操作系统笔记05-设备管理

IO设备的基本概念和分类🌟

一个I/O控制器可能会对应多个设备；
数据寄存器、控制寄存器、状态寄存器可能有多个（如：每个控制/状态寄存器对应一个具体的设备），且这些寄存器都要有相应的地址，才能方便CPU操作。
- 有的计算机会让这些寄存器占用内存地址的一部分，称为内存映像I/O
- 另一些计算机则采用I/O专用地址，即寄存器独立编址

I/O调度：用某种算法确定一个好的顺序来处理各个I/O请求
- 如：磁盘调度（先来先服务算法、最短寻道优先算法、SCAN算法、C-SCAN算法、LOOK算法、C-LOOK算法）。当多个磁盘I/O请求到来时，用某种调度算法确定满足I/O请求的顺序
- 同理，打印机等设备也可以用先来先服务算法、优先级算法、短作业优先等算法来确定I/O调度顺序。

操作系统需要实现文件保护功能，不同的用户对各个文件有不同的访问权限（如：只读、读和写等）
在UNIX系统中，设备被看做是一种特殊的文件，每个设备也会有对应的FCB。当用户请求访问某个设备时，系统根据FCB中记录的信息来判断该用户是否有相应的访问权限，以此实现“设备保护”的功能。（参考“文件保护”小节）

注：假脱机技术（SPOOLing 技术）需要请求“磁盘设备”的设备独立性软件的服务，因此一般来说假脱机技术是在用户层软件实现的。但是408大纲又将假脱机技术归为“I/O核心子系统”的功能，因此考试时还是以大纲为准

当打印机空闲时，输出进程会从文件队列的队头取出一张打印请求表，并根据表中的要求将要打印的数据从输出井传送到输出缓冲区，再输出到打印机进行打印。用这种方式可依次处理完全部的打印任务
SPOOLing 技术可以把一台物理设备虚拟成逻辑上的多台设备，可将独占式设备改造成共享设备

设备的固有属性可分为三种：独占设备、共享设备、虚拟设备
- 独占设备——一个时段只能分配给一个进程（如打印机）
- 共享设备——可同时分配给多个进程使用（如磁盘），各进程往往是宏观上同时共享使用设备，而微观上交替使用
- 虚拟设备——采用 SPOOLing 技术将独占设备改造成虚拟的共享设备，可同时分配给多个进程使用（如采用 SPOOLing 技术实现的共享打印机）
从进程运行的安全性上考虑，设备分配有两种方式：
- 安全分配方式：为进程分配一个设备后就将进程阻塞，本次I/O完成后才将进程唤醒。（eg：考虑进程请求打印机打印输出的例子）
  - 一个时段内每个进程只能使用一个设备
  - 优点：破坏了“请求和保持”条件，不会死锁
  - 缺点：对于一个进程来说，CPU和I/O设备只能串行工作
- 不安全分配方式：进程发出I/O请求后，系统为其分配I/O设备，进程可继续执行，之后还可以发出新的I/O请求。只有某个I/O请求得不到满足时才将进程阻塞
  - 一个进程可以同时使用多个设备
  - 优点：进程的计算任务和I/O任务可以并行处理，使进程迅速推进
  - 缺点：有可能发生死锁（死锁避免、死锁的检测和解除）