操作系统设备管理子系统的设计与实现

### 知识点 #### 操作系统中设备管理的基本概念 设备管理是操作系统中负责协调和控制计算机系统中的I/O设备工作的子系统。其核心目标是有效地实现数据在计算机与外部设备之间的传输，同时提供一个统一、简化的设备操作界面给上层的应用程序。在传统的操作系统理论中，设备管理通常遵循四级结构和三级控制的概念。 **四级结构**主要指的是： 1. **系统设备表（SDT）**：记录了系统中所有设备的信息，包括设备类型、状态和设备控制表指针等。SDT是设备管理的高层抽象，用于跟踪系统中所有设备的总体状态。 2. **通道控制表（CHCT）**：通道是负责协调设备和CPU之间信息交换的硬件单元。CHCT记录了通道的运行状态和设备与通道之间的关联信息。 3. **控制器控制表（COCT）**：控制器是设备与通道之间的接口，负责控制一组设备。COCT记录了控制器的状态和设备与控制器之间的关联信息。 4. **设备控制表（DCT）**：DCT负责记录单个设备的状态信息，如设备名、设备类型、当前状态以及对设备的操作功能等。 **三级控制**指的是： 1. **设备独立性**：操作系统通过逻辑设备名来管理物理设备，从而使得用户和应用程序在不知道物理设备具体信息的情况下，可以访问设备。 2. **设备的分配与回收**：操作系统根据进程的请求进行设备的分配，并在使用完成后进行回收。 3. **设备的调度**：操作系统负责在多个进程请求同一设备时，按照一定的策略进行设备调度。 #### C/C++ 中模拟设备管理的实现 在C/C++编程语言中，我们可以模拟上述的设备管理结构。具体实现步骤如下： 1. **定义设备管理的数据结构**： - 定义SDT结构体，包含系统中所有设备的表项。 - 定义CHCT结构体，包含系统中所有通道的控制信息。 - 定义COCT结构体，包含系统中所有控制器的控制信息。 - 定义DCT结构体，具体记录每个设备的详细信息。 2. **添加和删除设备**： - 添加设备时，需要在SDT和DCT中分别添加对应设备的表项。如果该设备属于某个特定的控制器，可能还需要创建或更新COCT。 - 删除设备则执行相反的操作，从SDT和DCT中移除相关表项，并在必要时更新或删除COCT。 3. **独占设备的分配与回收**： - 当进程需要独占设备时，操作系统首先检查设备是否可用。 - 若设备可用，则将设备与请求该设备的进程连接起来。如果设备正在使用中，则将请求进程阻塞，直至设备被释放。 - 设备的回收则是指当进程完成对设备的使用后，操作系统将其标记为可用，并唤醒等待该设备的其他进程。 4. **实现设备独立性**： - 通过逻辑设备名到物理设备名的映射表实现设备的独立性。应用程序通过逻辑名访问设备，而操作系统负责解析逻辑名并实际执行与物理设备的交互操作。 #### 实践中的具体应用 在实际编程实践中，使用C或C++实现设备管理的模拟会涉及到结构体的定义与操作、链表或其他数据结构来存储设备控制表等。文件FILE.CPP作为编译单元，可能包含如下内容： - 设备管理的数据结构定义。 - 设备的添加与删除函数。 - 设备分配和回收的函数实现。 - 设备独立性的逻辑实现，如逻辑设备名到物理设备名的映射。 - 设备状态的更新、查询等功能。 整个FILE.CPP文件是实现上述设备管理功能的关键代码实现，可能涉及大量的指针操作、内存管理以及状态控制等底层细节，是操作系统课程学习与实践的一个重要环节。