操作系统原理(设备管理)
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2009-4-7 28
DMA方式的特点
优点：
大大提高了CPU利用率
不会造成大量外设并发操作时CPU来不及处理或外设与
CPU速度不匹配带来的数据丢失问题。
局限性：
DMA方式对外设的管理和某些操作仍由CPU控制。
多个DMA控制器的同时使用会引起内存地址的冲突并使
控制过程进一步复杂化。 多个DMA控制器同时使用不够经济。
2009-4-7 20
中断控制方式的处理过程
外围设备 接收到start命令 准备数据并将其 置入缓冲寄存器 否
CPU
向外设发start命令 将中断允许位置1 调度其他进程 其他进程执行 否 收到中断信号了吗？ 是 中断处理 被中断进程执行 （b）
缓冲寄存器满吗？
是
控制器发中断信号
（a）
中断控制方式的特点
2009-4-7
22
9.2.3 DMA方式
DMA方式又称直接存储器存取（direct memory access）方式。 基本思想：在内存和外设之间开辟直接的数据交 换通路。 DMA控制器中除了控制状态寄存器和数据缓冲寄 存器外，还包括传送字节计数器、内存地址寄存 器等。 DMA方式挪用CPU的一个工作周期把数据从缓 冲寄存器中直接送到内存地址寄存器中所指向的 内存区域中。
2009-4-7
13
9.2.1 程序直接控制方式
过程描述：
当用户进程需要数据时，它通过CPU发出启动外设准
备数据的命令“start”，然后，用户进程进入测试等 待状态。 在等待时间内，CPU不断地用一条测试指令检查描述 外围设备工作状态的控制状态寄存器，而外围设备只 有将数据传送的准备工作做好后，才将该寄存器置为 完成状态。 当CPU检测到控制状态寄存器的“Done”信号之后， 设备开始往内存或CPU传送数据。
操作系统ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ理
张德海
E-mail:dhzhang@ynu.edu.cn 2009年4月7日
2009-4-7 1
第九章 设备管理
9.1 引言 9.2 数据传送控制方式 9.3 中断技术 9.4 缓冲技术 9.5 设备分配 9.6 I/O进程控制 9.7 设备驱动程序
2009-4-7 2
9.1 引言
计算机外部设备 在计算机系统中除 CPU 和内存储器外所有的设 备和装置称为计算机外部设备（外围设备、 I/O 设备）。 早期设备：速度慢，应用面窄，如纸带、卡片等。 现代设备：种类繁多、特性各异、操作复杂。如： 硬盘、打印机、扫描仪、数码相机等。
2009-4-7
17
9.2.2 中断方式
为了减少直接控制方式中CPU等待时间以及 提高系统的并行工作程度，中断（interrupt） 方式被用来控制外围设备和内存与CPU之间 的数据传送。 这种方式要求CPU与设备（或控制器）之间 有相应的中断请求线，而且在设备控制器的控 制状态寄存器中有相应的中断允许位。
15
程序直接控制方式
外围设备 接收到start命令 做接收或发送数据准备 否 是 标志触发器 为Done？ 否 等待 执行下条指令 开始数据传送 （b） CPU 发start命令
准备完毕？ 是
标志触发器置“Done” 等待CPU来的下条指令 （a）
程序直接控制方式的特点
优点：实现简单，硬件支持少。 缺点：
2009-4-7 8
9.1.2 设备管理的功能和任务
（1）选择和分配输入输出设备以便进行数据传输操作； （2）控制输入输出设备和CPU（或内存）之间交换数据；
设备管理的任务：
（3）为用户提供一个友好的透明接口，把用户和设备硬
件特性分开，使用户在编应用程序时不必涉及到具体设备， 系统按用户要求控制设备工作。另外这个接口还为新增加 的用户设备提供一个和系统核心相连接的入口，以便用户 开发新的设备管理程序； （4）提高设备和设备之间、CPU和设备之间，以及进程 和进程之间的并行操作度，使操作系统获得最佳效率。
2009-4-7
29
9.2.4 通道控制方式
通道控制方式与DMA方式相类似，也是一种以内 存为中心，实现设备和内存直接交换数据的控制 方式。 与DMA方式的不同点：
在DMA方式中，数据的传送方向、存放数据的内存始
址及传送数据块的长度均由CPU控制，而在通道方式 中，这些都由通道来控制。 DMA方式下，每台设备至少一个DMA控制器，而通道 方式下，一个通道控制多台设备与内存进行数据交换， 从而通道方式进一步减轻了CPU的压力，提高了计算 机系统操作的并行度。
优点：
CPU在进程上下文中执行时，也可以启动不同的设备
启动指令和允许中断指令，从而做到设备与设备之间 和设备与CPU之间的并行操作，提高了CPU的利用率。
缺点：
1. 由于在I/O控制器的数据缓冲寄存器装满后将会发生
中断，而且数据缓冲寄存器通常较小，在一次数据传 送过程中可能发生多次中断。 2. 当较多外围设备并行操作时，由于中断次数急剧增 加而造成CPU无法响应中断和出现数据丢失现象。 3. 当外围设备的速度非常高时，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。
2009-4-7
3
9.1.1 设备的类别
按交互对象分类： 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
2009-4-7
4
9.1.1 设备的类别（续）
按使用特性分类：
存储设备 输入输出设备 终端设备 脱机设备
2009-4-7 11
9.2 数据传送控制方式
外围设备和内存之间常用的数据传送控制 方式有以下4种：
（1）程序直接控制方式 （2）中断控制方式 （3）DMA方式 （4）通道方式
2009-4-7
12
9.2.1 程序直接控制方式
程序直接控制方式（programmed direct control）就是由用户进程来直接控制内存 或CPU和外围设备之间的数据传送。 控制者：用户进程
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DMA存取方式的结 构
I/O设备： 数据
CPU
DMA控制器
内存
中断位 启动位 控制状态寄存器 数据缓冲寄存器 传送字节数计数器 内存地址寄存器
DMA方式下的数据输入过程
（1）当进程要求设备输入数据时，CPU把准备存放输入 数据的内存始址以及要传送的字节数分别送入DMA控制 器中的内存地址寄存器和传送字节计数器；另外，还把控 制状态寄存器中的中断允许位和启动位置1；从而启动设 备开始进行数据输入。 （2）发出数据要求的进程进入等待状态，进程调度程序 调度其他进程占据CPU； （3）输入设备不断地挪用CPU工作周期，将数据缓冲寄 存器中的数据源源不断地写入内存，直到所要求的字节全 部传送完毕。 （4）DMA控制器在传送字节数完成时通过中断请求线发 出中断信号，CPU在接收到中断信号后转中断处理程序进 行善后处理。 （5）中断处理结束时，CPU返回被中断进程处执行或被 调度到新的进程上下文环境中执行。
按从属关系分类：系统设备和用户设备 系统设备：在操作系统生成时就已配置好 的设备，如键盘、打印机及磁盘等 用户设备：由用户自己安装配置后由操作 系统统一管理的设备，如网络板、调制解 调器、图像设备等。
2009-4-7
7
9.1.1 设备的类别（续）
按信息交换的单位分类： 块设备（Block Device）：指以数据块为单位来组织和传 送数据信息的设备。这类设备用于存储信息，有磁盘和磁 带等。它属于有结构设备。典型的块设备是磁盘，每个盘 块的大小为512B～4KB，磁盘设备的基本特征是：①传 输速率较高，通常每秒钟为几兆位；②它是可寻址的，即 可随机地读/写任意一块；③磁盘设备的I/O采用DMA方 式。 字符设备（Character Device）：指以单个字符为单位来 传送数据信息的设备。这类设备一般用于数据的输入和输 出，有交互式终端、打印机等。它属于无结构设备。字符 设备的基本特征是：①传输速率较低；②不可寻址，即不 能指定输入时的源地址或输出时的目标地址；③字符设备 的I／O常采用中断驱动方式。
（1）CPU与外设只能串行工作。CPU利用率低。 （2）CPU在一段时间内只能和一台外围设备交换数据
信息，从而不能实现设备之间的并行工作。 （3）由于程序直接控制方式依靠测试设备标志触发器 的状态位来控制数据传送，因此无法发现和处理由于 设备或其他硬件所产生的错误。 程序直接控制方式只适用于那些CPU执行速度慢，而 且外设较少的系统。
否 传送字节数=0吗？ 是
发中断信号，停止I/O操作 （a）
是
转中断处理 （b）
DMA方式与中断控制方式的主 要区别
中断方式是在数据缓冲寄存器满之后发中 断要求CPU进行中断处理，而DMA方式则 是在所要求传送的数据块全部传送结束时 要求CPU进行中断处理。 中断方式的数据传送是在中断处理时由 CPU控制完成，而DMA方式是在DMA控制 器的控制下不经过CPU控制完成的。
2009-4-7
5
按使用特性分类
存储设备
磁带 磁盘
软盘
外部设备
硬盘 其它（磁鼓、光盘等） 键盘 打印机 显示器 图形输入/输出设备 图像输入/输出设备 输入/输出设备 绘图机 声音输入/输出设备 网络通信板 其它 会话型 通用终端 终端设备 批处理型 专用终端 智能终端 脱机设备 虚终端
9.1.1 设备的类别（续）
2009-4-7 18
中 断 控 制 方 式 的 传 送 结 构
int 数据线 I/O控制器 地址线 1 控制线
I/O设备1：
CPU
Start
I/O设备n： 启动位
I/O控制器 n
内存
中断位
控制状态寄存器 数据缓冲寄存器
9.2.2 中断方式—数据输入步骤
（1）首先，进程需要数据时，通过CPU发出“Start” 指令启动外围设备准备数据。该指令同时还将控制状态寄 存器中的中断允许位打开，以便在需要时，中断程序可以 被调用执行。 （2）在进程发出指令启动设备之后，该进程放弃处理机， 待输入完成。从而进程调度程序调度其他就绪进程占据处 理机。 （3）当输入完成时，I/O控制器通过中断请求线向CPU 发出中断信号。CPU在接收到中断信号后，转向预先设 计好的中断处理程序对数据传送进行相应的处理。 （4）在以后的某个时刻，进程调度程序选中提出请求并 得到了数据的进程，该进程从约定的内存特定单元中取出 数据继续工作。
2009-4-7 14
9.2.1 程序直接控制方式
过程描述（续）：
当用户进程需要输出数据时，也需要发送外设
启动命令并等待设备准备完成才能传送数据。 在CPU与外设之间有一个数据缓冲寄存器，每 次数据输入/输出时，先把所要输入（输出）的 数据放入缓冲寄存器中，然后再取走。
2009-4-7
2009-4-7 23
9.2.3 DMA方式
DMA控制器可用来代替CPU控制内存和设 备之间进行成批的数据交换。批量数据的 传送由计数器计数，并由内存地址寄存器 确定内存地址。 除了在数据传送开始时需要CPU启动指令 和在整个数据块传送结束时需要发中断通 知CPU进行中断处理之外，不再需要CPU 频繁干涉。
2009-4-7 10
9.2 数据传送控制方式
控制设备和内存（或CPU）之间的数据传 送是设备管理的主要任务之一。 选择和衡量数据传送控制方式的原则：
（1）数据传送速度足够高，能满足用户需要
但又不丢失数据； （2）系统开销小，所需的处理控制程序少； （3）能充分发挥硬件资源的能力，使得I/O设 备尽量忙，而CPU等待时间少。
外围设备
DMA方式的数据传送过程
CPU 向外设发start命令 内存地址→内存始址寄存器 传送字节数→字节计数器 将中断允许位与启动位置1
接收到start命令 启动设备准备数据 数据入缓冲寄存器 缓冲寄存器内容入内存 改变字节计数器与 地址寄存器的内容
当前进程等待，调度其他进程 其他进程执行
否 收到中断信号了吗？
9.1.2 设备管理的功能和任务
设备管理的功能：
（1）提供设备和管理系统的接口。 （2）进行设备分配。按设备类型和相应分配
算法把设备其他有关的硬件分配给请求该设备 的进程，并把未分配到所请求调和或其他有关 硬件的进程放入等待队列； （3）实现设备和设备、设备和CPU等之间的 并行操作。 （4）进行缓冲区管理。
DMA方式的特点
优点：
大大提高了CPU利用率
不会造成大量外设并发操作时CPU来不及处理或外设与
CPU速度不匹配带来的数据丢失问题。
局限性：
DMA方式对外设的管理和某些操作仍由CPU控制。
多个DMA控制器的同时使用会引起内存地址的冲突并使
控制过程进一步复杂化。 多个DMA控制器同时使用不够经济。
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中断控制方式的处理过程
外围设备 接收到start命令 准备数据并将其 置入缓冲寄存器 否
CPU
向外设发start命令 将中断允许位置1 调度其他进程 其他进程执行 否 收到中断信号了吗？ 是 中断处理 被中断进程执行 （b）
缓冲寄存器满吗？
是
控制器发中断信号
（a）
中断控制方式的特点
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9.2.3 DMA方式
DMA方式又称直接存储器存取（direct memory access）方式。 基本思想：在内存和外设之间开辟直接的数据交 换通路。 DMA控制器中除了控制状态寄存器和数据缓冲寄 存器外，还包括传送字节计数器、内存地址寄存 器等。 DMA方式挪用CPU的一个工作周期把数据从缓 冲寄存器中直接送到内存地址寄存器中所指向的 内存区域中。
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9.2.1 程序直接控制方式
过程描述：
当用户进程需要数据时，它通过CPU发出启动外设准
备数据的命令“start”，然后，用户进程进入测试等 待状态。 在等待时间内，CPU不断地用一条测试指令检查描述 外围设备工作状态的控制状态寄存器，而外围设备只 有将数据传送的准备工作做好后，才将该寄存器置为 完成状态。 当CPU检测到控制状态寄存器的“Done”信号之后， 设备开始往内存或CPU传送数据。
操作系统ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ理
张德海
E-mail:dhzhang@ynu.edu.cn 2009年4月7日
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第九章 设备管理
9.1 引言 9.2 数据传送控制方式 9.3 中断技术 9.4 缓冲技术 9.5 设备分配 9.6 I/O进程控制 9.7 设备驱动程序
2009-4-7 2
9.1 引言
计算机外部设备 在计算机系统中除 CPU 和内存储器外所有的设 备和装置称为计算机外部设备（外围设备、 I/O 设备）。 早期设备：速度慢，应用面窄，如纸带、卡片等。 现代设备：种类繁多、特性各异、操作复杂。如： 硬盘、打印机、扫描仪、数码相机等。
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9.2.2 中断方式
为了减少直接控制方式中CPU等待时间以及 提高系统的并行工作程度，中断（interrupt） 方式被用来控制外围设备和内存与CPU之间 的数据传送。 这种方式要求CPU与设备（或控制器）之间 有相应的中断请求线，而且在设备控制器的控 制状态寄存器中有相应的中断允许位。
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程序直接控制方式
外围设备 接收到start命令 做接收或发送数据准备 否 是 标志触发器 为Done？ 否 等待 执行下条指令 开始数据传送 （b） CPU 发start命令
准备完毕？ 是
标志触发器置“Done” 等待CPU来的下条指令 （a）
程序直接控制方式的特点
优点：实现简单，硬件支持少。 缺点：
2009-4-7 8
9.1.2 设备管理的功能和任务
（1）选择和分配输入输出设备以便进行数据传输操作； （2）控制输入输出设备和CPU（或内存）之间交换数据；
设备管理的任务：
（3）为用户提供一个友好的透明接口，把用户和设备硬
件特性分开，使用户在编应用程序时不必涉及到具体设备， 系统按用户要求控制设备工作。另外这个接口还为新增加 的用户设备提供一个和系统核心相连接的入口，以便用户 开发新的设备管理程序； （4）提高设备和设备之间、CPU和设备之间，以及进程 和进程之间的并行操作度，使操作系统获得最佳效率。
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9.2.4 通道控制方式
通道控制方式与DMA方式相类似，也是一种以内 存为中心，实现设备和内存直接交换数据的控制 方式。 与DMA方式的不同点：
在DMA方式中，数据的传送方向、存放数据的内存始
址及传送数据块的长度均由CPU控制，而在通道方式 中，这些都由通道来控制。 DMA方式下，每台设备至少一个DMA控制器，而通道 方式下，一个通道控制多台设备与内存进行数据交换， 从而通道方式进一步减轻了CPU的压力，提高了计算 机系统操作的并行度。
优点：
CPU在进程上下文中执行时，也可以启动不同的设备
启动指令和允许中断指令，从而做到设备与设备之间 和设备与CPU之间的并行操作，提高了CPU的利用率。
缺点：
1. 由于在I/O控制器的数据缓冲寄存器装满后将会发生
中断，而且数据缓冲寄存器通常较小，在一次数据传 送过程中可能发生多次中断。 2. 当较多外围设备并行操作时，由于中断次数急剧增 加而造成CPU无法响应中断和出现数据丢失现象。 3. 当外围设备的速度非常高时，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。
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9.1.1 设备的类别
按交互对象分类： 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
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9.1.1 设备的类别（续）
按使用特性分类：
存储设备 输入输出设备 终端设备 脱机设备
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9.2 数据传送控制方式
外围设备和内存之间常用的数据传送控制 方式有以下4种：
（1）程序直接控制方式 （2）中断控制方式 （3）DMA方式 （4）通道方式
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9.2.1 程序直接控制方式
程序直接控制方式（programmed direct control）就是由用户进程来直接控制内存 或CPU和外围设备之间的数据传送。 控制者：用户进程
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DMA存取方式的结 构
I/O设备： 数据
CPU
DMA控制器
内存
中断位 启动位 控制状态寄存器 数据缓冲寄存器 传送字节数计数器 内存地址寄存器
DMA方式下的数据输入过程
（1）当进程要求设备输入数据时，CPU把准备存放输入 数据的内存始址以及要传送的字节数分别送入DMA控制 器中的内存地址寄存器和传送字节计数器；另外，还把控 制状态寄存器中的中断允许位和启动位置1；从而启动设 备开始进行数据输入。 （2）发出数据要求的进程进入等待状态，进程调度程序 调度其他进程占据CPU； （3）输入设备不断地挪用CPU工作周期，将数据缓冲寄 存器中的数据源源不断地写入内存，直到所要求的字节全 部传送完毕。 （4）DMA控制器在传送字节数完成时通过中断请求线发 出中断信号，CPU在接收到中断信号后转中断处理程序进 行善后处理。 （5）中断处理结束时，CPU返回被中断进程处执行或被 调度到新的进程上下文环境中执行。
按从属关系分类：系统设备和用户设备 系统设备：在操作系统生成时就已配置好 的设备，如键盘、打印机及磁盘等 用户设备：由用户自己安装配置后由操作 系统统一管理的设备，如网络板、调制解 调器、图像设备等。
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9.1.1 设备的类别（续）
按信息交换的单位分类： 块设备（Block Device）：指以数据块为单位来组织和传 送数据信息的设备。这类设备用于存储信息，有磁盘和磁 带等。它属于有结构设备。典型的块设备是磁盘，每个盘 块的大小为512B～4KB，磁盘设备的基本特征是：①传 输速率较高，通常每秒钟为几兆位；②它是可寻址的，即 可随机地读/写任意一块；③磁盘设备的I/O采用DMA方 式。 字符设备（Character Device）：指以单个字符为单位来 传送数据信息的设备。这类设备一般用于数据的输入和输 出，有交互式终端、打印机等。它属于无结构设备。字符 设备的基本特征是：①传输速率较低；②不可寻址，即不 能指定输入时的源地址或输出时的目标地址；③字符设备 的I／O常采用中断驱动方式。
（1）CPU与外设只能串行工作。CPU利用率低。 （2）CPU在一段时间内只能和一台外围设备交换数据
信息，从而不能实现设备之间的并行工作。 （3）由于程序直接控制方式依靠测试设备标志触发器 的状态位来控制数据传送，因此无法发现和处理由于 设备或其他硬件所产生的错误。 程序直接控制方式只适用于那些CPU执行速度慢，而 且外设较少的系统。
否 传送字节数=0吗？ 是
发中断信号，停止I/O操作 （a）
是
转中断处理 （b）
DMA方式与中断控制方式的主 要区别
中断方式是在数据缓冲寄存器满之后发中 断要求CPU进行中断处理，而DMA方式则 是在所要求传送的数据块全部传送结束时 要求CPU进行中断处理。 中断方式的数据传送是在中断处理时由 CPU控制完成，而DMA方式是在DMA控制 器的控制下不经过CPU控制完成的。
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按使用特性分类
存储设备
磁带 磁盘
软盘
外部设备
硬盘 其它（磁鼓、光盘等） 键盘 打印机 显示器 图形输入/输出设备 图像输入/输出设备 输入/输出设备 绘图机 声音输入/输出设备 网络通信板 其它 会话型 通用终端 终端设备 批处理型 专用终端 智能终端 脱机设备 虚终端
9.1.1 设备的类别（续）
2009-4-7 18
中 断 控 制 方 式 的 传 送 结 构
int 数据线 I/O控制器 地址线 1 控制线
I/O设备1：
CPU
Start
I/O设备n： 启动位
I/O控制器 n
内存
中断位
控制状态寄存器 数据缓冲寄存器
9.2.2 中断方式—数据输入步骤
（1）首先，进程需要数据时，通过CPU发出“Start” 指令启动外围设备准备数据。该指令同时还将控制状态寄 存器中的中断允许位打开，以便在需要时，中断程序可以 被调用执行。 （2）在进程发出指令启动设备之后，该进程放弃处理机， 待输入完成。从而进程调度程序调度其他就绪进程占据处 理机。 （3）当输入完成时，I/O控制器通过中断请求线向CPU 发出中断信号。CPU在接收到中断信号后，转向预先设 计好的中断处理程序对数据传送进行相应的处理。 （4）在以后的某个时刻，进程调度程序选中提出请求并 得到了数据的进程，该进程从约定的内存特定单元中取出 数据继续工作。
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9.2.1 程序直接控制方式
过程描述（续）：
当用户进程需要输出数据时，也需要发送外设
启动命令并等待设备准备完成才能传送数据。 在CPU与外设之间有一个数据缓冲寄存器，每 次数据输入/输出时，先把所要输入（输出）的 数据放入缓冲寄存器中，然后再取走。
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2009-4-7 23
9.2.3 DMA方式
DMA控制器可用来代替CPU控制内存和设 备之间进行成批的数据交换。批量数据的 传送由计数器计数，并由内存地址寄存器 确定内存地址。 除了在数据传送开始时需要CPU启动指令 和在整个数据块传送结束时需要发中断通 知CPU进行中断处理之外，不再需要CPU 频繁干涉。
2009-4-7 10
9.2 数据传送控制方式
控制设备和内存（或CPU）之间的数据传 送是设备管理的主要任务之一。 选择和衡量数据传送控制方式的原则：
（1）数据传送速度足够高，能满足用户需要
但又不丢失数据； （2）系统开销小，所需的处理控制程序少； （3）能充分发挥硬件资源的能力，使得I/O设 备尽量忙，而CPU等待时间少。
外围设备
DMA方式的数据传送过程
CPU 向外设发start命令 内存地址→内存始址寄存器 传送字节数→字节计数器 将中断允许位与启动位置1
接收到start命令 启动设备准备数据 数据入缓冲寄存器 缓冲寄存器内容入内存 改变字节计数器与 地址寄存器的内容
当前进程等待，调度其他进程 其他进程执行
否 收到中断信号了吗？
9.1.2 设备管理的功能和任务
设备管理的功能：
（1）提供设备和管理系统的接口。 （2）进行设备分配。按设备类型和相应分配
算法把设备其他有关的硬件分配给请求该设备 的进程，并把未分配到所请求调和或其他有关 硬件的进程放入等待队列； （3）实现设备和设备、设备和CPU等之间的 并行操作。 （4）进行缓冲区管理。