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5.1 设备管理概述 设备管理管理的是计算机系统的重要资源，用户无权直接使用。 设备管理的一个重要任务：是按照一定的算法在各进程间调度和分配设备。 另外，设备管理还要按照用户要求启动具体设备，完成数据传输操作，并且处理设备的中断。 还有，如何利用虚拟技术使独享设备“变为”共享设备，使一台物理设备“变为”多台逻辑设备。 一、设备管理的分类 1. 按从属关系分类 系统设备：指在操作系统生成时已经登记在系统中的标准设备。如键盘、显示器、打印机等。 用户设备：指操作系统生成时未登记入系统的非标准设备。如鼠标、绘图仪、扫描仪等。 4. 按设备共享属性分类 （*） （1）独占设备： 指在一段时间内只允许一个用户（进程）访问的设备，大多数低速的I/O设备。如用户终端、打印机等属于这类设备。因为独占设备属于临界资源，所以多个并发进程必须互斥地访问独占设备。 二、设备管理的功能 （1）设备分配和回收。按照设备类型和相应的分配算法决定将I/O设备分配给哪一要求使用该设备的进程。凡未分配到所需设备的进程被放入一个等待队列。 （2）设备处理。设备处理程序实现CPU和设备控制器之间的通信。即当CPU向设备控制器发出I/O指令时，设备处理程序应启动设备进行I/O操作，并能对设备发来的中断请求作出及时的响应和处理。 （3）实现其他功能。 包括对缓冲区的管理功能及实现设备独立性。 三、设备管理的目标 （1）提高设备的利用率。 应尽量提高CPU与I/O设备之间的并行操作程度，主要利用的技术有：中断技术、DMA技术、通道技术和缓冲技术。 （2）为用户提供方便、统一的界面。 所谓方便，是指用户能独立于具体设备的复杂物理特性之外而方便使用设备。所谓统一，是指对不同的设备尽量使用统一的操作方式，例如各种字符设备用一种I/O操作方式。这就要求用户操作的是简便的逻辑设备，而具体的I/O物理设备有操作系统去实现，这种性能常常被称为设备的独立性。 5.2 设备I/O方式 1、询问（Query）:询问方式又称程序直接控制方式，在这种方式下，输入输出指令或询问指令测试一台设备的忙闲标志位，决定主存储器和外围设备是否交换一个字符或一个字。实时系统中必需采用，在一般简单系统中也广泛采用，但系统开销较大。 CPU和I/O设备串行工作，每次进行输入输出工作，都需要由主机CPU干预； 医生查房（“询问”），以便及时掌握病情。病床旁红灯是紧急请求医生的按钮（“中断请求”）。常规医疗处理医生委托护士（“硬通道”）去做。但护士只有执行权而无修改权。 DMA方式与中断方式比较 ?(1)中断方式下, CPU需要执行多条指令，占用一定的时间；而DMA传送1个字节只占用CPU的1个总线周期，占用CPU的时间少。 ?(2)DMA的响应速度比中断快。I／O设备发出中断请求后，CPU要执行完当前指令后才给予响应，而DMA请求是在总线周期执行完后即可响应。 ?(3)对于快速的I／O设备，中断方式，其传输速度已无法满足要求。必须采用DMA方式来完成快速I／O设备的数据传送的操作。 通道技术 3.通道的功能：执行通道程序，向控制器发出命令，并具有向CPU发中断信号的功能。 一旦CPU发出指令，启动通道，则通道独立于CPU工作。一个通道可连接多个控制器，一个控制器可连接多个设备，形成树形交叉连接 设备驱动程序 设备驱动程序包括与设备相关的代码，它的工作是： 把用户提交的逻辑I/O请求转化为物理I/O操作的启动和执行，如设备名转化为端口地址、逻辑记录转化为物理记录、逻辑操作转化为物理操作等。 5.3 缓冲技术 一、缓冲技术的基本思想： 缓冲技术好比水库 在CPU和外设之间设立缓冲区，用以暂存CPU和外设之间交换的数据，从而缓和CPU与外设速度不匹配所产生的矛盾。 凡是数据到达和离去速度不匹配的地方均可采用缓冲技术。在操作系统中采用缓冲是为了实现数据的I/O操作，以缓解CPU与外部设备之间速度不匹配的矛盾，提高资源利用率。 （1）改善CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾 例如，通常的程序都是时而时而输出。若没有缓冲，则程序在输出数据时，必然会由于打印机的速度跟不上CPU，而使得CPU长时间地等待。 在计算阶段，打印机又空闲无事。 在打印机或控制区中设置一缓冲区，用来快速暂存程序输出的数据，以后再由打印机慢慢的从中取出数据打印。 这样就实现了CPU与I/O设备之间的并行工作。 (2)减少对CPU的中断频率，放宽对中断响应时间的限制 如果I/O操作每传送1B就要产生一次中断，那么设置了n个字节的缓冲区后，则可以等到缓冲区满才产