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题1

Jun 19, 202518 min read

题1

题目

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【2023 统考真题】进程 P 通过执行系统调用从键盘接收一个字符的输入,已知此过程中与进程 P 相关的操作包括:
①将进程 P 插入就绪队列;
②将进程 P 插入阻塞队列;
③将字符从键盘控制器读入系统缓冲区;
④启动键盘中断处理程序;
⑤进程 P 从系统调用返回;
⑥用户在键盘上输入字符。
以上编号仅用于标记操作, 与操作的先后顺序无关。
请回答下列问题。

  1. 按照正确的操作顺序，操作 (1) 的前一个和后一个操作分别是上述操作中的哪一个？操作 (6) 的后一个操作是上述操作中的哪一个?
  2. 在上述哪个操作之后 CPU 一定从进程 P 切换到其他进程? 在上述哪个操作之后 CPU 调度程序才能选中进程 执行?
  3. 完成上述哪个操作的代码属于键盘驱动程序?
  4. 键盘中断处理程序执行时, 进程 P 处于什么状态? CPU 是处于内核态还是处于用户态?

分析

[!NOTE]+
在IO系统或IO子系统的五层结构里，如果一个操作涉及具体的硬件，同时它又不是中断相关的，那它大概率是设备驱动程序在执行。如果不涉及具体的硬件，那它应该是设备独立性软件在做这个工作。之前的笔记应该有写到这一点。第一个问题是问操作1，也就是将进程P插入就绪队列。就绪态就是只差CPU了，其他所有资源都准备好了。它的前一个操作是给它分配资源；后一个操作是把CPU分配给它。操作6（用户在键盘上输入字符）肯定在操作4（启动键盘中断处理程序）之后。输入字符后，可以把字符读入缓冲区。然后进程P用系统调用从内核系统缓冲区读出这个字符。这时可以将P置为就绪态，即操作1。所以顺序是6、3、1。然后启动键盘中断处理程序。将进程P阻塞应该是在等待输入，所以操作2（将进程P插入阻塞队列）应该在操作3（将字符从键盘控制器读入系统缓冲区）之前。

我完全想错了，上面是我这个错误的思考。这个东西应该放在一个具体的场景。比如说我们用scanf函数，现在要等待键盘输入，这个scanf就调用库函数，然后就执行系统调用，我们就要等待接收这个字符了。那我们应该是假设一下，现在执行到scanf这个函数。那我们就要把这个进程P阻塞起来，我们现在就等键盘输入了，对吧？也就是第一步应该是阻塞。然后我们的第二步就是让用户输入。输入了以后，我们就要启动中断处理了。通过中断处理，我们才能把这个东西从键盘移动到我们的电脑里，也就是操作系统缓冲区里。然后就是这个键盘，把这个通过中断处理程序才能把这个东西读进去。这里咱们要搞清楚啊，这个中断处理程序到底要干嘛？还是比较模糊。然后我们就读入系统缓冲区域以后，呃，P就相当于这个要等待CPU把这个东西在那合理分给他了，也就是就只要等待分配CPU了，那P就应该进入就绪队列。然后呢，这个整个系统调用就结束了，因为我们已经把这个外部设备的数据读进到操作系统了，那么中断处理程序的任务就完成了，我们就要从系统调用里回来了，也就是返回。那这个顺序应该是2，6，4，3，1，5。

[!cite]-
好的，我们来一步一步分析你在【2023 统考真题】题1中思维混乱的原因，以及你对 I/O 相关概念的模糊之处，并针对性地纠正你的错误观念和直觉。

问题分析：

  1. 场景理解偏差：

    • 你的错误直觉： 你最初试图将题目中的操作直接对应到 I/O 系统的五层结构，并将操作与设备驱动程序或设备独立性软件对应起来，但没有结合具体的 I/O 场景。
    • 实际情况： 题目描述的是一个具体的 I/O 过程，即进程通过系统调用从键盘接收字符。理解这个过程需要从进程的角度出发，而不是从 I/O 软件分层的角度出发。
    • 纠正： I/O 软件分层结构是为了管理和抽象 I/O 操作，它描述的是系统内部的组织方式，而题目描述的是进程如何使用 I/O，两者侧重点不同。

  2. 系统调用和阻塞混淆：

    • 你的错误直觉： 你认为 “用户在键盘上输入字符” (操作 6) 肯定发生在 “启动键盘中断处理程序” (操作 4) 之后，这是对中断处理程序执行的时机不明确导致的。
    • 实际情况： 系统调用 scanf 发起后，进程需要等待键盘输入，所以它会被阻塞。用户输入后，会触发中断，然后系统才会处理中断并把字符读入缓冲区，然后进程才能继续执行。
    • 纠正：
      • 系统调用是一个抽象概念，它代表进程向操作系统请求服务，不代表进程立即执行。
      • 阻塞是进程等待 I/O 完成的一种状态，在等待期间，进程不会继续执行。
      • 中断是硬件设备通知 CPU 的一种机制，用于告知 CPU I/O 操作完成，然后CPU才会转去执行中断处理程序。

  3. 中断处理程序职责模糊：

    • 你的错误直觉： 你对中断处理程序的作用比较模糊，不清楚它具体做什么，这导致你对操作的先后顺序产生了误解。
    • 实际情况： 中断处理程序的主要职责是：
      • 接收中断信号。
      • 保存现场（即CPU当前寄存器中的内容）
      • 读取 I/O 设备的数据。
      • 将数据放入系统缓冲区。
      • 恢复现场，并通知进程 I/O 操作完成。
    • 纠正： 中断处理程序是操作系统处理硬件事件的一个重要组成部分，它并不是一个简单的操作步骤，而是一个复杂的流程。

  4. 就绪和阻塞状态理解不足：

    • 你的错误直觉： 你把就绪态理解为分配 CPU 之前的操作，认为把进程插入就绪队列的操作在分配资源之后，其实就绪态的含义是：其他所有资源都准备好了，只等CPU了。
    • 实际情况：
      • 阻塞态： 进程因等待 I/O 完成或其他资源而无法继续执行的状态。
      • 就绪态：进程已准备好执行，只等待 CPU 的调度。
      • 运行态：进程正在 CPU 上执行的状态。
    • 纠正：
      • 进程从运行态到阻塞态，表明它因等待某事件而暂停。
      • 进程从阻塞态到就绪态，表明它等待的事件已完成，可以继续执行。
      • 进程从就绪态到运行态，表明它获得了 CPU 的使用权。

  5. 逻辑链条不清晰：

    • 你的错误直觉： 你没有将整个 I/O 过程分解成清晰的逻辑步骤，导致无法正确推断操作的顺序。
    • 实际情况： I/O 过程是一个有先后顺序的逻辑流程，需要明确各个操作之间的因果关系。
    • 纠正： 应该把整个过程分解成：
      1. 进程发出 I/O 请求（系统调用）
      2. 进程进入等待状态（阻塞）
      3. 用户输入数据（触发中断）
      4. 系统处理中断，将数据读入缓冲区
      5. 进程状态变为就绪
      6. 进程获得 CPU，读取缓冲区数据，完成 I/O
      7. 进程从系统调用返回

需要明确的核心 I/O 概念和过程：

  1. I/O 操作流程： 用户程序发出 I/O 请求 → 系统调用 → 操作系统处理 → 设备驱动程序 → 硬件设备 → 数据传输 → 中断 → 操作系统唤醒进程 → 返回结果。
  2. 系统调用: 操作系统提供给用户程序的接口。
  3. 阻塞： 进程等待 I/O 或其他资源时挂起的状态。
  4. 中断： 硬件设备通知 CPU 的信号。
  5. 中断处理程序： 处理硬件中断的程序，负责接收设备数据，并通知操作系统 I/O 完成。
  6. 就绪队列： 等待 CPU 调度的进程队列。
  7. 阻塞队列： 等待 I/O 或其他资源的进程队列。
  8. 设备驱动程序： 直接控制硬件设备的程序。
  9. 设备独立性软件： 提供统一的 I/O 接口，实现设备无关性。

总结：

你的主要问题在于没有将抽象的概念 (如系统调用，中断处理，就绪态和阻塞态) 和具体的 I/O 场景结合起来，对这些概念的理解不够深入，导致了思维混乱。

要解决这个问题，你需要：

  1. 建立 I/O 操作的完整流程图： 从用户程序发出 I/O 请求到 I/O 完成，梳理每一个环节，确保理解每一个环节的作用。
  2. 深入理解系统调用、阻塞、中断等概念： 不仅仅停留在字面意思上，要理解它们的含义和作用。
  3. 将理论知识与实际场景结合： 多做题，多思考，在实践中加深理解。
  4. 培养良好的逻辑思维能力： 学会分解复杂问题，抓住问题的关键点，逐步解决问题。

通过以上的分析和纠正，相信你可以更好地理解 I/O 相关的概念和过程，并在以后的学习中避免类似的错误。

好的，我们来详细解答中断处理程序是如何启动的，以及它在计算机系统中的位置。

中断处理程序的启动：

中断处理程序（Interrupt Handler），也称为中断服务例程 (ISR)，不是由设备驱动程序启动的。它的启动是由硬件设备发送中断信号触发的，更具体来说，是由以下步骤完成的：

  1. I/O 设备完成操作： 例如，键盘按键被按下，网卡接收到数据包，硬盘读取完成等，这些操作完成后，I/O 设备会向 CPU 发送一个中断信号。

  2. 中断控制器接收中断信号： I/O 设备不会直接向 CPU 发送中断信号，而是将信号发送给一个叫做**中断控制器（Interrupt Controller）**的硬件部件，例如，可编程中断控制器 (PIC) 或高级可编程中断控制器 (APIC)。中断控制器会根据中断的优先级决定是否将这个信号转发给 CPU。

  3. CPU 响应中断：

    • 如果 CPU 当前允许中断（中断使能），并且该中断的优先级高于 CPU 当前正在处理的优先级，那么 CPU 会暂停当前正在执行的任务，保存当前运行状态，例如将当前程序计数器 (PC)、标志寄存器 (FLAGS) 等的值保存到堆栈中。
    • CPU 会跳转到由中断向量表 (Interrupt Vector Table) 中对应中断类型指定的地址去执行中断处理程序。中断向量表是一个存储中断处理程序入口地址的表格，每个中断类型对应一个唯一的入口地址。

  4. 执行中断处理程序： CPU 根据中断向量表中查到的地址，开始执行对应的中断处理程序。

总结：

  • 触发者： 中断处理程序的启动完全由硬件设备发出的中断信号触发，不是由软件启动的，设备驱动程序只是配置I/O设备的参数，不是发起中断的一方。
  • 关键步骤： 硬件中断 → 中断控制器 → CPU 响应 → 查中断向量表 → 执行中断处理程序。

中断处理程序的位置：

  • 中断处理程序是操作系统内核的一部分。它存储在内存中，与操作系统的其他内核代码放在一起。
  • 不在键盘内部： 中断处理程序不是在键盘内部，键盘只负责检测按键操作并发送中断信号，真正的处理逻辑是在操作系统中。
  • 由操作系统提供： 不同的操作系统有不同的中断处理程序，操作系统负责管理和调度这些程序。

为什么不是设备驱动程序启动中断处理程序？

  1. 驱动程序职责： 设备驱动程序的主要职责是配置 I/O 设备、启动 I/O 操作，以及处理设备独立性软件的请求。它不负责直接处理中断。
  2. 异步性： 中断是异步事件，它的发生时间是不确定的。如果让驱动程序来启动中断处理程序，会增加驱动程序的复杂性。
  3. 解耦： 将中断处理程序与设备驱动程序分离，可以降低模块之间的耦合度，提高系统的可维护性。

总结：

中断处理程序是由硬件中断触发的，它位于操作系统内核中，负责处理 I/O 设备发出的中断信号，并将结果通知给操作系统。设备驱动程序负责配置硬件和启动 I/O 操作，但它不负责启动中断处理程序。中断处理程序的执行完全由硬件设备控制，操作系统负责提供和管理中断处理程序，所以说中断处理程序是操作系统内核的一部分，而非键盘的一部分。

驱动程序实现硬件和内核之间的交换和数据转换

解

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题46

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