《操作系统概论》第五章 设备管理
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第5章 设备管理
考情分析
本章主要内容：1.设备管理的功能
2.设备的分类及独占设备的分配
3.磁盘的驱动调度及其算法
4.设备的启动与I/O中断处理
5.缓冲技术和虚拟技术
重点：1.设备管理的功能
2.设备的相对号与绝对号
3.磁盘的驱动调度
4.SPOOLING
本章考试分值约为15分。出题形式多以单选题、多选题、填空题、简答题、
综合应用题为主。
知识网络图
串讲内容
一、设备管理的功能（重点）
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1.设备管理的功能
（1）实现对外围设备的分配与回收
（2）实现外围设备的启动
（3）实现对磁盘的驱动调度
（4）处理外围设备的中断
（5）实现虚拟设备
2.为了提高只能独占使用的设备利用率，用可共享的设备来模拟独占型设备，于
是，仿佛独占使用的设备就变成了可共享的设备。通常，把模拟的独占型设备成
为虚拟设备。
二、外围设备的分类
1.外围设备的分类
从使用的角度来分析外围设备的特性，可以把外围设备分成两大类：一类是
只能让一个作业独占使用的设备，另一类是可以由几个作业同时使用的设备。
2.独占设备
把在作业执行期间只允许一个作业独占使用的设备称为独占设备。
3.可共享设备
若干个作业同时使用的设备成为可共享设备。“同时使用”的含义是指一个
作业尚未撤离，另一个作业即可使用，但每一时刻仍只有一个作业能启动磁盘，
允许它们交替地启动。
三、独占设备的分配
1.（重点）设备的绝对号与相对号
计算机系统中配置有各种不同类型的外围设备，每一类外围设备又可以有多
台。为了对这些设备进行管理，计算机系统为每一台设备确定一个编号，以便区
分和识别，这个确定的编号称为设备的绝对号。
用户可以把自己要求使用的若干台同类设备给出编号，由用户给出的设备编
号称为相对号。
用户总是“用设备类相对号”来提出设备的要求。
2.设备的分配
用户编制程序时使用的设备与实际能占用的设备无关。设备的这种特性称为
设备的独立性。具有设备独立性的计算机系统，在分配设备时适应性好，灵活性
强。
3.设备独立性的优点：
（1）系统只要从指定的那一类设备中找出“好的且尚未分配的”的设备来
进行分配。
（2）万一用户使用的设备出了故障，系统就可以从同类设备中找另一台“好
的且尚未分配的”设备来替换。
四、磁盘的驱动调度（重点）
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1.访问磁盘时必须给出：柱面号、磁头号、扇区号
2.访问磁盘所花的时间：寻找时间、延迟时间、传送时间
执行一次信息传送传输操作所花的时间有三部分：
（1） 寻找时间——磁头在移动臂带动下移动到指定柱面所需的时间。
花费的时间较长。
（2） 延迟时间——指定扇区旋转到磁头位置所需的时间。这与信息所
在的扇区位置有关。
（3） 传送时间——由磁头把扇区中信息读到主存储器或把主存储器中
信息写到扇区中所需的时间。
3.驱动调度
系统采用一定的调度策略来决定各等待访问者的执行次序，这项决定等待访
问者执行次序的工作称为驱动调度，采用的调度策略称为驱动调度算法。
驱动调度包括“移臂调度”和“旋转调度”两部分。一般总是先进行移臂调
度，再进行旋转调度。移臂调度的目标是尽可能地减少寻找时间，旋转调度的目
标是尽可能地减少延迟时间。
4.（重点）移臂调度是根据等待访问者欲访问的柱面位置来进行调度的。
（1）“先来先服务”算法
基本思想：按请求者的先后次序来满足其访问请求。
（2）“最短寻找时间优先”算法
基本思想：距离当前柱面最近且未被访问过的请求者先被满足其访问请求。
（3）“电梯调度”算法
基本思想：在移动臂的移动方向上距离当前柱面最近且未被访问过的请求者
先被满足请求，满足该方向上最高（低）的服务请求后，反方向执行。
5.“最短寻找时间优先算法”和“电梯调度算法”的区别是什么？
答：它们都是要尽量减少移动臂时所花的时间。不同点：“最短寻找时间优
先算法”不考虑臂的移动方向，总是优先选择离当前位置最近的那个柱面的访问
者，这种选择可能导致移动臂来回改变移动方向；“电梯调度算法”是沿着臂的
移动方向去选择，仅当沿臂移动方向无等待访问者时才改变臂的移动方向。
6.旋转调度的定义
根据延迟时间来决定执行次序的调度成为旋转调度。
7.在进行旋转调度时应区分如下几种情况：
（1）若干请求者要访问同一磁头下的不同扇区；
（2）若干请求者要访问不同磁头下的不同编号的扇区；
（3）若干请求者要访问不同磁头下具有相同编号的扇区。
【例】：有四个访问5号柱面的访问者,它们的访问要求如下:
请求次序 柱面号 磁头号 扇区号
(1) 5 4 1
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(2) 5 1 5
(3) 5 4 5
(4) 5 2 8
进行旋转调度后使得它们的执行次序是（1），（2），（4），（3）；或（1），（3），
（4），（2）。其中第（2），（3）两个请求都是访问第5个扇区，当第5个扇区旋
转到磁头位置下时，只有其中一个请求可执行传动操作，而另一个请求者升微 等
磁盘再一次把第5个扇区旋转到磁头位置下才能执行。
8.（重点）信息优化的分布
我们把磁道上的位置重新安排一下，安排成最优分布，即当读出一个记录并
处理后，读写磁头正好处于顺序的下一个记录位置，因而就不必花费等待延迟时
间，而可立即读出记录称为是信息的优化分布。优点：减少延迟时间，从而缩短
了输入输出时间。
【例】：假定某磁盘的旋转速度是每圈20毫秒，格式化时每个盘面被分成
10个扇区，现有10个逻辑记录A、B、C、D、E、F、G、H、I和J，存放在同一
磁道的各扇区中，具体安排如下：
扇区号 逻辑记录
1 A
2 B
3 C
4 D
5 E
6 F
7 G
8 H
9 I
10 J
处理程序要顺序读出并处理这些记录，每读出一个记录后，处理长呢工序要
花4毫秒的时间进行处理，然后再顺序读下一个记录并处理，直到处理完这些记
录。假定第一个记录已在磁头位置下，请回答：
（1） 顺序处理完这10个逻辑记录总共需花费多少时间？
（2） 请调整这10个逻辑记录的存放位置，使处理程序能在最短时间内处
理完这10个逻辑记录，并计算需花费的最短时间。
解：（1）10×（2+4）+2×7×9=186（毫秒）
（2）优化分布：1，8，5，2，9，6，3，10，7，4。
10×（2+4）=60（毫秒）
答：顺序处理完这10个逻辑记录总共需花费186毫秒。优化分布后需花费
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60毫秒。
五、设备的启动和I/O中断处理
1.常用术语的定义
主存储器与外围设备之间的信息传送操作称为输入输出操作。
通道能单独地完成输入输出操作，所以把通道也称为输入输出处理机。
CPU启动通道工作时，告诉通道“做什么”和“怎么做”的命令称为CCW，
即通道命令。
由通道命令组成的程序称为通道程序。
2通道程序由命令码、数据主存地址、传送字节个数以及标志码等组成。
命令码分成三类：数据传输类、通道转移类、设备控制类。
3.（了解）外围设备的启动
通道地址字（CAW）：存放通道程序起始地址的主存固定单元称为CAW。
通道状态字（CSW）：记录并控制通道执行情况的主存固定单元称为CSW。
4. （了解）I/O中断事件的处理
I/O中断事件或是由于通道程序的执行而引起，或是由于外界的原因而引
起。
I/O中断事件的处理原则：操作正常处理、操作异常处理。
六、缓冲技术（了解）
1.缓冲技术的定义
操作系统中把利用缓冲区来缓解处理器与外围设备之间工作速度不匹配的
矛盾而采用的技术称为缓冲技术。
2.操作系统中采用的缓冲技术有：单缓冲技术、双缓冲技术和缓冲池技术。
七、虚拟设备
1.虚拟设备
为提高独占设备的效率，用共享设备来模拟独占设备的工作，这种模拟得到
的独占设备成为虚拟设备。优点：（1）提高了独占设备的利用率，（2）提高了作
业的执行速度。缺点：延长了作业的周转时间。实现虚拟设备的软硬件条件：（1）
软件：多道程序设计、必须有“预输入”程序、“井管理”程序、“缓输出”程序。
（2）硬件基础（条件）：中断装置和通道技术。
2.“预输入程序”把作业流中的作业信息传动到“输入井”保存。作业被选中执
行时不必再启动输入机，而只要从磁盘上的输入井区域中读取信息。作业执行中
产生的结果也可暂时先存放“输出井”中，待作业执行结束后由“缓输出程序”
把作业结果打印输出。由于“预输入程序”和“缓输出程序”的执行是在计算机
的控制下进行的，所以，把这种技术称为联机同时外围设备操作（SPOOLING）。
操作系统中实现联机同时外围设备操作功能的部分也称为斯普林系统。
