操作系統--課堂問答筆記22--習題答案

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【5-1、5-2、5-3、5-4】

1. 理解通道的3種類型。
   答：
   1 ) 字節多路通道(Byte Multiplexor Channel)：這是一種按字節交叉方式工作的通道。它通常都含有許多非分配型子通道，其數量可從幾十到數百個，每一個子通道連接一臺I/O中低速設備，並控制該設備的I/O操作（字節多路通道不適於連接高速設備，且每個子通道爲某個設備專用）。這些子通道按時間片輪轉方式共享主通道：
   
   2 ) 數組選擇通道(Block Selector Channel)：選擇通道又稱高速通道，在物理上它可以連接多個設備，但是這些設備不能同時工作，在某一個時間段內通道只能選擇一個設備進行工作。選擇通道很像一個單道程序的處理器，在一段時間內只允許執行一個設備的通道程序，只有當這個設備的通道程序全部執行完畢後，才能執行其他設備的通道程序。想象一下，有一條高速公路連接兩個城市（內存和設備），那麼數組選擇通道就是一條可切換端點的高速公路（設備那一頭可切換，且這樣的高速公路僅有一條）
   3 ) 數組多路通道(Block Multiplexor Channel)：數組選擇通道其實是上述兩種通道的組合，是連接控制多個高速外設並以成組交叉方式傳送數據的通道，即不是一條高速公路而是多條，與字節多路通道不同之處在於：數組多路通道允許多個設備同時工作，但只允許一個設備進行傳輸型操作（即任何時刻只有一條高速公路在傳輸數據），其他設備進行控制型操作；而字節多路通道不僅允許多個設備同時操作，而且也允許它們同時進行傳輸型操作（但僅有一個子通道連接到主通道，見上圖）；數組多路通道與設備之間進行數據傳送的基本單位是數據塊（多個字節），而字節多路通道與設備之間進行數據傳送的基本單位則是字節。
   字節多路通道：連接低速設備；數組選擇通道：連接高速設備，但任何時刻只有一臺設備可工作；數組多路通道：可連接多個高速設備並同時工作

今天的視頻很好的解釋了4種I/O控制方式，這裏就不再詳細重複敘述了，簡單描述一下：
1）程序直接控制方式：檢查設備狀態（空閒、忙），以及數據的傳輸都由CPU完成（傳輸數據的單位是字節或字）；
2）中斷I/O控制方式：中斷處理程序檢查設備狀態，數據的傳輸由CPU完成（傳輸數據的單位是字節或字）；
3）DMA控制方式： 有專門的硬件機構DMA控制器，數據傳輸前，CPU向DMA控制器發出指令；數據傳輸完成後，DMA控制器向CPU報告，整個數據傳輸過程中CPU僅僅在開始和結束兩個節點參與，且傳輸數據的單位是數據塊（多個字節）。
4）I/O通道控制方式：在DMA方式中，數據的傳送方向、存放數據的內存始址以及傳送的數據塊長度等都由CPU控制（這些要求都是數據傳輸前由CPU發給DMA控制器的，一個數據塊傳輸完成後，CPU再把下一個數據塊的傳輸要求發給DMA控制器。相對於DMA，通道方式CPU對於數據的傳輸干預更少），而在通道方式中，這些都由通道來進行控制（通道本質上是一個簡單的處理器，它獨立於CPU，有運算和邏輯，有自己的指令系統：一般只有數據傳送指令、設備控制指令等）。另外，DMA方式每臺設備至少需要一個DMA控制器，一個通道控制器可以控制多臺設備。

2. 描述緩衝的引入的原因
   答：
   引入緩衝區的原因有很多，可歸結爲以下幾點：
   1 ) 緩和CPU與I/O設備間速度不匹配的矛盾：例如一個程序，它時而進行長時間的計算而沒有輸出，時而又陣發性把輸出送到打印機。由於打印機的速度跟不上CPU，而使得CPU長時間的等待。如果設置了緩衝區，程序輸出的數據先送到緩衝區暫存，然後由打印機慢慢地輸出。這時，CPU不必等待，可以繼續執行程序。實現了CPU與I/O設備之間的並行工作。事實上，凡在數據的到達速率與其離去速率不同的地方，都可設置緩衝，以緩和它們之間速度不匹配的矛盾。
   2 ) 減少對CPU的中斷頻率，放寬對CPU中斷響應時間的限制：如果I/O操作每傳送一個字節就要產生一次中斷，那麼設置了n個字節的緩衝區後，則可以等到緩衝區滿才產生中斷，這樣中斷次數就減少到1/n，而且中斷響應的時間也可以相應的放寬。
   3 ) 解決數據粒度（數據單元的大小）不匹配的問題：比如生產者消費者問題中，生產者單位數據小於消費者單位數據時，生產者爲了滿足消費者需求可以連續生產好幾個單位；而大於的話，消費者可以分幾次取一個單位。
   4 ) 提高CPU和I/O設備之間的並行性：比如，CPU向塊設備輸出數據時，可以先將數據存放在緩衝區中（這一步會比較快），然後返回，接下來由緩衝區慢慢向塊設備寫數據，而不是由CPU直接向慢速的塊設備直接輸出。
3. 理解單緩衝區和雙緩衝區
   答：
   在單緩衝情況下，每當用戶進程發出一個I/O請求時，操作系統便在主存中爲之分配一各緩衝區：
   
   在生產者消費者問題中，由於緩衝區是共享資源，生產者與消費者在使用緩衝區時必須互斥。如果消費者尚未取走緩衝區中的數據，即使生產者又生產出新的數據，也無法將它送入緩衝區，生產者只能等待。如果爲生產者與消費者設置了兩個緩衝區，便能解決這一問題：