五、設備管理
1.引言
在計算機系統中，除了處理器和主存之外，其他的大部分硬設備種類繁多，特性各異，操作方式的差異很大，從而使操作系統的設備管理變得十分繁雜。
（1）設備的類型20世紀80年代以來，由于個人計算機、網絡的發展，外部設備更趨多樣化、復雜化和智能化。例如網卡、仿真終端、虛擬終端、Windows終端和X-Windows終端。為簡化設備管理程序，常對設備進行分類:①按數據組織方式:字符設備（常對應于慢速設備）和塊設備（常對應于快速設備）。②按資源性能性質:獨占設備（如終端、打印機），共享設備（如磁盤），虛擬設備（采用某種技術，將高速設備如磁盤虛擬化為多個“高速”讀卡機和打印機，以提高系統效率，這也稱為spoolˉing（假脫機）技術。
（2）設備管理的功能設備管理是對計算機輸入/輸出系統的管理，其主要任務是:實現對外部設備的分配和回收;啟動外部設備;控制輸入/輸出設備與處理器或主存之間交換數據;實現對磁盤的調度;處理設備的中斷，實現虛擬設備等。
（3）數據傳輸控制方式外部設備和主存之間常用的傳輸控制方式有4種:
①程序控制方式。處理器啟動數據傳輸，然后等設備完成。程序控制方式不能實現并發。
②中斷方式。中斷方式的數據傳輸過程是這樣的，進程啟動數據傳輸（如讀）后，該進程放棄處理器，當數據傳輸完成，設備控制器產生中斷請求，中斷處理程序對數據傳輸工作處理以后，讓相應進程成為就緒狀態。以后，該進程就可以得到所需要的數據。
③直接存儲訪問（DMA）方式。其基本思想是外部設備和主存之間開辟直接的數據交換通路。除了控制狀態寄存器和數據緩沖寄存器之外，DMA控制器中還包括傳輸字節計數器、主存地址寄存器等。DMA方式采用竊取（或挪用）處理器的工作周期和控制總線而實現輔助存儲器和主存之間的數據交換。有的DMA方式也采用總線浮起方式傳輸大批量數據。
④設備連接現代計算機系統，系統對外部設備的控制常分為3個層次，即通道、控制器和設備。控制設備的軟件分為與設備有關的和與設備無關的兩大類。前者與具體的設備類型有關，設備驅動程序就是與設備有關的;與設備無關的軟件主要用于在用戶一級提供統一的接口，包括處理控制器的公共部分。需要處理的內容包括:為設備驅動程序提供統一的接口、設備命名、設備分配與回收、錯誤報告、塊設備空間管理、緩沖管理等等。
（4）組塊與緩沖通常高速外設的輸入輸出操作是以塊為單位的，如磁盤塊的大小是固定的。所謂塊，又稱為物理記錄，是實際從設備讀取或寫到設備上的信息單位。相應的邏輯記錄是從用戶觀點考察的一個信息單位。為了提高輔助存儲器尤其是磁帶的利用率，一般由若干邏輯記錄組成一個物理記錄，這稱為組塊技術。緩沖是一種暫存技術。它利用某個存儲設備，在數據的傳輸過程中進行暫時的存儲。緩沖技術的引入，有效地改善了處理器與輸入輸出設備之間速度不匹配的情況，也減少了設備的中斷請求次數。緩沖技術可以采用硬件緩沖和軟件緩沖兩種。硬件緩沖是利用專門的硬件寄存器作為緩沖區;軟件緩沖是利用操作系統的管理，用主存中的一個或多個區域作為緩沖區，進而可以形成緩沖池。
（5）虛設備采用假脫機技術，可以將低速的獨占設備改造成一種可共享的設備，而且一臺物理設備可以對應若干臺虛擬的同類設備。假脫機簡稱spooling，是利用多道程序技術，采用一組程序或進程模擬一臺輸入輸出處理機，脫機輸出是使用虛設備技術的典型例子。在現代計算機系統中，每個窗口可以用一臺設備來模擬自身，如常見的多窗口技術，即在一個終端上開多個窗口，每個窗口可以獨立地進行顯示，以監視用戶不同任務的執行情況，這是通過縮小顯示區域、平鋪或重疊顯示來模擬多個顯示器的。
2.設備的分配
設備分配的原則是按照設備特性和用戶要求來決定的。設備分配的目的是既要充分發揮設備的使用效率，盡可能地讓設備忙;又要避免形成死鎖;另外，還要做到設備的獨立性，即用戶程序面對的是邏輯設備，分配程序將在系統中把邏輯設備轉換成物理設備之后，再根據要求的物理設備狀態進行分配。設備分配有兩種方法，即靜態分配方法和動態分配方法。靜態分配方法是在用戶作業開始執行之前，系統一次分配該作業所需求的全部設備、控制器和通道，一旦分配之后，這些設備、控制器和通道就一直為該作業所占有，直到該作業終止而撤消。顯然，設備的使用效率低。動態分配在進程運行過程中根據運行的需要而進行。當進程需要設備時，通過系統調用命令申請設備，由系統按照設定的策略分配相應的設備、控制器和通道給進程，一旦用完以后，便立即釋放。動態分配方法有利于提高設備的利用率，但如果分配算法選用不當，有可能產生死鎖。
3.磁盤調度算法
設備的動態分配算法與進程調度相似，也是基于一定的分配策略的。常用的分配策略有先請求先分配、優先級高者先分配等策略。在多道程序系統中，低效率通常是由于磁盤類旋轉設備使用不當造成的。操作系統中，對磁盤的訪問要求來自多方面，常常需要排隊。這時，對眾多的訪問要求按一定的次序響應，會直接影響磁盤的工作效率，進而影響系統的性能。訪問磁盤的時間因子由3部分構成，它們是查找（查找磁道）時間、等待（旋轉等待扇區）時間和數據傳輸時間，其中查找時間是決定因素。因此，磁盤調度算法先考慮優化查找策略，需要時再優化旋轉等待策略。①先來先服務（FCFS）調度:按先來后到次序服務，未作優化。②最短查找時間優先（SSTF）調度:FCFS會引起讀寫頭在盤面上的大范圍移動，SSTF查找距離磁頭最短（也就是查找時間最短）的請求作為下一次服務的對象。SSTF查找模式有高度局部化的傾向，會推遲一些請求的服務，甚至引起無限拖延（又稱饑餓）。③SCAN調度:又稱電梯算法，SCAN算法是磁頭前進方向上的最短查找時間優先算法，它排除了磁頭在盤面局部位置上的往復移動，SCAN算法在很大程度上消除了SSTF算法的不公平性，但仍有利于對中間磁道的請求。
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