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第七章 设备管理 本章内容 7.1 引言 7.2 数据传送控制方式 7.3 中断技术 7.4 缓冲技术 7.5 设备分配 7.6 I/O进程控制 7.7 设备驱动程序 7.1 引言 7.1.1 设备的类别 7.1.2 I/O系统与I/O操作 7.1.3 设备管理的功能和任务 7.1.1设备的类别 计算机系统中，除了CPU和内存之外，其他大部分硬件设备称为外部设备。包括输入输出设备、外存储设备以及终端设备等。 设备的分类： 从设备的使用特性分： 存储设备； 输入输出设备； 终端设备； 脱机设备； 从设备的从属关系分： 系统设备：指操作系统生成时就已经配置好的各种设备，例如键盘、鼠标、打印机、文件存储设备等； 用户设备：指系统生成时没有配置，由用户自己安装配置后由操作系统统一管理的设备，例如网卡、调制解调器、视频采集卡等； 从信息组织方式划分： 字符设备：以字符为单位组织和处理信息的设备，例如键盘、终端、打印机等； 块设备：以字符块为单位进行信息组织和处理的设备，例如磁盘、磁带等； 按照设备的分配方式分类 独占设备：在一段时间内只能由一个进程使用的设备，一般为慢速的字符设备。 共享设备：在一段时间内可由多个进程共享使用的设备。多个进程以交叉的方式来使用设备，一般为快速的块设备，其资源利用率高。 虚拟设备：在一类设备上模拟另一类设备的I/O技术。常用共享设备模拟独占设备，用高速设备模拟低速设备。 7.1.2 I/O系统与I/O操作 I/O系统：I/O设备及其接口线路、控制部件、通道和管理软件的总称。 I/O操作：计算机的主存和外围设备的介质之间的信息传送操作。 7.1.3 设备管理的功能和任务 设备管理的主要任务： 选择和分配输入输出设备以便进行数据传输； 控制输入输出设备和CPU（或内存）之间交换数据； 为用户提供一个友好的透明接口； 提高设备和设备之间、CPU和设备之间，以及进程和进程之间的并行操作度，使操作系统获得最佳效率。 设备管理的功能： 提供和进程管理系统的接口 进行设备分配 实现设备和设备、设备和CPU之间的并行操作 进行缓冲区管理 外围设备中断管理 外围设备驱动调度 7.2 数据传送控制方式 7.2.1 程序直接控制方式 7.2.2 中断方式 7.2.3 DMA方式 7.2.4 通道控制方式 设备管理一个最主要任务就是控制设备和内存或CPU之间的数据传送。所以操作系统中要有相应数据传送控制的机制。 选择和衡量控制方式的原则： 数据传送速度足够高，不丢失数据； 系统开销小，所需的处理控制程序少； 能充分发挥硬件资源的能力，使I/O尽量忙，CPU等待时间尽量少。 4种数据传送控制方式 外围设备和内存或CPU之间常用的数据传送控制方式有： 程序直接控制方式； 中断控制方式； DMA方式； 通道方式； 7.2.1 程序直接控制方式 程序直接控制方式是由用户进程来直接控制内存或CPU和外围设备之间的信息传送。 I/O操作由程序发起，并等待操作完成。数据的每次读写通过CPU。 CPU在启动设备进行一个字符的传输过程中，不断查询设备控制器的状态，检查设备是否已经完成。若完成，再启动设备进行下一个字符传输，否则，一直循环查询，直到设备完成。CPU与设备完全串行工作。 输入数据过程 用户程序需要外设输入数据的过程： 用户进程通过CPU发出启动设备准备数据的启动命令“start”，之后进入测试等待状态； CPU不断用一条测试指令检查描述外围设备的工作状态的控制状态寄存器； 外围设备将数据传送工作准备好后，将该寄存器置“完成状态”； CPU检测到该寄存器处于“完成状态”后，CPU执行下一条指令，控制设备开始向内存或CPU传送数据。 程序直接控制方式的优缺点 优点： 控制简单； 需要硬件支持少； 缺点： CPU和外围设备只能串行工作，使CPU利用率大大降低； CPU在一段时间内只能和一台外围设备交换数据信息，不能实现设备之间的并行工作； 由于依靠测试设备标志触发器状态位来控制数据传输，因此无法发现和处理由于设备或其他硬件所产生的错误。 所以，程序直接控制方式只适用于CPU速度慢，外围设备较少的系统。 7.2.2 中断方式 为了减少直接控制方式中CPU的等待时间，提高系统并行工作程度，引入了中断方式。 中断方式下，CPU一旦启动设备成功，CPU转去执行另一个程序。当设备完成时，向CPU提出中断请求，CPU执行完当前一条指令，就响应中断，转去执行中断处理程序。从而使CPU可与设备并行操作。 输入数据过程 用户进程需要数据时，通过CPU发出“start”指令启动外围设备准备数据；该指令还同时将控制状态寄存器中的中断允许位打开； 该用户进程放弃处理机，进程调度程序调度其他就绪进程占据处理机； 输入完成时，I/O控制器通过中断