设备管理：分类、通道与I/O控制

设备管理是操作系统的重要组成部分，它确保计算机硬件资源的高效利用和用户程序与设备间的无缝交互。在本章节E12中，我们将深入探讨设备分类、I/O控制机制、设备共享与虚拟化以及优化技术。 1. 设备分类：设备按照其操作特性的不同被分为块设备（如磁盘）和字符设备（如终端）。块设备以数据块为单位进行信息交换，而字符设备则逐个字符传输，例如键盘和打印机。 2. 通道：通道（Channel）是早期计算机系统中用于简化I/O操作的一种特殊处理单元，它充当CPU与设备之间的中介，执行预先编写的通道命令，从而减轻了CPU的负担。 3. CPU对通道的请求：在操作系统中，CPU通过通道命令与设备进行交互，而不是通过中断或自陷（trap）处理，因为通道提供了更为高效和独立的I/O操作路径。 4. 用户程序与设备的交互：在有操作系统的计算机中，用户程序通过系统调用（System Call）向操作系统申请使用外部设备，这种方式使得应用程序与底层硬件解耦，提高了编程的灵活性。 5. 解决速度差异：当CPU与I/O设备速度不匹配时，可以使用缓冲技术（Buffering），比如通道技术，通过在CPU和设备之间建立临时的数据存储区域来平滑数据传输，减少等待时间。 6. 共享设备：通过硬件和软件的扩展，系统设备（System Device）能够供多个用户共享，增强了设备的利用率，使得单一设备能够服务于多个任务。 7. SPOOLing技术：这是一种空间换时间的技术，通过将独占设备（Exclusive Device）转化为虚拟设备（Virtual Device），实现设备的共享，从而提高设备利用率和系统效率。 8. SPOOLing技术的核心：SPOOLing技术实质上是将独占设备转化为共享设备，并将用户的I/O请求排队等候，通过软件算法实现设备的模拟和优化。 9. SPOOLing技术的效果：SPOOLing系统显著提高了独占设备的利用率，尤其是在大量并发I/O请求的情况下。 10. 设备命名：在操作系统中，用户通常使用逻辑设备名（Logical Device Name）来请求设备服务，这是操作系统内部使用的抽象名，隐藏了实际硬件设备的细节。 11. 设备分配算法：设备分配过程中常见的算法有先来先服务（FCFS）、最佳适应（Best Fit）和短作业优先（SJF），这些算法用于确定哪个进程或任务优先获得设备资源。 12. 缓冲技术：缓冲池（Buffer Pool）通常存在于主存（Main Memory）中，作为缓冲区的集合，通过预先分配和管理内存空间来优化数据传输。 13. 缓冲的目的：缓冲技术的主要目标是缓解CPU和I/O设备之间的速度差异，提高数据传输效率和系统响应速度。 14. 多进程I/O：为了有效支持多个进程同时处理输入输出，采用缓冲池结构（Buffer Pool）的缓冲技术最为合适，因为它可以提供足够的缓存空间，减少设备访问次数。 15. 环形缓冲区：作为一种特殊的缓冲区设计，环形缓冲区属于多缓冲区（Multi-Buffer）的一种，其数据在缓冲区中循环流动，便于管理和同步。 设备管理涉及的内容广泛，包括设备类型划分、通道处理、操作系统接口设计、设备共享与虚拟化策略，以及优化数据传输和调度等，这些都是构建高效、稳定的计算机系统的关键要素。