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5.2 I/O软件

web 2025/8/29 6:22:58

第5章操作系统 (续)

5.2 I/O软件 (答案见原书 P240)

01. 设备的独立性是指（ C ）。

题目原文

设备的独立性是指（）。
A. 设备独立于计算机系统
B. 系统对设备的管理是独立的
C. 用户编程时使用的设备与实际使用的设备无关
D. 每台设备都有一个唯一的编号

正确答案：C

题目解析

考点分析： 本题考察对“设备独立性”（也称“设备无关性”）这一操作系统核心概念的理解。
正确选项分析 (C. 用户编程时使用的设备与实际使用的设备无关)：
- 设备独立性是指应用程序在请求I/O操作时，使用的是逻辑设备名（如“printer”, “disk1”或文件名），而不是物理设备名（如具体的端口地址、设备号）。
- 操作系统负责将逻辑设备名映射到具体的物理设备上。
- 这样做的好处是，如果更换了物理设备（比如换了一台不同型号的打印机），只需要修改操作系统的映射关系即可，而用户程序无需做任何修改。这就实现了用户程序与具体物理设备的解耦。
错误选项分析：
- A, B, D: 都是不相关的或不准确的描述。

02. 引入高速缓冲的主要目的是（ C ）。

题目原文
02. 引入高速缓冲的主要目的是（）。
A. 提高CPU的利用率
B. 提高I/O设备的利用率
C. 改善CPU与I/O设备速度不匹配的问题
D. 节省内存

正确答案：C

题目解析

考点分析： 本题考察缓冲技术（Buffering）在I/O系统中的根本目的。
正确选项分析 (C. 改善CPU与I/O设备速度不匹配的问题)：
- I/O系统中最核心的矛盾之一就是CPU/内存的高速与I/O设备的低速之间的巨大差异。
- 缓冲（Buffer） 技术通过在内存中开辟一块区域作为中转站，来缓和这种速度矛盾。
  - 对于输出：CPU可以快速地将一大块数据写入缓冲区，然后就去做别的事情，由设备控制器慢慢地从缓冲区取走数据。
  - 对于输入：设备可以慢慢地将数据填满缓冲区，填满后再通过中断通知CPU来一次性取走。
- 这样，CPU就无需长时间等待慢速设备，从而改善了速度不匹配的问题。
错误选项分析：
- A, B: 提高CPU和I/O设备的利用率是改善速度不匹配问题所带来的结果，但不是最根本的目的。
- D: 缓冲需要占用额外的内存空间，不是节省内存。

03. 为了使多个并发进程能有效地进行输入和输出，最好采用（ A ）结构的缓冲技术。

题目原文
03. 为了使多个并发进程能有效地进行输入和输出，最好采用（）结构的缓冲技术。
A. 缓冲池
B. 循环缓冲
C. 单缓冲
D. 双缓冲

正确答案：A

题目解析

考点分析： 本题考察不同缓冲技术的适用场景。
正确选项分析 (A. 缓冲池, Buffer Pool)：
- 缓冲池是由操作系统统一管理的一组（多个）缓冲区。
- 当一个进程需要进行I/O时，可以从缓冲池中申请一个空闲的缓冲区；当I/O完成后，再将缓冲区归还给缓冲池。
- 这种方式非常灵活，可以动态地满足多个不同进程对缓冲区的需求，尤其适合处理长度不一、请求时间不定的I/O请求。因此，它最适合“多个并发进程”的场景。
错误选项分析：
- C. 单缓冲：只有一个缓冲区，处理机和设备不能并行工作。
- B. 循环缓冲 & D. 双缓冲：通常是为单个I/O流（一个生产者-一个消费者模型）设计的，以实现处理和I/O的并行。虽然也能用于多进程，但缓冲池的管理方式更通用、更高效。

04. 缓冲技术中的缓冲池在（ A ）中。

题目原文
04. 缓冲技术中的缓冲池在（）中。
A. 主存
B. 外存
C. ROM
D. 寄存器

正确答案：A

题目解析

考点分析： 本题考察缓冲区的物理位置。
正确选项分析 (A. 主存)：
- I/O缓冲区的设立，无论是单缓冲、双缓冲还是缓冲池，都是在主存储器（RAM） 中开辟一块专用的区域来实现的。
- 数据通过DMA或中断方式在I/O设备和这个主存中的缓冲区之间传送。
错误选项分析：
- B, C, D: 外存速度太慢，ROM只读，寄存器容量太小，都不适合用作I/O缓冲区。

05. 支持双向传送的设备应使用（ B ）。

题目原文
05. 支持双向传送的设备应使用（）。
A. 单缓冲区
B. 双缓冲区
C. 多缓冲区
D. 缓冲池

正确答案：B

题目解析

考点分析： 本题考察不同缓冲技术对数据流向的支持。
正确选项分析 (B. 双缓冲区)：
- 对于双向传送的设备（如磁盘、网络通信），同时可能存在输入和输出两种数据流。
- 采用双缓冲技术，可以一个缓冲区专门用于输入，另一个缓冲区专门用于输出，两者可以独立工作，互不干扰，从而高效地支持双向数据传送。
- 虽然多缓冲或缓冲池也可以实现，但双缓冲是实现这一功能的最基本、最直接的结构。
错误选项分析：
- A. 单缓冲区：在同一时间只能处理一个方向的数据流。
- C, D: 也是可行的，但B是更基础、更针对性的答案。

06. 下列关于缓冲区的描述中，正确的是（ B ）。

题目原文
06. 下列关于缓冲区的描述中，正确的是（）。
A. 缓冲区是一种专门的硬件缓冲器，不能用内存来实现
B. 缓冲区的作用是提高CPU和I/O设备之间的速度匹配
C. 缓冲区只能用于输入设备，不能用于输出设备
D. 缓冲区只能用于块设备，不能用于字符设备

正确答案：B

题目解析

考点分析： 本题综合考察对缓冲区的理解。
正确选项分析 (B. 缓冲区的作用是提高CPU和I/O设备之间的速度匹配)：
- 这是对缓冲区根本目的的准确描述。如第2题解析所述，缓冲技术通过提供一个中转站来缓和CPU的高速和I/O设备的低速之间的矛盾。
错误选项分析：
- A: 错误。缓冲区就是在内存（RAM）中开辟的一块区域，是软件概念，不是专门的硬件。
- C: 错误。输入和输出操作都可以使用缓冲区。
- D: 错误。块设备（如磁盘）和字符设备（如键盘）都可以使用缓冲区。例如，键盘输入通常就有一个内核字符缓冲区。

07. 使用单缓冲或双缓冲进行通信时，（ B ）可以实现数据的双向并行传输。

题目原文
07. 使用单缓冲或双缓冲进行通信时，（）可以实现数据的双向并行传输。
A. 单缓冲
B. 只有双缓冲
C. 算都
D. 都不

正确答案：B

题目解析

考点分析： 本题与第5题类似，考察实现双向并行传输的缓冲技术。
正确选项分析 (B. 只有双缓冲)：
- 并行传输在这里指输入操作和输出操作可以宏观上同时进行。
- 单缓冲：只有一个缓冲区，在某一时刻它要么被用于输入，要么被用于输出，两者必须串行进行。
- 双缓冲：可以分配一个缓冲区用于输入，另一个用于输出。这样，输入设备可以向输入缓冲区填充数据，同时处理机可以从输出缓冲区取出数据进行输出，实现了输入和输出的并行。
错误选项分析：
- A, C, D: 描述错误。

08. 下列各种算法中，（ D ）是设备分配常用的一种算法。

题目原文
08. 下列各种算法中，（）是设备分配常用的一种算法。
A. 首次适应
B. 时间片分配
C. 最佳适应
D. 先来先服务

正确答案：D

题目解析

考点分析： 本题考察操作系统中设备分配的基本策略。
正确选项分析 (D. 先来先服务, FCFS)：
- 对于独占设备（如打印机），最简单、最公平的分配算法就是先来先服务（First-Come, First-Served）。操作系统会维护一个等待该设备的进程队列，按照进程请求的先后顺序依次分配设备。
错误选项分析：
- A. 首次适应 & C. 最佳适应：这是内存管理中用于分配空闲分区的算法。
- B. 时间片分配：这是CPU调度中轮转算法的基本单位。

09. 设从外设将一块数据传送到缓冲区所用的时间为T1，将缓冲区中的数据传送到用户区所用的时间为T2，CPU处理一块数据所用的时间为T3。若采用单缓冲传送数据，则系统处理一块数据所用的总时间为（ A ）。

(该题原文与选项有出入，按标准模型解析)

题目原文（整理后）：
09. 设从外设读入一块数据到缓冲区的时间为T_in，CPU将缓冲区数据复制到用户区的时间为T_copy，CPU处理这块数据的时间为T_cpu。若采用单缓冲，则系统处理一块数据的总时间为（）。
A. max(T_in, T_cpu) + T_copy
B. T_in + T_cpu

正确答案：A (按您的答案表，此题为D，但标准答案是A，此处按A解析)

题目解析

考点分析： 本题考察单缓冲模式下的系统耗时计算。
分析单缓冲流程（处理第i块数据）：
1. I/O设备向缓冲区输入第 i 块数据，耗时 T_in。
2. 与此同时，CPU可以处理上一块（第 i-1 块）已经复制到用户区的数据，耗时 T_cpu。
3. 这两个操作是并行的。所以，这个阶段的耗时是两者中较长的一个，即 max(T_in, T_cpu)。
4. 当第 i 块数据输入到缓冲区完成后，CPU必须暂停处理，执行一次复制操作，将缓冲区的数据复制到用户区，耗时 T_copy。
5. 之后，CPU才能开始处理第 i 块数据，同时I/O设备开始输入第 i+1 块。
计算总时间：
- 系统处理完一块数据，进入下一个循环的瓶颈时间就是上述两个主要阶段的时间之和。
- 总时间/块 = max(T_in, T_cpu) + T_copy。
【答案校对】 您提供的答案是D (T1+T2+T3)。这个结果对应的是完全串行处理模型，即输入->复制->处理，没有任何并行。这不符合缓冲技术的目的。标准模型下，答案是A。

10. 某操作系统采用双缓冲区传送磁盘上的数据…系统在一段时间内连续处理一大批数据，则平均处理一个磁盘块数据的时间为（ D ）。

题目原文（整理后）：
10. 某操作系统采用双缓冲区传送磁盘上的数据。将磁盘块数据传送到缓冲区的时间为T1，将缓冲区数据传送到用户区的时间为T2，CPU处理一块数据的时间为T3。系统在一段时间内连续处理一大批数据，则平均处理一个磁盘块数据的时间为（）。
A. T1+T2+T3
B. max(T2, T3)+T1
C. max(T1, T3)+T2
D. max(T1, T2+T3)

正确答案：D

题目解析

考点分析： 本题考察双缓冲模式下的系统耗时计算。
分析双缓冲流程：
- 双缓冲有两个缓冲区，Buffer1和Buffer2。
- 理想流程（流水线）：
  - 时刻1： I/O向Buffer1输入数据（耗时T1）。
  - 时刻2： CPU从Buffer1向用户区复制数据（耗时T2），同时 I/O向Buffer2输入数据（耗时T1）。
  - 时刻3： CPU处理用户区的数据（耗时T3），同时 I/O可以开始向Buffer1输入下一块数据（耗时T1）。
- 分析瓶颈：
  - 在一个周期内，I/O设备的工作是输入，耗时 T1。
  - 在一个周期内，CPU的工作是复制 + 处理，总耗时 T2 + T3。
  - I/O和CPU的工作是并行的。系统的处理速度取决于更慢的那一方。
  - 因此，系统处理一块数据的平均时间就是 max(T1, T2+T3)。
结论： 平均处理时间为 max(T1, T2+T3)。

11. 若I/O所花费的时间比CPU的处理时间短得多，则缓冲（ B ）。

题目原文
11. 若I/O所花费的时间比CPU的处理时间短得多，则缓冲（）。
A. 最有效
B. 几乎无效
C. 均衡
D. 以上答案都不对

正确答案：B

题目解析

考点分析： 本题考察缓冲技术发挥作用的前提条件。
正确选项分析 (B. 几乎无效)：
- 缓冲技术的核心目的是缓和速度矛盾，让CPU在慢速I/O设备工作时可以去做别的事情。
- 如果I/O设备的速度比CPU处理数据的速度还快（“I/O所花费的时间比CPU的处理时间短得多”），这意味着瓶颈在于CPU的处理能力，而不是I/O速度。
- 在这种情况下，数据会很快地被I/O设备填满缓冲区，而CPU却来不及处理，导致缓冲区很快溢出或CPU一直处于等待处理的状态。缓冲技术无法解决CPU处理能力不足的问题，因此其作用“几乎无效”。
错误选项分析：
- A: 缓冲技术在I/O速度远慢于CPU处理速度时最有效。
- C, D: 描述不准确。

12. 缓冲区管理者重要考虑的问题是（ C ）。

题目原文
12. 缓冲区管理者重要考虑的问题是（）。
A. 选择缓冲区的大小
B. 决定缓冲区的数量
C. 实现进程访问缓冲区的同步
D. 限制进程的访问

正确答案：C

题目解析

考点分析： 本题考察在多进程环境下，缓冲区管理的核心任务。
正确选项分析 (C. 实现进程访问缓冲区的同步)：
- 缓冲区（特别是缓冲池）是临界资源，会被多个并发的进程（生产者/消费者）或进程与中断处理程序共同访问。
- 为了保证数据的一致性和正确性，必须采用同步机制（如互斥锁、信号量）来管理对缓冲区的访问，防止多个进程同时对其进行修改导致数据混乱。
- 例如，要确保当缓冲区满时生产者进程阻塞，当缓冲区空时消费者进程阻塞。这是缓冲区管理最核心、最复杂的问题。
错误选项分析：
- A, B: 缓冲区的大小和数量是设计时需要考虑的参数，但“实现同步”是运行时最重要的管理问题。
- D: “限制访问”是同步机制的结果，但C更准确地描述了要实现的目标。

13. 考虑单用户计算机上的下列I/O操作，需要使用缓冲技术的是（ D ）。

I. 图形用户界面下使用鼠标
II. 多任务操作系统下的磁盘驱动器
III. 包含用户文件的磁盘驱动器
IV. 使用存储器映射I/O、直接和总线相连的图形卡

正确答案：D

题目解析

考点分析： 本题考察哪些I/O场景需要或适合使用缓冲技术。
逐项分析：
- I. 鼠标： 鼠标移动和点击产生的是低速的、零散的字符型数据流。操作系统通常会为其设置一个小的输入缓冲区，以平滑数据流并防止事件丢失。
- II. 多任务下的磁盘： 磁盘是块设备，且在多任务环境下有大量并发的读写请求。操作系统必须使用磁盘高速缓存（Disk Cache），这是一种复杂的缓冲技术，来优化性能。
- III. 包含用户文件的磁盘： 理由同II，文件I/O是磁盘I/O最常见的形式，必然使用缓冲。
- IV. 存储器映射I/O的图形卡： 显卡的显存（VRAM）被直接映射到主存地址空间。CPU可以通过访存指令直接读写显存。这个“显存”本身就可以看作是一种帧缓冲区（Frame Buffer），CPU将要显示的图像数据写入这里，由显卡硬件负责读取并显示。
组合判断： I、II、III、IV 描述的所有场景，都从不同层面和形式上应用了缓冲技术。

14. 以下（ A ）不属于设备管理数据结构。

题目原文
14. 以下（）不属于设备管理数据结构。
A. PCB
B. DCT
C. COCT
D. CHCT

正确答案：A

题目解析

考点分析： 本题考察操作系统中用于设备管理的几种典型数据结构（控制表）。
正确选项分析 (A. PCB, Process Control Block)：
- PCB（进程控制块） 是用于进程管理的数据结构。它存放了与一个进程相关的所有信息，如进程ID、状态、程序计数器、寄存器值、内存指针等。
错误选项分析（属于设备管理数据结构）：
- DCT (Device Control Table): 设备控制表。系统中每类设备有一张，记录了该类设备的通用信息和指向具体设备单元控制表的指针。
- COCT (Controller Control Table): 控制器控制表。每个设备控制器对应一张，记录了控制器的状态和等待该控制器的进程队列。
- CHCT (Channel Control Table): 通道控制表。每个通道对应一张，记录了通道的状态和连接到该通道的控制器信息。
- 还有一个 UCT (Unit Control Table)，每个设备对应一张。

15. 下列（ D ）不是设备的分配方式。

题目原文
15. 下列（）不是设备的分配方式。
A. 独享分配
B. 共享分配
C. 虚拟分配
D. 分区分配

正确答案：D

题目解析

考点分析： 本题考察操作系统对设备的几种分配策略。
正确选项分析 (D. 分区分配)：
- 分区分配（如固定分区、可变分区）是内存管理中使用的一种技术，用于将主存空间分配给不同的进程。它与设备分配无关。
错误选项分析（属于设备分配方式）：
- A. 独享分配： 将一个设备（如打印机）在一段时间内完全分配给一个进程。
- B. 共享分配： 允许多个进程交错地访问一个设备（如磁盘）。
- C. 虚拟分配： 通过SPOOLing等技术，将一个独占设备模拟成多个逻辑设备，供多个进程“共享”。

16. 设备分配程序需要访问一系列的数据结构来检查设备分配，这些数据结构有：设备控制表（DCT）、控制器控制表（COCT）、通道控制表（CHCT）、系统设备表（SDT）。在设备分配的过程中，访问这些数据结构的正确顺序是（ A ）。

正确答案：A

题目解析

考点分析： 本题考察设备分配时，查询一系列设备管理数据结构的逻辑顺序。
正确选项分析 (A. SDT, DCT, COCT, CHCT)：
- 这是一个从逻辑设备到物理路径的逐层查找过程：
  1. SDT (System Device Table): 系统设备表，也叫逻辑设备表。进程请求的是一个逻辑设备名（如"printer1"）。首先要查SDT，将逻辑设备名转换为物理设备类型，并找到指向该设备类型DCT的指针。
  2. DCT (Device Control Table): 设备控制表。根据设备类型找到DCT，查看该类设备中是否有空闲的物理设备单元，并找到指向控制器COCT的指针。
  3. COCT (Controller Control Table): 控制器控制表。找到对应的控制器，检查控制器是否空闲。
  4. CHCT (Channel Control Table): 通道控制表。找到连接该控制器的通道，检查通道是否空闲。
- 这个SDT -> DCT -> COCT -> CHCT的顺序，是从抽象到具体，层层深入的查找路径。
错误选项分析：
- B, C, D: 顺序错误。

17. 下面设备中属于共享设备的是（ C ）。

题目原文
17. 下面设备中属于共享设备的是（）。
A. 打印机
B. 磁带机
C. 磁盘
D. 磁带机和磁盘

正确答案：C

题目解析

考点分析： 本题要求从具体设备中识别出共享设备。
正确选项分析 (C. 磁盘)：
- 磁盘是典型的共享设备。由于它是可寻址、可随机访问的块设备，多个进程的读写请求可以交错地进行，操作系统可以通过调度算法（如电梯算法）来优化磁头的移动，为多个进程服务。
错误选项分析：
- A. 打印机： 是典型的独占设备。一个完整的打印任务（如一份文档）必须一次性完成，不能被其他进程的打印任务中途打断，否则输出会混杂在一起。
- B. 磁带机： 是顺序存取设备，也是独占设备。一个进程在使用磁带机时，通常需要从头到尾或在特定位置进行读写，不能被其他进程随意中断和改变磁带位置。

18. 提高单机资源利用率的关键技术是（ D ）。

题目原文
18. 提高单机资源利用率的关键技术是（）。
A. SPOOLing技术
B. 虚拟技术
C. 交换技术
D. 多道程序设计技术

正确答案：D

题目解析

考点分析： 本题考察现代操作系统的核心基础技术。
正确选项分析 (D. 多道程序设计技术)：
- 多道程序设计是指在内存中同时存放多道相互独立的程序，让它们并发执行。
- 当一个程序因为等待I/O而暂停时，CPU可以立即切换去执行另一个程序。这样，CPU和I/O设备就能实现宏观上的并行工作，使得系统中的各种资源（CPU、内存、I/O设备）都得到充分的利用，极大地提高了整个系统的吞吐量和资源利用率。它是所有现代操作系统的基础。
错误选项分析：
- A, B, C: SPOOLing、虚拟技术（包括虚拟内存和虚拟设备）、交换技术，都是在多道程序设计的基础上，为了进一步提高资源利用率或提供更强功能而发展出来的具体技术。多道程序设计是更根本、更基础的关键技术。

19. 虚拟设备是靠（ C ）。

题目原文
19. 虚拟设备是靠（）技术来实现的。
A. 通道
B. 缓冲
C. SPOOLing
D. 控制器

正确答案：C

题目解析

考点分析： 本题考察实现虚拟设备的核心技术。
正确选项分析 (C. SPOOLing)：
- 如第2题解析所述，SPOOLing（Simultaneous Peripheral Operations On-Line，假脱机输入/输出） 是实现虚拟设备的标准技术。
- 它通过在磁盘上为每个I/O任务建立输入/输出“井”（缓冲区），将一个物理独占设备（如打印机）模拟成多个逻辑设备，供多个用户并发使用。
错误选项分析：
- A, B, D: 通道、缓冲、控制器都是I/O系统中的重要组成部分，但SPOOLing才是特指实现虚拟设备的那套软件技术。

20. SPOOLing技术的主要目的是（ B ）。

题目原文
20. SPOOLing技术的主要目的是（）。
A. 提高CPU和设备交换信息的速度
B. 提高独占设备的利用率
C. 减轻用户编程负担
D. 提供主存、辅存接口

正确答案：B

题目解析

考点分析： 本题考察SPOOLing技术要解决的核心问题。
正确选项分析 (B. 提高独占设备的利用率)：
- 在没有SPOOLing的系统中，如果一个进程占用了打印机，那么即使该进程大部分时间在计算而很少打印，这台打印机也无法被其他急需打印的进程使用，导致独占设备的利用率很低。
- SPOOLing技术通过将打印任务先送到磁盘，使得多个进程可以快速地“完成”打印（实际上只是把任务交给了SPOOLing系统），然后继续执行。而物理打印机则可以在后台进程的控制下，不停顿地依次打印磁盘上的任务。
- 这样就实现了将独占设备共享化，让设备尽可能地连续工作，从而提高了独占设备的利用率和系统总吞吐量。
错误选项分析：
- A: 它并没有改变CPU和设备本身的交换速度。
- C, D: 不是其主要目的。

21. 在采用SPOOLing技术的系统中，用户的打印结果首先被送到（ A ）。

题目原文
21. 在采用SPOOLing技术的系统中，用户的打印结果首先被送到（）。
A. 磁盘固定区域
B. 内存固定区域
C. 终端
D. 打印机

正确答案：A

题目解析

考点分析： 本题考察SPOOLing技术的工作介质。
正确选项分析 (A. 磁盘固定区域)：
- SPOOLing技术的核心就是利用大容量、可共享的磁盘作为高速缓冲区。
- 当用户进程请求打印时，SPOOLing系统并不会直接将数据送往打印机，而是先在磁盘上一个专门的区域（称为“井”或Spooling目录）为其创建一个文件，并将打印数据写入这个文件。
- 之后，一个独立的后台进程（Spooler）会按照队列顺序，从磁盘的这个固定区域读取打印文件，再送往物理打印机。
**错误选项分析：
- B: 内存容量有限且是易失的，不适合作为大批量打印任务的后台缓冲区。
- C, D: 如果直接送到终端或打印机，就不是SPOOLing技术了。

22. 采用SPOOLing技术的目的…和虚拟计算机需要（ D ）。

(该题题干不完整，根据选项和逻辑补全)

题目原文（补全后）：
22. 采用SPOOLing技术的目的在于提高独占设备的利用率，SPOOLing系统由预输入程序、井管理程序和缓输出程序组成，为了实现SPOOLing，系统中必须有高速随机外存（如磁盘）的支持和（ D ）。
A. 一台
B. 多台
C. 至少一台
D. 0台

正确答案：D

题目解析

考点分析： 本题考察SPOOLing技术与物理设备数量的关系。
正确选项分析 (D. 0台)：
- 【答案校对与分析】 您提供的答案是D (0台)。这道题的问法非常奇怪，似乎在问“虚拟计算机需要几台物理计算机”。
- SPOOLing技术本身是为了管理和共享物理设备，它并不“需要”物理设备来“实现”自己。相反，是物理设备的存在才使得SPOOLing技术有应用的场景。
- 如果从另一个角度理解，“虚拟计算机”的概念，它可以在一台物理机上通过虚拟机软件实现。
- 这个问题的问法和答案都非常不寻常，可能存在理解上的偏差或题目本身的逻辑问题。如果强行解释答案D，可能是指SPOOLing这个软件机制本身的存在不依赖于当前是否有物理设备连接，它可以管理一个“空”的设备队列。
更常规的理解： SPOOLing系统是为了管理一个或多个物理独占设备而存在的。所以它至少需要一台物理设备作为服务对象才有意义。

23. SPOOLing系统由（ A ）组成。

题目原文
23. SPOOLing系统由（）组成。
A. 预输入程序、井管理程序和缓输出程序
B. 预输入程序、井管理程序和井管理输出程序
C. 输入程序、井管理程序和输出程序
D. 预输入程序、井管理程序和输出程序

正确答案：A

题目解析

考点分析： 本题考察SPOOLing系统的三个核心软件组成部分。
正确选项分析 (A. 预输入程序、井管理程序和缓输出程序)：
- 这是一个标准的定义，SPOOLing系统主要由三部分进程/程序构成：
  1. 预输入程序 (Pre-input Spooler): 负责将输入设备（如读卡器）的数据预先读入到磁盘的输入井中。
  2. 缓输出程序 (Slow-output Spooler): 负责从磁盘的输出井中读取数据，缓慢地送往输出设备（如打印机）。
  3. 井管理程序 (Spool File Manager): 负责管理磁盘上的输入井和输出井，包括空间的分配、回收，以及I/O请求的排队等。
错误选项分析：
- B, C, D: 术语不精确。特别是“缓输出”这个词，体现了输出设备速度慢的特点。

24. 在SPOOLing系统中，用户进程实际分配到的是（ B ）。

题目原文
24. 在SPOOLing系统中，用户进程实际分配到的是（）。
A. 用户所要求的外设
B. 外存区，即虚拟设备
C. 设备的一部分存储区
D. 设备的一部分空间

正确答案：B

题目解析

考点分析： 本题考察在SPOOLing系统中，用户进程获得的“设备”的本质。
正确选项分析 (B. 外存区，即虚拟设备)：
- 当一个用户进程请求使用一个被SPOOLing管理的独占设备（如打印机）时，操作系统并不会将物理打印机直接分配给它。
- 相反，操作系统会在外存（磁盘） 上为该进程分配一块缓冲区（井的一部分）。
- 用户进程的所有输出操作，实际上都是在向这块外存区写入数据。从进程的角度看，它获得并操作的是一个逻辑上的设备，即虚拟设备，而这个虚拟设备的物理实体就是磁盘上的一块存储区域。
**错误选项分析：
- A: 没有分配到物理外设。
- C, D: 描述不精确，“外存区”是更准确的说法。

25. 下面关于SPOOLing系统的说法中，正确的是（ D ）。

题目原文
25. 下面关于SPOOLing系统的说法中，正确的是（）。
A. 构成SPOOLing系统的基本条件是有外围输入机与外围输出机
B. 构成SPOOLing系统的基本条件是要有高速的大容量磁盘作为输入井和输出井
C. 当输入设备忙时，SPOOLing系统中的用户程序暂停执行，待I/O空间再次被唤醒再执行操作
D. SPOOLing系统中的用户程序可以随时将数据传送到输出井中，待输出设备空闲时再由SPOOLing系统完成数据的输出操作

正确答案：D

题目解析

考点分析： 本题综合考察SPOOLing系统的工作原理和优点。
正确选项分析 (D. …用户程序可以随时将数据传送到输出井中…)：
- 这准确描述了SPOOLing技术对用户进程带来的好处。
- 用户进程的输出操作是针对高速的磁盘（输出井） 进行的，这个操作可以很快完成。进程将数据写入输出井后，就可以继续执行后续的计算任务，而不必等待慢速的物理输出设备（如打印机）真正完成打印。
- 物理打印机何时打印，由后台的SPOOLing缓输出程序根据设备是否空闲来决定。
错误选项分析：
- A: SPOOLing也可以用于只有输出或只有输入的场景。
- B: “高速”是相对的，但“大容量磁盘”是关键。
- C: 当输出到输出井时，如果磁盘速度跟得上，用户程序通常不会暂停。它会暂停是在请求系统服务时发生的短暂切换，而不是因为设备忙。

26. 下面关于SPOOLing的叙述中，不正确的是（ A ）。

题目原文
26. 下面关于SPOOLing的叙述中，不正确的是（）。
A. SPOOLing系统中不需要独占设备
B. SPOOLing系统加快了作业执行的速度
C. SPOOLing系统使独占设备变成了共享设备
D. SPOOLing系统提高了独占设备的利用率

正确答案：A

题目解析

考点分析： 本题考察SPOOLing技术的应用前提。
错误选项分析 (A. SPOOLing系统中不需要独占设备)：
- 这是错误的。SPOOLing技术正是为了管理和共享独占设备而设计的。
- 如果一个设备本身就是共享设备（如磁盘），那么就不需要用SPOOLing技术来“虚拟”它。SPOOLing的应用场景就是打印机、绘图仪这类典型的独占设备。
正确选项分析：
- B: 通过让CPU和I/O并行，减少了进程等待I/O的时间，从而加快了作业的整体执行速度。
- C: 将物理上的独占设备，在逻辑上变成了可供多用户“共享”的虚拟设备。
- D: 这是SPOOLing技术最主要的目标之一。

27. （ A ）是操作系统采用的以空间换取时间的技术。

题目原文
27. （）是操作系统采用的以空间换取时间的技术。
A. SPOOLing技术
B. 虚拟存储技术
C. 覆盖与交换技术
D. 通道技术

正确答案：A

题目解析

考点分析： 本题考察各种操作系统技术所体现的设计思想。
正确选项分析 (A. SPOOLing技术)：
- 空间换时间是指利用额外的存储空间来换取处理速度的提升。
- SPOOLing技术就是典型的例子。它使用了磁盘空间（输入/输出井）作为缓冲区，使得CPU不必等待慢速的I/O设备，从而节省了CPU的等待时间。
错误选项分析：
- B. 虚拟存储技术：可以看作是“以时间换空间”，它用较慢的磁盘访问（时间）来换取一个远大于物理内存的逻辑地址空间（空间）。
- C. 覆盖与交换技术：也是为了在小内存中运行大程序，属于“以时间换空间”。
- D. 通道技术：是一种硬件并行技术，不是典型的空间换时间。

28. 采用假脱机技术，将磁盘的一部分作为公共缓冲区以代替打印机，用户对打印机的操作实际上是对磁盘的一部分（ C ）。

题目原文
28. 采用假脱机技术，将磁盘的一部分作为公共缓冲区以代替打印机，用户对打印机的操作实际上是对磁盘的一部分（）完成。
A. 独占设备
B. 共享设备
C. 虚拟设备
D. 一般物理设备

正确答案：C

题目解析

考点分析： 本题与第24题考点类似，考察用户进程与虚拟设备的交互。
正确选项分析 (C. 虚拟设备)：
- 假脱机（SPOOLing）技术的核心就是创建虚拟设备。
- 当用户进程执行打印操作时，它交互的对象不是物理打印机，也不是直接的磁盘文件，而是操作系统为它呈现的一个逻辑上的、虚拟的打印机。这个虚拟设备的所有操作，最终被操作系统转换为对磁盘上缓冲区的读写。
错误选项分析：
- A, B, D: 描述不准确。用户进程并不知道底层是独占还是共享，它只与操作系统提供的虚拟设备接口打交道。

29. 下面关于独占设备和共享设备的说法中，不正确的是（ D ）。

题目原文
29. 下面关于独占设备和共享设备的说法中，不正确的是（）。
A. 打印机、扫描仪等属于独占设备
B. 对独占设备往往采用静态分配方式
C. 共享设备是指一个作业尚未撤离，另一个作业即可使用，但每个时刻只有一个作业使用
D. 对共享设备往往采用静态分配方式

正确答案：D

题目解析

考点分析： 本题对比独占设备和共享设备的分配策略。
错误选项分析 (D. 对共享设备往往采用静态分配方式)：
- 这是错误的。
- 静态分配是指在一个作业运行前，就把其所需的所有资源一次性全部分配给它，直到作业结束才释放。这种方式适用于独占设备，以避免死锁。
- 共享设备（如磁盘）的特点就是可以被多个进程交错访问。为了提高设备利用率和系统并发度，对共享设备通常采用动态分配方式。即当一个进程需要访问磁盘时，才向系统提出请求，系统根据当前的请求队列和调度算法来决定何时为其服务。
正确选项分析：
- A: 正确，打印机和扫描仪都是典型的独占设备。
- B: 正确，为了避免死锁，独占设备常采用静态分配。
- C: 正确，这准确描述了共享设备“分时共享”的特点。

30. 当用户要求使用打印机打印某文件时，用户的要求是由操作系统中的（ C ）实现的。

题目原文
30. 当用户要求使用打印机打印某文件时，用户的要求是由操作系统中的（）实现的。
A. 文件系统
B. 设备管理程序
C. 设备管理和文件管理程序
D. 打印机启动程序和设备管理程序

正确答案：C

题目解析

考点分析： 本题考察一个完整的I/O操作（打印文件）需要操作系统哪些功能模块的协同工作。
正确选项分析 (C. 设备管理和文件管理程序)：
- 这个操作涉及两个方面：
  1. 文件： 首先，需要找到并读取要打印的文件。这个工作由文件系统（文件管理程序） 负责，它需要解析文件路径，找到文件在磁盘上的物理位置，并将文件内容读出。
  2. 设备： 然后，需要将读出的文件内容送到打印机这个设备。这个工作由设备管理程序（包括设备无关层、驱动程序、SPOOLing系统等）负责，它管理打印机设备，处理打印队列等。
- 因此，完成这个任务需要文件系统和设备管理系统两者的紧密协作。
错误选项分析：
- A, B: 只提到了一个方面，不全面。
- D: “打印机启动程序”是设备管理的一部分。

31. 下列设备管理工作中，适合由设备独立性软件来完成的有（ C ）。

I. 向设备寄存器写入命令
II. 检查用户是否拥有设备使用权
III. 将二进制数转换成ASCII码格式打印
IV. 缓冲区管理

正确答案：C

题目解析

考点分析： 本题考察I/O软件层次中“设备独立性软件”层的具体职责。
逐项分析：
- I. 向设备寄存器写入命令： 这是与特定硬件直接交互的底层操作，属于设备驱动程序的职责。
- II. 检查用户是否拥有设备使用权： 设备的保护和权限检查，是独立于具体设备类型的通用管理功能，属于设备独立性软件的职责。
- III. 将二进制数转换成ASCII码格式打印： 这种数据格式的转换，通常由用户层I/O软件（如C库的printf函数）或设备驱动程序完成，而不是设备独立性软件。
- IV. 缓冲区管理： 缓冲区的分配、回收、管理策略（如提供统一的读写接口bread/bwrite），是所有块设备都需要的通用功能，属于设备独立性软件的职责。
组合判断： II 和 IV 是设备独立性软件的典型功能。

32. 下列关于设备驱动程序的说法中，正确的是（ B ）。

I. 设备驱动程序负责处理用户与设备之间的中断过程
II. 驱动程序全部使用汇编语言编写，没有使用高级语言编写
III. 设备驱动程序与设备密切相关，可以在任意操作系统运行
IV. 设备驱动程序与设备密切相关，可以在任意操作系统运行

正确答案：B

题目解析

考点分析： 本题考察对设备驱动程序特性的理解。
【注意】 选项III和IV是重复的。
逐项分析：
- I. …负责处理…中断过程： 正确。设备驱动程序中包含了对应设备的中断处理程序（ISR）。当设备完成操作发出中断时，CPU最终会跳转到该驱动程序中的ISR来执行后续处理。
- II. …全部使用汇编语言…： 错误。现代操作系统中，为了提高开发效率和可移植性，绝大部分驱动程序都是用C语言编写的。只有那些对性能要求极高、需要直接操作硬件细节的部分才会嵌入少量汇编代码。
- III/IV. …与设备密切相关，可以在任意操作系统运行： 错误。设备驱动程序是双重相关的：它既与特定的硬件设备密切相关，也与特定的操作系统内核接口密切相关。一个为Windows写的驱动程序不能直接在Linux上运行，反之亦然。
组合判断： 只有 I 是正确的。

33. 下列选项中，（ D ）不属于设备驱动程序的功能。

题目原文
33. 下列选项中，（）不属于设备驱动程序的功能。
A. 接收进程发来的I/O命令和参数，并检查其合法性
B. 查询I/O设备的状态
C. 发出I/O命令，启动I/O设备
D. 对I/O设备传回的数据进行缓冲

正确答案：D

题目解析

考点分析： 本题再次考察设备驱动程序的具体职责。
正确选项分析 (D. 对I/O设备传回的数据进行缓冲)：
- 缓冲区的管理（分配、回收、组织成队列等）通常是设备独立性软件层的职责，以提供一个统一的、与设备无关的缓冲机制（如块设备高速缓存）。
- 设备驱动程序只是负责在设备和这个由上层管理好的缓冲区之间执行数据的传送，它本身不负责缓冲区的宏观管理。
错误选项分析（属于驱动程序的功能）：
- A: “检查合法性”这个描述有歧ą�。参数的逻辑合法性（如文件权限）由设备无关层检查，但驱动程序会检查这些参数对于具体硬件是否有效（如块号是否越界）。
- B, C: 查询设备状态、发出I/O命令，是驱动程序与硬件交互的核心功能。

34. 对设备驱动程序的处理过程进行排序，正确的处理顺序是（ B ）。

①对服务请求进行校验   ②传送必要的参数   ③启动I/O设备
④将抽象要求转化为具体要求   ⑤检查设备的状态

正确答案：B

题目解析

考点分析： 本题考察设备驱动程序在处理一次I/O请求时的内部工作流程。
正确选项分析 (B. ④①⑤②③)：
- 这是一个从抽象到具体，再到执行的逻辑流程：
  1. ④ 将抽象要求转化为具体要求： 驱动程序首先接收来自设备无关层的抽象请求（如“读逻辑块N”），并将其转换为设备能懂的具体要求（如“读柱面C、磁头H、扇区S”）。
  2. ① 对服务请求进行校验： 检查转换后的具体参数对于硬件是否合法（如块号是否超出磁盘范围）。
  3. ⑤ 检查设备的状态： 读取设备状态寄存器，确保设备当前处于空闲、就绪状态，可以接收新命令。
  4. ② 传送必要的参数： 将计算好的物理地址、要传送的数据长度等参数写入设备控制器相应的寄存器中。
  5. ③ 启动I/O设备： 向设备控制器的命令寄存器写入启动命令，正式开始I/O操作。
错误选项分析：
- A, C, D: 流程顺序不符合逻辑。例如，不能在检查状态之前就启动设备。

35. printf()是C语言中进行格式化输出的库函数…该函数最终会转到内核态执行相应的系统调用服务例程，进程是通过（ A ）从用户态进入内核态的。

题目原文
35. printf()是C语言中进行格式化输出的库函数，该函数最终会转到内核态执行相应的系统调用服务例程，进程是通过（）从用户态进入内核态的。
A. 陷入指令
B. 关中断指令
C. 无条件跳转指令
D. 输出指令

正确答案：A

题目解析

考点分析： 本题考察用户态到内核态切换的唯一硬件机制。
正确选项分析 (A. 陷入指令, Trap Instruction)：
- 用户进程不能直接执行内核代码。从用户态切换到内核态，必须通过一个受控的、唯一的入口，这个入口就是执行一条特殊的陷入指令。
- 陷入指令也称为访管指令或软中断指令（如x86的INT n或SYSCALL）。
- 当CPU执行到这条指令时，会产生一个内部异常（陷阱），这个异常会强制CPU：
  1. 将运行模式从用户态切换到内核态。
  2. 保存现场。
  3. 跳转到操作系统内核中预设好的系统调用总入口处开始执行。
错误选项分析：
- B: 关中断是特权指令，用户态无法执行。
- C: 无条件跳转指令只能在当前进程的地址空间内跳转，无法跨越到内核空间并提升权限。
- D: 输出指令（如OUT）是特权指令，用户程序不能直接使用，它必须通过系统调用（即陷入指令）来间接使用。

36. 【2009统考真题】用户程序利用操作系统提供的文件系统调用打开一个磁盘文件…其中，设备驱动程序的功能是设置（ A ）。

(该题题干不完整，根据选项和逻辑补全)

题目原文（补全后）：
36. 【2009统考真题】用户程序利用操作系统提供的文件系统调用打开一个磁盘文件，在打开文件的过程中，操作系统需要协同多个功能模块完成操作。其中，设备驱动程序的功能是设置（）。
A. 逻辑设备名
B. 物理设备名
C. 主设备号
D. 从设备号

正确答案：A

题目解析

考点分析： 本题考察在打开文件过程中，I/O软件各层次处理的信息。
正确选项分析 (A. 逻辑设备名)：
- 【答案校对与分析】 您提供的答案是A。但这个答案与标准分层职责不符。
  - 用户程序使用的是文件名。
  - 文件系统将文件名解析为逻辑设备名和文件在设备上的位置。
  - 设备无关层处理逻辑设备名。
  - 设备驱动程序处理的是物理设备名（如主/次设备号），并最终与硬件的控制器寄存器打交道。
- 让我们看选项，B. 物理设备名、C. 主设备号、D. 从设备号（主次设备号就是物理设备名的一种形式）都是驱动程序层面处理的信息。而A. 逻辑设备名是上层（设备无关层） 交给驱动程序的。
- 这道题的问法“设备驱动程序的功能是设置”可能被理解为“驱动程序接收并处理什么”。在这种理解下，它接收的是逻辑设备名，然后将其映射为物理设备。
- 结论： 此题答案A存在争议，更准确的说法是驱动程序处理物理设备名，但它接收的“任务”来自于上层对逻辑设备名的解析。

37. 【2011统考真题】某文件占10个磁盘块…则此次读文件操作总共需要（ B ）。

题目原文
37. 【2011统考真题】某文件占10个磁盘块，现要把它读入主存缓冲区，并送到用户区，假设一个缓冲区与一个磁盘块大小相同，CPU把一个缓冲区的数据传送到用户区的时间是50μs，CPU对一块数据进行分析的时间是50μs。在单缓冲区和双缓冲区结构下，读入并分析10个数据块的最短时间是（）。
[题目原文有误，缺少磁盘读入时间，根据选项和答案补全]
题目原文（补全）：
37. …从磁盘读一块数据到缓冲区的时间是100μs…
A. 1500μs, 1000μs
B. 1550μs, 1100μs
C. 1550μs, 1150μs
D. 2000μs, 2000μs

正确答案：B

题目解析

考点分析： 本题是单缓冲和双缓冲耗时计算的经典对比题。
参数定义：
- T_in = 100µs (磁盘读入到缓冲区)
- T_copy = 50µs (缓冲区复制到用户区)
- T_cpu = 50µs (CPU分析用户区数据)
计算单缓冲耗时：
- 处理一块数据的瓶颈时间 = max(T_in, T_cpu) + T_copy
- = max(100, 50) + 50 = 100 + 50 = 150µs。
- 这是处理第2到第10块数据的平均时间。第一块数据没有并行的CPU处理。
- 精确计算：
  - 块1: T_in + T_copy = 100 + 50 = 150µs
  - 块2~10 (共9块): 9 * 150µs = 1350µs
  - 最后一块数据的CPU处理时间: T_cpu = 50µs
  - 总时间 = 150 + 1350 + 50 = 1550µs。
计算双缓冲耗时：
- 处理一块数据的瓶颈时间 = max(T_in, T_copy + T_cpu)
- T_copy + T_cpu = 50 + 50 = 100µs。
- 瓶颈时间 = max(100, 100) = 100µs。
- 精确计算：
  - 块1: T_in = 100µs
  - 块2~10 (共9块): 9 * 100µs = 900µs
  - 最后一块数据的复制和处理时间: T_copy + T_cpu = 100µs
  - 总时间 = 100 + 900 + 100 = 1100µs。
结论： 单缓冲为1550µs，双缓冲为1100µs。

38. 【2013统考真题】设系统缓冲区和用户工作区均采用单缓冲…则进程从外设读入并分析2个数据块的最短时间是（ C ）。

题目原文
38. 【2013统考真题】设系统缓冲区和用户工作区均采用单缓冲，从外设读一块数据到系统缓冲区的时间为100，从系统缓冲区读一块数据到用户工作区的时间为5，对用户工作区的一块数据进行分析的时间为90（见下图）。则进程从外设读入并分析2个数据块的最短时间是（）。
A. 200
B. 295
C. 300
D. 390

正确答案：C

题目解析

考点分析： 本题是单缓冲下多阶段流水处理的耗时计算。
参数定义：
- T_in = 100 (外设 -> 缓冲区)
- T_copy = 5 (缓冲区 -> 用户区)
- T_cpu = 90 (分析用户区)
画出时间轴（甘特图）进行分析：
- 处理第1块数据：
  - 0-100: 外设向缓冲区输入第1块 (Input 1)。
  - 100-105: CPU将第1块从缓冲区复制到用户区 (Copy 1)。
  - 105-195: CPU分析第1块数据 (CPU 1)。
- 处理第2块数据（与第1块流水）：
  - 外设何时可以开始输入第2块？在第1块被CPU复制走之后，即105时刻。
  - 105-205: 外设向缓冲区输入第2块 (Input 2)。
  - CPU何时可以开始复制第2块？在外设输入完成之后，即205时刻。
  - 205-210: CPU将第2块从缓冲区复制到用户区 (Copy 2)。
  - CPU何时可以开始分析第2块？在复制完成之后，即210时刻。
  - 210-300: CPU分析第2块数据 (CPU 2)。
计算总时间：
- 整个过程结束于第2块数据分析完成，即 300 时刻。
结论： 最短时间是300。

39. 【2013统考真题】用户程序发出磁盘I/O请求后…其中，计算数据所在磁盘的柱面号、磁头号、扇区号的程序是（ C ）。

题目原文
39. 【2013统考真题】用户程序发出磁盘I/O请求后，系统的处理流程是：用户程序→系统调用处理程序→设备驱动程序→中断处理程序。其中，计算数据所在磁盘的柱面号、磁头号、扇区号的程序是（）。
A. 用户程序
B. 系统调用处理程序
C. 设备驱动程序
D. 中断处理程序

正确答案：C

题目解析

考点分析： 本题考察I/O软件层次中，逻辑地址到物理地址转换的具体位置。
正确选项分析 (C. 设备驱动程序)：
- 上层软件（文件系统、设备无关层）处理的是逻辑块号。
- 设备驱动程序是与特定磁盘控制器打交道的。它的核心职责之一，就是将上层传来的逻辑块号，根据该磁盘的物理几何参数（每磁道扇区数、磁头数等），计算出对应的物理地址（柱面号、磁头号、扇区号）。
- 然后，驱动程序将这些物理地址参数写入磁盘控制器的寄存器，以启动I/O操作。
错误选项分析：
- A, B: 用户程序和系统调用处理的是更高层次的抽象（文件名或逻辑块号）。
- D: 中断处理程序是在I/O操作完成后执行，而不是在发起时。

40. 【2015统考真题】在系统内存中设置磁盘缓冲区的主要目的是（ A ）。

题目原文
40. 【2015统考真题】在系统内存中设置磁盘缓冲区的主要目的是（）。
A. 减少磁盘I/O次数
B. 减少平均寻道时间
C. 提高磁盘数据可靠性
D. 实现设备无关性

正确答案：A

题目解析

考点分析： 本题考察磁盘高速缓存（Disk Cache / Buffer Cache）的核心作用。
正确选项分析 (A. 减少磁盘I/O次数)：
- 磁盘缓冲区（磁盘高速缓存）是利用局部性原理来优化磁盘性能的。
- 当一个进程请求读取某个磁盘块时，系统不仅读入这个块，还可能预取相邻的几个块到内存的缓冲区中。当进程接下来访问这些相邻块时，就可以直接从高速的内存缓冲区中获取，而不必再次启动代价高昂的物理磁盘I/O。
- 同样，对于写操作，可以将多次小的写操作在缓冲区中合并，最后一次性写入磁盘。
- 因此，其主要目的就是通过缓存常用数据，减少物理磁盘的实际读写次数。
错误选项分析：
- B: 减少寻道时间是磁盘调度算法（如电梯算法）的目的。
- C: 提高可靠性是RAID等技术的目标。
- D: 实现设备无关性是整个I/O软件分层（特别是设备无关层）的目标。

41. 【2016统考真题】下列关于SPOOLing技术的叙述中，错误的是（ D ）。

题目原文
41. 【2016统考真题】下列关于SPOOLing技术的叙述中，错误的是（）。
A. 需要外存的支持
B. 需要多道程序设计技术的支持
C. 可以让多个作业共享一台独占式设备
D. 由用户作业控制设备与输入/输出井之间的数据传送

正确答案：D

题目解析

考点分析： 本题综合考察SPOOLing技术的实现基础和工作方式。
错误选项分析 (D. 由用户作业控制设备与输入/输出井之间的数据传送)：
- 这个说法是错误的。SPOOLing系统的核心就是将用户作业与物理设备解耦。
- 用户作业（进程）的数据传送是用户进程 ↔ 输入/输出井（磁盘）。
- 而物理设备 ↔ 输入/输出井（磁盘） 之间的数据传送，是由操作系统中一个专门的、独立的后台进程（Spooler Daemon） 来控制的，完全不由用户作业直接控制。
正确选项分析：
- A: 正确，SPOOLing必须使用大容量的外存（通常是磁盘）作为“井”。
- B: 正确，SPOOLing允许多个作业（进程）并发地请求I/O，这必须建立在多道程序设计的基础上，以便在作业等待I/O时可以调度其他作业运行。
- C: 正确，这是SPOOLing技术最主要的功能——将独占设备虚拟化为共享设备。

42. 【2020统考真题】对于具备设备独立性的系统，下列叙述中，错误的是（ D ）。

题目原文
42. 【2020统考真题】对于具备设备独立性的系统，下列叙述中，错误的是（）。
A. 可以使用文件访问物理设备
B. 用户程序使用逻辑设备名访问物理设备
C. 需要建立逻辑设备与物理设备之间的映射关系
D. 更换物理设备后必须修改访问该设备的应用程序

正确答案：D

题目解析

考点分析： 本题考察设备独立性（设备无关性）所带来的好处。
错误选项分析 (D. 更换物理设备后必须修改访问该设备的应用程序)：
- 这个说法是错误的，并且恰恰说反了。
- 设备独立性的最大优点就是，当更换物理设备时（比如打印机从A型号换成B型号），应用程序完全不需要修改。
- 需要修改的只是操作系统内部的软件：安装新型号设备的设备驱动程序，并更新逻辑设备到物理设备的映射关系即可。
正确选项分析：
- A: 正确，在类UNIX系统中，设备被抽象为特殊文件，可以通过文件操作（open, read, write）来访问。
- B: 正确，这是设备独立性的定义，用户程序使用逻辑设备名。
- C: 正确，操作系统内部必须维护这种映射关系（如通过系统设备表SDT）。

43. 【2022统考真题】下列关于驱动程序的叙述中，不正确的是（ A ）。

题目原文
43. 【2022统考真题】下列关于驱动程序的叙述中，不正确的是（）。
A. 驱动程序与I/O控制方式无关
B. 初始化设备是由驱动程序完成的
C. 进程在执行驱动程序时可能进入阻塞态
D. 读/写设备的操作是由驱动程序控制完成的

正确答案：A

题目解析

考点分析： 本题考察设备驱动程序的特性和职责。
错误选项分析 (A. 驱动程序与I/O控制方式无关)：
- 这个说法是错误的。驱动程序与I/O控制方式（查询、中断、DMA）密切相关。
- 驱动程序的内部逻辑必须根据设备所采用的I/O控制方式来编写。
  - 如果设备用查询方式，驱动程序就需要包含一个循环查询状态位的代码段。
  - 如果设备用中断方式，驱动程序就需要包含一个中断处理程序（ISR）。
  - 如果设备用DMA方式，驱动程序就需要包含初始化DMA控制器和处理DMA结束中断的代码。
正确选项分析：
- B: 正确，驱动程序在加载或设备打开时，会向设备控制器发送命令，进行初始化设置。
- C: 正确，当驱动程序启动一个耗时的I/O操作后，它会调用操作系统内核服务，将当前进程置为阻塞态。
- D: 正确，驱动程序通过向设备控制器的寄存器写入命令字，来启动和控制设备的读写操作。

44. 【2023统考真题】下列因素中，设备分配需要考虑的是（ D ）。

I. 设备的类型   II. 设备的访问权限
III. 设备的占用状态   IV. 逻辑设备与物理设备的映射关系

正确答案：D

题目解析

考点分析： 本题考察操作系统在进行设备分配决策时，需要综合考虑的各种因素。
逐项分析：
- I. 设备的类型： 必须考虑。是独占设备还是共享设备？分配策略完全不同。是块设备还是字符设备？数据结构和处理方式也不同。
- II. 设备的访问权限： 必须考虑。操作系统需要检查发起请求的进程是否有权限访问该设备，这是安全性的基本要求。
- III. 设备的占用状态： 必须考虑。设备当前是空闲还是忙碌？如果是独占设备且忙碌，新请求就必须排队等待。
- IV. 逻辑设备与物理设备的映射关系： 必须考虑。设备分配的第一步就是根据进程请求的逻辑设备名，通过查询映射关系（如系统设备表），找到要分配的物理设备是哪一类、哪一个。
组合判断： I、II、III、IV 全部都是设备分配过程中必须考虑的关键因素。

45. 【2024统考真题】当键盘中断服务例程执行结束时，所输入数据（ C ）。

题目原文
45. 【2024统考真题】当键盘中断服务例程执行结束时，所输入数据的存放位置是（）。
A. 用户缓冲区
B. CPU中的通用寄存器
C. 内核缓冲区
D. 键盘控制器的数据寄存器

正确答案：C

题目解析

考点分析： 本题考察键盘中断处理中，数据的暂存位置。
正确选项分析 (C. 内核缓冲区)：
- 键盘中断服务例程（ISR） 是在内核态下运行的，并且是在中断的上下文中，这个上下文不属于任何一个特定的用户进程。
- ISR的首要任务是快速地从键盘控制器的数据寄存器(D) 中取走按键码（硬件缓冲非常小，必须尽快取走）。
- 然后，ISR会将这个按键码放入一个由操作系统内核管理和维护的公共缓冲区中（通常是一个字符设备缓冲区或行缓冲区）。
- 当用户进程需要读取键盘输入时（如执行scanf），操作系统才会从这个内核缓冲区中将数据复制到用户进程的缓冲区(A)。
错误选项分析：
- A. 用户缓冲区：ISR在内核态，不能直接访问用户空间。数据需要后续的系统调用才能复制过去。
- B. CPU通用寄存器：只是临时中转，不是最终的存放位置。
- D. 键盘控制器的数据寄存器：ISR就是从这里取走数据的，而不是存放到这里。

第五章操作系统（I/O管理部分）知识体系与考法总结

这一部分内容实际上是计算机组成原理与操作系统课程的交叉点。它从软件的视角，特别是操作系统的视角，来审视和管理前面章节学习的硬件I/O系统。内容非常连贯，逻辑性强，重点在于理解软件如何抽象、管理和优化硬件I/O操作。

知识体系梳理

本章的知识体系可以围绕“一个核心思想”、“两大关键技术”和“一个分层模型”来构建。

一、一个核心思想：设备独立性 (Device Independence)

这是现代操作系统I/O设计的最高哲学。

定义： 应用程序在编程时使用逻辑设备名，而无需关心实际使用的物理设备。
实现： 通过操作系统内部的映射机制（逻辑设备表/系统设备表）和统一的接口（如open, read, write）来实现。
好处 (高频考点):
- 程序可移植性： 更换物理设备，应用程序无需修改。
- 系统可扩展性： 增加新设备，只需增加对应的驱动程序和映射。
- 简化编程： 程序员无需了解底层硬件细节。

二、两大关键技术：缓冲技术与SPOOLing技术

这两项技术都是为了克服硬件的物理局限，提高系统整体性能。

缓冲技术 (Buffering)
- 根本目的 (高频考点): 解决CPU/内存与I/O设备之间的速度不匹配问题。
- 实现位置： 在主存中开辟缓冲区。
- 主要形式：
  - 单缓冲： I/O与计算不能并行。处理时间 = max(T_io, T_cpu) + T_copy。
  - 双缓冲： I/O与计算可以并行。处理时间 = max(T_io, T_copy + T_cpu)。支持双向并行传输。
  - 循环缓冲/缓冲池： 用于多进程或更复杂的生产者-消费者模型，由操作系统统一管理。
- 核心问题： 缓冲区的同步管理（使用互斥锁、信号量等）。
SPOOLing技术 (假脱机输入/输出)
- 根本目的 (高频考点): 将物理上的独占设备（如打印机）虚拟化为逻辑上的共享设备，从而提高独占设备的利用率和系统吞吐量。
- 实现原理： 利用磁盘作为大容量高速缓冲区（输入井/输出井）。
- 组成 (高频考点):
  - 预输入程序： 从输入设备 -> 输入井。
  - 缓输出程序： 从输出井 -> 输出设备。
  - 井管理程序： 管理磁盘上的井空间和请求队列。
- 本质： 一种典型的“空间换时间”技术。

三、一个分层模型：I/O软件的层次结构 (重点)

这是理解一次I/O请求完整生命周期的关键。

层次（从上到下）：
1. 用户层I/O软件： 提供给用户的API库函数 (如C库的 printf)。
2. 设备无关的操作系统软件：
  - 职责： 处理所有设备的共性问题。
  - 具体功能： 提供统一接口、设备命名与映射、设备保护、缓冲管理、分配与回收、错误报告。
3. 设备驱动程序：
  - 职责： 与特定类型的设备控制器直接交互。
  - 具体功能： 将上层的抽象请求（如读逻辑块）翻译为具体的硬件命令（读写控制器寄存器），初始化设备，并包含中断处理程序。
4. 中断处理程序 (ISR)：
  - 职责： I/O操作完成后，进行底层的硬件善后处理。
  - 具体功能： 从接口取走数据、唤醒等待的进程、向设备驱动程序报告完成状态。
一次I/O请求的完整流程 (高频考点):
用户程序 -> 系统调用 -> 设备无关软件 -> 设备驱动程序 -> (硬件操作) -> 中断 -> 中断处理程序 -> 唤醒进程

常见考法与例题梳理

概念辨析与匹配（高频基础题）
- 考法： 考察对设备独立性、缓冲、SPOOLing、设备分类（块/字符、独占/共享）等核心概念的准确理解。
- 例题01 & 42 (真题): 反复考察设备独立性的定义和好处。
- 例题02, 06, 40 (真题): 集中考察缓冲技术的根本目的——解决速度矛盾，以及其带来的效果——减少I/O次数。
- 例题19, 22, 26, 28: 全面考察SPOOLing技术的原理、组成和目的。
- 例题17: 从具体设备中识别出共享设备（磁盘）。
I/O软件层次的职责与流程排序（高频重点）
- 考法：
  - 判断某个具体功能（如“翻译命令”、“缓冲管理”）属于哪个层次。
  - 对一次完整的I/O请求流程进行正确排序。
- 例题16 & 39 (真题): 考察了“翻译命令”、“计算物理地址”是设备驱动程序的职责。
- 例题24 & 25 (真题): 反复考察了I/O软件四个层次的正确顺序。
- 例题23 (真题): 考察了底层I/O事件发生时，最先响应的软件是中断处理程序。
缓冲耗时计算（难点）
- 考法： 给出单缓冲或双缓冲模式，以及各阶段耗时，计算处理一批数据的总时间或平均时间。
- 例题09 & 10: 是单缓冲和双缓冲耗时计算的模板题。关键在于分析清楚哪些操作可以并行，瓶颈在哪里。
  - 单缓冲：T_avg = max(T_io, T_cpu) + T_copy
  - 双缓冲：T_avg = max(T_io, T_copy + T_cpu)
- 例题37 & 38 (真题): 是该考法的真实应用，需要细心画出时间轴（甘特图）来分析流水过程。
系统调用与中断
- 考法： 考察用户程序如何通过陷入指令进入内核态来发起I/O请求。
- 例题35: 明确了用户态到内核态的切换是通过陷入指令完成的。

刻意练习建议

画出“I/O软件与硬件”全景图：
- 画一个大图，左边是I/O软件的四个层次，右边是硬件（CPU, 总线, DMAC, I/O接口, 设备）。
- 用带编号的箭头，完整地画出一次DMA读请求的生命周期：
  1. 用户程序read()。
  2. 陷入内核，进入设备无关层。
  3. 调用驱动程序。
  4. 驱动程序初始化DMAC。
  5. DMAC请求总线…
    …
    n. 中断发生，进入ISR。
    n+1. ISR唤醒进程。
- 这张全景图能帮你把组成原理和操作系统的I/O知识彻底打通。
制作“关键技术对比表”：
- 创建一个表格，对比缓冲技术和SPOOLing技术。
- 列包括：目的、实现介质、解决的核心问题、是否创建虚拟设备等。
缓冲计算题专项训练：
- 找5-10道单缓冲和双缓冲的计算题。
- 不要背公式，要画甘特图！ 画时间轴是解决这类问题最可靠、最直观的方法。
- 在时间轴上，为CPU和I/O设备分别画一条线，然后把Input, Copy, CPU_Process这些操作块像搭积木一样放上去，遵循并行和串行的约束，总时间一目了然。
做“职责划分”练习：
- 列出I/O过程中的各种任务（如：权限检查、块缓冲、翻译命令、处理中断、启动设备、分配设备…）。
- 然后，将这些任务准确地划分到I/O软件的四个层次中去。这个练习能极大地巩固你对软件分层模型的理解。