《现代操作系统》精读与思考笔记 第五章 输入/输出

本系列博文是《现代操作系统（英文第三版）》（Modern Operating Systems，简称MOS）的阅读笔记，定位是正文精要部分的摘录理解和课后习题精解，因此不会事无巨细的全面摘抄，仅仅根据个人情况进行记录和推荐。由于是英文版，部分内容会使用英文原文。

　　课后习题的选择标准：尽量避免单纯的概念考察（如：What is spooling?）或者简单的数值计算，而是能够引起思考加深理解的题目。为了保证解答的正确性，每道题都会附上原书解答，而中文部分会适当加入自己的见解。原书答案下载地址（需注册）

1.用代码描述程序驱动I/O、中断驱动I/O、DMA的I/O（P344~347）

情景：

　　使用打印机打印一个字符串。

　　打印机的接口是两个寄存器：printer _data_ register用来存放下一个要打印的字符，printer _status_reg存放当前的状态供读取。

　　由于打印机的限制，一次只能打印这个字符串的一个字符。不考虑进程竞争，打印机独占使用。

　　字符串必须先拷贝至内核空间，然后再打印。

(1)程序控制I/O

copy_from_user(buffer, p, count); 　　　　　　 /* p is the kernel buffer */
for (i = 0; i <count; i++) { 　　　　　　 　　 /* loop on every character */
    while (*printer _status_reg != READY) ;  /*  loop until ready */ 
    *printer _data_ register = p[i]; 　　　　 /* output one character */ 
}
return_ to_ user(); 

　　这种行为方式也称轮询(poll)或忙等(busy waiting)。

(2)中断驱动I/O

//当使用打印的系统调用时执行的代码
copy_trom_user(buffer, p, count); 
enable_interrupts( ); 
while (*printer _status_ reg != READY) 

;
*printer _data_ register = p[0]; 
scheduler();

//打印机的中断服务例程，每次中断时执行
if (count== 0) { 
　　unblock_ user(); 
} else {  
　　*printer _data_ register= p[i]; 
　　count = count-1; 
　　i = i + 1; 
}
acknowledge_interrupt( );
return_from_interrupt( ); 

(3)DMA

//当使用打印的系统调用时执行的代码
copy_trom_user(buffer, p, count); 
set_up_DMA_controller( ); 
scheduler();

//打印机的中断服务例程，每次中断时执行
acknowledge_interrupt( ); 
unblock_ user(); 
return_from_interrupt( );

　　本质上，DMA是由DMA控制器完成的程序控制I/O，一些需要完成的工作没有体现在上门的代码中，需要特殊的硬件来完成，从而解放了CPU。

　　DMA往往比主CPU慢得多。如果DMA控制器不能完全发挥I/O的速度，或者CPU在等待DMA中断时没有别的事要做，程序控制I/O和中断驱动I/O可能比DMA更好。

　　大多数情况下使用DMA是值得的。

2.为何厂商宣传与实际能使用的磁盘容量不符？这和很多原因有关。（P377~378）

• 一个容量为200*10⁹B的磁盘，可能是按照200GB来进行销售的；
• （低级）格式化时，磁盘上一部分内容作为前导码(preamble)、一部分作为纠错码(ECC)预留，其余才可供存放用户的数据，这部分容量可能只有170*10⁹B；
• 操作系统报告容量只有158GB，因为软件将存储器的1GB作为2³⁰(1,073,741,824)B而不是10⁹B处理。

　　值得注意的是，kilo、mega、giga、tera（也即K、M、G、T）只有在存储器和磁盘容量时才代表2¹⁰、2²⁰、2³⁰、2⁴⁰。

课后习题选

16.Compare RAID level 0 through 5 with respect to read performance, write per­ formance, space overhead, and reliability.

译：

　　比较0至5级RAID的读写性能、空间开销、可靠性。

Answer:

　　Read performance: RAID levels 0, 2, 3, 4, and 5 allow for parallel reads to service one read request. However, RAID level 1 further allows two read re-quests to simultaneously proceed. Write performance: All RAID levels provide similar write performance. Space overhead: There is no space overhead in level 0 and 100% overhead in level 1. With 32-bit data word and six parity drives, the space overhead is about 18.75% in level 2. For a 32-bit data word, the space overhead in level 3 is about 3.13%. Finally, assuming 33 drives in levels 4 and 5, the space overhead is 3.13% in them. Reliability: There is no reliability support in level 0. All other RAID levels can survive one disk crash. In addition, in levels 3, 4 and 5, a single random bit error in a word can be detected, while in level 2, a single random bit error in a word can be detected and corrected.

分析：

　　先补上图5-20便于观察。

　　读效率，0、2、3、4、5级允许并行一次读取，而1级可以同步地进行两次读取；

　　写效率，所有RAID写效率是相同的；

　　空间开销：

　　　　0级没有额外空间开销；

　　　　1级使用100%（相较于有效数据）的开销；

　　　　32位字并使用6位进行奇偶校验的2级产生了18.75%的开销；

　　　　同样条件下3级使用了3.125%的开销。

　　　　注意到习题14分析了3级为什么比2级开销小，原因是3级需要知道哪台设备出现了故障来进行恢复，而2级不需要，可参考P365；

　　　　图中的4级和5级同3级一样都是3.125%，它们只是把单位由位变成了磁盘条带(strip)。

　　可靠性：

　　　　0级没有可靠性保证，发生崩溃时不能恢复数据。

　　　　1级只要有一个拷贝没有出错就可以完全恢复。

　　　　3、4、5级都可以检测一位错误；

　　　　2级可以发现并纠正随机一位错误。

勘误：

1.习题1的“Fig.1-5”并不对应于答案。无论是第一章图1-5还是第五章前几个图，都不符合答案“ a controller with two devices”的描述。

2.习题8的“Fig.1-6(a)”应为“Fig.1-7(a)”。注意到如果不是这种流水线（最后一个stage才是execute unit），答案可能不同。

3.习题12的答案，网络传输时间部分我计算的是1024/(10*10⁶/8)=0.8192msec，计算过程中没有舍入，而参考答案是0.83msec，怀疑有误。

4.习题32，60行每行80个字符，总字符数是4800而非“5280 characters,total”。此题计算过程中的部分叙述似乎不对，我没有理解，看书的时候第二、三问没有作答。