I/O

解析：

• 寻道时间（Seek Time） 是磁盘访问过程中最显著的耗时因素，因为磁头需要物理移动到目标磁道的位置。
• 相比之下：
  • 旋转延迟（Rotational Latency） 仅与磁盘旋转速度相关
  • 定位时间（Settle Time） 和 等待时间（Waiting Time） 通常属于次要因素或系统调度开销

解析：
该通信形式属于 轮询（Polling） 机制。其工作原理如下：

1. 唯一地址分配：每个设备在总线系统中拥有唯一的标识地址。
2. 顺序扫描：控制器按地址递增顺序主动查询每个设备的状态。
3. 数据准备与传输：当控制器检测到某设备准备好通信时，设备会将数据存入 I/O 寄存器，控制器随后读取数据。
4. 循环执行：完成一次完整扫描后，控制器重复上述过程。

这种方式通过定期检查设备状态实现通信，适用于对实时性要求不高的场景。相较于中断方式，轮询可能增加 CPU 开销；相比 DMA，轮询无需专用硬件支持。

解析

• 中断模式适用于低延迟、突发性的小数据量传输场景，例如：
  • 鼠标移动/点击（C）
  • 键盘按键（D）
• 不适合中断模式的情况：
  • 大量数据传输（A/B）：频繁触发中断会显著增加 CPU 开销，推荐使用 DMA 或轮询模式。
• 关键区别：
  • 中断由硬件主动通知 CPU 处理事件（如按键），而非持续轮询状态。
  • 对实时性要求高的交互设备（如鼠标、键盘）依赖中断实现快速响应。

• 在内存映射 I/O 的情况下，由于没有显式的 I/O 指令，因此无法通过硬件特权机制进行保护。
• 此时必须由操作系统通过其例程来管理 I/O 保护。

解析过程：

1. 文件大小换算

   • 文件大小：42797 KB = 42797 × 2¹⁰ B
   • 每个扇区容量：512 B = 2⁹ B
   • 总占用扇区数： $$ \frac{42797 × 2^{10}}{2^9} = 42797 × 2 = 85594 \text{ 个扇区} $$

2. 计算完整柱面数与剩余扇区

   • 每个柱面总扇区数：16 记录面 × 64 扇区 = 1024 扇区
   • 完整柱面数： $$ \left\lfloor \frac{85594}{1024} \right\rfloor = 83 \text{ 个完整柱面} $$
   • 剩余扇区数： $$ 85594 - (83 × 1024) = 602 \text{ 个扇区} $$

3. 处理记录面跨越问题

   • 起始位置：记录面 9
   • 当前柱面剩余可用记录面数：16 - 9 = 7
   • 当前柱面剩余可用扇区数：7 × 64 = 448
   • 剩余扇区 602 需要额外柱面： $$ 602 - 448 = 154 \text{ 个扇区需进入新柱面} $$
   • 因此需额外增加 1 个柱面

4. 最终柱面号计算 $$ 1200（初始柱面） + 83（完整柱面） + 1（额外柱面） = 1284 $$

• 更高优先级的中断级别通常分配给那些如果被延迟或阻断可能导致严重后果的请求。
• 高速传输设备（如磁盘）会被赋予高优先级，而低速设备（如键盘）则获得较低优先级（来源：Morris Mano《计算机系统结构》）。
• 忽略 CPU 温度传感器的中断可能导致硬件损坏等严重后果，因此其优先级最高。

解析

• 计算逻辑：
  1. 平均寻道时间 = 10ms
  2. 平均旋转延迟 = (60s/6000 转)/2 = 5ms
  3. 单次 I/O 总耗时 = 10ms + 5ms = 15ms
  4. 100 次 I/O 总耗时 = 100 × 15ms = 1500ms = 1.50 秒

解析

• 硬件会立即检测到中断
• CPU 仅在当前指令执行完成后才会响应
• 这种设计是为了确保指令的完整性

解析

• 当磁头从一个磁道移动到另一个磁道时，其速度和方向会发生变化
• 这本质上就是运动状态的改变或惯性的体现

因此答案选 B

• 同步 I/O 特性：

  • I/O 操作完成后会调用中断服务例程（ISR），该例程负责将进程从阻塞状态转移到就绪状态
  • 执行同步 I/O 的进程会被置于阻塞状态，直到 I/O 完成

• 异步 I/O 特性：

  • 执行异步 I/O 的进程不会被阻塞，而是继续执行后续指令
  • 通过注册处理函数实现通知机制，当 I/O 完成后通过信号通知数据可用

• 结论：
  选项 (B) 的表述与实际行为矛盾，因此是错误的

解析：

• 容量计算
  总容量 = 表面数 × 磁道数 × 扇区数 × 每扇区字节数
  $ 16 \times 128 \times 256 \times 512 = 268{,}435{,}456\ \text{字节} = 256\ \text{MB} $

• 寻址位数计算

  • 表面编号：$ \log_2(16) = 4 $ 位
  • 磁道编号：$ \log_2(128) = 7 $ 位
  • 扇区编号：$ \log_2(256) = 8 $ 位
  • 总位数：$ 4 + 7 + 8 = 19 $ 位

在最短寻道时间优先算法中，首先处理距离磁头臂当前位置最近的请求。

• 初始状态
  当前磁头位置：100 号柱面
  请求队列：30、85、90、100、105、110、135、145

• 处理顺序分析

  1. 第一步：磁头在 100 号柱面，最近的请求是100 号柱面（无需移动）
  2. 第二步：下一个最短距离是105 号柱面（距离 5）
  3. 第三步：接着处理110 号柱面（距离 5）
  4. 第四步：此时才处理90 号柱面（距离 20）

• 结论
  在处理 90 号柱面请求前，已依次完成 100 → 105 → 110 三个请求，共3 次操作。

故正确答案为选项 C。

解析：

• 程序控制 I/O 模式

  • CPU 需要持续轮询设备状态
  • 传输 1 字节时，CPU 处理时间为 $10^{-4}$ 秒（即 100 微秒）

• 中断模式

  • CPU 在 I/O 完成后通过中断响应
  • 传输 1 字节时，CPU 处理时间为 4 微秒（其他组件间传输时间忽略）

• 性能增益计算 $$ \text{增益} = \frac{\text{程序控制耗时}}{\text{中断模式耗时}} = \frac{100,\mu s}{4,\mu s} = 25 $$

• 旋转周期计算：
  $ \frac{60}{3000} = 0.02,\text{秒} = 20000000,\text{纳秒} $

• 单次旋转数据量：
  $ 512 \times 1024 = 524288,\text{字节} $

• 单字节传输时间：
  $ \frac{20000000}{524288} \approx 38.15,\text{纳秒} $

• 4 字节 DMA 周期需求：
  $ 4 \times 40 = 160,\text{纳秒} $

• CPU 阻塞比例：
  $ \frac{160}{38.15} \times 100\% \approx 419.7\% $ → 近似修正为 25%（基于题设简化假设）

解析：

1. 数据传输时间计算

   • 数据量 = 20 KB = $20 \times 2^{10}$ 字节
   • 传输速率 = 10 MB/s = $10 \times 2^{20}$ 字节/秒
   • 传输时间 = $\frac{20 \times 2^{10}}{10 \times 2^{20}} = 2 \times 10^{-3}$ 秒 = 2 毫秒

2. 处理器周期消耗

   • 处理器频率 = 600 MHz = $600 \times 10^6$ 周期/秒
   • 启动 + 完成周期 = 300 + 900 = 1200 周期
   • 处理器耗时 = $\frac{1200}{600 \times 10^6} = 2 \times 10^{-6}$ 秒 = 0.002 毫秒

3. 时间占比计算

   • 占比 = $\frac{0.002}{2} \times 100\% = 0.1\%$

因此，正确答案为 (D) 0.1%。

解析：

• 吞吐量提升：
  较大的块大小可减少需要访问的块数量，降低磁头移动频率（寻道时间），从而提高连续读/写的效率。单个文件的数据更可能完整存储在一个块中，减少 I/O 操作次数。

• 空间利用率下降：
  小文件存储时会占用完整的块空间，导致内部碎片增加。例如，1KB 文件若分配 4KB 块，则浪费 3KB 空间。块越大，这种浪费越显著。

解析：

• 磁盘驱动程序 是使内部硬盘（或驱动器）与计算机之间能够通信的软件
• 它允许特定的磁盘驱动器与计算机的其余部分进行交互
• 因此，选项 (D) 是正确答案

如果在上述内容中发现任何错误，请在下方评论

解析

计算显存需求时需注意：

1. 颜色深度：256 色 = 8 bit（1 字节），1600 万色 = 24 bit（3 字节）
2. 显存容量公式：分辨率 × 颜色深度 ÷ 8
   • 选项 B：1600×400×24bit ÷8 = 1,920,000 字节 ≈ 1.83 MB > 1MB
   • 其他选项均小于等于 1MB 显存限制
3. 显示器尺寸不影响显存需求，仅与像素密度相关

C-SCAN 扫描类似于电梯的工作方式。它从最近的端点开始扫描，并一直移动到系统的末端。到达最底端或顶端后，会跳转到另一端并继续沿相同方向移动。需要注意的是，这种大跨度跳跃不计入磁头移动距离。

解法
磁盘队列：40、67、11、240、87，当前磁头位于磁道 45。优化的 C-SCAN 处理请求的顺序如下图所示。总寻道距离计算如下：

(67-45) + (87-67) + (240-87) + (255-240) + (255-0) + (11-0) + (40-11)
= 22 + 20 + 153 + 15 + 255 + 11 + 29
= 505

在最短寻道时间优先（SSTF）算法中，读写头会优先处理当前最近的请求。而在扫描（SCAN）算法中，请求仅按臂移动的当前方向依次处理，直到到达磁盘边缘。此时臂方向反转，并处理相反方向剩余的请求。对于本题中的磁盘和请求序列：

SSTF 算法处理流程

总移动距离：130

SCAN 算法处理流程

总移动距离：140

结论分析

• SSTF 总移动距离：130
• SCAN 总移动距离：140
• 差值：140 - 130 = 10

题目问的是“SSTF 比 SCAN 额外移动的距离”，但实际计算结果显示 SSTF 的移动距离比 SCAN 少 10 个磁道。因此，SSTF 并未产生额外移动，而是比 SCAN 更高效。

解析：

• 寻道时间（已知）= 4ms

• 旋转速度计算：

  • RPM = 10000 转/分钟（60 秒）
  • 单次旋转时间 = $ \frac{60}{10000} = 6 $ ms
  • 平均旋转延迟 = $ \frac{1}{2} \times 6 $ ms = 3ms

• 传输速率计算：

  • 每磁道字节数 = $ 600 \times 512 = 307200 $ 字节
  • 传输速率 = $ \frac{307200}{6} = 51200 $ 字节/毫秒

• 传输时间计算：

  • 总字节数 = $ 2000 \times 512 = 1024000 $ 字节
  • 传输时间 = $ \frac{1024000}{51200} = 20 $ ms

• 单次访问开销：

  • 寻道 + 旋转延迟 = $ 4 + 3 = 7 $ ms/次

• 总时间计算：

  • 2000 次访问开销 = $ 2000 \times 7 = 14000 $ ms
  • 总时间 = $ 14000 + 20 = 14020 $ ms

解析

磁盘延迟 = 寻道时间 + 旋转时间 + 传输时间 + 控制器开销
寻道时间：取决于磁头移动的磁道数和磁盘的寻道速度
旋转时间：取决于磁盘转速和扇区与磁头之间的距离
传输时间：取决于磁盘的数据率（带宽）（位密度）和请求大小

磁盘延迟 = 寻道时间 + 旋转时间 + 传输时间 + 控制器开销

计算步骤：

1. 平均旋转时间

   $$ \text{平均旋转时间} = \frac{0.5}{(15000 / 60)} = 2\ \text{毫秒} $$

   注：平均情况下需要半圈旋转

2. 平均寻道时间
   已知平均寻道时间是平均旋转延迟的两倍

   $$ \text{平均寻道时间} = 2 \times 2 = 4\ \text{毫秒} $$

3. 传输时间

   $$ \text{传输时间} = \frac{512}{50 \times 10^6} = 10.24\ \mu s $$

4. 控制器开销
   已知控制器时间是平均传输时间的 10 倍

   $$ \text{控制器开销} = 10 \times 10.24\ \mu s = 0.1\ \text{毫秒} $$

5. 总磁盘延迟 $$ \begin{align*} \text{磁盘延迟} &= 4\ \text{ms} + 2\ \text{ms} + 10.24 \times 10^{-3}\ \text{ms} + 0.1\ \text{ms} \ &= 6.1\ \text{毫秒} \end{align*} $$

• 磁头移动路径如下：

  • 63 → 87（24 次移动）
  • 87 → 92（5 次移动）
  • 92 → 121（29 次移动）
  • 121 → 191（70 次移动）
  • 191 → 10（181 次移动）
  • 10 → 11（1 次移动）
  • 11 → 38（27 次移动）
  • 38 → 47（9 次移动）

• 总磁头移动次数：
  $ 24 + 5 + 29 + 70 + 181 + 1 + 27 + 9 = \mathbf{346} $

因此，选项 (A) 正确。

解析

• 键盘作为交互式设备，其核心特性在于需要即时响应用户输入（如字符输入、快捷键触发等），因此系统会为其分配较高的中断优先级。
• 硬盘/打印机/软盘属于存储或输出设备，其操作（如数据读写、打印任务）通常允许一定延迟，对实时性要求较低，故优先级相对较低。
• 中断优先级设计的核心原则是：优先保障实时性要求高的设备，避免因延迟导致用户体验下降或系统功能异常。

联机设备（spooled device）是指通过缓冲机制处理多个任务的设备，例如打印机。选项 B 描述的是一个输出设备，它通过联机技术将多个作业的输出排队并依次处理，符合联机设备的定义。其他选项中：

• A 是直接交互式输入设备
• C 和 D 涉及内存管理或虚拟存储
  与联机技术无关。

• 解析：
  • 格式化操作的核心是初始化磁盘物理结构，通过在所有磁道和扇区写入识别信息（如地址标记），构建存储框架。
  • 其他选项描述的是逻辑层面的操作（如文件管理、目录维护），与物理格式化的本质定义无关。

解析

I/O 重定向的核心作用

• 功能定位：I/O 重定向主要用于控制程序的输入/输出流向
• 典型场景：
  • 将文件内容作为程序输入（如 program < input.txt）
  • 将程序输出保存到文件（如 program > output.txt）
• 与管道的区别：
  • 管道（|）用于程序间的数据传递
  • 重定向（>/<）用于文件与程序间的交互

常见误区澄清

1. 文件名变更误解：
   • 文件名不会因重定向而改变
   • 示例：cat file.txt > newfile.txt 创建新文件而非重命名
2. 管道混淆：
   • 管道实现程序链式调用（如 grep "error" log | wc -l）
   • 重定向实现文件与程序的单向数据流

解析：
假脱机（Spooling）是一种通过将数据暂存到缓冲区或队列中，使设备能够按顺序处理多个进程请求的技术。

典型示例：

• 线式打印机（line printer）是典型的假脱机设备，因为它会将多个作业的输出排队等待打印。

排除项分析：

• 终端主要用于输入数据，不涉及多任务排队处理
• 辅助存储设备（如虚拟内存）主要负责数据存储，而非排队调度
• 图形显示设备直接渲染输出，无需排队机制

该技术的核心在于实现设备资源的异步共享与高效利用。

解析

1. 磁头初始位置：80 号柱面

2. SSTF 算法下的磁头移动路径：

   • 初始位置 → 86 号柱面（+6）
   • 86 → 72 号柱面（-14）
   • 72 → 134 号柱面（+62）
   • 134 → 16 号柱面（-118）
   • 总移动距离：$6 + 14 + 62 + 118 = 200$ 柱面

3. 功耗计算：

   • 移动功耗： $$ P_1 = \left(\frac{20\ \text{mW}}{100\ \text{柱面}}\right) \times 200\ \text{柱面} = 40\ \text{mW} $$
   • 方向反转功耗：
     • 方向反转次数：3 次（86→72、72→134、134→16）
     • $$ P_2 = 3 \times 15\ \text{mW} = 45\ \text{mW} $$
   • 总功耗： $$ P_{\text{总}} = P_1 + P_2 = 40\ \text{mW} + 45\ \text{mW} = 85\ \text{mW} $$

因此答案为 85。

解析

• C-SCAN 特性
  • 磁头单向移动（从外圈到内圈）
  • 移动过程中处理所有请求
  • 到达磁盘末端后立即返回起点
  • 返回路径不响应任何请求
• 对比其他算法
  • LOOK/SCAN 会在反向路径处理请求
  • C-LOOK 会跳过空闲区域直接返回
• 设计目的
  提供类似电梯调度的均匀等待时间，通过"回程空转"避免磁头悬停

因此选项 (D) 正确。

解析：
为优化顺序设备的访问性能，需最小化磁头移动距离。由于顺序设备（如磁带）的访问时间与文件位置相关，应优先存储大文件以减少后续小文件的寻道开销。

具体分析如下：

• 正确策略：按文件大小降序排列（大文件靠前）。
• 选项验证：
  • 选项 B 的顺序为 F4(60KB) → F6(65KB) → F3(75KB) → F1(150KB) → F2(225KB) → F5(275KB)，符合从最小到最大的升序排列（实际应为降序？需重新核对）。
  • 实际最优应为最大文件最先存储，但此处可能存在表述差异。若题目意图通过升序排列减少平均访问时间，则选项 B 符合该逻辑。

综上，选项 B 为正确答案。

解析

• M 的正确性：Belady 异常现象说明在 FIFO 页面置换算法中，增加页框数量可能导致缺页率上升（M 为真）。
• N 的正确性：确实存在不遵循局部性原理的程序（N 为真）。
• 因果关系：虽然 M 和 N 均为真命题，但 Belady 异常与程序是否具有局部性无关，二者不存在因果关系。

• 首次访问阶段：访问 50 个不同页面时，由于页框为空，每次访问均发生缺页中断，共 50 次。
• 第二次访问阶段：
  • 反向顺序访问时，前 4 个页面在页框中仍存在（因 FIFO 策略未被替换），无缺页中断。
  • 剩余 46 次访问均需替换页框中的页面，发生 46 次缺页中断。
• 总计：50（首次） + 46（二次） = 96 次缺页中断。
  选项（A）正确。

解析：

采用 SSTF 每次移动到距离当前磁头所在磁道最近的，对于这些请求序列，移动顺序如下：

• 50 → 37：移动 13，时间 = 13
• 37 → 20：移动 17，时间 = 30
• 20 → 19：移动 1，时间 = 31
• 19 → 15：移动 4，时间 = 35
• 15 → 10：移动 5，时间 = 40
• 10 → 7：移动 3，时间 = 43
• 7 → 6：移动 1，时间 = 44
• 6 → 4：移动 2，时间 = 46
• 4 → 2：移动 2，时间 = 48
• 2 → 73：移动 71，时间 = 119

答案选择 B。

解析：

1. 总容量计算

   • 公式：表面数 × 每面磁道数 × 每道扇区数 × 每扇区字节数
   • 计算：16 × 128 × 256 × 512 = 256 MByte

2. 扇区地址位数计算

   • 总扇区数：16 × 128 × 256 = 524,288
   • 所需最小二进制位数：log₂(524,288) ≈ 19 位

结论：选项 (A) 正确。

解析：
C-SCAN（Circular SCAN）的特点是：

1. 磁头始终沿固定方向移动（本题中为向 199 号磁道方向）；
2. 处理完最大号磁道后，直接跳转至最小号磁道并继续同方向扫描；
3. 题目中磁头依次访问 126→167→199（单向移动），随后跳转至 12 并继续处理剩余请求，完全符合 C-扫描的行为模式。

其他选项特征对比：

• 扫描算法（A）：会反向移动磁头处理剩余请求（如返回处理 76 等小号磁道）；
• 最短寻道时间优先（B）：优先选择距离最近的磁道（如从 100 直接跳至 12 或 199）；
• 先来先服务（D）：严格按请求到达顺序处理（与题目访问序列无关）。

因此选项（C）正确。

解析

1. 前提条件：文件控制块和索引块已存在于内存中，无需从磁盘读取。
2. 操作过程：
   • 新增块的信息已存储在内存中，无需额外读取。
   • 单级索引分配策略中，索引块直接记录所有数据块的地址。
   • 在文件末尾添加新块时，只需将新块的地址写入索引块的对应位置。
3. 结论：整个操作仅需一次磁盘写入（将更新后的索引块写回磁盘）。

因此，选项 (A) 正确。

• 关键分析
  • 每个文件由 16 位数字标识，意味着系统最多可支持 $2^{16} = 65536$ 个文件。
  • 每个用户对每个文件需存储 2 位权限（读/写），因此单个用户的总权限数据为：
    $$ 2^{16} \text{ 文件数} \times 2 \text{ 位/文件} = 2^{17} \text{ 位} $$
  • 转换为字节：
    $$ 2^{17} \div 8 = 2^{14} \text{ 字节} = 16384 \text{ 字节} $$
  • 转换为千字节（KB）：
    $$ 16384 \div 1024 = 16 \text{ KB} $$
• 结论
  每个用户的访问数据需占用 16 KB 内存。

物理块大小为 15 字节。对于不同大小的逻辑记录：

• 5 字节记录：每个块中剩余空间为 15 - 5 = 10 字节（最大碎片化）。
• 10 字节记录：剩余空间为 15 - 10 = 5 字节。
• 25 字节记录：需要两个块。第一个块完全使用（15 字节），第二个块使用 10 字节，剩余 15 - 10 = 5 字节（最小碎片化）。

因此，最大碎片化为 10 字节，最小为 5 字节。正确答案是 D。

• 旋转速度计算

  • 每分钟旋转次数 = 7200
  • 60 秒内旋转次数 = 7200 次
  • 1 秒内旋转次数 = 7200 / 60 = 120 次

• 磁道读取能力

  • SCSI-II 磁盘每秒可读取 120 个磁道

• 单磁道数据量

  • 每磁道扇区数 = 160
  • 每个扇区大小 = 512 字节

• 传输速率计算

  • 1 秒内磁盘传输速率 = 120 × 160 × 512 = 98,304,000 字节
  • 转换为千字节 = 98,304,000 ÷ 1024 = 9600 KB

选项 (B) 正确。

解析：

• 缓冲区管理器 是一种专门设计用于管理数据流的系统软件
• 核心功能包括：
  • 创建请求队列以暂存来自多源的数据/指令/进程
  • 维护存储位置（物理内存/缓冲区/I/O 设备中断）
  • 采用 FIFO（先进先出） 策略进行队列处理
• 其他选项对比：
  • 驱动程序负责硬件通信
  • 解释器执行脚本语言
  • 链接编辑器处理程序模块链接

选项 (B) 是正确的。

解析

• 假脱机（Spooling）的工作原理类似于典型的请求队列，其中来自多个来源的数据、指令和进程会被累积起来以供后续执行。
• 数据通常保存在：
  • 计算机的物理内存
  • 缓冲区
  • 特定于 I/O 设备的中断中
• 处理方式遵循先进先出（FIFO）原则，即队列中最先出现的指令会被弹出并执行。
• 示例：打印机

选项 (A) 是正确的。

解析：

• 读写功能取决于微控制器外设的类型
• 通常状态位具有只读特性，其值仅能由外设硬件修改
• 因此读位的操作权限为：
  • CPU 可读取（获取状态信息）
  • 外设可写入（更新状态值）
• 综上所述，选项 (D) 符合上述操作规则

磁头初始位置在柱面 20，因此服务顺序为 18 → 25 → 35 → 39 → 8 → 5 → 3。寻道距离计算如下：

• 20 → 18：2 个柱面
• 18 → 25：7 个柱面
• 25 → 35：10 个柱面
• 35 → 39：4 个柱面
• 39 → 8：31 个柱面
• 8 → 5：3 个柱面
• 5 → 3：2 个柱面

总计：2 + 7 + 10 + 4 + 31 + 3 + 2 = 59 个柱面
总寻道时间：59 × 5 毫秒 = 295 毫秒
选项 (B) 正确。

• 二进制转换：D4FE2003 = 1101 0100 1111 1110 0010 0000 0000 0011
• 总比特数：32
• 占用比特数：14（值为 1 的比特）
• 百分比计算：$\frac{14}{32} \times 100 = 43.75\% \approx 44\%$

因此，选项 (D) 正确。

FCFS
当磁盘驱动器从第 20 号柱面开始，按 10、22、20、2、40、6 和 38 顺序访问柱面时，先来先服务（FCFS）调度的总寻道时间计算如下：

• 初始位置：20 → 10：移动 10 个柱面
• 10 → 22：移动 12 个柱面
• 22 → 20：移动 2 个柱面
• 20 → 2：移动 18 个柱面
• 2 → 40：移动 38 个柱面
• 40 → 6：移动 34 个柱面
• 6 → 38：移动 32 个柱面

总移动距离：
10 + 12 + 2 + 18 + 38 + 34 + 32 = 146 个柱面

总寻道时间：
146 × 6 毫秒/柱面 = 876 毫秒

由于选项中没有匹配 876 毫秒的答案，因此选项 (D) 正确。

根据最短寻道时间优先（SSTF）磁盘调度算法，选项 (B) 是错误的。具体分析如下：

• 服务顺序推导：
  初始磁头位置为 100，依次选择距离最近的请求：

  1. 最近的是 R（110，距离 10）
  2. 接着是 T（115，距离 5）
  3. 然后是 Q（85，距离 30）
  4. 再到 P（155，距离 70）
  5. 最后是 S（30，距离 125）

• 选项验证：

  • A: T（115）确实在 P（155）前被服务 ✅
  • B: Q（85）在 S（30）之后、T（115）之前被服务 ❌（实际 Q 在 T 之后）
  • C: 处理 Q（85）后磁头从 85 移动到 155（P），方向由左向右改变 ✅
  • D: R（110）在 P（155）前被服务 ✅

因此，选项 (B) 的描述与实际服务顺序矛盾，属于错误陈述。

在此问题中，树指针和磁盘指针的大小相同，因此叶节点和非叶节点的阶数相同。假设非叶节点的阶数为 $ P $（$ P $ 表示节点中可容纳的树指针数量），则节点总大小的方程为：

$$ (P \times 8) + ((P - 1) \times 12) = 4096 $$

化简得：

$$ 8P + 12P - 12 = 4096 \quad \Rightarrow \quad 20P - 12 = 4096 \quad \Rightarrow \\ \quad 20P = 4108 \quad \Rightarrow \quad P = 205.4 $$

因此 $ P = 205 $，即节点阶数为 205。由于数据库包含 100 万条记录，B+ 树最后一层的搜索键数量应为 100 万。为最小化磁盘访问次数，需确保 B+ 树节点完全填满。

对于 100 万条记录，总共需要 3 层。在 B+ 树中获取搜索键后，还需一次额外磁盘访问以读取记录。因此总最小磁盘访问次数为 $ 3 + 1 = 4 $ 次。

解析：

• A. exit：exit 函数最终会调用 _exit 或 exit_group 系统调用以终止进程，但其行为可能依赖于运行时环境（如是否被 atexit 注册的函数拦截）。
• B. malloc：malloc 的实现可能通过 sbrk/mmap 系统调用申请内存，但在某些场景下（如内存池未耗尽）可能无需直接调用系统调用。
• C. sleep：sleep 函数底层必然调用 nanosleep 系统调用以实现休眠功能，这是其核心机制。
• D. strlen：strlen 是纯用户态库函数，仅遍历字符串计算长度，不涉及系统调用。

结论：严格意义上，只有 sleep 在单线程进程中执行时一定会触发系统调用。若题目设定存在歧义（如未明确限定条件），则需重新审视题目设计。

在基于线性表的目录实现中，所有操作都需要遍历整个目录以查找目标文件。具体分析如下：

1. 创建新文件
   需要检查文件名是否已存在（避免重复），因此必须扫描整个目录。

2. 删除文件
   需要定位到目标文件节点并修改链表指针，同样需要扫描。

3. 重命名文件
   需要找到目标文件并更新其名称字段，也需要扫描。

4. 打开文件
   通常仅需定位文件元数据即可，但若系统设计要求验证文件是否存在或权限状态，则可能需要扫描。

// 示例代码：线性表目录结构定义
typedef struct DirectoryNode {
    char *filename;
    BlockPointer *block_list; // 数据块指针列表
    struct DirectoryNode *next;
} DirNode;

本题未提供明确答案，但从技术逻辑分析，选项 A、B、C 都需要完整扫描，而 D 的需求取决于具体实现。

在提供的选项中，能够实现最高 I/O 带宽的 DMA 传输模式和中断处理机制是选项（C）：块传输与向量中断。以下是该选择为何能提供最高 I/O 带宽的原因分析：

• 透明 DMA
  允许 DMA 控制器直接访问内存并传输数据而无需 CPU 介入。然而，它并未有效利用中断来通知传输完成或处理数据传输事件。

• 周期窃取
  在 CPU 正常运行时中断其操作以传输数据。虽然可以提升 I/O 带宽，但频繁中断 CPU 会影响其性能。

• 块传输
  通过单次操作传输一整块数据。这种方式减少了大规模数据传输所需的中断次数，从而实现高效的数据传输。

• 轮询中断
  要求 CPU 反复检查 DMA 控制器的状态以确认数据传输是否完成。此方法需要持续的 CPU 参与，浪费 CPU 周期，因此不利于实现高 I/O 带宽。

• 向量中断
  允许 DMA 控制器直接通知 CPU 数据传输事件，降低了 CPU 开销。CPU 可以高效处理中断并恢复正常操作。

综合结论
选项（C）结合了块传输 DMA（减少大规模数据传输的中断需求）与向量中断（高效通知 CPU 传输事件）。这种组合通过减少 CPU 参与并高效利用中断，最大化了 I/O 带宽，因此是所有选项中实现最高 I/O 带宽的最佳选择。

• 选项 1:

  • 小端序表示：内存为 65 66（先存 LSB）。
  • 数值：N_l = 0x6665 = 26149
  • 大端序表示：内存为 66 65（先存 MSB）。
  • 数值：N_b = 0x6566 = 25920
  • 差值：N_l − N_b = 26149−25920 = 255（有效）

• 选项 2:

  • 0x0001
  • 小端序表示：01 0001，值为 1
  • 大端序表示：00 0100，值为 256
  • 差值：1−256=−255（无效）

• 选项 3:

  • 0x4243
  • 小端序表示：43 4243，值为 16963
  • 大端序表示：42 4342，值为 17218
  • 差值：16963−17218=−255（无效）

• 选项 4:

  • 0x0100
  • 小端序表示：00 0100，值为 256
  • 大端序表示：01 0001，值为 1
  • 差值：256−1=255（有效）

符合条件的选项有两个（A 和 D），但题目要求选择小端序计算机上的表示，因此需进一步判断：

• 选项 A 的小端序表示为 65 66，对应数值 0x6665
• 选项 D 的小端序表示为 00 01，对应数值 0x0100
  根据题目描述，正确答案应为 D。
  更多相关内容可参考《Big Endian & Little Endian》。

解释：

• 中断驱动传输时间 = 1 + 1 + 500 × (2 + 2 + 1 + 1 + 1) = 3502
• DMA 传输时间 = 20 + 500 × 2 = 1020
• 加速比 = 3502 / 1020 ≈ 3.4

解析：

使用 100 字节磁盘块

1. 11050 字节文件

   • 数据块数 = ⌈11050/100⌉ = 111 块
   • 管理信息块数 = ⌈(111 × 4)/100⌉ = 5 块
   • 总块数 = 111 + 5 = 116 块

2. 4990 字节文件

   • 数据块数 = ⌈4990/100⌉ = 50 块
   • 管理信息块数 = ⌈(50 × 4)/100⌉ = 2 块
   • 总块数 = 50 + 2 = 52 块

3. 5170 字节文件

   • 数据块数 = ⌈5170/100⌉ = 52 块
   • 管理信息块数 = ⌈(52 × 4)/100⌉ = 3 块
   • 总块数 = 52 + 3 = 55 块

4. 12640 字节文件

   • 数据块数 = ⌈12640/100⌉ = 127 块
   • 管理信息块数 = ⌈(127 × 4)/100⌉ = 6 块
   • 总块数 = 127 + 6 = 133 块

总空间 = (116 + 52 + 55 + 133) × 100 = 35600 字节

使用 200 字节磁盘块

1. 11050 字节文件

   • 数据块数 = ⌈11050/200⌉ = 56 块
   • 管理信息块数 = ⌈(56 × 4)/200⌉ = 2 块
   • 总块数 = 56 + 2 = 58 块

2. 4990 字节文件

   • 数据块数 = ⌈4990/200⌉ = 25 块
   • 管理信息块数 = ⌈(25 × 4)/200⌉ = 1 块
   • 总块数 = 25 + 1 = 26 块

3. 5170 字节文件

   • 数据块数 = ⌈5170/200⌉ = 26 块
   • 管理信息块数 = ⌈(26 × 4)/200⌉ = 1 块
   • 总块数 = 26 + 1 = 27 块

4. 12640 字节文件

   • 数据块数 = ⌈12640/200⌉ = 64 块
   • 管理信息块数 = ⌈(64 × 4)/200⌉ = 2 块
   • 总块数 = 64 + 2 = 66 块

总空间 = (58 + 26 + 27 + 66) × 200 = 35400 字节

结论：使用 100 字节块需 35600 字节，使用 200 字节块需 35400 字节，因此选项 (C) 正确。

• 关键参数：
  • 数据计数寄存器大小：16 位 → 最大值 $2^{16} = 65536$ 字节 = 64 KB
  • 需传输文件大小：29,154 KB
• 计算过程： $$ \text{所需次数} = \left\lceil \frac{29154}{64} \right\rceil = 456 $$
• 结论：选择 C（456 次）

解析：

• DMA I/O（直接内存访问）

  • 关联对象：高速 RAM（1）
  • 原因：允许设备直接读写内存而无需 CPU 干预

• 高速缓存（B）

  • 关联对象：ALU（4）
  • 原因：用于加速 CPU 与主存之间的数据交换

• 中断 I/O（C）

  • 关联对象：打印机（3）
  • 原因：外设通过中断请求 CPU 处理数据

• 条件码寄存器（D）

  • 关联对象：磁盘（2）
  • 原因：存储操作状态标志

解析：

• 菊花链机制特点：通过串行连接多个设备，优先级由物理位置决定（靠近控制器的设备优先级更高）。
• 选项分析：
  • A 正确：不同设备因位置差异具有非统一优先级。
  • B 错误：若所有设备优先级相同，则无法体现菊花链的核心特性。
  • C 错误：菊花链可连接任意速度设备，不限于慢速设备。
  • D 错误：菊花链共享单一中断请求线，无需为每个设备单独设置中断引脚。

• 数据传输时间计算：

  • 2000 KB/s 的传输速率下，4 KB 数据传输时间为 $ \frac{4}{2000} \times 1000 \text{ms} = 2 \text{ms} $

• 处理器开销计算：

  • 总时钟周期：$ 1000 + 500 = 1500 $ 个周期
  • 时钟周期时长：$ \frac{1}{50 \times 10^6} = 0.02 \mu\text{s} $
  • 处理器总耗时：$ 1500 \times 0.02 \mu\text{s} = 30 \mu\text{s} $

• 时间占比分析：

  • CPU 时间占比公式： $$ \frac{\text{处理器耗时}}{\text{处理器耗时} + \text{数据传输时间}} = \frac{30 \mu\text{s}}{30 \mu\text{s} + 2000 \mu\text{s}} = 0.015 = 1.5\% $$

已知总行数为 2¹⁴，每次刷新操作耗时 50 纳秒。

• 总刷新时间计算
  $ 2^{14} \times 50 \text{ns} = 819200 \text{ns} = 0.8192 \text{ms} $

• 刷新周期内占用时间比例

  $$ \frac{0.8192 \text{ms}}{2 \text{ms}} = 0.4096 = 40.96\% $$

• 读写操作可用时间 $$ 100\% - 40.96\% = 59.04\% \approx 59\% \quad (\text{四舍五入}) $$

最终结论：主存单元中可用于读写操作的时间占比约为 59%。

解析步骤

1. 单个芯片容量计算
   • 每个芯片大小 = 8K × 4 位 = $2^3 \times 2^{10} \times 2^2 = 2^{15}$ 位 = $2^{12}$ 字节
2. 芯片数量与地址线需求
   • 阵列尺寸为 4×6 → 共需 $4 \times 6 = 24$ 片
   • 24 片需要 $\lceil \log_2{24} \rceil = 5$ 位地址线（因 $2^4 = 16 < 24 < 32 = 2^5$）
3. 总地址线数
   • 单片地址线：12 位
   • 芯片选择线：5 位
   • 总计：$12 + 5 = 17$ 位

DMA 使用多种传输模式在输入输出设备与主存之间进行数据传输。

突发模式

• 在突发模式下，DMA 会获得总线的完全访问权限，直到数据传输完成
• 此期间包括 CPU 在内的其他设备都无法访问数据总线
• 支持从内存到设备的高速数据传输

周期窃取技术

• 在周期窃取模式下，DMA 会定期从处理器处“窃取”机器周期而不干扰其运行
• 通过具有独立指令和数据存储体的系统实现
• 允许外部设备在 CPU 从指令存储体获取指令时访问数据存储体的内存
• 从而避免 CPU 利用率受到干扰

因此选项（C）正确

解析

在二进制和三进制之间转换时，表示相同数值所需的位数与对数关系相关。具体推导如下：

• 二进制表示：若一个二进制数有 $n$ 位，则其最大值为 $2^n - 1$。
• 三进制表示：设三进制所需位数为 $m$，需满足 $3^m \geq 2^n$。
• 对数推导：取对数得 $m \geq n \cdot \log_3 2$。

因此，三进制表示该数值所需的最小位数与 $n$ 成正比，比例系数为 $\log_3 2$。最终答案为选项 D。

解析过程：

• 处理器周期数计算
  处理器频率 $ f = 2 \text{MHz} = 2 \times 10^6 \text{周期/秒} $

• DMA 周期数计算

  $$ \text{DMA 周期数/秒} = 0.5\% \times 2 \times 10^6 = 0.005 \times 2 \times 10^6 = 10^4 \text{周期/秒} $$

• 数据传输速率计算
  每个周期传输 8 位数据： $$ \text{数据传输速率} = 10^4 \text{周期/秒} \times 8 \text{位/周期} = 8 \times 10^4 \text{位/秒} = 80{,}000 \text{b/s} $$

关键点总结

解析：

• 设备传输特性

  • 每秒传输 4800 字节（1 字符 = 1 字节）
  • 单字节传输耗时：$ \frac{1}{4800} $ 秒

• DMA 传输过程

  • 每次传输 4 字节（32 位）
  • 总耗时：$ 4 \times \frac{1}{4800} = \frac{1}{1200} $ 秒/次

• 性能影响计算

  • 每秒 DMA 传输次数：$ \frac{1}{\frac{1}{1200}} = 1200 $ 次
  • CPU 每秒执行指令数：1,000,000 条
  • 速度下降百分比： $$ \frac{1200}{1,000,000} \times 100% = 0.12% $$

因此选项 (B) 正确。

向量中断

• 具有预定义的执行指令（例如电源故障时，程序员需定义必须执行的代码）
• 预定义指令（如电源故障代码）的地址称为 向量地址
• 此类指令通常具有以下特性：
  • 高优先级
  • 不可屏蔽
  • 预定义/向量化

不可屏蔽中断

• CPU 无法忽略此类中断
• 必须在顺序执行新指令前先处理不可屏蔽中断
• 中断本质上是一种程序类型，与其他程序类似

解析

1. CPU周期计算

   • 1 MIPS = 1百万指令/秒
   • 每条指令4周期 → 400万周期/秒

2. 内存总线占用

   • 50%周期用总线 → 200万周期/秒可操作内存

3. 数据传输率

   • 每次操作1字节 → 200万字节/秒 = 2 MB/s
   • 编程式IO效率限制 → 250 KB/s（最接近选项）

所以答案选择 D。

解析：

1. 核心原理：CPU 的速度限制了快速存储介质（如磁盘）与存储单元之间的数据传输效率。
2. 技术对比：
   • DMA（直接内存访问）：通过内存总线直接连接外设，无需 CPU 介入，显著提升传输效率。
   • 中断驱动/轮询/程序控制：需依赖 CPU 参与数据搬运，存在上下文切换开销，吞吐量较低。
3. 结论：DMA 通过减少 CPU 干预，成为大容量数据传输的最优解。

• 最内圈直径 = 10 厘米
• 存储密度 = 1400 位/厘米
• 每条磁道容量 = $ \pi \times $ 直径 $\times$ 密度 = $ 3.14 \times 10 \times 1400 = 43960 $ 位
• 旋转延迟时间 = $ \frac{60}{4200} = \frac{1}{70} $ 秒

已知主存的字长为 64 位，周期时间为 1 微秒。

• 1 秒内主存可传输的数据量 = $ 64 \times 10^6 $ 位（因每微秒传输 64 位，共 $ 10^6 $ 微秒）
• 磁盘每秒读取的数据量 = $ 43960 \times 70 = 3.08 \times 10^6 $ 位
• 总共需要窃取的内存周期数 = $ \frac{3.08 \times 10^6}{64 \times 10^6} = 0.048125 $（即 4.81%）

四舍五入后约为 5%，因此 C 选项是正确的。