操作系统原理第6章
《操作系统原理》(汤小丹)课后答案
第一章操作系统引论1．设计现代OS的主要目标是什么？答：（1）有效性（2）方便性（3）可扩充性（4）开放性2．OS的作用可表现在哪几个方面？答：（1）OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口（2）OS作为计算机系统资源的管理者（3）OS实现了对计算机资源的抽象3．为什么说OS实现了对计算机资源的抽象？答：OS首先在裸机上覆盖一层I/O设备管理软件，实现了对计算机硬件操作的第一层次抽象；在第一层软件上再覆盖文件管理软件，实现了对硬件资源操作的第二层次抽象。
OS 通过在计算机硬件上安装多层系统软件，增强了系统功能，隐藏了对硬件操作的细节，由它们共同实现了对计算机资源的抽象。
4．试说明推动多道批处理系统形成和发展的主要动力是什么？答：主要动力来源于四个方面的社会需求与技术发展：（1）不断提高计算机资源的利用率；（2）方便用户；（3）器件的不断更新换代；（4）计算机体系结构的不断发展。
5．何谓脱机I/O和联机I/O？答：脱机I/O 是指事先将装有用户程序和数据的纸带或卡片装入纸带输入机或卡片机，在外围机的控制下，把纸带或卡片上的数据或程序输入到磁带上。
该方式下的输入输出由外围机控制完成，是在脱离主机的情况下进行的。
而联机I/O方式是指程序和数据的输入输出都是在主机的直接控制下进行的。
6．试说明推动分时系统形成和发展的主要动力是什么？答：推动分时系统形成和发展的主要动力是更好地满足用户的需要。
主要表现在：CPU 的分时使用缩短了作业的平均周转时间；人机交互能力使用户能直接控制自己的作业；主机的共享使多用户能同时使用同一台计算机，独立地处理自己的作业。
7．实现分时系统的关键问题是什么？应如何解决？答：关键问题是当用户在自己的终端上键入命令时，系统应能及时接收并及时处理该命令，在用户能接受的时延内将结果返回给用户。
解决方法：针对及时接收问题，可以在系统中设置多路卡，使主机能同时接收用户从各个终端上输入的数据；为每个终端配置缓冲区，暂存用户键入的命令或数据。
操作系统原理第六章课件
设备驱动程序概念
设备驱动程序是操作系统中与硬件设备直接交互的软件，负责与硬件设备进行通信和控制 。
设备驱动程序功能
设备驱动程序的主要功能包括初始化设备、配置设备、控制设备的操作和响应设备的请求 等。
设备驱动程序与操作系统的关系
设备驱动程序是操作系统的一部分，通常由操作系统提供，用于支持各种硬件设备的操作 和管理。
进程阻塞与唤醒
进程因等待某个条件成立而阻 塞，等待条件成立后被唤醒。
进程切换
当一个进程的时间片用完时， 系统保存该进程的状态，恢复 下一个就绪态的进程的状态并
执行。
进程同步与互斥
临界区
同一时间只允许一个进程访问的资源或代码 段。
同步
协调多个进程的执行顺序，使得它们能按一 定的规则和条件执行。
互斥
两个或多个进程不能同时进入临界区。
通道控制方式下，硬件设备和通道之间建 立数据传输的通道，通道负责数据的传输 和管理。
设备分配与回收
01
设备分配策略
设备分配策略是指根据一定的规则和优先级，将设备分配 给请求设备的进程的过程。常见的设备分配策略包括先来 先服务、最短作业优先、优先级调度等。
02 03
死锁与活锁
在设备分配过程中，可能会出现死锁和活锁的情况。死锁 是指多个进程互相等待对方释放资源，导致所有进程都无 法继续执行。活锁是指进程在不断切换占用和释放资源的 过程中，始终无法满足自己的需求，导致进程无法继续执 行。
内存管理的主要目标是提高内存利用率，并确保 所有程序都能得到足够的内存空间。
内存管理需要处理内存的分配、回收、共享、保 护和扩充等问题。
内存分区管理
内存分区管理是一种将内存划分为若干个固定大小的分区，每个分区只能被一个进程使用的内存管理 方式。
操作系统原理智慧树知到答案章节测试2023年兰州理工大学
第一章测试1.操作系统是计算机专家为提高计算机精度而研制的。
（）A:对B:错答案:B2.操作系统提供用户与计算机的接口。
（）A:错B:对答案:B3.通常将CPU模式分为内核态和用户态，这样做的目的是为了提高运行速度。
（）A:对B:错答案:A4.实时操作系统只能用于控制系统，不能用于信息管理系统。
（）A:对B:错答案:B5.中断处理程序是操作系统的核心，所以对中断的处理是在用户态下进行的。
（）A:对B:错答案:B6.所谓（）是指将一个以上的作业放入内存，并且同时处于运行状态，这些作业共享处理机的时间和外围设备等其他资源。
A:多重处理B:实时处理C:多道程序设计D:并行执行答案:C7.实时操作系统必须在（）内处理完来自外部的事件。
A:响应时间B:周转时间C:调度时间D:规定时间答案:D8.在分时系统中，时间片一定，（），响应时间越长。
A:内存越大B:用户数越多C:进程数越多D:用户数越少答案:C9.用户要在程序一级获得操作系统的帮助，必须通过（）。
A:作业调度B:设备调度C:进程调度D:系统调用答案:D10.下列哪些功能不属于操作系统具备的功能（）。
A:CPU调度B:内存管理C:终端处理D:文档编辑答案:D第二章测试1.进程在运行中，可以自行修改自己的进程控制块。
（）A:错B:对答案:A2.一个线程可以属于一个或多个进程。
（）A:对B:错答案:B3.仅当一个进程退出临界区之后，另一个进程才能进入相应的临界区。
（）A:对B:错答案:A4.P、V操作是一种原语，运行时可以中断。
（）A:对B:错答案:B5.银行家算法是预防死锁发生的方法之一。
（）A:对B:错答案:B6.一旦出现死锁，所有进程都不能运行。
（）A:对B:错答案:B7.（）是进程存在的唯一标志。
A:BRB:PSWC:LRD:PCB答案:D8.两个进程合作完成一个任务，在并发执行中，一个进程要等待其合作伙伴发来信息或者建立某个条件后再向前执行，这种关系是进程间的（）关系。
《操作系统原理》课程教学大纲
附件1:《操作系统原理》课程教学大纲制定(修订)人: 李灿平、郭亚莎制定(修订)时间: 2006年 7 月所在单位: 信息工程学院一、课程基本信息三、教学内容及基本要求第一章绪论本章简要介绍操作系统的基本概念、功能、分类以及发展历史。
同时讨论研究操作系统的几种观点。
§1.1 操作系统的概念本节介绍操作系统的基本概念，什么是操作系统以及操作系统与硬件软件的关系。
本节重点：操作系统与硬件软件的关系。
本节要求学生理解什么是操作系统，掌握操作系统与硬件软件的关系。
§1.2 操作系统的历史本节按器件工艺介绍操作系统的发展历史。
本节重点：多道程序系统的概念。
本节要求学生了解操作系统的发展历史，理解多道程序系统概念。
§1.3 操作系统的基本类型本节介绍常见的操作系统的类型、特点及适用的对象。
本节重点：批处理操作系统、分时系统、实时系统。
本节要求学生掌握上述三大操作系统的特点及适用对象。
§1.4 操作系统功能本节简单介绍操作系统的五个功能。
处理机管理，存储管理，设备管理，信息管理（文件系统管理）和用户接口。
本节要求学生了解上述功能。
§1.5 计算机硬件简介本节简单介绍计算机硬件系统。
本节要求学生自修。
§1.6 算法的描述本节介绍操作系统管理计算机系统的有关过程所用的描述算法。
本节要求学生掌握本书所采用的描述算法。
§1.7 研究操作系统的几种观点本节介绍研究操作系统的几种观点。
系统管理的观点，用户界面观点和进程管理观点。
本节要求学生了解上述三种观点。
第二章操作系统用户界面本章主要讨论操作系统的两个用户接口，并以UNIX系统为例，简单介绍用户接口的使用操作方法。
§2.1 作业的基本概念本节介绍作业的基本概念，什么是作业及作业组织（结构）。
本节重点：作业的基本概念。
本节要求学生掌握作业的基本概念，了解作业的组织。
§2.2 作业的建立本节介绍作业的几种输入方式和作业的建立过程。
操作系统原理
定义
• 操作系统（Operating System，简称OS）， 操作系统（ System，简称OS OS）， 是控制和管理计算机硬件和软件资源， 是控制和管理计算机硬件和软件资源，合 理地组织计算机工作流程， 理地组织计算机工作流程，以及方便用户 的程序的集合。它是系统软件的核心， 的程序的集合。它是系统软件的核心，是 计算机处理时必不可少的非常重要的软件。 计算机处理时必不可少的非常重要的软件。
1.1.1 操作系统作为最基本的系统软件 1.1.2 操作系统作为资源管理器 1.1.3 操作系统作为虚拟机
1.1.2 操作系统作为资源管理器
①处理机管理：分配和控制处理机 。 处理机管理： 存储器管理： ②存储器管理：主要负责内存的分配与回收 I/O 。 设备管理： ③设备管理：负责 I/O 设备的分配与操纵 。 文件管理：负责文件的存取、共享和保护。 ④文件管理：负责文件的存取、共享和保护。
1.1
什么是操作系统
★几种常用的操作系统介绍： 几种常用的操作系统介绍： ①DOS： DOS： Microsoft公司开发的MS-DOS操作系统 DOS操作系统也就 公司开发的MS 操作系统。 Microsoft公司开发的MS-DOS操作系统。DOS操作系统也就 是磁盘操作系统(Disk System)，简称DOS DOS。 是磁盘操作系统(Disk Operating System)，简称DOS。是 一种单用户单任务操作系统。 一种单用户单任务操作系统。 Windows系列 系列： ②Windows系列： 1990年 Microsoft公司推出了 公司推出了Windows 3.0。 1990年，Microsoft公司推出了Windows 3.0。 UNIX： ③UNIX： 1970年 美国AT&T公司Bell实验室的Ken Thompson用汇编 AT&T公司Bell实验室的 1970年，美国AT&T公司Bell实验室的Ken Thompson用汇编 语言在PDP-7计算机上设计了一个小型的操作系统，取名为 语言在PDP- 计算机上设计了一个小型的操作系统， PDP UNIX。多用户多任务分时系统。 UNIX。多用户多任务分时系统。 Linux： ④Linux： 1991年由芬兰赫尔辛基大学计算机系学生 年由芬兰赫尔辛基大学计算机系学生Linux Torvals初 1991年由芬兰赫尔辛基大学计算机系学生Linux Torvals初 创。
全国计算机等级考试四级网络工程师操作系统原理部分
操作系统原理第一章操作系统概论1.1操作系统的概念操作系统的特征：并发性，共享性，随机性。
研究操作系统的观点：软件的观点，资源管理的观点，进程的观点，虚拟机的观点，服务提供者的观点。
操作系统的功能：1.进程管理：进程控制，进程同步，进程间通信，调度。
2.存储管理：内存分配与回收，存储保护，内存扩充。
3.文件管理：文件存储空间管理，目录管理，文件系统安全性。
4.设备管理5.用户接口UNIX是一个良好的、通用的、多用户、多任务、分时操作系统。
1969年AT&T公司Kenneth L.Thompson 用汇编语言编写了Unix第一个版本V1，之后Unix用C语言编写，因此事可移植的。
1.3操作系统分类1.批处理操作系统：优点是作业流程自动化较高，资源利用率较高，作业吞吐量大，从而提高了整个系统的效率。
缺点是用户不能直接与计算机交互，不适合调试程序。
2.分时系统：特点是多路性，交互性，独占性，及时性。
3.实时操作系统4.嵌入式操作系统5.个人计算机操作系统6.网络操作系统7.分布式操作系统8.智能卡操作系统1.4操作系统结构1.整体式结构2.层次结构3.微内核（客户机/服务器）结构：①可靠，②灵活（便于操作系统增加新的服务功能），③适宜分布式处理的计算机环境第二章操作系统运行机制2.1中央处理器寄存器：用户可见寄存器：数据寄存器（通用寄存器），地址寄存器，条件码寄存器。
控制和状态寄存器：程序计数器，指令寄存器，程序状态字。
目态到管态的转换唯一途径是通过终端和异常。
管态到目态的转换可以通过设置PSW指令（修改程序状态字）实现。
PSW包括：①CPU的工作状态代码②条件码③中断屏蔽码2.2存储体系存储器设计：容量，速度，成本存储保护：①界地址寄存器（界限寄存器）：产生程序中断-越界中断或存储保护中断②存储键2.3中断与异常机制分类：中断：时钟中断，输入输出（I/O）中断，控制台中断，硬件故障中断异常：程序性中断，访管指令异常2.4系统调用系统调用程序被看成是一个低级的过程，只能由汇编语言直接访问。
西安交大操作系统原理课程作业答案
第一章操作系统引论1. 设计现代OS的主要目标是什么?方便性，有效性，可扩充性和开放性.2. OS的作用可表现为哪几个方面?a. OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口；b. OS作为计算机系统资源的管理者；c. OS实现了对计算机资源的抽象.7. 实现分时系统的关键问题是什么?应如何解决?a. 关键问题：使用户能与自己的作业进行交互，即当用户在自己的终端上键入命令时，系统应能及时接收并及时处理该命令，再将结果返回给用户。
b. 解决方法：------对于及时接收，只需在系统中设置一多路卡，使主机能同时接收用户从各个终端上输入的数据；此外，还须为每个终端配置一个缓冲区，用来暂存用户键入的命令（或数据）。
------对于及时处理，应使所有的用户作业都直接进入内存，并且为每个作业分配一个时间片，允许作业只在自己的时间片内运行，这样在不长的时间内，能使每个作业都运行一次。
12. 试在交互性，及时性和可靠性方面，将分时系统与实时系统进行比较.a. 分时系统是一种通用系统，主要用于运行终端用户程序，因而它具有较强的交互能力；而实时系统虽然也有交互能力，但其交互能力不及前。
b. 实时信息系统对实用性的要求与分时系统类似，都是以人所能接收的等待时间来确定；而实时控制系统的及时性则是以控制对象所要求的开始截止时间和完成截止时间来确定的，因此实时系统的及时性要高于分时系统的及时性。
c. 实时系统对系统的可靠性要求要比分时系统对系统的可靠性要求高。
13. OS具有哪几大特征?它的最基本特征是什么?a. 并发性、共享性、虚拟性、异步性。
b. 其中最基本特征是并发和共享。
（最重要的特征是并发性）18. 是什么原因使操作系统具有异步性特征?在多道程序环境下允许多个进程并发执行，但由于资源等因素的限制，进程的执行通常并非一气呵成，而是以走走停停的方式运行。
内存中的每个进程在何时执行，何时暂停，以怎样的速度向前推进，每道程序总共需要多少时间才能完成，都是不可预知的，因此导致作业完成的先后次序与进入内存的次序并不完全一致。
操作系统原理与实践教程(第四版) 习题答案 (1)[4页]
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第6章虚拟存储器1．常规存储器管理方式具有哪两大特征？它对系统性能有何影响？答：特点：一次性和驻留性。
影响：一次性及驻留性特征使得许多在程序中不用或暂时不用的程序（数据）占据了大量的内存空间，而一些需要运行的作业又无法装入运行，显然，这是在浪费宝贵的内存资源。
2．什么是程序运行时的时间局限性和空间局限性？答：时间局限性：如果程序中的某条指令被执行，则不久之后该指令可能再次执行；如果某数据被访问过，则不久以后该数据可能再次被访问。
产生时间局限性的典型原因是在程序中存在着大量的循环操作。
空间局限性：一旦程序访问了某个存储单元，在不久之后，其附近的存储单元也将被访问，即程序在一段时间内所访问的地址可能集中在一定的范围之内，其典型情况便是程序的顺序执行。
3．虚拟存储器有哪些特征？其中最本质的特征是什么？多次性、对换性、虚拟性。
最基本特征是虚拟性。
4．实现虚拟存储器需要哪些硬件支持？答：分页请求系统：请求分页的页表机制、缺页中断机构、地址变换机构。
请求分段系统：请求分段的段表机制、缺段中断机构、地址变换机构。
5．实现虚拟存储器需要哪几个关键技术？答：（1）在分页请求系统中是在分页的基础上，增加了请求调页功能和页面置换功能所形成的页式虚拟存储系统。
允许只装入少数页面的程序（及数据），便启动运行。
（2）在请求分段系统中是在分段系统的基础上，增加了请求调段及分段置换功能后形成的段式虚拟存储系统。
允许只装入少数段（而非所有段）的用户程序和数据，即可启动运行。
6．在请求分页系统中，页表应包括哪些数据项？每项的作用是什么？（1）状态位（存在位）P：它用于指示该页是否已调入内存，供程序访问时参考。
（2）访问字段A：用于记录本页在一段时间内被访问的次数，或记录本页最近已有多长时间未被访问，提供给置换算法（程序）在选择换出页面时参考。
（3）修改位M：标识该页再调入内存后是否被修改过。
（4）外存地址：用于指出该页在外存上的地址，通常是物理块号，供调入该页时参考。
《操作系统原理》课程教学大纲
操作系统原理课程教学大纲（Princip1esofOperatingSystems）学时数：72学时其中：实验学时：12学时课外学时：0学时学分数：4.5适用专业：计算机科学与技术一、课程的性质、目的和任务性质：本课程是高等院校计算机科学与技术专业本科的一门学科基础课程，是必修课。
目的：通过操作系统原理的学习，了解操作系统的发展过程及种类，掌握操作系统设计中的相关基本概念和原理，以及在操作系统的设计与构造中涉及的资源共享、提高系统资源利用率等各方面基本知识，了解并掌握操作系统在发展过程及将来引入的新技术与方法。
任务：阐述计算机系统的核心软件——操作系统的基本概念、基本原理和实现技术。
主要包括操作系统的用户界面、操作系统的资源管理功能等，其中资源管理还包括进程管理、处理机管理、存储管理、设备管理、文件管理、网络与安全等方面内容，并将操作系统的一般原理与实际操作系统的分析与设计有机地结合。
二、课程教学的基本要求（一）掌握操作系统的基本原理、概念及主要功能（-）掌握进程概念、进程的同步与互斥、思索的预防与检测（H）掌握处理机的调度层次划分与调度、调度方法评价以及调度基本策略（四）掌握存储管理目标与几种存储管理策略（五）掌握设备与处理之间的数据传送方式、缓冲技术以及设备管理基本手段（六）掌握文件系统的物理及逻辑设备的空间组织与管理、多级目录结构、文件东共享实现以及文件系统的安全与防护（七）了解并掌握操作系统的安全与防护基本知识，了解一些病毒与黑客的常用手段以及一些基本应对措施（八）了解网络操作系统的基本概念，了解网络操作系统必须实现的一些基本技术（九）通过实验环节具备一定系统软件和应用软件的开发技能三、课程的教学内容、重点和难点第一章操作系统概论（4学时）一、基本内容（一）操作系统概观（二）操作系统的形成与发展（H）操作系统提供的服务与用户接口（四）流行操作系统简介二、基本要求（一）掌握操作系统的基本概念。
第6章-形式化方法与安全模型
2016年9月24日星期六 16
信息安全系 张柱
第6章 形式化方法与安全模型
6.3.3 HRU模型
或者，如果m为0，命令格式为：
command (X1 , X 2 , , X k ) op1 , op 2 , , op n
2016年9月24日星期六 12
信息安全系 张柱
第6章 形式化方法与安全模型
6.3.1 Lampson访问控制矩阵模型
系统中状态的改变取决于访问矩阵Ｍ的改变，独立的状态机构成 一个系统，因此访问矩阵也可称为系统的“状态保护”。 Lampson模型中访问控制矩阵如图：
主体 (Subjects) Sunny Clone 客 体(Objects)
2016年9月24日星期六
6
信息安全系 张柱
第6章 形式化方法与安全模型(8课时)
6.1 形式化方法
机器证明依赖于使用机器化的证明器，“检查机”具有如下的 特性： ①接受输入； ②决定输出； ③如果成功，则该推测是该系列假设的有效结果。 证明器能够潜在的提升用户效率。在操作系统的安全策略模型 中，经常需要自动机的协助。典型地，对安全的定义包含许 多需求，这些需求通常以状态不变式和状态转换约束的形式 出现。 特别地，一个需求只处理几个状态元素，任何操作规则对这些 元素的细微的修改都会导致对需求的违反，因此，至多90% 的必需的引理都可能是非常重要的。
A[x,o]中为“拥有者”
删除主体s
S对o读访问权
A[x,s]中为“控制”
A[x,s]中的为“控制” A[x,o]中为“拥有者”
操作系统原理答案
操作系统原理答案(总20页)本页仅作为文档封面，使用时可以删除This document is for reference only-rar21year.March第2章习题答案2-9.(1)x<=3 运行顺序为 Px，P3，P5，P6，P9T=(x+(x+3)+(x+3+5)+(x+3+5+6)+(x+3+5+6+9))/5=x+(2)3<x<=5 运行顺序为 P3，Px，P5，P6，P9T=(3+(3+x)+(3+x+5)+(3+x+5+6)+(3+x+5+6+9))/5=+(3)5<x<=6 T=+(4)6<x<=9 T=+(5)9<x T=+2-12．计算采用FCFS、SJN、RHN的平均周转时间和平均带权周转时间：各作业的周转时间Ti和平均周转时间T：T1= T2= T4=各个作业的平均带权周转时间W计算如下：W=(2/2+++=(1+++6)/4=2) SJN 作业运行顺序：1，3，4，2T1= T2==3T3= T4=各个作业的平均带权周转时间W计算如下：W=(2/2+3/+1/+/4=3) HRN 作业运行顺序：1，3，2，4先选择作业1 从。
当作业1完成时，究竟选谁运行，只有通过计算,选择响应比高者运行：作业2的响应比=( +/=作业3的响应比=(+ /=作业4还未到，只能选作业3运行。
作业3运行到结束，再计算剩余的作业2和4：作业2的响应比=（（）+）/=作业4的响应比=( /=2 选作业2运行。
作业2到完成。
最后运行作业4。
运行到,全部结束。
各个作业的周转时间计算如下：t1=2 t2== t3= t4==各个作业的平均周转时间计算如下：T==(2++1+/4=各个作业的平均带权周转时间计算如下：W=(2/2++1/+/4=2-13．已知作业A,B,C,D,E需要的运行时间分别为10,6,2,4,8分钟，优先级分别为3,5,2,1,4。
操作系统原理 第5和6章课件
●主要内容⏹死锁的概念⏹死锁的起因、必要条件和解决策略⏹进程调度⏹典型调度算法●重点⏹死锁的必要条件⏹静态资源分配法⏹有序资源分配法⏹典型调度算法死锁概念死锁概念●死锁的定义⏹两个或多个进程无限期地等待永远不会发生的条件的一种系统状态。
【结果：每个进程都永远阻塞】每个哲学家都在无限期的等待邻座放下筷子！而邻座没有吃完之前永远不会放下筷子！●死锁的另一个定义⏹在两个或多个进程中，每个进程都持有某种资源，但又继续申请其它进程已持有的某种资源。
此时每个进程都拥有其运行所需的一部分资源，但是又都不够，从而每个进程都不能向前推进，陷于阻塞状态。
这种状态称死锁。
●死锁的起因⏹系统资源有限◆资源数目不足以满足所有进程的需要，引起进程对资源的竞争而产生死锁。
⏹并发进程的推进顺序不当◆进程在运行过程中，请求和释放资源的顺序不当，导致进程产生死锁。
并发进程的推进顺序不当能引起死锁●i 和j 是独占性的共享变量（属临界资源，但不考虑临界区的概念）。
⏹i 或j 在进程中没有被访问（即使用）完之前不能被其它进程访问。
⏹i j 代表真实世界中的一切独占性资源：打印机扫描仪1.……2.i = 100 ;3.……4.i = j + 5;5.……6.j = 200 ;7.……8.……进程A 1.……2.……3.j = 200 ;4.……5.j = i + 4;6.……7.i = 100 ;8.……进程B●关于死锁的一些结论⏹参与死锁的进程至少是2个◆两个以上进程才会出现死锁⏹参与死锁的进程至少有2个已经占有资源⏹参与死锁的所有进程都在等待资源⏹参与死锁的进程是当前系统中所有进程的子集☐死锁会浪费大量系统资源，甚至导致系统崩溃●死锁的必要条件⏹互斥条件◆资源具有独占性，每次只能被一个进程所使用。
⏹不剥夺条件◆资源使用完之前，不能被其他进程剥夺。
⏹部分分配条件◆进程运行中除占有已有资源外，还会申请新的资源。
⏹环路条件◆存在进程环路，环中每个进程已有的资源被环中前一进程申请，而自己所需资源又被环中后一进程所占有。
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6.6.3 磁盘高速缓存
1．磁盘高速缓存的形式 2．数据交付方式 3．置换算法 4．周期性地写回磁盘
6.6.4 提高磁盘I/O速度的其它方法
1．提前读(Read-ahead) 2．延迟写 3．优化物理块的分布 4．虚拟盘
6.7 典型例题讲解
6.7.1 单项选择题 【例6.1】磁盘设备的I/O控制主要是采取_______方式。 A．位 B．字节 C．帧 D．DMA 解析：DMA方式主要用于块设备，磁盘是典型的块设备。故本 题答案是D。 【例6.2】通道又称I/O处理机，它用于实现_______之间的信 息传输。 A．内存与外设 B．CPU与外设 C．内存与外存 D．CPU与外存 解析：在设置了通道后，CPU只需向通道发送一条I/O指令。 通道在收到该指令后，便从内存中取出本次要执行的通道程 序，然后执行该通道程序，仅当通道完成了规定的I/O任务 后，才向CPU发出中断信号。因此通道用于完成内存与外设 的信息交换。故本题答案是A。
许多计算机为了避免增加CPU的负担，将一 部分任务下放给被称为直接存储器访问（Direct Memory Access，DMA）的控制器。在开始 DMA传输时，主机向内存中写入DMA命令块。 该块包括传输的源地址指针、传输的目的地指针 、传输的字节数。CPU在将该命令块的地址写入 到DMA控制器中后，就继续其他工作。DMA控 制器则去直接操作内存总线，无需CPU的帮助即 可以将地址放到总线上开始传输。一个简单的 DMA控制器已经是个人计算机的标准部件。
【例6.5】I/O端口、总线、设备控制器、设备这四种 硬件中，用户程序可以访问的有____和____。 解析：本题考查计算机系统中硬件设备的相关概念 。用户程序要使用某个设备，向某个I/O控制器发出 I/O指令，即向指定的I/O端口写入指令；I/O控制器 又称设备控制器，因此，对I/O端口的访问即是对设 备控制器的访问。故本题答案是I/O端口和设备控制 器。 【例6.6】I/O设备处理进程平时处于____状态中， 当___和_____出现时，被唤醒。 解析：本题考查I/O设备处理进程负责设备的分配。 I/O设备处理进程平时处于睡眠状态，当用户发送I/O 请求或I/O操作完成时，外设发出中断请求时才被唤 醒。故本题答案是睡眠、I/O请求和I/O操作完成。 42
6.3.4 SPOOLing技术
SPOOLing 系统的组成 (1)输入井和输出井 (2)预输入程序和缓输出程序 (3)井管理程序 (4)用户对信息管理的交互接口
6.4 I/O设备驱动程序
6.4.1 设备驱动程序的特点 6.4.2 设备驱动程序的处理过程
6.4.1 设备驱动程序的特点
设备驱动程序与一般的应用程序及系统程序之间存在 下列明显差异： ①驱动程序主要是在请求I/O的进程与设备控制器之间的 一个通信程序，将进程的I/O请求传送给控制器，再把 设备控制器中所记录的设备状态、I/O操作完成情况反 映给请求I/O的进程。 ②驱动程序与I/O设备的特性紧密相关。 ③驱动程序与I/O控制方式紧密相关。 ④由于驱动程序与硬件紧密相关，因而其中的一部分程 序必须用汇编语言书写。目前有很多驱动程序，其基 本部分已经固化，放在ROM中。
6.3 I/O设备分配
6.3.1 设备分配时应考虑的因素 6.3.2 设备分配中的数据结构 6.3.3 设备的分配与去配 6.3.4 SPOOLing技术
6.3.1 设备分配时应考虑的因素
1.设备的固有属性 （1）独占设备 （2）共享设备 （3）可虚拟设备 2.设备分配算法 （1）先来先服务 （2）优先级高者优先
6.4.2 设备驱动程序的处理过程
（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）读出和检查设备的状态 （4）传送必要的参数 （5）工作方式的设置 （6）启动I/O设备
6.5 缓冲技术
6.5.1 缓冲技术的引入 6.5.2 缓冲的类型 6.5.3 缓冲池
6.5.1 缓冲技术的引入
7
6.1.3 I/O系统
1.I/O设备分类 （1）从资源分配角度分类: 独占设备 共享设备 虚拟设备 （2）按设备的使用特性分类 存储设备 I/O设备 （3）按信息交换方式分类 块设备 字符设备
2.设备控制器 设备控制器主要完成以下功能：
①接收和识别命令 ②数据交换 ③地址识别 ④标识和报告设备的状态 ⑤数据缓冲 ⑥差错控制
第6章 设备管理
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内容提要
本章主要讲述以下内容： （1）设备管理的目标与功能； （2）I/O设备的控制方式、分配及去配； （3）I/O设备的驱动程序和缓冲技术； （4）磁盘的存储管理。
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学习目标
1. 了解设备管理的目标、设备的分类及I/O设 备的驱动程序； 2. 理解缓冲技术和SPOOLing技术； 3. 掌握设备管理功能，设备分配技术，I/O设 备的控制方式和磁盘存储管理。
2．磁盘的类型 （1）固定头磁盘 这种磁盘在每条磁道上都有一读/写磁头，所有的磁头 都被装在一刚性磁臂中。通过这些磁头可访问所有磁道， 进行并行读/写，有效地提高了磁盘的I/O速度。这种结构的 磁盘主要用于大容量磁盘上。 （2）移动头磁盘 每一个盘面仅配有一个磁头，也被装入磁臂中。为能访 问该盘面上的所有磁道，该磁头必须能移动以进行寻道。 可见，移动磁头仅能以串行方式读/写，致使其 I/O 速度较 慢；但由于其结构简单，故仍广泛应用于中小型磁盘设备 中。在微型机上配置的温盘和软盘都采用移动磁头结构， 故本节主要针对这类磁盘的I/O进行讨论。
在操作系统中，引入缓冲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。 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设备的并行性。
6.5.2 缓冲的类型
1.按照缓冲区存在的位置 按照缓冲区存在的位置可以把缓冲分为硬件缓 冲和软件缓冲。所谓硬件缓冲是指设备本身配有 少量必要的硬件缓冲器，而软件缓冲则是指在内 存中划出一个特定区域来充当缓冲区，使用时， 由输入指针和输出指针来控制对信息的写入和读 取。
6.2.1 程序I/O方式
当主机需要输出数据时，主机与控制器之间交互过程 如下： ①主机不断的读取忙位，直到该位被清零。 ②主机设置命令寄存器中的写位并向数据输出寄存器中写 入一个字节。 ③主机设置命令就绪位。 ④当控制器检测到命令就绪位已被设置，则设置忙位。 ⑤控制器读取命令寄存器，并执行写入命令。它从数据输 出寄存器中读取一个字节，并执行I/O操作。 ⑥控制器清除命令就绪位，清除状态寄存器的故障位以表 示设备I/O操作成功，清除忙位以表示完成。 输出每个字节，都要执行以上循环。
缓冲池 收容输入 提取输入 用 户 程 提取输出 sout hout 收容输出 序
hin
sin
图6-6 缓冲池的工作缓冲区
6.6 磁盘存储器的管理
6.6.1 磁盘概述 6.6.2 磁盘调度 6.6.3 磁盘高速缓存 6.6.4 提高磁盘I/O速度的其它方法
6.6.1 磁盘概述
1．数据的组织和格式 磁盘设备可包括一个或多个物理盘片，每个磁盘 片分一个或两个存储面(surface)(见图6-7(a))，每个 磁盘面被组织成若干个同心环，这种环称为磁道 (track)，各磁道之间留有必要的间隙。为使处理简单 起见，在每条磁道上可存储相同数目的二进制位。这 样，磁盘密度即每英寸中所存储的位数，显然是内层 磁道的密度较外层磁道的密度高。每条磁道又被逻辑 上划分成若干个扇区(sectors)，软盘大约为8～32个 扇区，硬盘则可多达数百个，图6-7(b)显示了一个磁 道分成8个扇区。一个扇区称为一个盘块(数据块)， 常常叫做磁盘扇区。各扇区之间保留一定的间隙。
2.按照缓冲区的个数以及缓冲区的组织形式 ①单缓冲。单缓冲是在设备和CPU之间设置一个 缓冲区。 ②双缓冲。为了加快输入和输出速度，提高并行 性和设备的利用率，引入了双缓冲机制。 ③循环缓冲。当输入与输出的速度基本匹配时， 采用双缓冲能获得较好的效果，可使输入和输 出基本上能并行操作。 ④缓冲池。无论是单缓冲、双缓冲还是循环缓冲 都仅适用于某特定的I/O进程和计算进程，因而 它们属于专用缓冲。
CPU 1 设备驱动程序初始化I/O 2 初始化I/O CPU检查中断 3 CPU接收到中断，将控制 权交给中断处理程序 4
输入准备就绪，输出完毕 或出错，产生中断信号
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中断处理程序处理数据， 从中断返回
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CPU继续处理 被中断的任务
图6-3中断驱动I/O方式流程图
6.2.3 直接存储器访问I/O控制方式
3.通道 实际上，I/O通道是一种特殊的处理机，具 有执行I/O指令的能力，并通过执行通道程序来 完成对I/O的操作。 根据信息交换的方式，通道可分成三种类型 （1）字节多路通道 （2）数组选择通道 （3）数组多路通道
6.2 I/O控制方式
6.2.1 程序I/O方式 6.2.2 中断驱动I/O控制方式 6.2.3 直接存储器访问I/O控制方式 6.2.4 I/O通道控制方式
CPU
高速缓存
DMA/总线/中断控制器 内存总线
内存
X缓存区
PCI总线 磁盘控制器和磁盘
图6-4 DMA传输过程
6.2.4 I/O通道控制方式
通道是专门负责输入输出操作的处理器， 除了具有DMA数据块传输功能之外，通道还 具有更强大的输入输出传输功能。与DMA的 相同点有：以内存为中心，支持块传输。不 同点：通道是专门的处理器，有自己的指令 系统，可以实施复杂的输入输出控制。IBM服 务器等高性能计算机系统提供通道输入输出 方式。
3．磁盘访问时间 （1）寻道时间Ts （2）旋转延迟时间Tr （3）传输时间Tt
6.6.2 磁盘调度
1．先来先服务 (First Come First Served，FCFS) 2．最短寻道时间优先 (Shortest Seek Time First，SSTF) 3．扫描(SCAN)算法 4．循环扫描(CSCAN)算法