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第五章 设备管理 本章要点 设备管理的主要功能、模型 I/O子系统的组成、结构 设备的控制、I/O控制 设备的类型 设备分配 I/O缓冲技术 虚拟设备与SPOOLing系统 磁盘设备的管理 设备管理的功能 设备分配 设备映射 设备驱动 I/O缓冲区的管理 I/O设备分类 根据外部设备的用途不同，可以将其分为输入/输出型设备与存储型设备； 根据外设传输的基本数据单位不同，可以将设备分为块型设备与字符型设备； 按照资源管理的方式不同，可以将设备分为独占型设备和共享型设备。 输入/输出型 VS 存储型 输入/输出型设备：键盘、鼠标、显示器、读卡机、扫描仪、打印机、绘图仪、数码相机等。 存储型设备：磁带机、磁鼓机、磁盘机等。可用作输入，也可用作输出。主要用于长期保存信息，但需要管理其上的存储空间。 可以在存储设备上建立文件系统。 有组织、有结构地长期存储信息。 块型设备 VS 字符型设备 块型设备通常就是存储型设备。这类设备由若干长度相同的块构成。 一块的长度通常为2n个字节，如256B、1024B等。对这类设备来说，块是存储分配的基本单位，也是I/O传输的基本单位。 字符型设备通常就是输入/输出型设备。这类设备I/O传输的基本单位是字节。 独占型 VS 共享型 独占型设备包括所有的字符型设备及块设备 任意时间段内最多只能被一个进程占用。 共享型设备包括除磁带机以外的所有块型设备。 宏观上，一个共享型设备可以被多个进程同时占用；微观上，多个进程交替使用同一设备。 进程使用这类设备时，无须申请或释放设备，也不存在某个进程占用设备的问题。 I/O系统的结构 总线型I/O系统的结构 通道型I/O系统结构 具有控制器的I/O系统结构 传统的设备 = 机械部分 + 电子部分 电子部分在系统的控制下驱动机械部分运转，完成I/O操作 由于设备中电子部分比机械部分的速度快得多，为了降低硬件成本，将电子部分从设备中分离出来作为一个独立的部件，这就是控制器。 分离之后的设备仅由机械部分构成，一个控制器可与多个设备相连，交替地或分时地控制与其相连的设备。例如，磁盘控制器可以控制多个磁盘驱动器。 具有控制器的I/O系统结构 设备的控制—设备的寻址与操作 从处理机的角度看，各种外部设备可以看作是由一组设备寄存器组成的。 常见的设备寄存器有：操作方式寄存器、命令寄存器、数据寄存器、状态寄存器等。 为了使CPU能够寻址这些设备寄存器，硬件平台引入了I/O端口地址的概念。 设备的控制—设备的寻址与操作 I/O端口地址的编址方式有两种： 将设备寄存器与内存物理单元统一编址； 独立于内存物理地址为设备寄存器编址。 无论一个设备是否由多个控制器控制，或者一个控制器控制了多少个设备，每一个设备都能通过这些寄存器的地址唯一确定。 设备的控制—即插即用 随着外部设备种类增加，设备间极可能发生冲突。即，设备使用的中断号、DMA、内存地址、端口地址可能因相同或重叠而导致设备无法正常工作。 手工调整这些设备的相关参数要求用户具有较多的计算机硬件知识，并对系统配置的硬件有较全面的了解。 设备的控制—即插即用 是指，插上了就可使用，不需要用户进行其它设置。 当用户插入一个“即插即用”适配卡或设备时， “即插即用”功能就可以自动进行检测，配置相应的接口参数，并安装相应的驱动程序。 设备的控制—即插即用 对已安装硬件的自动和动态识别 包括系统初始安装时、两次系统启动之间以及运行时发生的硬件事件（如设备的插入/拔出）的响应； 配合操作系统分配/再分配硬件资源 加载相应的驱动程序。 当系统中加入新设备时，如果操作系统中没有集成相应的设备驱动程序，则会要求用户指定驱动程序的位置并完成驱动程序的安装。 设备驱动程序 设备驱动程序一般由设备制造商提供，不包含在OS中。 但是，为了方便用户，OS软件包中通常会集成提供标准的、通用的或者流行的、常用设备厂商的设备驱动程序供用户选择。 从系统分层的观点来讲，设备驱动程序可以是OS的一部分，也可以被认为是硬件设备的一部分。 5.2 I/O控制方式 程序I/O方式 在早期的计算机系统中，由于没有中断装置，处理机对于I/O设备的控制采取程序I/O方式。 也称忙等待状态或循环测试方式。 对于读操作，这种方式的基本工作过程为： 1 处理机向设备（或设备控制器）发出一条I/O指令启动设备、输入数据，同时将状态寄存器中的“忙”标志置为1。 2 处理机不断地循环测试忙标志，直到忙标志变为0； 3 处理机通过I/O读指令将数据从数据寄存器中取出，送入内存中指定单元； 4 若数据已读完，则结束本过程，否则转1，继续读下一个数据。 在程序I/O方式中，由于处理机的速度非常快，而设备的速度相对较慢，使得处理机的绝大部分时间都处于等待设备