第六章-輸入輸出系統(tǒng)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第6章輸入輸出系統(tǒng)6.1 解釋以下術(shù)語響應(yīng)時間：從用戶鍵入命令開始，到得到結(jié)果所花的時間?？煽啃裕褐赶到y(tǒng)從某個初始參考點開始一直連續(xù)提供服務(wù)的能力，它通常用平均無故障時間來衡量?？捎眯裕褐赶到y(tǒng)正常工作的時間在連續(xù)兩次正常服務(wù)間隔時間中所占的比率?？尚判裕褐阜?wù)的質(zhì)量，即在多大程度上可以合理地認為服務(wù)是可靠的。RAID：廉價磁盤冗余陣列或獨立磁盤冗余陣列。分離事務(wù)總線：將總線事務(wù)分成請求和應(yīng)答兩部分。在請求和應(yīng)答之間的空閑時間內(nèi)，總線可以供給其它的I/O使用。采用這種技術(shù)的總線稱為分離事務(wù)總線。通道：專門負責(zé)整個計算機系統(tǒng)輸入/輸出工作的專用處理機，能執(zhí)行有限的一組輸入

2、輸出指令。通道流量：指一個通道在數(shù)據(jù)傳送期間，單位時間內(nèi)能夠傳送的數(shù)據(jù)量。虛擬DMA：它允許DMA設(shè)備直接使用虛擬地址，并在DMA傳送的過程中由硬件將虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址。異步I/O：允許進程在發(fā)出I/O請求后繼續(xù)執(zhí)行，直到該進程真正訪問這些數(shù)據(jù)而它們又尚未就緒時，才被掛起。6.2 假設(shè)一臺計算機的I/O處理時間占10%，當其CPU性能改進為原來的100倍，而I/O性能僅改進為原來的2倍時，系統(tǒng)總體性能會有什么樣的變化？解：6.3 RAID有哪些分級？各有何特點？答：(1)RAID0。亦稱數(shù)據(jù)分塊，即把數(shù)據(jù)分布在多個盤上，實際上是非冗余陣列，無冗余信息。(2)RAID1。亦稱鏡像盤，使用雙備

3、份磁盤。每當數(shù)據(jù)寫入一個磁盤時，將該數(shù)據(jù)也寫到另一個冗余盤，這樣形成信息的兩份復(fù)制品。如果一個磁盤失效，系統(tǒng)可以到鏡像盤中獲得所需要的信息。鏡像是最昂貴的解決方法。特點是系統(tǒng)可靠性很高，但效率很低。(3)RAID2。位交叉式海明編碼陣列。即數(shù)據(jù)以位或字節(jié)交叉的方式存于各盤，采用海明編碼。原理上比較優(yōu)越，但冗余信息的開銷太大，因此未被廣泛應(yīng)用。(4)RAID3。位交叉奇偶校驗盤陣列，是單盤容錯并行傳輸?shù)年嚵?。即?shù)據(jù)以位或字節(jié)交叉的方式存于各盤，冗余的奇偶校驗信息存儲在一臺專用盤上。(5)RAID4。專用奇偶校驗獨立存取盤陣列。即數(shù)據(jù)以塊(塊大小可變)交叉的方式存于各盤，冗余的奇偶校驗信息存在一臺

4、專用盤上。(6)RAID5。塊交叉分布式奇偶校驗盤陣列，是旋轉(zhuǎn)奇偶校驗獨立存取的陣列。即數(shù)據(jù)以塊交叉的方式存于各盤，但無專用的校驗盤，而是把冗余的奇偶校驗信息均勻地分布在所有磁盤上。(7)RAID6。雙維奇偶校驗獨立存取盤陣列。即數(shù)據(jù)以塊(塊大小可變)交叉的方式存于各盤，冗余的檢、糾錯信息均勻地分布在所有磁盤上。并且，每次寫入數(shù)據(jù)都要訪問一個數(shù)據(jù)盤和兩個校驗盤，可容忍雙盤出錯。6.4 同步總線和異步總線各有什么優(yōu)缺點？答：(1) 同步總線。同步總線上所有設(shè)備通過統(tǒng)一的總線系統(tǒng)時鐘進行同步。同步總線成本低，因為它不需要設(shè)備之間互相確定時序的邏輯。但是其缺點是總線操作必須以相同的速度運行。 (2)

5、 異步總線。異步總線上的設(shè)備之間沒有統(tǒng)一的系統(tǒng)時鐘，設(shè)備自己內(nèi)部定時。設(shè)備之間的信息傳送用總線發(fā)送器和接收器控制。異步總線容易適應(yīng)更廣泛的設(shè)備類型，擴充總線時不用擔(dān)心時鐘時序和時鐘同步問題。但在傳輸時，異步總線需要額外的同步開銷。6.5計算機系統(tǒng)字長32位，包含兩個選擇通道和一個多路通道，每個選擇通道上連接了兩臺磁盤機和兩臺磁帶機，多路通道上連接了了兩臺行式打印機，兩臺讀卡機，10臺終端，假定各設(shè)備的傳輸率如下：磁盤機：800KBps磁帶機：200KBps行打機：6.6KBps讀卡機：1.2KBps終 端：1KBps計算該計算機系統(tǒng)的最大I/O數(shù)據(jù)傳輸率。解：本題要求計算通道的吞吐率，而且機器

6、有一個多路通道，這就有兩種可能：字節(jié)多路通道和數(shù)組多路通道。因為如果將多路通道組織成數(shù)組多路通道，某個時刻通道只能為一臺設(shè)備傳送數(shù)據(jù)，所以它的傳輸率是所有設(shè)備的傳輸率的最大值，而如果將它組織成字節(jié)多路通道，該通道的最大傳輸率就是所有設(shè)備的傳輸率之和。所以在本題中，從性能上考慮，應(yīng)組織成字節(jié)多路通道形式。所以此類通道的最大傳輸率為：（1）fBYTEfif打印機傳輸率×2f讀卡機傳輸率×2f終端傳輸率×1025.6KBps （i1.14）（2）兩個選擇通道連接的設(shè)備相同，所以只要計算其中一個通道的傳輸率既可。因為磁盤機的傳輸率大于磁帶機。所以此類通道的傳輸率為： ma

7、x800，200800KBps所以本系統(tǒng)的最大數(shù)據(jù)傳輸率為： f系統(tǒng)2×80025.61625.6KBps。6.6 簡述通道完成一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕^程。答：（1）在用戶程序中使用訪管指令進入管理程序，由CPU通過管理程序組織一個通道程序，并啟動通道。 (2) 通道處理機執(zhí)行CPU為它組織的通道程序，完成指定的數(shù)據(jù)I/O工作。 (3) 通道程序結(jié)束后向CPU發(fā)中斷請求。CPU響應(yīng)這個中斷請求后，第二次進入操作系統(tǒng)，調(diào)用管理程序?qū)/O中斷請求進行處理。6.7 試比較三種通道的優(yōu)缺點及適用場合。答：（1）字節(jié)多路通道。一種簡單的共享通道，主要為多臺低速或中速的外圍設(shè)備服務(wù)。（2）數(shù)組多路

8、通道。適于為高速設(shè)備服務(wù)。（3）選擇通道。為多臺高速外圍設(shè)備（如磁盤存儲器等）服務(wù)的。6.8 一個字節(jié)多路通道連接有6臺設(shè)備，它們的數(shù)據(jù)傳輸率如下表所示。設(shè)備名稱D1D2D3D4D5D6數(shù)據(jù)傳輸速率（B/ms）505040252510（1） 計算該通道的實際工作流量。（2） 若通道的最大流量等于實際工作流量，求通道的工作周期Ts+TD。解：（1）通道實際流量為（2）由于通道的最大流量等于實際工作流量，即有可得，通道的工作周期Ts+TD = 5s。6.9 設(shè)某個字節(jié)多路通道的設(shè)備選擇時間Ts為9.8s，傳送一個字節(jié)的數(shù)據(jù)所需的時間TD為0.2s。若某種低速外設(shè)每隔500s發(fā)出一次傳送請求，那么，

9、該通道最多可連接多少臺這種外設(shè)？ 解：字節(jié)多路通道的最大流量為：字節(jié)多路通道的實際流量為：其中，p為通道連接的外設(shè)臺數(shù)，fi為外設(shè)i的數(shù)據(jù)傳輸速率。因為連接的是同樣的外設(shè)，所以f1=f2=fp=f，故有fbyte=pf。通道流量匹配的要求有：fmax-bytefbyte即有：；可得：已知Ts = 9.8s，TD = 0.2s，1/f = 500s，可求出通道最多可連接的設(shè)備臺數(shù)為：6.10 在有Cache的計算機系統(tǒng)中，進行I/O操作時，會產(chǎn)生哪些數(shù)據(jù)不一致問題？如何克服？答：（1）存儲器中可能不是CPU產(chǎn)生的最新數(shù)據(jù) ，所以I/O系統(tǒng)從存儲器中取出來的是陳舊數(shù)據(jù)。（2）I/O系統(tǒng)與存儲器交換

10、數(shù)據(jù)之后，在Cache中，被CPU使用的可能就會是陳舊數(shù)據(jù)。第一個問題可以用寫直達Cache解決。第二個問題操作系統(tǒng)可以保證I/O操作的數(shù)據(jù)不在cache中。如果不能，就作廢Cache中相應(yīng)的數(shù)據(jù)。6.11 假設(shè)在一個計算機系統(tǒng)中：（1） 每頁為32KB，Cache塊大小為128字節(jié)；（2） 對應(yīng)新頁的地址不在Cache中，CPU不訪問新頁中的任何數(shù)據(jù)；（3） Cache中95%的被替換塊將再次被讀取，并引起一次失效；（4） Cache使用寫回方法，平均60%的塊被修改過；（5） I/O系統(tǒng)緩沖能夠存儲一個完整的Cache塊；（6） 訪問或失效在所有Cache塊中均勻分布；（7） 在CPU和I

11、/O之間，沒有其它訪問Cache的干擾；（8） 無I/O時，每100萬個時鐘周期內(nèi)有18000次失效；（9） 失效開銷是40個時鐘周期。如果被替換的塊被修改過，則再加上30個周期用于寫回主存；（10） 假設(shè)計算機平均每200萬個周期處理一頁。試分析I/O對于性能的影響有多大？解：每個主存頁有32K/128256塊。因為是按塊傳輸，所以I/O傳輸本身并不引起Cache失效。但是它可能要替換Cache中的有效塊。如果這些被替換塊中有60是被修改過的，將需要（256×60）×304608個時鐘周期將這些被修改過的塊寫回主存。這些被替換出去的塊中，有95的后繼需要訪問，從而產(chǎn)生95×256244次失效，將再次發(fā)生替換。由于這次被替換的244塊中數(shù)據(jù)是從I/O直接寫入Cache的，因此所有塊都為被修改塊，需要寫回主存（因為CPU不會直接訪問從I/O來的新頁中的數(shù)據(jù)，所以它們不會立即從主存中調(diào)入Cache），需要時間是244×（4030）17080