一、设备管理
1. 考点
- 核心考点：设备管理主要包含三个考点：I/O设备管理软件、Spooling技术和磁盘调度算法
2. 设备管理的概述
- 自学内容：包括设备的分类、设备管理的目标与任务，建议直接阅读教材相关内容
3. I/O设备管理软件
1）设备管理的目标
- 核心目标：提高设备利用率，即提高CPU与I/O设备之间的并行操作速度
- 用户界面：为用户提供方便、统一的硬件操作界面
- 矛盾解决：缓和快速CPU与慢速I/O设备之间的速度差异（如键盘输入、打印机输出等）
2）I/O设备管理软件的层次
- 分层思想：采用"分层构造"思想将管理软件组织为多个层次
- 四层结构：
- 中断处理程序：处理硬件中断请求
- 设备驱动程序：直接与硬件交互（如键盘驱动、U盘驱动等）
- 设备无关软件：系统软件层，不直接操作硬件
- 用户级软件：应用软件层（如QQ等用户程序）
- 协作关系：各层之间既相互独立又彼此协作
- 例题：IO请求过程示例
- 请求流程：
- 用户进程获取数据后转为就绪态
- 磁盘操作完成后产生中断，中断处理程序唤醒用户进程
- 用户进程转为阻塞状态等待磁盘操作完成
- 缓存未命中则调用设备驱动程序向硬件发出请求
- 用户进程需要读取硬盘数据时，设备无关软件先检查高速缓存
- 状态转换：展示了进程从运行→阻塞→就绪的状态变化过程
- 硬件交互：只有设备驱动程序和中断处理程序能直接操作硬件
4. 设备管理采用的相关技术
- 技术分类：包括通道技术、DMA技术、缓冲技术和Spooling技术
1）Spooling技术
- 目的
- 核心目的：缓和CPU高速性与I/O设备低速性之间的矛盾
- 类比说明：类似工厂流水线中设置缓冲区解决工人速度差异问题
- 原理
- 双程序机制：
- 缓输出程序：将磁盘输出井数据→输出缓冲区→输出设备
- 预输入程序：将输入设备数据→输入缓冲区→磁盘输入井
- 工作流程：
- CPU只需访问高速磁盘（输入井/输出井）
- 输入输出操作与CPU处理并行进行
- 虚拟设备：用户看似直接操作设备，实际是与输入输出井交互
- 特点
- 效率提升：
- 资源共享：实现设备共享（如办公室共享打印机）
- 虚拟化：单个物理设备可为多个用户提供虚拟设备服务
5. 磁盘调度算法
- 基本概念：磁盘调度分为移臂调度和旋转调度两类，先进行移臂调度，再进行旋转调度。目标是使磁盘的平均寻道时间最少。
- 时间组成：读取磁盘数据的时间=寻道时间+旋转延迟+数据传输时间。寻道时间指找到数据块所在磁道的时间，旋转延迟是磁盘旋转到目标位置的时间，数据传输时间是读取并传送数据的时间。
1）移臂调度算法
- 先来先服务
- 调度原则：根据进程请求的先后次序进行调度，类似排队机制。
- 优点：保证所有进程的请求都能得到响应，不会出现长时间等待。
- 缺点：平均寻道时间可能很长。例如进程A访问0磁道，进程B访问12磁道，进程C又访问0磁道，磁头需要来回移动导致效率低下。
- 最短寻道时间优先
- 调度原则：选择访问的磁道与当前磁头所在磁道距离最近的请求。
- 特点：每次寻道时间最短，但不考虑公平性。例如当前在0磁道，有请求访问1磁道和12磁道，优先响应1磁道的请求。
- 扫描算法
- 调度原则：类似电梯调度，不仅考虑磁道距离，更优先考虑磁头当前移动方向。
- 示例：磁头从外向内移动时，即使2磁道比7磁道更近，也会优先响应7磁道的请求，再返回处理2磁道。
- 问题：可能导致刚经过的磁道请求需要等待很长时间（类似电梯刚过楼层）。
- 单向扫描调度算法
- 改进点：在扫描算法基础上规定磁头只做单向移动，避免来回扫描。
- 优势：解决扫描算法中请求等待时间不均衡的问题。
2）旋转调度算法
- 不同扇区处理：若请求访问不同编号的扇区，总是让首先到达磁头位置的扇区先进行读写。
- 相同扇区处理：若请求访问相同编号的扇区（无论是否同磁道），可任选一个扇区进行读写。
