第5章 设备管理

（1）设备分配：指设备管理程序按照一定的算法把某 一个I/O设备及其相应的控制器和通道分配给某一进程， 对于未分配到设备的进程，则插入等待队列中，设备分 配针对独占设备实施，共享设备则是调度使用。 （2）设备处理，即具体实现物理I/O操作：对于具有通 道的系统，设备处理程序根据用户提出的I/O请求，生 成相应的通道程序并提交给通道，然后用专门的通道指 令启动通道，对指定的I/O设备进行操作，并能响应通 道的中断请求。对于未设置通道的系统，设备处理程序 直接驱动设备（设备控制器和设备）实现I/O操作。 （3）缓冲区管理：为了解决CPU与I/O设备之间速度不 匹配的矛盾，在它们之间配备了缓冲区。这样，设备管 理程序就要负责管理缓冲区的建立、分配和释放。缓冲 区实质是内存的一块区域，设置、管理的好，就可以缓 解这种矛盾。 （4）设备独立性软件与虚拟设备软件（spooling系统）
3) 数组多路通道(Block Multiplexor Channel)

数组选择通道虽有很高的传输速率，但它却每次 只允许一个设备传输数据。数组多路通道是将数 组选择通道传输速率高和字节多路通道能使各子 通道(设备)分时并行操作的优点相结合而形成的 一种新通道，如果接磁盘，时间片的大小一般是 磁盘转一圈的时间，磁盘寻道（一般时间较长） 的时候（磁带反绕慢），数组多路通道就分配给 其它子通道，这种通道一般含有多个非分配型子 通道， 因而这种通道既具有很高的数据传输速率， 又能获得令人满意的通道利用率。也正因此，才 使该通道能被广泛地用于连接多台高、中速的外 围设备，其数据传送是按数组方式进行的。
5.1.6 I/O控制方式
1）循环测试方式（polling 轮询） 主要用于早期的计算机系统，由于没 有中断机构，处理机对I/O直接进行控 制(实质是控制设备控制器，如打印机， 它的并口就是它的控制器)。
设某进程通过输入设备输入一个数 据，该方式的具体工作过程如下：
（1）把一个启动位为“1”的控制字写入该设 备的控制寄存器，从而启动该设备进行输入 操作。 （2）CPU反复读取控制寄存器的内容，并测试 其中的完成位，若为“0”，则转（2），否 则转（3）。 （3）把数据缓冲区的数据读入CPU或主存。
3）按信息交换的单位分

设备可分为块设备（block device）和字符设备 （character device）2种 块设备 ：传输信息的单位是数据块，属于有结构 设备，如磁盘、磁带。磁盘是典型的块设备，每 个盘块的大小为512 B~4 KB。磁盘设备的基本特 征是：
传输速率较高，通常每秒钟为几兆位； 可寻址，即对它可随机地读/写任一块 磁盘设备的I/O常采用DMA方式。 块设备与其他设备之间并没有严格的界限 磁盘与磁带机的比较

2）按传输速率分，设备可分为低速设备、 中速设备和高速设备3种。



低速设备：是指其传输速率仅为每秒钟几个字 节至数百个字节的一类设备，属于低速设备的 典型设备有键盘、 鼠标器、语音的输入和输出 等设备。 中速设备：是指其传输速率在每秒钟数千个字 节至数万个字节的一类设备。典型的中速设备 有行式打印机、激光打印机等。 高速设备：是指其传输速率在数百千个字节至 数十兆字节的一类设备。 典型的高速设备有磁 带机、 磁盘机、 光盘机等。
该方法效率不高，一般每秒就几十个到几百个 字符。
2）中断方式 (interrupt-driven I/O)方式
（1）中断控制方式工作过程

要求输入数据的进程将一个启动和中断允 许位为“1”的控制字写入设备控制器的状 态寄存器中

该进程因等待输入操作的完成而进入等待状 态。于是进程调度程序调度另一进程运行 当完成了输入工作时，设备向CPU发出中断信 号。通过中断进入，CPU转向该设备的中断处 理程序 中断处理程序先保护现场，然后检查输入有 无错误，如正确则把输入缓冲寄存器的输入 数据转送到指定单元中，同时把该进程唤醒。 最后中断处理程序恢复被中断程序的现场， 并返回到被中断的进程继续执行
3）DMA方式

该方式由一个专门的DMAC代替 cpu控制输入输出，而且不对数 据做任何处理，这点不同于前2 种方式，前两种方式数据都要读 入cpu，可在读入cpu时做一些处 理，但DMA方式对数据不做任何 处理。
2）设备管理功能
5.1.2 I/O系统组成


由图可见，现代计算机以内存为中心， 其I/O系统主要包括各类通道、设备控制 器和设备以及4大模块的功能软件 注：图中cpu连在存储器上，存储器连接 了3类通道，分别是数组选择通道，数组 多路通道和字节多路通道。其中，磁盘 通过磁盘控制器连接在选择通道上，磁 带则通过磁带控制器连接在成组多路通 道上，而一些低速输入输出设备如打印 机、终端等则通过相应的控制器连接在 字节多路通道上。
第5章 设备管理
主要内容



5.1 设备管理概述 5.2 设备分配 5.3 虚拟设备技术 5.4 磁盘存储器管理 5.5 设备驱动程序 5.6 缓冲技术 5.7 Windows XP的I/O系统 5.8 Windows XP的高速缓存管理
5.1 设备管理概述
设备管理的目标与功能 I/O系统组成 I/O设备及分类 设备控制器 通道及分类 I/O控制方式
2) 数组选择通道(Block Selector Channel)

字节多路通道不适于连接高速设备，这推动了 按数组方式进行数据传送的数组选择通道的形 成。这种通道虽然可以连接多台高速设备（一 般是磁盘、磁带），但由于它只含有一个分配 型子通道，在一段时间内只能执行一道通道程 序， 控制一台设备进行数据传送， 致使当某 台设备占用了该通道后，便一直由它独占， 即 使是它无数据传送，通道被闲置， 也不允许其 它设备使用该通道， 直至该设备传送完毕释放 该通道。可见，这种通道的利用率较低。
5.1.5 通道及分类
（1）通道指令
通道是一个专用处理机，它可以做读、 写、反读、测试设备状态，控制设备（磁 带反绕、换页等），控制通道程序跳转等， 因此相应的有6类指令。 通道通过执行由通道指令组成的通道程序 最终完成输入输出任务
（2）通道的主要结构及工作方式
（3）通道的连接方式


典型的通道连接方式有2种，单通路I/O 系统（如下图）和多通路系统 单通路I/O系统（如下图）





cpu和设备控制器主要通过总线相连，通过地址 线中的地址可以定位到设备，通过控制线发控 制信号告诉设备控制器要读还是写，而cpu写或 读控制器中的数据都是通过控制器中的数据寄 存器实现的，所以数据线是双向的，而控制器 中的状态寄存器信息是被cpu读的，如控制方式 1）不断读的就是这里的busy位。不同的设备设 备控制器电路板不同，这里只是一个原理性的 介绍。 除了总线，控制器和cpu一般还通过中断控制器 相连，以实现中断响应。 设备控制器和设备连接也有3组线，数据线负责 数据传送，设备状态信息通过状态线读入设备 控制器，而设备控制器的控制信息则通过控制 线传送给具体设备。

输入输出设备可能是操作系统设计 中最凌乱的部分。对于输入输出，最关 键的问题是性能。处理机的速度不能地 提高，内存的访问速度尽管没有处理器 速度提高的快，它也在不断提高，而且 ，通过使用一级二级甚至更多级的内部 告诉缓存，主存访问时间可以跟上处理 器的速度，但是，输入输出仍然面临着 重要的性能挑战
共享设备：指在一段时间内允许多个进程同 时访问的设备。显然，共享设备必须是可寻 址和可随机访问的设备。典型的共享设备是 磁盘。共享设备是实现文件系统和数据库系 统的物质基础。一段时间内，几个进程可以 交叉访问，即进程1访问一会，进程2访问一 会，交叉进行访问，不向独占设备，必须进 程1用完不用了才可以给进程2用。 虚拟设备：指通过虚拟技术，将一台独占设 备变换为若干台供多个用户（进程）共享的 逻辑设备，一般逻辑设备都是共享的，如共 享打印机。 常采用SPOOLING技术实现。

5.1.4 设备控制器（适配器）

设备控制器的主要功能：

接收和识别从CPU或通道发来的命令 实现数据交换：包括和CPU、内存及设备的数据交 换之间数据的交换 标识和报告设备的状态 设备地址识别：用于识别它所控制的每个设备的 地址


设备控制器的主要组成部分：

1、接口电路：具体包括和CPU、通道、中 断控制器、以及设备的接口电路 2、寄存器：控制寄存器用来接受CPU或通 道指令，数据寄存器用来存放交换的数据， 状态寄存器用来记录设备状态 3、I/O逻辑电路：可以对地址线收到的地 址译码，从而选择设备，并控制设备实现 数据的交换


（2）中断响应示意图

Cpu通过一根线连接到中断控制器芯片，许 多设备按照优先级接到中断控制器（设备控 制器图中没画，但事实上是有的）。如键盘 输入完毕（图中第1步），键盘发一信号给中 断控制器，然后中断控制器就向cpu发一中断 信号（图中步骤2），具体是改变该线接口的 引脚电平，cpu在执行每条指令的最后一个节 拍检查该电平，若发现有变化，就知道有中 断发生了，就执行一个中断子程序（图中第3 步），该程序就会到中断控制器去看是哪个 设备的中断，然后去相应设备（实质是设备 控制器的数据寄存器）取数据。
5.1.3 I/O设备及分类


不同的设备需要不同的设备管理程序，但同 类设备可分类可以简 化设备管理程序的研发。 1）计算机的外设根据用途可分为2大类， 一类是存储型设备如磁盘机、磁带机，该类 设备使用时要调度；另一类是I/0设备，如 键盘、鼠标、打印机等，该类设备使用时要 分配。


中断控制方式是现代通讯设备常用的一种输 入输出方式，但中断方式每次只传送一个字， 而且每次都要做现场保护和现场恢复工作， 效率仍然很低。 接下来发展起来了DMA方式，该方式考虑的 是一次不再传一个字了，改为一次传一组字 符，因此DMA适合于高速输入设备，如硬盘、 磁带、光盘等，键盘等低速设备就不用了。