7.3　例题解答

例1　I/O软件在设计时需要考虑哪些具体问题？

答：需要考虑的具体问题主要有：

1）设备无关性：应用程序独立于具体使用的物理设备。例如，程序员编写访问磁盘上文件的程序时，与具体的设备无关，不需要修改程序就可以将程序移植到别处运行。

2）出错处理：发生错误时，尽量由低层软件解决而不让高层软件感知，只有低层软件处理不了的错误，才上交高层。

3）统一命名：以系统预先设计统一的逻辑名称对各类设备进行命名，并应用在与设备有关的全部软件模块中。

4）同步/异步传输：I/O软件应该能支持同步传输和异步传输两种工作方式。异步传输是指CPU在启动I/O操作后可继续执行其他工作，直到中断发生。同步传输是指采取阻塞方式，让启动I/O操作的进程挂起等待，直至数据传输完成。

5）缓冲技术：建立数据缓冲区，匹配数据到达速度和离去速度。

例2　现代操作系统中，广泛采用中断驱动方式对I/O设备进行控制。请简述中断处理程序的处理过程。

答：中断处理程序的处理过程对任何一种I/O设备都是基本相同的，主要包括以下几个步骤：

1）检查CPU响应中断的条件是否满足，中断请求如果来自中断源，且CPU允许中断，则CPU响应中断；否则，中断处理无法进行。

2）CPU响应中断后立即关中断，使其不能再次响应其他中断。

3）唤醒被阻塞的驱动进程。

4）保存被中断进程的CPU环境。由硬件将PSW和PC中的内容压栈，保存现场。

5）分析中断原因，由CPU确定中断设备，发送应答信号使该设备撤销中断信号，然后将中断处理程序的入口地址送入PC中，转入相应的设备中断处理程序。

6）执行中断处理程序。

7）恢复被中断进程的CPU现场。

8）开中断，CPU继续执行。

例3　举例说明设备驱动程序是如何将接收到的I/O命令中的抽象请求转换为具体请求的。

答：以磁盘驱动程序为例，当用户程序对磁盘进行访问时，将抽象请求转换为具体请求的过程大致为：

1）将磁盘块号转换为磁盘的盘面、磁道号及扇区号。

2）将设备名（逻辑地址）转换为端口地址（物理地址）。

3）将逻辑操作转化为对相关设备控制器的接口寄存器的读写操作（物理操作）。

例4　用户程序中采用“设备类、相对号”的方式来使用设备有什么优点？

答：用户程序中常采用的“设备类、相对号”的方式，或称为“主设备号和次设备号”方式，可以使设备分配更加灵活：

1）系统只需要从指定的设备类中找出一台“好的且未分配的”设备进行分配。

2）如果分配给用户的设备在使用过程中出了故障，系统可以从同类设备中找到另一台“好的且未分配”的设备来替换。

例5　从系统内部来看，设备文件与普通文件有什么不同之处？

答：设备是一种特殊的文件，每个特殊文件都与特定的设备相关联。设备文件在磁盘上没有数据块，但在文件系统中有一个永久的i节点（基本文件目录数据块），在该节点中存放着设备的很多信息，如标志设备文件的类型是字符设备还是块设备，以及设备的主设备号和次设备号等。

例6　什么是SPOOLing系统中的输入井和输出井？

答：为实现虚拟设备，在磁盘上划出的专用存储空间，用于存放作业的初始信息和执行结果，这部分空间称为“井”，它又分为两部分：用于存放作业的初始信息的井，称为输入井；存放作业执行结果的井，称为输出井。

例7　如何理解“通道可以提高CPU和外设的利用率”？

答：通道只负责管理设备与主存之间数据传输的一切工作，包括启动、结束处理、错误处理、DMA、代码转换、格式化等，这些工作可以使CPU尽可能摆脱I/O负担，可以使CPU执行高速计算而不需要对I/O操作花费时间，大大提高了CPU的利用率。此外，在一个计算机系统中可以有多个通道同时工作，每个通道可以管理多个控制器，而每个控制器又可以控制多个外设，因此多个外设可以同时工作，这样就大大提高了外设的利用率。

例8　设某文件为链接文件，由5个逻辑记录组成，每个逻辑记录的大小与磁盘块大小相等，均为512字节，并以此存放在11、66、13、94、23号磁盘块上。若要读出文件的第1969逻辑字节处的信息，需要访问哪一个磁盘块？

答：要读出文件的1969字节，需要访问第4个磁盘块。因为每个逻辑记录的大小与磁盘块大小相等，1969=512×3+433。

例9　设磁带记录密度为800字符/英寸，每一个逻辑记录为160个字符，块间隙为0.6英寸。现有1500个逻辑记录需要存储，试问：

1）磁带利用率为多少？

2）若要使磁带空间的利用率不少于50%，至少应以多少个逻辑记录为一组？

【分析】

磁带是一种典型的顺序存储设备，由于磁带的启动和停止需要花费一定的时间，因此应在存储的数据记录间留有间隙。为了减少间隙造成的浪费，可以采用成组操作的方法进行存储，即将多个数据记录组成一块，只在块与块之间留有空隙。

答：1）一个逻辑记录占据的磁带长度为：160/800=0.2英寸。

1500个逻辑记录占据的磁带长度为：1500×(0.2+0.6)=1200英寸。

磁带的利用率为：((1500×0.2)/(1500×(0.2+0.6)))×100%=25%。

2）假设以x个逻辑记录为一组，则成组操作后的组数N=1500/x。

1500个逻辑记录连续存放（没有块间隙）时，占据磁带的长度M=1500×0.2。

磁带的利用率=M/（N×0.6+M）=0.5。

计算得出x=3。

因此，至少以3个逻辑记录为一组。

例10　比较I/O端口编址方式与内存映射编址方式的优缺点。

答：I/O端口编址方式是独立编址，存储器和I/O端口在两个独立的地址空间中。其优点是I/O端口的地址码较短，译码电路简单，存储器同I/O端口的操作指令不同，程序比较清晰；存储器和I/O端口的控制结构相互独立，可以分别设计。其缺点是访问I/O空间需要专用的I/O指令，指令数目有限，程序设计的灵活性较差。

内存映射编址方式采用统一编址，存储器和I/O端口共用统一的地址空间，当一个内存地址分配给一个I/O端口后，存储器就不能再占用这个地址。该方式的优点是不需要专用的I/O指令，任何对存储器数据进行操作的指令都可用于I/O端口的数据操作，程序设计比较灵活；由于I/O端口的地址空间是内存空间的一部分，这样，I/O端口的地址空间可大可小，从而使外设的数量几乎不受限制。其缺点是端口地址要占用一部分存储器地址，影响了系统的内存容量；访问I/O端口要同访问内存一样，但由于内存地址较长，导致执行时间增加。

例11　假定有一个磁盘组共100个柱面，每个柱面上有8个磁道，每个盘面被划分成8个扇区。现有一个含有6400个逻辑记录的文件，逻辑记录的大小与扇区大小一致，该文件顺序存放在磁盘上。柱面、磁道、扇区的编号均从“0”开始，逻辑记录的编号也从“0”开始。文件信息从0柱面、0磁道、0扇区开始存放。试问：

1）该文件的第3680个逻辑记录应存放的柱面号、磁道号和扇区号是多少？

2）第78个柱面的第6个磁道的第6个扇区存放了该文件的第几个逻辑记录？

答：1）文件是按柱面→磁道→扇区为序存放在磁盘中的。这里用[]表示求整除的值。mod表示取余运算。

柱面号=[3680/(8×8)]=57。

磁道号=[(3680 mod (8×8))/8]=4。

扇区号=(3680 mod (8×8)) mod 8=0。

2）逻辑记录号=柱面号×每个柱面上的磁道数×每个磁道内的扇区数+磁道号×每个磁道内的扇区数+扇区号=78×8×8+6×8+6=5046。

例12　假设当前磁头臂位于53号柱面上，现有一个请求磁盘服务的队列，先后顺序为：98→183→37→122→14→124→65→67。采用最短寻道时间优先算法，计算移动磁头臂所经过的柱面数。

答：磁头臂移动的顺序为：53→65→67→37→14→98→122→124→183。

磁头臂移动所经过的柱面数为：12+2+30+23+84+24+2+59=236。

例13　磁盘请求柱面按10→22→20→2→40→6→38的次序到达磁盘的驱动器，寻道时每个柱面移动需要6毫秒。写出分别采用以下算法时，磁头臂移动的顺序，并分别计算寻道时间：

1）FCFS算法。2）SSTF算法。3）SCAN算法。

以上所有情况磁头臂均起始于柱面20，且磁头按照柱面由小到大的方向移动。

答：1）采用FCFS算法，移动顺序依次为：20→10→22→20→2→40→6→38。

寻道时间为：146×6=876毫秒。

2）采用SSTF算法，移动顺序依次为：20→22→10→6→2→38→40。

寻道时间为：60×6=360毫秒。

3）采用SCAN算法，移动顺序依次为：20→22→38→40→10→6→2。

寻道时间为：58×6=348毫秒。

例14　假定某磁盘的旋转速度是每圈20毫秒，格式化时每个盘面被分成10个扇区，现有10个逻辑记录存放在同一磁道上。这10个逻辑记录存放的位置如表7-1所示。

处理程序要顺序处理这些记录，每读出一个记录后处理程序要花4毫秒进行处理，然后再顺序读下一个记录并处理，直到处理完这些记录，试问：

1）顺序处理完这10个记录总共花费了多少时间？

2）请给出一种记录优化分布的方案，使处理程序能在最短时间内处理完成这10个记录，并计算优化分布时需要花费的处理时间。

答：1）由题目知：

读一个记录所需时间为：20/10=2毫秒。

每条记录处理时间为4毫秒。

由此可得：

读出并处理完记录A所需要的时间为：2+4=6毫秒。

处理完记录A后，磁盘已转到第4扇区，若要读记录B，还需转过8个扇区后才能到达第2扇区，因此，读出并处理完记录B所需时间为：2×8+2+4=22毫秒。

同理，记录C到记录J和访问记录B一样，都存在8个扇区的空转时间。顺序处理完这10个记录总共花费的时间为：6+22×9=204毫秒。

2）要使处理程序在最短时间内处理完毕，根据1）中的计算过程，将记录B安排在第4扇区上，记录C存放在第7扇区上，按照这个办法，可以得到如表7-2所示的记录优化分布。

这样，每处理完一个记录后刚好转入下一记录所在的扇区，优化分布后需要花费的总时间为：10×（2+4）=60毫秒。

例15　假定现在磁盘的磁头臂处于第8号柱面，有如表7-3所示的6个请求者等待访问磁盘，请列出最省时间的响应次序。

答：本题解答基于这样的假设：在确定移臂次序之后，如果存在访问相同柱面的多个请求，按照先来先服务的原则。根据题意，只要访问的柱面号顺序为7→9→15→20的顺序均为正确答案，需要移动磁头臂的总数为14。因此，最省时间的响应请求次序为2→6→1→4→3→5。