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操作系统设备管理
课程导论核心地位设备管理是操作系统功能基石现代重要性多设备协同关系系统整体性能学习目标
设备管理概述核心概念管理计算机与外设间交互的子系统主要职责设备分配、调度、控制与维护发展历程从简单控制到复杂智能管理体系
设备的基本分类块设备以数据块为单位传输如硬盘、闪存等存储设备字符设备以字符为单位传输如键盘、鼠标、打印机物理与逻辑特性物理特性：硬件构造逻辑特性：功能与操作方式
设备抽象层次硬件层物理设备与控制器驱动程序层硬件控制与操作实现设备接口层统一设备访问标准应用程序层提供用户交互界面
设备驱动程序基础驱动作用操作系统与硬件间转换器工作原理接收系统调用转为设备指令关键技术中断处理与内存映射
设备驱动程序架构基本结构初始化与注册模块数据传输接口中断处理程序内核接口标准系统调用内核函数调用数据结构共享跨平台设计硬件抽象层通用接口定义条件编译技术
设备管理的主要功能设备分配有效分配设备资源给进程设备调度高效处理多个设备请求设备保护防止非法访问与冲突设备无关性提供统一抽象接口
设备分配机制1静态分配系统启动时固定分配适用稳定环境2动态分配运行时按需分配提高资源利用率3分配策略独占式分配共享式分配
设备调度算法先来先服务按请求顺序处理最短寻道时间优先选择访问距离最短的请求电梯算法单向移动满足路径上所有请求公平调度按权重分配设备资源
中断处理机制中断基本概念设备向CPU发送的处理请求信号中断处理流程保存现场→执行中断服务→恢复现场中断向量表存储中断服务程序入口地址中断嵌套与优先级高优先级中断可打断低优先级处理
I/O控制方式程序查询方式CPU循环查询设备状态中断驱动方式设备完成操作时通知CPUDMA传输方式无需CPU干预直接内存访问通道传输方式专用处理器管理多设备传输
缓冲区管理缓冲区作用缓解速度不匹配问题提高数据传输效率单缓冲与双缓冲对比缓冲区类型单缓冲：一次存取双缓冲：交替使用环形缓冲：循环结构
设备缓存技术高速缓存原理利用局部性原理加速访问缓存一致性保证多级缓存数据同步替换策略LRU、FIFO、LFU等算法预读技术预测并提前加载可能访问数据
虚拟设备技术虚拟设备概念软件模拟的设备接口与功能多个逻辑设备映射到物理设备实现机制设备抽象与重定向请求转换与调度技术优势隔离性强、灵活性高提高资源利用率
设备映射32位物理地址硬件识别的实际内存位置64位逻辑地址程序可见的虚拟地址空间4GB映射空间典型设备地址空间容量
设备通信协议1串行通信数据按位顺序传输并行通信多位同时传输USB协议热插拔与即插即用PCI总线高速内部设备连接
网络设备管理1网络协议栈数据封装与解析流程网络设备驱动控制硬件收发数据包网络接口卡管理硬件缓冲与中断处理
存储设备管理硬盘管理磁头定位控制数据块管理坏道处理固态硬盘闪存控制器磨损均衡垃圾回收存储调度请求队列优化寻道时间最小化吞吐量最大化
图形设备管理显卡驱动硬件加速与图形指令转换图形渲染2D/3D图形处理与显示多显示器多屏配置与同步管理
声音设备管理声卡驱动音频信号数字化处理音频编解码不同格式音频转换多通道处理立体声与环绕声管理
外部设备接口现代计算机支持多种外设接口，包括USB接口（通用串行总线）、蓝牙无线接口与打印机专用接口
热插拔设备支持热插拔检测硬件信号检测与中断触发动态加载即时加载相应驱动程序状态管理设备状态变化通知与处理
设备电源管理电源状态工作、待机、休眠、关闭节能模式动态调整性能降低功耗休眠机制内存状态保存至非易失存储唤醒技术特定事件触发系统恢复
设备错误处理故障检测超时检测与错误码分析错误恢复重试操作与备用方案健康监控持续评估设备运行状态
跨平台设备驱动驱动可移植性减少平台相关代码使用标准接口与库硬件抽象层屏蔽底层硬件差异提供统一访问接口通用驱动框架模块化与分层设计平台特定适配层
Linux设备管理设备文件一切皆文件理念udev管理动态设备管理守护进程驱动模块可动态加载卸载内核模块
Windows设备管理设备管理器图形化设备管理界面驱动签名驱动程序安全验证机制即插即用设备自动识别配置技术
嵌入式系统设备管理特点专用性强资源有限驱动精简资源约束低功耗要求内存受限处理能力有限实时管理确定性响应优先级调度中断延迟最小化
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云计算设备管理设备抽象物理设备池化与虚拟化软件定义存储存储资源池动态分配网络虚拟化软件定义网络功能3资源调度跨物理节点动态分配
设备安全管理访问控制基于权限的设备操作限制固件安全代码签名与加密验证侧信道防御防止信息泄露的保护机制
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