O设备，让多个用户共享一台物理I/O设备，实现设备虚拟的关键技术是SPOOLing技术。

第五章08软一裴晓禹并发性：互斥和同步Concurrency: Mutual Exclusion and Synchronization１并发性的概述：1：操作系统设计中的核心问题是关于进程和线程的管理：The central themes of operating system design are all concerned with themanagement of processes and threads:1：多道程序设计技术。

Multiprogramming2：多处理技术。

Multiprocessing3：分布式处理技术。

Distributed processing2：操作系统的基础是并发性。

Fundamental to operating system design is concurrency3：支持并发进程的基本需求是加强互斥的能力。

The Basic requirement for support of concurrency is the ability to enforce mutual exclusion2：并发出现在以下三种不同的上下文中：1：多个应用程序2：结构化应用程序3：操作系统结构3：并发性原理1：交替。

2：重叠。

3：多道程序设计系统的一个基本特性：进程的相对执行速度不可预测。

4：并发性带来的困难1：全局资源的共享充满了危险。

2：粗奥做系统很难对分配资源进行最优化的管理。

3：定位程序设计错误时非常困难的。

5：一个简单的例子：另一个简单的例子：6:竞争条件：1：定义：竞争条件发生在当多个进程或者线程在读写数据时，其最终的结果依赖于多个进程指令的执行顺序。

2：紊乱状况的解决方案：控制资源共享的通道。

7：进程的交互：进程之间相互之间知道对方是否存在的程度的三种情况： 1：进程之间相互不知道对方。

2：进程简介知道对方。

3：进程直接知道对方。

竞争合作合作8：进程中资源的争用——互斥1：临界区：critical sections部分程序进入共享区域1：一次只允许有一个程序在临界区中。

第五章存储管理作业答案2、6、10、13、15、162、解释下列概念：物理地址、逻辑地址、逻辑地址空间、内存空间、重定位、静态重定位、动态重定位、碎片、紧缩、可重定位地址。

物理地址——内存中各存储单元的地址由统一的基地址顺序编址，这种地址称为物理地址。

逻辑地址——用户程序经编译之后的每个目标模块都以0为基地址顺序编址，这种地址称为逻辑地址。

逻辑地址空间——由程序中逻辑地址组成的地址范围叫做逻辑地址空间。

内存空间——由内存中的一系列存储单元所限定的地址范围称作内存空间。

重定位——把逻辑地址转变为内存物理地址的过程叫做重定位。

静态重定位——在目标程序装入内存时所进行的重定位。

动态重定位——在程序执行期间，每次访问内存之前进行的重定位。

碎片——在分区法中，内存出现许多容量太小、无法被利用的小分区称作“碎片”。

紧缩——移动某些已分配区的内容，使所有作业的分区紧挨在一起，而把空闲区留在另一端，这种技术称为紧缩。

可重定位地址——当含有它的程序被重定位时，将随之被调整的一种地址。

6、什么是虚拟存储器？它有哪些基本特征？参考答案：虚拟存储器是用户能作为可编址内存对待的虚拟存储空间，在这种计算机系统中实现了用户逻辑存储器与物理存储器分离，它是操作系统给用户提供的一个比真实内存空间大得多的地址空间。

虚拟存储器的基本特征是：虚拟扩充——不是物理上，而是逻辑上扩充了内存容量；部分装入——每个作业不是全部一次性地装入内存，而是只装入一部分；离散分配——不必占用连续的内存空间，而是“见缝插针”；多次对换——所需的全部程序和数据要分成多次调入内存。

10、某虚拟存储器的用户编程空间共32个页面，每页为1KB，内存为16KB。

假定某时刻一个用户页表已调入内存的页面页号和物理块号如表5-1所示。

则逻辑地址0A5C(H)所对应的物理地址为。

表5-1 页表中页号和物理块号对照表参考答案：0A5C(H)换成二进制：页号为2，查表，对应物理块号为4，与页内地址拼接成物理地址：再转换为十六进制，即125C(H)13、已知段表如表5-2所示。

第五章一、问答题1、简述页式虚拟存储管理的基本原理。

2、交换扩充了内存，因此，交换也实现了虚拟存储器。

这句话对吗？不对。

交换是把各个进程完整地调入内存，运行一段时间，再放回磁盘上。

虚拟存储器是使进程在只有一部分在内存的情况下也能运行。

交换是把整个进程换入换出主存。

而虚拟存储器的基本思想是程序的大小可以超过物理内存的大小，操作系统把程序的一部分调入主存来运行，而把其他部分保留在磁盘上。

故交换并未实现虚拟存储器。

3、简述虚拟存储器的实现原理。

4、简述快表的作用。

5、什么是紧凑？什么时候紧凑？6、比较存储管理中的连续分配和离散分配方式。

7、当系统中的地址空间非常大时（例如32位），会给页表的设计带来什么问题？请给出一个方案并分析其优缺点。

答：会导致页表过长从而很难找到一块连续的存储空间存放页表，此外如果页表中的行不连续也会加大访问页表的查找时间。

可以用多级页表解决这个问题，将页表分页，离散地存储在不同区域，同时建立另一张页表映射原来页表的每一页。

优点是不需要大块的连续空间，但并没有减少页表的空间，同时也增加了访存次数。

8、缺页中断和一般中断有什么区别？9、简述分页存储管理的基本思想和页表的作用。

10、交换扩充了内存，因此，交换也实现了虚拟存储器。

这句话对吗？11、叙述简单Clock置换算法的实现方案。

12、解释静态重定位与动态重定位。

13、什么叫紧凑，什么时候紧凑？14、为了实现虚拟页式存储管理，页表应该包含哪些内容？15、页和段有哪些区别？16、覆盖技术和交换技术的特点是什么？17、简述分页和分段的区别。

18、什么是紧凑？什么时候紧凑？19、简述虚拟存储器的定义。

20、简述分页和分段的区别21什么叫可重入代码？22、局部性原理可以体现在哪两个方面，其具体含义是什么？23、分页和分段的主要区别是什么？二、计算题1、现有一分页虚拟存取管理系统，其页表保存在寄存器中。

若有一个可用的空页或被替换的页未被修改，则它处理一个缺页中断需要8ms。

第五章设备管理3. 什么是字节多路通道？什么是数组选择通道和数组多路通道？a.字节多路通道含有许多非分配型子通道分别连接在低、中速I/O设备上，子通道按时间片轮转方式共享主通道，按字节方式进行数据传送。

当第一个子通道控制其I/O设备完成一个字节的交换后，便立即腾出字节多路通道（主通道），让给第二个子通道使用；当第二个子通道也交换完一个字节后，又依样把主通道让给第三个子通道使用，以此类推。

转轮一周后，重又返回由第一个子通道去使用主通道。

b.数组选择通道只含有一个分配型子通道，一段时间内只能执行一道通道程序、控制一台设备按数组方式进行数据传送。

通道被某台设备占用后，便一直处于独占状态，直至设备数据传输完毕释放该通道，故而通道利用率较低，主要用于连接多台高速设备。

c. 数组多路通道是将数组选择通道传输速率高和字节多路通道能使各子通道分时并行操作的优点相结合而形成的一种新通道。

其含有多个非分配型子通道分别连接在高、中速I/O设备上，子通道按时间片轮转方式共享主通道，按数组方式进行数据传送，因而既具有很高的数据传输速率，又能获得令人满意的通道利用率。

4. 如何解决因通道不足而产生的瓶颈问题？解决因通道不足而产生的瓶颈问题的最有效方法是增加设备到主机间的通路而不是增加通道。

换言之，就是把一个设备连接到多个控制器上，而一个控制器又连接到多个通道上。

这种多通路方式不仅可以解决该瓶颈问题，而且能够提高系统的可靠性，也即不会因为个别通道或控制器的故障而使设备与存储器之间无法建立通路进行数据传输。

6. 试说明I/O控制发展的主要推动因素是什么？促使I/O控制不断发展的几个主要因素如下：a.尽量减少CPU对I/O控制的干预，把CPU从繁杂的I/O控制中解脱出来，以便更多地去完成数据处理任务。

b.缓和CPU的高速性和设备的低速性之间速度不匹配的矛盾，以提高CPU的利用率和系统的吞吐量。

c.提高CPU和I/O设备操作的并行程度，使CPU和I/O设备都处于忙碌状态，从而提高整个系统的资源利用率和系统吞吐量。

第五章输入/输出习题1.芯片技术的进展已经使得将整个控制器包括所有总线访问逻辑放在一个便宜的芯片上成为可能。

这对于图1-5 的模型具有什么影响？答：（题目有问题，应该是图1-6 ）在此图中，一个控制器有两个设备。

单个控制器可以有多个设备就无需每个设备都有一个控制器。

如果控制器变得几乎是自由的，那么只需把控制器做入设备本身就行了。

这种设计同样也可以并行多个传输，因而也获得较好的性能。

2.已知图5-1 列出的速度，是否可能以全速从一台扫描仪扫描文档并且通过802.1 lg 网络对其进行传输?请解释你的答案。

答：太简单了。

扫描仪最高速率为400 KB/Sec ，而总线程和磁盘都为16.7MB/sec ，因此磁盘和总线都无法饱和。

3.图5-3b 显示了即使在存在单独的总线用于内存和用于I/O 设备的情况下使用内存映射I/O 的一种方法，也就是说，首先尝试内存总线，如果失败则尝试I/O总线。

一名聪明的计算机科学专业的学生想出了一个改进办法：并行地尝试两个总线，以加快访问I/O 设备的过程。

你认为这个想法如何？答：这不是一个好主意。

内存总线肯定比I/O 总线快。

一般的内存请求总是内CPU 要一直等待I/O 总线完成，那存总线先完成，而I/O 总线仍然忙碌。

如果就是将内存的性能降低为I/O 总线的水平。

4.假设一个系统使用DMA 将数据从磁盘控制器传送到内存。

进一步假设平均花费t2ns 获得总线，并且花费t1ns 在总线上传送一个字（t1>>t2 ）。

在CPU 对DMA 控制器进行编程之后，如果（a）采用一次一字模式，（b）采用突发模式，从磁盘控制器到内存传送1000 个字需要多少时间？假设向磁盘控制器发送命令需要获取总线以传输一个字，并且应答传输也需要获取总线以传输一个字。

答：（a）1000 ×[(t1+t2)+(t1+t2)+(t1+t2)]；第一个(t1+t2) 是获取总线并将命令发送到磁盘控制器，第二个(t1+t2) 是用于传输字，第三个(t1+t2) 是为了确认。

第5章操作系统习题P140-142一、复习题1、什么是操作系统？答：操作系统（Operating System，简称OS）是管理计算机系统资源、控制程序执行，改善人机界面，提供各种服务，合理组织计算机工作流程和为用户使用计算机提供良好运行环境的一类系统软件。

（P114）2、操作系统的基本功能是什么？答：操作系统是用户与计算机硬件之间的接口。

使得用户能够方便、可靠、安全、高效地操纵计算机硬件和运行自己的程序。

操作系统合理组织计算机的工作流程，协调各个部件有效工作，为用户提供一个良好的运行环境。

操作系统是计算机系统的资源管理者，负责管理包括处理器、存储器、I/O设备等硬件资源和程序和数据等软件资源，跟踪资源使用情况，监视资源的状态，满足用户对资源的需求，协调各程序对资源的使用冲突；为用户提供简单、有效使用资源统一的手段，最大限度地实现各类资源的共享，提高资源利用率。

（P115）3、操作系统的基本组成有哪些？答：操作系统构成的基本单位包括内核和进程、线程。

内核对硬件处理器及有关资源进行管理，给进程的执行提供运行环境。

进程是程序动态执行的过程。

（P114-115）4、操作系统如何分类？答：根据系统运行的方式分类，操作系统的基本类型有三种：批处理系统、分时系统和实时系统。

具备全部或兼有两者功能的系统称通用操作系统。

根据系统的运行环境分类的操作系统有：微机操作系统、网络操作系统、分布式操作系统和嵌入式操作系统。

（P116-117）5、什么是进程？它与程序是什么关系？答：进程是一个可并发执行的具有独立功能的程序关于某个数据集合的一次执行过程，也是操作系统进行资源分配和保护的基本单位。

程序是静态的概念，它以文件形式存在于辅助存储器中，进程是动态的概念，程序执行时创建进程，一个程序多次执行创建多个进程，这多个进程可同时存在于机器的内存中。

进行执行完成后结束，进程终止，但程序本身仍然存在，并不因进程的终止而消失。

（P119-124）6、什么是死锁？死锁产生的原因是什么？答：在系统运行过程中，多个进程间相互永久等待对方占用的资源而导致各进程都无法继续运行的现象称为“死锁”。