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第4章 设备管理
第4章习题解答
一、填空
1．磁带、磁盘这样的存储设备都是以 块 为单位与内存进行信息交换的。
2．根据用户作业发出的磁盘I/O请求的柱面位置，来决定请求执行顺序的调度，被称为 移臂 调度。
3．DMA控制器在获得总线控制权的情况下能直接与 内存储器 进行数据交换，无需CPU介入。
4．在DMA方式下，设备与内存储器之间进行的是 成批 数据传输。
5．通道程序是由 通道 执行的。
6．通道是一个独立与CPU的、专门用来管理 输入/输出操作 的处理机。
7．缓冲的实现有两种方法：一种是采用专门硬件寄存器的硬件缓冲，一种是在内存储器里开辟一个区域，作为专用的I/O缓冲区，称为 软件缓冲 。
8．设备管理中使用的数据结构有系统设备表（SDT）和 设备控制块（DCB） 。
9．基于设备的分配特性，可以把系统中的设备分为独享、共享和 虚拟 三种类型。
10．引起中断发生的事件称为 中断源 。

二、选择
1．在对磁盘进行读/写操作时，下面给出的参数中， C 是不正确的。
A． 柱面号 B．磁头号 C．盘面号 D．扇区号
2．在设备管理中，是由 B 完成真正的I/O操作的。
A．输入/输出管理程序 B．设备驱动程序
C．中断处理程序 D．设备启动程序
3．在下列磁盘调度算法中，只有 D 考虑I/O请求到达的先后次序。
A．最短查找时间优先调度算法 B．电梯调度算法
C．单向扫描调度算法 D．先来先服务调度算法
4．下面所列的内容里， C 不是DMA方式传输数据的特点。
A．直接与内存交换数据 B．成批交换数据
C．与CPU并行工作 D．快速传输数据
5．在CPU启动通道后，由 A 执行通道程序，完成CPU所交给的I/O任务。
A． 通道 B．CPU C．设备 D．设备控制器
6．利用SPOOL技术实现虚拟设备的目的是 A 。
A．把独享的设备变为可以共享 B．便于独享设备的分配
C．便于对独享设备的管理 D．便于独享设备与CPU并行工作
7．通常，缓冲池位于 C 中。
A．设备控制器 B．辅助存储器 C．主存储器 D．寄存器
8． B 是直接存取的存储设备。
A．磁带 B．磁盘 C．打印机 D．键盘显示终端
9．SPOOLING系统提高了 A 的利用率。
A．独享设备 B．辅助存储器 C．共享设备 D．主存储器
10．按照设备的 D 分类，可将系统中的设备分为字符设备和块设备两种。
A．从属关系 B．分配特性 C．操作方式 D．工作特性
三、问答
1．基于设备的从属关系，可以把设备分为系统设备与用户设备两类。根据什么来区分一个设备是系统设备还是用户设备呢？
答：所谓“系统设备”，是指在操作系统生成时就已被纳入系统管理范围的设备；所谓“用户设备”是指在完成应用任务过程中，用户特殊需要的设备。因此，判定一个设备是系统设备还是用户设备，依据是它在系统生成时，是否已经纳入了系统的管理范围。如果是，它就是系统设备；如果不是，它就是用户设备。
2．设备管理的主要功能是什么？
答：设备管理的主要功能是：（1）提供一组I/O命令，以便用户进程能够在程序中提出I/O请求，这是用户使用外部设备的“界面”；（2）记住各种设备的使用情况，实现设备的分配与回收；（3）对缓冲区进行管理，解决设备与设备之间、设备与CPU之间的速度匹配问题；（4）按照用户的具体请求，启动设备，通过不同的设备驱动程序，进行实际的I/O操作；I/O操作完成之后，将结果通知用户进程，从而实现真正的I/O操作。
3．试分析最短查找时间优先调度算法的“不公平”之处。例如例4-1里，原来磁臂移到16柱面后，下一个被处理的I/O请求是柱面1。假定在处理16柱面时，到达一个对柱面8的I/O新请求，那么下一个被处理的就不是柱面1而是柱面8了。这有什么弊端存在？
答：最短查找时间优先调度算法，只考虑各I/O请求之间的柱面距离，不去过问这些请求到达的先后次序。这样一来，可能会出现的弊端是磁头总是关照邻近的I/O请求，冷待了早就到达的、位于磁盘两头的I/O请求。这对于它们来说，当然是“不公平”的。
4．总结设备和CPU在数据传输的4种方式中，各自在“启动、数据传输、I/O管理以及善后处理”各个环节所承担的责任。
答：使用“程序循环测试”的方式来进行数据传输，不仅启动、I/O管理和善后处理等工作要由CPU来承担，即使在数据传输时，CPU也要做诸如从控制器的数据寄存器里取出设备的输入信息，送至内存；将输出的信息，从内存送至控制器的数据寄存器，以供设备输出等工作。因此，在这种方式下，CPU不仅要花费大量时间进行测试和等待，并且只能与设备串行工作，整个计算机系统的效率发挥不出来。
使用“中断”的方式来进行数据传输，启动、I/O管理以及善后处理等工作仍然要由CPU来承担，但在设备进行数据传输时，CPU和外部设备实行了并行工作。在这种方式下，CPU的利用率有了一定的提高。
使用“直接存储器存取（DMA）”的方式来进行数据传输，I/O的启动以及善后处理是CPU的事情，数据传输以及I/O管理等事宜均由DMA负责实行。不过，DMA方式是通过“窃取”总线控制权的办法来工作的。在它工作时，CPU被挂起，所以并非设备与CPU在并行工作。因此，在一定程度上影响了CPU的效率。
使用“通道”方式来进行数据传输，在用户发出I/O请求后，CPU就把该请求全部交由通道去完成。通道在整个I/O任务结束后，才发出中断信号，请求CPU进行善后处理。这时CPU对I/O请求只去做启动和善后处理工作，输入/输出的管理以及数据传输等事宜，全部由通道独立完成，并且真正实现了CPU与设备之间的并行操作。
5．用户程序中采用“设备类，相对号”的方式使用设备有什么优点？
答：在用户程序中采用“设备类，相对号”的方式使用设备的优点是：第一，用户不需要记住系统中每一台设备的具体设备号，这是非常麻烦的事情；第二，在多道程序设计环境下，用户并不知道当前哪一台设备已经分配，哪一台设备仍然空闲。通过“设备类，相对号”来提出对设备的使用请求，系统就可以根据当前的具体情况来分配，从而提高设备的使用效率；第三，用户并不知道设备的好坏情况。如果是用“绝对号”指定具体的设备，而该设备正好有故障时，这次I/O任务就不可能完成，程序也就无法运行下去。但通过“设备类，相对号”来提出对设备的使用请求，系统就可以灵活处理这种情况，把好的设备分配出去。
6．启动磁盘执行一次输入/输出操作要花费哪几部分时间？哪个时间对磁盘的调度最有影响？
答：执行一次磁盘的输入/输出操作需要花费的时间包括三部分：（1）查找时间；（2）等待时间；（3）传输时间。在这些时间中，传输时间是设备固有的特性，无法用改变软件的办法将它改进。因此，要提高磁盘的使用效率，只能在减少查找时间和等待时间上想办法，它们都与I/O在磁盘上的分布位置有关。由于磁臂的移动是靠控制电路驱动步进电机来实现，它的运动速度相对于磁盘轴的旋转来讲较缓慢。因此，查找时间对磁盘调度的影响更为主要。
7．解释通道命令字、通道程序和通道地址字。
答：所谓“通道命令字”，是指通道指令系统中的指令。只是为了与CPU的指令相区别，才把通道的指令改称为“通道命令字”。
若干条通道命令字汇集在一起，就构成了一个“通道程序”，它规定了设备应该执行的各种操作和顺序。
通常，通道程序存放在通道自己的存储部件里。当通道中没有存储部件时，就存放在内存储器里。这时，为了使通道能取得通道程序去执行，必须把存放通道程序的内存起始地址告诉通道。存放这个起始地址的内存固定单元，被称为“通道地址字”。
8．何为DMA？通道与DMA有何区别？
答：所谓“DMA”，是指“直接存储器存取”的数据传输方式，其最大特点是能使I/O设备直接和内存储器进行成批数据的快速传输。适用于一些高速的I/O设备，如磁带、磁盘等。通道方式与DMA方式之间的区别如下。
（1）在DMA方式下，数据传输的方向、传输长度和地址等仍然需要由CPU来控制。但在通道方式下，所需的CPU干预大大减少。
（2）在DMA方式下，每台设备要有一个DMA控制器。当设备增加时，多个DMA控制器的使用，显然不很经济；但在通道方式下，一个通道可以控制多台设备，这不仅节省了费用，而且减轻了CPU在输入/输出中的负担。
（3）在DMA方式下传输数据时，是采用“窃取”总线控制权的办法来工作的。因此，CPU与设备之间并没有实现真正的并行工作；在通道方式下，CPU把I/O任务交给通道后，它就与通道就真正并行工作。
9．解释记录的成组与分解。为什么要这样做？
答：往磁带、磁盘上存放信息时，经常是把若干个记录先在内存缓冲区里拼装成一块，然后再写到磁带或磁盘上。存储设备与内存储器进行信息交换时，就以块为单位。这个把记录拼装成块的过程，被称为是“记录的成组”。
从磁带、磁盘上读取记录时，先是把含有那个记录的块读到内存的缓冲区中，在那里面挑选出所需要的记录，然后把它送到内存存放的目的地。这个把记录从缓冲区里挑选出来的过程，被称为是“记录的分解”。
之所以这样做，一是为了提高存储设备的存储利用率；二是减少内、外存之间信息交换次数，提高系统的效率。
10．试述SPOOL系统中的3个组成软件模块各自的作用。
答：SPOOLING系统中的3个软件模块是预输入程序、缓输出程序和井管理程序。它们各自的作用如下。
（1）预输入程序预先把作业的全部信息输入到磁盘的输入井中存放，以便在需要作业信息以及作业运行过程中需要数据时，可以直接从输入井里得到，而无需与输入机交往，避免了等待使用输入机的情况发生。
（2）缓输出程序总是查看“输出井”中是否有等待输出的作业信息。如果有，就启动输出设备（如打印机）进行输出。因此，由于作业的输出是针对输出井进行的，所以不会出现作业因为等待输出而阻塞的现象。
（3）井管理程序分为“井管理读程序”和“井管理写程序”。当作业请求输入设备工作时，操作系统就调用井管理读程序，把让输入设备工作的任务，转换成从输入井中读取所需要的信息；当作业请求打印输出时，操作系统就调用井管理写程序，把让输出设备工作的任务，转换成为往输出井里输出。
四、计算
1．在例4-1里，对电梯调度算法只给出了初始由外往里移动磁臂时的调度结果。试问如果初始时假定是由里往外移动磁臂，则调度结果又是什么？
解：这时调度的顺序是11→9→1→12→16→34→36，总共划过的柱面数是：
2+8+11+4+18+2=45
2．磁盘请求以10、22、20、2、40、6、38柱面的次序到达磁盘驱动器。移动臂移动一个柱面需要6ms，实行以下磁盘调度算法时，各需要多少总的查找时间？假定磁臂起始时定位于柱面20。
（a）先来先服务；
（b）最短查找时间优先；
（c）电梯算法（初始由外向里移动）。
解：（a）先来先服务时，调度的顺序是20→10→22→20→2→40→6→38，总共划过的柱面数是：
10+12+2+18+38+34+32=146
因此，总的查找时间为：146×6=876ms。
（b）最短查找时间优先时，调度的顺序是20→22→10→6→2→38→40（由于磁臂起始时定位于柱面20，所以可以把后面第20柱面的访问立即进行），总共划过的柱面数是：
2+12+4+4+36+2=60
因此，总的查找时间为：60×6=360ms。
（c）电梯算法（初始由外向里移动）时，调度的顺序是20→22→38→40→10→6→2（由于磁臂起始时定位于柱面20，所以可以把后面第20柱面的访问立即进行），总共划过的柱面数是：
2+16+2+30+4+4=58
因此，总的查找时间为：58×6=348ms。
3．假定磁盘的移动臂现在处于第8柱面。有如下表所示的6个I/O请求等待访问磁盘，试列出最省时间的I/O响应次序。

序 号
柱 面 号
磁 头 号
扇 区 号
1
9
6
3
2
7
5
6
3
15
20
6
4
9
4
4
5
20
9
5
6
7
15
2

解：由于移动臂现在处于第8柱面，如果按照“先来先服务”调度算法，对这6个I/O的响应次序应该是8→9→7→15→9→20→7；如果是按照“最短查找时间优先”调度算法，对这6个I/O的响应次序可以有两种，一是8→9→7→15→20（到达9时完成1和4的请求，到达7时完成2和6的请求），二是8→7→9→15→20（到达7时完成2和6的请求，到达9时完成1和4的请求）；如果按照“电梯”调度算法，对这6个I/O的响应次序可以有两种，一是8→9→15→20→7（由里往外的方向，到达9时完成1和4的请求，到达7时完成2和6的请求），二是8→7→9→15→20（由外往里的方向，到达7时完成2和6的请求，到达9时完成1和4的请求）；如果按照“单向扫描”调度算法，对这6个I/O的响应次序是8→9→15→20→0→7。对比后可以看出，实行8→7→9→15→20的响应次序会得到最省的时间，因为这时移动臂的移动柱面数是：
1+2+6+5 = 14

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