在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，除了處理器和內(nèi)存之外，其他的大部分硬設(shè)備稱(chēng)為外部設(shè)備。它包括輸入/輸出設(shè)備，輔存設(shè)備及終端設(shè)備等。這些設(shè)備種類(lèi)繁多，特性各異，操作方式的差異很大，從而使操作系統(tǒng)的設(shè)備管理變得十分繁雜。

設(shè)備管理程序一般要提供下述功能：

提供和進(jìn)程管理系統(tǒng)的接口，當(dāng)進(jìn)程要求設(shè)備資源時(shí)，該接口將進(jìn)程要求轉(zhuǎn)達(dá)給設(shè)備管理程序 。

進(jìn)行設(shè)備分配。按照設(shè)備類(lèi)型和相應(yīng)的分配算法把設(shè)備和其他有關(guān)的硬件分配給請(qǐng)求該設(shè)備的進(jìn)程，并把未分配到所請(qǐng)求設(shè)備或其他有關(guān)硬件的進(jìn)程放入等待隊(duì)列 。

實(shí)現(xiàn)設(shè)備和設(shè)備 、 設(shè)備和 CPU 等之間的并行操作。

進(jìn)行緩沖區(qū)管理。主要減少外部設(shè)備和內(nèi)存與 CPU 之間的數(shù)據(jù)速度不匹配的問(wèn)題，系統(tǒng)中一般設(shè)有緩沖區(qū) ( 器 ) 來(lái)暫放數(shù)據(jù)。設(shè)備管理程序負(fù)責(zé)進(jìn)行緩沖區(qū)分配 、 釋放及有關(guān)的管理工作 。

1 數(shù)據(jù)傳輸控制方式

設(shè)備管理的主要任務(wù)之一是控制設(shè)備和內(nèi)存或 CPU 之間的數(shù)據(jù)傳送。

選擇和衡量控制方式的原則如下： (1)數(shù)據(jù)傳送速度足夠高，能滿(mǎn)足用戶(hù)的需要但又不丟失數(shù)據(jù)。 (2)系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)小，所需的處理控制程序少。 (3)能充分發(fā)揮硬件資源的能力，使得 I/O 設(shè)備盡量處于使用狀態(tài)中，而 CPU 等待時(shí)間少。

外圍設(shè)備和內(nèi)存之間常用的數(shù)據(jù)傳送控制方式：

(1)程序控制方式。處理器啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸，然后等設(shè)備完成。此方式不能實(shí)現(xiàn)并發(fā)。 (2)中斷方式。中斷方式的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程是這樣的，進(jìn)程啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸(如讀)后，該進(jìn)程放棄處理器，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸完成，設(shè)備控制器產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，中斷處理程序?qū)?shù)據(jù)傳輸工作處理之后，讓相應(yīng)進(jìn)程成為就緒狀態(tài)。以后，該進(jìn)程就可以得到所需要的數(shù)據(jù)。 (3)直接存儲(chǔ)訪(fǎng)問(wèn)(Direct Memory Access， DMA)方式。指外部設(shè)備和內(nèi)存之間開(kāi)辟直接的數(shù)據(jù)交換通路。除了控制狀態(tài)寄存器和數(shù)據(jù)緩沖寄存器外， DMA 控制器中還包括傳輸字節(jié)計(jì)數(shù)器、內(nèi)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(xiàn)而實(shí)現(xiàn)輔助存儲(chǔ)器和內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)交換。有的 DMA 方式也采用總線(xiàn)浮起方式傳輸 大批量數(shù)據(jù)。 (4)通道方式。通道又稱(chēng)為輸入/輸出處理器(Input/Output Processor， IOP)，可以獨(dú)立完成系統(tǒng)交付的輸入/輸出任務(wù)，通過(guò)執(zhí)行自身的輸入/輸出專(zhuān)用程序(稱(chēng)通道程序)進(jìn)行內(nèi)存和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳輸。主要有 3 種通道：字節(jié)多路通道、選擇通道和成組多路通道。 (5)輸入輸出處理機(jī)。輸入輸出處理機(jī)也稱(chēng)為外圍處理機(jī)，它是一個(gè)專(zhuān)用處理機(jī)，也可以是一個(gè)通用的處理機(jī)，具有豐富的指令系統(tǒng)和完善的中斷系統(tǒng)。專(zhuān)用于大型 、 高效的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)處理外圍設(shè)備的輸入輸出，并利用共享存儲(chǔ)器或其他共享手段與主機(jī)交換信息。從而使大型 、 高效的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更加高效地工作。與通道相比，輸入輸出處理機(jī)具有比較豐富的指令系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)接近于一般的處理機(jī)，有自己的局部存儲(chǔ)器。

2 磁盤(pán)調(diào)度算法

訪(fǎng)問(wèn)磁盤(pán)的時(shí)間由3部分構(gòu)成，它們是尋道 ( 査找數(shù)據(jù)所在的磁道 ) 時(shí)間 、 等待 ( 旋轉(zhuǎn)等待扇區(qū) ) 時(shí)間和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，其中尋道時(shí)間 ( 査找時(shí)間 ) 是決定因素。

( 1 ) FCFS (first come first service)算法 : 有些文獻(xiàn)稱(chēng)為 FIFO 算法 。FCFS 是一種最簡(jiǎn)單的磁盤(pán)調(diào)度算法，按先來(lái)先服務(wù)的次序，未作優(yōu)化。這種算法的優(yōu)點(diǎn)是公平 、 簡(jiǎn)單，且每個(gè)進(jìn)程的請(qǐng)求都能依次得到處理，不會(huì)出現(xiàn)某一進(jìn)程的請(qǐng)求長(zhǎng)期得不到滿(mǎn)足的情況。此算法未對(duì)尋道進(jìn)行優(yōu)化，致使平均尋道時(shí)間可能較長(zhǎng)。

( 2 ) SSTF ( ShortestSeekTimeFirst，最短尋道時(shí)間優(yōu)先 ) 算法 : 選擇這樣的進(jìn)程，其要求訪(fǎng)問(wèn)的磁道距當(dāng)前磁頭所在的磁道距離最近，以使每次尋道的時(shí)間最短 。FCFS 會(huì)引起讀寫(xiě)頭在盤(pán)面上的大范圍移動(dòng)， SSTF 査找距離磁頭最短 ( 也就是查找時(shí)間最短 ) 的請(qǐng)求作為下一次服務(wù)的對(duì)象。 SSTF 査找模式有高度局部化的傾向，會(huì)推遲一些請(qǐng)求的服務(wù)，甚至引起無(wú)限拖延 ( 這種現(xiàn)象稱(chēng)為 “ 饑餓” )

( 3 ) SCAN ( 電梯 ) 算法 : 不僅考慮到欲訪(fǎng)問(wèn)的磁道與當(dāng)前磁道的距離，而且優(yōu)先考慮的是磁頭的當(dāng)前移動(dòng)方向，是在磁頭前進(jìn)方向上的最短查找時(shí)間優(yōu)先算法，它排除了磁頭在盤(pán)面局部位置上的往復(fù)移動(dòng) 。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(duì)中間磁道的請(qǐng)求 。SCAN 算法的缺陷是當(dāng)磁頭剛由里向外移動(dòng)過(guò)某一磁道時(shí)，恰有一進(jìn)程請(qǐng)求訪(fǎng)向此磁道，這時(shí)進(jìn)程必須等待，待磁頭由里向外，然后再?gòu)耐庀蚶飹呙柰晁幸L(fǎng)問(wèn)的磁道后，才處理該進(jìn)程的請(qǐng)求，致使該進(jìn)程的請(qǐng)求被嚴(yán)重地推遲。

(4 ) N - SCAN ( N 步 SCAN ) 算法 : 這是對(duì) SCAN 算法的改良，磁頭的移動(dòng)與 SCAN 算法是一樣的，不同的是掃描期間只對(duì)那些在掃描開(kāi)始前已等待服務(wù)的請(qǐng)求提供服務(wù)。在服務(wù)期間，新到達(dá)的請(qǐng)求即使在磁頭前進(jìn)方向上也得不到服務(wù)，直到下一個(gè)新掃描周期開(kāi)始。 N - SCAN 算法的實(shí)質(zhì)是把 FCFS 和 SCAN 的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，以便取得較好的性能。如果新到達(dá)的請(qǐng)求按優(yōu)化次序排列，則下一個(gè)掃描周期必然花費(fèi)最少的磁頭移動(dòng)時(shí)間。

(5 ) C- SCAN (循環(huán)掃描 ) 算法 : 這是對(duì) SCAN 算法的另一種改良，是單向服務(wù)的 N 步 SCAN 算法，C- SCAN 算法規(guī)定磁頭單向移動(dòng)。C- SCAN 算法徹底消除了對(duì)兩端磁道請(qǐng)求的不公平。

3 虛設(shè)備與 SPOOLING 技術(shù)

采用假脫機(jī)技術(shù)，可以將低速的獨(dú)占設(shè)備改造成一種可共享的設(shè)備，而且一臺(tái)物理設(shè)備可以對(duì)應(yīng)若干臺(tái)虛擬的同類(lèi)設(shè)備。假脫機(jī)( Simultaneous Peripheral Operation On Line，SPOOLING)的意思是外部設(shè)備同時(shí)聯(lián)機(jī)操作，又稱(chēng)為假脫機(jī)輸入/輸出操作，采用一組程序或進(jìn)程模擬一臺(tái)輸入/輸出處理器。

SPOOLING 系統(tǒng)的組成如圖 1 所示。該技術(shù)利用了專(zhuān)門(mén)的外圍控制機(jī)將低速 I/O 設(shè)備上的數(shù)據(jù)傳送到高速設(shè)備上，或者相反。但是當(dāng)引入多道程序后，完全可以利用其中的一道程序來(lái)模擬脫機(jī)輸入時(shí)的外圍控制機(jī)的功能，把低速的 I/O 設(shè)備上的數(shù)據(jù)傳送到高速磁盤(pán)上；再利用另一道程序來(lái)模擬脫機(jī)輸出時(shí)外圍控制機(jī)的功能，把高速磁盤(pán)上的數(shù)據(jù)傳送到低速的 I/O 設(shè)備上。這樣便可以在主機(jī)的控制下實(shí)現(xiàn)脫機(jī)輸入、輸出的功能。此時(shí)的外圍操作與 CPU 對(duì)數(shù)據(jù)的處理同時(shí)進(jìn)行。

從圖 1 可以看出， Spooling 系統(tǒng)主要包括以下3個(gè)部分 :

輸入井和輸出井 : 這是在磁盤(pán)上開(kāi)辟出來(lái)的兩個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域。輸入井模擬脫機(jī)輸入時(shí)的磁盤(pán)，用于存放 IO 設(shè)備輸入的數(shù)據(jù) : 輸出井模擬脫機(jī)輸出時(shí)的磁盤(pán)，用于存放用戶(hù)程序的輸出數(shù)據(jù)。因此， Spooling 系統(tǒng)必須有高速 、 大容量 、 隨機(jī)存取的外存的支持。

輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū) : 這是在內(nèi)存中開(kāi)辟的兩個(gè)緩沖區(qū)。輸入緩沖區(qū)用于暫存有輸入設(shè)備送來(lái)的數(shù)據(jù)，以后再傳送到輸出井。輸出緩沖區(qū)用于暫存從輸出井送來(lái)的數(shù)據(jù)，以后再傳送到輸出設(shè)備 。

輸入進(jìn)程和輸出進(jìn)程 : 輸入進(jìn)程模擬脫機(jī)輸入時(shí)的外圍控制機(jī)，將用戶(hù)要求的數(shù)據(jù)有輸入設(shè)備到輸入緩沖區(qū)，再送到輸入井。當(dāng) CPU 需要輸入設(shè)備時(shí)，直接從輸入井讀入內(nèi)存。輸出進(jìn)程模擬脫機(jī)輸出時(shí)的外圍控制機(jī)，把用戶(hù)要求輸入的數(shù)據(jù)，先從內(nèi)存送到輸出井，待輸出設(shè)備空閑時(shí)，再將輸出井中的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)輸出緩沖區(qū)送到輸出設(shè)備上 。

采用假脫機(jī)技術(shù)，可以將低速的獨(dú)占設(shè)備改造成一種可共享的設(shè)備，而且一臺(tái)物理設(shè)備可以對(duì)應(yīng)若干臺(tái)虛擬的同類(lèi)設(shè)備。 SPOOLING 系統(tǒng)必須有高速、大容量并且可隨機(jī)存取的外存(例如，磁盤(pán)或磁鼓)支持。

在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，還可以用一臺(tái)設(shè)備來(lái)模擬自身。例如，常見(jiàn) 的多窗口技術(shù)，即在一個(gè)終端上開(kāi)多個(gè)窗口，每個(gè)窗口可以獨(dú)立地進(jìn)行顯示，以監(jiān)視用戶(hù)不同任務(wù)的執(zhí)行情況。這是通過(guò)縮小顯示區(qū)域、平鋪或重疊顯示來(lái)模擬多個(gè)顯示器的。

作者：deniro
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總結(jié)

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