考研笔记

第 5 章 名词库

这一页是复习主入口。 目标是把第 5 章的名词收全，并把每个词的边界和适用范围钉死。

每条最多四行：是（定义）／不是（划掉最常见的误解）／易混（成对的对手）／范围（该结论在什么条件下才成立）。

建设进度：✅ 5.1 I/O 管理概述　✅ 5.2 设备独立性软件　✅ 5.3 磁盘和固态硬盘　（第 5 章完整）

5.1.1 I/O 设备

块设备 / 字符设备

  • 是：块设备以数据块为单位存取，有结构、可寻址，速率高，可用 DMA；字符设备以字符为单位，无结构、不可寻址，速率低，常用中断驱动。
  • 不是：字符设备不可寻址——它的数据是”流过去的”，没有编号也不在设备上驻留，“读第 5 个字符”无法定义。
  • 易混：判据是数据是”存放着的”还是”流过去的”。
  • 范围：块设备配 DMA、字符设备配中断，因为字符设备本就一个字符一个字符地来，用 DMA 无意义。

独占设备 / 共享设备 / 虚拟设备

  • 是：独占设备一段时间内只允许一个用户访问（打印机）；共享设备可由多个进程访问（磁盘）；虚拟设备由 SPOOLing 造出。
  • 不是：共享设备不是”同一时刻多个进程同时访问”——是宏观上同时、微观上交替。
  • 易混：↔ 并发与并行，判据完全相同。
  • 范围：共享设备必须可寻址且可随机访问（否则各进程的读写位置会互相搅乱）；只有独占设备可能引起死锁（共享设备不满足互斥条件）。

设备控制器 / I/O接口 / I/O控制器

  • 是：CPU 与设备之间的中间层，由三部分组成——与 CPU 的接口（数据线/地址线/控制线）、与设备的接口、I/O 逻辑。
  • 不是：两个”接口”只负责连通，真正对命令译码并实施控制的是 I/O 逻辑。
  • 易混：六项功能——接收和识别命令、数据交换、标识和报告设备状态、地址识别、数据缓冲、差错控制。

I/O 逻辑

  • 是：设备控制器中用于实现设备控制功能的部件，对收到的命令进行译码后控制设备。
  • 范围：选择题问”控制器中实现设备控制功能的是”，答案是 I/O 逻辑，不是 CPU、不是两个接口。

I/O 端口（三类寄存器）

  • 是：数据寄存器（数据缓冲）、状态寄存器（获取状态，只读）、控制寄存器（CPU 写入，设置工作方式/启停设备）。
  • 范围：问”为了便于上层软件的编制，控制器需提供什么”，答案是控制寄存器、状态寄存器和控制命令。

独立编址 / 内存映射 I/O

  • 是：独立编址为端口单独分配 I/O 端口空间，需专门的 I/O 指令；内存映射 I/O 把端口映射进内存地址空间，用普通访存指令即可操作。
  • 易混：独立编址下 I/O 指令是特权指令，保护天然更严；内存映射编程更方便。
  • 范围：内存映射 I/O 描述的是访问方式，并不否定缓冲的必要性（真题陷阱）。

I/O 通道

  • 是：一种特殊的处理机，有自己的通道指令，能执行存放在主存中的通道程序，独立完成一整批 I/O 操作，全部完成后才中断 CPU 一次。
  • 不是：通道是硬件——缓冲池、SPOOLing、内存覆盖技术都是软件。
  • 易混：委托链 CPU →（一批）通道 →（一次）控制器 → 设备，越往上一次委托完成的工作越多。

控制线上的控制信号 / 数据线上的控制信息

  • 是：控制线传的是总线动作的性质（读/写/中断请求等硬件时序信号，由硬件直接解释）；数据线传的”控制信息”是给设备的命令字（如”磁头移到第 30 道”），本质是数据，写进控制寄存器后由 I/O 逻辑译码。
  • 易混：一句话——控制线决定”这次总线操作是什么性质”，数据线承载”具体要做什么”。

5.1.2 I/O 控制方式

程序直接控制方式

  • 是：CPU 发出命令后不断轮询状态寄存器，就绪后由 CPU 搬一个字，重复至结束。
  • 不是：不会使进程进入阻塞态——进程一直占着 CPU 轮询，始终处于运行态。
  • 范围：这是高频反直觉点。阻塞态的定义是”因等待某事件而暂时无法运行”，轮询进程随时都在运行。

中断驱动方式

  • 是：CPU 发出命令后转去执行其他程序，设备就绪后发中断，CPU 在中断服务程序中搬数据。
  • 范围：每传送一个字就中断一次——这是它与 DMA 最本质的差别。

DMA 方式

  • 是：数据直接在设备与内存之间成块传送，不经过 CPU。三阶段：预处理（CPU 设寄存器）→ 传送（DMA 控制器搬）→ 后处理（中断处理程序善后）。
  • 不是：“不经过 CPU”指数据不流经 CPU 寄存器，但 DMA 与 CPU 共享总线，仍会周期窃取、消耗总线带宽。
  • 易混：四类寄存器——CR（命令/状态）、MAR（内存地址）、DR（数据）、DC（数据计数）。
  • 范围：预处理阶段请求 I/O 的进程处于运行态（内核态执行驱动）；后处理阶段仍处于阻塞态；后处理由中断处理程序完成，不一定是请求 I/O 的那个进程。

通道控制方式

  • 是：CPU 发一条指令指明通道程序位置，通道自主完成一整批操作后才中断一次。
  • 易混：四种方式的演进主线——中断解放”等待”，DMA 解放”搬运”，通道解放”组织”。

中断响应 vs 中断处理

  • 是：保存断点、切换到内核态、跳转中断入口由硬件（中断隐指令）完成；把数据从控制器读进内存由软件（中断处理程序）完成。
  • 范围：问”一定不由硬件完成的”，答案是主机获取设备输入；“判断中断类型”在向量中断中可由硬件完成，故不选。

5.1.3 I/O 软件层次结构

四层结构

  • 是：自下而上为中断处理程序 → 设备驱动程序 → 设备独立性软件 → 用户层 I/O 软件。
  • 不是：中断处理程序在最底层不是因为它最不重要，而是因为它由硬件反向触发，不在自上而下的调用链上。
  • 易混：判据——“换一台设备这件事还成不成立”：成立归设备独立性软件，不成立归驱动程序。

设备独立性软件（六项公有操作）

  • 是：传送抽象要求、设备保护（权限检查）、差错控制、缓冲管理、设备分配与回收、逻辑设备名→物理设备名映射。
  • 不是：不负责向设备寄存器写命令，也不负责把二进制整数转成 ASCII（那是用户层的格式化）。
  • 范围：缓冲区管理归设备独立性软件——这一条被正反两道真题反复考。

设备驱动程序

  • 是：与硬件直接相关，把抽象要求翻译成具体要求（逻辑块号→盘面/磁道/扇区），检查合法性，写控制寄存器启动设备，响应本设备中断。
  • 不是：通用缓冲区管理不属于驱动程序（真题 33 答案 D）。
  • 易混：它面对的是”一台设备”，设备独立性软件面对的是”一类设备”。

用户层 I/O 软件

  • 是：产生 I/O 请求、格式化 I/O、SPOOLing。
  • 范围：“把二进制整数转换成 ASCII 码打印”属于用户层，不是设备独立性软件——格式化发生在数据进入 I/O 系统之前。

5.1.4 应用程序 I/O 接口

三类接口

  • 是：字符设备接口（get/put）、块设备接口（read/write/seek，含内存映射文件接口）、网络设备接口（套接字 socket、select）。
  • 易混：划分依据是设备的根本属性——字符设备不可寻址故无位置参数；块设备可寻址故有 seek；网络需连接管理与多路复用。

I/O 保护

  • 是：I/O 指令是特权指令，只能在内核态执行；用户态既不能执行 I/O 指令，也不能访问 I/O 端口所在的地址空间。
  • 不是：用户程序不能直接读写设备寄存器——唯一通路是系统调用。
  • 范围：完整通路是 用户程序 → 系统调用 → 内核检查权限与参数 → 设备独立性软件 → 驱动程序 → 控制器 → 设备；检查在最前，操作硬件在最后。

阻塞 I/O / 非阻塞 I/O

  • 是：阻塞 I/O 使进程转为阻塞态直到完成；非阻塞 I/O 立即返回，返回值说明实际完成了多少。
  • 不是：阻塞 I/O ≠ 程序直接控制方式——前者说进程挂不挂起，后者说 CPU 怎么获知就绪；且两者对进程状态的结论相反。
  • 易混：↔ 同步/异步。判据：阻塞与否看进程挂不挂起；同步与否看谁完成搬运、如何通知。

5.2.1 设备独立性软件

设备独立性（设备无关性）

  • 是：用户程序使用逻辑设备名，系统在执行时转换为物理设备名。
  • 不是：独立的是”哪一台”，不是”哪一类”——块设备与字符设备的接口差异永远存在。
  • 易混：三个好处——方便用户编程、不受具体机器环境限制、便于程序移植。

逻辑设备表（LUT）

  • 是：表项含逻辑设备名、物理设备名、设备驱动程序的入口地址三项。
  • 易混：第三项常被漏——一次查表同时解决”用哪台”和”怎么驱动”。
  • 范围：整个系统一张 LUT 则不同进程不允许重名；每个用户一张则允许重名（与单级/两级目录同构）。

绝对号 / 相对号

  • 是：绝对号是系统为每台设备统一编的号，面向物理设备，供系统使用；相对号是用户在程序中定义的逻辑号。
  • 易混：记法——“绝对”对应物理、系统、全局唯一；“相对”对应逻辑、用户、程序内部。

5.2.2 高速缓存与缓冲区

磁盘高速缓存

  • 是：逻辑上属于磁盘，物理上是驻留在内存中的盘块。两种实现：固定大小的独立空间；把未利用的内存作为共享缓冲池。
  • 易混：↔ 缓冲区，见下条。

缓冲区 vs 高速缓存

  • 是：高速缓存存的是低速设备上数据的复制品（原件仍在低速设备上）；缓冲区存的是正在传输的数据（源头不一定有副本）。
  • 易混：判据是”里面的数据在源头还有没有”。
  • 范围：高速缓存赌的是局部性原理（下次还会访问）；缓冲区赌的是双方节奏不同。

引入缓冲区的四个目的

  • 是：① 缓和 CPU 与 I/O 设备速度不匹配；② 减少对 CPU 的中断频率，放宽中断响应时间限制；③ 解决基本数据单元大小不匹配；④ 提高 CPU 与 I/O 设备的并行性。

单缓冲 / 双缓冲

  • 是：单缓冲 ；双缓冲 。其中 = 设备→缓冲区， = 缓冲区→用户区， = CPU 处理。
  • 不是：不是简单串行相加——完全串行的那个选项是标准陷阱。
  • 易混：记法是看 在不在 里：单缓冲只有一个缓冲区，搬运时设备必须干等，故 在外；双缓冲下设备侧 与 CPU 侧 完全并行，故 在内。
  • 范围：公式给的是”稳态周期”——第一块之前还要多等一次输入，问 块总时间时要补首尾。

缓冲池

  • 是：三个队列（空缓冲队列、输入队列、输出队列）+ 四种工作缓冲区（收容输入 hin、提取输入 sin、收容输出 hout、提取输出 sout）。
  • 易混：命名规律——“收容”=放进去，“提取”=取出来；输入 = 设备→内存，输出 = 内存→设备。
  • 范围：缓冲池区别于多缓冲区的关键是**“公用”——可供多个进程共享，且既能用于输入也能用于输出**。

缓冲区管理的核心问题

  • 是：实现进程访问缓冲区的同步。缓冲区本质是生产者—消费者共享资源。
  • 不是：不是”选择大小”或”决定数量”——那些是性能调优，同步是正确性问题。

5.2.3 设备分配与回收

设备分配要考虑的三项

  • 是：设备的固有属性、设备分配算法、设备分配的安全性。
  • 不是：“及时性”不是设备分配考虑的问题——那是实时调度或 I/O 性能指标。

安全分配方式 / 不安全分配方式

  • 是：安全分配方式下进程发出 I/O 请求后立即阻塞，一个时段只用一台设备；不安全分配方式下进程继续运行，可再提请求。
  • 不是：“安全”指的是”不会死锁”，与数据安全无关。
  • 范围：安全分配方式破坏了”请求和保持”条件故不会死锁，代价是 CPU 与 I/O 串行。

静态分配 / 动态分配

  • 是：静态分配在进程运行前一次性分完全部设备、控制器、通道，直到进程撤销才释放；动态分配按需分配、用完即还。
  • 易混：↔ 安全/不安全分配。判据：安全与否问”提出请求后还能不能跑”，静态与否问”什么时候分”。
  • 范围：独占设备往往采用静态分配，共享设备往往采用动态分配（真题选项 D 的错处正在于说共享设备用静态分配）。

四张控制表（SDT / DCT / COCT / CHCT）

  • 是：SDT 全系统一张（总目录，指向各 DCT）；DCT 每台设备一张；COCT 每个控制器一张；CHCT 每个通道一张。
  • 不是：不是四组无关的字段——它们是一条从下往上的指针链。
  • 易混：DCT 只回答四个问题：我是谁（类型/标识符）、我忙不忙（状态）、谁在等我（队首指针）、我接在谁身上（→ COCT 指针）。COCT、CHCT 结构同构。
  • 范围：四张表存在的唯一理由是”一次 I/O 需要设备、控制器、通道三样同时空闲”；三个等待队列的存在理由是进程可能卡在三个不同的地方。

设备分配步骤

  • 是：SDT → DCT（分设备）→ COCT（分控制器）→ CHCT（分通道），三者齐备才启动 I/O；任一忙则挂到对应的等待队列。
  • 范围：回收时反向进行，且必须唤醒三个队列上的等待进程——漏掉任一处，对应队列上的进程会永久睡眠。

5.2.4 SPOOLing 技术

SPOOLing（假脱机技术）

  • 是：用软件模拟脱机技术——用磁盘代替磁带，用两个系统进程代替外围控制机。
  • 不是：“SPOOLing 系统中不需要独占设备”是错的——物理设备依然存在，也依然一次只能服务一个任务。
  • 易混：SPOOLing 是软件（对照：通道是硬件）。
  • 范围：三个特点——提高 I/O 速度、把独占设备改造为共享设备、实现虚拟设备功能。

输入井 / 输出井

  • 是：磁盘上开辟的两块存储空间，模拟脱机时的磁带。
  • 不是：井在磁盘上，缓冲区在内存中——两者位置不同。
  • 范围：用户进程实际分配到的是”外存区，即虚拟设备”，不是真设备，也不是”设备的一部分存储区”。

SPOOLing 的软件组成

  • 是：预输入程序、井管理程序、缓输出程序。
  • 易混：题眼是”预”与”缓”两个字——“预输入”= 运行前先读进输入井，“缓输出”= 先在输出井缓着。

提高单机资源利用率的关键技术

  • 是：多道程序设计技术，不是 SPOOLing。
  • 范围：SPOOLing 提高的是某一类设备的利用率（局部）；题干问的”单机资源”指整机 CPU、内存、I/O 全体。且 SPOOLing、虚拟技术、交换技术全都建立在多道程序设计之上。

I/O 性能优化的四个方向

  • 是：① 减少 I/O 次数（磁盘高速缓存、预读、延迟写、合并小 I/O）；② 提高并行性（中断、DMA、多缓冲、异步 I/O）；③ 优化访问顺序（磁盘调度、连续布局）；④ 减少 CPU 参与（DMA、通道）。
  • 范围：“提高整机资源利用率”不属于这四条中的任何一条——那是多道程序设计。这正是真题 18 的陷阱。

5.2.5 设备驱动程序接口

统一接口

  • 是：两个方向——每个驱动程序与操作系统之间接口相同或相近；驱动程序与内核之间接口相同（内核按同一张函数表调用）。
  • 易混：与 VFS “下层必须提供规定的一组函数”完全同构。
  • 范围：驱动接口面向操作系统，设备独立性面向用户程序——一上一下，共同构成”设备可插拔”。

驱动程序的五点特殊性

  • 是：① 是进程与设备控制器之间的通信程序；② 与硬件特性紧密相关；③ 与 I/O 控制方式紧密相关；④ 一部分必须用汇编书写；⑤ 必须可重入。

可重入

  • 是：函数执行到一半被打断、又被重新进入时，两次执行互不干扰；做法是不使用全局可变状态。
  • 范围：驱动程序被重入有两个来源——多个进程同时请求同一设备；执行期间来了本设备的中断。

5.3.1 磁盘

柱面

  • 是：所有盘面上处于同一半径位置的磁道的集合。
  • 易混：所有磁头固定在同一磁臂上一起移动，因此磁臂一动，所有磁头同时对准同一柱面。

磁盘地址结构

  • 是：柱面号 | 盘面号 | 扇区号，柱面号在最高位。
  • 不是：不是”盘面号在最高位”——那样读连续数据时寻道次数会暴增。
  • 范围：理由是三种动作代价不同——换柱面要移动磁臂（最慢），换盘面只是电子切换（最快）。因此连续存放时扇区号进位应进到盘面号，不是柱面号。

磁盘访问时间

  • 是：。寻道 ；旋转延迟 ；传输 。
  • 易混：寻道时间最大（毫秒级机械运动），这是所有磁盘调度算法的唯一优化目标。

旋转延迟

  • 是：磁头定位到目标磁道后，等待目标扇区转到磁头下方的时间。
  • 范围：与磁盘调度算法无关（调度优化的是寻道）；与空闲空间分配程序、文件的物理结构有关（它们决定数据落在哪个扇区）。

5.3.2 磁盘的管理

三道工序

  • 是：① 低级格式化（物理格式化）→ ② 分区 → ③ 逻辑格式化（高级格式化），顺序不可颠倒。
  • 易混：低级格式化管”扇区”，分区管”分区表”，逻辑格式化管”文件系统”。

低级格式化

  • 是：把磁盘分成扇区，每个扇区写成”头 + 数据区域(512B) + 尾”，头尾含扇区校验码 ECC。通常由厂商完成。
  • 范围：“确定磁盘扇区校验码所占位数”属于低级格式化，不是逻辑格式化（2017 真题干扰项 III）。

逻辑格式化（高级格式化）

  • 是：在分区上创建文件系统——建立根目录、初始化空闲磁盘块数据结构、建立引导块。
  • 范围：操作系统引导扇区产生于逻辑格式化，不是分区时、不是低级格式化时、更不是出厂自带。分区发生在逻辑格式化之前，不属于它。

引导块 / 自举程序

  • 是：ROM 中只存放很小的自举装入程序，完整的自举程序存放在磁盘的启动块上。拥有启动分区的磁盘称为启动磁盘 / 系统磁盘。
  • 范围：这样两段式设计的理由是——更新自举程序只需改写磁盘，不必更换 ROM。

坏块管理

  • 是：简单磁盘在逻辑格式化时扫描并在 FAT 中标记 BAD；复杂磁盘由控制器用扇区备用或扇区滑动顶替。
  • 易混：前者对操作系统可见，后者完全透明——后者把问题解决在了更低的层次。

5.3.3 磁盘调度算法

FCFS

  • 是：严格按请求到达顺序服务。
  • 不是：性能最差，但不会饥饿，也不会磁臂黏着。
  • 范围：它是唯一完全不参考磁头当前位置的算法，因此是唯一不会被局部密集请求绑架的算法（2018 真题答案）。

SSTF

  • 是：每次选择距当前磁头最近的请求。
  • 不是：不能保证平均寻道时间最短（局部最优≠全局最优）。
  • 范围：可能饥饿，也会磁臂黏着——脚下的距离永远是 0。

SCAN / LOOK / C-SCAN / C-LOOK

  • 是：构词法——带 C（Circular）= 单向服务，返回途中不服务；带 LOOK = 到最远请求就掉头；SCAN（不带 LOOK）= 必须走到端点。
  • 易混：SCAN 与 LOOK 的服务顺序完全相同，差别只在计算移动距离时体现。
  • 范围：SCAN 与 C-SCAN 同样会导致磁臂黏着——它们只规定了方向，未规定一个磁道上最多服务几个请求。

磁臂黏着

  • 是：系统总是访问某个磁道而不响应其他磁道的请求。
  • 范围：判断方法——问”若某磁道请求源源不断，该算法会不会一直服务它”。SSTF、SCAN、C-SCAN 都会；只有 FCFS 不会。

交替编号 / 错位命名

  • 是：交替编号让逻辑相邻的扇区在物理上间隔若干扇区；错位命名让相邻盘面的扇区起始位置错开一个角度。
  • 易混：交替编号解决同一磁道内的连续读，错位命名解决换盘面时的连续读。
  • 范围：两者优化的是旋转延迟，而调度算法优化的是寻道——不是一回事。

5.3.4 固态硬盘

闪存翻译层（FTL）

  • 是：把操作系统发来的逻辑块号翻译成实际的物理页地址，对操作系统伪装成一块普通磁盘。
  • 范围：正因为有 FTL，文件系统层的一切结论在固态硬盘上完全不变；变的只是物理层。

页 / 块

  • 是：读写以页为单位，擦除以块为单位，且一个页只有被擦除之后才能写入。
  • 范围：“读写单位与擦除单位不一致”是固态硬盘一切复杂性的根源——写放大、磨损均衡、FTL 映射全由它引起。

动态磨损均衡 / 静态磨损均衡

  • 是：动态在写入时优先选择擦除次数少的空闲块；静态在此基础上周期性地迁移长期不改写的冷数据块。
  • 不是：静态磨损均衡不是”每次写入都选冷数据块”——那是选项 D 的错误说法；它是后台的周期性迁移。
  • 范围：静态通常优于动态，因为它把冷数据块也纳入了均衡范围。

固态硬盘与机械硬盘的对照

  • 是：固态硬盘无机械部件，寻道时间与旋转延迟不存在，因此所有磁盘调度算法失去意义，磁臂黏着也不存在。
  • 不是：固态硬盘的优势主要在随机存取，不在连续存取（真题选项 B 的错处）；写入虽受写放大影响，但总体性能仍强于机械硬盘。

高频”范围限定”清单

下表集中列出最容易被抽掉限定条件的结论。看到题干把限定词去掉，就是陷阱。

结论成立的范围
I/O 指令是特权指令；用户程序访问设备的唯一通路是系统调用
I/O 优化的四条线不含”提高整机资源利用率”——那是多道程序设计
字符设备可寻址不成立——它的数据是”流过去的”，没有位置概念
共享设备同一时刻多进程访问不成立——宏观同时、微观交替
共享设备的前提必须可寻址且可随机访问
分配设备可能死锁仅独占设备；共享设备不满足互斥条件
控制器中实施控制的部件I/O 逻辑，不是 CPU、不是两个接口
通道是软件不成立——通道是硬件；缓冲池/SPOOLing/覆盖是软件
程序直接控制方式会阻塞进程不成立——占着 CPU 忙等，始终运行态
DMA 不经过 CPU指不经过 CPU 寄存器；仍占总线（周期窃取）
DMA 后处理时进程状态仍是阻塞态；且后处理不一定由请求 I/O 的进程执行
中断过程全由硬件完成不成立——获取设备输入由软件
缓冲区管理归驱动程序不成立——归设备独立性软件
二进制转 ASCII 归设备独立性软件不成立——归用户层
内存映射 I/O 不需要缓冲不成立——访问方式与是否需缓冲正交
缓冲区管理最重要的问题同步，不是大小或数量
单缓冲公式； 在 外（搬运时设备干等）
双缓冲公式； 在 内（完全并行）
缓冲公式给的是什么稳态周期；问 块总时间要补首尾
及时性是设备分配考虑因素不成立
共享设备用静态分配不成立——共享设备用动态分配
四张表为什么是四张一次 I/O 需设备+控制器+通道三样同时空闲
SPOOLing 不需要独占设备不成立——物理设备依然存在
用户进程在 SPOOLing 下分到什么外存区（虚拟设备），不是真设备
提高单机资源利用率的关键多道程序设计，不是 SPOOLing
旋转延迟与调度算法有关不成立——调度优化的是寻道
磁盘地址结构柱面号在最高位；连续存放时扇区号进位到盘面号
引导扇区产生时机逻辑格式化（高级格式化）
扇区校验码位数低级格式化决定
磁臂黏着只有 FCFS 不会；SCAN/C-SCAN 同样会
SCAN 可以提前掉头不成立——必须到端点；只有 LOOK 可提前
静态磨损均衡每次写入选冷块不成立——它是周期性后台迁移
固态硬盘优势在连续存取不成立——优势主要在随机存取
磁盘调度算法适用于固态硬盘不成立——寻道与旋转延迟都不存在

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