(2012简化--修改)计算机操作系统08

三种类型的通道

一个通道可以以分时方式同时执行 几个通道指令程序。按照信息交换 方式不同，一个系统中可设立三种 类型的通道，即字节多路通道、数 组多路通道和选择通道。由这三种 通道组成的数据传送控制结构如图 所示。
通道方式的数据传送结构
三种类型的通道


字节多路通道以字节为单位传送数据，它 主要用来连接大量的低速设备，如终端、 打印机等。 数组多路通道以块为单位传送数据，它具 有传送速率高和能分时操作不同的设备等 优点。数组多路通道主要用来连接中速块 设备，如磁带机等。
中断屏蔽

中断屏蔽是指在中断请求产生之后，系统 用软件方式有选择地封锁部分中断而允许 其余部分的中断仍能得到响应。
8.3.2 中断的分类与优先级

根据中断源产生的条件，可把中断分为 外中断和内中断。
外中断

外中断是指来自处理机和内存外部的 中断，包括I/O设备发出的I/O中断、 外部信号中断(例如用户键入ESC键)、 各种定时器引起的时钟中断以及调试 程序中设置的断点等引起的调试中断 等。外中断在狭义上一般被称为中断。




设备管理的主要任务之一是控制设备和内存或 CPU之间的数据传送。 选择和衡量控制方式有如下几条原则： (1) 数据传送速度足够高，能满足用户的需要但 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。
计算机操作系统 第八章 设备管理
本章主要内容：


8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7
引言 数据传送控制方式 中断技术 缓冲技术 设备分配 I/O进程控制 设备驱动程序
8.1 引言

在计算机系统中，除了CPU和内存之外，其 他的大部分硬设备称为外部设备。它包括常 用的输入输出设备、外存设备以及终端设备 等。
外围设备和内存之间的常用数据 传送控制方式
(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。

8.2.1 程序直接控制方式
定义: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与外围设备之间的信息传送。
双缓冲


解决两台外设之间的并行操作问题的办法是设置双 缓冲。有了两个缓冲器之后，CPU可把输出到打印 机的数据放入其中一个缓冲器(区)，让打印机慢慢打 印; 然后，它又可以从另一个为外设设置的缓冲器 (区)中读取所需要的输入数据。 现代计算机系统中一般使用多缓冲或缓冲池结构。
多缓冲



多缓冲是把多个缓冲区连接起来组成两部分， 一部分专门用于输入，另一部分专门用于输 出的缓冲结构。 缓冲池则是把多个缓冲区连接起来统一管理， 既可用于输入又可用于输出的缓冲结构。 显然，无论是多缓冲，还是缓冲池，由于缓 冲区是临界资源，在使用缓冲区时都有一个 申请、释放和互斥的问题。
8.1.1 设备的类别

按信息组织方式

字符设备:键盘终端、打印机等以字符为单位组织和处理 信息的设备。 块设备:磁盘、磁带等以字符块为单位组织和处理信息的 设备。 低速设备: 1 KB/s以下可以认为是低速设备，比如键盘、 鼠标。 中速设备: 1 KB/s～1 MB/s之间为中速设备,比如打印机、 扫描仪。 高速设备: 1 MB/s以上是高速设备。比如磁盘、光盘驱 动器。
缺点

如果外围设备的速度也非常高，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。DMA方式和通道方式 不会造成上述问题。
8.2.3 DMA方式


定义: DMA方式又称直接存取(Direct Memory Access)方式，是一种完全由 硬件执行I/O数据交换的工作方式。它 既考虑到中断的响应，同时又要节约中 断开销。 特点: DMA控制器代替CPU完全接管对 总线的控制，数据交换不经过CPU，直 接在内存和外围设备之间成批进行。
设备的类别

按设备的从属关系
系统设备：在操作系统生成时就已配置好 的各种标准设备。例如，键盘、打印机以 及文件存储设备等。 用户设备：在系统生成时没有配置，而由 用户自己安装配置后由操作系统统一管理 的设备。

设备分类的目的

对设备分类的目的在于简化设备管理程 序。对于同类设备来说，由于设备的硬 件特性十分相似，从而可以利用相同的 管理程序或只需做很少的修改即可。

1. 设备控制表DCT 设备控制表DCT反映设备的特性、设备和 I/O控制器的连接情况。包括设备标识、使 用状态和等待使用该设备的进程队列等。系 统中每个设备都必须有一张DCT，且在系统 生成时或在该设备和系统连接时创建，但表 中的内容则根据系统执行情况而被动态地修 改。
局限性

DMA方式对外围设备的管理和某些操作仍 由CPU控制。多个DMA控制器的同时使用 会使得控制过程进一步复杂化。同时,多个 DMA控制器的同时使用也是不经济的。
8.2.4 通道控制方式

定义：通道是一个独立于CPU的专 管输入输出控制的处理机，它控制 设备与内存直接进行数据交换。它 有自己的通道指令，这些通道指令 受CPU启动，并在操作结束时向 CPU发中断信号。
这种方式的控制者是用户进程。
特点:控制简单，不需要多少硬件支持。
缺点


(1) CPU和外围设备只能串行工作。 (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) 无法发现和处理由于设备或其他硬件 所产生的错误。
8.2.2 中断方式


定义:中断(Interrupt)方式被用来控制 外围设备与内存或者CPU之间的数据传 送,以减少程序直接控制方式中CPU等待 时间以及提高系统的并行工作能力的数 据输入控制方式。 特点: CPU的利用率高且能支持多道程 序和设备的并行操作。
8.5 设 备 分 配

由于设备、控制器和通道资源的有限性，不 是每一个进程随时随地都能得到这些资源。 进程必须首先向设备管理程序提出资源申请， 然后，由设备分配程序根据相应的分配算法 为进程分配资源。如果申请进程得不到它所 申请的资源时，将被放入资源等待队列中等 待，直到所需要的资源被释放。
8.5.1 设备分配用数据结构
通道控制方式与DMA方式相同点

都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。
通道控制方式与DMA方式不同点


在DMA方式中，数据的传送方向、存放数 据的内存始址以及传送的数据块长度等都 由CPU控制，而在通道方式中，这些都由 专管输入输出的硬件——通道来进行控制。 与DMA方式时每台设备至少一个DMA控 制器相比，通道控制方式可以做到一个通 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的工作负 担和增加了计算机系统的并行工作程度。
缺点


由于在I/O控制器的数据缓冲寄存器装满 数据之后将会发生中断，而且数据缓冲寄 存通常较小，因此，在一次数据传送过程 中，发生中断次数较多。这将耗去大量的 CPU处理时间。 现代计算机系统通常配置有各种各样的外 围设备。如果这些设备通过中断处理方式 进行并行操作，则由于中断次数的急剧增 加而造成CPU无法响应中断和出现数据丢 失现象。
8.1.2 设备管理的功能和任务



设备管理的主要任务是： (1) 选择和分配输入输出设备以进行数据传 输操作； (2) 控制输入输出设备和CPU（或内存）之 间交换数据； (3) 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，以使操 作系统获得最佳效率。
设备管理的主要任务
不同优先级


为了按中断源的轻重缓急处理响应中断，操作系统 对不同的中断赋予不同的优先级。为了禁止中断或 屏蔽中断，CPU的处理机状态字PSW中也设置有相 应的优先级。如果中断源的优先级高于PSW的优先 级，则CPU响应该中断源的中断请求，反之，CPU 屏蔽该中断源的中断请求。 各中断源的优先级在系统设计时给定，在系统运行 时是固定的。而处理机的优先级则根据执行情况由 系统程序动态设定。

按照设备的数据传输速率


按使用特性对外部设备的分类
设备的类别

按照设备的共享属性



独占设备:一段时间内只允许一个用户（进程） 访问的设备。 共享设备:一段时间内可以允许多个用户（进 程）访问的设备，比如磁盘，它可以同时被多 个进程访问。 虚拟设备:通过虚拟技术将一台独占设备当作 多个设备共享，例如SPOOLing系统中打印机的 应用。
内中断

内中断主要指在处理机和内存内部产生 的中断。内中断一般称为陷阱(trap)。 它包括程序运算引起的各种错误，如地 址非法、校验错、页面失效、存取访问 控制错、算术操作溢出、数据格式非法、 除数为零、非法指令、用户程序执行特 权指令，分时系统中的时间片中断以及 从用户态到核心态的切换等都是陷阱的 例子。
引入缓冲技术的理由


为了匹配外设与CPU之间的处理速度； 为了减少中断次数和CPU的中断处理时 间； 提高cpu和外围设备的并发性。
8.4.2 缓冲的种类


根据系统设置缓冲器的个数，可把缓冲技术分 为单缓冲、双缓冲和多缓冲以及缓冲池几种。 单缓冲是在设备和处理机之间设置一个缓冲器。 设备和处理机交换数据时，先把被交换数据写 入缓冲器，然后，需要数据的设备或处理机从 缓冲器取走数据。由于缓冲器属于临界资源， 即不允许多个进程同时对一个缓冲器操作，因 此，设备和设备之间不能通过单缓冲达到并行 操作。