2024年度《操作系统》课件项目四设备管理

《操作系统》课件项目四设备管理12024/3/23contents目录设备管理概述设备的分类与特性设备管理的功能与机制设备的分配与回收设备控制与处理设备管理的优化与改进22024/3/2301设备管理概述32024/3/23设备管理是操作系统中对计算机硬件设备的管理和调度，包括设备的识别、配置、控制、监视和维护等功能。设备管理是操作系统中不可或缺的一部分，它确保了计算机硬件设备的正常运行和高效利用，同时也为用户提供了方便的设备使用接口。设备管理的定义与重要性重要性定义42024/3/23早期设备管理01早期的计算机系统中，设备管理功能相对简单，主要通过直接操作硬件或编写特定的设备驱动程序来实现。设备管理的发展02随着计算机技术的不断发展，设备种类和数量的不断增加，设备管理逐渐成为一个独立的子系统，并引入了更高级的设备管理技术，如中断处理、缓冲技术、设备驱动程序等。现代设备管理03在现代操作系统中，设备管理已经发展成为一个复杂的子系统，支持即插即用、电源管理、设备热插拔等功能，并提供了丰富的设备驱动程序接口和工具。设备管理的发展历程52024/3/23设备管理的目标与任务设备控制对设备进行启动、停止、暂停等操作，以及对设备的工作状态进行监视和控制。设备识别与配置识别系统中的各种设备，并为它们分配相应的资源（如I/O端口、中断号等）。目标设备管理的目标是提供一个统一、高效、安全和易用的设备管理框架，以满足用户对设备使用的需求。设备驱动提供设备驱动程序接口，以便应用程序能够与设备进行通信和数据交换。设备维护与故障处理对设备进行定期维护和保养，以及在设备出现故障时进行诊断和修复。62024/3/2302设备的分类与特性72024/3/23如硬盘、U盘等，用于长期保存信息。存储设备如键盘、鼠标、打印机等，用于与用户进行交互。输入/输出设备设备的分类82024/3/23低速设备如键盘、鼠标等。中速设备如行式打印机、激光打印机等。设备的分类92024/3/23如磁盘、光盘等。高速设备以数据块为单位进行信息交换，如硬盘。块设备以字符为单位进行信息交换，如键盘、打印机等。字符设备设备的分类102024/3/23机械特性设备的物理属性，如大小、形状、重量等。电气特性设备的电气属性，如电压、电流、功率等。设备的特性与性能指标112024/3/23功能特性：设备所具备的功能和性能，如打印速度、分辨率等。设备的特性与性能指标122024/3/2303可靠性设备在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。01吞吐量单位时间内设备处理的数据量。02响应时间从发出请求到设备响应的时间。设备的特性与性能指标132024/3/23设备驱动程序设备独立性设备分配与回收设备保护与安全性设备与操作系统的关系操作系统通过设备驱动程序与设备进行通信，实现对设备的控制和管理。操作系统负责设备的分配与回收，确保多个进程或线程对设备的访问不会发生冲突。操作系统应提供设备独立性，即应用程序不依赖于具体设备，只需使用操作系统提供的统一接口即可。操作系统应提供设备保护机制，防止未经授权的用户访问设备，确保系统的安全性。142024/3/2303设备管理的功能与机制152024/3/23根据用户请求和设备状态，合理分配设备资源，并在使用完毕后及时回收。设备分配与回收对设备的启动、停止、读/写等操作进行控制和管理。设备控制使得应用程序独立于具体使用的物理设备，提高系统的可移植性和易维护性。设备独立性跟踪设备的状态，如忙碌、空闲、故障等，并根据状态进行相应的处理。设备状态管理设备管理的功能162024/3/23通过中断处理程序响应设备的中断请求，实现设备的异步操作。中断处理机制缓冲策略设备驱动接口设备分配策略在设备和CPU之间设置缓冲区，以缓解速度不匹配的问题，提高系统性能。提供统一的设备驱动接口，使得操作系统能够方便地管理和控制各种设备。根据设备的特性和用户的需求，制定合理的设备分配策略，如独占分配、共享分配等。设备管理的机制与策略172024/3/2303对设备进行初始化，设置设备的参数和状态。01设备驱动程序的作用02提供与设备通信的接口，实现操作系统对设备的控制和管理。设备驱动程序的作用与结构182024/3/23123处理设备的中断请求，完成设备的输入/输出操作。设备驱动程序的结构设备驱动接口层：提供与操作系统交互的接口，实现设备驱动的加载、卸载等操作。设备驱动程序的作用与结构192024/3/23设备控制层对设备进行具体的控制和管理，如启动、停止、读/写等。中断处理层响应设备的中断请求，完成中断处理程序的编写和注册。硬件访问层直接与硬件设备进行通信，实现对设备的底层操作。设备驱动程序的作用与结构202024/3/2304设备的分配与回收212024/3/23独占设备的分配采用静态分配方式，即在作业执行前为其分配所需的全部独占设备，直到作业完成后才释放。共享设备的分配采用动态分配方式，当进程需要使用设备时，系统根据设备的请求队列和分配策略为其分配设备。虚拟设备的分配通过SPOOLING技术将独占设备改造为共享设备，实现设备的共享使用。设备分配的策略与方法222024/3/23记录设备的特性、状态及与设备驱动程序相关的指针等信息。设备控制表（DCT）记录控制器的特性、状态及与控制器驱动程序相关的指针等信息。控制器控制表（COCT）记录通道的特性、状态及与通道程序相关的指针等信息。通道控制表（CHCT）记录系统中所有设备的状态、类型、设备驱动程序入口等信息。系统设备表（SDT）设备分配的数据结构232024/3/23当进程不再使用某个设备时，应将该设备从进程的设备表中删除，并更新系统设备表的状态。对于共享设备的回收，需要将其放入空闲设备队列中，等待其他进程申请使用。设备回收的过程与处理对于独占设备的回收，需要判断是否有其他进程在等待使用该设备，若有则根据一定的策略选择一个等待进程为其分配设备。在设备回收过程中，需要注意处理可能出现的异常情况，如设备故障、进程异常结束等。242024/3/2305设备控制与处理252024/3/23轮询方式CPU定时查询设备状态，简单但效率低。中断方式设备完成后主动通知CPU，效率高但需额外的中断处理机制。DMA方式主存与设备间直接传输数据，减轻CPU负担，但需更复杂的硬件支持。设备控制的方式与特点262024/3/23识别设备通过设备驱动程序识别连接的特定设备。设备初始化对设备进行必要的初始化操作，如设置参数、启动设备等。数据传输控制管理设备与内存之间的数据传输，包括数据的读写、缓冲等。设备状态检测实时监测设备状态，处理异常情况如设备故障、数据传输错误等。设备控制的处理过程272024/3/23中断请求CPU响应中断，保存现场并转入中断处理程序。中断响应中断处理中断返回01020403恢复现场并返回原程序继续执行。设备在需要CPU服务时发出中断请求。执行相应的中断处理程序，完成设备服务。设备中断的处理与响应282024/3/2306设备管理的优化与改进292024/3/23设备驱动程序优化通过改进设备驱动程序的设计和实现，提高设备访问效率和稳定性。设备分配策略优化根据设备特性和应用需求，制定合理的设备分配策略，减少设备冲突和等待时间。设备独立性增强提高设备独立性，使应用程序与具体设备无关，降低程序开发和维护成本。设备管理的优化策略与方法030201302024/3/23通过设备虚拟化技术，将物理设备抽象为虚拟设备，提高设备利用率和灵活性。设备虚拟化利用智能算法和数据分析技术，实现设备故障预测和诊断，提高系统可靠性。设备故障预测与诊断加强设备能耗管理，降低系统能耗，提高能源利用效率。设备能耗管理设备管理的改进方向与措施312024/3/23物联网设备管理随着物联网技术的发