2024操作系统考研复习指导——第5章输入输出（I/O）管理

一、概念题

• 按信息交换的单位分类，I/O设备可分为：1、块设备；2、字符设备。
• 按传输速率分类，I/O设备可分为：1、低速设备；2、中速设备；3、高速设备。
• I/O接口（设备控制器）由三部分组成：1、设备控制器与CPU的接口；2、设备控制器与设备的接口；3、I/O逻辑。
• 设备控制器的功能：1、接受和识别CPU发来的命令；2、数据交换；3、标识和报告设备的状态；4、地址识别；5、数据缓冲；6、差错控制。
• I/O端口是指设备控制器中可被CPU直接访问的寄存器，主要有以下三类寄存器：1、数据寄存器，实现CPU和外设之间的数据缓冲；2、状态寄存器，获取执行结果和设备的状态信息，以让CPU知道是否准备好。3、控制寄存器，由CPU写入，以便启动命令或更改设备模式。
• CPU与I/O端口通信办法：1、独立编址；2、统一编址(内存映射I/O)。
• I/O通道与一般处理器的区别是：通道指令的类型单一，没有自己的内存，通道所执行的通道程序是放在主机的内存中的，也就是说通道与CPU共享内存。
• 可寻址是块设备的基本特征。
• DMA在主存和I/O设备之间建立了一条直接数据通路。
• 通道是一种特殊的处理器，属于硬件技术。
• 在DMA方式中，设备和内存之间可以成批地进行数据交换而不用CPU的干预，CPU只参与预处理和结束过程。
• 设备的固有属性决定了设备的使用方式；设备独立性可以提高设备分配的灵活性和设备的利用率；设备安全性可以保证分配设备时不会导致永久阻塞。
• 计算机系统为每台设备确定一个编号以便区分和识别设备，这个确定的编号称为设备的绝对号。
• 通道控制设备控制器、设备控制器控制设备工作。
• 每类设备只需要一个设备驱动程序。
• 系统调用是操作系统提供给用户程序的通用接口，属于设备无关软件的功能，不会因为具体设备的不同而改变。因此，将系统调用参数翻译成设备操作命令的工作由设备无关的操作系统软件完成。
• 键盘是典型的通过中断I/O方式工作的外设，当用户输入信息时，计算机响应中断并通过中断处理程序获得输入信息。
• 计算柱面号、磁头号和扇区号的工作是由设备驱动程序完成的。
• 磁盘高速缓冲逻辑上属于磁盘，物理上则是驻留在内存中的盘块。
• 独占式使用设备。进程分配到独占设备后，便由其独占，直至该进程释放该设备。
• 分时式共享使用设备。对于共享设备，可同时分配给多个进程，通过分时共享使用。
• 以SPOOLing方式使用外部设备。SPOOLing技术实现了虚拟设备功能，可以将设备同时分配给多个进程。这种技术实际上就是实现了对设备的I/O操作的批处理。
• 设备分配依据的主要数据结构有设备控制表(DCT)、控制器控制表(COCT)、通道控制表(CHCT)和系统设备表(SDT)。
• 设备分配主要考虑的因素：I/O设备的固有属性、I/O设备的分配算法、I/O设备分配的安全性、I/O设备的独立性。
• 设备独立性是指应用程序独立于具体使用的物理设备。
• 输入井和输出井是在磁盘上开辟的存储空间，而输入/输出缓冲区则是在内存中开辟的，因为CPU速度比I/O设备高很多，缓冲池常在主存中建立。
• 在缓冲机制中，无论单缓冲、多缓冲还是缓冲池，由于缓冲区是一种临界资源，所以在使用缓冲区时都有一个申请和释放（即互斥）的问题需要考虑。
• SPOOLing技术可将独占设备改造为共享设备，其主要目的是提高系统资源/独占设备的利用率。
• 新磁盘是空白的，必须分成各个扇区以便磁盘控制器能读和写，这个过程成为低级格式化（物理格式化）。低级格式化为磁盘的每个扇区采用特别的数据结构，包括校验码。为了使用磁盘存储文件，操作系统还需要将自己的数据结构记录在磁盘上。这分为两步。第一步是将磁盘分为有一个或多个柱面组成的分区，每个分区可以作为一个独立的磁盘。在分区之后，第二步是逻辑格式化（创建文件系统）。在这一步，操作系统将初始的文件系统数据结构存储到磁盘上。这些数据包括空闲和已分配的空间及一个初始为空的目录。

二、问答题

I/O管理要完成哪些功能？

1、状态跟踪。要实时掌握外部设备的状态。
2、设备存取。要实现对设备的存取操作
3、设备分配。。在多用户环境下，负责设备的分配与回收
4、设备控制。包括设备的驱动、完成和故障的中断处理。

DMA控制方式和中断控制方式的主要区别是什么？

中断控制方式在每个数据传送完成后中断CPU，而DMA控制方式则在所要求传送的一批数据全部传送结束时中断CPU。
中断控制方式的数据传送在中断处理时由CPU控制完成，而DMA控制方式则在DMA控制器的控制下完成。不过，在DMA控制方式中，数据传送的方向、存放数据的内存始址及传送数据的长度等仍然由CPU控制。
DMA方式以存储器为核心，中断控制方式以CPU为核心。因此DMA方式能与CPU并行工作。
DMA方式传输批量的数据，中断控制方式的传输以字节为单位。

DMA控制方式和通道控制方式的主要区别是什么？

在DMA控制方式中，在DMA控制器控制下设备和主存之间可以成批地进行数据交换而不用CPU干预，这样既减轻了CPU的负担，又大大提高了I/O数据传送的速度。通道控制方式与DMA控制方式类似，也是一种以内存为中心实现设备与内存直接交换数据的控制方式。不过在通道控制方式中，CPU只需发出启动指令，指出通道相应的操作和I/O设备，该指令就可以启动通道并使通道从内存中调出相应的通道程序执行。与DMA控制方式相比，通道控制方式所需的CPU干预更少，并且一个通道可以控制多台设备，进一步减轻了CPU的负担。另外，对通道来说，可以使用以下指令灵活改变通道程序，这一点DMA控制方式无法做到。

当处理机和外部设备的速度差距较大时，有什么办法可以解决问题？

可采用缓冲技术来缓解CPU和外设速度上的矛盾，即在某个地方（一般为主存）设立一片缓冲区，外设与CPU的输入/输出都经过缓冲区，这样外设和CPU都不用互相等待。

什么是设备的独立性？引入设备的独立性有什么好处？

设备独立性是指用户在编程序时使用的设备与实际设备无关。一个程序应独立于分配给它的某类设备的具体设备，即在用户程序中只指明I/O使用的设备类型。
设备独立性有以下优点：1、方便用户编程；2、使程序运行不受具体机器环境的限制；3、便于程序移植。