输入输出系统
6.1假设一台计算机的I/O处理占10％，当其CPU性能改进到原来的100倍时，而I/O性能仅改进为原来的两倍时，系统总体性能会有什么改进？
解,加速比＝
本题再次反映了Amdahl定律，要改进一个系统的性能要对各方面性能都进行改进，不然系统中最慢的地方就成为新系统的瓶颈。
6.2假设磁盘空闲，这样没有排队延迟；公布的平均寻道时间是9ms，传输速度是4MB/s，转速是5400r/min，控制器的开销是1ms。问读或写一个512字节的扇区的平均时间是多少？
解：
平均磁盘访问时间
= 平均寻道时间 + 平均旋转延迟 + 传输时间 + 控制器开销
假设实际测得的寻道时间是公布值的33%，则答案是：
3ms + 4.2ms + 0.1ms + 1ms = 8.3ms
6.3 按表6.2中的数据，问用哪种磁盘最适合于建立100GB的镜像盘阵列（RAID1）存储子系统？又问哪种磁盘最适合于建立100GB的镜像盘阵列（RAID5）存储子系统？
盘阵列有哪些分级？各有什么特点？
RAID0亦称数据分块，即把数据分布在多个盘上，实际上是非冗余阵列，无冗余信息。
RAID1亦称镜像盘，使用双备份磁盘。每当数据写入一个磁盘时，将该数据也写到另一个冗余盘，这样形成信息的两份复制品。如果一个磁盘失效，系统可以到镜像盘中获得所需要的信息。镜像是最昂贵的解决方法。特点是系统可靠性很高，但效率很低。
RAID2位交叉式海明编码阵列。原理上比较优越，但冗余信息的开销太大，因此未被广泛应用。
RAID3位交叉奇偶校验盘阵列，是单盘容错并行传输的阵列。即数据以位或字节交叉的方式存于各盘，冗余的奇偶校验信息存储在一台专用盘上。
RAID4专用奇偶校验独立存取盘阵列。即数据以块(块大小可变)交叉的方式存于各盘，冗余的奇偶校验信息存在一台专用盘上。
RAID5块交叉分布式奇偶校验盘阵列，是旋转奇偶校验独立存取的阵列。即数据以块交叉的方式存于各盘，但无专用的校验盘，而是把冗余的奇偶校验信息均匀地分布在所有磁盘上。
RAID6双维奇偶校验独立存取盘阵列。即数据以块(块大小可变)交叉的方式存于各盘，冗余的检、纠错信息均匀地分布在所有磁盘上。并且，每次写入数据都要访问一个数据盘和两个校验盘，可容忍双盘出错。
RAID7是采用Cache和异步技术的RAID6，使响应速度和传输速率有了较大提高。
6.5 磁带作为海量档案存储设备，平均每个磁带的读者很少。假设一个系统中，磁带读取速率为9MB/s，更换一个磁带需要30s，请计算10个读者全部读完6000个磁带，需要多长时间？
6.6 同步总线和异步总线各有什么优缺点？总线的主要参数有哪些？各是什么含义？
同步总线上所有设备通过统一的总线时钟进行同步。同步总线成本低，因为它不需要设备之间相互确定时序的逻辑。但是同步总线也有缺点，总线操作必须以相同的速度运行。由于各种设备都要精确地以公共时钟为定时参考，因此在时钟频率很高时容易产生时钟相对漂移错误。
异步总线上的设备之间没有统一的时钟，设备自己内部定时。设备之间的信息传送用总线发送器和接收器控制。异步总线容易适应更广泛的设备类型，扩充总线时不用担心时钟时序和时钟同步问题。但在传输时，异步总线需要额外的同步开销。
总线常用的参数有3个：
Tp：总线信号传输延迟。即在总线上的每个设备都取到和识别一个信号需要的最大时间。
Tsk：响应其它设备的最大时间，这个参数在同步总线中是一个重要的参数。
Top：设备的操作时间。
6.7
6.9 在有Cache的计算机系统中，进行I/O操作时，会产生哪些数据不一致问题？如何克服？
存储器中可能不是CPU产生的最新数据,所以I/O系统从存储器中取出来的是陈旧数据。
I/O系统与存储器交换数据之后，在Cache中，被CPU使用的可能就会是陈旧数据。
第一个问题可以用写直达Cache解决。
第二个问题操作系统可以保证I/O操作的数据不在cache中。如果不能，就作废Cache中相应的数据。
6.10假设在一个计算机系统中：
每页为32KB，Cache块大小为128字节；
对应新页的地址不在Cache中，CPU不访问新页中的数据；
Cache中95％的被替换块将再次被读取，并引起一次失效；
Cache使用写回方法，平均60％的块修改过；
I/O系统缓冲能够存储一个Cache完整的块（这称为速度匹配缓冲区，使存储器和I/O的速度得到匹配）；
访问或失效在所有的Cache中均匀分布；
在CPU和I/O之间，没有其它访问Cache的干扰；
无I/O时，每100万个时钟周期中，有18000次失效；
失效开销是40个时钟周期。如果替换块被修改过，则再加上30个周期用于写回主存；
假设机器平均每200万周期处理1页。
分析I/O对于性能的影响有多大？
解：每个主存页有32K/128＝256块。
因为是按块传输，所以I/O传输本身并不引起Cache失效。但是它可能要替换Cache中的有效块。如果这些被替换块中有60％是被修改过的，将需要（256×60％）×30＝4608个时钟周期将这些被修改过的块写回主存。
这些被替换出去的块中，有95％的后继需要访问，从而产生95％×256＝244次失效，将再次发生替换。由于这次被替换的244块中数据是从I/O直接写入Cache的，因此所有块都为被修改块，需要写回主存（因为CPU不会直接访问从I/O来的新页中的数据，所以它们不会立即从主存中调入Cache），需要时间是244×（40＋30）＝17080个时钟周期。
没有I/O时，每一页平均使用200万个时钟周期，Cache失效36000次，其中60％被修改过，所需的处理时间为：
（36000×40％）×40＋（36000×60％）×（40＋30）＝2088000（时钟周期）
时钟I/O造成的额外性能损失比例为
（4608＋17080）÷（2000000＋2088000）＝0.53％
即大约产生0.53％的性能损失。
6.1假设一台计算机的I/O处理占10％，当其CPU性能改进到原来的100倍时，而I/O性能仅改进为原来的两倍时，系统总体性能会有什么改进？
解,加速比＝
本题再次反映了Amdahl定律，要改进一个系统的性能要对各方面性能都进行改进，不然系统中最慢的地方就成为新系统的瓶颈。
6.2假设磁盘空闲，这样没有排队延迟；公布的平均寻道时间是9ms，传输速度是4MB/s，转速是5400r/min，控制器的开销是1ms。问读或写一个512字节的扇区的平均时间是多少？
解：
平均磁盘访问时间
= 平均寻道时间 + 平均旋转延迟 + 传输时间 + 控制器开销
假设实际测得的寻道时间是公布值的33%，则答案是：
3ms + 4.2ms + 0.1ms + 1ms = 8.3ms
6.3 按表6.2中的数据，问用哪种磁盘最适合于建立100GB的镜像盘阵列（RAID1）存储子系统？又问哪种磁盘最适合于建立100GB的镜像盘阵列（RAID5）存储子系统？
盘阵列有哪些分级？各有什么特点？
RAID0亦称数据分块，即把数据分布在多个盘上，实际上是非冗余阵列，无冗余信息。
RAID1亦称镜像盘，使用双备份磁盘。每当数据写入一个磁盘时，将该数据也写到另一个冗余盘，这样形成信息的两份复制品。如果一个磁盘失效，系统可以到镜像盘中获得所需要的信息。镜像是最昂贵的解决方法。特点是系统可靠性很高，但效率很低。
RAID2位交叉式海明编码阵列。原理上比较优越，但冗余信息的开销太大，因此未被广泛应用。
RAID3位交叉奇偶校验盘阵列，是单盘容错并行传输的阵列。即数据以位或字节交叉的方式存于各盘，冗余的奇偶校验信息存储在一台专用盘上。
RAID4专用奇偶校验独立存取盘阵列。即数据以块(块大小可变)交叉的方式存于各盘，冗余的奇偶校验信息存在一台专用盘上。
RAID5块交叉分布式奇偶校验盘阵列，是旋转奇偶校验独立存取的阵列。即数据以块交叉的方式存于各盘，但无专用的校验盘，而是把冗余的奇偶校验信息均匀地分布在所有磁盘上。
RAID6双维奇偶校验独立存取盘阵列。即数据以块(块大小可变)交叉的方式存于各盘，冗余的检、纠错信息均匀地分布在所有磁盘上。并且，每次写入数据都要访问一个数据盘和两个校验盘，可容忍双盘出错。
RAID7是采用Cache和异步技术的RAID6，使响应速度和传输速率有了较大提高。
6.5 磁带作为海量档案存储设备，平均每个磁带的读者很少。假设一个系统中，磁带读取速率为9MB/s，更换一个磁带需要30s，请计算10个读者全部读完6000个磁带，需要多长时间？
6.6 同步总线和异步总线各有什么优缺点？总线的主要参数有哪些？各是什么含义？
同步总线上所有设备通过统一的总线时钟进行同步。同步总线成本低，因为它不需要设备之间相互确定时序的逻辑。但是同步总线也有缺点，总线操作必须以相同的速度运行。由于各种设备都要精确地以公共时钟为定时参考，因此在时钟频率很高时容易产生时钟相对漂移错误。
异步总线上的设备之间没有统一的时钟，设备自己内部定时。设备之间的信息传送用总线发送器和接收器控制。异步总线容易适应更广泛的设备类型，扩充总线时不用担心时钟时序和时钟同步问题。但在传输时，异步总线需要额外的同步开销。
总线常用的参数有3个：
Tp：总线信号传输延迟。即在总线上的每个设备都取到和识别一个信号需要的最大时间。
Tsk：响应其它设备的最大时间，这个参数在同步总线中是一个重要的参数。
Top：设备的操作时间。
6.7
6.9 在有Cache的计算机系统中，进行I/O操作时，会产生哪些数据不一致问题？如何克服？
存储器中可能不是CPU产生的最新数据,所以I/O系统从存储器中取出来的是陈旧数据。
I/O系统与存储器交换数据之后，在Cache中，被CPU使用的可能就会是陈旧数据。
第一个问题可以用写直达Cache解决。
第二个问题操作系统可以保证I/O操作的数据不在cache中。如果不能，就作废Cache中相应的数据。
6.10假设在一个计算机系统中：
每页为32KB，Cache块大小为128字节；
对应新页的地址不在Cache中，CPU不访问新页中的数据；
Cache中95％的被替换块将再次被读取，并引起一次失效；
Cache使用写回方法，平均60％的块修改过；
I/O系统缓冲能够存储一个Cache完整的块（这称为速度匹配缓冲区，使存储器和I/O的速度得到匹配）；
访问或失效在所有的Cache中均匀分布；
在CPU和I/O之间，没有其它访问Cache的干扰；
无I/O时，每100万个时钟周期中，有18000次失效；
失效开销是40个时钟周期。如果替换块被修改过，则再加上30个周期用于写回主存；
假设机器平均每200万周期处理1页。
分析I/O对于性能的影响有多大？
解：每个主存页有32K/128＝256块。
因为是按块传输，所以I/O传输本身并不引起Cache失效。但是它可能要替换Cache中的有效块。如果这些被替换块中有60％是被修改过的，将需要（256×60％）×30＝4608个时钟周期将这些被修改过的块写回主存。
这些被替换出去的块中，有95％的后继需要访问，从而产生95％×256＝244次失效，将再次发生替换。由于这次被替换的244块中数据是从I/O直接写入Cache的，因此所有块都为被修改块，需要写回主存（因为CPU不会直接访问从I/O来的新页中的数据，所以它们不会立即从主存中调入Cache），需要时间是244×（40＋30）＝17080个时钟周期。
没有I/O时，每一页平均使用200万个时钟周期，Cache失效36000次，其中60％被修改过，所需的处理时间为：
（36000×40％）×40＋（36000×60％）×（40＋30）＝2088000（时钟周期）
时钟I/O造成的额外性能损失比例为
（4608＋17080）÷（2000000＋2088000）＝0.53％
即大约产生0.53％的性能损失。
