作業系統中的裝置管理
介紹
裝置管理是作業系統的一個重要組成部分,它控制軟體應用程式如何與連線到計算機系統的硬體互動。它包括定位、設定、分配和管理對印表機、掃描器、儲存單元和網路介面等裝置的訪問的過程。裝置管理系統透過提供與硬體裝置一致且可靠的介面,確保系統軟體和應用程式有效地使用硬體裝置。它還包括輸入/輸出控制、錯誤處理和中斷管理。由於裝置管理系統,作業系統可以更有效地利用其可用的資源,從而提高計算機系統的整體效能。
裝置驅動程式
裝置驅動程式是允許作業系統與連線到計算機系統的硬體裝置通訊的軟體程式。裝置驅動程式充當作業系統和硬體裝置之間的翻譯器,為作業系統提供與裝置互動的標準介面。
裝置驅動程式的功能是促進作業系統和裝置硬體之間的通訊,並使作業系統能夠控制和管理裝置。有不同型別的裝置驅動程式,旨在處理不同型別的硬體裝置。以下是三種常見的裝置驅動程式型別:
字元裝置驅動程式 - 字元裝置驅動程式控制逐字元傳送資料的裝置。此類裝置包括鍵盤、滑鼠、印表機和終端。字元裝置驅動程式的工作原理是緩衝從硬體裝置接收到的資料,直到作業系統準備好處理它。
塊裝置驅動程式 - 塊裝置驅動程式管理以固定大小的塊傳輸資料的裝置,例如硬碟驅動器和固態驅動器。塊裝置提供對資料的隨機訪問,允許按任何順序檢索資料,而不是順序讀取。塊裝置驅動程式提供檔案系統訪問裝置上資料的標準介面,並控制作業系統和塊裝置之間的資料流。
網路裝置驅動程式 - 網路裝置驅動程式用於管理網路介面裝置,例如乙太網卡和Wi-Fi介面卡。網路裝置驅動程式使作業系統能夠與網路上的其他裝置通訊。這些驅動程式負責處理從網路接收的資料包,以及向其他裝置傳送資料包。
裝置管理架構
裝置管理可以在作業系統的核心級和使用者級進行。
核心級 - 在作業系統的最低級別(核心)管理硬體元件稱為核心級裝置管理。核心級裝置管理管理裝置驅動程式,並充當硬體和作業系統之間的低階介面。核心級硬體裝置控制非常有效,併為使用者提供對硬體的直接訪問。但是,核心級裝置管理可能很危險,因為它具有最高的許可權,並且可能影響整個作業系統的穩定性。
使用者級 - 使用者級裝置管理包括在使用者級別(核心外部)管理硬體裝置。在使用者級裝置管理中,裝置驅動程式在使用者空間執行,為核心提供一層保護。使用者級裝置管理不如核心級裝置管理有效,因為它需要更多處理時間和資源。但是,使用者級裝置管理比核心級裝置管理更安全,因為它為作業系統提供了一層保護。
裝置分配技術
裝置分配技術用於管理在作業系統中將硬體資源(如輸入/輸出 (I/O) 裝置)分配給不同程序或使用者的過程。裝置分配主要有兩種技術:靜態分配和動態分配。
靜態分配 - 靜態分配是一種在系統啟動時將裝置分配給程序或使用者,並在系統關閉之前保持分配的技術。在靜態分配中,作業系統根據預定標準(如優先順序、裝置型別或使用者 ID)將特定裝置分配給特定程序或使用者。靜態分配簡單有效,但如果分配給它的程序或使用者沒有充分利用裝置,則會導致資源利用效率低下。
動態分配 - 動態分配是一種根據程序或使用者的當前需求臨時將裝置分配給它們的的技術,並在不再需要時釋放它們。動態分配可以更有效地利用資源,因為可以根據需求將裝置分配給不同的程序或使用者。但是,動態分配需要更復雜的管理演算法,增加了複雜性,並增加了程序或使用者之間衝突的可能性。
輸入/輸出控制
I/O 控制是指管理作業系統中輸入/輸出 (I/O) 操作的過程。I/O 控制的主要功能是協調中央處理器 (CPU) 和I/O 裝置(如鍵盤、滑鼠、印表機和磁碟驅動器)之間的資料流。I/O 控制負責控制對這些裝置的訪問,併為不同型別的裝置提供統一的介面。I/O 控制主要有兩種型別:程式I/O和直接記憶體訪問 (DMA)。
程式I/O - 程式I/O是最基本的I/O控制型別,其中CPU負責管理I/O操作的所有方面。在程式I/O中,CPU向裝置傳送命令以啟動I/O操作,等待裝置完成操作,然後從裝置檢索資料。此過程需要大量的CPU開銷,可能速度慢且效率低。
直接記憶體訪問 (DMA) - 直接記憶體訪問 (DMA) 是一種更高階的I/O控制型別,它允許在記憶體和I/O裝置之間直接傳輸資料,而無需CPU干預。在DMA中,使用DMA控制器來管理I/O裝置和記憶體之間的資料傳輸。CPU使用適當的引數設定DMA控制器,然後在DMA控制器執行傳輸時釋放對系統的控制。傳輸完成後,DMA控制器生成中斷以向CPU發出訊號以檢索資料。
還有各種技術可以提高I/O操作的效能。緩衝和快取就是其中之一。
緩衝 - 它是將正在I/O裝置和記憶體之間傳輸的資料臨時儲存在緩衝區中的過程。緩衝區用於透過允許I/O操作在CPU執行其他任務時繼續進行來提高效能。啟動I/O操作時,資料將傳輸到緩衝區,並且在傳輸資料時,CPU可以繼續執行其他指令。資料傳輸完成後,CPU可以隨時從緩衝區檢索資料。緩衝可以在硬體或軟體中實現,並且通常用於檔案系統和網路協議。
快取 - 它是將經常訪問的資料儲存在快取中以提高效能的過程。快取是一小部分記憶體,用於儲存最近訪問的資料。啟動I/O操作時,資料將從快取而不是磁碟或其他I/O裝置中檢索。這可以顯著提高I/O操作的效能,因為從記憶體訪問資料比從I/O裝置訪問資料快得多。快取通常用於檔案系統、Web瀏覽器和資料庫系統。
結論
裝置管理是作業系統架構的一個重要組成部分,因為它控制著計算機硬體和軟體之間的介面。作業系統使用多種技術分配和管理硬體裝置,並使用裝置驅動程式與這些裝置進行互動。兩種主要的裝置驅動程式型別是字元驅動程式和塊驅動程式,而網路驅動程式用於控制網路介面。