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43 分钟
5.2设备独立性软件
2026-05-30
考研笔记
操作系统
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408
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考研

5.2.1 设备独立性软件#

设备独立性软件(也称与设备无关的软件)位于设备驱动程序之上，是内核I/O子系统的最高层。该层与设备驱动程序之间的界限并非固定，常因操作系统设计或设备类型而异。例如，某些通常由设备独立性软件实现的功能，有时会被下放至驱动程序中。这种设计差异源于对系统性能、代码复用性及驱动程序效率等多方面因素的综合权衡。总体而言，其核心职责是实现各类设备的公共操作，为上层提供统一、抽象的IO接口。具体包括以下五项公共功能。

  1. 提供统一的驱动程序接口。为便于驱动开发与系统扩展，所有设备驱动程序应遵循一致的接口规范。设备独立性软件负责将抽象设备名映射到具体的物理设备，并定位相应驱动程序的入口，同时确保IO操作通过内核受控路径执行，保障系统安全。
  2. 缓冲管理。系统普遍采用缓冲机制以缓解CPU与外设之间的速度差异，提高CPU利用率。缓冲形式包括单缓冲、双缓冲、环形缓冲和缓冲池等，可根据应用场景灵活选用。
  3. 差错控制。I/O设备因含机械与电气部件，故障率较高，产生的错误可分为两类：暂时性错误(如网络丢包)，通常通过重试纠正，仅当连续失败后才视为持久性错误。此类错误主要由驱动程序处理，设备无关层仅介入驱动程序无法解决的情形。持久性错误(如磁盘划痕)，操作系统可将其记录至坏块表，后续I/O自动绕过，避免更换整盘。
  4. 独占设备的分配与回收。对打印机等独占设备，系统需要统一分配以避免竞争。进程请求设备时，若设备空闲，则立即分配；否则，被阻塞并加入等待队列。设备释放时，若队列非空，则唤醒队首进程；否则，置设备状态为“空闲”，完成回收。
  5. 提供统一的逻辑数据块。不同设备的数据交换单位各异：字符设备以字节为单位，块设备以固定大小的数据块为单位，并且块长可能不一。设备独立性软件通过抽象层屏蔽这些差异，向上层提供大小统一的逻辑数据块，使上层无须感知底层设备特性。

5.2.2 高速缓存与缓冲区#

1. 磁盘高速缓存(Disk Cache)#

操作系统采用磁盘高速缓存技术以提高磁盘I/O性能，访问高速缓存中的数据比直接读/写磁盘更高效。磁盘高速缓存不同于通常意义下的位于CPU与主存之间的硬件高速缓存，而是指利用内存中的存储空间暂存从磁盘读取的盘块数据。这些数据在逻辑上是磁盘内容的副本，物理上则驻留在内存中。磁盘高速缓存在内存中有两种组织形式：一种是在内存中开辟固定大小的专用缓存区；另一种是将系统空闲内存作为动态缓冲，供请求分页系统和磁盘I/O子系统共享使用。

2. 缓冲区(Buffer)#

在设备管理子系统中，引入缓冲区的主要目的如下：

  1. 缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。
  2. 减少对CPU的中断频率，放宽对中断响应时间的限制。
  3. 解决基本数据单元大小(数据粒度)不匹配的问题。
  4. 提高CPU与I/O设备之间的并行性。

缓冲区的实现方法包括：

  1. 采用硬件缓冲器，但由于成本较高，除一些关键部位外一般不采用。
  2. 利用内存作为缓冲区，本节要介绍的正是由内存组成的缓冲区。

根据系统设置的缓冲区数量，缓冲技术可分为以下几种：

(1) 单缓冲#

当用户进程发出I/O请求时，操作系统在内存中为其分配一个缓冲区，其大小通常为一个数据块。在块设备输入过程中，假设设备将一块数据送入缓冲区的时间为 TT，操作系统将缓冲区数据传送到用户工作区的时间为 MM，CPU处理该块数据的时间为 CC。对于块设备，必须等整块数据装入缓冲区后，才能将其传送到工作区。

在单缓冲中，设备向缓冲区写入数据的时间 TT 可与CPU处理前一块数据的时间 CC 并行。当 T>CT > C 时，设备向缓冲区填充数据的速度慢于CPU处理数据的速度。此时，CPU在完成当前数据块的处理后，必须等待设备将下一块数据完整写入缓冲区；只有缓冲区装满后，操作系统才能将该数据块从缓冲区传送到用户工作区。处理每块数据所需的时间为 T+MT + M。

当 T<CT < C 时，设备填充缓冲区的速度快于CPU的处理速度。此时，缓冲区一旦装满，设备便无法继续写入新数据，必须等待CPU完成对当前工作区数据的处理；此后，操作系统才能将缓冲区中的数据移至工作区，从而释放缓冲区空间。处理每块数据所需的时间为 C+MC + M。

综上，单缓冲处理每块数据所需的时间为 Max(T,C)+M\text{Max}(T, C) + M。

由于单缓冲区是共享资源，设备与CPU对其访问必须互斥。若CPU尚未取走缓冲区中的数据，即使设备已准备好新数据，也无法写入缓冲区，此时设备需等待CPU释放缓冲区。

(2) 双缓冲#

为了加快输入/输出速度，提高设备利用率，引入了双缓冲机制(也称缓冲对换)。当设备输入数据时，先将数据送入缓冲区1；装满后，转向缓冲区2写入。此时，操作系统可从已满的缓冲区1中取出数据送入用户工作区，并由CPU进行处理。当缓冲区1的数据处理完后，若缓冲区2已装满，则操作系统切换到从缓冲区2中取数据送入用户工作区，而设备又可以开始向缓冲区1写入新数据。可见，双缓冲显著提高了设备与CPU的并行程度。

仍假设设备输入数据到缓冲区、数据传送到工作区和处理的时间分别为 TT、MM 和 CC。在双缓冲中，设备向一个缓冲区写入数据的时间 TT 可与操作系统传送及处理的时间 C+MC + M 并行。

当 T>C+MT > C + M 时，设备输入所需时间大于数据传送与处理的总时间。此时，设备可连续工作。假设在某一时刻，缓冲区1为空，缓冲区2已满：操作系统开始将缓冲区2的数据传送到工作区(耗时 MM)，CPU随即处理该数据(耗时 CC)，同时设备向缓冲区1写入新数据。由于 T>C+MT > C + M，当缓冲区2的数据处理完毕时，缓冲区1尚未装满，系统必须等待其装满后，才能将下一块数据从缓冲区1传送到工作区。处理每块数据所需的时间为 TT。

当 T<C+MT < C + M 时，设备输入较快，CPU无须等待设备。类似地，当缓冲区1为空、缓冲区2已满时：操作系统传送并处理缓冲区2的数据(共耗时 C+MC + M)，同时设备向缓冲区1写入数据。由于 T<C+MT < C + M，缓冲区1很快装满，但系统仍需等待缓冲区2的数据完全处理完毕，才能切换至缓冲区1并传送其内容。处理每块数据所需的时间为 C+MC + M。

综上，双缓冲处理每块数据的时间为 Max(T,C+M)\text{Max}(T, C + M)。

在双机通信场景中，若要实现全双工通信(双方同时收发数据)，每台机器需分别设置发送缓冲区和接收缓冲区。A机的发送缓冲区对应B机的接收缓冲区，反之亦然。若仅在每台机器中配置单一缓冲区，则无法同时进行发送与接收操作。

(3) 循环缓冲#

在双缓冲机制中，当输入与输出速度基本匹配时，能够取得较好的效果；但若两者速率相差较大，则双缓冲难以充分发挥作用。为此，可引入多缓冲机制，并将多个缓冲区组织成循环缓冲区的形式。循环缓冲由若干个大小相等的缓冲区构成，每个缓冲区包含一个链接指针，指向下一个缓冲区；最后一个缓冲区的指针则指向第一个缓冲区，从而形成一个循环队列结构。

系统需维护两个指针：in 和 out。其中，in 指向下一个待写入的空缓冲区，out 指向下一个待读取的满缓冲区。输入进程和计算进程在运行过程中分别推进 in 和 out 指针，沿链接方向循环移动。采用循环缓冲技术，可以实现输入进程与计算进程的并行执行。由于两者的处理速度可能不一致，在运行过程中可能出现以下两种同步情形。

  1. in 追赶上 out(称为系统受计算限制)。表明输入进程的写入速度快于计算进程的处理速度，导致所有缓冲区均被填满，无空缓冲区可供继续写入。此时，输入进程必须阻塞，直至计算进程从某个缓冲区中取走数据，释放出一个空缓冲区，并唤醒输入进程。
  2. out 追赶上 in(称为系统受I/O限制)。表明计算进程的处理速度快于输入进程的供给速度，导致所有缓冲区均为空，无数据可供继续处理。此时，计算进程必须阻塞，直至输入进程向某个缓冲区写入数据，使其变为满缓冲区，并唤醒计算进程。
(4) 缓冲池#

相比于单个缓冲区(仅是一块内存区域)，缓冲池是一种包含管理数据结构和操作函数的软件机制，用于统一管理多个缓冲区，并支持多进程共享使用。

缓冲池由系统统一管理的供多个进程共享的一组缓冲区构成。根据使用状态，这些缓冲区被组织为以下队列：

  1. 空缓冲队列，由空缓冲区链接而成；
  2. 输入队列，由装满输入数据的缓冲区链接而成；
  3. 输出队列，由装满输出数据的缓冲区链接而成。

在操作过程中，缓冲区可动态扮演以下四种角色：

  1. 收容输入缓冲区(hin)，用于暂存输入数据；
  2. 提取输入缓冲区(sin)，用于读取输入数据；
  3. 收容输出缓冲区(hout)，用于暂存输出数据；
  4. 提取输出缓冲区(sout)，用于读取输出数据。

缓冲池中的缓冲区按以下4种方式工作。

  1. 收容输入。输入进程需要输入数据时，从空缓冲队列队首摘取一个空缓冲区，作为收容输入缓冲区，将输入数据写入其中，装满后将其挂到输入队列队尾。
  2. 提取输入。计算进程需要输入数据时，从输入队列队首摘取一个缓冲区，作为提取输入缓冲区，从中读取数据，读取完毕后将其挂到空缓冲队列队尾。
  3. 收容输出。计算进程需要输出数据时，从空缓冲队列队首摘取一个空缓冲区，作为收容输出缓冲区，将输出数据写入其中，装满后将其挂到输出队列队尾。
  4. 提取输出。输出进程需要输出数据时，从输出队列队首摘取一个缓冲区，作为提取输出缓冲区，从中读取数据，读取完毕后将其挂到空缓冲队列队尾。

对于循环缓冲和缓冲池，本节仅介绍其工作机制，不涉及时间性能的定量分析。而对于单缓冲和双缓冲，只要依据前述模型进行分析，即可求解任意场景下处理每块数据所需的时间。

3. 高速缓存与缓冲区的对比#

在I/O系统中，高速缓存(Cache)是一种利用高速存储介质保存慢速设备数据副本的机制，其访问速度远高于直接访问慢速设备。高速缓存与缓冲区的对比如表5.1所示。

表5.1 高速缓存和缓冲区的对比

高速缓存缓冲区
相同点均位于高速设备和低速设备之间，用于缓解二者之间的速度差异
区别存放已存在于慢速设备上的数据副本；缓存中的数据可长期驻留，直至被替换存放正在传输过程中的数据；这些数据源自发送方(高速或低速设备)，传输完成后通常立即释放
目的提高重复访问的效率：若所需数据已存在于缓存中，则可避免访问低速设备提高数据传输的效率与并行性：通过暂存数据，协调速度差异、降低中断频率、匹配数据粒度等

5.2.3 I/O设备分配与回收#

1. 设备分配概述#

设备分配是指根据用户的I/O请求分配所需设备的过程。分配的总体原则是：在充分发挥设备使用效率(使设备尽可能忙碌)的同时，避免因分配策略不当引发进程死锁。

2. 设备分配的数据结构#

在系统中，可能存在多个通道，一个通道可连接多个控制器，每个控制器又可连接多个物理设备。设备分配的数据结构要能体现出这种从属关系，各数据结构的介绍如下。

  1. 设备控制表(DCT)：系统为每个物理设备配置一张DCT，用于记录该设备的各项属性，如图5.12所示。DCT中的主要字段包括：

    设备类型：表示设备类型，如打印机、扫描仪、键盘等。 设备标识符：即物理设备名，该标识符在系统内是唯一的。 设备状态：表示当前设备的状态(忙/闲)。 指向控制器表的指针：每个设备由一个控制器控制，该指针指向对应的控制器表。 重复执行次数或时间：系统指定I/O操作的可重试次数，超过此值则判定为I/O失败。 设备队列的队首指针：指向因请求该设备而阻塞的进程队列(由PCB构成)的队首。

NOTE

当某进程释放设备且无其他进程等待时，系统会将DCT中的设备状态置为空闲，完成设备回收。

  1. 控制器控制表(COCT)：每个设备控制器对应一张COCT，用于记录控制器的状态及所辖设备信息，如图5.13(a)所示。通过COCT中的“与控制器连接的通道表指针”，可以找到相应通道的信息。操作系统根据COCT对控制器进行操作和管理。
  2. 通道控制表(CHCT)：每个通道对应一张CHCT，用于管理该通道及其下属控制器，如图5.13(b)所示。通过CHCT中的“与通道连接的控制器表首址”，可以找到该通道管理的所有控制器的信息。操作系统根据CHCT对通道进行操作和管理。
  3. 系统设备表(SDT)：整个系统只维护一张SDT，作为所有物理设备的全局索引。每个表目对应一个设备，通常包含设备类型、标识符等信息。

在多道程序系统中，由于进程数通常多于设备数，必须采用合理的分配策略。主要考虑的因素包括：设备的固有属性、分配算法、分配的安全性以及设备的独立性。

3. 设备分配时应考虑的因素#

(1) 设备的固有属性#

设备的固有属性可分为三类，需采用不同的分配策略。

  1. 独占设备：分配给某进程后，便由其独占使用，直至进程主动释放或终止。
  2. 共享设备：可同时供多个进程使用，需通过调度机制协调访问顺序(如磁盘)。
  3. 虚拟设备：通过对独占设备进行虚拟化(如SPOOLing技术)，使其在逻辑上表现为可共享设备，允许多个进程并发地提交I/O请求。
(2) 设备分配算法#

常用的设备分配算法主要有两种。

  1. FCFS算法。按进程请求设备的先后顺序，排成一个等待队列，优先分配给队首进程。
  2. 最高优先级优先算法。高优先级进程排在队列前方，优先级相同时按FCFS原则排队。
(3) 设备分配中的安全性#

指在分配过程中应避免死锁的发生，主要通过以下两种方式实现。

  1. 安全分配方式。每当进程发出I/O请求后，便立即进入阻塞态，直至I/O操作完成才被唤醒。在此期间，进程不再请求任何其他资源，从而有效避免死锁。其优点是安全性高，缺点是CPU与I/O设备串行工作，系统效率较低。
  2. 不安全分配方式。进程在发出I/O请求后仍继续运行，需要时可发出第二个、第三个I/O请求等。仅当所请求的设备已被其他进程占用时，才进入阻塞态。其优点是单个进程可同时使用多个设备，使进程推进迅速；缺点是可能因循环等待而造成死锁。

4. 设备分配的步骤#

下面以独占设备为例，介绍设备分配的过程。

  1. 分配设备。首先根据I/O请求中的物理设备名，查找SDT，从中找出该设备的DCT，再根据DCT中的设备状态字段判断其状态。若忙，则将进程PCB挂入设备等待队列；若空闲，则将设备分配给该进程。
  2. 分配控制器。设备分配后，根据DCT找到对应的COCT，查询控制器的状态。若忙，则将进程PCB挂入控制器等待队列；若空闲，则将控制器分配给该进程。
  3. 分配通道。控制器分配后，根据COCT找到对应的CHCT，查询通道的状态。若忙，则将进程PCB挂入通道等待队列；若空闲，则将通道分配给该进程。只有当设备、控制器和通道均成功分配后，此次设备分配才算完成，随后可启动设备进行数据传送。

上述过程基于物理设备名发出I/O请求。若指定设备已被其他进程占用，则分配失败，说明该方案缺乏设备独立性。为实现设备独立性，进程应使用逻辑设备名。此时，系统从SDT中依次查找该类设备的DCT：若某设备空闲，则进行后续分配；仅当所有同类设备都忙时，才将进程挂入该类设备的公共等待队列。只要存在一个可用设备，系统便会继续进行后续分配流程。

5. 逻辑设备名到物理设备名的映射#

为实现设备独立性，进程应使用逻辑设备名请求某类设备。由于系统只能识别物理设备名，需在系统中配置一张逻辑设备表(Logical Unit Table, LUT)，用于建立逻辑设备名到物理设备名的映射。LUT的每个表项包含三项内容：逻辑设备名、物理设备名和驱动程序入口地址。当进程使用某个逻辑设备名请求设备时，系统为其分配一台空闲的物理设备，并在LUT中建立相应表目。此后，该进程的所有I/O请求均通过该表项找到对应的物理设备及其驱动程序。

系统中可采用两种方式设置逻辑设备表。

  1. 整个系统仅设置一张LUT。所有进程的设备分配情况都记录在同一张LUT中，这就要求所有用户不能使用相同的逻辑设备名，适用于单用户系统。
  2. 为每个用户设置一张LUT。系统仍维护全局的系统设备表(SDT)。不同用户可以使用相同的逻辑设备名，互不干扰，适用于多用户系统。

5.2.4 SPOOLing 技术(假脱机技术)#

为缓和CPU的高速性与I/O设备低速性之间的矛盾，操作系统引入了 SPOOLing，即假脱机技术。其思想源于早期的脱机I/O方式：依赖专用外围控制机，在主机不参与的情况下完成I/O操作。输入时，外围机将低速输入设备(如纸带机)上的数据预先读入高速磁盘；输出时，CPU先将结果高速写入磁盘，再由外围机将数据送至低速输出设备(如打印机)。由于整个I/O过程脱离主机控制，因此称为脱机。随着多道程序设计技术的发展，操作系统不再需要物理外围机，而通过专门的输入进程与输出进程，在主机直接控制下模拟外围机的功能：输入进程负责将低速输入设备的数据提前读入磁盘上的输入井；输出进程则将用户作业的输出结果暂存于磁盘的输出井，再逐步送往实际输出设备。由此，I/O操作与CPU计算得以并行执行。

这种以磁盘为缓冲、用软件模拟脱机I/O的机制，正是SPOOLing 技术的本质。“脱机”承袭自早期脱机I/O的思想，“假”则体现在以多道程序和磁盘空间替代外围机，进而将一台物理独占设备虚拟为多台逻辑设备，实现设备共享。

(1) 输入井和输出井#

在磁盘上开辟的两个专用存储区域。输入井模拟脱机输入的磁盘，用于暂存输入设备的数据。输出井模拟脱机输出的磁盘，用于暂存用户程序的输出数据。每个进程的输入(或输出)数据以文件形式保存(称为井文件)，所有文件按顺序链接成输入队列或输出队列。

(2) 输入缓冲区和输出缓冲区#

在内存中开辟的两个缓冲区。输入缓冲区暂存由输入设备送来的数据，随后传送到输入井。输出缓冲区暂存从输出井读出的数据，随后传送到输出设备。

(3) 输入进程和输出进程#

输入进程模拟脱机输入的外围控制机，负责将输入设备的数据经输入缓冲区传送到输入井。当CPU需要输入数据时，直接从输入井读取。输出进程模拟脱机输出的外围控制机，负责将用户程序的输出数据写入输出井，并在输出设备空闲时，经输出缓冲区将数据传送到输出设备。

(4) 井管理程序#

控制作业与磁盘井之间的信息交换。

打印机是典型的独占设备。通过SPOOLing技术，可将其改造为可供多个用户共享的虚拟设备。当多个用户进程发出打印请求时，SPOOLing 系统接受其请求，但并不真正立即将物理打印机分配给它们，而是由输出进程为每个进程完成以下两项操作。

  1. 在磁盘输出井中为其分配一个空闲盘块，并将待打印数据写入其中。
  2. 申请一张用户请求打印表，记录用户的打印要求，并将该表挂到假脱机打印队列上。

完成上述操作后，用户进程即认为打印任务已完成，可继续执行后续代码。实际上，真实打印尚未开始，但该过程对用户完全透明。真正的打印由后台的假脱机打印进程负责。当打印机空闲时，该进程检查假脱机打印队列；若队列非空，则取出队首的请求表，根据其中信息将对应的输出数据从输出井读入内存缓冲区，再送至物理打印机进行输出。一个任务完成后，继续处理下一个；若队列为空，则该进程进入等待状态，直至有新的打印请求将其唤醒。由于用户进程仅需将数据写入磁盘即可返回，而物理打印由后台进程按队列顺序依次执行，多个用户便可并发提交打印请求。系统为每个请求在输出井中分配独立的存储区域，使各进程均以为自己独占了一台打印机。由此，一台物理打印机被虚拟为多台逻辑设备，实现了高效且透明的共享。

SPOOLing 系统的特点：

  1. 提高了I/O速度，将对低速I/O设备的操作转化为对磁盘输出井中数据的存取，如同脱机输入/输出一样，有效缓和了CPU与低速I/O设备之间速度不匹配的矛盾；
  2. 将独占设备改造为共享设备，在假脱机打印机系统中，实际上并未将物理设备分配给任何进程；
  3. 实现了虚拟设备功能，每个进程都认为自己独占了一台设备。

SPOOLing 技术是一种以空间换时间的技术。它通过开辟磁盘空间作为输入井和输出井，牺牲了存储空间，但显著节省了时间。磁盘是一种高速设备，其与内存交换数据的速度远高于打印机等低速设备。若无SPOOLing 技术，CPU向打印机输出数据时，必须等待缓慢的打印操作完成，才能继续后续工作，造成CPU时间的浪费。而在SPOOLing 技术下，CPU可将待打印数据快速写入磁盘输出井(该过程由输出进程控制)，随即继续执行其他任务。若打印机正被占用，SPOOLing系统会将该打印请求挂到等待队列上，待打印机空闲时再按序输出。由于向磁盘写入数据的速度远快于直接驱动打印机，整体I/O效率得以提升，CPU与I/O设备实现了并行工作。

5.2.5 设备驱动程序接口#

设备驱动程序是I/O系统上层与设备控制器之间的通信桥梁。其主要任务是接收上层软件发来的抽象I/O请求(如read/write)，将这些请求转换为设备可识别的具体命令，并发送给设备控制器以启动设备执行相应操作；同时，也将设备控制器返回的状态和中断信息反馈给上层。

为实现上述通信功能，设备驱动程序应具备以下功能：

  1. 接收上层软件传递的命令和参数，并将抽象的I/O请求转换为与具体设备相关的操作指令。例如，将逻辑盘块号转换为磁盘的盘面号、磁道号和扇区号；
  2. 检查用户I/O请求的合法性，查询设备当前状态，传递必要参数，并设置其工作方式；
  3. 发出I/O命令：若设备空闲，则立即启动设备执行操作；若设备正忙，则将请求进程的PCB挂到该设备的等待队列上以待调度；
  4. 及时响应设备控制器发出的中断请求，并根据中断类型调用相应的中断处理程序进行处理。

相比于普通应用程序和系统程序，设备驱动程序具有以下特点：

  1. 它在抽象I/O请求与具体设备操作之间实现双向转换，并将设备状态及操作完成情况及时反馈给请求进程；
  2. 其实现与设备所采用的I/O控制方式(如中断驱动方式、DMA方式)紧密相关；
  3. 由于直接操作硬件，不同类型的设备必须配备相应的专用驱动程序；
  4. 部分底层驱动功能可能由设备固件或系统ROM提供；
  5. 驱动程序应设计为可重入的，以支持多个进程对同一设备的并发调用。

为使各类设备驱动程序具有统一的接口，操作系统要求：

  1. 所有驱动程序与内核之间遵循相同或相近的接口规范，便于新增和维护；
  2. 通过设备管理模块将逻辑设备名映射为物理设备名，并定位到对应的驱动程序入口；
  3. 对设备访问实施权限控制，防止未授权用户非法使用设备。

5.2.6 I/O操作举例#

由于统考对I/O的考查日益深入，本节以C语言中的库函数 scanf() 为例，从执行 scanf("%c", &d) 开始，到键盘输入的字符最终存入变量 d，介绍I/O操作的具体执行过程。

在讨论之前，先补充两个概念：内核缓冲区(位于内核空间)和与之对应的用户缓冲区(位于用户空间)。这两个地址空间相互隔离：内核空间存放操作系统代码和数据，供所有进程共享；而用户程序运行在用户空间。由于系统调用在内核态执行，因此必须先将I/O设备的数据复制到内核缓冲区，在系统调用返回前，再将数据从内核缓冲区复制到用户缓冲区。

当程序调用 scanf("%c", &d) 时，试图通过键盘输入为变量 d 赋值。scanf() 会关联一个由C标准库在用户空间管理的缓冲区 buf。scanf() 函数的执行分为两个阶段。

第一阶段的工作是在C标准库中完成的：

  1. 检查与 scanf() 函数关联的用户缓冲区 buf。若其中已有数据，则直接读取；若缓冲区为空，则触发系统调用 read，从内核缓冲区中读取数据。
  2. 执行 read 系统调用。在执行 trap 指令前，需要传入三个参数：
    • fd：文件描述符，标识输入设备(此处为标准输入)。
    • buf：用户空间的缓冲区，用于接收从内核复制的数据。
    • count：期望读取的最大字节数。

第二阶段的工作是系统调用，在内核中完成。read 系统调用通过一段包含陷阱指令的代码，使CPU从用户态陷入内核态，执行相应的系统调用服务例程。

进入内核态后，系统调用服务例程访问内核缓冲区，并转至真正执行I/O操作的设备驱动层。在中断驱动方式下，系统调用服务例程的执行过程大致如下。

  1. 设置相应的I/O参数后，发起I/O的进程P进入阻塞态，CPU调度其他进程运行。
  2. 用户通过键盘输入字符，该字符被送入键盘I/O接口的数据端口。
  3. 键盘I/O接口向CPU发出中断请求。
  4. CPU响应中断，执行键盘中断处理程序，读取字符并将其从I/O端口送入内核缓冲区。
  5. 进程P被唤醒，并加入就绪队列，等待调度。
  6. 进程P再次获得CPU后，系统调用服务例程将字符从内核缓冲区复制到用户缓冲区。
  7. 进程P从系统调用返回，随后 scanf() 对缓冲区中的字符进行解析，最终将其存入变量 d。

值得注意的是，在此过程中，用户输入的字符首先从键盘I/O接口的数据端口送入内核缓冲区，再从内核缓冲区送入用户缓冲区。前者由设备驱动程序完成(因其需直接操作I/O端口)，后者由设备无关的I/O软件层完成(因其不依赖具体硬件)。

5.2.7 本节小结#

本节开头提出的问题的参考答案如下。

  1. 当处理机和外部设备的速度差距较大时，有什么办法可以解决问题？

    可采用缓冲技术来缓解CPU与外设速度上的矛盾，即在主存中设立一片缓冲区，外设与CPU的输入/输出都经过该缓冲区，从而减少相互等待，提高系统效率。

  2. 什么是设备的独立性？引入设备的独立性有什么好处？

    设备独立性是指应用程序使用逻辑设备名进行I/O操作，而无须指定具体的物理设备。操作系统在运行时将逻辑设备名动态映射到实际可用的物理设备。引入设备独立性的主要优点包括：

    1. 简化编程，屏蔽底层硬件细节；
    2. 提高程序可移植性，使同一程序能在不同硬件配置的系统上运行；
    3. 支持I/O重定向与设备动态绑定，提升系统灵活性和资源利用率。
5.2设备独立性软件
https://www.atsuko.top/posts/408/operating-system/52-device-independence-software/
作者
AC_DB
发布于
2026-05-30
许可协议
CC BY-NC-SA 4.0
5.1IO管理概述
5.3磁盘和固态硬盘

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