5.1 操作系统概述

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第5章 操作系统

5.1 操作系统概述

01. 下列关于设备属性的叙述中，正确的是（ B ）。

题目原文

1. 下列关于设备属性的叙述中，正确的是（ ）。
   A. 字符设备的基本特征是可寻址到字节，即能指定读/写操作的字节地址
   B. 共享设备必须是可寻址的和可随机访问的设备
   C. 共享设备是指同一时刻内允许多个进程同时访问的设备
   D. 在分配共享设备和独占设备时都可能引起进程死锁

正确答案：B

题目解析

• 考点分析： 本题考察对不同类型I/O设备（字符/块设备，独占/共享设备）属性的理解。
• 正确选项分析 (B. 共享设备必须是可寻址的和可随机访问的设备)：
  • 共享设备是指可以被多个进程分时交错地使用的设备。最典型的例子就是磁盘。
  • 为了实现分时共享，操作系统必须能够管理和调度对设备的访问。这就要求设备是可寻址的（可以指定访问哪个数据块）和可随机访问的（访问不同数据块的开销相对独立，不会因为上一个进程访问了A，下一个进程访问Z就代价巨大）。磁盘正好满足这两个特性。
• 错误选项分析：
  • A: 字符设备（如键盘、打印机）通常是不可寻址的，它们以字符流的方式进行操作。可寻址到字节是块设备（如磁盘）的特征。
  • C: “同时访问”是不准确的。共享设备是被多个进程宏观上并发、微观上分时交错访问的，在物理层面上，同一时刻仍然只有一个进程在进行I/O操作。
  • D: 独占设备（如打印机）的分配，如果多个进程相互等待对方占有的独占设备，会引起死锁。但共享设备（如磁盘）的分配通常不会直接引起死锁，因为它们可以被交错使用，不会产生“占有并等待”的条件。

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02. 下列关于虚拟设备的含义的描述中，正确的是（ C ）。

题目原文
02. 下列关于虚拟设备的含义的描述中，正确的是（ ）。
A. 允许用户使用比系统中具有的物理设备更多的设备
B. 允许用户以标准化方式来使用物理设备
C. 把一个物理设备变换成多个对应的逻辑设备
D. 允许用户程序不必全部装入主存便可使用系统中的设备

正确答案：C

题目解析

• 考点分析： 本题考察对虚拟设备（通过SPOOLing技术实现）核心思想的理解。
• 正确选项分析 (C. 把一个物理设备变换成多个对应的逻辑设备)：
  • 虚拟设备技术，最典型的就是SPOOLing（假脱机输入/输出）。
  • 它的核心思想是：将一个物理上独占的设备（如打印机），通过在磁盘上建立输入/输出缓冲区（井），模拟成多个逻辑上可供多个用户共享的设备。
  • 每个用户进程都以为自己在独立地使用一台“逻辑打印机”，它将打印任务输出到磁盘上的一个缓冲区。然后由一个专门的后台进程依次从这些缓冲区中取出任务，送到物理打印机上打印。
  • 这就实现了“把一个物理设备变换成多个对应的逻辑设备”的效果。
• 错误选项分析：
  • A: 虚拟设备并未增加物理设备的数量。
  • B: “标准化方式”是设备独立性（设备无关性）的目标，与虚拟设备概念不同。
  • D: 这是虚拟存储器的概念。

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03. 磁盘设备的I/O控制主要采取（ D ）方式。

题目原文
03. 磁盘设备的I/O控制主要采取（ ）方式。
A. 位
B. 字节
C. 帧
D. DMA

正确答案：D

题目解析

• 考点分析： 本题考察不同类型设备所匹配的I/O控制方式。
• 正确选项分析 (D. DMA)：
  • 磁盘是典型的高速、块数据设备。
  • 对于这类设备，如果采用中断方式，CPU会因为频繁的中断而疲于奔命，大大降低系统性能。
  • DMA（直接存储器存取） 方式就是为这类设备设计的。它允许数据在磁盘控制器和主存之间成块地直接传送，无需CPU干预，极大地提高了传输效率和CPU利用率。
• 错误选项分析：
  • A, B, C: 位、字节、帧是数据传输的单位，不是I/O控制的方式。

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04. 为了便于上层软件的编制，设备控制器通常需要提供（ A ）。

题目原文
04. 为了便于上层软件的编制，设备控制器通常需要提供（ ）。
A. 控制寄存器、状态寄存器和控制命令
B. I/O地址寄存器、工作方式状态寄存器和控制命令
C. 中断寄存器、控制寄存器和控制命令
D. 控制寄存器、编程空间和控制逻辑寄存器

正确答案：A

题目解析

• 考点分析： 本题考察设备控制器（I/O接口）向软件（设备驱动程序）提供的编程接口。
• 正确选项分析 (A. 控制寄存器、状态寄存器和控制命令)：
  • 上层软件（设备驱动程序）是通过读写I/O接口中的I/O端口来控制设备的。这些端口在功能上可以分为：
    1. 控制寄存器/端口： 驱动程序向这里写入控制命令，以启动设备、设置模式等。
    2. 状态寄存器/端口： 驱动程序从这里读取设备的状态（如忙、就绪、错误）。
    3. 数据寄存器/端口： 用于交换数据。
  • 选项A提到了控制寄存器、状态寄存器和控制命令（通过控制寄存器传递），这是驱动程序与硬件交互的核心要素。
• 错误选项分析：
  • B, C, D: 选项中的术语不标准或不全面。例如，“中断寄存器”通常是状态寄存器的一部分，“编程空间”概念模糊。

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05. 在设备控制器中用于实现设备控制功能的是（ C ）。

题目原文
05. 在设备控制器中用于实现设备控制功能的是（ ）。
A. CPU
B. 设备控制器与处理器的接口
C. I/O逻辑
D. 设备控制器与设备的接口

正确答案：C

题目解析

• 考点分析： 本题考察设备控制器（I/O接口）的内部组成。
• 正确选项分析 (C. I/O逻辑)：
  • 设备控制器内部的核心是一个复杂的逻辑电路，通常被称为I/O逻辑。
  • 这个I/O逻辑负责：
    • 解码CPU通过接口发来的命令。
    • 产生具体的时序和控制信号去指挥物理设备工作。
    • 管理数据缓冲。
    • 监测设备状态并更新状态寄存器。
  • 它是实现设备控制功能的执行部件。
• 错误选项分析：
  • A: CPU是命令的发出者，不是接口内部的执行者。
  • B, D: 接口是连接处理器和设备的桥梁，但实现控制功能的是接口内部的逻辑电路。

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06. DMA方式是在（ A ）之间建立一条直接数据通路。

题目原文
06. DMA方式是在（ ）之间建立一条直接数据通路。
A. I/O设备和主存
B. 两个I/O设备
C. I/O设备和CPU
D. CPU和主存

正确答案：A

题目解析

• 考点分析： 本题考察DMA（Direct Memory Access）数据传送的路径。
• 正确选项分析 (A. I/O设备和主存)：
  • DMA的全称“直接存储器存取”已经揭示了其本质。
  • 它的核心思想就是建立一条绕过CPU的数据通路，让数据可以在I/O设备（通过其接口）和主存储器之间直接、高速地传送。
• 错误选项分析：
  • B, C, D: 均不符合DMA的定义。

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07. 在操作系统中，（ A ）是一种硬件机制。

题目原文
07. 在操作系统中，（ ）是一种硬件机制。
A. 通道技术
B. SPOOLing技术
C. 内存覆盖技术
D. 进程管理

正确答案：A

题目解析

• 考点分析： 本题要求区分操作系统中的硬件机制和纯软件技术。
• 正确选项分析 (A. 通道技术)：
  • 通道是一个专门负责I/O操作的处理器（I/O Processor, IOP），它有自己的指令集（通道指令）和处理能力。
  • 通道是物理存在的硬件，它与CPU协同工作，分担了复杂的I/O控制任务。
• 错误选项分析：
  • B. SPOOLing技术：是一种纯软件技术，通过在磁盘上设置缓冲区和调度进程来模拟虚拟设备。
  • C. 内存覆盖技术：是一种早期的纯软件内存管理技术，由程序员手动划分程序模块。
  • D. 进程管理：是操作系统核心的纯软件功能。

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08. 若I/O设备与存储设备进行数据交换不经过CPU来完成，则这种数据交换方式是（ C ）。

题目原文
08. 若I/O设备与存储设备进行数据交换不经过CPU来完成，则这种数据交换方式是（ ）。
A. 程序查询
B. 中断方式
C. DMA方式
D. 直接存取方式

正确答案：C

题目解析

• 考点分析： 本题通过功能描述来识别I/O控制方式。
• 正确选项分析 (C. DMA方式)：
  • “数据交换不经过CPU来完成”是DMA方式最核心、最显著的特征。数据在DMA控制器的控制下，直接在主存和I/O设备间传送。
• 错误选项分析：
  • A. 程序查询 和 B. 中断方式：这两种方式下，每一字节/字的数据都必须经过CPU内部的寄存器进行中转，所以数据是经过CPU的。
  • D. 直接存取方式：这是存储器（如磁盘）的一种物理存取特性，而不是一种I/O控制方式。

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09. 下列关于DMA方式的描述中，正确的是（ B ）。

题目原文
09. 下列关于DMA方式的描述中，正确的是（ ）。
A. DMA是一个专门负责输入/输出的处理器
B. 数据传送过程由DMA控制器负责，CPU只在预处理和后处理阶段进行干预
C. CPU通过程序的方式给出DMA可以解释的程序
D. DMA不需要CPU指出所要读取数据的地址与长度

正确答案：B

题目解析

• 考点分析： 本题考察对DMA工作流程的准确描述。
• 正确选项分析 (B. 数据传送过程由DMA控制器负责，CPU只在预处理和后处理阶段进行干预)：
  • 这完美地概括了DMA方式下CPU和DMAC的分工：
    • 预处理： CPU启动DMA任务，向DMAC设置源/目的地址、数据长度、传送方向等。
    • 数据传送： DMAC完全接管，独立完成。
    • 后处理： DMAC任务完成后，通过中断通知CPU，CPU执行中断服务程序进行善后。
• 错误选项分析：
  • A: “专门负责I/O的处理器”更准确地描述的是通道。DMAC只是一个控制器，功能相对简单。
  • C: “可以解释的程序”（通道程序）是由通道来执行的，不是DMA。
  • D: DMA必须由CPU在预处理阶段告知要读取数据的主存地址和传送长度。

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10. 计算机系统中，不属于DMA控制器的是（ D ）。

题目原文
10. 计算机系统中，不属于DMA控制器的是（ ）。
A. 命令/状态寄存器
B. 内存地址寄存器
C. 数据寄存器
D. 堆栈指针寄存器

正确答案：D

题目解析

• 考点分析： 本题考察DMA控制器（DMAC）的内部组成。
• 正确选项分析 (D. 堆栈指针寄存器)：
  • 堆栈指针寄存器（SP） 是CPU内部的专用寄存器，用于管理程序的调用堆栈，与DMA控制器无关。
• 错误选项分析：
  • A. 命令/状态寄存器： DMAC的核心。CPU通过写命令寄存器来启动DMA，通过读状态寄存器来了解其工作状态。
  • B. 内存地址寄存器 (MAR)： DMAC内部必须有一个寄存器来存放当前要访问的主存地址，并在每次传送后自动修改。
  • C. 数据寄存器 (DR)： DMAC内部需要一个数据计数器（或字计数器） 来记录还需传送的数据量。有些设计中也可能有数据缓冲寄存器。

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11. DMA传输前需要进行预处理，传输后需要进行后处理，则下列说法中正确的是（ D ）。

题目原文
11. DMA传输前需要进行预处理，传输后需要进行后处理，则下列说法中正确的是（ ）。
A. 预处理程序运行在用户态，后处理程序运行在核心态
B. 负责预处理和后处理程序的进程都是请求I/O的进程
C. 预处理阶段不需要CPU参与，后处理阶段需要CPU参与
D. 预处理阶段的I/O进程处于运行态，后处理阶段处于阻塞态

正确答案：D

题目解析

• 考点分析： 本题深入考察DMA流程中，发起I/O请求的用户进程的状态变化。
• 正确选项分析 (D. 预处理阶段的I/O进程处于运行态，后处理阶段处于阻塞态)：
  • 预处理阶段： I/O请求是通过系统调用发起的。用户进程执行系统调用指令时，它正处于运行态。陷入内核后，CPU代表该进程执行内核代码来初始化DMA。
  • 数据传送阶段： DMA初始化完成后，为了等待数据传送结束，操作系统通常会将发起I/O请求的这个进程置为阻塞态（等待态），并调度其他就绪进程运行。
  • 后处理阶段： DMA结束后发出中断，中断服务程序被执行。这个中断服务程序会唤醒之前被阻塞的进程（将其置为就绪态）。但此时，被唤醒的进程还只是在就绪队列中，尚未重新获得CPU开始运行。题目中的“后处理阶段”可能指从中断发生到进程被唤醒的整个过程，在这个阶段的开始，原I/O进程仍然是阻塞态。这个描述相对合理。
• 错误选项分析：
  • A: 预处理和后处理（中断服务）都必须在核心态下运行。
  • B: 负责后处理的程序是中断服务程序，它在中断上下文中运行，不属于任何一个特定的用户进程。
  • C: 预处理阶段需要CPU执行指令来初始化DMAC。

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12. 在下列问题中，（ A ）不是设备控制器应考虑的问题。

题目原文
12. 在下列问题中，（ ）不是设备控制器应考虑的问题。
A. 及时性
B. 设备的固有属性
C. 安全性
D. 设备的独立性

正确答案：A

题目解析

• 考点分析： 本题考察设备控制器的设计目标和功能范畴。
• 正确选项分析 (A. 及时性)：
  • “及时性”通常是指操作系统需要考虑的问题，即I/O调度策略。操作系统需要决定何时、以何种顺序来处理各个进程发出的I/O请求，以满足系统的实时性或公平性要求。
  • 设备控制器（硬件） 本身只负责执行接收到的命令，它不具备高层的调度决策能力。
• 错误选项分析：
  • B. 设备的固有属性： 设备控制器必须根据其所控制的物理设备的具体属性（如块设备/字符设备、速度、命令集）来设计。
  • C. 安全性： 设备控制器需要提供保护机制，防止用户程序越权访问。
  • D. 设备的独立性（设备无关性）： 设备控制器是实现设备独立性的硬件基础。它向上层软件提供一个相对统一、抽象的接口（寄存器模型），从而屏蔽了底层物理设备的差异。

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13. 将系统中的每台设备按其某种原则进行编号，这些编号作为区分硬件和识别设备的代号，该编号称为设备的（ A ）。

题目原文
13. 将系统中的每台设备按其某种原则进行编号，这些编号作为区分硬件和识别设备的代号，该编号称为设备的（ ）。
A. 绝对号
B. 相对号
C. 类型号
D. 符号

正确答案：A

题目解析

• 考点分析： 本题考察操作系统中设备标识符的术语。
• 正确选项分析 (A. 绝对号)：
  • 在操作系统中，为了唯一地标识系统中的每一个物理设备，会给每个设备分配一个系统唯一的编号，这个编号通常称为绝对号或物理设备名。这个编号在系统引导时确定，通常与设备的物理连接位置（如总线号、设备号）相关。
• 错误选项分析：
  • B. 相对号：通常指进程打开设备时，操作系统为该进程分配的一个临时、局部的设备标识符（如文件描述符）。
  • C. 类型号：用于区分设备的类型（如字符设备、块设备），而不是单个设备。
  • D. 符号：概念模糊。

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14. 关于通道、设备控制器和设备之间的关系，以下叙述中正确的是（ C ）。

题目原文
14. 关于通道、设备控制器和设备之间的关系，以下叙述中正确的是（ ）。
A. 设备控制器和通道可以分别控制设备
B. 对于同一组输入/输出设备，设备控制器、通道和设备可以并行工作
C. 通道控制设备，设备控制器控制设备工作
D. 以上答案都不对

正确答案：C

题目解析

• 考点分析： 本题考察通道系统中的控制层次关系。
• 正确选项分析 (C. 通道控制设备，设备控制器控制设备工作)：
  • 这是一个层层控制的关系链：
    • CPU 向 通道 发出启动I/O的命令。
    • 通道 负责执行一系列的通道指令（通道程序），管理整个I/O流程。
    • 通道向 设备控制器（I/O接口） 发出具体的、简单的操作命令（如“读一个块”）。
    • 设备控制器 接收通道的命令，并产生更底层的电信号去控制物理设备完成具体动作（如移动磁头、启动电机）。
  • 选项C的表述“通道控制设备，设备控制器控制设备工作”虽然不那么精确（通道是控制控制器），但在宏观上表达了这种层次关系，是最佳选项。
• 错误选项分析：
  • A: 设备控制器受通道控制。
  • B: 三者是串行控制关系，不是并行工作关系。

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15. 一个计算机系统配置了2台相同类型的绘图机和3台相同类型的打印机，为了正确驱动这些设备，系统应该提供（ C ）。

题目原文
15. 一个计算机系统配置了2台相同类型的绘图机和3台相同类型的打印机，为了正确驱动这些设备，系统应该提供（ ）个设备驱动程序。
A. 5
B. 3
C. 2
D. 1

正确答案：C

题目解析

• 考点分析： 本题考察设备驱动程序的概念和复用性。
• 正确选项分析 (C. 2)：
  • 设备驱动程序是与一类（一种型号） 的设备控制器相对应的软件模块，而不是与每一个物理设备相对应。
  • 所有相同类型的设备，由于其接口和控制方式完全一样，因此可以共用同一个设备驱动程序。
  • 本系统中，有两类设备：
    1. 绘图机（相同类型）
    2. 打印机（相同类型）
  • 因此，只需要为这两类设备分别提供一个驱动程序，即总共需要 2 个设备驱动程序。
• 错误选项分析：
  • A, B, D: 数量计算错误。

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16. 将系统调用参数翻译成设备操作命令的工作由（ B ）。

题目原文
16. 将系统调用参数翻译成设备操作命令的工作由（ ）完成。
A. 用户层I/O软件
B. 设备无关的操作系统软件
C. 中断处理
D. 设备驱动程序

正确答案：B

题目解析

• 考点分析： 本题考察I/O软件的层次结构中，各层的主要职责。
• I/O软件层次（从上到下）：
  1. 用户层I/O软件： 提供给用户的库函数（如C语言的printf, scanf）。
  2. 设备无关的操作系统软件 (Device-Independent OS Software): 处理所有设备的共性操作，如提供统一的接口（read, write）、设备命名、保护、缓冲、块分配等。
  3. 设备驱动程序 (Device Drivers): 针对特定类型的设备控制器，负责将上层传来的抽象请求（如“读第N块”）翻译成具体的设备命令（向控制端口写入特定的命令字），并处理设备中断。
  4. 中断处理程序 (Interrupt Handlers): I/O操作完成后的底层处理。
• 正确选项分析 (B. 设备无关的操作系统软件)：
  • 用户通过系统调用（如read(fd, buffer, count)）发起I/O请求，这里的参数（fd, buffer, count）是逻辑的、抽象的。
  • 设备无关层接收到这个系统调用，它会检查参数合法性，将逻辑块号转换为物理块号，检查缓冲等。然后它会调用下层的设备驱动程序。
  • 设备驱动程序再将这些具体的请求（如“读物理块X到内存地址Y”）翻译成硬件能懂的设备操作命令。
• 【答案校对与分析】 您提供的答案是B。但根据标准分层，将抽象请求翻译成具体硬件命令是设备驱动程序（D） 的核心工作。设备无关层做的是更上层的、通用的处理。
  • 结论： 此题的答案B与标准I/O软件分层职责不符。更准确的答案应该是D. 设备驱动程序。如果答案确定是B，可能是出题者将“系统调用参数”的初步解析（如文件描述符到设备号的转换）也归入了“翻译”的范畴。

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17. 面向设备的写命令是在I/O软件的（ C ）。

题目原文
17. 面向设备的写命令是在I/O软件的（ ）中完成的。
A. 用户层软件
B. 设备独立性软件
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： 本题与上一题类似，考察I/O软件分层。
• 正确选项分析 (C. 设备驱动程序)：
  • “面向设备的写命令”指的就是直接与硬件设备控制器打交道的、具体的写操作命令（例如，向某个控制端口写入一个启动写的命令字）。
  • 这个与特定硬件紧密相关的操作，正是设备驱动程序的核心职责。驱动程序是软件与特定硬件接口之间的“翻译官”。
• 错误选项分析：
  • A, B: 用户层和设备无关层处理的是抽象的、与设备无关的I/O请求。
  • D: 中断处理程序是在I/O操作完成后被调用的，而不是在发起写命令时。

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18. 一个典型的打印机每分钟能打印6页，每页有50行，每行80个字符。假定每个字符的中断时间（包括所有服务）为50µs。则该打印机中断驱动I/O方式运行时，中断开销占CPU时间的百分比为（ A ）。

题目原文（整理后）：
18. 一个典型的打印机每分钟能打印6页，每页有50行，每行80个字符。假定每个字符的中断时间（包括所有服务）为50µs。则该打印机中断驱动I/O方式运行时，中断开销占CPU时间的百分比为（ ）。
A. 2%
B. 5%
C. 20%
D. 50%

正确答案：A

题目解析

• 考点分析： 本题是中断方式下CPU开销的计算题。
• 计算过程：
  1. 计算每秒打印的字符数（即每秒发生中断的次数）：
     • 每分钟打印6页，则每秒打印 6 / 60 = 0.1 页。
     • 每页有50行，每行80字符，则每页有 50 * 80 = 4000 个字符。
     • 每秒打印的字符数 = 0.1 页/秒 * 4000 字符/页 = 400 字符/秒。
     • 由于是中断驱动，打印一个字符就需要一次中断，所以每秒发生400次中断。
  2. 计算一秒内CPU用于中断的总开销时间：
     • 每次中断的开销 = 50 µs。
     • 一秒内总开销 = (每次中断开销) × (每秒中断次数)
     • 总开销 = 50 µs/中断 * 400 中断/秒 = 20000 µs/秒 = 0.02 s/秒。
  3. 计算所占百分比：
     • 百分比 = (用于中断的总时间 / 总CPU时间) × 100%
     • 百分比 = (0.02 s / 1 s) * 100% = 2%。
• 结论： 中断开销占CPU时间的2%。

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19. 在接收和处理一个输入的中断的过程中，一定不由硬件来完成的工作是（ C ）。

题目原文
19. 在接收和处理一个输入的中断的过程中，一定不由硬件来完成的工作是（ ）。
A. 判断产生中断的类型
B. CPU模式由用户切换到内核态
C. 主机获取设备状态
D. 保存用户程序的断点

正确答案：C

题目解析

• 考点分析： 本题考察中断处理流程中软硬件的分工。
• 正确选项分析 (C. 主机获取设备状态)：
  • 获取设备状态（如读取状态寄存器以了解操作是否成功、有无错误等）是中断服务程序（软件） 的工作。软件需要执行IN或MOV指令来从I/O端口读取状态信息，以决定下一步的操作。
• 错误选项分析（由硬件完成或部分由硬件完成）：
  • A: 判断中断类型，可以通过中断向量机制由硬件直接完成，或者硬件提供部分信息由软件进一步判断。
  • B: CPU模式的切换是由中断响应这个硬件事件强制触发的。
  • D: 保存断点（PC和PSW）是中断隐指令的核心部分，完全由硬件自动完成。

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20. 下列几种I/O方式中，会导致用户进程进入阻塞态的是（ C ）。

I. 程序直接控制   II. 中断方式   III. DMA方式

正确答案：C

题目解析

• 考点分析： 本题考察不同I/O方式对用户进程状态的影响。
• 逐项分析：
  • I. 程序直接控制（查询方式）：
    • 在这种方式下，CPU会执行一个循环来反复查询设备状态，直到I/O完成。
    • 在此期间，CPU被该进程独占，进程一直处于运行态（所谓的“忙等”），不会进入阻塞态。
  • II. 中断方式：
    • 当用户进程发起一个中断I/O请求后，操作系统会启动设备，然后将该进程从运行态切换到阻塞态（等待态），并调度其他就绪进程运行。
    • 当I/O完成后，中断服务程序会唤醒该进程（将其置为就绪态）。
  • III. DMA方式：
    • 与中断方式类似，当用户进程发起DMA请求后，操作系统在启动DMAC后，也会将该进程置为阻塞态，以等待数据块传输的完成。
• 组合判断： 中断方式（II）和DMA方式（III）都会导致用户进程进入阻塞态。

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21. 当一个进程请求I/O操作时，该进程将被挂起，直到I/O设备完成I/O操作后，设备控制器便向CPU发送一个中断请求，CPU响应后便转向中断处理程序，下列关于中断处理程序的说法中，错误的是（ C ）。

题目原文
21. 当一个进程请求I/O操作时，该进程将被挂起，直到I/O设备完成I/O操作后，设备控制器便向CPU发送一个中断请求，CPU响应后便转向中断处理程序，下列关于中断处理程序的说法中，错误的是（ ）。
A. 中断处理程序将设备驱动程序传送到内存的缓冲区（读入），或将要输出的数据传送到设备控制器（输出）。
B. 对于不同的设备，有不同的中断处理程序
C. 中断处理结束后，需要恢复CPU现场，此时一定会返回到被中断的进程
D. I/O操作完成后，驱动程序必须检查I/O操作中是否发生了错误

正确答案：C

题目解析

• 考点分析： 本题深入考察中断处理程序完成后的调度问题。
• 错误选项分析 (C. …此时一定会返回到被中断的进程)：
  • 这个说法是错误的。
  • 中断处理程序（ISR）的最后一步通常是唤醒那个因等待I/O而阻塞的进程（将其状态从“阻塞”改为“就绪”）。
  • 但是，ISR执行完毕后，控制权会交给操作系统的调度程序（Scheduler）。
  • 调度程序会查看当前所有的就绪进程，并根据调度算法（如优先级、时间片等）选择一个进程来投入运行。
  • 这个被选中的进程不一定就是刚刚被唤醒的那个进程。如果此时有一个更高优先级的进程处于就绪态，调度程序就会选择那个更高优先级的进程运行。
  • 因此，中断返回后，不一定会立刻返回到被中断的进程。
• 正确选项分析：
  • A: “设备驱动程序传送”应为“数据传送”，中断处理程序负责数据的最终搬运。
  • B: 正确，每类设备都有自己特定的驱动和中断处理逻辑。
  • D: 正确，检查并报告错误是中断处理的重要职责。

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22. 在I/O系统与高层之间的接口中，根据设备类型的不同，又进一步分为若干类接口，若设备的数据传送速率较高，且可寻址，则比较适合采用（ A ）。

题目原文
22. 在I/O系统与高层之间的接口中，根据设备类型的不同，又进一步分为若干类接口，若设备的数据传送速率较高，且可寻址，则比较适合采用（ ）。
A. 块设备接口
B. 网络设备接口
C. 字符设备接口
D. 流设备接口

正确答案：A

题目解析

• 考点分析： 本题考察操作系统对I/O设备的分类和对应接口的特点。
• 正确选项分析 (A. 块设备接口)：
  • 操作系统通常将I/O设备分为几大类，并为它们提供不同类型的接口：
    • 块设备 (Block Device): 特点是可寻址（可以读写任意数据块）、以固定大小的块为单位进行数据交换。典型的块设备是磁盘、SSD。它们的数据传输速率通常较高。
    • 字符设备 (Character Device): 特点是不可寻址，以字符流的方式进行数据交换。典型的字符设备是键盘、鼠标、打印机。
    • 网络设备 (Network Device): 具有自己独特的接口和协议。
  • 题目描述的“数据传送速率较高”和“可寻址”，完全符合块设备的特征，因此应采用块设备接口。
• 错误选项分析：
  • B, C, D: 均不符合“可寻址”这一关键特征。

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23. 【2010统考真题】本地用户通过键盘登录系统时，首先获得键盘输入信息的程序是（ B ）。

题目原文
23. 【2010统考真题】本地用户通过键盘登录系统时，首先获得键盘输入信息的程序是（ ）。
A. 命令解释程序
B. 中断处理程序
C. 系统调用服务程序
D. 用户登录程序

正确答案：B

题目解析

• 考点分析： 本题考察键盘输入这一典型I/O事件的底层处理流程。
• 正确选项分析 (B. 中断处理程序)：
  • 物理层面： 用户每按下一个键，键盘控制器就会向CPU发送一个硬件中断。
  • CPU响应： CPU接收到中断后，会立即暂停当前工作，跳转到中断处理程序（ISR）。
  • ISR工作： 这个中断处理程序是第一个处理键盘输入的软件。它的任务是从键盘接口的数据端口读取按键码，将其放入一个内核缓冲区，然后可能唤醒等待输入的进程。
  • 后续流程： 操作系统再将缓冲区的数据传递给上层的用户登录程序、命令解释程序等。
  • 因此，中断处理程序是整个软件处理流程的起点。
• 错误选项分析：
  • A, C, D: 这些都是更高层次的软件，它们的数据来源是中断处理程序处理后的结果。

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24. 【2011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（ B ）。

题目原文
24. 【2011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（ ）。
A. 用户程序→系统调用处理程序→中断处理程序→设备驱动程序
B. 用户程序→系统调用处理程序→设备驱动程序→中断处理程序
C. 用户程序→设备驱动程序→系统调用处理程序→中断处理程序
D. 用户程序→设备驱动程序→中断处理程序→系统调用处理程序

正确答案：B

题目解析

• 考点分析： 本题考察一次完整的I/O请求（从发起到了结）所经过的I/O软件层次。
• 正确选项分析 (B. 用户程序→系统调用处理程序→设备驱动程序→中断处理程序)：
  • 这是一个标准的I/O处理流程：
    1. 用户程序： 通过库函数（如read()）发起I/O请求。
    2. 系统调用处理程序： 库函数触发系统调用，进入内核。系统调用处理程序（属于设备无关层）接收请求，进行参数检查、权限验证等。
    3. 设备驱动程序： 系统调用层调用相应的设备驱动程序，将抽象请求转换为具体的硬件命令，并启动设备。然后，用户进程被阻塞。
    4. … (硬件操作) …
    5. 中断处理程序： I/O操作完成后，设备控制器发出中断。CPU响应后，执行中断处理程序，负责数据的最终处理、状态检查，并唤醒等待的进程。
• 错误选项分析：
  • A, C, D: 都混淆了I/O软件各层次的调用顺序。中断处理总是在I/O硬件操作完成之后才发生。

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25. 【2012统考真题】下列关于I/O软件的层次结构…其合理的层次组织顺序是（ A ）。

题目原文
25. 【2012统考真题】下列关于I/O软件的层次结构，通常由4个层次组成，每层明确定义了与邻近层次的接口，其合理的层次组织顺序是（ ）。
A. 用户级I/O软件、设备无关软件、设备驱动程序、中断处理程序
B. 用户级I/O软件、设备驱动程序、设备无关软件、中断处理程序
C. 用户级I/O软件、中断处理程序、设备驱动程序、设备无关软件
D. 用户级I/O软件、设备无关软件、中断处理程序、设备驱动程序

正确答案：A

题目解析

• 考点分析： 本题直接考察I/O软件的四个层次的标准顺序（从上到下）。
• 正确选项分析 (A. 用户级I/O软件、设备无关软件、设备驱动程序、中断处理程序)：
  • 这是一个必须牢记的标准分层模型：
    1. 用户级I/O软件 (User-Level I/O Software): 最顶层，提供给用户的API，如C库的printf。
    2. 设备无关软件 (Device-Independent OS Software): 内核中处理所有设备共性问题的部分，提供统一接口。
    3. 设备驱动程序 (Device Drivers): 针对特定硬件的“翻译官”。
    4. 中断处理程序 (Interrupt Handlers): 最底层，直接与硬件中断交互。
• 错误选项分析：
  • B, C, D: 层次顺序错误。

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26. 【2017统考真题】系统将数据从磁盘读到内存的过程包括以下操作…正确的执行顺序是（ B ）。

① 初始化DMA控制器并启动磁盘
② 从磁盘传输一块数据到内存缓冲区
③ 执行“DMA结束”中断服务程序
④ 执行DMA控制器发出的中断请求

正确答案：B

题目解析

• 考点分析： 本题考察DMA读操作的完整流程排序。
• 正确选项分析 (B. ①→②→④→③)：
  • 这是一个标准的DMA工作流程：
    1. ① 初始化DMA控制器并启动磁盘： CPU执行指令，进行预处理，设置好DMAC并向磁盘控制器发出读命令。
    2. ② 从磁盘传输一块数据到内存缓冲区： DMAC接管总线，在磁盘和内存之间进行数据传送。这个过程CPU不参与。
    3. ④ 执行DMA控制器发出的中断请求： 数据传送完成后，DMAC向CPU发出中断请求信号。 【注意】 此处原文“执行…中断请求”应理解为CPU响应中断请求。
    4. ③ 执行“DMA结束”中断服务程序： CPU响应中断后，跳转到中断服务程序，进行后处理。
• 错误选项分析：
  • A, C, D: 顺序错误。中断请求（硬件信号）必须在中断服务程序（软件处理）之前发生。

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操作系统与I/O软件 知识体系与考法总结

这一部分内容虽然在“计算机组成原理”课程中占比较小，但它起到了承上启下的作用，将前面学习的硬件（I/O接口、中断、DMA）与上层软件（操作系统）紧密联系起来，形成一个完整的I/O系统视图。

知识体系梳理

1. 设备分类与属性：

   • 按信息交换单位：
     • 块设备： 可寻址，以块为单位。如：磁盘、SSD。
     • 字符设备： 不可寻址，以字符流为单位。如：键盘、打印机。
   • 按共享属性：
     • 独占设备： 一段时间内只允许一个进程使用。如：打印机。
     • 共享设备： 允许多个进程分时交错使用。如：磁盘。
     • 虚拟设备： 通过SPOOLing技术，将独占设备模拟成共享设备。

2. I/O软件的层次结构（重点）：

   • 目标： 提高效率、方便用户、实现设备无关性。
   • 层次（从上到下）：
     1. 用户层I/O软件： 提供给用户的API库函数。
     2. 设备无关的操作系统软件： 处理设备共性问题（命名、保护、缓冲、阻塞/唤醒进程）。
     3. 设备驱动程序： 与特定设备控制器交互，将抽象请求翻译为硬件命令。
     4. 中断处理程序： I/O完成后的底层硬件交互。

3. I/O核心子系统（设备无关层的功能）：

   • I/O调度： 决定I/O请求的服务顺序（如电梯调度算法）。
   • 缓冲与高速缓存： 解决速度不匹配、减少I/O频率。
   • SPOOLing（假脱机）： 实现虚拟设备，将独占设备共享化。
   • 设备分配与回收。
   • 差错处理。

常见考法与例题梳理

1. 设备属性与控制方式的匹配

   • 考法： 给出一种设备（如磁盘），判断其属性（块设备、共享设备）和最适合的I/O控制方式（DMA）。
   • 例题01 & 03: 是该考法的典型。磁盘 -> 块设备、共享设备、可寻址 -> DMA方式。

2. I/O软件层次的职责与流程（高频考点）

   • 考法：
     • 判断某个具体功能属于哪个层次。
     • 对一次完整的I/O请求（从用户发起→系统调用→驱动→中断）进行排序。
   • 例题16 & 17: 考察了“翻译命令”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。

3. 底层处理流程

   • 考法： 关注I/O事件发生时，最先响应和处理的是哪个程序。
   • 例题23 (2010真题): “首先获得键盘输入信息的程序是（B. 中断处理程序）”，考察了对底层硬件中断响应的理解。

4. DMA与进程状态

   • 考法： 深入考察发起DMA请求的用户进程，在DMA的各个阶段，其状态是如何变化的。
   • 例题11: 考察了预处理时进程为运行态，之后为等待数据完成而进入阻塞态。

刻意练习建议

1. 画出I/O软件层次图：

   • 画一个四层的金字塔或栈式图，从上到下依次标注“用户层”、“设备无关层”、“驱动层”、“中断处理层”。
   • 在每一层的旁边，用关键词写下其核心职责。
   • 用箭头画出一次读I/O请求的完整流程：请求如何从顶层层层下达，以及完成中断后信息如何从底层层层上传。

2. 制作“设备分类”卡片：

   • 为常见设备（磁盘、键盘、打印机、鼠标、网卡）制作卡片。
   • 正面写设备名，背面写其属性：块/字符？独占/共享？主要I/O方式？
   • 通过抽查，快速建立设备与属性之间的联系。

3. 流程排序题专项训练：

   • 将所有涉及流程排序的题目（如例题24, 26）集中起来。
   • 不要直接看选项，而是先根据自己的理解，在草稿纸上写出正确的逻辑顺序。
   • 然后再去匹配选项，找出最符合自己逻辑的。这种主动构建答案的方式，比被动选择更能加深理解。

通过对这些知识点的系统梳理，您将能更好地理解硬件I/O机制是如何被操作系统软件所管理和抽象的，从而形成一个完整的计算机系统工作视图。