《操作系统原理教程第二》第设备管理

《操作系统原理教程第二》设备管理xx年xx月xx日CATALOGUE目录设备管理概述设备驱动程序I/O调度算法设备分配与回收缓冲技术设备驱动接口设备管理的发展趋势01设备管理概述设备管理是指对计算机系统中使用的硬件设备进行管理，包括设备的初始化、分配、使用、释放和故障排除等。设备管理定义设备管理具有抽象性、并发性、异步性、虚拟性和共享性等特点。设备管理特点设备管理的定义与特点地位设备管理是操作系统的重要组成部分，它负责处理和管理计算机系统中各种硬件设备，使得用户可以方便地使用这些设备来完成各种任务。作用设备管理的作用主要包括减少用户对硬件设备的直接操作，简化设备的配置和维护，提高设备的利用率和可靠性，提供良好的用户界面等。设备管理在操作系统中的地位与作用设备驱动程序与硬件设备直接交互的程序，用于控制设备的操作和访问。用于连接设备和计算机系统的硬件组件，可以控制设备的输入输出操作。提供一组标准的接口函数，用于应用程序和设备驱动程序之间的通信。用于访问和控制设备的用户程序，例如文件浏览器、图形界面等。操作系统内核中的设备管理模块负责管理和调度设备的操作，并协调各个组件之间的通信。设备管理系统的基本组成设备控制器用户应用程序操作系统内核设备驱动程序接口02设备驱动程序设备驱动程序的概念设备驱动程序是操作系统与硬件交互的接口，它负责管理和控制硬件设备，为应用程序提供访问硬件资源的途径。设备驱动程序的功能设备驱动程序的主要功能包括对设备的初始化、分配设备标识、设备读写操作、中断处理、设备状态检查等。设备驱动程序的概念及功能根据设备的性质和特点，设备驱动程序可以分为串口驱动程序、网卡驱动程序、显卡驱动程序、声卡驱动程序等。设备驱动程序的分类不同的设备驱动程序具有不同的特点。一般来说，设备驱动程序都具有与硬件设备的专用性、与操作系统的兼容性、以及可裁剪性等特点。设备驱动程序的特点设备驱动程序的分类与特点设备驱动程序的实现方式设备驱动程序可以通过以下几种方式实现：轮询、中断、DMA（直接内存访问）、通道等。其中，中断是最常用的方式之一，它通过向CPU发送中断信号，让CPU在中断处理函数中进行相应的处理。设备驱动程序的编写在操作系统中，设备驱动程序的编写一般由厂商或者开发人员完成。编写设备驱动程序需要了解设备的硬件接口和操作系统的驱动框架，遵循操作系统的驱动开发规范，利用相关的开发工具和编程语言进行编写。设备驱动程序的实现方式03I/O调度算法I/O调度算法定义根据一定的原则和算法，将I/O设备的数据块按照一定的顺序进行调度，从而使得I/O设备的读写操作更加高效。I/O调度算法分类按照调度策略的不同，I/O调度算法可以分为三类：先进先出(FIFO)、最短寻道时间优先(SSTF)和扫描(SCAN)。I/O调度算法的基本概念及分类给每个I/O请求赋予一定的优先级，根据优先级的高低来决定I/O设备的读写操作顺序。优先级调度算法定义通常根据I/O请求的来源、紧急程度、数据的重要程度等因素来为每个请求分配不同的优先级。优先级调度算法实现优先级调度算法循环调度算法定义将I/O设备的数据块按照环形进行排列，每次调度从环形的一端开始，按顺时针方向依次调度每个数据块，直到调度完所有的数据块。循环调度算法实现实现循环调度算法需要将I/O设备的数据块地址进行环形排列，并记录每个数据块的当前位置。循环调度算法VS根据I/O请求等待时间和传输时间的长短来决定I/O设备的读写操作顺序。基于时间的调度算法实现通常采用C-SCAN算法和SCAN-E算法两种实现方式。C-SCAN算法是SCAN算法的改进型，将I/O设备分为几个区域，依次在每个区域内进行扫描。SCAN-E算法则是SCAN算法的另一种改进型，将I/O设备分为几个组，每次按组进行扫描。基于时间的调度算法定义基于时间的调度算法04设备分配与回收1设备分配的基本原则与过程23设备分配应使应用程序与设备硬件无关，实现设备独立性。设备独立性允许多个进程共享设备，提高设备利用率。设备共享设备分配应确保设备数据不被破坏或被非法访问。设备保护将设备分配给某个进程，仅该进程可以使用该设备。设备的分配方式与实现独占分配多个进程共同使用同一设备，实现设备共享。共享分配将设备分成多个段，每个进程可以使用一个段。分段分配设备回收01当进程不再需要使用设备时，系统应将其回收。设备的回收与处理设备处理02回收的设备应进行必要的处理，如清除数据、释放资源等。设备调度03系统应根据一定的调度算法，对进程请求的设备进行合理调度。05缓冲技术概念缓冲技术是指在计算机系统中，通过在硬件设备与主存之间引入一定容量的缓冲存储器（缓冲区），使得输入输出操作在时间上错开，以解决高速设备和低速设备之间的矛盾。作用缓冲技术可以缓解CPU和I/O设备之间的速度差异，提高系统的并发性和效率。缓冲技术的概念及作用缓冲区的基本类型及实现方式输入缓冲区、输出缓冲区、双向缓冲区。缓冲区的基本类型在硬件中设置缓冲寄存器或者在内存中开辟缓冲区，将I/O操作的数据暂存于其中。实现方式缓冲池技术及实现提供一组管理缓冲区的操作，如分配缓冲区、释放缓冲区、查看缓冲区状态等。为每个缓冲区设置状态位，表示缓冲区是否已被占用、是否已满、是否已空等；采用环形链表数据结构将各个缓冲区连接起来；缓冲池的概念：为提高缓冲效率，将各个物理缓冲区逻辑上连接起来，形成一个循环使用的缓冲区集合，这就是缓冲池。缓冲池的实现方式06设备驱动接口设备驱动接口概念设备驱动接口是操作系统与设备硬件之间的接口，它提供一组标准的接口函数和数据结构，用于管理设备的输入/输出操作和系统资源分配。设备驱动接口组成设备驱动接口通常由驱动程序和设备文件两部分组成。驱动程序负责与设备硬件进行通信和控制，而设备文件则是操作系统提供给应用程序使用的标准接口。设备驱动接口的基本概念与组成标准设备驱动接口包括一组标准的接口函数和数据结构，如open、read、write、close等，它们可以实现对设备的通用操作。标准设备驱动接口定义应用程序通过调用这些标准的接口函数和数据结构，可以实现对设备的操作和管理。使用标准设备驱动接口标准设备驱动接口的组成与使用自定义设备驱动接口需求对于一些特殊设备或特定应用场景，需要定制开发设备驱动接口来满足特定的需求。自定义设备驱动接口实现自定义设备驱动接口需要开发与设备硬件通信的驱动程序，并定义特定的接口函数和数据结构。自定义设备驱动接口的实现07设备管理的发展趋势03虚拟化技术增强灵活性虚拟化技术可以实现设备的动态分配和灵活调整，方便管理员根据需求进行资源分配。基于虚拟化技术的设备管理01虚拟化技术提高设备利用率通过虚拟化技术将一台物理设备虚拟成多台虚拟设备，可以同时运行多个操作系统或应用，提高设备的利用率。02虚拟化技术降低能耗通过虚拟化技术将不使用的设备进入休眠状态或降级使用，可以有效降低设备的能耗。基于云计算的设备管理云计算提高设备可靠性云计算技术可以实现设备的快速备份和恢复，提高设备的可靠性和稳定性。云计算降低设备成本通过云计算技术可以实现设备的按需使用和按需付费，降低设备的采购和维护成本。云计算实现资源池化通过云计算技术将大量设备集中管理和调度，形成一个资源池，实现资源的动态分配和共享。绿色计算提高设备能效绿色计算技术注重设备