操作系统习题集锦2.docx
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操作系统习题集锦2
7.3习题及参考答案
【习题7-1】试画出微型机和主机中常用的I/O系统结构图。
答：
常用的I/O系统结构有两种，分别是总线型结构和通道型结构，如图7-1和图7-2所示。
图7-1图7-2
【习题7-2】试说明设备控制器的构成。
答：
设备控制器的构成包括：
①设备控制器与CPU的接口；②设备控制器与设备的接口；③输出/输出逻辑（如图7-3所示）。
图7-3
【习题7-3】为了实现CPU与设备控制器之间的通信，设备控制器应具有哪些功能？
答：
为了实现CPU与设备控制器之间的通信，设备控制器应具有以下4方面的功能：
①接收和识别来自CPU的命令；
②进行数据交换；
③收集设备状态并向CPU报告；
④地址识别。
【习题7-4】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？
答：
①字节多路通道含有多个子通道。
每个子通道连接一台低速设备，以轮流方式共享主通道。
任一子通道交换完一个字节后就将主通道让给下一个子通道。
②数组选择通道可连接多台高速外设，具有较高的传输速率。
它有一台分配型子通道，一段时间内只能执行一个通道程序，使一台设备独占通道以进行数据交换，直到交换完后才让给其他的设备。
③数组多路通道含有多个非分配型子通道，每个子通道连接一台高速外设，以轮流方式共享主通道。
任一子通道交换完若干字节后就将主通道让给下一个子通道。
【习题7-5】如何解决因通道不足而产生的瓶颈问题？
答：
在内存与外设之间增加数据传输通路。
方法是将每一台设备连接到多个控制器上，每一个控制器又连接到多个通道设备上。
【习题7-6】试说明I/O控制发展的主要推动原因。
答：
尽量减少主机对I/O的干预，把主机从繁杂的I/O控制事务中解脱出来，以便完成更多的数据处理任务。
【习题7-7】有哪几种I/O控制方式？
分别适用何种场合？
答：
共有4种I/O方式。
①程序I/O方式，又称作“忙-等”方式。
该方式执行一个循环程序，反复查询外设状态，如果外设“忙碌”则循环查询，直到查得外设状态为“闲置”时为止。
该方式适用于系统内没有中断机制的情况下。
②中断驱动I/O控制方式。
该方式在进行I/O时，CPU向控制器发出I/O命令后，由控制器控制外设操作，CPU转其他任务的处理，即CPU与外设并行工作。
当外设完成I/O后向CPU发中断信号，CPU只需花费很少的时间进行I/O的善后处理，此前毋须进行干预。
该方式可适于低速外设I/O，并可配合DMA和通道方式实现I/O。
③DMA（直接内存访问）控制方式。
该方式适于高速外设I/O，一次可以在外设与内存之间传输一个或多个数据块。
传输完毕后才需CPU干预。
④I/O通道控制方式。
该方式中，系统预先要将I/O的过程实现为一段通道程序，置于内存的特定位置，而后启动通道。
由通道负责执行通道程序对外设进行I/O控制，CPU转其他程序运行。
I/O完成后通道向CPU发出中断信号，CPU只需花很少的时间作善后处理。
【习题7-8】试说明DMA的工作流程。
答：
①CPU需要访问外存时，便发送一条访问命令给DMA的命令寄存器CR、一个内存地址码给DMA的内存地址寄存器MAR、本次要传送的字节数给DMA的数据计数器DC、外存地址给DMA的I/O控制逻辑中。
②启动DMA控制器，然后CPU转其他任务处理。
③DMA控制器负责控制数据在内存与外存之间传送。
每传送一个字节就需挪用一个内存周期，按MAR从内存读出或写入内存一个字节，修改MAR和计数器DC。
④当DC修改为0时，表示传送结束，由DMA向CPU发出中断请求。
【习题7-9】引入缓冲的主要原因是什么？
答：
引入缓冲的主要原因主要归结为以下3个方面：
①缓和CPU与I/O设备之间的速度不匹配问题。
②减少对CPU的中断频率，放宽对中断响应时间的限制。
③提高CPU和I/O设备之间的并行性。
【习题7-10】在单缓冲情况下，为什么系统对一块数据的处理时间为max（C,T）+M？
答：
令T是读外存数据送内存缓冲区时间，M是数据从缓冲区传送到用户区的时间，C是读内存用户区数据进行计算的时间。
当进行第I次读外存数据送缓冲区时，系统可同时读出用户区中第（I1）次数据进行计算。
此两项操作并行进行且互不干扰，并与数据从缓冲区传送到用户区的操作串行进行，因此处理一块数据的时间大约为max（C,T）M。
【习题7-11】为什么在双缓冲情况下，系统对一块数据的处理时间为max（C,T）？
答：
该方式又称缓冲对换方式。
写入者花费时间T将数据写满一个缓冲区后再写另一个缓冲区；读出者花费时间M将一个缓冲区数据送到用户区后再传送另一个缓冲区数据，运算者读出用户区进行处理。
由于将数据从缓冲区传送到用户区操作必须与读用户区数据进行处理串行进行，而且它们又可以与从外存传送数据填满缓冲区的操作并行，因此耗时大约为max（CM,T）。
考虑到M是内存中数据块的“搬家”，耗时非常短暂，可以省略，因此近似地认为是max（C,T）。
【习题7-12】试绘图说明把多缓冲用于输出时的情况。
答：
一般情况下，需要将多缓冲区形成一个环。
环上设置两个指针：
Nexti和Nextg。
前者指出数据的存入位置，后者指出数据的提取位置。
图7-4是由6个缓冲区组成的环，其中，带阴影的表示是装满数据的缓冲区，不带阴影的是空缓冲区。
图7-4
当需要将环中的一个缓冲区数据输出时，处理过程如下：
①用P操作独占该环；
②判断Nexti与Nextg是否重合，若是重合则表示环中数据已空，需要通过V操作释放该环，并阻塞等待。
③若Nexti与Nextg没有重合，则从Nextg处取出一个缓冲区的数据，将Nextg顺序向后推一个位置，需要通过V操作释放该环。
【习题7-13】试说明收容输入工作缓冲区和提取输出工作缓冲区的工作情况。
答：
①当需要输入数据时，调用GetBuf（emq）过程从空闲队列上摘下一个空缓冲区，作为收容输入工作缓冲区hin，输入的数据被装入hin中，装满hin后，调用PutBuf（inq，hin）过程将hin挂入输入队列inq中。
②当需要输出数据时，调用GetBuf（outq）过程从输出队列上摘下一个装满数据的缓冲区，作为提取输出工作缓冲区sout，将sout中的数据提取输出，sout的数据被提取完后，调用PutBuf（emq，sout）过程将sout挂入空闲队列中。
【习题7-14】何谓安全分配方式和不安全分配方式？
答：
①安全分配是一种“摈弃请求和保持条件”的资源分配方式。
在这种方式中，一个进程一旦获得请求资源（如I/O请求获得所需的设备），该进程就由运行状态变为阻塞状态，使它不可能再请求新的资源。
相反，当该进程开始运行时（如I/O完成后被唤醒），它已不占有资源。
因此，这种分配摈弃了造成死锁的一个条件，分配是安全的。
这种分配方式的缺点是进程推进速度慢，因为CPU与I/O是串行的。
②不安全的分配方式是指进程在提出资源请求时系统不做任何检查，将资源分配给它，当它再提出第2个资源请求时，若请求的资源已被其他进程占用，该进程不得不被阻塞等待，那么我们说该进程具备了“请求和保持”条件。
具备这种条件的进程可能产生死锁，因而说，这种分配是不安全的分配。
【习题7-15】为什么要引入设备独立性？
如何实现设备独立性？
答：
①设备独立性又称为设备无关性。
它指的是应用程序在使用设备进行I/O时，使用的是逻辑设备，而系统在实际执行时使用的是物理设备，由操作系统负责逻辑设备与物理设备的映射。
引入设备独立性可以使设备的分配具有极大的灵活性，并易于实现I/O重定向。
②系统为每个进程设置一张“逻辑设备表”（LUT）。
当某进程用逻辑名来请求设备时，系统查阅“系统设备表”SDT，为它分配相应的可用物理设备。
系统将这种用户逻辑设备与系统物理设备的映射建立在该用户的LUT中，并将该物理设备的驱动程序入口地址填入LUT中。
以后，该进程利用逻辑设备名请求I/O操作时，系统通过查找LUT即可找到物理设备及其驱动程序。
【习题7-16】当考虑到设备的独立性时，应如何分配独享设备？
答：
当某进程用逻辑名来请求设备时，系统首先从“系统设备表”SDT中找到第一个该类设备的DCT，如果该设备处于忙碌状态，就查找下一个。
仅当所有DCT的状态皆忙时才将进程挂在该设备的等待队列上；只要该类设备中存在一个DCT，其状态为可用的，系统就通过测算分配安全性，并决定将该设备分配给它。
【习题7-17】何谓设备虚拟？
实现设备虚拟时所依赖的关键技术是什么？
答：
①从宏观上看，多个进程同时使用一台独立设备。
对每一个进程而言，它们都认为独占了一台设备，即虚拟设备。
②Spooling技术实现了将独占设备虚拟为多台逻辑设备的功能。
【习题7-18】试说明Spooling系统的组成。
答：
Spooling系统主要由4部分组成。
①输出/输出井。
这是在磁盘上开辟的两个大空间，一个是输入井，用来收容输入设备上的数据（模拟脱机输入的磁盘）；另一个是输出井，用来收容用户进程的输出数据（模拟脱机输出的磁盘）。
②输入缓冲区和输出缓冲区。
这是内存中开辟的两个缓冲区，一个是输入缓冲区，暂存输入设备传送来的数据，以后再传送到输入井；另一个是输出缓冲区，暂存输出井送来的数据，以后传送到输出设备。
③输入进程和输出进程。
输入进程实现的是收容输入和提取输入。
在收容输入时，负责将输入设备的数据通过内存输入缓冲区转存到磁盘的输入井中；提取输入时，负责将磁盘输入井的数据送入内存用户区。
输出进程实现的是收容输出和提取输出，过程与输入过程相反。
④请求打印队列。
【习题7-19】在实现后台打印时，Spooling系统应为请求I/O的进程提供哪些服务？
答：
这项工作由Spooling的输出进程来承担，主要做3件事。
①在输出井上请求一块缓冲区，将要打印的数据送入其中。
②请求一张空白“用户请求打印表”，填入打印说明信息后挂入请求打印队列。
③一旦打印机空闲，就从请求打印队列头部取下一个请求打印表，根据表中要求将输出井的数据读入内存缓冲区，由打印机输出。
【习题7-20】试说明设备驱动程序具有哪些功能和特点？
答：
设备驱动程序又称设备处理程序，主要功能和特点包括以下几方面。
①将进程的I/O请求传送给设备控制器，并将设备控制器记录的设备状态、I/O完成情况反馈给进程。
②设备驱动程序是系统中的底层软件，它与设备的性能紧密性相关。
不同的设备应配置不同的设备驱动程序。
③设备驱动程序与I/O控制方式紧密相关，4种控制方式应当各不相同。
④设备驱动程序与硬件紧密相关，部分程序必须用汇编语言编写。
目前，驱动程序的基本操作都被固化到ROM中了。
【习题7-21】试说明设备驱动程序应具有哪些功能？
答：
设备驱动程序是请求I/O的进程与设备控制器之间的一个通信程序，主要功能有：
①将用户的要求转换为具体要求。
②检查用户的合法性，了解设备状态，根据要求传递参数，设置设备的工作方式。
③向设备控制器发I/O命令启动设备，完成具体的I/O操作。
④及时响应外设的中断请求，根据中断类型调用相应的中断处理程序。
⑤具有通道的控制系统，还要构造通道程序。
【习题7-22】设备驱动程序通常要完成哪些工作？
答：
设备驱动程序在启动设备前做一些必要的预备工作，然后启动设备。
如下所示：
①将抽象要求转换为具体要求。
②检查I/O请求的合法性。
③读出设备状态并检查。
④传递参数。
⑤设置工作方式。
⑥启动I/O设备。
【习题7-23】设备中断处理程序通常需完成哪些工作？
答：
当设备完成了I/O之后，设备控制器向CPU发送一个中断请求，CPU响应后即可转向中断处理程序。
中断处理程序的工作可分为以下几步：
①唤醒等待该I/O的进程。
②保护被中断进程的CPU运行环境。
③分析中断原因，转入相应的中断处理程序。
④进行中断处理。
⑤恢复被中断进程的现场。
7.4真题详解
【例题7-1】（华中科技大学2000年试题，改错题）
虚拟设备技术将不能共享的设备改造为可以共享的设备。
【分析与解答】
本题的考核要点是虚拟设备技术。
这项技术可以利用系统中的外存空间代替独占型的设备，以便模拟出一些物理上不存在的设备供用户使用。
因此，本题的叙述应当改为：
“虚拟设备技术将独享设备模拟为共享设备。
”
【例题7-2】（武汉理工大学2002年试题，问答题）
什么是虚拟设备？
为什么操作系统中引入虚拟设备？
【分析与解答】
①虚拟设备是系统中不存在的、但通过虚拟技术能够提供给用户使用的一种逻辑设备。
这一技术可把一次仅允许一个用户使用的物理设备改造为能够同时供多个进程共享的设备，或者说，可以将一台物理设备变换成多台对应的逻辑设备，以使一台物理设备供多个用户共享使用。
②由于系统的设备有限，不可能同时满足所有用户的设备需求。
若不采用虚拟设备技术，必将使许多程序因设备请求而等待，并且设备被少数用户独占也影响其利用率。
采用虚拟设备技术后，不仅提高了设备利用率，还能加速程序的运行，使每个用户都感觉到自己独占了该设备。
【例题7-3】（中国科学院计算所1999年试题，填空题）
设备管理中引入缓冲机制的主要原因是为了、和。
【分析与解答】
本题考核设备管理中缓冲机制的性能，可从3个方面来回答：
·缓解CPU与外部设备之间速度不匹配的矛盾——在计算机系统中，外部设备是一类操作速度很低的部件，而CPU的速度很高，引入缓冲机制可以缓和它们之间速度不匹配的矛盾。
·实现CPU和外部设备的并行处理——引入缓冲机制后，CPU运算与外部设备的输入/输出操作同时进行。
·放宽对CPU响应时间的限制——在引入缓冲机制的系统中，可以使CPU对请求处理的响应时间限制放宽。
缓冲区是设在内存中的专用空间，主要用于数据输出/输出。
【例题7-4】（复旦大学2003年试题，填空题）
虚拟设备是通过技术把设备变为能为若干个用户的设备。
【分析与解答】
本题的考核要点是虚拟设备技术中的基本概念，主要涉及该项技术的实现方法。
以下从3个方面论述：
①系统中的设备可分为两类：
独占设备和共享设备。
其中，独占设备的I/O速度较低，比如打印机，适合于分配给进程独占使用。
共享设备的I/O速度较高，比如外存（磁盘），不适合于分配给进程独占使用，而是让多进程共享。
②系统配置的独占设备数量有限，不能满足多个用户的使用请求，成为制约系统运行的瓶颈。
解决这一问题的一项成熟技术是所谓的“假脱机输出/输出系统”，也就是所谓的Spooling。
③Spooling技术可以将独占设备模拟成共享设备。
本题的正确答案应当是：
Spooling、独占、共享。
【例题7-5】（西安电子科技大学2001年试题，填空题）
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
【分析与解答】
本题考核外部设备的分类问题。
从设备分类的角度看，外部设备可分为逻辑设备和物理设备两大类。
设备分配的主要任务就是将用户请求的逻辑设备映射到具体的物理设备上。
通常，逻辑设备细分为以下3种类型：
·独占设备——只允许用户以独占方式使用的设备。
·共享设备——允许多用户以共享方式使用的设备。
·虚拟设备——通过虚拟技术将一台物理设备转变成多台逻辑设备分配给用户使用。
本题正确的答案应当是：
A、D、E。
【例题7-6】（西安交大2000年试题，论述题）
何谓虚拟设备？
请说明Spooling系统是如何实现虚拟设备的。
【分析与解答】
本题的考核要点是虚拟设备的实现方法。
涉及的概念有：
①虚拟设备，是指利用软件方法把共享设备分割为若干台虚拟的独占设备。
使用户感受到系统有若干独占设备在运行。
当然，系统中必须拥有（至少一台）独占设备，这是虚拟设备技术的基础。
②Spooling系统的思想是，让共享的、高速的、大容量外存储器（如磁盘）来模拟若干台独占设备，使系统中的一台或少数几台独占设备变成多台可并行使用的虚拟设备。
Spooling系统主要管理外存上的输入井和输出井，以及内存中的输入缓冲区和输出缓冲区。
其管理进程主要有输入和输出进程，负责将输入数据装入到输入井，或者将输出井的数据送出。
它的特点是：
·提高了I/O操作的速度；
·将独占设备改造为共享设备；
·实现了虚拟设备功能。
让主机直接控制I/O称为联机I/O；让另一台“外围机”代替主机来控制I/O称为脱机I/O。
Spooling系统用联机I/O操作模拟脱机I/O操作，因此又称为“假脱机I/O”。
【例题7-7】（清华大学2001年试题，问答题）
I/O控制可用哪几种方式实现？
各有何优缺点？
【分析与解答】
本题考核I/O（即输入/输出）系统的结构及其控制方式。
通常，I/O控制方式有如下4种形式：
①程序I/O方式。
这种方式也称为查询方式。
其工作原理是，让CPU执行一个循环程序，不断地检测外部设备的状态，一旦发现外部设备就绪就进行I/O操作。
这种方式的优点是简单，比较容易实现；缺点是CPU的大量时间被消耗在等待外部设备上。
②中断驱动方式。
这种方式的原理是，CPU不靠执行循环程序去等待外部设备就绪，而是转到其他进程去运行。
当外部设备就绪后会给CPU发中断信号，CPU转入中断处理程序进行I/O操作，操作完成后再回到被中断的程序去。
该方式的优点是，可大大提高CPU的利用率；缺点是，硬件上要增设响应中断的逻辑部件。
这种方式传输的数据量较少。
③直接存储器访问（DMA）方式。
这种方式的原理是，在内存和外设之间设一个DMA控制器来控制数据的传递。
CPU只负责下达传输指令给该控制器，一切由后者实现。
这种方式的优点是每次传送完一个完整的数据块后才向CPU发一次中断，减少了外设对CPU的打扰；缺点是硬件比较复杂。
④I/O通道控制方式。
这种方式的原理是，在内存和外设之间设一个控制用的硬件设备——“通道”。
CPU为它组织一个“通道程序”并将传输指令下达给该通道，后者就可以按通道程序的规定来完成I/O任务。
这种方式的优点是每次启动可以传送若干数据块，大大减少了对CPU的打扰。
缺点是硬件上需设有通道装置，成本较高（这种技术目前基本上没有在微型机上配置）。
【例题7-8】（中国科学院计算机网络信息中心2000年试题）
试说明Spooling系统在实现时所依赖的关键技术有哪些？
若某机房有两台打印机，希望将其中的一台打印机改为网络共享打印机，另一台直接连到主机上，请指出此时的系统组成。
【分析与解答】
在设备管理中，Spooling系统主要解决低速I/O设备使用的瓶颈问题。
该项技术可以将一台低速I/O设备模拟成可共享的设备。
涉及的技术有：
（1）外存输入井和输出井管理技术
（2）内存输入缓冲区和输出缓冲区管理技术
（3）应设有专门的输入/输出进程，负责应用程序的I/O请求
（4）管理请求打印队列
若机房里有两台打印机，其中一台打印机可直接连到主机即可，另一台改为网络共享打印机时，可采用如下所示的系统结构。
【例题7-9】（中国科学院计算所1999年试题，填空题）
进行设备分配时所需的数据表格主要有、、和等。
【分析与解答】
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（DCT或UC）。
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（COCT或CC）。
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（CHCT或CH）。
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。
【例题7-10】（上海交通大学2003年试题，填空题）
Spooling技术提高了（）的利用率。
A.独占设备B.共享设备
C.文件D.主存储器
【分析与解答】
本题考核的要点是Spooling技术的主要作用。
我们知道，Spooling是为了解决独占设备利用率太低而引入的。
它利用高速外存作为物质支持，将独占设备模拟成共享设备。
因此，本题的正确答案应当是：
A。
【例题7-11】（清华大学1999年试题，概念题）
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。
【分析与解答】
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。
系统通过操作缓冲区首部，实现对缓冲区的管理。
通常，缓冲池中有3个队列。
比如一个含有16个缓冲区的缓冲池，队列结构如下图所示。
·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，work_buf表示工作缓冲区类型。
缓冲池管理中负责数据输入的过程可包括：
·过程take_buf（type）：
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。
·过程put_buf（type，work_buf）：
供进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。
缓冲池中有4个缓冲区游离于3个队列以外。
其中两个用于输入操作：
一个装来自输入设备的字符（称作收容输入缓冲区），另一个供进程提取数据（称作提取输入缓冲区）。
另外两个用于输出操作：
其一为收容输出，其二为提取输出。
【例题7-12】（中国科学技术大学1998年试题，填空题）
①逻辑设备表（LUT）的主要功能是和。
②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。
【分析与解答】
本题的考核要点是设备管理的基本概念。
涉及的内容有：
①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。
可使系统在设备管理中更具独立性，分配和回收设备更灵活。
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、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。
【例题7-13】（北京大学2000年试题，问答题）
I/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。
请说明以下各个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。
【分析与解答】
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（
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