操作系统原理及应用（Linux） 王红 第6章 设备管理

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1、第6章设备管理本章学习目标I/O设备是计算机系统的一个重要组成部分。随着计算机技术的发展以及计算机应用的推广，I/O设备日趋多样化、复杂化和智能化。由于I/O设备种类种类繁多，它们的特性和操作方式差别很大，这使得设备管理成为操作系统中最繁杂且与硬件关系最密切的部分。通过本章学习，读者应该掌握以下内容：数据传输方式中断技术缓冲技术设备分配技术设备独立性设备驱动第六章设备管理1教学内容6.1I/O系统组成6.2数据传输控制方式6.3中断技术6.4缓冲技术6.5设备分配6.6SPOOLING系统6.7I/O控制过程6.8磁盘I/O6.9LINUX系统的设备管理本章小结6.1I/O系统

2、组成I/O系统是计算机系统中完成数据输入、输出的子系统。它包括输入/输出设备、相应于各设备的设备控制器，在大、中型计算机中，还配置了I/O通道。第六章设备管理36.1.1I/O设备从不同的角度，可以对设备进行不同的分类。1.按使用特性分类（1）存储设备（2）输入/输出设备2.按传输速率分类（1）低速设备（2）中速设备（3）高速设备3.按信息传输单位分类（1）块设备（2）字符设备4.按资源分配方式分类（1）独占设备（2）共享设备（3）虚拟设备第六章设备管理46.1.2设备控制器设备控制器是CPU和I/O设备之间的接口，它接收从CPU发来的命令，并去控制I/O设备工作，并向CPU发

3、送中断信号。1.设备控制器的功能（1）接收并识别来自CPU的命令（2）数据传输（3）记录设备的状态（4）识别设备地址和寄存器地址（5）差错控制第六章设备管理52.设备控制器的组成第六章设备管理6寄存器数据寄存器CPU与控制器接口数据线地址线控制线I/O逻辑控制器与设备接口1控制器与设备接口i数据状态控制数据状态控制控制器与设备接口…控制/状态寄存器6.1.3I/O通道I/O通道是一种专门负责I/O操作的小型处理机，它接受CPU的命令，独立地管理I/O操作过程，实现内存和设备之间的成批数据传输。通道相当于一个协处理器，类似于以前的微机中配置的数学协处理器。通道有自己的一套简单的指

4、令系统，可以构成通道程序，通过独立执行通道程序来完成CPU交付的I/O操作。第六章设备管理76.2数据传输控制方式6.2.1程序直接控制方式由程序直接控制内存与I/O设备之间的数据传输，又称为“忙等”方式或循环测试方式。详细而言，即当要在内存和I/O设备之间进行信息传输时，由CPU向相应的设备控制器发出命令，由设备控制器控制I/O设备进行实际操作。在I/O设备工作时，CPU执行一段循环测试程序，不断测试I/O设备的完成状况——“忙等”，以决定是否继续传输下一个数据。若设备未完成此次数据传输，则继续测试，若设备完成了此次数据传输，则进行下一次数据传输或继续执行程序。第六章设备管理

5、86.2.2中断控制方式当要在主机和I/O设备之间进行信息传输时，由CPU向相应的设备控制器发出命令，由设备控制器控制I/O设备进行实际操作，每次的数据传输单位是设备控制器的数据缓冲寄存器的容量。在I/O设备工作时，相应进程放弃处理机，处于等待状态，由操作系统调度其它就绪进程占用CPU。I/O操作完成时，由设备控制器向CPU发出中断信号，通知CPU本次I/O操作完成，然后由CPU执行一个中断处理程序，对此情况做出相应反应。中断处理过程一般是这样的：首先保护现场；然后将等待I/O操作完成的进程唤醒，使其进入就绪状态；然后转进程调度。第六章设备管理96.2.3DMA方式引入原因：减

6、少中断次数，提高CPU利用率。减少中断次数，有两种方法：（1）增大数据缓冲寄存器的容量。（2）另外配置一个数据传输控制器件，进行成批数据传输。DMA方式的数据传输单位是数据块，仅在数据块传输结束时才向CPU发出中断信号，从而减少了中断次数。第六章设备管理106.2.4通道控制方式为了提高计算机系统的运行效率，就要使CPU摆脱繁忙的I/O事务，而配置专门处理I/O事务的机构——通道。通道是一个专门进行I/O操作的处理机，它接受主机的命令，独立地执行通道程序，对外部设备的I/O操作进行控制，在内存和外设之间直接进行数据传送。当主机交付的I/O任务完成后，通道向中央处理机发出中断信号

7、，请求CPU处理。第六章设备管理116.3中断技术6.3.1中断的概念所谓中断，是指处理机在执行进程的过程中,由于某些事件的出现,中止当前进程的运行,转而去处理出现的事件,待处理完毕后返回原来被中断处继续执行或调度其他进程执行。第六章设备管理126.3.2中断源引起中断的事件称为中断源。计算机中的中断源种类有很多，大致可分为：1.强迫性中断源（1）硬件故障如电源故障、主存储器故障，等等。（2）程序性错误由执行机器指令引起的错误，如除数为零、操作数溢出、非法指令、目态下使用特权指令、地址越界等