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第六章 设备管理 6.1 系统总线 6.1.1 总线基本概念和分类 1.没有总线的计算机系统 两两部件独立相连，相互通信时双方必须停止其他工作，降低了部件的工作效率； 随着计算机部件的增多，内部连线非常复杂，不利于系统设备的扩展。 2.总线概念 总线是计算机中各个通信模块共享的，用来在这些部件之间传送信息的一组导线和相关的控制和接口部件。 6.1.2 总线分类 CPU内部总线：寄存器之间，寄存器与ALU之间。 系统总线：CPU与主存或I/O设备之间的信息传送线，又称为外总线。 通信总线：计算机系统之间或计算机系统与外部设备之间的信息传送线。 6.1.3 系统总线的组成 1.地址总线 传送主存单元地址或者I/O设备的端口地址。 2.数据总线 完成总线上各功能部件之间的数据传送。 3.控制总线 传送定时信号和命令信息，以实现对设备的控制和监视。 4.系统总线由多个部件或设备共享，但任何时刻都只能由一个设备向总线发送信息，所以对总线的使用需要协调。 6.1.4 系统总线的结构 1.单总线结构 2.双总线结构 3.三总线结构 6.1.5 总线的数据传输方式 串行传输：每次传送一位，只需一根数据线。适用于慢速设备，如键盘、鼠标等。 并行传输：每位数据需要一根数据线，多位数据一起传输。 注意：总线和设备接口之间总是以并行方式传送数据，但设备和接口之间可能以并行方式，也可能以串行方式。 6.2 I/O接口 1.I/O接口 计算机与I/O设备或其他系统之间的逻辑控制部件。 2.I/O接口的基本功能 实现主机与外围设备间的通信和控制； 设备的选择，操作时序的协调，中断请求与批准 实现数据缓冲，使主机与外设的工作速度匹配； 在设备控制器中设置一个或多个数据缓冲寄存器 接收主机的命令，提供设备和接口的状态。 在设备控制器中设置控制/状态寄存器 6.3 I/O 设备管理概述 总线型I/O系统结构 设备间的差异 数据率 管理程序 控制的复杂度 数据的传送单位 数据编码 出错条件 6.3.2 设备控制器 设备控制器的组成 设备控制器的主要任务 1）接收和识别命令 2）数据交换 3）了解设备的状态 4）地址识别 6.3.3 设备通道 通道的连接方式 6.4 I/O控制方式 衡量数据传送控制方式原则 数据传送速度高 系统开销小 充分发挥硬件资源的能力，I/O设备忙，CPU等待时间少 6.4.1 程序直接控制方式 程序直接控制方式的缺点： 6.4.2 中断驱动方式 中断驱动方式的缺点： 6.4.3 DMA控制方式 DMA控制器的组成 DMA工作过程 6.4.4 通道方式 DMA方式中cpu以数据块为单位干预I/O操作，但进程需要连续操作几个不连续的数据块时，CPU仍需多次干预。 1.通道方式特点 每条CPU发出的I/O指令可以实现对一组数据块的干预； 实现CPU、通道和设备的并行工作，提高资源利用率。 2.通道方式处理过程 通道方式通过通道处理程序，与设备控制器共同实现对I/O设备的控制。其步骤如下： 1）CPU发出指令； 2）通道取出内存中的通道处理程序执行； 3）设备根据通道指令的要求，执行相应操作； 4）通道程序执行结束，向CPU发出中断请求； 5）CPU进行中断处理。 6.5 I/O系统 用户进程进行I/O操作的步骤 用户进程调用操作系统提供的系统调用命令； 操作系统负责给用户进程分配设备、启动相关设备进行I/O操作； 在I/O操作完成时，用户进程产生中断； 系统响应中断，并进行相应的中断处理。 6.5.1 I/O层次结构 6.5.1 I/O层次结构 I/O接口：系统调用，例如C语言中的库函数printf，scanf； I/O管理软件：实现所有设备共享的I/O功能，为用户提供统一接口； 设备驱动程序：接收I/O管理软件的抽象请求，进行与设备相关的具体设备操作，控制设备的打开，关闭，读，写等操作，控制数据在设备上的传输； 中断处理程序：当输入就绪、输出完成或设备出错时，设备控制器向CPU发中断信号，CPU进行相应中断处理 6.5.2 设备分配 由于外设资源的有限，需解决进程间的外设共享问题，以提高外设资源的利用率。设备分配是对进程使用外设过程的管理。这里有两种作法： 1)在进程间切换使用外设，如键盘和鼠标； 2)通过一个虚拟设备把外设与应用进程隔开，只由虚拟设备来使用设备。 一、设备分配时应考虑的问题 设备分配的综合原则是合理使用外设(公平和避免死锁)，提高设备使用率。 1.设备的固有属性 独享设备：打印机等。进程使用完自己释放，一般不能剥夺； 共享设备：磁盘、网卡等。多个进程并发使用，需合理调度； 虚拟设备：虚拟打印机等。可有多个进程使用，但FCFS。 2.设备