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第十四讲 设备控制原理、设备使用方法 目的与要求：掌握I/O控制的原理、设备的使用方法。 重点与难点：三种不同的I/O控制方式；三种不同的设备使用方法。 作业： 2，3，4，5 第六章 设备管理 6.1输入输出硬件概念 1.常见I/O设备的分类 人机交互设备(字符设备,发送接收以字符方式) 存储类型设备(块设备,读写以数据块方式） 网络通讯的设备 I/O设备的特点 数据传输速率不同 数据传输单位不同 控制的复杂性不同 设备的使用目的不同 2.设备控制器（I/O部件） I/O设备通常包含一个机械部件和一个电子部件。电子部件被称作I/O部件或设备控制器。 操作系统一般只与控制器打交道，而非设备本身。 早期CPU是直接控制外部设备的，在引入I/O部件之后，I/O指令功能加强，才将CPU逐渐从与外设的交互细节中解放出来。 PCI总线控制器 处理机 内存 显卡 外设 光盘 磁盘 IDE总线控制器 外设控制器 控制器 控制器 连接CPU、内存、设备控制器和I/O设备模型 控制器的任务是在外部设备与CPU（或内存）之间完成比特流（外部信号）和字节流（块）之间的转换。 磁盘 控制器 主存 比特流 字节块 转换、校验 字符显示控制器 主存经CPU 显示信号 字节流 转换 每个控制器都有一些用来与CPU通讯的I/O寄存器。操作系统通过向这些寄存器写命令字来执行I/O功能。 键盘 060 - 063 硬盘 320 – 32F 打印机 378 – 37F 软盘 3F0 – 3F7 彩色显示器 3D0 – 3DF IBM PC的I/O地址 3.输入输出控制方式 一、程序直接控制方式 CPU直接控制I/O操作的全过程，包括传输数据、发送读写命令、测试设备状态 。 因此，处理机指令集应包括控制类、测试类、读写类I/O指令 。 I/O部件接收到相应的命令后，将I/O状态寄存器的相应位置上。随着操作的执行更改状态位，由CPU执行相应指令读取I/O完成状态。I/O数据通过CPU寄存器转发。 向I/O部件发读命令 读I/O部件状态寄存器 检查状态 从I/O部件读字数据 将该字写入内存 未OK OK 出错 该块读完？ OK 未OK 二、中断控制方式 CPU向I/O部件发出命令后，转去做其他有用的工作。当I/O部件准备好数据后，利用中断通知CPU，再由CPU完成数据传输。 CPU不必反复测试寄存器状态，节约了时间。但总体看来，中断控制方式仍然消耗大量的CPU时间，因为每个字的数据传输都必须经过CPU寄存器转发。 向I/O部件发读命令 读I/O部件状态寄存器 检查状态 从I/O部件读字数据 将该字写入内存 OK 出错处理 该块读完？ OK 未OK 中断 三、DMA方式 前两种方式的缺陷： I/O的传输速率受CPU测试或中断响应的速度限制 CPU为管理I/O耗费大量时间。 DMA（直接内存存取）负责完成整个I/O操作，无需再经CPU寄存器转发，并在全部传输结束后向CPU发中断信号。 CPU向DMA部件发送I/O命令后，即可进行其他工作。给DMA的命令中应包括：操作类别、I/O设备的地址、读写数据在内存中的首地址、字数。 向DMA部件发读命令 读取DMA部件状态 中断 DMA的功能可以以独立的DMA部件在系统I/O总线上完成，也可整合到I/O部件中完成。 读写内存时，DMA部件需要控制总线，CPU可能在涉及存储访问时因此而忙等待。 CPU直接控制外部设备 引入I/O部件，CPU直接控制I/O部件 引入中断驱动方式 引入DMA I/O通道或I/O处理机 输入输出控制方式的发展过程 6.2设备输入输出子系统 6.2.1.设备的使用方法 一、设备相关系统调用简介 申请设备。该系统调用中有参数说明了要申请的设备名称，操作系统处理该系统调用时，会按照设备特性（是独占还是分时共享式使用）及设备的占用情况来分配设备，返回申请是否成功标志。 将数据写入设备。 从设备读取数据。 释放设备。这是申请设备的逆操作。 说明： 上述的系统调用主要用于对人机交互类慢速外设的使用。 对于存储类外设，用户程序一般通过对文件的访问，由文件管理模块读写存储外设间接使用它们，系统也提供直接使用存储类外设的接口。 对于网络通讯外设，用户级程序也不直接使用它们，用户通过SOCKET通讯系统调用接口调用TCP/IP层程序，由IP层程序选择调用网络通讯设备驱动程序。 在LINUX中，你也可以用如下的系统调用将数据直接写入软盘中： fd=open(“/dev/fd0”,O＿RDRW)；申请软盘，/dev/fd0代表软盘。 lseek(fd,1024,0)；将软盘当前I/O位置定位到1