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操作系统——设备管理

article 2024/9/24 6:27:18

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操作系统入门知识合集

1.设备管理概念

2.SPOOLing技术

1.设备管理概念

在计算中，除CPU、内存以外的所有设备统称为外设，即外部设备，例如鼠标、键盘、打印机、摄像头、磁盘、硬盘......那么这些只需要连接到计算机便可使用，那么操作系统是如何管理这些设备的呢？

设备的分类：

1.按交互对象分类：

1)人机交互设备：显示设备、键盘、鼠标、打印机

2)与CPU交互的设备：磁盘、磁带、传感器、控制器

3)计算机之间的通信设备：网卡、调制解调器(光猫)

2.按交互方向分类：

1)输入设备：键盘、鼠标、扫描仪

2)输出设备：显示设备、打印机

3)双向设备：硬盘、软盘、网卡

3.按外设特性分类;

1)使用特征：存储、输入、输出

2)数据传输速率：低速(例如键盘)、中速(例如打印机)、高速(例如网卡、磁盘)

3)信息组织特征：字符设备(例如打印机)、块设备(例如磁盘)、网络设备。其中字符设备以字节为单位进行数据传送；块设备以块为单位进行数据传送，操作系统当中有缓冲区

这些设备与计算机的交互原理是千变万化且复杂的，这里不再赘述。

设备管理的主要功能：

1.设备分配

2.设备映射

3.设备驱动

设备分配：

1.设备分配功能是操作系统对设备管理的基本任务

2.设备分配程序按照一定的策略，为申请设备的进程分配设备，并记录设备的使用情况。操作系统需要一定的策略来分配设备，因为设备往往只有一份，如果分配的策略不合理，就会造成进程对设备的资源竞争，导致死锁。

设备映射：

1.物理设备：I/O系统中实际安装的设备，它具有一个很长的序列号用来标识唯一的物理名

2.逻辑设备(虚拟设备)：应用软件(进程)使用的设备，该逻辑设备具有一个简短的友好名来表示该设备

3.设备映射功能：

1)设备管理模块将逻辑设备映射到物理设备，即应用软件使用的设备都是逻辑设备(虚拟设备)

2)从应用软件的角度看，逻辑设备是一类物理设备的抽象

3)从设备管理模块的角度看，物理设备是逻辑设备的实例

设备独立性：

1.物理设备对于用户来说是透明的(即用户不可见)，用户使用统一规范的方式使用设备

2.用户编程时使用设备的逻辑名，由操作系统实现逻辑设备到物理设备的转换

Linux友好名例子：实际上在Linux当中有"一切皆文件"的概念，即Linux将所有设备当成文件处理，那么调用open打开指定的文件时就是在某种意义上就是在使用设备：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
    // Linux下一切皆文件
    int fd = open("./hello.txt",O_RDONLY);
    if(fd != -1)
    {
        // 这里只是个举例
        char buffer[64];
        int n = read(fd,buffer,sizeof(buffer));
        if(n > 0)
        {
            buffer[n] = 0;
            printf("%s\n",buffer);
        }
    }
    return 0;
}

设备驱动：

1.驱动程序对物理设备进程控制，使用[IN/OUT]指令实现对物理设备的I/O控制

2.驱动程序用户软件的服务请求(例如读写命令)，转换为具体的I/O指令，以完成对物理设备的控制

3.用户使用驱动程序提供的统一接口来控制设备，也就是说，用户不需要使用[IN/OUT]指令，驱动程序内部将自动完成命令转化的工作。驱动程序提供的接口例如read、write、open......(以Linux为例)

4.特点：

1)设备驱动程序与硬件密切相关

2)每类设备都要配置特定的驱动程序

3)驱动程序一般由设备厂商根据操作系统的要求编写

4)操作系统仅对设备驱动的接口提出要求(操作系统不关系硬件是如何实现的，只关系驱动程序)

2.SPOOLing技术

在谈SPOOLing系统之前，先介绍一下设备分配的方法：

1.独占设备的分配

2.共享设备的分配

3.虚拟分配

独占设备分配：

1.任意一个设备在任意时刻只能被一个进程占用

2.进程要使用设备时，首先向操作系统申请，如果申请成功，则正常使用该设备；申请失败进入阻塞状态。当设备可用时，操作系统唤醒因为申请设备失败而阻塞的进程；进程使用设备结束之后，必须及时释放该设备

3.独占设备的分配过程：申请——使用——释放

进程申请设备->操作系统分配设备->进程发送使用命令->操作系统将该命令转发到驱动程序，让驱动程序控制设备完成一次I/O传输->进程释放设备->操作系统回收设备。在这个过程当中，进程一旦申请设备成功，在其释放设备资源之前，一直独占该设备

共享设备分配：共享设备包括所有的块设备，即传输数据时以块为单位：

1.宏观上，一个共享型设备可以被多个进程同时占用

2.微观上，多个进程交替使用同一设备

3.进程使用该类设备时，无需申请或释放设备，也不存在某个进程占用设备的问题

4.共享设备的分配过程：

1)进程使用共享型设备时不需要申请设备资源

2)实际上，I/O期间只能有一个进程使用设备。因此，进程使用共享型设备之前有一个隐含的申请命令；使用设备结束时有一个隐含的释放命令。也就是说，在进程与设备进行I/O期间，必须保证排他性，即必须保证互斥

3)使用共享型设备的过程中，进程也可能进入阻塞状态

虚拟分配：

1.虚拟技术：在一类物理设备上模拟另一类物理设备的技术。即借助辅存的部分区域模拟独占设备，将独占设备转化为共享设备

2.虚拟设备：

1)用来模拟独占设备的部分辅存称为虚拟设备，也就是以辅存的部分空间虚拟化独占设备

2)输入井：模拟输入设备的辅存区域

3)输出井：模拟输出设备的辅存区域

3.虚拟分配：

1)当进程需要与独占设备交换信息时，就采用虚拟技术将该独占设备虚拟化成对应的虚拟设备(即部分辅存空间)，将该虚拟设备分配给进程

2)操作系统使用SPOOLing技术实现对独占设备的虚拟化和虚拟设备的分配。SPOOLling，Simultaneous Periphernal Operations OnLine，即外部设备同时联机操作，是一种假脱机输入/输出操作。何为脱机？即脱离主机的控制进行I/O操作。而假脱机指的是进行I/O操作系统不脱离主机，但是能达到脱机的效果。

4.SPOOLing例子：