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， 自动地构成通道程序。 【例 4】什么叫设备独立性？怎么实现设备独立性？ 答：设备独立性的含义是：应用程序独立于具体使用的物理设备。为了实 现设备的独立性， 在操作系统中引入了逻辑设备名和物理设备名两个概念。 在实现了设备独立性的系统中，I/O 进程申请设备是以逻辑设备名申请的。 【例 5】设备分配算法有哪些？ 答：在设备管理中设备的分配算法比较简单，主要有两种算法： ①先来先服务算法。当有多个进程申请一个设备时，该算法根据进程申 请设备的先后次序，将这些进程排列成一个设备请求队列，设备分配程序 总是把设备首先分配给队首进程。 ②优先权高者优先算法。这种算法中，系统首先把设备分配给优先权高 的进程，使高优先权的进程能够尽快完成。对于同优先权的进程，系统按 照先来先服务的方法分配设备。 【例 6】什么是 Spooling 技术？Spooling 系统有哪几部分组成？ 答：Spooling 技术是一种虚拟设备技术，它可以把一台独占设备改造为虚拟 设备， 在进程所需的物理设备不存在或被占用的情况下， 使用该设备。 Spooling 技术是对脱机输入、输出系统的模拟，所以又叫作假脱机操作。Spooling 系 统主要有以下三部分组成：输入井和输出井、输入缓冲区和输出缓冲区、 输入进程和输出进程。 【例 7】为什么要在操作系统中引入缓冲？ 答：①缓和 CPU 与 I/O 设备间速度不匹配的矛盾。②减少对 CPU 的断频率，
信息传送， CPU 必须重复测试外设的状态， 仅当外设是处在准备好的状态时， CPU 才能与外设交换信息。所以，在程序查询 I/O 方式的接口电路中必须设 置一状态端口， 以使 CPU 通过执行输入指令了解外设的状态。 当采用程序查 询传送方式时，每当程序要使用某一外设进行 I/O 操作时，CPU 要执行一段 循环测试程序，以实现在外设准备好时执行一条输入/输出指令，进行一个 字节或字的数据传送操作。在这种方式下，CPU 的大量时间消耗在等待输入 输出的循环检测上，使 CPU 与外设串行工作，严重影响了 CPU 和外设的使用 效率，致使整个系统效率很低。⑵I/O 中断方式引入中断技术后，每当设备 完成 I/O 操作时，便向 CPU 发出中断请求信号，通知 CPU 外设已准备好，可 以进行数据传送操作。这样，CPU 一旦启动 I/O 设备后便可执行其它程序， 仅在收到 I/O 中断请求时才执行其中断服务程序，进行 I/O 处理和 I/O 操作。 程序中断传送方式改善了 CPU 的利用率，并使 CPU 与外设并行操作。但 I/O 数据的处理和 I/O 操作的控制都是由 CPU 承担的， 仍然消耗了 CPU 不少时间。 ⑶直接存储器访问（DMA）方式虽然 I/O 中断方式比程序查询方式更有效， 但须注意，它仍是以字节或字为单位进行输入输出的，每当完成一个字节 或字时，控制器便要向 CPU 请求一次中断。换言之，采用 I/O 中断方式时的 CPU，是以字节或字为单位进行干预的。如果将这种方式用于块设备的 I/O， 显然是低效的。例如，为了从磁盘中读出 1KB 的数据块，需要中断 CPU 1K 次。 为了进一步减少 CPU 对 I/O 的干预而引入了直接存储器访问（DMA）方式。 ⑷ I/O 通道方式 I/O 通道方式时 DMA 方式的发展， 它会进一步较少对 CPU 的干预， 即把对一个数据块的读（或写）为单位的干预，减少为对一组数据块的读 （或写）即有关的控制和管理为单位的干预。I/O 通道有自己的指令系统，
4．CPU 输出数据的速度远远高于打印机的打印速度，为解决这一矛盾，可 采用（C） 。 A、并行技术 存储技术 5．在采用 SPOOLING 技术的系统中，用户的打印数据首先被送到（C） 。 B、通道技术 C、缓冲技术 D、虚拟
A、打印机
B、磁盘的输入井
C、磁盘的输出井
D、终端
6．设备管理程序对设备的管理是借助一些数据结构来进行的，下面的（B） 不属于设备管理的数据结构。 D、CHCT 7．缓冲技术中的缓冲池在（B）中 A、外存 器 8．通道是一种（C） A、I/O 断口 通道 9． （D）算法是设备分配常用的一种算法。 A、短作用优先 来先服务 10．下列设备不属于系统设备的是（C） A、鼠标 盘 11． 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、中断方式 查询方式 二、填空题 1．I/O 控制方式的发展经历了 4 个阶段，分别是程序查询方式、 I/O 中断方 B、无条件存取方式 C、DMA 方式 D、程序 B、键盘 C、扫描仪 D、磁 B、最佳适应 C、首次适应 D、先 B、共享文件 C、I/O 专用处理器 D、数据 B、内存 C、ROM D、寄存 A、DCT B、JCB C、COCT
即通道程序， 可以与 CPU 并行操作， 独立管理外设和实现主存和外设之间的 信息传输，使 CPU 摆脱了繁忙的 I/O 操作。在配置通道的计算机系统中，不 仅能实现 CPU 与通道的并行操作， 而是通道与通道、 各通道的外设之间均能 实现并行操作，因而有效地提高了整个系统的使用效率。 3．设备分配策略与哪些因素有关？ 答：设备分配策略与下列因素有关： （1）I/O 设备的固有属性，对于独占设 备，共享设备、虚拟设备等具有不同属性的设备，通常采用相应的分配算 法。 （2）设备分配算法，常见的有先来先服务算法、优先级高者优先算法 （3）设备分配的安全性，即避免死锁的产生。 （4）设备独立性，设备独立 性指应用程序独立于具体使用的物理设备。 4．什么虚拟设备？简述共享打印机的工作原理。 答：虚拟设备是通过某种技术将一台独占设备改造为可以供多个用户共享 的共享设备。共享打印机的工作流程如下：当用户进程请求打印输出时， Spooling 系统同意为他打印输出，但并不真正把打印机分配给该用户进程， 而只为它做两件事：①由输出进程在输出井中为之申请—空闲盘块区，并 将要打印的数据送人其中；②输出进程再为用户进程申请一张空白的用户 请求打印表，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。如果还有进程要求打印输出，系统仍可接受该请求，也同样为该进程 做上述两件事。如果打印机空闲，输出进程将从请求打印队列的队首取出 —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。打印完毕，输出进程再查看请求打印队列中 是否还有等待要打印的请求表。若有，再取出一张表，并根据其中的要求
三、问答题 1．简述独占设备的一般分配过程 答：对于具有通道的系统，在进程提出 I/O 请求后，系统的设备分配程序可 按下述步骤进行设备分配：①分配设备。首先根据物理设备名、查找系统 设备表 SDT，从中找出该设备的 DCT，根据表中的设备状态字段，可知该设 备是否正忙。若忙，便将请求 I/O 的进程的 PCB 挂在设备队列上；否则，便 按照—定的算法来计算本次设备分配的安全性，如果不会导致系统进入不 安全状态， 便将设备分配给请求进程； 否则， 仍将其 PCB 插入设备等待队列。 ②分配控制器。在系统把设备分配给请求 I/O 的进程后，再到其 DCT 中找出 与该设备连接的控制器的控制器表（COCT） ，从表内的状态字段中可知该控 制器是否忙碌。若忙，便将请求 I/O 的进程的 PCB 挂在该控制器的等待队列 上；否则，将该控制器分配给进程。③分配通道。在该 COCT 中又可找到与 该控制器连接的通道的通道表（CHCT） ，再根据 CHCT 内的状态信息可知该通 道是否忙碌，若忙，便将请求 I/O 的进程挂在该通道的等待队列上；否则， 将该通道分配给进程。只有在设备、控制器和通道三者都分配成功时，这 次的设备分配才算成功；然后、便可启动该 I/O 设备进行数据传送。 2．I/O 控制方式有几种？各有什么特点？ 答：I/O 控制方式的发展经历了四个阶段：程序查询方式，I/O 中断方式，DMA 方式和 I/O 通道方式。 ⑴程序查询方式在早期计算机或现代一些简单的微型 计算机系统中， 采用程序查询 I/O 方式。 程序查询是一种用程序直接控制 I/O 操作的方式。CPU 与外设的活动本质上是异步的，为了实现 CPU 与外设间的
式 、DMA 方式
和 I/O 通道方式 。
2．从资源分配角度出发，I/O 设备可以分为独占设备、共享设备和虚拟设备 三种类型。 3．按设备所属关系分类，可分为系统设备和用户设备两类。 4．通道指专门用于负责输入/输出工作的处理机，通道所执行的程序称为 通道程序。 5．通道是一个独立于 CPU 的专管输入/输出的处理机的处理机，它控制外设 与内存之间的信息交换。 6．虚拟设备是通过虚拟技术把独占设备变成能为若干用户共享的设备。 7．打印机是独占设备，磁盘是共享设备。 8．根据信息交换方式，通道可分成 3 种类型，分别是字节多路通道、数组 选择通道和数组多路通道。 9．设备驱动程序是 I/O 进程和设备控制器之间的一个通信程序。 10．设备独立性的含义是应用程序独立于具体使用的物理设备。 11、为了防止进程对系统资源的无序竞争，所有设备必须由系统统一分配。 12．在实现了设备独立性的系统中，I/O 进程申请设备是以逻辑设备名来申 请的。 13．设备分配算法有先来先服务和优先权高者优先两种。 14．现代计算机 I/O 系统的结构，由通道、设备控制器和设备三级组成。 15．SPOOLING 系统由输入井输出井、输入缓冲区输出缓冲区和输入进程输出 进程三部分组成。
练习题及参考答案 一、单项选择题 1． （A ）是操作系统中采用的以空间换时间的技术。 A、缓冲技术 储技术 2．通道又称 I/O 处理机，它用于实现（A ）之间的信息传输。 A、主存与外设 存 3．对于磁盘来书，输入输出操作的信息传送单位为（D ） 。 A、字节 B、字 C、文件 D、块 B、CPU 与外设 C、主存与外存 D、CPU 与外 B、并行技术 C、通道技术 D、虚拟存
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。 【例 8】.用于设备分配的数据结构有哪些？它们之间的关系是什么？ 答：用于设备分配的数据结构有：设备控制表 DCT、系统设备表 SDT、 控 制器表 COCT 和通道控制表 CHCT。SDT 整个系统一张，每个设备有一张 DCT， 每个控制器有一张 COCT，每个通道有一张 CHCT。SDT 中有一个 DCT 指针，DCT 中有一个 COCT 指针，COCT 中有一个 CHCT 指针。