操作系统--课堂问答笔记21--习题答案

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【4-8、4-9、5、5-1】

1. 请求分段管理如何实现分段共享?
   答：请通过下图理解：
   为了实现分段共享，可在系统中配置一张共享段表，所有各共享段都在共享段表中占有一表项。一旦有某个进程需要使用某个共享段，并且该段未调入内存，则需要在共享段表增加一个表项，其内容如下所示，并把该段为调入内存（同时置count=1）；如需要使用的共享段已经调入内存，则只需要增加该进程的信息表项即可（同时count+1）
   
   [4-9]的内容仅作了解！

2. 通道是后续课程中的一个重要概念，能否简要描述你对通道的理解。
   答：通道是一种通过执行通道程序管理I/O操作的控制器，它使主机（CPU和内存）与I/O操作之间达到更高的并行程度。由于它的任务是管理并实现输入/输出操作，提供一种传送通道，所以将这种部件称作“通道”。CPU把数据传输功能下放给通道，这样，通道与CPU分时使用内存，就可以实现CPU与外设的并行工作。简单理解就是通道是CPU的秘书，专门负责系统的输入输出，设想一下，没有通道CPU不但要执行相应的程序指令还要负责I/O操作，其任务繁重！设置通道后，所有I/O操作交给通道完成，因此CPU执行程序指令与通道I/O操作可以并行执行，使得CPU专注于其本职工作，资源利用更好，效率更高。
   具体过程如下：需要进行I/O操作时，CPU只需启动通道（发出一条通道命令），由通道和外设交换数据，之后CPU就做其它的事情，可以继续执行自身程序，通道则执行通道程序，管理与实现I/O操作，当通道和外设交换完数据后再向CPU汇报，CPU再做后续处理。

3. 简要描述设备控制器的概念及其主要作用。
   答：设备控制器是计算机中的一个实体，其主要职责是控制一个或多个I/O设备，以实现I/O设备和计算机之间的数据交换。它是CPU与I/O设备之间的接口，它接收从CPU发来的命令，并去控制I/O设备工作，从而使处理机从繁杂的设备控制事务中解脱出来。
   与通道不同，设备控制器对设备负责，通道对CPU负责；或者说通道是CPU的秘书，设备控制器是设备的秘书，只不过一个设备控制器一般是同一类设备（而不是一个）的秘书。
   设备控制器的主要功能：
   1）接收和识别命令：CPU可以向设备控制器发送多种不同的命令，设备控制器应能接收并识别这些命令。
   2）数据交换：这是指实现CPU与设备控制器之间、设备控制器与设备之间的数据交换。
   3）标识和报告设备的状态：设备控制器应记下其负责的设备的状态（就绪状态，忙状态等）供CPU查询了解。
   4）地址识别：系统中的每一个设备也都有一个地址，而设备控制器必须能够识别它所控制（负责）的每个设备的地址。
   5）数据缓冲：就是输入输出时，实现设备到CPU、CPU到设备的数据缓存。
   6）差错控制：设备控制器还兼管对由I/O设备传送来的数据进行差错检测。若发现传送中出现了错误，向CPU报告，于是CPU将本次传送来的数据作废，并重新进行一次传送。这样便可保证数据输入的正确性。

4. 理解4种I/O控制方式。
   答：
   1）程序直接控制方式：直接程序控制方式由用户进程直接控制主存或 CPU 和外围设备之间的信息传送。直接程序控制方式又称为询问方式，或忙/等待方式。就像两个人在进行交互时，A需要B的帮助（数据），当B忙时，A必须等待（不能做其它事情）。CPU 与外围设备只能串行工作，使 CPU 的绝大部分时间都处于等待是否完成 I/O 操作的循环测试中，造成 CPU 的极大浪费，外围设备也不能得到合理的使用，整个系统的效率很低。
   2）中断I/O控制方式：引入中断机制后，外围设备仅当操作正常结束或异常结束时才向 CPU 发出中断请求。在 I/O 设备输入每个数据的过程中，由于无需 CPU 的干预，一定程度上实现了 CPU 与 I/O设备的并行工作。仅当输入或输出完一个数据时，才需 CPU 花费极短的时间做中断处理。每传送一个字符或一个字，都要发生一次中断，仍然占用了大量的 CPU 处理时间，因此可以通过为外围设备增加缓冲寄存器存放数据来减少中断次数。
   3）DMA控制方式：在DMA（Direct Memory Access）控制器的控制下，采用窃取或挪用总线控制权，在设备和主存之间开辟直接数据交换通道，成批地交换数据，而不必让 CPU 干预。特点：数据传送以数据块为基本单位；所传送的数据从设备直接送入主存，或者从主存直接输出到设备上；仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时才需 CPU 的干预，而整块数据的传送则是在控制器的控制下完成。
   4）I/O通道控制方式：直接程序控制方式和中断程序控制方式适合于低速设备的数据传送，而 DMA 方式虽然适合于高速设备的数据传送，但DMA 控制器只能控制少量的同类设备，这远远不能满足大型计算机系统的需要。通常，一个大型计算机需要连接大量的高速和低速设备，通道控制方式可以满足这个要求。因此，DMA和通道控制方式的主要区别就是能否满足大型计算机系统的既能处理高速设备又能处理低速设备的需要。通道控制方式，实现了CPU、通道和I/O设备三者的并行操作，从而更加有效地提高整个系统的资源利用率。