1.試說(shuō)明I/0系統(tǒng)的基本功能。

a. 隱藏物理設(shè)備的細(xì)節(jié)

b. 與設(shè)備的無(wú)關(guān)性

c. 提高處理機(jī)和I/0設(shè)備的利用率

d. 對(duì)I/0設(shè)備進(jìn)行控制e.確保對(duì)設(shè)備的正確共享

f. 錯(cuò)誤處理

2.簡(jiǎn)要說(shuō)明I/0軟件的4個(gè)層次的基本功能。

中斷處理程序：用于保存被中斷進(jìn)程的CPU環(huán)境，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷處理程序進(jìn)行處理，處理完后恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，并返回到被中斷的進(jìn)程

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序：與硬件直接有關(guān)，用來(lái)具體實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)設(shè)備發(fā)出的操作指令，驅(qū)動(dòng)I/0設(shè)備工作

設(shè)備獨(dú)立性軟件：用于實(shí)現(xiàn)用戶程序與設(shè)備驅(qū)動(dòng)器的統(tǒng)一接口、設(shè)備命令、設(shè)備保護(hù)，以及設(shè)備分配與釋放等。

用戶層I/0軟件：用于實(shí)現(xiàn)用戶與I/0設(shè)備交互

3.I/0系統(tǒng)接口與軟件/硬件（RW/HW）接口分別是什么接口?

I/0系統(tǒng)接口是I/0系統(tǒng)與上層系統(tǒng)之間的接口，向上層提供對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作的抽象I/0命令，以方便高層對(duì)設(shè)備的使用；軟件/硬件（RW/HW）接口的上面是中斷處理程序何用于不同設(shè)備的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，它的下面是各種設(shè)備的控制器。

4.與設(shè)備無(wú)關(guān)性的基本含義是什么？為什么要設(shè)置該層？
為了提高0S的可適應(yīng)性和可擴(kuò)展性，在現(xiàn)代0S中都毫無(wú)例外地實(shí)現(xiàn)了設(shè)備獨(dú)立性，也稱設(shè)備無(wú)關(guān)性。

基本含義：應(yīng)用程序獨(dú)立于具體使用的物理設(shè)備。為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備獨(dú)立性而引入了邏輯設(shè)備和物理設(shè)備兩概念。在應(yīng)用程序中，使用邏輯設(shè)備名稱來(lái)請(qǐng)求使用某類設(shè)備；而系統(tǒng)在實(shí)際執(zhí)行時(shí)，還必須使用物理設(shè)備名稱。

優(yōu)點(diǎn)：1. 設(shè)備分配時(shí)的靈活性

　　　2. 易于實(shí)現(xiàn)I/0重定向（用于I/0操作的設(shè)備可以更換（即重定向），而不必改變應(yīng)用程序。

5.試說(shuō)明設(shè)備控制器的組成。
設(shè)置控制器與處理機(jī)的接口；設(shè)備控制器與設(shè)備的接口；I/0邏輯。

6.為了實(shí)現(xiàn)CPU與設(shè)備控制器之間的通信，設(shè)備控制器應(yīng)該具備哪些功能?
基本功能：接收和識(shí)別命令；數(shù)據(jù)交換；標(biāo)識(shí)和報(bào)告設(shè)備的狀態(tài)；

地址識(shí)別：數(shù)據(jù)緩沖；差錯(cuò)控制。

7.什么是內(nèi)存映像I/0?它是如何實(shí)現(xiàn)的?P1868.為什么說(shuō)中斷是0S賴以生存的基礎(chǔ)?
中斷在操作系統(tǒng)中有著特殊重要的地位，它是多道程序得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，沒(méi)有中斷，就不可能實(shí)現(xiàn)多道程序，因?yàn)檫M(jìn)程之間的切換是通過(guò)中斷來(lái)完成的。

另一方面，中斷也是設(shè)備管理的基礎(chǔ)，為了提高處理機(jī)的利用率和實(shí)現(xiàn)CPU和I/0設(shè)備并執(zhí)行，也必需有中斷的支持。中斷處理程序是I/0系統(tǒng)中最低的一層，它是整個(gè)I/0系統(tǒng)中最低的一層。

9.對(duì)中斷源的兩種處理方式分別用于那種場(chǎng)合？
1）屏蔽（禁止)中斷：當(dāng)處理機(jī)正在處理一個(gè)中斷時(shí)，將屏蔽掉所有的中斷，直到處理機(jī)已處理完本次中斷，再去檢查是否有中斷產(chǎn)生。所有中斷按順序處理，優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，但不能用于實(shí)時(shí)性要求較高的中斷請(qǐng)求。

2）嵌套中斷：在設(shè)置了中斷優(yōu)先級(jí)的系統(tǒng)中，當(dāng)同時(shí)有多個(gè)不同優(yōu)先級(jí)的中斷請(qǐng)求，CPU優(yōu)先響應(yīng)優(yōu)先級(jí)最高的中斷請(qǐng)求，高優(yōu)先級(jí)的中斷請(qǐng)求可以搶占正在運(yùn)行的低優(yōu)先級(jí)中斷的處理機(jī)。

10.設(shè)備中斷處理程序通常需完成哪些工作？
1、喚醒被阻塞的驅(qū)動(dòng)進(jìn)程。

2、保護(hù)被中斷進(jìn)程的CPU環(huán)境。

3、轉(zhuǎn)入相應(yīng)的設(shè)備處理程序。

4、中斷處理。

5、恢復(fù)被中斷進(jìn)程的現(xiàn)場(chǎng)。

11.簡(jiǎn)要說(shuō)明中斷處理程序?qū)χ袛噙M(jìn)行處理的幾個(gè)步驟。
1、測(cè)定是否有未響應(yīng)的中斷信號(hào)

2、保護(hù)被中斷進(jìn)程的CPU環(huán)境

3、轉(zhuǎn)入相應(yīng)的設(shè)備處理程序

4、中斷處理

5、恢復(fù)CPU的現(xiàn)場(chǎng)并退出中斷

12.試說(shuō)明設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序具有哪些特點(diǎn)。
（1）將接收到的抽象要求轉(zhuǎn)為具體要求；

（2）檢查用戶I/0請(qǐng)求合法性，了解I/0設(shè)備狀態(tài)，傳遞有關(guān)參數(shù)，設(shè)置設(shè)備工作方式；

（3）發(fā)出I/0命令，啟動(dòng)分配到的I/0設(shè)備，完成指定I/0操作；

（4）及時(shí)響應(yīng)由控制器或通道發(fā)來(lái)的中斷請(qǐng)求，根據(jù)中斷類型調(diào)用相應(yīng)中斷處理程序處理；

（5）對(duì)于有通道的計(jì)算機(jī)，驅(qū)動(dòng)程序還應(yīng)該根據(jù)用戶I/0請(qǐng)求自動(dòng)構(gòu)成通道程序。

13.設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通常需要完成哪些工作？
（1） 將接收到的抽象要求轉(zhuǎn)為具體要求；

（2）檢查用戶I/0請(qǐng)求合法性，了解I/0設(shè)備狀態(tài)，傳遞有關(guān)參數(shù)，設(shè)置設(shè)備工作方式；

（3）發(fā)出I/0命令啟動(dòng)分配到的I/0設(shè)備，完成指定I/0操作；

（4）及時(shí)響應(yīng)由控制器或通道發(fā)來(lái)的中斷請(qǐng)求，根據(jù)中斷類型調(diào)用相應(yīng)中斷處理程序處理；

（5）對(duì)于有通道的計(jì)算機(jī)，驅(qū)動(dòng)程序還應(yīng)該根據(jù)用戶I/0請(qǐng)求自動(dòng)構(gòu)成通道程序。

14.簡(jiǎn)要說(shuō)明設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的處理過(guò)程可分為哪幾步。
1）將抽象要求轉(zhuǎn)換為具體要求；

2）對(duì)服務(wù)請(qǐng)求進(jìn)行校驗(yàn)；

3）檢查設(shè)備的狀態(tài)；

4）傳送必要的參數(shù)。

15.試說(shuō)明I/0控制發(fā)展的主要推動(dòng)因素是什么？
促使I/0控制不斷發(fā)展的幾個(gè)主要因素如下：

a.盡量減少CPU對(duì)I/0控制的干預(yù)，把CPU從繁雜的I/0控制中解脫出來(lái)，以便更多地去完成數(shù)據(jù)處理任務(wù)。

b.緩和CPU的高速性和設(shè)備的低速性之間速度不匹配的矛盾，以提高CPU的利用率和系統(tǒng)的吞吐量。

c.提高CPU和I/0設(shè)備操作的并行程度，使CPU和I/0設(shè)備都處于忙碌狀態(tài)，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的資源利用率和系統(tǒng)吞吐量。

16.有哪幾種I/0控制方式？各適用于何種場(chǎng)合？
I/0控制方式：程序I/0方式、中斷驅(qū)動(dòng)I/0控制方式、DMAI/0控制方式、I/0通道控制方式。程序I/0方式適用于早期的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，并且是無(wú)中斷的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；中斷驅(qū)動(dòng)I/0控制方式是普遍用于現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中；DMAI/0控制方式適用于I/0設(shè)備為塊設(shè)備時(shí)在和主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的一種I/0控制方式；當(dāng)I/0設(shè)備和主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換是一組數(shù)據(jù)塊時(shí)通常采用I/0通道控制方式，但此時(shí)要求系統(tǒng)必須配置相應(yīng)的通道及通道控制器。

17.試說(shuō)明DMA的工作流程。

18.為什么要引入與設(shè)備的無(wú)關(guān)性?如何實(shí)現(xiàn)設(shè)備的獨(dú)立性？
引入設(shè)備獨(dú)立性，可使應(yīng)用程序獨(dú)立于具體的物理設(shè)備，是設(shè)備分配具有靈活性。另外容易實(shí)現(xiàn)I/0重定向。為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備獨(dú)立性，必須在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序之上設(shè)置一層設(shè)備獨(dú)立性軟件，用來(lái)執(zhí)行所有I/0設(shè)備的公用操作，并向用戶層軟件提供統(tǒng)一接口。

關(guān)鍵是系統(tǒng)中必須設(shè)置一張邏輯設(shè)備表LUT用來(lái)進(jìn)行邏輯設(shè)備到物理設(shè)備的映射，其中每個(gè)表目中包含了邏輯設(shè)備名、物理設(shè)備名和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序入口地址三項(xiàng)；當(dāng)應(yīng)用程序用邏輯設(shè)備名請(qǐng)求分配I/0設(shè)備時(shí)，系統(tǒng)必須為它分配相應(yīng)的物理設(shè)備，并在LUT中建立一個(gè)表目，以后進(jìn)程利用該邏輯設(shè)備名請(qǐng)求I/0操作時(shí)，便可從LUT中得到物理設(shè)備名和驅(qū)動(dòng)程序入口地址。

19.與設(shè)備的無(wú)關(guān)的軟件中，包括了哪些公有操作的軟件?
1、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的統(tǒng)一接口

2、緩沖管理

3、差錯(cuò)控制

4、對(duì)獨(dú)立設(shè)備的分配與回收

5、獨(dú)立于設(shè)備的邏輯數(shù)據(jù)塊

20.在考慮到設(shè)備的獨(dú)立性時(shí)，應(yīng)如何分配獨(dú)占設(shè)備?
（1）進(jìn)程以邏輯設(shè)備名提出I/0請(qǐng)求。

（2）根據(jù)邏輯設(shè)備表相應(yīng)表項(xiàng)獲得I/0請(qǐng)求的邏輯設(shè)備對(duì)應(yīng)類型的物理設(shè)備在系統(tǒng)設(shè)備表中的指針。

（3）從指針?biāo)肝恢闷痦樞驒z索系統(tǒng)設(shè)備表，直到找到一個(gè)屬于對(duì)應(yīng)I/0請(qǐng)求所用類型、空閑可用且基于設(shè)備分配安全性算法驗(yàn)證為安全分配的設(shè)備的設(shè)備控制表，將對(duì)應(yīng)設(shè)備分配給請(qǐng)求進(jìn)程；如果未找到安全可用的空閑設(shè)備，則把請(qǐng)求進(jìn)程的進(jìn)程控制塊掛到相應(yīng)類型設(shè)備的等待隊(duì)列上等待喚醒和分配。

（4）系統(tǒng)把設(shè)備分配給I/0請(qǐng)求進(jìn)程后，再到該設(shè)備的設(shè)備控制表中找出與其相連接的控制器的控制器控制表，根據(jù)其狀態(tài)字段判斷該控制器是否忙碌，若忙則把請(qǐng)求進(jìn)程的進(jìn)程控制塊掛到該控制器的等待隊(duì)列上；否則將該控制器分配給進(jìn)程。

（5）系統(tǒng)把控制器分配給I/0請(qǐng)求進(jìn)程后，再到該控制器的控制器控制表中找出與其相連接的通道的通道控制表，根據(jù)其狀態(tài)字段判斷該通道是否忙碌，若忙則把請(qǐng)求進(jìn)程的進(jìn)程控制塊掛到該通道的等待隊(duì)列上：否則將該通道分配給進(jìn)程。

（6）只有在設(shè)備、控制器和通道三者都分配成功時(shí)，這次的設(shè)備分配才算成功，然后便可啟動(dòng)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。

21.何謂設(shè)備虛擬？實(shí)現(xiàn)設(shè)備虛擬式所依賴的關(guān)鍵技術(shù)是什么？
通過(guò)虛擬技術(shù)可將一臺(tái)獨(dú)占設(shè)備變換成若干臺(tái)邏輯設(shè)備，供若干個(gè)用戶（進(jìn)程）同時(shí)使用，通常把這種經(jīng)過(guò)虛擬技術(shù)處理后的設(shè)備稱為虛擬設(shè)備。其實(shí)現(xiàn)所依賴的關(guān)鍵技術(shù)是SPOOLING技術(shù)。

22.在實(shí)現(xiàn)后臺(tái)打印時(shí)，SPOOLing 系統(tǒng)應(yīng)為請(qǐng)求I/0的進(jìn)程提供哪些服務(wù)？
1、由輸出進(jìn)程在輸出井中為之申請(qǐng)一空閑盤(pán)塊區(qū)，并將要打印的數(shù)據(jù)送入其中；

2、輸出進(jìn)程再為用戶進(jìn)程申請(qǐng)一張空白的用戶打印表，并將用戶的打印要求填入其中，再將該表掛到請(qǐng)求打印隊(duì)列上。

3、一旦打印機(jī)空閑，輸出進(jìn)程便從請(qǐng)求打印隊(duì)列的隊(duì)首取出一張請(qǐng)求打印表，根據(jù)表中的要求將要打印的數(shù)據(jù)從輸出井傳送到內(nèi)存緩沖區(qū)，再由打印機(jī)進(jìn)行打印。

23.假脫機(jī)系統(tǒng)向用戶提供共享打印機(jī)的基本思想是什么？
對(duì)每個(gè)用戶而言，系統(tǒng)并非即時(shí)執(zhí)行其程序輸出數(shù)據(jù)的真實(shí)打印操作，而只是即時(shí)將數(shù)據(jù)輸出到緩沖區(qū)，這時(shí)的數(shù)據(jù)并未真正被打印，只是讓用戶感覺(jué)系統(tǒng)已為他打?。?/p>

真正的打印操作，是在打印機(jī)空閑且該打印任務(wù)在等待隊(duì)列中已排到隊(duì)首時(shí)進(jìn)行的；以上過(guò)程是對(duì)用戶屏蔽的，用戶是不可見(jiàn)的。

24.引入緩沖的主要原因是什么？
緩和CPU與I/0設(shè)備之間速度不匹配的矛盾；減少對(duì)CPU的中斷頻率：放寬對(duì)中斷響應(yīng)時(shí)間的限制：解決數(shù)據(jù)力度不匹配的問(wèn)題；提高CPU和I/0設(shè)備之間的并行性。

25.在單緩沖情況下，為什么系統(tǒng)對(duì)一塊數(shù)據(jù)的處理時(shí)間為max（C，T)+l?
在塊設(shè)備輸入時(shí)，假定從磁盤(pán)把一塊數(shù)據(jù)輸入到緩沖區(qū)的時(shí)間為T(mén)；操作系統(tǒng)將緩沖區(qū)數(shù)據(jù)傳送給用戶區(qū)的時(shí)間為M；而CPU對(duì)這一塊數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得時(shí)間為C。

在單緩沖情況下，由于設(shè)備的輸入操作和CPU的處理操作可以并行，所以系統(tǒng)對(duì)每一整塊數(shù)據(jù)的處理時(shí)間為max（C，T）+M。

26.為什么在雙緩沖情況下，系統(tǒng)對(duì)一塊數(shù)據(jù)的處理時(shí)間為max（C，T）?
該方式又稱緩沖對(duì)換方式，在設(shè)備輸入時(shí)，先將數(shù)據(jù)送入第一緩沖區(qū)，裝滿后便轉(zhuǎn)向第二緩沖區(qū)。此時(shí)操作系統(tǒng)可以從第一緩沖區(qū)移出數(shù)據(jù)，并送入用戶進(jìn)程。

接著由CPU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。在雙緩沖區(qū)中，不僅設(shè)備的輸入操作和CPU的處理操作可以并行，設(shè)備的輸入操作和數(shù)據(jù)的傳送操作也可以并行，因此耗時(shí)大約為max（C+M，T)?？紤]到M是內(nèi)存中數(shù)據(jù)塊的“搬家”耗時(shí)，非常短暫可以省略，因此近似地認(rèn)為是：max（C，T）。

27.試?yán)L圖說(shuō)明把多緩沖用于輸出時(shí)的情況。

28.試說(shuō)明收容輸入工作緩沖區(qū)和提取輸出工作緩沖區(qū)的工作情況。
①收容輸入工作緩沖區(qū)的工作情況為：在輸入進(jìn)程需要輸入數(shù)據(jù)時(shí)，調(diào)用GetBuf（EmptyQueue)過(guò)程，從EmptyQueue隊(duì)列的隊(duì)首摘下一個(gè)空緩沖區(qū)，作為收容輸入工作緩沖區(qū)Hin。

然后把數(shù)據(jù)輸入其中，裝滿后再調(diào)用PutBuf（InputQueue,Hin)過(guò)程，將該緩沖區(qū)掛在輸入隊(duì)列InputQueue的隊(duì)尾。

②提取輸出工作緩沖區(qū)的工作情況為：當(dāng)要輸出數(shù)據(jù)時(shí)，調(diào)用GetBuf（OutputQueue)過(guò)程，從輸出隊(duì)列的隊(duì)首取得一裝滿輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)作為提取輸出工作緩沖區(qū)Sout。在數(shù)據(jù)提取完后，再調(diào)用PutBuf(EmptyQueue,Sout)過(guò)程，將該緩沖區(qū)掛到空緩沖隊(duì)列EmptyQueue的隊(duì)尾。

29.何謂安全分配方式和不安全分配方式？
①安全分配方式是指每當(dāng)進(jìn)程發(fā)出I/0請(qǐng)求后，便進(jìn)入阻塞狀態(tài)，直到其I/0操作完成時(shí)才被喚醒。在采用這種分配策略時(shí)，一旦進(jìn)程已獲得某種設(shè)備資源后便阻塞，使它不可能再請(qǐng)求任何資源，而在它運(yùn)行時(shí)又不保持任何資源。這種分配方式已經(jīng)摒棄了造成死鎖的“請(qǐng)求和保持”條件，分配是安全的。缺點(diǎn)是進(jìn)程進(jìn)展緩慢，CPU與I/0設(shè)備串行工作。

②不安全分配方式是指進(jìn)程發(fā)出I/0請(qǐng)求后仍繼續(xù)執(zhí)行，需要時(shí)又可發(fā)出第二個(gè)I/0請(qǐng)求、第三個(gè)I/0請(qǐng)求。僅當(dāng)進(jìn)程請(qǐng)求的設(shè)備已被另一個(gè)進(jìn)程占有時(shí)，進(jìn)程才進(jìn)入阻塞狀態(tài)。優(yōu)點(diǎn)是一個(gè)進(jìn)程可同時(shí)操作多個(gè)設(shè)備，進(jìn)程推進(jìn)迅速。缺點(diǎn)是分配不安全，可能具有“請(qǐng)求和保持”條件，可能造成死鎖。因此，在設(shè)備分配程序中需增加一個(gè)功能，用于對(duì)本次的設(shè)備分配是否會(huì)發(fā)生死鎖進(jìn)行安全性計(jì)算，僅當(dāng)計(jì)算結(jié)果表明分配安全的情況下才進(jìn)行分配。

30.磁盤(pán)訪問(wèn)時(shí)間由哪幾部分組成？每部分時(shí)間應(yīng)如何計(jì)算？
磁盤(pán)訪問(wèn)時(shí)間由尋道時(shí)間Ts、旋轉(zhuǎn)延遲時(shí)間Tr、傳輸時(shí)間Tt三部分組成。

（1）Ts是啟動(dòng)磁臂時(shí)間s與磁頭移動(dòng)n條磁道的時(shí)間和，即Ts=m×n+s。

（2）Tr是指定扇區(qū)移動(dòng)到磁頭下面所經(jīng)歷的時(shí)間。硬盤(pán)15000r/min時(shí)Tr為2ms；軟盤(pán)300或600r/min時(shí)Tr為50~100ms。

（3）Tt是指數(shù)據(jù)從磁盤(pán)讀出或向磁盤(pán)寫(xiě)入經(jīng)歷的時(shí)間。Tt的大小與每次讀/寫(xiě)的字節(jié)數(shù)b和旋轉(zhuǎn)速度有關(guān)：Tt=b/rN。

31.目前常用的磁盤(pán)調(diào)度算法有哪幾種？每種算法優(yōu)先考慮的問(wèn)題是什么？
目前常用的磁盤(pán)調(diào)度算法有先來(lái)先服務(wù)、最短尋道時(shí)間優(yōu)先及掃描等算法。

（1）先來(lái)先服務(wù)算法優(yōu)先考慮進(jìn)程請(qǐng)求訪問(wèn)磁盤(pán)的先后次序；

（2）最短尋道時(shí)間優(yōu)先算法優(yōu)先考慮要求訪問(wèn)的磁道與當(dāng)前磁頭所在磁道距離是否最近：

（3）掃描算法考慮欲訪問(wèn)的磁道與當(dāng)前磁道間的距離，更優(yōu)先考慮磁頭當(dāng)前的移動(dòng)方向。