操作系统--课堂问答笔记22--习题答案

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【5-1、5-2、5-3、5-4】

1. 理解通道的3种类型。
   答：
   1 ) 字节多路通道(Byte Multiplexor Channel)：这是一种按字节交叉方式工作的通道。它通常都含有许多非分配型子通道，其数量可从几十到数百个，每一个子通道连接一台I/O中低速设备，并控制该设备的I/O操作（字节多路通道不适于连接高速设备，且每个子通道为某个设备专用）。这些子通道按时间片轮转方式共享主通道：
   
   2 ) 数组选择通道(Block Selector Channel)：选择通道又称高速通道，在物理上它可以连接多个设备，但是这些设备不能同时工作，在某一个时间段内通道只能选择一个设备进行工作。选择通道很像一个单道程序的处理器，在一段时间内只允许执行一个设备的通道程序，只有当这个设备的通道程序全部执行完毕后，才能执行其他设备的通道程序。想象一下，有一条高速公路连接两个城市（内存和设备），那么数组选择通道就是一条可切换端点的高速公路（设备那一头可切换，且这样的高速公路仅有一条）
   3 ) 数组多路通道(Block Multiplexor Channel)：数组选择通道其实是上述两种通道的组合，是连接控制多个高速外设并以成组交叉方式传送数据的通道，即不是一条高速公路而是多条，与字节多路通道不同之处在于：数组多路通道允许多个设备同时工作，但只允许一个设备进行传输型操作（即任何时刻只有一条高速公路在传输数据），其他设备进行控制型操作；而字节多路通道不仅允许多个设备同时操作，而且也允许它们同时进行传输型操作（但仅有一个子通道连接到主通道，见上图）；数组多路通道与设备之间进行数据传送的基本单位是数据块（多个字节），而字节多路通道与设备之间进行数据传送的基本单位则是字节。
   字节多路通道：连接低速设备；数组选择通道：连接高速设备，但任何时刻只有一台设备可工作；数组多路通道：可连接多个高速设备并同时工作

今天的视频很好的解释了4种I/O控制方式，这里就不再详细重复叙述了，简单描述一下：
1）程序直接控制方式：检查设备状态（空闲、忙），以及数据的传输都由CPU完成（传输数据的单位是字节或字）；
2）中断I/O控制方式：中断处理程序检查设备状态，数据的传输由CPU完成（传输数据的单位是字节或字）；
3）DMA控制方式： 有专门的硬件机构DMA控制器，数据传输前，CPU向DMA控制器发出指令；数据传输完成后，DMA控制器向CPU报告，整个数据传输过程中CPU仅仅在开始和结束两个节点参与，且传输数据的单位是数据块（多个字节）。
4）I/O通道控制方式：在DMA方式中，数据的传送方向、存放数据的内存始址以及传送的数据块长度等都由CPU控制（这些要求都是数据传输前由CPU发给DMA控制器的，一个数据块传输完成后，CPU再把下一个数据块的传输要求发给DMA控制器。相对于DMA，通道方式CPU对于数据的传输干预更少），而在通道方式中，这些都由通道来进行控制（通道本质上是一个简单的处理器，它独立于CPU，有运算和逻辑，有自己的指令系统：一般只有数据传送指令、设备控制指令等）。另外，DMA方式每台设备至少需要一个DMA控制器，一个通道控制器可以控制多台设备。

2. 描述缓冲的引入的原因
   答：
   引入缓冲区的原因有很多，可归结为以下几点：
   1 ) 缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾：例如一个程序，它时而进行长时间的计算而没有输出，时而又阵发性把输出送到打印机。由于打印机的速度跟不上CPU，而使得CPU长时间的等待。如果设置了缓冲区，程序输出的数据先送到缓冲区暂存，然后由打印机慢慢地输出。这时，CPU不必等待，可以继续执行程序。实现了CPU与I/O设备之间的并行工作。事实上，凡在数据的到达速率与其离去速率不同的地方，都可设置缓冲，以缓和它们之间速度不匹配的矛盾。
   2 ) 减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断响应时间的限制：如果I/O操作每传送一个字节就要产生一次中断，那么设置了n个字节的缓冲区后，则可以等到缓冲区满才产生中断，这样中断次数就减少到1/n，而且中断响应的时间也可以相应的放宽。
   3 ) 解决数据粒度（数据单元的大小）不匹配的问题：比如生产者消费者问题中，生产者单位数据小于消费者单位数据时，生产者为了满足消费者需求可以连续生产好几个单位；而大于的话，消费者可以分几次取一个单位。
   4 ) 提高CPU和I/O设备之间的并行性：比如，CPU向块设备输出数据时，可以先将数据存放在缓冲区中（这一步会比较快），然后返回，接下来由缓冲区慢慢向块设备写数据，而不是由CPU直接向慢速的块设备直接输出。
3. 理解单缓冲区和双缓冲区
   答：
   在单缓冲情况下，每当用户进程发出一个I/O请求时，操作系统便在主存中为之分配一各缓冲区：
   
   在生产者消费者问题中，由于缓冲区是共享资源，生产者与消费者在使用缓冲区时必须互斥。如果消费者尚未取走缓冲区中的数据，即使生产者又生产出新的数据，也无法将它送入缓冲区，生产者只能等待。如果为生产者与消费者设置了两个缓冲区，便能解决这一问题：