第 6 章 I/O 设备管理¶

依据：《操作系统概论》（2017 年版）第 6 章、配套自考大纲及附录答案。下文编号指大纲“考核内容与考核要求”；标注“自编”的算例为学习辅助，不是真题。

复习导航：大纲要求与笔记位置¶

大纲条目	层次	位置	学完应能做到
1.1–1.3 I/O 系统组成	识记	第 1 节	说出设备分类、控制器的结构与接口
2.1–2.3 控制方式	领会	第 2 节	说明轮询、中断、DMA 的完整过程
3.1–3.2 缓冲	领会	第 3 节	说明循环缓冲、公共缓冲池与同步
4.1、4.2 分配数据结构与方式	领会、识记	第 4 节	画出 SDT、DCT、COCT、CHCT 的关联，说出设备属性、安全性与分配步骤
4.3 设备独立性	领会	第 5 节	说明逻辑设备名到物理设备的映射
4.4 SPOOLing	识记	第 6 节	说出组成、打印流程与虚拟设备
4.5 I/O 软件层次	识记	第 7 节	说出各层职责与请求返回路径
4.6 磁盘结构与时间	识记	第 8 节	说明格式化与访问时间的组成
4.7 磁盘调度	领会	第 9 节	跟踪六类算法的运行过程并算移动量
4.8 访问加速方法	识记	第 10 节	说出缓存、虚拟盘与读写优化

全章分为三部分：第 1–2 节介绍设备、控制器、通道和三种 I/O 控制方式；第 3–7 节讨论缓冲、设备分配、设备独立性、SPOOLing 与 I/O 软件层次；第 8–10 节分析磁盘访问时间、磁头调度与读写加速。

本章学习目标¶

本章分析一次 I/O 请求涉及哪些硬件和软件：应用提交请求后，系统按需安排设备、缓冲与请求队列，再由驱动程序和控制器组织传输。磁盘请求还可能经过磁盘调度。

本章的区分点有两组：轮询、中断、DMA 看 CPU 是否等待以及由谁传送数据；磁盘调度则要根据题设的初始方向和扫描边界计算移动量。

1 I/O 系统、设备和控制器（1.1–1.3，识记）¶

微机中的 CPU、主存和设备控制器通过系统总线连接。大型主机还可在 CPU 与控制器之间设置 I/O 通道，由它执行通道程序，独立管理多台控制器的数据传输，以减少 CPU 的设备管理负担。

面对五花八门的外设，教材从三个维度做分类：

分类依据	类型	理解要点
传输速率	低速、中速、高速	低速如键盘鼠标（每秒几字节到几百字节），高速如磁盘网卡
交换单位	字符设备、块设备	字符设备按字节流收发、不可寻址（如键盘打印机）；块设备按定长块读写、可随机寻址（如磁盘）
共享属性	独占、共享、虚拟设备	一段时间内只归一个进程用（打印机）、允许并发交叉访问（磁盘），或靠 SPOOLing 把独占设备包装成共享逻辑设备

CPU 通过设备控制器（I/O 接口）控制外设。控制器接收命令和地址、驱动设备、暂存数据，并报告忙闲与出错状态、完成差错校验。教材将控制器划分为三个部分：

设备控制器与 CPU 的接口：摆着数据寄存器、控制／状态寄存器，靠数据线、地址线、控制线跟系统总线相连。
设备控制器与设备的接口：接具体外设的数据、控制和状态信号线（一个控制器可挂一台或多台设备）。
I/O 逻辑：整块板子的指挥中枢，里面最核心的两个部件是指令译码器（识别 CPU 发来的是读命令还是写命令）和地址译码器（比对地址总线上的设备号，确认是不是在喊自己）。

设备控制器是硬件电路，设备驱动程序是操作系统中控制该硬件的软件模块，两者不能混用。通道也是硬件，能自行取出并执行通道指令，比单纯的数据搬运控制更进一步。

2 三种 I/O 控制方式（2.1–2.3，领会）¶

I/O 控制方式的差异主要有两点：CPU 如何获知设备状态，以及由谁传送数据。

方式	CPU 如何得知就绪／结束	谁组织数据搬运	主要代价
轮询／程序查询	CPU 反复读取状态寄存器	CPU 执行 I/O 指令，逐字或逐字节传送	等待期间持续占用 CPU
中断驱动	设备就绪后发出中断	CPU 在中断服务程序中传送数据	无需持续轮询；频繁传送时，中断处理开销较大
DMA（直接存储器访问）	数据块传完或发生错误后发出中断	DMA 控制器直接在设备与主存之间成块传送	需要 DMA 硬件，CPU 负责传送前配置和结束后处理

2.1 轮询与中断¶

使用程序查询（轮询）时，CPU 下达读命令后反复读取状态位，直到设备就绪，再读取一个字。传送过程中 CPU 持续检查设备，等待时间不能用于其他工作。

中断驱动由设备就绪事件触发 CPU 处理。CPU 发出命令后可执行其他工作；设备准备好数据时发出中断，CPU 再读取数据并处理。该方式适合低速字符设备。若传送 4 KB 数据时每 4 字节中断一次，则需处理 1024 次中断，保护和恢复现场会产生较大开销。

2.2 DMA 过程与寄存器¶

高速成块传输可使用 DMA 控制器。CPU 设置传输参数并启动 DMA，控制器完成数据块传送，结束后再通知 CPU：

预处理（CPU）：CPU 设置读写命令、主存起始地址和传输长度，随后启动 DMA。
数据传送（DMA）：外设准备好一个字时，DMA 控制器申请总线使用权，将数据直接写入或读出主存，并更新地址和剩余计数。
后处理（CPU）：传输完成或发生错误时，DMA 控制器发出中断。CPU 检查状态，并按需唤醒等待数据的进程。

为了独立干完第 2 步，DMA 控制器内部必须配齐四类寄存器：

寄存器	教材名称	作用
CR	命令／状态寄存器	存 CPU 下达的读写命令、控制位以及设备状态
MAR	内存地址寄存器	存当前要读写的主存地址，每传完一单位自动递增
DC	数据计数器	存本次还剩多少数据没传，每传完一单位自动递减
DR	数据寄存器	暂存设备与主存之间中转的那个字或字节

DMA 仍需要 CPU 参与：开始时由 CPU 初始化寄存器，结束时由 CPU 处理中断；节省的是传输过程中的逐字搬运与大量中断。周期挪用方式下，DMA 访问主存还会与 CPU 竞争总线，占用期间可能延迟 CPU 的访存。

2.3 两种「等待」不是一回事（跨课程对照）¶

两门课对“等待”的讨论层次不同。操作系统中的“进程阻塞等待 I/O”涉及进程调度；计组中的“DMA 周期挪用”涉及总线仲裁。阻塞进程让出 CPU，并不表示 CPU 在整个 I/O 期间都停止工作。

比较	操作系统的“进程阻塞”	计组的“DMA 周期挪用”
发生在哪一层	操作系统软件：内核将进程置为阻塞并挂入等待队列，按需进行上下文切换	硬件电路：DMA 控制器向总线仲裁器申请使用权
时间尺度	等待时长取决于设备与调度，不能由“阻塞”一词确定	占用单个或若干存储周期；实际时长取决于硬件与传输方式
此时 CPU 在干什么	有其他就绪任务时可转去执行；否则可能运行空闲任务	需要使用同一总线或主存的 CPU 访问可能延迟，其他可独立进行的运算仍可推进
由谁发起	进程执行系统调用后条件未满足，或等待的事件尚未发生	外设控制器或 DMA 引擎发起总线请求
如何恢复	事件完成后唤醒进程，重新进入就绪队列，等调度程序选中	总线可用后，受延迟的访存可继续，无需为此进行进程调度
对执行的影响	涉及进程状态与调度；阻塞调用完成后才继续执行后续代码	不改变程序的指令语义，但可能增加执行时间

进程阻塞使当前进程让出 CPU，供其他就绪进程执行；DMA 周期挪用使 CPU 暂时让出总线，可能延迟访存。两者可在同一次 I/O 中出现，也可分别发生。轮询方式通常既不阻塞当前进程，也不使用 DMA。

三处口径差异，与《计算机组成原理》第 6 章「与《操作系统概论》的对照」那一小节对着看：

分类：本课把异常算作中断的一类（同步中断，也称内部中断或异常），与异步中断并列在中断之下；计组把内部异常与外部中断并列为两类来源，不设统称。
响应步数：本课单重中断按四步讲（关中断与保护断点、保护现场、查向量表、恢复现场并返回），计组只把前半段叫中断响应，三步止于转入服务程序入口。
分析对象：进程阻塞讨论任务等待与重新调度，DMA 周期挪用讨论总线或主存的使用。两者可在时间上重叠，不能把等待时长与总线占用时长不加区分地相加。

3 缓冲管理（3.1–3.2，领会）¶

CPU 与 I/O 设备的处理速度及数据粒度往往不同。内存中的缓冲区用于暂存传输数据，以缓和速度差、减少中断频率、匹配数据粒度，并提高计算与 I/O 的并行程度。但缓冲只能吸收暂时的不均衡，无法长期弥补生产速度高于消费速度的问题。

3.1 单缓冲、双缓冲、循环缓冲¶

单缓冲：只设置一块系统缓冲区。输入数据先进入系统缓冲区，再复制到用户空间；复制完成后，系统缓冲区可接收下一块数据，进程可处理已复制的数据。输入和复制仍需协调对同一缓冲区的访问。
双缓冲（缓冲对换）：设置两块缓冲区轮换使用。设备向 A 输入时，进程可从已装满的 B 提取数据；下一轮交换两者角色，从而增加输入与处理重叠的机会。全双工通信也可为收、发方向分别设置缓冲，但这与同一方向上的双缓冲轮换需要区分。
循环缓冲：将多块缓冲区首尾相接，适应连续或突发传输。教材将缓冲区分为三种状态：R（空，等待装入）、G（已满，等待提取）、C（正在生产或消费）。Nexti 指向下一个空缓冲 R，Nextg 指向下一个满缓冲 G，Current 指向当前读写的缓冲 C。

生产者：调 Getbuf 领一块空 R 当 Current 写入 → 写完调 Releasebuf 改成满 G
消费者：调 Getbuf 领一块满 G 当 Current 读取 → 读完调 Releasebuf 改回空 R

追空或追满时照旧得阻塞等待：生产者追上消费者说明没空缓冲了，生产者等；消费者追上生产者说明没新数据了，消费者等。

3.2 公共缓冲池¶

公共缓冲池由多个设备和进程共享，减少分别设置专用缓冲区的空间开销。缓冲区按状态加入三条队列：空缓冲队列 emq、输入队列 inq、输出队列 outq；使用时承担四种角色：收容输入 hin、提取输入 sin、收容输出 hout、提取输出 sout：

过程	从哪里取	做什么	放到哪里
收容输入	`emq`	外设把输入数据灌进 `hin`	`inq`
提取输入	`inq`	进程从 `sin` 读走数据	`emq`
收容输出	`emq`	进程把待输出数据写进 `hout`	`outq`
提取输出	`outq`	驱动把 `sout` 数据送交外设	`emq`

多个进程并发操作队列时，可用第 2 章的信号量机制同步。每条队列 type 设置资源信号量 RS[type]，初值为队列中的缓冲块数；初始全部为空时，emq 的初值为池容量，其他两条为 0。另设互斥信号量 MS[type] 保护队列，初值均为 1：

Getbuf(type):
    P(RS[type])           // 先确认该队列有货（先资源）
    P(MS[type])           // 再锁住队列摘取（后互斥）
    b = 从该队列移除一个缓冲
    V(MS[type])
    return b

Putbuf(type, b):
    P(MS[type])
    把 b 插入该队列
    V(MS[type])
    V(RS[type])           // 挂好后通知等待者有货了

Getbuf 必须先 P(RS) 申请缓冲块，再 P(MS) 锁定队列。若次序相反，队列为空时，取块进程会持有队列锁等待；归还缓冲块的 Putbuf 又无法取得锁，从而形成死锁。

4 设备分配与数据结构（4.1–4.2，领会、识记）¶

一个进程伸手要一台打印机或磁带机，光看那台设备本身闲不闲还不够——连接它的控制器甚至上游通道要是正被同一条线上的别的设备占着，数据照样过不去。内核为此用四张逐级指向的控制表把整条物理通路管起来：

表	全称	用途与关联
SDT	系统设备表	全系统一张总表，每台物理设备占一栏，记着设备类型、标识符和指向其 DCT 的指针
DCT	设备控制表	每台设备一张，记设备忙闲状态、等待该设备的 PCB 队列，以及它挂在哪个控制器（COCT）下
COCT	控制器控制表	每个控制器一张，记控制器状态、等待控制器的队列，以及它连在哪个通道（CHCT）上
CHCT	通道控制表	每个通道一张，记通道忙闲状态、等待通道的队列及所辖控制器列表

带通道的系统沿 SDT → DCT → COCT → CHCT 查找并分配设备、控制器和通道。某一级忙时，进程进入相应等待队列，整条通路可用后才能启动传输。若应用只指定设备类别，系统便可选择空闲的同类设备，避免因指定某台设备而等待，这也是第 5 节设备独立性的用途。

做设备分配决策时，内核要兼顾三件事：设备固有属性（独占设备一段时间内只给一人，共享设备如磁盘可交叉服务，虚拟设备靠 SPOOLing 多人同享）、分配算法（先来先服务或高优先级优先，体现在阻塞队列怎么排）以及分配安全性：

安全分配方式：进程发出 I/O 请求后阻塞，完成后再继续，因而不会在等待本次 I/O 时继续申请另一设备。在教材模型中，这避免了设备分配中的“请求和保持”；代价是该进程的计算不能与其自身 I/O 并行。
不安全分配方式：进程发出 I/O 请求后继续运行，还可申请其他设备。并发程度较高，但存在相互等待而死锁的风险，需要配合安全性检查，可联系第 3 章银行家算法理解。

5 设备独立性（4.3，领会）¶

设备独立性（设备无关性）要求应用程序使用逻辑设备名，避免将物理端口号或特定硬件编号写入程序。这样，设备更换或重新分配时，可由系统调整映射，减少对应用程序的影响。

内核通过逻辑设备表（LUT）建立映射。每项记录逻辑设备名、所分配的物理设备名和设备驱动程序入口。运行时可将逻辑打印机映射到空闲物理打印机，也可通过调整映射实现输出重定向，例如将原本送往屏幕的输出写入文件。

相应地，内核 I/O 软件分为两层：设备无关软件处理命名映射、权限检查、公共缓冲、块大小转换、空间分配和通用差错等共性问题；设备驱动程序将标准请求转换为特定控制器的操作。

6 SPOOLing 与共享打印（4.4，识记）¶

打印机是慢速独占设备。SPOOLing（假脱机技术）利用多道程序环境和共享磁盘，先接收并保存各进程的请求，再由后台进程依次驱动设备，使多个用户可以提交任务。系统主要由三部分组成：

输入井和输出井：位于磁盘上的专用存储区，分别暂存预先输入的数据和等待输出的文件，注意与内存缓冲区区分。
输入缓冲区和输出缓冲区：在内存里辟出的中转站，用来垫平磁盘井与物理外设之间的瞬时速度差。
预输入进程和缓输出进程：常驻后台的两个内核／系统服务进程，专门负责在物理外设与磁盘井之间搬运数据。

以共享打印机为例：用户提交打印任务后，系统在磁盘输出井保存数据，建立请求表并加入打印队列，用户进程即可继续执行。物理打印机空闲时，后台的缓输出进程按队列读取文件，经内存输出缓冲区送往打印机。提交完成与实际打印完成是两个阶段；SPOOLing 由此把一台物理独占设备提供为多个用户可用的逻辑设备。

7 I/O 软件层次与一次请求（4.5，识记）¶

把前面散落的模块从上往下摞齐，现代操作系统的 I/O 软件正好排成五层（连底层硬件共五层架构）：

层次（自上而下）	主要职责
用户层 I/O 软件	运行在用户态，包括库函数接口、格式化输入输出（如 `printf`），以及 SPOOLing 假脱机守护进程
设备无关软件	统一命名与逻辑到物理设备映射、权限保护、缓冲管理、块设备空间分配、独占设备分配与公用差错处理
设备驱动程序	唯一认得具体控制器寄存器布局的一层：把抽象读写请求翻成控制器命令字、填好 DMA 参数并启动硬件
中断处理程序	外设干完活发中断时第一时间接手：保护现场、读控制器状态确认成败、唤醒阻塞在此次 I/O 上的进程
硬件	设备控制器、通道与物理外设实打实完成机械与电气传输

以未命中缓存的阻塞式磁盘读取为例：

用户进程调用库函数，经系统调用进入设备无关层。
缓存未命中后，设备无关层调用磁盘驱动；驱动配置控制器、启动 DMA，并将读进程置为阻塞。
磁盘完成寻道和旋转后，DMA 将数据传入内存缓冲区。
设备发出完成中断，中断处理程序检查状态并唤醒读进程。
被唤醒的进程回到就绪队列，待调度器选中后再交付数据并继续执行。中断返回时是否立即调度该进程，取决于内核的调度与抢占策略。

8 磁盘结构、格式化与访问时间（4.6，识记）¶

传统机械硬盘由同轴旋转的盘片组成。每个盘面分成许多同心圆，称为磁道；不同盘面上半径相同的磁道合称一个柱面。切换同一柱面上的磁道通常不需要移动磁头臂，因此传统模型会将连续数据尽量安排在相邻位置。

每条磁道又分为若干扇区，常见扇区容量为 \(512\ \text{B}\) 或 \(4\ \text{KB}\)。文件系统使用的簇由若干连续扇区组成，见第 5 章。

按教材的传统磁盘模型，使用前涉及三项工作：低级（物理）格式化划分磁道与扇区，写入标识和 CRC/ECC 校验信息；分区划分逻辑存储区域，传统 MBR 在主引导记录中保存分区表；高级（逻辑）格式化建立相应文件系统的引导块、空闲空间管理结构、文件管理结构和初始根目录。具体结构因文件系统而异。

磁头固定在每条磁道上的叫固定头磁盘（贵而罕见），日常全是所有磁道共用一个可伸缩磁头的移动头磁盘。移动头磁盘完成一次扇区读写，耗时由三段相加：

\[ \text{访问时间} = \text{寻道时间} + \text{旋转延迟} + \text{数据传输时间} \]

寻道时间：机械磁头臂横移到目标磁道正上方的时间（通常是三项里的大头，几毫秒量级）。
旋转延迟：磁头到位后，等待盘片转到目标扇区所需的时间。若目标扇区位置均匀分布，等待时间从 0 圈到 1 圈，平均旋转延迟为半圈。
数据传输时间：扇区划过磁头下方、真正读出或写入比特流的时间，一般只有零点几毫秒。

自编例：硬盘转速为 \(7200\ \text{r/min}\)，每秒转 \(7200 / 60 = 120\) 圈，因此转一圈需 \(1 / 120\ \text{s} \approx 8.333\ \text{ms}\)，平均旋转延迟为半圈，即约 \(4.167\ \text{ms}\)。若平均寻道时间为 \(5\ \text{ms}\)，单块传输时间为 \(0.1\ \text{ms}\)，则平均访问时间为 \(5 + 4.167 + 0.1 = 9.267\ \text{ms}\)。题目若另给控制器开销，再将其计入。

本例中寻道与旋转延迟共约 \(9.167\ \text{ms}\)，远长于单块传输时间。连续读取较大的数据块，可以摊薄多次机械定位的开销。

9 磁盘调度（4.7，领会）¶

磁盘请求队列中可能有多个不同磁道的请求。磁盘调度通过调整服务次序，减少磁头移动和寻道开销。虽然 FCFS 等名称与第 3 章进程调度相同，这里的计算对象是磁道距离：

算法	服务规则	关注点
FCFS 先来先服务	按请求到达顺序处理	公平性较好，但请求若分散在磁盘两端，磁头移动距离可能很长
SSTF 最短寻道时间优先	每次选择距当前磁头最近的请求	通常可缩短局部移动距离；远处请求可能长期等待，形成饥饿
SCAN 扫描（电梯算法）	磁头沿一个方向服务请求，到端点后反向扫描	可避免请求长期饥饿；刚经过的磁道需等磁头折返，等待时间仍不完全均匀
C-SCAN 循环扫描	磁头单向服务，到端点后返回另一端继续同向扫描	各磁道的等待时间较均匀；回程是否计入移动距离按题设处理
NStepSCAN（N 步扫描）	将请求分成每组至多 \(N\) 个的子队列，逐组执行 SCAN	扫描期间新请求进入后续子队列，避免新请求持续改变当前扫描次序
FSCAN	使用两条队列：一条用于当前扫描，另一条接收新请求；完成后交换	可视为每组请求数量不设上限的 NStepSCAN，一轮扫描结束后再处理新队列

计算 SCAN 和 C-SCAN 前，先确认初始移动方向及折返边界。教材的标准 SCAN／C-SCAN 移动到物理边界（如 0 或 199）后折返或返回；LOOK／C-LOOK 则以该方向最远的实际请求为界。边界口径不同，总移动道数也不同。

9.1 自编完整例¶

磁道范围 0–199，磁头初始位于 50，等待队列按到达顺序为 10、90、20、80，本轮没有新请求。初始扫描方向为磁道号增大的方向。计算到最后一个请求完成为止，C-SCAN 的跨端返回计入移动距离。

算法	运动路径	总移动磁道数	每请求平均移动
FCFS	50→10→90→20→80	40+80+70+60=250	62.5
SSTF	50→20→10→80→90	30+10+70+10=120	30
SCAN	50→80→90→199→20→10	30+10+109+179+10=338	84.5
C-SCAN	50→80→90→199→0→10→20	30+10+109+199+10+10=368	92

若题目规定“到该方向最远请求即折返”，即采用 LOOK／C-LOOK，则路径分别为 50→80→90→20→10，总移动 120；以及 50→80→90→10→20，总移动 130。本例只有 4 个静态请求，标准 SCAN 因需到达 199 边界，总道数 338 大于 FCFS 的 250。单个短例的结果不能概括算法在其他负载下的表现。

跑 SSTF 时每走完一步都要站在新磁道上重算剩余距离；万一左右两边各有一个请求离得一样近，先写明按“先来先服务”或题设规则破平局。本例第 1 步站在 50 看 20 和 80 都差 30 道，按到达先后（20 在 80 前）先去 20。

9.2 逐步累加：每一步的移动量摆出来¶

上面那张表只给总和，考场上要写的却是逐步过程。一步一行，累计量就是把上一行加上本行增量。

SSTF

步	当前磁道	选中请求	移动量	累计
1	50	20	30	30
2	20	10	10	40
3	10	80	70	110
4	80	90	10	120

SCAN（向磁道号增大方向扫，撞到 199 边界再反向）

步	当前磁道	动作	移动量	累计
1	50	服务 80	30	30
2	80	服务 90	10	40
3	90	扫到边界 199	109	149
4	199	反向，服务 20	179	328
5	20	服务 10	10	338

C-SCAN（同向扫到 199，直接跳回 0 再继续）

步	当前磁道	动作	移动量	累计
1	50	服务 80	30	30
2	80	服务 90	10	40
3	90	扫到边界 199	109	149
4	199	跳回 0	199	348
5	0	服务 10	10	358
6	10	服务 20	10	368

三张表中，SCAN 从 199 返回 20，移动 179 道；C-SCAN 返回时移动 199 道，途中不处理请求。若题设规定回程不计距离，C-SCAN 总数应减去 199，计算前需明确这一约定。

9.3 分批扫描的队列组织¶

新请求若不断到达当前磁道，可能使磁头长期停留，形成磁臂粘着。NStepSCAN 将队列分成每批至多 \(N\) 个请求的小队列，每批按 SCAN 处理，新请求进入后续批次。FSCAN 使用两条队列：开始扫描时固定当前队列，新请求进入另一条等待队列；当前批次完成后交换两条队列的角色。若题目未提供到达时刻，通常按请求一次性到齐计算，不必自行分批。

10 提高磁盘访问速度（4.8，识记）¶

除通过调度减少磁头移动外，教材还介绍以下五种提高磁盘访问效率的方法：

方法	原理	代价或边界
提前读（预读）	顺序读取文件时，将相邻的下一块也读入内存	随机访问时，预读的数据可能未被使用，仍会占用带宽和缓存
延迟写	改写过的盘块先标脏留在内存缓存里，等攒够一批或空闲时再合并写回；中途若又被改写就省掉了重复写盘	还没落盘前万一突然断电或死机，内存里的修改就会丢
优化物理块分布	把同一个文件或经常一起读的块尽量排在同一柱面或相邻磁道，扇区编号也可按旋转速度做交错排列	依赖文件系统的空间分配策略配合
虚拟盘（RAM Disk）	划出一片真实内存装扮成块设备，安装文件系统当超高速临时盘使	读写是纯内存速度，但挤占宝贵主存，且默认断电即空
磁盘高速缓存（Disk Cache）	在主存里留出一大片缓存区，专门存近期读写过的真实磁盘块副本	命中时零磁盘 I/O，但要操心脏块何时刷盘与一致性

注意区分三者：虚拟盘以主存模拟独立磁盘，内容未必有硬盘副本；磁盘高速缓存保存硬盘数据块的内存副本，供后续命中时复用；I/O 缓冲区主要用于传输过程中的暂存与速度匹配。现代系统中，缓冲和缓存的功能可能由同一页缓存结构承担。

11 考核要求¶

本章大纲分 I/O 系统组成、控制方式、缓冲管理和设备管理四组。识记包括 1.1–1.3 组成与控制器、4.2 分配方式、4.4 SPOOLing、4.5 软件层次、4.6 磁盘结构与访问时间、4.8 提速手段；领会包括 2.1–2.3 三种控制方式、3.1–3.2 缓冲管理、4.1 设备分配、4.3 设备独立性和 4.7 磁盘调度。计算练习可重点核对第 8、9 节的访问时间求和与磁头移动道数追踪。

12 教材本章习题¶

题目取自教材第 6 章“思考题与练习题”（共 9 题），答案取自教材附录“部分习题参考答案”（全部收录）。

12.1 单项选择题¶

1. 关于 DMA 控制方式，下列说法正确的是【　】。

A. 采用 DMA 控制方式时，CPU 不用干预整个输入/输出过程
B. 采用 DMA 控制方式时，每传输完一个数据块，CPU 要执行中断处理
C. 采用 DMA 传输方式，CPU 只在输入/输出开始和结束时干预输入/输出
D. 采用 DMA 传输方式只能提高传输速度，不能提高 CPU 与输入/输出设备的并行程度

答案与解析

参考答案： C。CPU 在传输开始前设置参数，结束时处理完成或出错，中间过程由 DMA 控制器组织。A 忽略了初始化与结束处理；B 把完成通知说成每块必做的中断处理；D 与事实相反，DMA 正因解放 CPU 才提高了并行程度。

2. 关于 SPOOLing 系统的组成，下列说法正确的是【　】。

A. 输入井和输出井都在内存中
B. 输出井和输出缓存都在硬盘中
C. 输入井和输入缓存都在硬盘中
D. 输入井和输出井都在硬盘中

答案与解析

参考答案： D。输入井与输出井位于磁盘，用于暂存待处理与待输出的数据；输入缓存与输出缓存位于内存，用于在内存与设备之间中转。

3. 设备控制器的 I/O 逻辑包含的主要部件是【　】。

A. 仅指令译码器
B. 指令译码器和地址译码器
C. 仅地址译码器
D. 仅控制寄存器

答案与解析

参考答案： B。I/O 逻辑负责接收并解释 CPU 发来的命令与地址，因此需要指令（命令）译码和地址译码。前者区分命令种类，后者选定寄存器或设备。

12.2 填空题¶

4. I/O 设备按信息交换的单位分类，可分为字符设备和 ___ 设备。

答案与解析

参考答案： 块。

5. 在数据到达速率与数据离去速率不同的地方，都可以引入 ___。

答案与解析

参考答案： 缓冲区。

6. 设备独立性的基本含义是___独立于具体使用的物理设备。

答案与解析

参考答案： 应用程序。

12.3 简答题¶

7. 说明设备控制器的结构和功能。

答案与解析

参考答案： 设备控制器由 CPU 接口、设备接口和 I/O 逻辑三部分组成。CPU 接口用于与主机交换命令、地址、数据和状态；设备接口连接具体设备；I/O 逻辑含指令译码与地址译码。控制器承担命令接收、地址识别、数据交换、状态报告及差错控制等功能。

8. 说明 DMA 控制器的结构和控制方式。

答案与解析

参考答案： DMA 控制器通过命令/状态寄存器 CR、内存地址寄存器 MAR、数据计数器 DC 和数据寄存器 DR 保存命令、目标地址、剩余数量及传输数据。CPU 初始化这些参数后，控制器直接在主存与设备之间组织成块传输，并在完成或出错时通知 CPU，通常以中断方式报告。

9. 什么是设备驱动程序？

答案与解析

参考答案： 设备驱动程序是实现设备专用控制逻辑的软件模块。它接收上层请求，检查参数，把请求转换为控制器可执行的命令，配置寄存器并启动传输。完成状态的处理也有它参与，上层因此不必关心设备的具体硬件细节。

13 闭卷复习与跨章联系（补充）¶

一、闭卷自答（合上书逐题口述）

I/O 设备按传输速率、交换单位、共享属性各分几类？
设备控制器由哪三部分组成，CPU 接口与设备接口各管什么？
轮询、中断、DMA 三种控制方式怎么区分，各自由谁搬数据？
DMA 控制器有哪四个寄存器？单缓冲、双缓冲、循环缓冲与公共缓冲池各解决什么问题？
设备分配用哪四张表，设备独立性是什么，SPOOLing 由哪几部分组成？
磁盘访问时间由哪三段组成，六种调度算法怎么走？

二、本章易错

设备控制器是硬件，设备驱动程序是控制该硬件的软件，两者不是一回事（第 1 节）。
DMA 只把块传输交给控制器，初始化和结束处理仍由 CPU 做（第 2.2 节）。
旋转等待平均约半圈，不是一整圈（第 8 节）。

三、本章骨架

板块	内容	所在节
硬件	设备分类、控制器、通道	第 1 节
控制方式	轮询、中断、DMA	第 2 节
软件	缓冲、分配、独立性、SPOOLing、层次	第 3–7 节
磁盘	访问时间、六种调度、加速方法	第 8–10 节

四、跨章指路

公共缓冲池的 Getbuf/Putbuf 与进程发起读盘后的阻塞—中断唤醒链路，直接复用信号量与三态转换机制（见第 2 章）。
一次读文件请求到底要把哪些簇号排进磁盘调度队列，由 FAT 或 i 结点地址结构决定（见第 5 章）。见《计算机组成原理》第 6 章：那边拆解总线仲裁、中断电路与 DMA 控制器的硬件细节，这边讲操作系统内核如何在其上做排队、分配、假脱机与缓冲。