【愚公系列】软考中级-软件设计师 030-操作系统（设备管理）

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🚀前言

设备管理是操作系统的一项重要功能，它负责管理计算机系统中的各种硬件设备，包括输入设备、输出设备和存储设备等。设备管理的主要任务包括设备的分配、控制和调度。

设备的分配是指将可用的设备资源分配给需要使用的进程或用户。在操作系统中，每个设备都有一个设备控制块（Device Control Block，DCB）来描述设备的状态和属性，包括设备类型、设备编号、设备状态等。当一个进程或用户需要使用某个设备时，系统会查找可用的设备并分配给它。

设备的控制是指对设备进行操作和控制。操作系统通过向设备发送控制命令来控制设备的操作。这些控制命令包括打开设备、关闭设备、读取数据、写入数据等。操作系统还会处理设备发生的中断和异常，以及设备的错误处理和恢复等。

设备的调度是指对设备的访问进行调度和管理。由于计算机系统中的设备资源是有限的，不同的进程或用户可能需要同时访问同一个设备。设备调度算法决定了进程或用户按照何种顺序访问设备，以保证设备的效率和公平性。一般来说，设备调度算法可以是先来先服务、最短作业优先、轮转调度等。

设备管理还包括设备驱动程序的开发和维护。设备驱动程序是操作系统中的一段代码，用于与硬件设备进行通信和交互。驱动程序将操作系统的请求转换为设备所能理解的命令，并将设备的响应传递给操作系统。

🚀一、设备管理

🔎1.设备分类

按数据组织分类将设备分为块设备和字符设备两类，块设备是以固定大小的数据块为单位进行数据传输，如硬盘驱动器；字符设备则以字符流为单位进行数据传输，如键盘和打印机。

从资源分配角度来分类设备，可以将设备分为独占设备、共享设备和虚拟设备。独占设备是一次只能被一个进程或用户占用的设备，如独占式打印机；共享设备可以被多个进程或用户同时使用，如网络打印机；虚拟设备是通过软件模拟而实现的设备，如虚拟磁盘。

数据传输速率分类将设备根据其数据传输速率的不同分为低速设备、中速设备和高速设备。低速设备的数据传输速率较慢，如串口设备；中速设备的数据传输速率适中，如打印机；高速设备的数据传输速率较快，如固态硬盘。

I/O软件层次结构：

🔎2.输入输出

在一个总线周期结束后，CPU会响应DMA请求开始读取数据；CPU响应程序中断方式请求是在一条指令执行结束时；区分指令执行结束和总线周期结束。

注意：还有两种方式分别是通道和IO处理机，基本不考，了解即可；

🔎3.虚设备和SPOOLING技术

虚设备是指在计算机系统中，通过软件模拟或虚拟出来的设备，这些设备并不存在于硬件中，但在软件层面上可以通过编程等方式进行模拟使用。虚设备可以提供与实际设备相同的功能，比如虚拟磁盘、虚拟打印机等。

SPOOLING（Simultaneous Peripheral Operations On-line）技术是一种计算机输入/输出（I/O）管理技术，它的主要目的是提高计算机的效能和性能。具体来说，SPOOLING技术通过将多个I/O请求缓存到磁盘或内存中的输入/输出队列（spool）中，然后按照一定的顺序依次处理这些请求。这样可以避免了进程等待I/O操作完成而导致CPU空闲的情况，提高了系统的并发性和效率。

虚设备和SPOOLING技术通常是结合使用的。虚设备可以被用来模拟实际设备，将I/O请求写入到虚设备中的缓冲区，然后通过SPOOLING技术将这些请求按序处理。这样可以提高计算机系统的整体性能和吞吐量，同时也能增加系统的灵活性和可扩展性。

🔎4.磁盘结构

磁盘有正反两个盘面，每个盘面有多个同心圆，每个同心圆是一个磁道，每个同心圆又被划分为多个扇区。数据存放在扇区中。读取数据时，磁头首先要寻找到对应的磁道，然后等待磁盘进行周期旋转，旋转到指定的扇区，才能读取到对应的数据。这会产生寻道时间和等待时间，即磁头移动到磁道所需的时间和等待读写的扇区转到磁头的下方所用的时间。

目前常用的磁盘调度算法有以下几种：

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