【操作系统】第六章问题与解答

1、试说明I/O系统的基本功能

方便用户使用I/O设备
提高cpu与I/O设备的利用率
保证用户在使用设备时提供方便，保证系统能够有条不紊的运行

2、简要说明I/O软件四个层次的功能

用户层软件：提供与用户交互接口，用户可以直接调用接口以对设备进行操作
设备独立性软件：设备命名、保护、分配与释放，提供数据存储空间
设备驱动软件：将上层发来的**“抽象的”I/O请求，转成“具体的”请求，再发给设备控制器**
中断处理程序：保护被中断进程的cpu环境，并转入相应的中断处理程序，再恢复被中断进程的cpu环境，并从中断点继续运行。

3、I/O系统接口与软件/硬件(RW/HW)接口，分别是什么接口？

1、I/O系统接口

它是I/O系统与**上层系统（文件系统、虚拟存储器系统、用户进程）**之间的接口，向上层提供对设备进行操作的抽象I/O命令，方便上层对设备的使用

I/O系统接口也分为三种接口：块设备接口、流设备接口、网络通信接口

1.1、块设备接口：

块设备管理程序与高层的接口，块设备指**“高速传输速率”、“能指定数据的输入地址及输出地址”、“常用DMA方式”的磁盘、光盘**

1.2、流设备接口：

流设备管理程序与高层的接口，流设备指“低速传输速率”、“不能指定数据的输入地址及输出地址”、“常用中断方式”的打印机、键盘

流设备接口还有两个函数：get与put

get：从字符缓冲区取得一个字符到内存
put：从内存中将字符输出到字符缓冲区

2、软件/硬件（RW/HW）接口

它上层是I/O系统，它下层是设备控制器

如下图可以看到，在I/O系统接口与RW/HW接口中间的，是I/O系统

4、设备独立性软件有什么含义？为什么要设置这层？

设备独立性软件，在I/O系统的顶层（如图）

功能：

提供设备命名、保护、分配与释放，也提供了数据存储空间

4.1、含义：

I/O软件独立于具体使用的设备

4.2、好处：

提高了I/O系统的可适应性与扩展性，增加新设备或替换设备时，不需要修改I/O软件

5、说明设备控制器的组成

组成：

5.1、设备控制器与cpu接口

共有三种信号线：数据线、地址线、控制线

5.2、设备控制器与设备的接口

控制器**每连接一个设备，就对应一个设备接口；**每个接口中都有“数据“、”控制“、”状态“三种信号

5.3、I/O逻辑

控制器收到cpu发来的命令和设备地址后，由控制器的I/O逻辑对地址和命令译码，再对所选的设备进行控制

6、为了实现cpu与设备控制器的通信，设备控制器应该有什么功能？

设备控制器

主要功能：

控制一个或多个设备，以实现I/O设备与cpu的数据交换

当控制多个设备时，每个设备对应一个设备地址

具体功能：

1、**识别并接收命令：**接收cpu发来的命令，并存入相应的寄存器中

2、**数据交互：**通过数据总线，cpu并行地把数据写入控制器，或从控制器中读取数据

3、**标识与报道设备状态：**设备控制器中应该有状态寄存器，记录管理的每个设备的状态，并反馈给cpu

4、**数据缓冲：**为了解决I/O设备传输低速与cpu传输高速的差异，缓冲区用来接收cpu发来的数据，再以与I/O设备匹配的速率发送出去；或者接收I/O设备发来的数据，再高速的传给cpu

7、什么是内存映像I/O？如何实现的？

将I/O设备的设备控制器地址也放入内存

如：k在0~n-1时，被认为是内存地址；在n~k时，被认为是某个控制器寄存器地址

8、为什么说中断是OS赖以生存的基础？

因为进程之间的切换是通过中断来完成的。

9、设备中断处理程序通常需要完成哪些工作？

1、保存当前被中断进程的运行环境，将相关资源和命令保存到中断堆栈中

2、让cpu处理当前中断程序

3、恢复被中断进程的运行环境，并从中断点继续运行

10、对多中断源的两种处理方式分别用于何种场合？

1、屏蔽中断

当cpu正在处理一个中断时，会屏蔽其它所有中断，并将中断添加到中断请求队列中。当前中断处理完成后，再从队列中处理下一个中断

2、嵌套中断

在设置了“中断优先级”的系统中，使用此规则

当有多个中断请求时，cpu先响应优先级高的中断
任何时候，高优先级中断可以抢占当前运行的低级中断

11、说明设备驱动程序具有哪些特点？

1、驱动程序是帮助“设备无关程序”和“设备控制器”通信和转换的程序，它将“抽象的I/O请求“，转成”具体的I/O请求“后再给设备控制器

2、驱动程序与”设备控制器“和”设备硬件“相关，不同设备需要有不同的驱动

3、驱动程序与”设备的控制方式“相关，常用的”控制方式“有中断和DMA

12、驱动需要完成哪些工作？

1、接收来自“设备无关程序”的抽象的I/O请求命令，并转换成具体的I/O命令并给设备控制器

2、检测I/O请求是否合法，如：从打印机请求读取数据即为非法

3、检测设备的状态，**如果设备空闲，即可发送具体的I/O命令，并将自己阻塞，等待中断；**否则在设备等待队列中添加当前I/O命令

4、及时响应由设备控制器发来的中断请求

13、说明推动I/O控制发展的主要原因是？

减少处理机对I/O控制的干预，以提高处理机的利用率，让处理机更多地执行数据处理任务。

14、有几种I/O控制方式？分别应用于什么场合?

1、轮询

cpu一直等待I/O设备完成数据处理，这个过程中，cpu要不断检测I/O设备是否完成

适合传输低速设备

2、中断

cpu将I/O请求交给“设备控制器”后继续处理其它任务，“设备控制器”完成I/O任务后，向cpu发出中断，此时cpu再检测数据是否合法并完成I/O请求

适合传输高速设备

3、DMA

1、数据传输的单位为“数据块”，cpu与I/O设备之间每次至少传输“一个数据块”

2、只有一个或多个数据块传输完成时，才有cpu干预，其它时间由DMA控制器处理

3、传送的数据直接由设备送往内存或者直接从内存送出到设备

15、DMA工作流程

假设命令：cpu从磁盘读取一数据块

1、命令被送到“命令寄存器”

2、数据在磁盘中的起始地址送到“I/O控制逻辑”

3、要读取数据的字节数目送到“数据计数器”

4、数据要存放到内存的起始目标地址送到“地址寄存器”

此后，DMA开始进行数据传输，cpu可以执行其它任务，当全部数据传输完成后，DMA控制器向cpu发出中断

16、为什么要引入设备无关性？如何实现设备无关性？

1、让应用程序使用的设备，不局限于某个具体设备

2、在设备驱动程序上层再设置一个“设备无关性软件”层

17、设备无关性软件包括了哪些公有操作？

1、设备驱动程序需要有统一接口

2、需要有数据缓冲区，以缓和cpu与I/O设备之间的矛盾

3、差错控制