操作系统原理7设备管理

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1、第7章外部设备管理7.0引言7.1I/O控制技术7.2缓冲技术7.3设备分配7.4设备控制7.5磁盘设备管理外设的特点：种类多差异大(控制和速度)外设管理目的包括：外设资源的控制外设资源的共享提高外设资源的利用率。7.0引言7.0.0I/O设备管理的重要性7.0.1外部设备类型和特征7.0.2外设管理的目的和功能7.0.3外设管理结构返回7.0.0I/O管理的重要性I/O设备就像计算机系统的五官和四肢I/O性能经常成为系统性能的瓶颈(1)CPU性能不等于系统性能响应时间也是一个重要因素(2)CPU性能越高，与I/O差距越大弥补：更多的进程(3)进程切换多，系统开销大3

2、.操作系统庞大复杂的原因之一是：资源多、杂，并发，均来自I/O4.理解I/O的工作过程与结构是理解操作系统的工作过程与结构的关键5.I/O技术很实用6.与其他功能联系密切，特别是文件系统7.0.1外部设备类型和特征人机交互设备：视频显示设备、键盘、鼠标、打印机与计算机或其他电子设备交互的设备：磁盘、磁带、传感器、控制器计算机间的通信设备：网卡、调制解调器返回1.按交互对象分类2.按交互方向分类输入（可读）：键盘、扫描仪输出（可写）：显示设备、打印机输入/输出（可读写）：磁盘、网卡3.按外设特性分类使用特征：存储、输入/输出、终端数据传输率：低速(如键盘)、中速(如打印

3、机)、高速(如网卡、磁盘)信息组织特征：单个字符或数据块字符设备(如打印机)：通常的输入输出型设备，以字符为单位存储、传输信息；不可寻址块设备(如磁盘)：以数据块为单位存储、传输信息。可寻址4.按资源分配角度分类独占设备在一段时间内只能有一个进程使用的设备，一般为低速I/O设备。如打印机，磁带等。共享设备在一段时间内可有多个进程共同使用的设备，多个进程以交叉的方式来使用设备，其资源利用率高。（如硬盘）虚设备在一类设备上模拟另一类设备，常用共享设备模拟独占设备，用高速设备模拟低速设备，被模拟的设备称为虚设备.（实例：SPOOLing技术，利用虚设备技术——用硬盘模拟输入

4、输出设备）5.从程序使用角度分逻辑设备:用户程序中使用的设备物理设备：实际完成I/O操作的设备7.0.2外设管理的目的和功能提高效率：提高I/O访问效率，匹配CPU和多种不同处理速度的外设方便使用：方便用户使用，对不同类型的设备统一使用方法，协调对设备的并发使用方便控制：方便OS内部对设备的控制：增加和删除设备，适应新的设备类型返回1.外设管理目的2.外设管理功能提供设备使用的用户接口：命令接口和编程接口设备分配和释放：使用设备前，需要分配设备和相应的通道、控制器。设备的访问和控制：包括并发访问和差错处理（虚拟设备）。I/O缓冲和调度：目标是提高I/O访问效率7.1I

5、/O控制技术(数据传送控制方式）返回外围设备与内存或CPU间常用的数据传送控制方式：程序直接控制方式中断控制方式DMA方式通道方式1.程序控制I/O(programmedI/O)I/O操作由程序（用户）发起，并等待操作完成。数据的每次读写通过CPU。等待发Start指令设备标志触发器为“Done”？CPU执行下一条指令开始数据传送否是外围设备接收到Start指令作接收或发送数据准备准备好？标志触发器置为“Done”等待CPU来的下一条指令是否特点缺点：在外设进行数据处理时，CPU只能等待。CPU与外设只能串行工作只适用于CPU执行速度较慢，且外围设备较少的系统2.中断

6、驱动方式I/O操作由程序发起，在操作完成时（如数据可读或已经写入）由外设向CPU发出中断，通知该程序。数据的每次读写通过CPU。优点：在外设进行数据处理时，CPU不必等待，可以继续其他程序。缺点：CPU每次处理的数据量少（I/O控制器的数据缓冲寄存器通常不超过几个字节），在一次数据传送过程中，发生中断次数较多，将耗费大量CPU时间，只适于数据传输率较低的设备。另外，多种设备并行发生中断，由于中断次数的急剧增加而造成CPU无法响应中断而出现数据丢失现象。如果外设速度也很快的话，则可能造成数据缓冲寄存器的数据由于CPU来不及取走而丢失。中断控制方式的处理过程接收到CPU发

7、来的Start指令缓冲寄存器满？设备控制器发中断信号是CPU调度程序调度其它进程收到中断信号了吗？中断处理被中断进程执行是否准备数据并将其置入缓冲寄存器否向设备发Start指令，置中断允许位为“1”其它进程执行3.直接存储访问方式(DMA,DirectMemoryAccess)在外设和内存之间开辟直接的数据通路。由程序设置DMA控制器中的若干寄存器值（如内存始址，传送字节数），然后发起I/O操作，而后者完成内存与外设的成批数据交换，在操作完成时由DMA控制器向CPU发出中断。优点：DMA控制器可用来代替CPU控制内存和设备之间进程成批的数据交换。CP