操作系统第五章复习资料
操作系统复习5_设备管理
第五章 设备管理设备管理的对象是：I/O 设备为主，包括设备控制器和I/O 通道；设备管理的基本任务是：完成用户I/O 请求、提高I/O 速度及提高I/O 设备利用率； 设备管理的主要功能是：缓冲区管理、设备分配 、设备处理、虚拟设备及设备独立性。
5.1 I/O 系统5.1.2 设备控制器－CPU 和I/O 设备的接口，解脱CPU ；可编址，含有多个设备地址，以连接多个设备。
1. 设备控制器的基本功能1) 接收和识别命令：接收CPU 命令存放于控制寄存器；命令译码 2) 数据交换： CPU(总线)<-->控制器(数据寄存器)<-->设备； 3) 标识和报告设备的状态：供CPU 了解；状态寄存器； 4) 地址识别：设备和寄存器地址；地址译码器5) 数据缓冲：用缓冲器暂存来自CPU 和I/O 设备的数据；6) 差错控制：对I/O 数据差错检测，并向CPU 报告，错误重发。
2. 设备控制器的组成1).设备控制器与处理机的接口—通信线路(三类)：数据线、控制线和地址线,数据线连接数据寄存器和控制/状态寄存器；2).设备控制器与设备的接口—连接多个设备，每个接口有数据、状态和控制三种信号； 3).I/O 逻辑—根据CPU 发来信号对设备控制。
CPU 启动设备时，将I/O 启动命令和地址分别通过数据线和地址线发送给控制器，由I/O 逻辑对地址进行译码，再根据所译出的命令对相应设备进行控制。
图 5-2 设备控制器的组成5.1.3 I/O 通道1.I/O 通道(I/O Channel)设备的引入数据寄存器控制/状态寄存器数据线I/O 逻辑…控制器与设备接口1控制器与设备接口i数据状态控制数据状态控制…地址线控制线CPU 与控制器接口控制器与设备接口虽然设备控制器能减少CPU 对I/O 的干预，但当外设很多时，CPU 负担仍很重。
为建立更独立的I/O 操作，在CPU 和控制器之间又增设了通道，其目的是将CPU 从繁杂的I/O 任务解脱出来。
操作系统复习资料
操作系统复习资料操作系统复习资料第一章：一、现在操作系统的功能与任务？（p14）1．操作系统的主要任务,是为多道程序的运行提供良好的运行环境,以保证多道程序能有条不紊地运行,并能最大限度地提高系统中各种资源的利用率和方便用户的使用.2. 操作应具有这样几方面的功能：处理机管理、存储器管理、设备管理、文件管理、面向网络的服务和功能二、什么是多道程序设计技术？有什么好处？（p6）1.在单道批处理系统中,内存中仅有一道作业,它无法充分利用系统中的所有资源,使系统性能较差;2.在多道批处理系统中,用户所提交的作业都先存放在外存上并排成一个队列,称为”后备队列”,然后,由作业高度算法按一定的算法从后备队列中选择若干个作业调入内存,使他们共享CPU和系统上的各种资源.好处：（1）提高了CPU的利用率（2）可提高内存和I/O设备的利用率（3）增加系统吞量三、分时、实时、多道程序处理系统概念？（选择）（p8----p11）第二章：一、线程与进程的异同？1、相同点：（a）二者都具有ID，一组寄存器，状态，优先级以及所要遵循的调度策略。
（b）每个进程都有一个进程控制块，线程也拥有一个线程控制块。
（c）线程和子进程共享父进程中的资源；线程和子进程独立于它们的父进程，竞争使用处理器资源；线程和子进程的创建者可以在线程和子进程上实行某些控制，比如，创建者可以取消、挂起、继续和修改线程和子进程的优先级；线程和子进程可以改变其属性并创建新的资源。
2、不同点：（a）线程是进程的一部分, 一个没有线程的进程是可以被看作单线程的，如果一个进程内拥有多个进程，进程的执行过程不是一条线（线程）的，而是多条线（线程）共同完成的。
（b）启动一个线程所花费的空间远远小于启动一个进程所花费的空间，而且，线程间彼此切换所需的时间也远远小于进程间切换所需要的时间。
（c）系统在运行的时候会为每个进程分配不同的内存区域，但是不会为线程分配内存（线程所使用的资源是它所属的进程的资源），线程组只能共享资源。
操作系统讲义第五章
操作系统讲义第五章在计算机的世界里，操作系统就像是一位幕后的大管家，默默地管理着各种资源，确保计算机能够高效、稳定地运行。
这一章，咱们就来深入探讨一下操作系统中的一些关键概念和技术。
首先，咱们来聊聊进程管理。
进程可以简单理解为正在运行的程序。
比如说，当您打开一个浏览器浏览网页时，就启动了一个浏览器进程。
操作系统要负责为这些进程分配资源，如 CPU 时间、内存空间等，还要协调它们之间的运行顺序，避免冲突和混乱。
进程有几种不同的状态，比如就绪态、运行态和阻塞态。
就绪态就是进程已经准备好运行，只等 CPU 分配时间给它；运行态就是进程正在使用 CPU 执行指令；阻塞态则是进程因为等待某些资源而暂时无法运行，比如等待输入数据。
为了有效地管理进程，操作系统使用了各种调度算法。
比如先来先服务算法，谁先来就先给谁分配 CPU 时间；还有短作业优先算法，优先处理运行时间短的进程，以提高系统的整体效率。
接下来，咱们谈谈内存管理。
内存是计算机存储数据和程序的地方，就像一个大仓库。
操作系统要确保不同的程序能够合理地使用内存，避免相互干扰和冲突。
内存管理有分页和分段两种主要方式。
分页是将内存分成固定大小的页，程序也被分成同样大小的页，这样便于管理和分配。
分段则是根据程序的逻辑结构，将其分成不同的段，比如代码段、数据段等。
虚拟内存技术也是内存管理中的一个重要手段。
它允许程序使用比实际物理内存更大的内存空间，通过将暂时不用的数据存储在硬盘上，当需要时再调入内存，从而扩展了程序可用的内存范围。
再说说文件管理。
文件是计算机中存储信息的基本单位，操作系统要负责文件的创建、存储、检索和删除等操作。
文件系统就像是一个文件的仓库管理员，它规定了文件的组织方式和存储结构。
常见的文件系统有 FAT、NTFS 等。
文件在存储时，会被分配一个特定的存储空间，并通过目录结构进行管理，方便用户查找和访问。
文件的访问控制也是很重要的一环。
操作系统要确保只有授权的用户能够访问和修改特定的文件，以保护文件的安全性和完整性。
操作系统第五章1
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可以从各个不同的角度对文件进行分类。 可以从各个不同的角度对文件进行分类。
（1）按文件的性质和用途，可以把文件分成下列3类。 按文件的性质和用途 可以把文件分成下列3 性质和用途， • • • • • • • • • • 系统文件 用户文件 库文件 只读文件 读写文件 可执行文件 不保护文件 临时文件 档案文件 永久文件
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着重讲述4 本章着重讲述 个方面的内容： 本章着重讲述4个方面的内容： （1）用户组织文件的方式（逻辑结构）与 用户组织文件的方式（逻辑结构） 组织文件的方式 存储文件时的组织方式（物理结构）； 存储文件时的组织方式（物理结构）； 文件时的组织方式 （2）对文件存储空间——磁盘的管理； 对文件存储空间——磁盘的管理 磁盘的管理； （3）对文件目录结构的讨论； 对文件目录结构的讨论； 目录结构的讨论 （4）文件的共享与保密。 文件的共享 保密。 共享与
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物理结构， （7）按照文件的物理结构，可以把文件分成下列3类。 按照文件的物理结构 可以把文件分成下列3 • • • 连续文件 链接文件 索引文件
文件的内容， （8）按照文件的内容，可以把文件分成下列3类。 按照文件的内容 可以把文件分成下列3 • 普通文件 • 目录文件 • 特殊文件
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5.1.2 文件的逻辑结构
（2）按文件的保护性质，可以把文件分成下列4类。 按文件的保护性质 可以把文件分成下列4 保护性质，
（3）按照文件的保护期限，可以把文件分成下列3类。 按照文件的保护期限 可以把文件分成下列3 保护期限，
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（4）按照文件的存取方式，可以把文件分成下列两类。 按照文件的存取方式 可以把文件分成下列两类。 存取方式， • • 顺序存取文件 随机存取文件
计算机操作系统第五章设备管理复习资料
第五章设备管理（一）简答题1、为什么要在设备管理中引入缓冲技术？解：缓冲技术是用来在两种不同速度的设备之间传输信息时平滑传输过程的常用手段。
在OS的设备管理中，引入缓冲技术的主要原因可归结为以下几点。
（1）缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。
一般情况下，程序的运行过程是时而进行计算，时而进行输入或输出。
以打印机输出为例，如果没有缓冲，则程序在输出时，必然由于打印机的速度跟不上而使CPU停下来等待；然而在计算阶段，打印机又无事可做。
如果设置一个缓冲区，程序可以将待输出的数据先输出到缓冲区中，然后继续执行；而打印机则可以从缓冲区取出数据慢慢打印。
（2）减少中断CPU的次数。
例如，假定设备只用一位二进制数接收从系统外传来的数据，则设备每接收到一位二进制数就要中断CPU一次，如果数据通信速率为9.6Kb/s，则中断CPU的频率也是9.6KHz，即每100us就要中断CPU一次，若设置一个具有8位的缓冲寄存器，则可使CPU被中断的次数降低为前者的1/8。
（3）提高CPU和I/O设备之间的并行性。
由于在CPU和设备之间引入了缓冲区，CPU可以从缓冲区中读取或向缓冲区写入信息，相应地设备也可以向缓冲区写入或从缓冲区读取信息。
在CPU工作的同时，设备也能进行输入输出操作，这样，CPU和I/O设备就可以并行工作。
2、引入缓冲的主要原因是什么？P155【解】引入缓冲的主要原因是：●缓和CPU和I/O设备速度不匹配的矛盾；●减少对CPU的中断频率，放宽对中断响应时间的限制●提高CPU和I/O设备之间的并行性。
3、请简述为什么要在核心I/O子系统中要引入缓冲机制（Buffering）。
答：引入缓冲的主要原因：（1）缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。
（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与I/O设备之间的并行性。
4、简述SPOOLing（斯普林）系统的工作原理。
解：多道程序并发执行后，可利用其中的一道程序来模拟脱机输入时外围控制机的功能，将低速I/O设备上的数据传送到高速磁盘上；再利用另一道程序来模拟脱机输出时外围控制机的功能，将高速磁盘上的数据传送到输出设备上，这样就可以在主机的直接控制下，实现脱机输入、输出操作，这时外围操作与CPU对数据的执行同时进行。
操作系统第五章答案
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。
操作系统第5章(第四版)资料PPT课件
5.1 虚拟存储器概述 5.2 请求分页存储管理方式 5.3 页面置换算法 5.4 请求分段存储管理方式
5.1 虚拟存储器概述
常规存储管理方式的共同点：
要求一个作业全部装入内存后方能运行。
问题：
(1) 有的作业很大,所需内存空间大于内存总容量,使作业无法 运行。 (2) 有大量作业要求运行，但内存容量不足以容纳下所有作业， 只能让一部分先运行，其它在外存等待。
将该页写回外存
OS命令CPU从外存读缺页
启动I/O硬件 将一页从外存换入内存
修改页表
软件
N
硬件
页号>＝页表长度？ Y 越界中断 N
CPU检索快表
页表项在快表中？ Y N
访问页表
页在内存？
Y
修改快表
修改访问位和修改位
形成物理地址
地址变换结束
地址变换例题
❖ 某虚拟存储器的用户空间共有32个页面，每页1KB，主存16KB。假定 某时刻系统为用户的第0、1、2、3页分别分配的物理块号为5、10、4、7， 试将虚拟地址0A5C和093C变换为物理地址。 解：虚拟地址为：页号（25=32）5位 页内位移（210=1024）10位
换出时需重写至外存。供置换页面时参考。
（4）外存地址：指出该页在外存上的地址。
一、请求分页中的硬件支持
2、缺页中断机构
在请求分页系统中，当访问的页不在内存， 便产生一缺页中断，请求OS将所缺页调入内存 空闲块，若无空闲块，则需置换某一页，同时修 改相应页表表目。
缺页中断与一般中断的区别：
（1）在指令执行期间产生和处理中断信 号。缺页中断要立即处理。
指程序在执行时呈现出局部性规律，即在一较短时间内，程序的执行仅限
2005操作系统第五章
信号量s表示盘子是否为空，其初值为1； 信号量so表示盘中是否有桔子，其初值为0； 信号量sa表示盘中是否有苹果，其初值为0；
int s=1;
int so=0; int sa=0;
main( ) { cobegin father( ); son( );
daughter( );
coend
}
father( ) { while(1) {
第五章 进程管理
5.1、为什么要引入“进程”的概念 5.1.1、从顺序程序设计谈起
作 业 执 行 顺 序 作业 l Il Cl Pl
作业 i
Ii
Ci
Pi
作业 n In Cn Pn
程序的顺序执行具有如下特性： （1）处理机严格地顺序执行程序规定的动 作. （2）一个程序在机器中执行时,它独占全机 资源. （3）程序的执行结果与其执行速度无关. 程序的封闭性和可再现性.
5.5 进程通讯 5.5.1 进程间的同步和互斥 1.进程间的同步
司机
正常行车
售票员
售票
到站停车
开车门
开车
关车门
司机和售票员的同步
5.5.1 进程间的同步和互斥 1.进程间的同步
进程p1 计算func1(x) 进程p2
计算func2(y)
进程p2算 完func2(y) y 取出p2计算结果
置计算完标志
5.2.1 进程的表示 2. 进程控制块 (1) 进程标识名或标识数 (2)位置信息 (3)状态信息 (4)进程的优先级 (5)进程现场保护区 (6)资源清单 (7)队列指针或链接字
5.2.2 进程的调度状态 1. 进程的基本调度状态 (1)运行状态 (2)就绪状态 (3)阻塞状态
调 度
操作系统课后答案——第五章
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。
操作系统-第5章复习题答案
操作系统-----第5章复习题一、选择题1、Spooling技术提高了（ A ）利用率。
A 独占设备B 共享设备C 文件D 主存储器2、在下面的I/O控制方式中，需要CPU干预最少的方式是（D ）。
A 程序中断方式B 中断驱动I/O控制方式C 直接存储器访问DMA控制方式D I/O通道控制方式3、利用通道实现了（Ｃ）之间数据的快速传输。
A CPU和外设B 内存和CPU Ｃ内存和外设Ｄ外设和外设4、设备驱动程序是系统提供的一种通道程序，它专门用于在请求I/O的进程与设备控制器之间传输信息。
下面的选项中不是设备驱动程序功能的是（ C ）。
A 检查用户I/O请求的合法性。
B 及时响应由控制器或由通道发来的中断请求。
C 控制I/O设备的I/O操作。
D了解I/O设备的状态，传送有关参数，设置设备的工作方式。
5、下表中列出的是一段简单的通道程序（内含6条指令），在下面的各个选项中叙述不正确B 这些指令涉及的数据内存地址有相邻接的地方。
C 该段通道程序共处理了5条记录。
D 单记录最大为230个字节。
6、基本的I/O设备处理进程一般处于（ C ）状态。
A 就绪B 执行C 阻塞D 死锁7、缓冲技术的缓冲池在（ A ）中。
A 内存B 外存C ROMD 寄存器8、通过硬件和软件的功能扩充，把原来独占的设备改造成能为若个用户共享的设备，这种设备称为（ D ）。
A 存储设备B 系统设备C 用户设备D 虚拟设备9、为了使多个进程能有效地同时处理输入和输出，最好使用（ A ）结构的缓冲技术。
A 缓冲池B 循环缓冲C 单缓冲D 双缓冲10、如果I/O设备与存储设备进行数据交换不经过CPU来完成，这种数据交换方式是（C ）。
A 程序查询B 中断方式C DMA方式D 无条件存取方式11、在采用SPOOLING系统中，用户的打印结果首先被送到（ A ）。
A 磁盘固定区域B 内存固定区域C 终端D 打印机12、设备管理程序对设备的管理是借助于一些数据结构来进行的，下面的（ A ）不属于设备管理数据结构。
第五章 计算机操作系统概论复习资料习题答案
第五章复习题一、单项选择题1. 文件按用途分类，不包括（D）。
A. 系统文件B. 库文件C. 用户文件D. 档案文件2. 一种既方便顺序存取又适合随机存取的文件存储结构是（C）。
A. 顺序文件B. 链接文件C. 索引文件D. 串联文件3. 若把文件以顺序结构的方式存放到磁盘上，则存在的缺点是（B）。
A. 目录结构复杂B. 磁盘空间利用率低C. 计算地址困难D. 读写速度低4 磁带上的每个文件组成部分不包括（C）。
A. 文件头标B. 文件信息C. 文件正文D. 文件尾标5. 文件的信息按逻辑上独立的含义划分信息单位后就构成了记录式文件，这种划分信息的工作是（A）时完成的。
A. 用户组织文件B. 系统转储文件C. 系统装入文件D. 外设存取文件6. UNIX系统调用unlink的作用是（ B ）。
A. 为一个文件再取一个新文件名B. 删除文件的一个文件名C. 请求读一个已经打开的文件D. 建立两个文件的链接7. 下面对目录结构描述错误的是（A）。
A. 一级目录结构解决了文件的重名问题B. 树形目录结构解决了文件的重名问题C. 树形目录结构能进行存取权限的控制 C. 树形目录结构有利于文件分类8. 读一个文件信息时，应依次调用（A）。
A. 打开文件、读文件、关闭文件B. 建立文件、读文件、关闭文件C. 建立文件、读文件、写文件D. 读文件、保存文件、关闭文件9. 若允许用户按各自定义的文件名访问某个共享文件夹，则该系统应（C）。
A. 为每个用户复制一份文件B. 设置命名转换机制C. 采用多级目录结构D. 使该文件有多种物理结构形式10. 文件的存储结构采用哪种形式是与（C）有关。
A. 文件的逻辑结构B. 存储空间的管理方式C. 存储介质的类型D. 文件的长度11. 下列选项中属于存储介质的是（C）。
A. 磁带机B. 磁盘驱动器C. 软磁盘片D. 卡片机12. 实现记录的成组与分解能提高磁盘空间的利用率，但必须设置主存缓冲区，该缓冲区的长度应根据（A）来确定。
操作系统第五章-
▪ 修改位M: 表示该页在调入内存后是否被修改过。 ▪ 外存地址: 用于指出该页在外存上的地址，通常是
物理块号，供调入该页时使用。
操作系统12第五章-
2.缺页中断机构
在请求分页系统中,每当所要访问的页面不在内 存时,便要产生一缺页中断。
5 虚拟存储器
前一章介绍的各种存储器管理方式，都要求将一个 作业全部装入内存方能运行。 有的作业很大,所要求的空间超出内存容量,不能全部装
入内存,不能运行; 有大量的作业要求运行,内存不能容纳所有的这些作业。
问题解决： 机器自身的限制，增加系统 从逻辑上扩充内存容量，是虚拟存储技术所解决的主 要问题。
操作系统3 第五章-
5.1.1 常规存储管理方式的特征和局部性原理
2 .局部性原理
程序的执行时将呈现出局部性规律，即在一较短时 间内，程序的执行仅限于某个部分；相应的,它所访问的 存储空间也局限于某个区域。
操作系统4 第五章-
时间局限性：如果程序中的某一条指令一 旦执行，则不久后该指令可能再次执行；如 果某个数据结构被访问，则不久后该数据结 构可能再次被访问。产生的典型原因是程序 中存在大量的循环操作。
修改访问位和修改位
将一页从外存换入内存 修改页面
操作系统16第五章-
形成物理地址 地址变换结束
5.2.2 请求分页中的内存分配
1. 最小物理块数的确定
• 能够保证进程正常运行所需要的最少的物 理块数。若少于此值程序则不能正常运行。
• 它与计算机的硬件结构有关，取决于指令 的格式、功能和寻址方式。
• 单地址指令直接寻址,则所需最少物理块 数为2,一块用于存放指令的页面,另一块用 于存放数据所需的页面;如果允许间接寻 址,则至少需要3个物理块。
计算机操作系统第五章
5.1 存储器的层次结构
5.1.3 高速缓存和磁盘缓存 1．高速缓存 高速缓存是现代计算机结构中的重 要部件，其容量大于或远大于寄存器 寄存器， 要部件，其容量大于或远大于寄存器， 而比内存约小两到三个数量级左右， 内存约小两到三个数量级左右 而比内存约小两到三个数量级左右，从 几十KB到几MB 访问速度快于主存储器 KB到几MB， 主存储器。 几十KB到几MB，访问速度快于主存储器。
5.2 程序的装入和连接
如何使一个用户程序到内存中去执行， 如何使一个用户程序到内存中去执行，分如 下几步： 下几步： (1)编译。Compile：由编译程序将用户源代码编 编译。 编译 ： 译成若干个目标模块。 译成若干个目标模块。 (2)链接。Link：由链接程序将编译后形成的一 链接。 链接 ： 组目标模块以及需要的库函数链接在一起,形 组目标模块以及需要的库函数链接在一起 形 成一个完整的装入模块。 成一个完整的装入模块。 (3)装入。Load 装入。 装入 由装入程序将装入模块装入内存。 由装入程序将装入模块装入内存。
CPU寄寄寄
寄寄寄 高高高寄
主寄
主寄 磁磁高寄
辅寄
磁磁 可可可寄可可可
图5-1 计算机系统存储层次示意
5.1 存储器的层次结构
5.1.1 多级存储器结构
存储层次越往上 存储介质的访问速度 往上， 存储层次越往上，存储介质的访问速度 越快，价格越高，相对存储容量 越小。 容量也 越快，价格越高，相对存储容量也越小。 寄存器、高速缓存、主存储器和 寄存器、高速缓存、主存储器和磁盘缓 存均属于操作系统存储管理的管辖范畴 属于操作系统存储管理的管辖范畴， 存均属于操作系统存储管理的管辖范畴，掉电 后它们存储的信息不再存在。 后它们存储的信息不再存在。 固定磁盘和可移动存储介质属于设备管 固定磁盘和可移动存储介质属于设备管 理的管辖范畴，它们存储的信息将被长期保存 长期保存。 理的管辖范畴，它们存储的信息将被长期保存。
计算机操作系统课件复习资料_第5章
通道：I/O处理器，专门用于处理I/O操作。 有运算和控制部件(硬件)和指令系统(软件)， 通过“周期(存储周期和总线周期)窃用”方 式与CPU共享内存。 根据信息交换方式的不同，通道可分三类： ① 字节多路通道：多路分时复用 ② 数组选择通道：独占使用，成组（块）传送 ③ 数组多路通道：<上述两种技术的结合> “瓶颈”问题
I/O→C PU
出错
向存储器 中写字 未完
CPU→ 内存
传送 完成？ 完成 下条指令
未完
(a ) 程序I/O方式
(b )
2. 中断控制方式
向I/O控制器 用中断来控制外部 CPU→ I/O 发读命 令 设备与内存或CPU 读I/O控制器 的状态 I/O→C PU 未 之间的数据传送。 就 绪 优点： CPU 利用率 检查 出错 状态？ 大大提高 ( 可 与 I/O 就绪 从I/O控制器 I/O→C PU 设备并行工作 )；适 中读入 字 用于磁盘等设备 向存储 器 CPU→ 内存 中写字 缺点：若中断次数 未完 传送 较 多 完成？ 将 耗去大量 完成 CPU时间 下条指 令 (a ) 程序I/O方式 向I/O控制器 发读命 令 读I/O控制器 的状态 CPU→ I/O CPU 做其它 事 中断 I/O→C PU
5.1.3 I/O 通道
A1A2A3…子通道A B1B2B3…子通道B A1B1C1…A2B2C2… C1C2C3…子通道C 设备 控制器A 控制器B 控制器C 控制器D
…
N1N2N3…子通道N
控制器N
字节多路通道的工作原理示意图
…
5.1.3 I/O 通道
5.1.3 I/O 通道
数组多路通道的工作原理示意图
操作系统chapter5
第五章 设 备 管 理
5.1 I/O 系 统
5.1.1 I/O设备
使用特性
类型
传输速率 信息交换的单位 共享属性
(1) 按设备的使用特性分类
第五章 设 备 管 理
(2) 按传输速率分类
第五章 设 备 管 理
第一类是低速设备，键盘、 鼠标器、语音的输入和输出
等设备。
第二类是中速设备，行式打印机、激光打印机等。
第五章 设 备 管 理
(a)
9.6 Kb/s
1位 缓 冲
8位 缓 冲 寄 存 器
9.6 Kb/s (b)
送内 存
8位 缓 冲 寄 存 器
9.6 Kb/s (c)
图 5-10 利用缓冲寄存器实现缓冲
送内 存
5.3.2 单缓冲和双缓冲
1. 单缓冲(Single Buffer)
用户进程
(a)
处理(C) 工作区
第五章 设 备 管 理
设备控制器主要职责是控制一个或 多个I/O设备，以实现I/O设备和计算机 之间的数据交换。
1. 设备控制器的基本功能
第五章 设 备 管 理
1) 接收和识别命令 2) 2) 数据交换 3) 3) 标识和报告设备的状态 4) 4) 地址识别 5) 5) 数据缓冲 6) 6) 差错控制
传送(M)
缓冲区
第五章 设 备 管 理
输入(T)
I/O设备
T1
T2
T3
T4
(b)
M1
M2
M3
C1
C2
C3
t
图 5-11 单缓冲工作示意图
2. 双缓冲(Double Buffer)
用户进程
(a)
工作区
操作系统第五章参考答案
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。
计算机操作系统第五章
25.01.2022
大学课件
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整个计算机系统的功能很大程度上取决于主存储 器的结构组织和实现方法，就主存的功能而言，首先 是存放系统和用户程序的指令和数据，每一项信息都 存放在主存的特定位置上。
25.01.2022
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信息在主存是按“位”存放的。为了能对信息进 行访问，要对这些位置进行编号，这些编号称为地 址。
25.01.2022
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帕金森Parkinson定律：存储器 有多大，程序就会有多大。程序 的增大正好填满增大的存储器。
25.01.2022
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计算机领域，历史总是在重复自身。当 最简单的存储管理方案不再用于台式机 时，这些方案仍被一些掌上电脑、嵌入 式系统和智能卡系统所采用。
25.01.2022
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5.1.1 5.1.2
装入方式 一、绝对装入方式 二、可重定位装入方式 三、动态运行时装入方式 程序的链接程序的装入 一、静态链接 二、装入时动态链接 三、运行时动态链接
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存储器管理
主存储器(又称内部存储器，处理机存储器)， 存储器管理，讨论的主要对象就是主存储器。
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实存储管理技术： 分连续分配和离散分配。 连续分配又分：单一连续、固定分区、可变分区和动 态重定位可变分区。 离散分配分：分页、分段和段页式。 虚拟存储管理技术： 请求分页、请求分段和段页虚拟式。
对每一种管理方式从以下五个方面来理解并掌握：分 配、去配（释放或回收）、地址重定位、保护（防止 地址越界和控制正确存取）和共享。
操作系统第五章复习
第五章存储管理物理地址：把内存分成若干个大小相等的存储单元，每个单元给一个编号，这个编号称为内存地址（物理地址、绝对地址、实地址），存储单元占8 位，称作字节（byte ）。
物理地址空间：物理地址的集合称为物理地址空间（主存地址空间），它是一个一维的线性空间。
程序地址：用户编程序时所用的地址（或称逻辑地址、虚地址），基本单位可与内存的基本单位相同，也可以不相同。
程序地址空间（逻辑地址空间、虚地址空间）: 用户的程序地址的集合称为逻辑地址空间，它的编址总是从0 开始的，可以是一维线性空间，也可以是多维空间。
存储管理的功能1. 虚拟存储器2. 地址变换3. 内外存数据传输的控制4. 内存的分配与回收5. 内存信息的共享与保护虚拟存储器虚拟存储器的实现基础：实验证明，在一个进程的执行过程中，其大部分程序和数据并不经常被访问。
实现原理：把进程中那些不经常被访问的程序段和数据放入外存中，待需要访问它们时再将它们调入内存。
引入虚拟存储技术的好处大程序：可在较小的可用内存中执行较大的用户程序；大的用户空间：提供给用户可用的虚拟内存空间通常大于物理内存（real memory）；并发：可在内存中容纳更多程序并发执行；易于开发：不会影响编程时的程序结构虚拟存储器—概念将进程中的目标代码、数据等的虚拟地址（又称逻辑地址，相对地址）组成的虚拟空间称为虚拟存储器（Virtual memory ）。
虚拟存储器不考虑物理存储器的大小和信息存放的实际位置，只规定每个进程中互相关联的信息的相对位置。
每个进程都有自己的虚拟存储器，通常是一个以0 地址为始地址的一维（或多维）虚拟地址空间。
从虚拟地址空间到物理地址空间需要进行地址变换。
地址变换物理地址空间是一维的，而虚拟地址空间可以是一维的，也可以是多维的。
当程序装入内存时, 操作系统要为该程序分配一个合适的内存空间，由于程序的逻辑地址与分配到内存物理地址不一致，而CPU执行指令时，是按物理地址进行的，所以要进行地址转换。
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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。
2、PC 随着Pentium 系列芯片的推出，PCI 在CPU 和外设间插入一复杂的管理层，用于协调数据传输和提供一致的接口。
在管理层中配有数据缓冲，通过该缓冲可将线路的驱动能力放大，使PCI 最多能支持10 种外设，并使高时钟频率的CPU 能很好地运行，最大传输速率可达132Mb/s。
PCI 即可连接ISA、EISA 等传统型总线，又可支持Pentium 的64 位系统，是基于奔腾等新一代微处理器而发展的总线。
6、试说明推动I/O控制发展的主要因素是什么？P167答：在I/O 控制方式的整个发展过程中，始终贯穿着这样一条宗旨，即尽量减少主机对I/O 控制的干预，把主机从繁杂的I/O 控制事务中解脱出来，以便更多地去完成数据处理任务。
7、有哪几种I/O控制方式？各适用于何种场合？P167-P170答：1、程序I/O 方式：2、中断驱动I/O 控制方式：3、直接存储器访问（DMA）4、I/O 通道控制方式：8、试说明DMA的工程流程。
P170图要画答：当CPU 要从磁盘读入一数据块时，便向磁盘控制器发送一条读命令。
该命令被送到其中的命令寄存器（CR）中。
同时，还须发送本次要将数据读入的内存起始目标地址，该地址被送入内存地址寄存器（MAR）中；本次要读数据的字（节）数则送入数据计数器（DC）中，还须将磁盘中的源地址直接送至DMA 控制器的I/O 控制逻辑上，然后启动DMA 控制器进行数据传送，以后CPU 便可去处理其它任务。
此后，整个数据传送过程便由DMA控制器进行控制。
当DMA 控制器已从磁盘中读入一个字（节）的数据送入数据寄存器（DR）后，再挪用一个存储器周期，将该字（节）传送到MAR 所指示的内存单元中。
按着便对MAR 内容加1，将DC 内容减1.若减1 后，DC 内容不为0，表示传送未完，便继续传送下一个字（节）；否则，由DMA 控制器发出中断请求。
9、引入缓冲的主要原因是什么？P172答：1、缓和CPU和I/O设备间速度不匹配的矛盾。
2、减少对CPU的中断次数。
3、提高CPU和I/O设备之间的并行性。
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：在块设备输入时，假定从磁盘把一块数据输入到缓冲区的时间为T；操作系统将缓冲区数据传送给用户区的时间为M；而CPU 对这一块数据进行计算得时间为C。
在单缓冲情况下，由于设备的输入操作和CPU 的处理操作可以并行，所以系统对每一整块数据的处理时间为max(C, T) + M。
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，在设备输入时，先将数据送入第一缓冲区，装满后便转向第二缓冲区。
此时操作系统可以从第一缓冲区移出数据，并送入用户进程。
接着由CPU 对数据进行计算。
在双缓冲区中，不仅设备的输入操作和CPU 的处理操作可以并行，设备的输入操作和数据的传送操作也可以并行，因此耗时大约为max(C+M,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)。
12、试绘图说明把多缓冲用于输出时的情况？P174答：图略。
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？P177答：收容输入：在输入进程需要输入数据时，变调用Getbuf(emq)过程，从空缓冲队列emq的队首摘下一空缓冲区，把它作为收容输入工作缓冲区hin。
然后，把数据输入其中。
提取输出：由输出进程调用Getbuf(outq)过程，从输出队列的队首取得一装满输出数据的缓冲区，作为提取输出工作缓冲区sout。
在数据提取完后，再调用Putbuf(emq,sout)过程，将该缓冲区挂在空缓冲队列末尾。
14、何谓安全分配方式和不安全分配方式？P188答：安全分配方式：在这种方式中，每当进程发出I/O请求后，便进入阻塞状态，直到其I/O操作完成时才被唤醒。
即CPU与I/O设备是串行工作。
不安全分配方式：在这种分配方式中，进程在发出I/O请求后仍继续运行，需要时又发出第二个I/O请求，第三个I/O请求等。
从而可能造成死锁。
15、为何要引入设备独立性？如何实现设备的独立性？P184-P185答：应用程序独立于具体使用的物理设备。
为了实现设备独立性而引入逻辑设备和特理设备这两个概念。
在应用程序中，使用逻辑设备名称来请求使用某类设备；而系统在实际执行时，还必须使用物理设备名称。
因此，系统须具有将逻辑设备名称转换为某物理设备名称的功能，这非常类似于存储器管理中所介绍的逻辑地址和物理地址的概念。
在应用程序中的使用的是逻辑地址，而系统在分配和使用内存时，必须使用物理地址。
1、对独立设备的分配与回收；2、将逻辑设备名映射为物理设备名，进一步可以找到相应物理设备的驱动程序；3、对设备进行保护，禁止用户直接访问设备；4、缓冲管理，即对字符设备和块设备的缓冲区进行有效的管理，以提高I/O 的效率；5、差错控制，由于在I/O 操作中的绝大多数错误都与设备无关，故主要由设备驱动程序处理，而设备独立性软件只处理那些设备驱动程序无法处理的错误；6、提供独立于设备的逻辑块，不同类型的设备信息交换单位是不同的，读取和传输速率也各不相同，即使同一类型的设备，其信息交换单位大小也是有差异的，如不同磁盘由于扇区大小的不同，可能造成数据块大小的不一致，因此设备独立性软件应负责隐藏这些差异，对逻辑设备使用并向高层软件提供大小统一的逻辑数据块。
16、在考虑到设备的独立性时，应如何分配独享设备？P189答：1、分配设备；分配控制器；分配通道；2、增加设备的独立性；考虑多通路情况；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？P187—P188 答：设备虚拟是指设备本身虽是独占设备，但经过某种技术处理，可以把它改造成虚拟设备。
实现设备邪虚拟：由于可虚拟设备是指一台物理设备在采用虚拟技术后，可变成多台逻辑上的所谓虚拟设备，因而说，一台可虚拟__设备是可共享的设备，可以将它同时分配给多个进程使用，并对这些访问该（物理）设备的先后次序进行控制。
18、试说明SPOOLing系统的组成。
P190答：1、输入井和输出井：这是在磁盘上开辟的两个大存储空间。
2、输入缓冲区和输出缓冲区：为了缓和CPU和磁盘之间速度不匹配的矛盾，在内存中要开辟两个缓冲区，输入缓冲区和输出缓冲区。
3、输入进程SPi 和输出进程SP0：这里利用两个进程来模拟脱机I/O 时的外围控制机。
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：在实现后台打印时，SPOOLing 系统应为请求I/O 的进程提供以下服务：（1）由输出进程在输出井中为之申请一空闲盘块区，并将要打印的数据送入其中；（2）输出进程再为用户进程申请一张空白的用户打印表，并将用户的打印要求填入其中，再将该表挂到请求打印队列上。
（3）一旦打印机空闲，输出进程便从请求打印队列的队首取出一张请求打印表，根据表中的要求将要打印的数据从输出井传送到内存缓冲区，再由打印机进行打印。
20、试说明设备驱动程序具有哪些优点？P182答：1、设备驱动程序主要是指在请求I/O的进程与设备控制器之间的一个通信和转移程序。
2、驱动程序与设备控制器和I/O设备的硬件特性紧密相关，因而对不同类型的设备应配置不同的驱动程序。
3、驱动程序与I/O设备所采用的I/O控制方式紧密相关。
4、由于驱动程序与硬件紧密相关，因而其中的一部分必须用汇编语言书写。
5、驱动程序应允许可重入。
21、试说明设备驱动程序应完成哪些功能？P182答：1、接收由设备独立性软件发来的命令和参数，并将命令中的抽象要求转换为具体要求。
2、检查用户I/O请求的合法性，了解I/O设备的状态，传递有关参数，设置设备的工作方式。
3、发出I/O命令。
4、及时响应由控制器和通道发来的中断请求，并根据其中断类型调用相应的中断处理程序进行处理。
5、对于设置有通道的计算机系统，驱动程序还应能够根据用户的I/O请求，自动的构成通道程序。
22、设备中断处理程序通常需完成哪些工作？P180答：1、唤醒被阻塞的驱动进程。
2、保护被中断进程的CPU环境。
3、转入相应的设备处理程序。
4、中断处理。
5、恢复被中断进程的现场。
23、磁盘访问时间由哪几部分组成？每部分时间应如何计算？P193答：1、寻道时间Ts：Ts =m*n+s.2、旋转延迟时间Tr:3、传输时间Tt:Tt=b/rN24、目前常用的磁盘调度算法有哪几种？每种算法优先考虑的问题是什么？P194 答：1、先来先服务，公平简单。