操作系统——设备管理

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操作系统入门知识合集

目录

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：

如上图图(2)，输入监控进程和输出监控进程模拟脱机系统的卫星机。用户进程将输出数据先送到输出井，当输出设备空闲时，再将输出井的数据经过输出缓冲区送到输出设备上；同理，输入设备将输入的数据先送到输入井，再送给用户进程。

SPOOLing结构：

  1.输入井和输出井：由辅存开辟的两个存储区域模拟而成

  2.输入缓冲区和输出缓冲区：这些缓冲区在内存当中开辟。输入缓冲区，暂存输入数据，后面再送到输入井；输出缓冲区，暂存输出数据，后面再送到输出设备

  3.输入监控进程和输出监控进程：输入监控进程模拟脱机输入的卫星机，将用户要求的数据从输入设备通过输入缓冲区送到输入井。当用户进程需要数据时，直接从输入井读取数据；输出监控进程模拟脱机输出的卫星机，将用户进程要输出的数据先送到输出井，当输出设备空闲时，将数据送到输出缓冲区，再送到输出设备上。

SPOOLing原理：假设用户进程的任务为先设备读数据再向写设备数据

  1.预先将程序和数据送到输入井中

  2.需要使用数据时，从输入井取出数据

  3.需要输出数据时，将数据写入输出井

  4.设备空闲时将要输出的数据从输出井输出到输出设备上

综上，SOOLing技术提高了I/O的效率，将独占设备虚拟成了共享设备，实现了虚拟设备的功能。