操作系统第 5 章：输入/输出（I/O）管理

本章对照本站本章的 408 真题 和 408 模拟选择题 整理。本站把真题分成 I/O 管理基础、设备独立软件、外存管理 三部分；模拟题进一步细化到 I/O 控制方式、应用程序接口、缓冲、设备分配、SPOOLing、设备驱动、磁盘、磁盘调度、SSD。(Any Docs)

这一章看起来知识点比较碎，但实际上 408 的命题高度集中。真正需要建立的是下面这条主线：

用户发出 I/O 请求 → 操作系统 I/O 软件各层处理 → 驱动程序控制设备 → 中断 / DMA 完成传输 → 缓冲与设备独立性提高效率 → 磁盘调度进一步降低机械访问时间。

其中最值得重点掌握的三大块是：

1. I/O 软件层次、驱动程序、中断和 DMA：选择题核心
2. 单缓冲 / 双缓冲时间计算：经典计算题
3. 磁盘调度 + 磁盘结构 + 访问时间：本章最重要综合题

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一、先把整章框架搭起来

可以把 I/O 系统想成下面这条链：

用户程序

↓

用户层 I/O 软件

↓

设备独立性软件

↓

设备驱动程序

↓

中断处理程序

↓

设备控制器

↓

I/O 设备

这里最重要的问题是：

一道题问“谁完成这个工作”，必须先判断工作离硬件有多近。

越往上越“通用”，越往下越“设备相关”。

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二、题型一：I/O 软件层次与一次 I/O 到底怎么走

这是本章非常稳定的选择题考点。

1. 四层 I/O 软件

从用户向硬件方向：

用户层 I/O 软件 → 设备独立性软件 → 设备驱动程序 → 中断处理程序

【2012 年 408 真题】

题目问：

操作系统 I/O 子系统由四个层次组成，合理的排列顺序是什么？

答案：

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。

(Any Docs)

这个顺序不能死背，要理解。

用户层 I/O 软件

离应用最近，例如：

• I/O 库函数
• 格式化输入输出
• 用户态接口

典型思想：

“用户想做什么？”

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设备独立性软件

核心是：

把各种不同设备抽象成统一接口。

负责的典型工作：

• 逻辑设备名
• 设备保护
• 设备分配
• 缓冲
• SPOOLing
• 统一错误处理
• 将逻辑设备映射到物理设备

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设备驱动程序

核心是：

把抽象 I/O 命令翻译成具体硬件操作。

比如上层说：

“读取逻辑块 100530”

驱动程序可能要进一步算出：

哪个柱面？ 哪个磁头？ 哪个扇区？ 控制器寄存器写什么？

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中断处理程序

最靠近硬件。

设备完成工作后：

设备控制器 → 发中断 → CPU → 中断处理程序。

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三、题型二：用户发出 I/O 请求以后，谁先谁后？

【2011 年 408 真题】

题目：

用户程序发出磁盘 I/O 请求后，系统正确的处理流程是什么？

答案：

用户程序 → 系统调用处理程序 → 设备驱动程序 → 中断处理程序。

(Any Docs)

这条链非常重要。

实际上可以展开成：

① 用户程序

例如执行：

read()

但用户程序不能直接操作磁盘寄存器。

↓

② 系统调用

CPU 从用户态进入内核态。

↓

③ 设备独立性软件 / I/O 子系统

检查：

• 参数是否合法
• 权限是否合法
• 设备状态
• 缓冲区
• 请求队列

↓

④ 设备驱动程序

设置：

• 设备寄存器
• DMA 参数
• 读写方向
• 地址
• 数据量

并启动设备。

↓

⑤ 设备执行

↓

⑥ 设备完成 → 发中断

↓

⑦ 中断处理程序

↓

⑧ 唤醒等待进程

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一个非常常见的坑

很多同学会写：

用户程序 → 驱动程序 → 系统调用

这是错的。

用户程序没有资格直接调用硬件驱动完成特权操作。

一定先：

系统调用进入内核。

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四、题型三：到底是谁最先得到键盘输入？

【2010 年 408 真题】

题目：

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谁？

选项包括：

• 命令解释程序
• 中断处理程序
• 系统调用服务程序
• 用户登录程序

答案是：

中断处理程序。

(Any Docs)

为什么？

按下键盘以后：

键盘控制器检测按键

↓

向 CPU 发中断

↓

CPU 进入键盘中断服务程序

↓

读取键盘控制器数据

↓

再经过驱动程序 / 终端系统

↓

最后才可能交给登录程序或 Shell。

所以题目看到：

“首先获得设备数据”

高度警惕：

中断处理程序。

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五、题型四：系统调用、驱动程序、中断程序分别干什么

这是这一章最容易混的一组概念。

可以记成：

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【2013 年 408 真题】

题目：

把磁盘逻辑地址转换成柱面号、磁头号和扇区号，是哪个程序完成？

答案：

设备驱动程序。

(Any Docs)

原因非常重要：

只有驱动程序真正了解具体硬件。

例如：

• 一柱面多少磁道？
• 一磁道多少扇区？
• 设备寄存器怎么控制？

这些都是设备相关信息。

所以只要题目出现：

“将抽象操作转成硬件相关操作”

基本找：

设备驱动程序。

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六、题型五：I/O 控制方式——轮询、中断、DMA

这一部分通常以判断题、选择题出现，也可能和组成原理结合。

可以把 I/O 控制方式理解成：

CPU 到底参与数据搬运到什么程度？

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1. 程序直接控制 / 程序查询方式

CPU 不断问：

“设备好了没有？”

没好：

继续问。

好了：

CPU 自己搬数据。

特点：

• 硬件简单
• CPU 利用率低
• CPU 大量忙等

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2. 中断驱动方式

CPU 启动设备后先去干别的。

设备完成后：

“I/O 操作已完成，可以由 CPU 继续处理。”

于是产生中断。

CPU 再来处理数据。

优点：

CPU 不需要一直轮询。

缺点：

如果高速设备每传一个字节都中断一次：

CPU 会被中断淹没。

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3. DMA

DMA 的核心：

让设备与内存直接成块传输数据。

CPU 只负责：

1. 初始化 DMA
2. 设置主存地址
3. 设置数据量
4. 设置传输方向
5. 启动 DMA

然后 DMA 自己搬。

完成后：

DMA 发一个中断通知 CPU。

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七、2017 年 DMA 顺序题——必须会

【2017 年 408 真题】

给出：

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

要求排序。

正确顺序：

② → ③ → ① → ④

(Any Docs)

逻辑就是：

CPU 设置 DMA

↓

DMA 开始搬数据

↓

DMA 搬完

↓

DMA 发中断

↓

CPU 执行中断服务程序。

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八、DMA 最常见的四个陷阱

本站模拟题里专门考了：

“DMA 整个传输过程中是否完全不需要 CPU、操作系统或中断？”

正确认识是：

错误 1

DMA 完全不需要 CPU。

错。

CPU 需要初始化 DMA。

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错误 2

DMA 完全不需要操作系统。

错。

设备驱动仍然需要：

• 设置 DMA
• 申请缓冲区
• 管理权限
• 处理完成事件

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错误 3

DMA 不产生中断。

错。

通常：

一批数据传输完成后产生一次中断。

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正确本质

DMA 减少的是：

CPU 对每个字 / 每个字节数据传输的参与。

而不是：

CPU 从此与 I/O 完全无关。

本站模拟题也明确考了这一点。(Any Docs)

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九、题型六：中断中哪些事情硬件做，哪些操作系统做

【2020 年 408 真题】

题目给出：

I. 保存被中断程序的中断点 II. 提供中断服务 III. 初始化中断向量表 IV. 保存中断屏蔽字

问哪些是操作系统完成的。

答案：

II、III、IV。

(Any Docs)

这里必须知道：

中断点

通常就是当前程序下一条要执行的位置，比如 PC。

发生中断时：

硬件自动保存关键断点信息。

而：

• 中断服务程序
• 中断向量表初始化
• 更多现场保存和恢复

主要由操作系统处理。

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十、题型七：设备独立性——“逻辑设备”与“物理设备”

这是本章非常高频的概念题。

最核心一句话

应用程序不依赖具体物理设备。

应用程序使用：

逻辑设备名

操作系统再映射成：

物理设备。

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【2009 年 408 真题】

题目：

程序员使用系统调用打开 I/O 设备时，通常使用什么设备标识？

答案：

逻辑设备名。

(Any Docs)

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【2020 年 408 真题】

题目问设备独立性。

一个错误说法是：

更换物理设备后必须修改访问该设备的应用程序。

这是错的。

因为理想状态是：

应用程序

↓

逻辑设备名

↓

逻辑设备表

↓

物理设备

所以替换同类打印机：

改映射 / 驱动即可。

应用程序不用改。(Any Docs)

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十一、设备独立性和驱动程序独立性千万别混

网站模拟题有一道非常好的题：

“设备独立性是不是指设备驱动程序独立于物理设备？”

答案：

不是。

恰恰相反：

驱动程序高度依赖具体设备。

真正独立的是：

用户程序。

所以：

用户程序：设备无关

设备驱动：设备相关

(Any Docs)

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十二、题型八：设备分配

【2023 年 408 真题】

题目问设备分配需要考虑：

I. 设备类型 II. 访问权限 III. 占用状态 IV. 逻辑设备与物理设备映射关系

答案：

四个都要考虑。

(Any Docs)

为什么？

例如请求：

“提交打印请求。”

操作系统首先要判断：

设备类型

是：

• 独占设备？
• 共享设备？
• 虚拟设备？

权限

这个进程能不能访问？

状态

设备是否正被别人占用？

映射

用户说的是逻辑打印机，到底对应哪台物理打印机？

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十三、设备分配数据结构题

模拟题里考：

• SDT：系统设备表
• DCT：设备控制表
• COCT：控制器控制表
• CHCT：通道控制表

设备分配顺序：

SDT → DCT → COCT → CHCT

(Any Docs)

理解：

先从系统层面找：

哪个设备？

然后：

这个设备自身能不能分？

然后：

它连接的控制器能不能分？

最后：

所属通道能不能分？

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十四、题型九：缓冲——本章最重要的计算题之一

缓冲的本质非常简单：

解决生产者和消费者速度不匹配。

比如：

磁盘：慢

CPU：快

如果没有缓冲：

CPU 经常等磁盘。

有缓冲：

磁盘先把数据放到缓冲区。

CPU 再拿。

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十五、先理解三个时间

以后所有缓冲计算都设：

• 设备 → 系统缓冲区：时间 T
• 系统缓冲区 → 用户区：时间 M
• CPU 处理数据：时间 C

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十六、单缓冲到底哪里能并行？

这是最容易算错的地方。

假设只有一个系统缓冲区。

处理第 1 块：

设备读取第 1 块 → 缓冲区

↓

缓冲区 → 用户区

↓

CPU 处理

但 CPU 处理第 1 块期间：

系统缓冲区已经空出来了。

于是：

设备可以开始读第 2 块。

所以：

设备读下一块，可以和 CPU 处理上一块并行。

但是：

缓冲区向用户区复制数据的时候，同一个缓冲区正在被访问，设备不能同时往里面写下一块。

因此稳定周期为：

$$\max (T,C)+M$$

对于 n 块，完整时间可以写成：

$$T+(n-1)\max (T,C)+nM+C$$

注意这是标准单缓冲模型。

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十七、2011 年真题——单缓冲 / 双缓冲经典题

【2011 年 408 真题】

题目：

某文件有 10 个磁盘块。

每块：

磁盘 → 缓冲区：

$$T=100\mu s$$

缓冲区 → 用户区：

$$M=50\mu s$$

CPU 分析：

$$C=50\mu s$$

问单缓冲和双缓冲时间。

真题答案：

单缓冲：1550 μs 双缓冲：1100 μs

(Any Docs)

---

单缓冲

代入：

$$T+(n-1)\max (T,C)+nM+C$$

得到：

$$100+9\times 100+10\times 50+50$$ $$=1550\mu s$$

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十八、双缓冲为什么快？

现在有：

缓冲区 A

缓冲区 B

例如：

磁盘 → A：第 1 块

接着：

CPU 处理 A 中对应的数据

同时：

磁盘 → B：第 2 块

然后交换。

所以可以形成真正的流水。

一边：

输入下一块

另一边：

搬运并处理上一块。

所以稳定流水周期为：

$$\max (T,M+C)$$

总时间：

$$T+(n-1)\max (T,M+C)+M+C$$

代入：

$$100+9\times \max (100,100)+100$$ $$=1100\mu s$$

---

十九、需要直接记住的两个缓冲模型

单缓冲

稳定一块平均时间：

$$\max (T,C)+M$$

n 块完整时间：

$$T+(n-1)\max (T,C)+nM+C$$

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双缓冲

稳定周期：

$$\max (T,M+C)$$

完整时间：

$$T+(n-1)\max (T,M+C)+M+C$$

这两个式子非常值得记。

但考试时最好还是：

画流水线。

因为题目如果改变“数据复制是否可忽略”“用户区是否也是缓冲区”等条件，直接套式子容易错。

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二十、2013 年真题——只有 2 块数据也能考

【2013 年 408 真题】

题目：

外设 → 系统缓冲：

$$100$$

系统缓冲 → 用户工作区：

$$5$$

CPU 分析：

$$90$$

问读取并分析 2 块数据最短时间。

答案：

300。

(Any Docs)

具体过程：

第 1 块进入缓冲：

$$100$$

复制到用户区：

$$5$$

现在：

$$105$$

之后 CPU 分析第 1 块，时间 90。

与此同时：

磁盘读取第 2 块。

整个下一阶段受慢的一边控制。

最后还要处理第 2 块。

所以：

$$105+105+90=300$$

真正的思考方式不是死记 300，而是：

找哪些阶段可以重叠。

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二十一、磁盘高速缓存和缓冲区不要混

【2015 年 408 真题】

题目：

在系统内存中设置磁盘缓冲区的主要目的是什么？

答案：

减少磁盘 I/O 次数。

(Any Docs)

不是：

• 减少磁头本身一次寻道距离
• 提高磁盘物理可靠性
• 实现设备无关性

而是：

原来要访问磁盘，现在可能直接从内存命中。

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二十二、磁盘 Cache 在哪里？

模拟题有一个很经典的陷阱：

“磁盘高速缓存是在磁盘中设置的缓冲区。”

错误。

这里课程意义上的磁盘高速缓存通常是：

内存中的一部分空间，用来缓存磁盘块。

如果命中：

不需要启动磁盘。

(Any Docs)

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二十三、提前读和延迟写

也是很容易考判断。

提前读

猜：

已经读了块 100，很可能马上要读 101。

于是：

顺便读 101、102……

依赖：

顺序局部性。

所以随机访问很难有效提前读。

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延迟写

修改数据后：

先改内存中的缓存。

暂时不立即写盘。

之后：

• 缓冲区被淘汰
• 定期刷新
• 系统同步

再写盘。

所以模拟题中：

“随机写就不能使用延迟写”

是错的。(Any Docs)

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二十四、题型十：SPOOLing——概念题必考区

SPOOLing 可以理解成：

用高速磁盘模拟低速独占设备。

最典型：

打印机。

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二十五、为什么打印机可以被“共享”？

假设 10 个进程都想打印。

现实中：

一台打印机一次只能真正打印一个作业。

但操作系统让每个进程认为：

“打印请求已经提交给系统。”

实际上：

进程 A

↓

输出井

进程 B

↓

输出井

进程 C

↓

输出井

……

然后后台输出进程：

输出井

↓

输出缓冲

↓

打印机

逐个打印。

因此：

一个独占设备被虚拟成多个逻辑设备。

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二十六、SPOOLing 的组成

典型结构：

• 输入井
• 输出井
• 输入缓冲区
• 输出缓冲区
• 预输入进程
• 缓输出进程

其中：

井一般在外存。

缓冲区：

在内存。

这是常考区别。

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二十七、2016 年 SPOOLing 真题

【2016 年 408 真题】

题目问哪项错误：

A. 需要外存支持 B. 需要多道程序设计支持 C. 多个作业可以共享一台独占设备 D. 由用户作业控制设备与输入 / 输出井之间的数据传送

答案：

D。

因为：

设备和井之间的数据传输由操作系统控制。

不是用户进程直接控制。(Any Docs)

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二十八、SPOOLing 三句话总结

看到 SPOOLing，优先想到：

第一：

外存上的输入井 / 输出井。

第二：

把独占设备虚拟成逻辑共享设备。

第三：

数据传输由操作系统后台进程控制。

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二十九、题型十一：磁盘结构和物理地址换算

这一部分既能出选择题，也非常适合综合题。

磁盘典型结构：

柱面 → 磁头 / 磁道 → 扇区。

如果：

• 每柱面有 H 个磁道
• 每磁道有 S 个扇区

则每柱面：

$$H\times S$$

个扇区。

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三十、逻辑块号转 CHS 的万能方法

设逻辑扇区号为 L。

首先算柱面：

$$\text{柱面号}=\lfloor \frac{L}{H\times S}\rfloor$$

剩余：

$$R=L\mathrm{mod}(H\times S)$$

磁头号：

$$\text{磁头号}=\lfloor \frac{R}{S}\rfloor$$

扇区号：

$$\text{扇区号}=R\mathrm{mod}S$$

注意：

是否从 0 编号必须看题目。

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三十一、模拟题：5687 号记录放哪里？

本站模拟题：

80 个柱面，每柱面 12 条磁道，每磁道 16 个扇区。记录大小等于扇区大小，从 0 编号。问第 5687 号记录在哪里。

每柱面：

$$12\times 16=192$$

将 5687 分解：

$$5687=29\times 192+119$$

然后：

$$119=7\times 16+7$$

所以：

第 29 柱面、第 7 磁道、第 7 扇区。

(Any Docs)

这类题本质就是：

不断做整除和取余。

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三十二、2019 年综合真题——这一题非常重要

【2019 年 408 真题】

题目给：

• 300 个柱面
• 每柱面 10 个磁道
• 每磁道 200 个扇区
• 每扇区 512 B
• 每簇 2 个扇区

问：

1. 磁盘容量
2. SSTF 下几个簇的访问顺序
3. 某簇对应的柱面 / 磁头 / 扇区，并问谁完成地址转换

(Any Docs)

这题几乎把整章串起来了。

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第 1 问：容量

直接乘：

$$300\times 10\times 200\times 512$$

得到：

$$307200000\text{ B}$$

如果：

$$1\text{ KB}=1024\text{ B}$$

则：

$$300000\text{ KB}$$

---

第 2 问：先把簇号变成柱面号

每磁道：

$$\frac{200}{2}=100$$

个簇。

每柱面：

$$10\times 100=1000$$

个簇。

因此：

• 100260 → 柱面 100
• 60005 → 柱面 60
• 101660 → 柱面 101
• 110560 → 柱面 110

磁头原本在：

柱面 85。

SSTF：

85 → 100 → 101 → 110 → 60

因此访问簇：

100260 → 101660 → 110560 → 60005

(Any Docs)

---

第 3 问：100530 簇

因为每柱面 1000 簇：

$$100530=100\times 1000+530$$

所以柱面：

100。

每磁道 100 簇：

$$530=5\times 100+30$$

所以磁头：

5。

磁道内第：

30 个簇。

一个簇 2 扇区：

$$30\times 2=60$$

所以占：

第 60、61 扇区。

转换工作由：

设备驱动程序完成。

这道题非常典型，因为它把：

磁盘结构 + 地址转换 + SSTF + 驱动程序

四个知识点揉在了一起。(Any Docs)

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三十三、题型十二：磁盘调度——本章最高频计算题

必须熟练区分：

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三十四、FCFS

最简单。

例如请求：

100 → 20 → 180 → 30

就严格这样访问。

优点：

• 公平
• 简单
• 不饥饿

缺点：

• 寻道可能很长

---

三十五、SSTF

Shortest Seek Time First。

每一步都：

找距离当前磁头最近的请求。

例如磁头：

100

请求：

90，108，142

距离：

10，8，42

所以先：

108。

然后重新算。

注意：

每移动一步，都必须重新计算。

不能一开始排序一次就结束。

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三十六、2021 年 SSTF 真题

【2021 年 408 真题】

磁头：

184

请求：

184、187、176、182、199

SSTF：

184

↓

182

↓

187

↓

176

↓

199

总距离：

$$0+2+5+11+23$$ $$=41$$

答案：

41。

(Any Docs)

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三十七、SSTF 最大缺点

如果磁头附近不断来新请求：

很远的请求可能一直等。

这叫：

饥饿。

并容易出现：

磁臂黏着。

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三十八、SCAN——电梯算法

假设：

磁头在 105

方向：

磁道号增加

请求：

35，45，12，68，110，180，170，195

【2009 年 408 真题】

先往大方向：

110 → 170 → 180 → 195

然后反向：

68 → 45 → 35 → 12

所以：

110 → 170 → 180 → 195 → 68 → 45 → 35 → 12

(Any Docs)

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三十九、SCAN 和 LOOK 的核心区别

这是模拟题很爱考的变式。

假设当前向右，最右边物理磁道是 199。

但最右请求只有 170。

SCAN

通常：

扫到物理端点，再回头。

也就是：

到 199 再返回。

LOOK

只“看”请求。

所以：

到 170 就回头。

因此 LOOK 通常少走一些路。

本站模拟题中“改进的扫描算法”就是 LOOK，并考了这一点。(Any Docs)

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四十、2015 年 SCAN 真题

【2015 年 408 真题】

磁道：

0～199。

当前磁头：

58。

“从外侧向内侧移动”。

题目特别说：

最外侧磁道号是 0。

因此：

外 → 内

等价于：

磁道号增大。

请求：

130、42、180、15、199。

先向内：

58 → 130 → 180 → 199

再反向：

199 → 42 → 15

所以移动距离：

$$199-58$$

加：

$$199-15$$

得到：

$$141+184=325$$

答案：

325。

(Any Docs)

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四十一、这里有一个特别重要的坑

不要想当然地认为：

“向内就是编号减小。”

磁道编号完全是题目规定的。

所以磁盘调度题第一件事：

把方向翻译成数字增加 / 数字减少。

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四十二、CSCAN——循环扫描

与 SCAN 不同：

SCAN：

→ → → 到头 ← ← ←

CSCAN：

→ → → 到头 跳回另一头 → → →

只有一个服务方向。

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四十三、2024 年 CSCAN 真题

【2024 年 408 真题】

磁道：

0～399。

刚访问完：

200。

向磁道号减小方向。

请求：

300、120、110、0、160、210、399。

先向小：

160 → 120 → 110 → 0

到 0。

然后循环到：

399

再继续向小：

300 → 210

磁头移动：

$$200-0$$

加上返回另一端：

$$399-0$$

再从 399 到 210：

$$399-210$$

因此：

$$200+399+189=788$$

答案：

788。

(Any Docs)

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四十四、为什么 2024 这题特别值得掌握

因为它明确给了：

0～399。

所以：

CSCAN 的回卷距离必须算。

很多人只计算请求之间距离，会漏掉：

$$0\to 399$$

这一大段。

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四十五、2010 年综合大题——磁盘题王之一

【2010 年 408 真题】

题目给：

• CSCAN
• 2 KB 内存
• 16384 个磁盘块
• 转速 6000 r/min
• 每磁道 100 扇区
• 相邻磁道平均移动 1 ms
• 当前磁头 100
• 向磁道号增大
• 请求：50、90、30、120
• 每个磁道随机读取 1 个扇区

问：

1. 空闲块怎么管理
2. 总访问时间
3. 换成 Flash 后用什么算法

(Any Docs)

这道题必须拆开做。

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四十六、第 1 问：位图

内存：

$$2\text{ KB}=2048\text{ B}$$

位数：

$$2048\times 8=16384\text{ bit}$$

刚好：

每磁盘块用 1 bit。

所以使用：

位图 / 位示图法。

---

四十七、第 2 问：磁盘访问时间

磁盘总访问时间通常包括：

$$T=T_{\text{seek}}+T_{\text{rotation}}+T_{\text{transfer}}$$

也就是：

寻道 + 旋转延迟 + 数据传输。

---

1. 寻道时间

真题标准解答采用的服务顺序：

120 → 30 → 50 → 90。

对应移动：

$$20+90+20+40=170$$

所以：

$$T_{\text{seek}}=170\text{ ms}$$

这一点本站和其他真题资料给出的标准答案一致。(Any Docs)

这里有个值得特别留意的地方：

2010 真题没有像 2024 真题那样给出完整物理磁道范围，因此标准答案直接按 120 → 30 计算循环距离；而当题目明确给出 0～399 这样的物理端点时，像 2024 真题那样，CSCAN 回卷的端点距离就必须计入。

所以以后不要机械套：

CSCAN 一定怎么算。

而要看题目有没有明确给：

磁道端点。

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2. 平均旋转延迟

转速：

$$6000\text{ r/min}$$

每秒：

$$\frac{6000}{60}=100\text{ r/s}$$

一圈：

$$\frac{1}{100}\text{ s}=10\text{ ms}$$

随机扇区平均等待半圈：

$$T_{\text{rotation}}=\frac{10}{2}=5\text{ ms}$$

4 次：

$$4\times 5=20\text{ ms}$$

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3. 数据传输时间

每圈：

100 个扇区。

一圈 10 ms。

所以 1 扇区：

$$\frac{10}{100}=0.1\text{ ms}$$

4 扇区：

$$0.4\text{ ms}$$

于是：

$$T=170+20+0.4$$ $$=190.4\text{ ms}$$

---

四十八、磁盘访问时间万能公式

给定转速 N，单位 r/min。

一圈时间：

$$T_r=\frac{60}{N}\text{ s}$$

平均旋转延迟：

$$T_{\text{avg rotation}}=\frac{T_r}{2}$$

每磁道有 S 个扇区。

读取一个扇区：

$$T_{\text{sector}}=\frac{T_r}{S}$$

如果连续读取 k 个扇区：

$$T_{\text{transfer}}=k\frac{T_r}{S}$$

最终：

$$T_{\text{access}}=T_{\text{seek}}+T_{\text{rotation}}+T_{\text{transfer}}$$

这组公式务必会。

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四十九、第 3 问：为什么 SSD 用 FCFS 可能更好？

2010 真题问：

换成 Flash / SSD 后，还有必要用 CSCAN 吗？

答案：

可以采用 FCFS。

(Any Docs)

因为机械硬盘的 CSCAN 是为了：

减少磁头来回移动。

但是 SSD：

没磁头。

所以没有：

• 寻道时间
• 旋转延迟

这样复杂的机械磁盘调度：

收益大幅下降。

公平简单的：

FCFS

反而可能更适合。

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五十、题型十三：物理格式化、分区、逻辑格式化

顺序一定记住：

物理格式化 → 分区 → 逻辑格式化 → 安装操作系统

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物理格式化

解决：

这块盘从物理上怎么组织？

例如：

• 磁道
• 扇区
• 扇区控制信息
• 校验信息

---

分区

解决：

整块盘分成哪几个逻辑区域？

例如：

C 盘

D 盘

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逻辑格式化

解决：

这个分区使用什么文件系统？

例如建立：

• 根目录
• 空闲块管理结构
• 文件系统元数据

---

五十一、2017 年真题

【2017 年 408 真题】

题目问逻辑格式化做什么：

I. 分区 II. 建立根目录 III. 确定扇区校验码位数 IV. 初始化空闲磁盘块管理结构

正确：

II、IV。

(Any Docs)

原因：

分区：

不属于逻辑格式化。

扇区校验：

更靠近物理格式化。

根目录和空闲空间：

属于文件系统，所以是逻辑格式化。

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五十二、2021 年启动大题

【2021 年 408 真题】

题目给出了：

• ROM 引导程序
• 磁盘引导程序
• 分区引导程序
• OS 初始化程序

问执行顺序。

正确：

ROM 引导 → 磁盘引导 → 分区引导 → 操作系统初始化

(Any Docs)

理解：

开机 CPU 什么都不知道。

只能先执行：

固化在 ROM 中的程序。

ROM 去找：

磁盘第一个扇区 / 主引导记录。

然后：

磁盘引导程序选择分区

↓

分区引导程序

↓

加载 OS

↓

OS 初始化。

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五十三、题型十四：SSD

SSD 是目前非常适合继续出新题的部分。

模拟题里已经考了：

• Flash Translation Layer
• 擦除块
• 页
• 磨损均衡
• SSD 与 HDD 调度差异。(Any Docs)

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五十四、SSD 最重要结构

典型 NAND Flash：

页是读写单位，块是擦除单位。

也就是说：

写：

页级。

擦除：

块级。

因此：

修改一个已经写过的页，往往不能像内存一样原地覆盖。

可能需要：

1. 写到新页
2. 更新地址映射
3. 老页失效
4. 垃圾回收

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五十五、FTL

Flash Translation Layer：

闪存转换层。

主机看到：

逻辑块地址 LBA。

但真正数据可能在：

Flash 某芯片、某块、某页。

FTL 负责：

LBA → Flash 物理地址。

模拟题正确选项也明确指出了这一地址转换功能。(Any Docs)

---

五十六、磨损均衡

Flash 块：

擦写次数有限。

因此不能永远使用同一批块。

SSD 控制器会尽量让：

各块擦写次数相近。

这就是：

Wear Leveling，磨损均衡。

所以模拟题中：

“优先不断使用更老、已经擦写更多的块”

是错误的。(Any Docs)

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五十七、本章最容易混的 10 组概念

建议最后复习时专门检查。

1. 逻辑设备 vs 物理设备

用户：

逻辑设备。

驱动：

物理设备。

---

2. 设备独立软件 vs 驱动程序

设备独立：

通用。

驱动：

硬件相关。

---

3. 中断驱动 vs DMA

中断：

数据传输 CPU 参与较多。

DMA：

数据块主要直接在设备和内存之间传输。

---

4. Cache vs Buffer

Cache：

重点是避免重复访问慢速层。

Buffer：

重点是协调速度差、支持并行。

现实系统中二者功能会有交叉，但考试概念要分清。

---

5. 输入井 / 输出井 vs 输入 / 输出缓冲区

井：

外存。

缓冲：

内存。

---

6. 设备独立性 vs 虚拟设备

设备独立性：

用户不依赖具体物理设备。

虚拟设备：

一台物理独占设备看起来变成多台逻辑设备。

---

7. SCAN vs LOOK

SCAN：

物理端点。

LOOK：

最远请求。

---

8. CSCAN vs SCAN

SCAN：

来回服务。

CSCAN：

只在一个方向服务。

---

9. 物理格式化 vs 逻辑格式化

物理：

磁道、扇区。

逻辑：

文件系统。

---

10. HDD vs SSD

HDD：

寻道 + 旋转。

SSD：

无机械寻道，但有擦除、垃圾回收、磨损等问题。

---

五十八、从真题看，第 5 章应该怎么分优先级

结合本站目前整理的真题，建议这样复习。

第一梯队：必须熟练

磁盘调度

重点：

• SSTF
• SCAN
• CSCAN
• LOOK
• 移动距离

真题出现非常多，包括 2009、2010、2015、2018、2019、2021、2024 等不同角度。(docs.any1.tech)

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缓冲计算

重点：

• 单缓冲
• 双缓冲
• 流水并行

2011、2013 均有典型真题。(Any Docs)

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I/O 软件层次

一定知道：

系统调用 → 驱动 → 中断

和：

谁负责什么。

---

第二梯队：选择题高频

• DMA
• 中断
• 设备独立性
• SPOOLing
• 驱动程序
• 磁盘格式化

---

第三梯队：很适合新题

• SSD
• FTL
• 磨损均衡
• Cache / 延迟写
• 设备分配数据结构
• 网络设备驱动

---

五十九、总结的“看到题干 → 立刻反应”

以后做题可以建立这种条件反射。

看到：

“逻辑设备名”

想到：

设备独立性。

---

看到：

“柱面、磁头、扇区转换”

想到：

设备驱动程序。

---

看到：

“设备完成”

想到：

中断。

---

看到：

“设备与内存大块数据直接传输”

想到：

DMA。

---

看到：

“打印机共享”

想到：

SPOOLing。

---

看到：

“输入井 / 输出井”

想到：

外存。

---

看到：

“系统缓冲区和 CPU 同时工作”

想到：

画流水线。

---

看到：

“最近磁道”

想到：

SSTF。

---

看到：

“像电梯一样”

想到：

SCAN。

---

看到：

“始终一个方向”

想到：

CSCAN。

---

看到：

“只到最远请求”

想到：

LOOK / CLOOK。

---

看到：

“6000 r/min”

马上算：

$$6000/60=100\text{ r/s}$$

所以：

$$1\text{ 圈}=10\text{ ms}$$

平均旋转：

$$5\text{ ms}$$

---

六十、很可能出现的综合新考法

结合现在 408 越来越喜欢跨知识点组合的特点，这一章非常适合这样出题。

预测 1：DMA + 缺页 + I/O

例如：

用户进程读取磁盘文件，目标缓冲区某页尚未装入内存，描述从系统调用、页框分配、DMA、磁盘完成中断到进程重新运行全过程。

这种题实际上把：

第 3 章虚拟内存 + 第 5 章 I/O

结合。

---

预测 2：文件系统 + 磁盘调度

例如：

给出 inode / 索引块后：

算出要访问的逻辑块。

再要求：

转换成柱面。

最后：

用 SSTF 或 SCAN 求访问顺序。

这就是：

第 4 章 + 第 5 章。

2019 真题已经体现了这种综合化趋势。(Any Docs)

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预测 3：缓冲 + DMA + CPU 利用率

例如：

磁盘传输每块需要 100 μs，

DMA 完成中断处理需要 2 μs，

CPU 每块计算 80 μs，

采用双缓冲，

问：

• 总执行时间
• CPU 忙碌比例
• DMA 中断次数。

本质：

流水线 + DMA。

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预测 4：SSD 与 HDD 对比

比如给两个请求序列：

要求分别判断：

HDD 用哪个调度算法更好？

以及：

SSD 为什么不一定需要 SSTF / SCAN？

进一步加入：

• 写放大
• 垃圾回收
• 磨损均衡

都完全有可能。

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六十一、最后给出一张本章“解题路线图”

遇到第 5 章题，建议按下面判断。

如果是“谁来做”

判断它的位置：

用户接口 → 设备独立软件 → 驱动 → 中断 → 硬件。

---

如果是“怎么传数据”

判断：

查询 / 中断 / DMA。

问自己：

CPU 是否忙等？

CPU 是否逐个参与数据搬运？

完成后是否发中断？

---

如果是“缓冲时间”

绝对不要第一反应就加：

$$T+M+C$$

先画：

第 1 块 第 2 块 第 3 块

看哪些能重叠。

---

如果是“磁盘地址”

按：

柱面容量 → 整除得到柱面 → 余数继续除磁道容量 → 得扇区。

---

如果是“磁盘调度”

先写五件事：

1. 当前磁头位置
2. 当前方向
3. 磁道编号范围
4. 请求序列
5. 算法

然后：

先确定访问顺序，再算距离。

绝对不要边想顺序边直接算。

---

如果是“磁盘时间”

拆成：

$$T_{\text{总}}=T_{\text{寻道}}+T_{\text{旋转}}+T_{\text{传输}}$$

---

如果是“格式化”

记：

物理格式化 → 分区 → 逻辑格式化 → 安装系统。

---

如果是“SSD”

记：

无机械寻道 + FTL + 页写块擦 + 垃圾回收 + 磨损均衡。

---

本章真正要达到的水平

不是背“2011 年答案 1550 μs”，也不是背“2024 年答案 788”。

而是看到任何新题，都能马上识别：

它到底是在考 I/O 层次、控制方式、缓冲流水线、设备虚拟化，还是磁盘机械访问模型。

尤其建议把下面 5 道真题作为这一章的核心母题反复做：

2011 单 / 双缓冲：掌握流水并行。 2017 DMA 顺序：掌握 DMA 工作过程。 2019 磁盘综合题：掌握簇号、CHS、SSTF、驱动程序。 2010 磁盘综合题：掌握位图、CSCAN、寻道 / 旋转 / 传输时间、SSD。 2024 CSCAN：掌握循环扫描和端点距离。(docs.any1.tech)

这 5 道吃透以后，第 5 章绝大多数计算题和综合题就已经形成体系了。