通俗易懂理解操作系统设备管理

I/O硬件系统

1. I/O设备

   1. 设备的类别

      从数据交换单位来分，I/O设备可以大致分为两类

      • 块设备：信息存储在固定大小的块中，并且每个块都有地址，因此可以独立寻址。块的通常大小为512~32768字节。如硬盘，USB闪存盘等。
      • 字符设备：以字节为单位发送或接收一个字符流，且不可寻址。如打印机、鼠标、网络接口以及大多数与磁盘不同的设备，都可看做字符设备

   2. 设备硬件的组成

      I/O设备一般由机械部件和电子部件两部分组成

      • 机械部件：设备本身
      • 电子部件：设备控制器或适配器

   3. 总线

      计算机系统中的设备及处理器、内存等硬件资源通过总线通信

2. I/O控制方式

   主机通过控制器对设备输入、输出进行控制的方式

   1. 轮询（忙等待）

      cpu通过控制器命令寄存器向设备下达操作命令后，设备操作完成状态由cpu不断查询控制器状态寄存器来获得

   2. 中断控制

      设备主动向cpu报告任务完成状态，无需cpu主动循环检测设备操作状态

   3. 直接存储器访问（DMA）

      通过一个专用处理器DMA完成具体的传输控制操作，数据传输的基本单位是一个连续的数据块，仅在传输数据块的开始和结束时才需要cpu干预

   4. 通道方式（输入输出处理器）

      独立于cpu专门负责数据输入/输出传输工作的处理机，与cpu并行操作，指令单一，与cpu共享内存

I/O软件系统

1. 设备中断处理程序

   • 作用：解除设备驱动程序的阻塞

2. 设备驱动程序

   • 概念：专门与控制器对话，发出命令并接受响应的软件

   • 与操作系统的结合方式

     设备是共享资源，设备驱动程序运行在核心态

   • 设备驱动程序与设备控制器的通信

     通过设备寄存器来进行通信

3. 设备无关I/O软件

   设备无关I/O软件的基本功能是执行所有设备公关的I/O功能，并想用户层软件提供一个统一的接口

   • 设备管理功能

     屏蔽I/O设备细节差异，抽象设备共性特征，对不同设备提供尽可能一致的使用接口

   • 缓冲管理

   • 错误报告

   • 分配与释放设备

   • 提供与设备无关的块尺寸

磁盘管理

1. 磁盘的结构

2. 磁盘的调度算法
   • 先来先服务算法：根据磁道的访问请求到来的先后顺序完成请求
   • 最短寻道时间优先算法：优先满足距离当前磁头位置最近的访问请求
   • 电梯调度算法：类似于电梯
   • 循环扫描算法：磁臂从开始端柱面走向结束端柱面，过程中处理请求，走完后从结束端返回，但不处理请求，然后从开始端再重新开始。
   • N步扫描算法：分成诺干个长度为N的子队列，按先来先服务算法依次执行这些队列。处理某子队列是，来了新请求，则将新请求放入其他队列

虚拟设备

作用：提高设备的利用率，尤其是独占设备，将其模拟成共享设备。这种技术就是虚拟

SPOOLing（假脱机技术）：对脱机输入/输出系统的模拟，即利用一类物理设备模拟另外一类物理设备