计算机操作系统--设备管理
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打印机不能同时打印多个用户作业，否则输出结果将会混 在一起。
共享设备：多个用户作业或多个进程可以“同时”从 这些设备上存取信息。
软硬盘、光盘等块设备都是共享设备。
虚拟设备：通过软件技术将独享设备改造成共享设备。
例如：通过SPOOLing技术将一台打印机虚拟成多台打印机。 5
按设备硬件物理特性分
顺序存取设备：存取时间与物理上当前 位置有关。如：磁带
直接存取设备：存取时间与物理上当前 位置关系不大。如：磁盘
6
7.1.2 设备管理的任务
选择和分配输入输出设备 控制输入输出设备和CPU或内存之间的数据交
换。 为用户提供一个友好的接口，把用户和设备
硬件特性分开，使用户编程时不必关心设备 的物理特性。 尽量提高输入输出设备的利用率，发挥主机 与外设以及外设与外设之间的真正并行工作 能力。
需要使用一个专门的DMA控制器（DMAC， Direct Memory Access Controller）。 DMAC中有控制、状态寄存器、传送字节计 数器、内存地址寄存器和数据缓冲寄存器
16
DMA方式
采用盗窃总线控制权的方法，由DMAC送出 内存地址和发出内存读、设备写或设备读、 内存写的控制信号来完成内存与设备之间 的直接数据传送，而不用CPU的干预。有 的DMA传送甚至不经过DMAC的数据缓冲寄 存器的再吞吐，传输速率非常高。
DMA(直接存储器存取)方式：当处理器希望 读或写一块数据时，它给DMA模块产生一条 指令，发送以下信息
涉及的I/O设备的地址 开始读或写的存储器单元 需要读或写的字数
14
DMA方式
处理器然后继续其他工作，而把这个操作委托给DMA模 块，由该模块处理。
DMA模块直接从存储器中或者往存储器中传送整个数据 块，每次传送一个字。
7
7.1.3 设备管理的功能
提供与进程管理系统的接口，将进程要求传达 给设备管理程序。
按设备类型和算法分配设备，包括相应的通道、 设备控制器。对未分配ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ设备的任务或作业进 入等待队列。
实现设备和设备、设备和CPU之间的并行操作。 这需要一些硬件设备的支持。
进行存储缓冲区管理。
8
7.2 数据传送控制方式
I/O设备 用来向计算机输入和输出信息的设备，如 键盘、鼠标、显示器、打印机等
2
7.1.1 外部设备分类
按系统和用戶分：系统、用戶
按输入输出传送方式分(UNIX或Linux系统)： 字符型设备、块设备
按资源特点分：独享设备、共享设备、虚拟 设备
按设备硬件物理特性分：顺序存取设备、直 接存取设备
3
按输入输出传送方式分
字符型设备：以字符为单位进行输入、输出 的设备。每输入或输出一个字符就中断一次 主机CPU，请求进行处理。所以又称慢速字符 设备。
块设备：以字符块为单位进行输入、输出的 设备。例如：硬盘。
4
按资源特点分
独享设备：所有字符设备都是独享设备。在一个用户 作业未完成或退出之前，此设备不能分配给其他作业 用。
数据传送
设备与CPU或内存的数据交互
传送方式
程序直接控制 中断控制 DMA控制 通道控制 评价指标 速度快、数据不丢失、系统开销小
9
程序直接控制
由用户进程直接控制内存与外部设备的数据传输 当用户进程需要数据时，它通过CPU发送“设备
启动命令”，用户进程进入测试等待状态; 在等待时间内CPU不断用一条测试指令检查设备
仅在传送一个或多个数据块的开始和结束 时，才需CPU干预，整块数据的传送是在 控制器的控制下完成的
17
7.2.4 I/O通道方式
2. 由于系统中的设备较多，中断太多，会使CPU无法 响应中断，造成数据丢失。
3. 如果外部设备的速度也比较高，CPU不能及时取走 缓冲寄存器的数据，那么就会出现数据丢失。
13
7.2.3 DMA方式
当需要传输大量数据时，程序I/O方式和中 断I/O方式都会浪费大量的CPU时间，因此， 需要一种更有效的技术处理大量数据的传输
由于这种方式是依靠测试设备的状态寄存器 的状态位来控制数据的传输，所以，无法发 现和处理由于设备或其他硬件所产生的错误。
11
7.2.2 中断方式
与程序直接方式不同，它是靠中断来实现设备与内存 的数据传输控制。
处理过程： 1.当进程要求数据时，由CPU发出START命令，启动外设
准备数据。同时中断允许位打开。 2. 现运行进程放弃CPU，等待输入完成。进程调度程序
第七章 设备管理
第一节 概述 第二节 数据传送控制方式 第三节 中断技术 第四节 缓冲技术 第五节 设备分配 第六节 I/O进程控制 第七节 设备驱动程序
1
7.1 概述
设备 除cpu及内存以外的所有设备和装置(I/O设 备，存储设备等)。
存储设备 用来存放各种信息的设备称为存储设备， 例如，软盘、硬盘、光盘和磁带等
当传送完成后，DMA模块给处理器发一个中断信号。 因此，只有在开始传送和结束传送时才会用到处理器
System Bus
Processor
DMA Controller
I/O Controller
.....
I/O Controller
Memory
15
DMA方式
DMA方式的特点：
作为高速的外围设备与内存之间进行成批 的数据交换，但不对数据作加工处理。数 据传输的基本单位是数据块，I/O操作的类 型比较简单
选择一个新的进程在CPU上运行。 3. 当数据从相应的设备送到缓冲区后，由I/O控制器发
中断请求，CPU接到请求后，中断现运行进程，转中断 处理程序执行数据传输。 4. 在以后某个时刻，被中断进程由于获得了数据而继续 运行。
12
中断方式的特点
1. 由于I/O控制器的数据缓冲寄存器比较小，装满数据 后发生中断，因此一次数据传输中会造成多次中 断，消耗大量的CPU时间。
的工作状态 当数据准备好后，状态寄存器的状态置为完成状
态，发出“Done”信号，开始向内存传送数据
10
程序直接控制方式的特点
CPU和外部设备之间只能串行工作
CPU在一段时间只能与一台外部设备交换信息， 所以不能实现设备之间的并行工作
CPU的处理速度远远高于外部设备，所以 CPU的利用率大大降低。
共享设备：多个用户作业或多个进程可以“同时”从 这些设备上存取信息。
软硬盘、光盘等块设备都是共享设备。
虚拟设备：通过软件技术将独享设备改造成共享设备。
例如：通过SPOOLing技术将一台打印机虚拟成多台打印机。 5
按设备硬件物理特性分
顺序存取设备：存取时间与物理上当前 位置有关。如：磁带
直接存取设备：存取时间与物理上当前 位置关系不大。如：磁盘
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7.1.2 设备管理的任务
选择和分配输入输出设备 控制输入输出设备和CPU或内存之间的数据交
换。 为用户提供一个友好的接口，把用户和设备
硬件特性分开，使用户编程时不必关心设备 的物理特性。 尽量提高输入输出设备的利用率，发挥主机 与外设以及外设与外设之间的真正并行工作 能力。
需要使用一个专门的DMA控制器（DMAC， Direct Memory Access Controller）。 DMAC中有控制、状态寄存器、传送字节计 数器、内存地址寄存器和数据缓冲寄存器
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DMA方式
采用盗窃总线控制权的方法，由DMAC送出 内存地址和发出内存读、设备写或设备读、 内存写的控制信号来完成内存与设备之间 的直接数据传送，而不用CPU的干预。有 的DMA传送甚至不经过DMAC的数据缓冲寄 存器的再吞吐，传输速率非常高。
DMA(直接存储器存取)方式：当处理器希望 读或写一块数据时，它给DMA模块产生一条 指令，发送以下信息
涉及的I/O设备的地址 开始读或写的存储器单元 需要读或写的字数
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DMA方式
处理器然后继续其他工作，而把这个操作委托给DMA模 块，由该模块处理。
DMA模块直接从存储器中或者往存储器中传送整个数据 块，每次传送一个字。
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7.1.3 设备管理的功能
提供与进程管理系统的接口，将进程要求传达 给设备管理程序。
按设备类型和算法分配设备，包括相应的通道、 设备控制器。对未分配ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ设备的任务或作业进 入等待队列。
实现设备和设备、设备和CPU之间的并行操作。 这需要一些硬件设备的支持。
进行存储缓冲区管理。
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7.2 数据传送控制方式
I/O设备 用来向计算机输入和输出信息的设备，如 键盘、鼠标、显示器、打印机等
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7.1.1 外部设备分类
按系统和用戶分：系统、用戶
按输入输出传送方式分(UNIX或Linux系统)： 字符型设备、块设备
按资源特点分：独享设备、共享设备、虚拟 设备
按设备硬件物理特性分：顺序存取设备、直 接存取设备
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按输入输出传送方式分
字符型设备：以字符为单位进行输入、输出 的设备。每输入或输出一个字符就中断一次 主机CPU，请求进行处理。所以又称慢速字符 设备。
块设备：以字符块为单位进行输入、输出的 设备。例如：硬盘。
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按资源特点分
独享设备：所有字符设备都是独享设备。在一个用户 作业未完成或退出之前，此设备不能分配给其他作业 用。
数据传送
设备与CPU或内存的数据交互
传送方式
程序直接控制 中断控制 DMA控制 通道控制 评价指标 速度快、数据不丢失、系统开销小
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程序直接控制
由用户进程直接控制内存与外部设备的数据传输 当用户进程需要数据时，它通过CPU发送“设备
启动命令”，用户进程进入测试等待状态; 在等待时间内CPU不断用一条测试指令检查设备
仅在传送一个或多个数据块的开始和结束 时，才需CPU干预，整块数据的传送是在 控制器的控制下完成的
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7.2.4 I/O通道方式
2. 由于系统中的设备较多，中断太多，会使CPU无法 响应中断，造成数据丢失。
3. 如果外部设备的速度也比较高，CPU不能及时取走 缓冲寄存器的数据，那么就会出现数据丢失。
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7.2.3 DMA方式
当需要传输大量数据时，程序I/O方式和中 断I/O方式都会浪费大量的CPU时间，因此， 需要一种更有效的技术处理大量数据的传输
由于这种方式是依靠测试设备的状态寄存器 的状态位来控制数据的传输，所以，无法发 现和处理由于设备或其他硬件所产生的错误。
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7.2.2 中断方式
与程序直接方式不同，它是靠中断来实现设备与内存 的数据传输控制。
处理过程： 1.当进程要求数据时，由CPU发出START命令，启动外设
准备数据。同时中断允许位打开。 2. 现运行进程放弃CPU，等待输入完成。进程调度程序
第七章 设备管理
第一节 概述 第二节 数据传送控制方式 第三节 中断技术 第四节 缓冲技术 第五节 设备分配 第六节 I/O进程控制 第七节 设备驱动程序
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7.1 概述
设备 除cpu及内存以外的所有设备和装置(I/O设 备，存储设备等)。
存储设备 用来存放各种信息的设备称为存储设备， 例如，软盘、硬盘、光盘和磁带等
当传送完成后，DMA模块给处理器发一个中断信号。 因此，只有在开始传送和结束传送时才会用到处理器
System Bus
Processor
DMA Controller
I/O Controller
.....
I/O Controller
Memory
15
DMA方式
DMA方式的特点：
作为高速的外围设备与内存之间进行成批 的数据交换，但不对数据作加工处理。数 据传输的基本单位是数据块，I/O操作的类 型比较简单
选择一个新的进程在CPU上运行。 3. 当数据从相应的设备送到缓冲区后，由I/O控制器发
中断请求，CPU接到请求后，中断现运行进程，转中断 处理程序执行数据传输。 4. 在以后某个时刻，被中断进程由于获得了数据而继续 运行。
12
中断方式的特点
1. 由于I/O控制器的数据缓冲寄存器比较小，装满数据 后发生中断，因此一次数据传输中会造成多次中 断，消耗大量的CPU时间。
的工作状态 当数据准备好后，状态寄存器的状态置为完成状
态，发出“Done”信号，开始向内存传送数据
10
程序直接控制方式的特点
CPU和外部设备之间只能串行工作
CPU在一段时间只能与一台外部设备交换信息， 所以不能实现设备之间的并行工作
CPU的处理速度远远高于外部设备，所以 CPU的利用率大大降低。