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lec 23: IO设备 spoc 思考题

  • 有"spoc"标记的题是要求拿清华学分的同学在实体课上完成的，对于学堂在线的选课同学是可选题目。

视频相关思考题

23.1 IO特点

  1. 字符设备的特点是什么？

以字节为单位顺序访问

  1. 块设备的特点是什么？

以均匀的数据块为单位随机访问

  1. 网络设备的特点是什么？

以格式化报文为单位的复杂交互访问

  1. 阻塞I/O、非阻塞I/O和异步I/O这三种I/O方式有什么区别？

阻塞I/O：数据读写操作后，进程将进入等待状态，直到完成操作时返回；

非阻塞I/O：数据读写操作后，进程将立即返回；

异步I/O：数据读写操作后，进程将立即返回；内核在完成操作时通知进程；

区别：进程发出操作命令后，进程是否等待；操作结果反馈方式；

23.2 I/O结构

  1. 请描述I/O请求到完成的整个执行过程。

CPU通过总线与设备相连；CPU通过主动的I/O端口和映射内存读写操作与设备进行信息交互；设备通过中断请求来响应CPU的操作；在CPU的控制下，DMA可直接在设备接口与内存间的数据传输。

进程通过系统调用发送对设备的抽象操作命令；内核把抽象的设备操作命令转换成具体的设备I/O端口和映射内存读写序列，并在设备驱动中实施读写操作；当这个读写序列较长时，CPU会控制DMA进行内存与设备接口的直接数据传送；设备在收到控制序列后，执行操作动作，并在完成时向CPU发出中断请求；CPU通过中断服务例程响应设备的中断请求，并进行后续处理，直到系统调用返回，从而完成整个I/O操作过程。

23.3 IO数据传输

  1. IO数据传输有哪几种？

程序控制I/O：CPU通过显式的IO指令，如x86的in, out；或者memory读写方式，即把device的寄存器，内存等映射到物理内存中；

直接内存访问DMA：在CPU的控制下，DMA控制器直接在内存与设备接口间传输数据；

  1. 轮询方式的特点是什么？

CPU定期检测设备状态

实现简单

持续占用CPU

  1. 中断方式的特点是什么？

设备执行操作命令时，CPU可执行其他任务；

处理不可预测事件效果好

频繁的中断响应开销比较大

  1. DMA方式的特点是什么？

直接在内存与设备接口间进行数据传输

合适高速和简单的数据传输

CPU的开销小

23.4 磁盘调度

  1. 请简要阐述磁盘的工作过程。

磁头移动、盘片旋转

  1. 请描述磁盘I/O操作时间组成。

等待设备可用时间

等待通道可用时间

寻道时间

旋转延时

数据传送时间

  1. 请说明磁盘调度算法的评价指标。

总的I/O时间开销、公平性

  1. 请描述FIFO、SSTF、SCAN、CSCAN、LOOK、C-LOOK、N-step-SCAN和FSCAN等磁盘调度算法的工作原理。

磁盘调度算法就是优化磁盘数据块的访问顺序；

先进先出(FIFO)磁盘调度算法：按请求顺序访问

最短寻道时间优先(SSTF)磁盘调度算法：从当前位置找当前最近的访问数据块位置

扫描(SCAN)磁盘调度算法：保持磁头移动方向到最远处，并顺序访问需要访问的数据块

循环扫描(C-SCAN)磁盘调度算法：只在一个方向上移动时访问数据的SCAN算法；

LOOK磁盘调度算法：保持磁头移动方向到已有的最后一个请求，并顺序访问需要访问的数据块

C-LOOK磁盘调度算法：只在一个方向上移动时访问数据的LOOK算法；

N步扫描(N-step-SCAN)磁盘调度算法：1）将磁盘请求队列分成长度为N的子队列；2）按FIFO算法依次处理所有子队列；3）按扫描算法处理每个队列

双队列扫描(FSCAN)磁盘调度算法：1）把磁盘I/O请求分成两个队列，交替使用扫描算法处理一个队列；2）新生成的磁盘I/O请求放入另一队列中

23.5 磁盘缓存

  1. 磁盘缓存的作用是什么？

磁盘扇区在内存中的缓存区，作用是通过缓存访问，减少磁盘访问；

  1. 请描述单缓存(Single Buffer Cache)的工作原理

只一个缓存区，用户进程和I/O设备只能交替访问缓存区；

  1. 请描述双缓存(Double Buffer Cache)的工作原理

设置两个缓存区，任何时刻用户进程和I/O设备可同时访问不同的缓存区；

  1. 请描述访问频率置换算法(Frequency-based Replacement)的基本原理

思路：短周期内采用LRU，长周期内采用LFU

做法：把栈分成三个区域：新区域、中间区域、旧区域

新区域中数据块的引用，不计数；

中间区域和旧区域中数据块的引用，引用计数加1；

淘汰只在旧区域中找引用计数最小的数据块

小组思考题

  1. (spoc)请以键盘输入、到标准输出设备stdout的printf输出、串口输出、磁盘文件复制为例，描述ucore操作系统I/O从请求到完成的整个执行过程，并分析I/O过程的时间开销。
  2. (spoc)完成磁盘访问与磁盘寻道算法的作业，实现CSCAN、LOOK、C-LOOK、FSCAN等磁盘调度算法中的一个。具体帮助和要求信息请看Chapter 37: Hard Disk Drives、disksim指导信息和disksim参考代码（disksim-homework.py的python3版本）