工程四存儲器管理和設(shè)備管理由于存在各種限制，一個計算機系統(tǒng)配置的設(shè)備總是有限的，無法滿足各種用戶程序的實際需要，特別是在多道程序運行環(huán)境中允許多個作業(yè)并行處理，設(shè)備需求量比單道程序運行時要多得多。為了有效地利用設(shè)備資源，同時也為用戶程序使用設(shè)備提供最大方便，由操作系統(tǒng)對系統(tǒng)中所有設(shè)備進行統(tǒng)一的調(diào)度和管理是極為重要的。設(shè)備管理是操作系統(tǒng)的重要組成局部之一。目錄

任務論述程序直接控制方式的工作過程論述程序的工作過程論述程序直接控制方式的工作過程準備知識存儲器管理設(shè)備管理1.存儲器管理1.存儲器管理〔1〕存儲管理的任務和功能為了對主存儲器進行合理有效的管理，一般將內(nèi)存空間分為系統(tǒng)區(qū)和用戶區(qū)兩大局部。系統(tǒng)區(qū)主要存放操作系統(tǒng)常駐內(nèi)存局部和一些系統(tǒng)軟件常駐內(nèi)存局部以及相關(guān)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)；用戶區(qū)主要用來存放用戶的程序和數(shù)據(jù)。操作系統(tǒng)存儲管理主要是針對用戶區(qū)進行的。在多道程序設(shè)計環(huán)境中，需要將存儲空間劃分成更多的區(qū)域，以便同時存放多道用戶的作業(yè)，因此，操作系統(tǒng)必須對有限的存儲器進行有效的管理，以提高系統(tǒng)的利用率。存儲管理的具體表現(xiàn)在如下幾個方面。方便用戶使用存儲器，用戶無需考慮存儲器的分配、回收和保護等工作，這些工作對于用戶來說是“透明〞的，完全由操作系統(tǒng)管理。為多道程序的并發(fā)執(zhí)行提供良好的環(huán)境，使每道程序都能在不受干擾的環(huán)境中運行。邏輯上擴充內(nèi)存空間，使大程序能在小內(nèi)存中運行。提高存儲器利用率，盡量減少空閑的和不可利用的內(nèi)存儲器區(qū)域，使有限的內(nèi)存能更好地為多個用戶程序效勞。知識鏈接為了完成上述任務，要求存儲管理必須具備以下幾個功能：存儲空間的分配和回收，地址重定位，對存儲器的邏輯擴充，存儲器的共享和保護等。1.存儲器管理1.存儲器管理〔2〕連續(xù)存儲管理連續(xù)存儲管理，是指為一個用戶程序分配連續(xù)的內(nèi)存空間。這種管理方式又可以進一步分為單一連續(xù)存儲管理和分區(qū)存儲管理兩種方式。其中，分區(qū)存儲管理方式是將內(nèi)存的用戶可用區(qū)劃分成假設(shè)干個大小不等的區(qū)域，每一個進程占據(jù)一個區(qū)域或多個區(qū)域，從而實現(xiàn)多道程序設(shè)計環(huán)境下各并發(fā)進程共享內(nèi)存空間。分區(qū)管理根據(jù)分區(qū)的時機不同，可以進一步分為固定分區(qū)和動態(tài)分區(qū)兩種方法。單一連續(xù)區(qū)主要指內(nèi)存用戶區(qū)每次只被一個用戶程序使用。如果系統(tǒng)資源能夠滿足用戶程序要求，那么系統(tǒng)分配內(nèi)存資源給該用戶程序，否那么，假設(shè)系統(tǒng)資源不能滿足用戶程序要求，那么系統(tǒng)無法執(zhí)行該程序，同時給出相應的提示信息。1.存儲器管理1.存儲器管理單一連續(xù)存儲管理主要采用靜態(tài)分配與靜態(tài)重定位方式，即用戶程序(進程)一旦調(diào)入內(nèi)存后，必須等到該程序執(zhí)行結(jié)束后才能釋放內(nèi)存空間。因此，單一連續(xù)存儲管理不支持進程大小不受內(nèi)存容量限制的虛擬存儲器的實現(xiàn)。單一連續(xù)區(qū)的主存分配與回收方法如下圖。單一連續(xù)區(qū)主存分配與回收單一連續(xù)區(qū)管理的主要優(yōu)點是管理簡單，只需要很少的軟件和硬件支持，并且便于用戶了解和使用。缺點是不支持多道程序設(shè)計，并且用戶程序所需內(nèi)存容量大于內(nèi)存用戶空間時，該程序不能運行。拓展提高：1.存儲器管理1.存儲器管理2〕固定分區(qū)管理固定分區(qū)分配是最簡單的一種可運行多道程序的存儲管理方式，也稱靜態(tài)分區(qū)。固定分區(qū)是指系統(tǒng)在初始化時，將內(nèi)存空間劃分為假設(shè)干個大小不等的區(qū)域，每個分區(qū)只能裝入一道作業(yè)，這樣把用戶空間劃分為幾個分區(qū)，從而允許幾道作業(yè)并發(fā)運行，分區(qū)的個數(shù)也就是系統(tǒng)能夠并發(fā)執(zhí)行的作業(yè)的最大道數(shù)。在整個系統(tǒng)運行期間分區(qū)的大小、分區(qū)的個數(shù)都是固定不變的。為了實現(xiàn)這種固定分區(qū)的管理，系統(tǒng)需要建立一張分區(qū)說明表，如表所示。在這個分區(qū)說明表中，指出了系統(tǒng)的分區(qū)個數(shù)以及每個分區(qū)的大小、起始地址和分配狀態(tài)(該區(qū)是否分配)。內(nèi)存的分配、回收、存儲、保護以及地址轉(zhuǎn)換都是通過該表進行的。分區(qū)說明表分區(qū)號大小起始狀態(tài)116KB20KB未分配264KB36KB已分配380KB100KB已分配4128B180KB未分配1.存儲器管理1.存儲器管理3〕動態(tài)分區(qū)管理①動態(tài)分區(qū)的根本概念在固定分區(qū)分配方式中，由于存在“碎片〞問題，所以內(nèi)存浪費現(xiàn)象比較嚴重。為了獲得更好的內(nèi)存利用率并使存儲空間的劃分更能夠適應不同的作業(yè)組合，產(chǎn)生了動態(tài)分區(qū)管理方式。動態(tài)分區(qū)，又稱可變分區(qū)。在這種管理方式下，系統(tǒng)并不是預先劃分內(nèi)存空間，而是根據(jù)作業(yè)的實際需要動態(tài)地劃分內(nèi)存空間。也就是說，在系統(tǒng)初啟時，除了操作系統(tǒng)中常駐內(nèi)存局部以外，只存在一個空閑分區(qū)。隨后，分配程序?qū)⒃搮^(qū)依次劃分給調(diào)度程序選中的進程，并且分配的大小可隨用戶進程對主存的要求而改變。顯然，這種管理方式下，內(nèi)存中分區(qū)的個數(shù)，每個分區(qū)的大小都隨著時間的變化而變化。與固定分區(qū)法相同，動態(tài)分區(qū)也可以使用分區(qū)說明表等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來對內(nèi)存進行管理。但由于系統(tǒng)在運行的過程中，無法確定分區(qū)的個數(shù)和分區(qū)的大小等情況，使得分區(qū)說明表的大小也難以確定。因而，在動態(tài)分區(qū)分配方式中，通常采用將內(nèi)存中的空閑區(qū)單獨構(gòu)成可用分區(qū)自由鏈表的形式以描述系統(tǒng)內(nèi)存管理。自由鏈表是利用每個空閑區(qū)的開始幾個存儲單元來存放本空閑區(qū)的大小及下一個空閑區(qū)的起始地址，從而將所有的空閑區(qū)都鏈接起來。然后，系統(tǒng)再設(shè)置一個自由鏈表首指針，讓其指向第一個空閑區(qū)。這樣，存儲管理程序可以通過自由鏈表的首指針查找到所有的空閑區(qū)。拓展提高：1.存儲器管理1.存儲器管理②動態(tài)分區(qū)的分配與回收動態(tài)分區(qū)的存儲分配是指系統(tǒng)利用某種分配算法從可用分區(qū)表或自由鏈中尋找滿足條件的空閑區(qū)分配給相應的作業(yè)。㈠首次適應法。首次適應法要求自由鏈表按空閑區(qū)的起始地址遞增的順序排列。㈡循環(huán)首次適應算法。也稱作下次適應算法，它是從首次適應算法演變形成的。㈢最正確適應算法。采用這種算法要求可用分區(qū)表或自由鏈表按照空閑區(qū)從小到大的次序排列。㈣最壞適應法是把一個作業(yè)分配到內(nèi)存中最大的空閑區(qū)中。采用這種算法要求可用分區(qū)表或自由鏈表按照空閑區(qū)從大到小的次序排列。這種算法看起來是最差的算法，因為它總是將最大的空閑區(qū)來滿足用戶的要求。但是經(jīng)過分析后發(fā)現(xiàn)，最壞適應算法也具有實用價值。其原因是：在大空閑區(qū)中裝入作業(yè)后，剩下的空閑區(qū)往往也很大而不至于是“碎片〞，于是也能滿足以后較大的作業(yè)要求。拓展提高：1.存儲器管理1.存儲器管理③動態(tài)分區(qū)地址轉(zhuǎn)換靜態(tài)重定位和動態(tài)重定位技術(shù)，都可以用完成分區(qū)內(nèi)存管理的地址轉(zhuǎn)換，但是由于動態(tài)分區(qū)時，分區(qū)的大小不固定，有時因系統(tǒng)內(nèi)存中有過多的小的空閑區(qū)，操作系統(tǒng)會整理內(nèi)存空間，將小的空閑區(qū)合并而移動內(nèi)存中的程序和數(shù)據(jù)。因此，對動態(tài)分區(qū)方式應采用動態(tài)重定位裝入作業(yè)，當作業(yè)執(zhí)行時由硬件地址轉(zhuǎn)換機構(gòu)完成地址轉(zhuǎn)換。④分區(qū)的共享和保護在分區(qū)管理方式中，如果每個作業(yè)只能占用一個分區(qū)，那么就不允許各道作業(yè)存在公共的共享區(qū)域。這樣，當幾道作業(yè)都要使用某個例行程序時就只好在各自的存儲區(qū)域內(nèi)各放一套了，這種方式顯然降低了內(nèi)存的使用效率。所以有些計算機系統(tǒng)提供了多對基址/限長存放器，允許一個作業(yè)占用多個分區(qū)。系統(tǒng)可以規(guī)定某對基址/限長存放器限定的區(qū)域是共享的，用來存放共享的程序和常數(shù)。1.存儲器管理1.存儲器管理〔3〕頁式存儲管理盡管分區(qū)管理從實現(xiàn)方法來看比較簡單，但由于該管理方式要求作業(yè)占用內(nèi)存的一組連續(xù)的存儲單元，這樣會導致整個計算機存儲系統(tǒng)出現(xiàn)系列問題。首先，當連續(xù)空閑區(qū)不能滿足進程的要求時，即使系統(tǒng)中所有空閑區(qū)之和大于進程對內(nèi)存的要求，也仍然不能裝入進程；其次，在動態(tài)分區(qū)的存儲空間中，常常由于存在著一些缺乏以裝入任何作業(yè)的小的分區(qū)而浪費掉局部存儲資源，這就是所謂的存儲器的“碎片〞問題。盡管采用一些技術(shù)可以解決這個問題，但要為移動大量信息花去不少處理機時間，代價較高。如果我們能取消作業(yè)對其存儲區(qū)域的連續(xù)性要求，必然會進一步提高內(nèi)存空間的利用率，又無需為移動信息付出代價?；谶@一指導思想，產(chǎn)生了離散存儲管理方式。如果離散分配的根本單位是頁，那么稱為分頁式存儲管理；如果離散分配的根本單位是段，那么稱為分段存儲管理方式。1.存儲器管理1.存儲器管理3〕動態(tài)頁式存儲管理動態(tài)頁式管理是在靜態(tài)頁式管理的根底上開展起來的，它分為請求頁式管理和預調(diào)入頁式管理。請求頁式管理和預調(diào)入頁式管理在作業(yè)或進程開始執(zhí)行之前，都不把作業(yè)或進程的程序段和數(shù)據(jù)段一次性地全部裝入內(nèi)存，而只裝入被認為是經(jīng)常反復執(zhí)行和調(diào)用的工作區(qū)局部。其他局部那么在執(zhí)行過程中動態(tài)裝入。請求頁式管理與預調(diào)入頁式管理的主要區(qū)別在它們的調(diào)入方式上。請求頁式管理的調(diào)入方式是：當需要執(zhí)行某條指令而又發(fā)現(xiàn)它不在內(nèi)存時或當執(zhí)行某條指令需要訪問其他的數(shù)據(jù)或指令時，這些指令和數(shù)據(jù)不在內(nèi)存中，從而發(fā)生缺頁中斷，系統(tǒng)將外存中相應的頁面調(diào)入內(nèi)存。預調(diào)入頁式管理的調(diào)入方式是：系統(tǒng)對那些在外存中的頁進行調(diào)入順序計算，估計出這些頁中指令和數(shù)據(jù)的執(zhí)行和被訪問的順序，并按此順序?qū)⑺鼈冺槾握{(diào)入和調(diào)出內(nèi)存。除了在調(diào)入方式上請求頁式管理和預調(diào)入頁式管理有些區(qū)別之外，其他方面這兩種方式根本相同。1.存儲器管理1.存儲器管理①請求頁式管理中頁表的結(jié)構(gòu)請求頁式管理需要解決以下幾個具體的問題：一是系統(tǒng)如何獲知進程當前所需頁面不在內(nèi)存；二是當發(fā)現(xiàn)缺頁時，采用何種方式把所缺頁面調(diào)入內(nèi)存；三是當內(nèi)存中沒有空閑的頁面時，為了接收一個新的頁，需要淘汰一個老的頁，需要采用什么策略來選擇被淘汰的頁面，且被淘汰的頁面是否需要保存。為解決上述問題將靜態(tài)分頁管理的頁表結(jié)構(gòu)擴充為如下圖。請求頁式管理下的頁表1.存儲器管理1.存儲器管理②頁面置換算法進程在運行過程中，假設(shè)其所訪問的頁面不在內(nèi)存而需將它調(diào)入內(nèi)存，但內(nèi)存已沒有空閑的頁面時，為了保證該進程能繼續(xù)運行，系統(tǒng)必須從內(nèi)存中調(diào)出一頁程序或數(shù)據(jù)到磁盤的對換區(qū)中，這一工作稱為頁面調(diào)度或頁面置換。頁面置換實際上是確定淘汰哪一頁的問題。從理論上講，應該將那些以后不會再訪問的頁面調(diào)出，或?qū)⒃谳^長時間內(nèi)不再訪問的頁面調(diào)出。但是，要實現(xiàn)這樣一個調(diào)度算法確實很難。目前存在著許多種置換算法，它們都試圖更靠近這個理論上的目標。事實上，如果淘汰算法選擇不當，那么有可能會出現(xiàn)剛被調(diào)入內(nèi)存的頁面馬上又被調(diào)出內(nèi)存，使整個系統(tǒng)的頁調(diào)度非常頻繁，以至CPU大局部時間都花費在內(nèi)存與外存的調(diào)入、調(diào)出上，這種現(xiàn)象稱為“抖動〞也稱為“顛簸(Thrashing)〞。1.存儲器管理1.存儲器管理4〕頁式存儲管理優(yōu)缺點由于頁式存儲管理有效地解決了存儲器的“碎片〞問題，因而能同時為更多的作業(yè)提供存儲空間，能在更高的程度上進行多道程序設(shè)計，從而相應地提高了存儲器和CPU的利用率，分頁系統(tǒng)具備如下優(yōu)點。解決了內(nèi)存的“碎片〞問題，能有效地利用內(nèi)存。方便多道程序設(shè)計，并且程序運行的道數(shù)增加了。可提供大容量的虛擬存儲器，作業(yè)的地址空間不再受實際內(nèi)存大小的限制。更加方便了用戶，特別是大作業(yè)的用戶。當某作業(yè)地址空間超過主存空間時，用戶也無需考慮覆蓋結(jié)構(gòu)。1.存儲器管理1.存儲器管理頁式存儲管理方式的缺點如下。要求有相應的硬件支持，如需要動態(tài)地址變換機構(gòu)、缺頁中斷處理機構(gòu)等，增加了計算機的本錢。必須提供相應的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來管理存儲器，而這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不僅占用了局部主存空間，同時它們的建立和管理要花費CPU的時間。雖然解決了分區(qū)管理中的“碎片〞問題，但在分頁系統(tǒng)中頁內(nèi)“碎片〞問題仍然存在。對于靜態(tài)分頁管理系統(tǒng)，用戶作業(yè)要求一次性裝入內(nèi)存，將給用戶作業(yè)的運行帶來一定的限制。在請求分頁管理中，需要進行缺頁中斷處理，特別是請求調(diào)頁的算法假設(shè)選擇不當，還有可能出現(xiàn)抖動現(xiàn)象，增加了系統(tǒng)開銷，降低了系統(tǒng)效率。1.存儲器管理1.存儲器管理〔4〕段式及段頁式存儲管理從固定分區(qū)到動態(tài)分區(qū)，進而又開展到分頁系統(tǒng)的原因，主要都是為了提高內(nèi)存的利用率，然而，上述存儲管理方式為用戶提供的都是一維線性地址空間。而事實上，從程序本身的邏輯結(jié)構(gòu)和邏輯關(guān)系上看，它既有主程序、子程序，也有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)等。在分頁式存儲管理下，將作業(yè)地址空間機械地分割成很多個頁，從而破壞了程序內(nèi)部的天然邏輯結(jié)構(gòu)，這樣常常會把邏輯上相關(guān)局部的內(nèi)容劃到不同的頁面上，這對于模塊化程序和變化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的處理，以及不同作業(yè)之間對某些公用子程序或數(shù)據(jù)塊的共享等問題的解決，都存在著較大的困難；此外，程序人員一般都希望把信息按其內(nèi)容或函數(shù)關(guān)系分成段，每段有其自己的名字，且可以根據(jù)名字來訪問相應程序或數(shù)據(jù)段。按照這種邏輯結(jié)構(gòu)來分配內(nèi)存，那么引入了分段(Segment)存儲管理，通常分為簡單段式(簡稱段式)和段頁結(jié)合式兩種。1.存儲器管理1.存儲器管理〔5〕虛擬存儲管理虛擬存儲管理在本工程任務一中已經(jīng)作過簡單介紹，本任務中作進一步的詳細介紹。本工程前面幾節(jié)介紹了存儲管理方式中的單一連續(xù)存儲管理、分區(qū)存儲管理還有靜態(tài)頁存儲管理方式，這些管理方式的一個共同特點就是都需要將程序一次性裝入內(nèi)存。將程序一次性裝入內(nèi)存，如果作業(yè)很大，其所要求的內(nèi)存空間超過當前內(nèi)存空間總和的話，作業(yè)不能被一次性地裝入內(nèi)存，致使作業(yè)無法執(zhí)行。另外，當要運行的作業(yè)很多，而內(nèi)存空間缺乏的話，只能讓一局部作業(yè)運行，大量作業(yè)只能在外存中等待。為了解決內(nèi)存缺乏的情況，我們可以在物理上和邏輯上都擴充內(nèi)存容量。虛擬存儲器就是使用虛擬技術(shù)從邏輯上對存儲器進行擴充。采用動態(tài)頁式存儲管理和段式存儲管理方式時，僅在需要時才把局部程序或數(shù)據(jù)調(diào)入內(nèi)存，其他不經(jīng)常被訪問的程序段和數(shù)據(jù)放在外存中，待需要訪問時，再將它們調(diào)入內(nèi)存并為其申請內(nèi)存空間，這樣，操作系統(tǒng)通過請求調(diào)入和替換功能對內(nèi)外存進行統(tǒng)一管理，為用戶提供了一種宏觀上似乎比實際內(nèi)存容量大得多的存儲器，這個虛擬的大存儲器稱為虛擬存儲器。

2.設(shè)備管理2.設(shè)備管理〔1〕設(shè)備管理在計算機系統(tǒng)中，設(shè)備管理是指對數(shù)據(jù)傳輸控制和對除中央處理器和主存儲器之外的所有其他設(shè)備的管理。由于I/O設(shè)備不僅種類繁多，而且它們的特性和操作方式，往往相差甚大，這就使設(shè)備管理成為操作系統(tǒng)中最繁雜且與硬件緊密相關(guān)的局部。1〕I/O系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)對于不同規(guī)模的計算機系統(tǒng)，其I/O系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)也有所差異。通?？煞譃閮纱箢悾何⑿蜋CI/O系統(tǒng)和主機I/O系統(tǒng)。

2.設(shè)備管理2.設(shè)備管理2)外設(shè)的分類①按操作特性分類按這種方法可把外部設(shè)備分為存儲設(shè)備和輸入/輸出(I/O)設(shè)備。存儲設(shè)備是計算機用來存儲信息的設(shè)備，如磁盤、光盤及磁帶等。②按信息交換的單位分類按這種方法可將外部設(shè)備分為字符設(shè)備和塊設(shè)備。塊設(shè)備用于存儲信息。由于信息的存取總是以數(shù)據(jù)塊為單位，故被稱為塊設(shè)備，如磁帶及磁盤等。字符設(shè)備用于數(shù)據(jù)的輸入和輸出，其根本單位是字符，故稱為字符設(shè)備，如打印機及鍵盤等。③按傳輸速率分類按這種方法可將外部設(shè)備分為低速設(shè)備、中速設(shè)備和高速設(shè)備。低速設(shè)備是指傳輸速率為每秒中幾個字節(jié)至數(shù)百個字節(jié)的一類設(shè)備，如鍵盤、鼠標、語音的輸入和輸出等。中速設(shè)備是指傳輸速率為每秒數(shù)千個字節(jié)至數(shù)十千個字節(jié)的一類設(shè)備，如行式打印機、激光打印機等。高速設(shè)備是指傳輸速率為每秒數(shù)百千個字節(jié)至數(shù)兆字節(jié)的一類設(shè)備，如磁帶機、磁盤機及光盤機等。

2.設(shè)備管理2.設(shè)備管理3)設(shè)備管理的目標和功能①設(shè)備管理的目標在操作系統(tǒng)中設(shè)備管理的目標有以下4項。㈠提高設(shè)備的利用率㈡設(shè)備獨立性㈢字符編碼的獨立性㈣設(shè)備處理的一致性

2.設(shè)備管理2.設(shè)備管理②設(shè)備管理的功能為了實現(xiàn)上述目標，設(shè)備管理應具有以下功能。監(jiān)視系統(tǒng)中所有設(shè)備的狀態(tài)。系統(tǒng)中存在許許多多設(shè)備，這些設(shè)備在系統(tǒng)運行期間處于各自不同的狀態(tài)，為了對設(shè)備實施分配和控制，系統(tǒng)必須要在任何時間都能快速地跟蹤設(shè)備狀態(tài)。設(shè)備狀態(tài)信息保存在設(shè)備控制塊(DCB)中，DCB能動態(tài)地記錄設(shè)備狀態(tài)的變化及相關(guān)信息。設(shè)備分配。在多用戶多進程中，系統(tǒng)必須決定進程何時取得一臺設(shè)備，使用多長時間，使用完畢后如何收回等問題，具體的設(shè)備分配方法將在任務五中詳細介紹。設(shè)備控制是設(shè)備管理的另一功能，它包括設(shè)備驅(qū)動和設(shè)備中斷處理，具體的工作過程是在設(shè)備處理的程序中發(fā)出驅(qū)動某設(shè)備工作的I/O指令后，再執(zhí)行相應的中斷處理。

2.設(shè)備管理2.設(shè)備管理4)設(shè)備管理與文件管理的關(guān)系操作系統(tǒng)的各個功能之間關(guān)系是非常密切的，設(shè)備管理功能也不例外，與操作系統(tǒng)的其他功能有著非常密切的關(guān)系。例如，操作系統(tǒng)設(shè)備管理功能經(jīng)常調(diào)用CPU管理功能來進行進程狀態(tài)切換和I/O中斷處理，現(xiàn)在經(jīng)常借助虛存管理功能來實現(xiàn)設(shè)備緩沖區(qū)機制和平安保護功能。最為密切的當然是設(shè)備管理功能與文件系統(tǒng)之間的關(guān)系，這種密切關(guān)系具體表達在如下兩點。①統(tǒng)一的接口和無關(guān)層的實現(xiàn)操作系統(tǒng)設(shè)備管理功能的主要用戶界面與文件系統(tǒng)的主要用戶界面是統(tǒng)一的(或者說，設(shè)備管理的主要用戶界面包含在文件系統(tǒng)的用戶界面中)，而且設(shè)備管理功能無關(guān)層(也稱獨立層，負責實現(xiàn)對所有設(shè)備來說具有共性的功能，并且向用戶級軟件提供一個統(tǒng)一的接口)的主體代碼包含在文件系統(tǒng)代碼中(直到文件與設(shè)備的分化點)。

2.設(shè)備管理2.設(shè)備管理②塊設(shè)備管理與文件系統(tǒng)的關(guān)系文件系統(tǒng)與設(shè)備管理雖然都涉及到外部設(shè)備，但文件系統(tǒng)是管理外部空間和其中存儲的信息，而設(shè)備管理是對外部設(shè)備的物理接口進行物理操作。對文件的訪問經(jīng)高幾層的不同邏輯空間逐層向下轉(zhuǎn)化為最終的物理扇區(qū)后，文件系統(tǒng)的底層就要調(diào)用設(shè)備管理功能中的塊設(shè)備驅(qū)動程序來完成實際的I/O操作，從而文件系統(tǒng)不必涉及各種塊設(shè)備的具體接口形式和連接形式。或者，文件系統(tǒng)可看作是因規(guī)模和特點考慮而將塊設(shè)備空間管理和信息管理從設(shè)備管理功能中別離出去的內(nèi)容?？傊?，設(shè)備管理與文件系統(tǒng)(共同形成的一系列軟件層次)共同完成了設(shè)備高級接口(即抽象用戶接口)到物理設(shè)備的操作轉(zhuǎn)換和地址轉(zhuǎn)換。

2.設(shè)備管理2.設(shè)備管理〔2〕緩沖管理在現(xiàn)代操作系統(tǒng)中，幾乎所有的I/O設(shè)備在與內(nèi)存交換數(shù)據(jù)時，都使用了緩沖區(qū)，因為提高I/O速度和設(shè)備的利用率，在很大程度上都需要借助于緩沖技術(shù)來實現(xiàn)。緩沖可分為硬件緩沖和軟件緩沖兩種。硬件緩沖可用硬件緩沖器來實現(xiàn)，但由于本錢太高，除一些關(guān)鍵部位采用外，一般情況下不采用硬件緩沖器。軟件緩沖器是應用廣泛的一種緩沖機制，它由緩沖區(qū)和緩沖管理兩局部組成。緩沖區(qū)是指在I/O操作時用來臨時存放輸入/輸出數(shù)據(jù)的一塊存儲區(qū)域。緩沖管理的主要功能是組織好這些緩沖區(qū)，并提供獲得和釋放緩沖區(qū)的手段。1〕緩沖的引入2〕單緩沖與雙緩沖3〕環(huán)形緩沖4〕緩沖池

2.設(shè)備管理2.設(shè)備管理〔3〕I/O控制方式隨著計算機技術(shù)的開展，I/O控制方式也在不斷開展。當在系統(tǒng)中引入中斷機制后，使I/O方式從最簡單的程序I/O方式開展為中斷驅(qū)動方式。1〕程序直接控制方式程序直接控制方式是指由程序直接控制內(nèi)存或CPU和外圍設(shè)備之間進行信息傳送的方式。通常又稱為“忙—等〞方式或循環(huán)測試方式。2〕中斷控制方式為了克服程序直接控制的缺點，提高CPU的利用率，應使CPU與外設(shè)并行工作，于是出現(xiàn)了中斷控制方式。這種方式要求在I/O控制器的控制狀態(tài)存放器中有相應的“中斷允許位〞。

2.設(shè)備管理2.設(shè)備管理3〕DMA控制方式DMA(DirectMemoryAccess，直接存儲器訪問)方式的根本思想是在外設(shè)和主存之間開辟直接的數(shù)據(jù)交換通路。4〕通道控制方式通道控制方式與DMA方式相類似，也是一種內(nèi)存和設(shè)備直接進行數(shù)據(jù)交換的方式。與DMA方式不同的是，在通道控制方式中，數(shù)據(jù)傳送方向存放數(shù)據(jù)的內(nèi)存始址及傳送的數(shù)據(jù)塊長度均由一個專門負責輸入/輸出的硬件——通道來控制。另外，DMA方式每臺設(shè)備至少需要一個DMA控制器，而通道控制方式中，一個通道可以控制多臺設(shè)備與內(nèi)存進行數(shù)據(jù)交換。

2.設(shè)備管理2.設(shè)備管理〔4〕中斷技術(shù)從上一任務可以看出，除了程序直接控制方式之外，無論是中斷控制方式、DMA方式，還是通道控制方式，都需要在設(shè)備和CPU之間進行通信。由設(shè)備向CPU發(fā)中斷信號之后，CPU接收相應的中斷信號進行處理。這幾種方式只是在中斷次數(shù)、數(shù)據(jù)傳送方式及控制指令的執(zhí)行方式等方面有所不同。在計算機系統(tǒng)中，除了上述I/O中斷之外，還存在著許多其他的突發(fā)事件，例如電源掉電、程序出錯等，這些也會發(fā)出中斷信號通知CPU做相應的處理。

2.設(shè)備管理2.設(shè)備管理1〕中斷的根本概念中斷(Interrupt)是指在計算機執(zhí)行期間，系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生任何非尋常的或非預期的急需處理事件，使得CPU暫時中斷當前正在執(zhí)行的程序而轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應的事件處理程序，待處理完畢后又返回原來被中斷處繼續(xù)執(zhí)行或調(diào)度新的進程執(zhí)行的過程。引起中斷發(fā)生的事件被稱為中斷源。中斷源向CPU發(fā)出的請求中斷處理信號稱為中斷請求，而CPU收到中斷請求后轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應的事件處理程序稱為中斷響應。在有些情況下，盡管產(chǎn)生了中斷源和發(fā)出中斷請求，但CPU內(nèi)部的處理機狀態(tài)字PSW的中斷允許位已被去除，從而不允許CPU響應中斷。這種情況稱為禁止中斷。CPU禁止中斷后，只有等到PSW的中斷允許位被重新設(shè)置后才能接收中斷。禁止中斷也稱為關(guān)中斷。中斷請求、關(guān)中斷、開中斷等都是由硬件實現(xiàn)的。開中斷和關(guān)中斷是為了保證某些程序的原子性。除了禁止中斷的概念之外，還有一個比較常用的概念是中斷屏蔽。中斷屏蔽是指在中斷請求產(chǎn)生之后，系統(tǒng)用軟件方式有選擇地封鎖局部中斷而允許其余局部的中斷仍能得到響應。知識鏈接中斷屏蔽是通過每一類中斷源設(shè)置一個中斷屏蔽觸發(fā)器來屏蔽它們的中斷請求而實現(xiàn)的。不過，有些中斷請求是不能屏蔽甚至不能禁止的，也就是說，這些中斷具有最高優(yōu)先級。不管CPU是否是關(guān)中斷的，只要這些中斷請求一旦提出，CPU必須立即響應。

2.設(shè)備管理2.設(shè)備管理2〕中斷的分類根據(jù)中斷源產(chǎn)生的條件，可把中斷分為外中斷和內(nèi)中斷。外中斷是指來自處理機和內(nèi)存外部的中斷，包括I/O設(shè)備發(fā)出的I/O中斷、外部信號中斷(例如用戶鍵入ESC)、各種定時器引起的時鐘中斷以及調(diào)試程序中設(shè)置的斷點引起的調(diào)試中斷等。外中斷在狹義上一般被稱為中斷。內(nèi)中斷主要指在處理機和內(nèi)存內(nèi)部產(chǎn)生的中斷。內(nèi)中斷一般稱為陷入或異常。它包括程序運算所引起的各種錯誤，如地址非法、校驗錯、頁面失效、存取訪問控制錯、算術(shù)操作溢出、數(shù)據(jù)格式非法、除數(shù)為零、非法指令、用戶程序執(zhí)行特權(quán)指令、分式系統(tǒng)中的時間片中斷以及從用戶態(tài)到核心態(tài)的切換等都是陷入的例子。

2.設(shè)備管理2.設(shè)備管理3〕中斷的處理過程I/O設(shè)備在設(shè)備控制器的控制下完成了I/O操作后，控制器便向CPU發(fā)出中斷請求，CPU響應后便轉(zhuǎn)向中斷處理程序。中斷處理程序的處理過程如下。①喚醒被阻塞的驅(qū)動程序進程。無論是什么類型的中斷，當中斷處理程序開始執(zhí)行時，都必須喚醒阻塞的驅(qū)動程序進程。②保護被中斷進程的現(xiàn)場。將被中斷進程的現(xiàn)場信息保存在相應的中斷棧中。③分析中斷原因、轉(zhuǎn)入相應的設(shè)備中斷處理程序。對中斷源進行測試，找出本次中斷的I/O設(shè)備，將該中斷處理程序的入口地址裝入到程序計數(shù)器中，使處理機轉(zhuǎn)向中斷處理程序。④進行中斷處理。執(zhí)行相應的中斷處理程序進行中斷處理。如果是正常完成中斷，驅(qū)動程序進行中斷處理；如果是異常結(jié)束，那么根據(jù)發(fā)生異常的原因做相應的處理。⑤恢復被中斷進程的現(xiàn)場。中斷處理程序完成后，可將保存在中斷棧中的被中斷進程的現(xiàn)場信息取出裝入到相應的存放器中。

2.設(shè)備管理2.設(shè)備管理5〕設(shè)備的分配在多道程序環(huán)境下，系統(tǒng)中的設(shè)備不允許用戶自行使用，而必須由系統(tǒng)分配。每當進程向系統(tǒng)提出I/O請求時，只要是可能的和平安的，設(shè)備分配程序便按照一定的策略，把其所需的設(shè)備分配給用戶(進程)。在有的系統(tǒng)中為了確保在CPU與設(shè)備之間能進行通信，還應分配相應的控制器和通道。為了實現(xiàn)設(shè)備分配，還必須在系統(tǒng)中設(shè)置相應的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。1〕設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在進行設(shè)備分配時，通常都需要借助于一些表格的幫助。在表格中記錄了相應設(shè)備或控制器的狀態(tài)及對設(shè)備或控制器進行控制所需的信息。在進行設(shè)備分配時所需的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表格有設(shè)備控制表、控制器控制表、通道控制表、系統(tǒng)設(shè)備表等。2〕設(shè)備分配思想根據(jù)設(shè)備的特性可把設(shè)備分為獨享設(shè)備、共享設(shè)備和虛擬設(shè)備3種。

2.設(shè)備管理2.設(shè)備管理3〕設(shè)備分配程序①根本的設(shè)備分配程序?qū)τ诰哂蠭/O通道的系統(tǒng)，在進程提出I/O請求后，系統(tǒng)的設(shè)備分配程序可按下述步驟進行設(shè)備分配。㈠分配設(shè)備。㈡分配控制器。㈢分配通道。

2.設(shè)備管理2.設(shè)備管理②設(shè)備分配程序的改進仔細研究上述根本的設(shè)備分配程序，可以發(fā)現(xiàn)：進程是以物理設(shè)備名來提出I/O請求的。采用的是單通道的I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，容易產(chǎn)生“瓶頸〞現(xiàn)象。為此，應從以下兩方面對根本的設(shè)備分配程序加以改進，以使獨占設(shè)備的分配程序具有更大的靈活性，提高分配的成功率。㈠增加設(shè)備的獨立性。為了獲得設(shè)備的獨立性，進程應用邏輯設(shè)備名請求I/O。這樣，系統(tǒng)首先從SDT中找出第一個該類設(shè)備的DCT，如該設(shè)備忙，又查找第二個該類設(shè)備的DCT。僅當所有的該類設(shè)備都忙時，才把進程掛在該類設(shè)備的等待隊列上。而只要有一個該類設(shè)備可用，系統(tǒng)便可進一步計算分配該設(shè)備的平安性。㈡考慮多通路情況。為了防止在I/O系統(tǒng)出現(xiàn)“瓶頸〞現(xiàn)象，通常都采用多通路的I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。此時對控制器和通道的分配，同樣要經(jīng)過幾次重復。即假設(shè)設(shè)備(控制器)所連接的第一個控制器(通道)忙時，應查看其所連接的第二個控制器(通道)。知識鏈接僅當所有的控制器(通道)都忙時，此次的控制器(通道)分配才算失敗，才把進程掛在控制器(通道)的等待隊列上。而只要有一個控制器(通道)可用，系統(tǒng)便將它分配給進程。

2.設(shè)備管理2.設(shè)備管理4〕SPOOLING技術(shù)①SPOOLING的定義當系統(tǒng)中出現(xiàn)多道程序后，完全可以利用其中的一道程序，來模擬脫機輸入時的外圍控制機的功能，把低速I/O設(shè)備上的數(shù)據(jù)傳送到高速磁盤上。再用另一道程序來模擬脫機輸出時的外圍控制機功能，把數(shù)據(jù)從磁盤傳送到低速的輸出設(shè)備上。這樣，便可在主機的直接控制下，實現(xiàn)脫機輸入、輸出功能。此時的外圍操作與CPU對數(shù)據(jù)的處理同時進行，我們把這種聯(lián)機情況下實現(xiàn)的同時外圍操作稱為SPOOLING(SimultaneousPeripheralOperationOn-Line)，或稱為假脫機操作。

2.設(shè)備管理2.設(shè)備管理②SPOOLING系統(tǒng)的組成SPOOLING系統(tǒng)是對脫機輸入、輸出工作的模擬，它必須有高速隨機外存的支持，這通常是采用磁盤。SPOOLING系統(tǒng)主要有以下3局部。㈠輸入井和輸出井。這是在磁盤上開辟的兩大存儲空間。輸入井是模擬脫機輸入時的磁盤，用于收容I/O設(shè)備輸入的數(shù)據(jù)。輸出井是模擬脫機輸出時的磁盤，用于收容用戶程序的輸出數(shù)據(jù)。㈡輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)。在內(nèi)存中要開辟兩個緩沖區(qū)：輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)。輸入緩沖區(qū)用于暫存由輸入設(shè)備送來的數(shù)據(jù)，以后再傳送到輸入井。輸出緩沖區(qū)用于暫存從輸出井送來的數(shù)據(jù)，以后再傳送給輸出設(shè)備。㈢輸入進程SP1和輸出進程SP0。進程SP1模擬脫機輸入時的外圍控制機，將用戶要求的數(shù)據(jù)從輸入機通過輸入緩沖區(qū)再送到輸入井。知識鏈接當CPU需要輸入數(shù)據(jù)時，直接從輸入井讀入內(nèi)存。SP0進程模擬脫機輸出時的外圍控制機，把用戶要求輸出的數(shù)據(jù)，先從內(nèi)存送到輸出井，待輸出設(shè)備空閑時，再將輸出井中的數(shù)據(jù)，經(jīng)過輸出緩沖區(qū)送到輸出設(shè)備上。

2.設(shè)備管理2.設(shè)備管理③SPOOLING系統(tǒng)的特點㈠提高了I/O的速度。對數(shù)據(jù)進行的I/O操作，已從對低速I/O設(shè)備進行的I/O操作，演變?yōu)閷斎刖蜉敵鼍袛?shù)據(jù)的存取，如同脫機輸入輸出一樣，提高了I/O速度，緩和了CPU與低速I/O設(shè)備之間速度不匹配的矛盾。㈡將獨占設(shè)備改造為共享設(shè)備。因為在SPOOLING系統(tǒng)中，實際上并沒有為任何進程分配設(shè)備，而只是在輸入井或輸出井中，為進程分配一個存儲區(qū)和建立一張I/O請求表。這樣，便將獨占設(shè)備改造為共享設(shè)備。㈢實現(xiàn)了虛擬設(shè)備功能。宏觀上，雖然是多個進程在同時使用一臺獨立設(shè)備，而對每一個進程而言，他們都認為自己是獨占了一個設(shè)備，當然，該設(shè)備只是邏輯上的設(shè)備。SPOOLING系統(tǒng)實現(xiàn)了將獨占設(shè)備變換為假設(shè)干臺對應的邏輯設(shè)備的功能。

2.設(shè)備管理2.設(shè)備管理6〕設(shè)備處理設(shè)備處理程序通常又稱為設(shè)備驅(qū)動程序。它是I/O進程和設(shè)備控制器之間的通信程序，又由于它常以進程的形式存在，故簡稱為設(shè)備驅(qū)動進程。其主要任務是接收上層軟件發(fā)來的抽象請求，如read或write命令，再把它轉(zhuǎn)化為具體要求后，發(fā)送給設(shè)備控制器，啟動設(shè)備去執(zhí)行，故應為每一類設(shè)備配置一種驅(qū)動程序。有時也可為非常類似的兩類設(shè)備配置一個驅(qū)動程序。①設(shè)備驅(qū)動程序的功能和特點設(shè)備驅(qū)動程序的主要功能如下。㈠將接收到的抽象要求轉(zhuǎn)換為具體要求。㈡檢查用戶I/O請求的合法性，了解I/O設(shè)備的狀態(tài)，傳遞有關(guān)參數(shù)，設(shè)置設(shè)備的工作方式。㈢發(fā)出I/O命令，啟動分配到的I/O設(shè)備，完成指定的I/O操作。㈣及時響應由控制器或通道發(fā)來的中斷請求，并根據(jù)其中斷類型調(diào)用相應的中斷處理程序進行處理。㈤對于設(shè)置有通道的計算機系統(tǒng)，驅(qū)動程序還應能夠根據(jù)用戶的I/O請求，自動地構(gòu)成通道程序。

2.設(shè)備管理2.設(shè)備管理設(shè)備驅(qū)動程序的特點如下。㈠驅(qū)動程序主要是在請求I/O的進程與設(shè)備控制器之間的一個通信程序。它將進程的I/O請求傳送給控制器，而把設(shè)備控制器中所記錄的設(shè)備狀態(tài)、I/O操作完成情況，反映給請求I/O的進程。㈡驅(qū)動程序與I/O設(shè)備的特性緊密相關(guān)。因此，對于不同類型的設(shè)備，應配置不同的驅(qū)動程序。㈢驅(qū)動程序與I/O控制方式緊密相關(guān)。常用的設(shè)備控制方式是中斷驅(qū)動和DMA方式。這兩種方式的驅(qū)動程序明顯不同，因為前者應按數(shù)組方式啟動設(shè)備及進行中斷處理。㈣由于驅(qū)動程序與硬件緊密相關(guān)，因而其中的一局部程序必須用匯編語言書寫，目前有很多驅(qū)動程序，其根本局部已經(jīng)固化，放在ROM中。

2.設(shè)備管理2.設(shè)備管理②設(shè)備驅(qū)動程序的處理過程設(shè)備處理程序的處理過程如下。㈠將邏輯設(shè)備轉(zhuǎn)換為物理設(shè)備。當邏輯設(shè)備翻開時，在相應的邏輯設(shè)備描述器中記錄了該邏輯設(shè)備與實際物理設(shè)備之間的聯(lián)系。㈡I/O請求的合法性檢查。對于輸入輸出設(shè)備在某一時刻只能進行輸入或輸出操作，如設(shè)備不支持這次I/O請求，那么認為這次I/O請求非法。對于磁盤、磁帶之類的設(shè)備，雖然是讀寫設(shè)備，但在某一時刻也只能進行其中的一項操作，如規(guī)定的是寫操作，那么讀操作是非法的。㈢檢查設(shè)備的狀態(tài)。啟動某設(shè)備的前提是該設(shè)備處于空閑狀態(tài)，因此啟動該設(shè)備之前，必須從設(shè)備控制器的狀態(tài)存放器中讀出該設(shè)備的狀態(tài)，只有在該設(shè)備處于空閑狀態(tài)時，才能啟動該設(shè)備控制器，否那么應等待。㈣傳送參數(shù)。許多設(shè)備除應向其控制器發(fā)出啟動命令外，還必須傳送相應的參數(shù)。如在啟動磁盤讀寫之前，應先將傳送的字節(jié)數(shù)、數(shù)據(jù)應到達的主存起始地址送入控制器的相應存放器中。㈤啟動I/O設(shè)備。完成上述準備工作后，驅(qū)動程序向控制器的命令存放器中傳送相應的控制命令。知識鏈接驅(qū)動程序發(fā)出I/O命令后，基本的I/O是在設(shè)備控制器的控制下進行的。通常I/O操作要完成的工作很多，需要一定時間，因等待I/O操作，驅(qū)動程序進程的狀態(tài)而由運行變?yōu)殛幦?，直到中斷到來才將它喚醒?/p>

2.設(shè)備管理2.設(shè)備管理〔7〕終端管理和時鐘管理1〕終端管理每臺計算機都有一個或多個終端，由于終端的類型、型號較多，因此需要終端驅(qū)動程序屏蔽其細節(jié)。根據(jù)操作系統(tǒng)如何與終端通信，將終端分成3類：存儲映像終端、RS-232串行接口和網(wǎng)絡接口終端。①存儲映像終端其包括鍵盤和顯示器，二者直接與計算機相連。存儲映像終端使用稱為視頻RAM(VideoRAM)的特殊存儲器。視頻RAM是計算機地址空間的一局部，系統(tǒng)使用與其他地址空間一樣的方式對它進行訪問。視頻存儲卡有一個芯片稱為視頻控制器(VideoController)。這個芯片從視頻RAM中取出字符，產(chǎn)生用于驅(qū)動顯示器(監(jiān)視器)的視頻信號。監(jiān)視器產(chǎn)生水平掃描屏幕的電子束。典型的屏幕有480～1024行，每行640～1200點。這些點稱為像素(Pixel)。視頻控制器調(diào)節(jié)電子束，決定一個像素是亮的還是黑的。彩色監(jiān)視器有三個電子束，分別對應紅色、綠色和藍色。

2.設(shè)備管理2.設(shè)備管理②RS-232終端RS-232終端通過一次傳輸一位的串行口與計算機通信，如下圖。這些終端使用9針或25針的連接器。其中一針為發(fā)送數(shù)據(jù)，一針為接收數(shù)據(jù)，一針接地，其他各針用于各種控制功能，實際上大多數(shù)并未使用。為了向RS-232終端發(fā)一個