计算机操作系统--设备管理
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27
7.3.3 软中断
定义：通讯进程之间相互发送信号来模拟硬 件中断。一个进程A向进程B发送一个软中断 信号后，当进程B占用处理机时，立即转去执 行该软中断信号所对应的程序。
有些系统中，将陷入划归到软中断处理。如 当前执行指令产生陷阱，则向当前执行进程 自身发出软中断信号，立即进入陷阱处理程 序。
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。
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
中断屏蔽：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，而允许其他中断仍然能够得 到响应。有些中断是不可屏蔽的，它们具有最高的 中断响应级别。
25
7.3.2 中断的分类与优先级
根据中断源产生的条件，可把中断分为内部中断和 外部中断：
内部中断：来自处理机和内存的中断。内中断也叫做陷阱 （trap）。包括程序运算引起的各种错误，例如：数据格 式错、非法指令等。
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
外部中断：除了内部中断之外，其他来自外部的中断都是 外中断。例如：I/O设备发出的I/O中断、外部信号中断等。
中断和陷入按轻重缓急分为不同的优先级。
CPU的PSW中也设有优先级。如果中断源的优先级高于 PSW则处理机响应该中断；反之，屏蔽请求。
中断源的优先级是固定的，处理机的优先级则根据 执行情况由系统程序动态设定。
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
为了减少中断次数。 例如：当计算进程把大量的数据输出到打印机上，
由于CPU的输出速度大大高于打印机的速度，因此， CPU只好停下来等待。而CPU计算时，打印机却空 闲。 两种缓冲方案：用硬件缓冲寄存器；内存缓冲区
32
7.4.2 缓冲的种类
单缓冲：在设备和处理机之间设置一个缓冲 器。单缓冲不能实现设备之间的并行操作。
28
7.3.4 中断处理过程
1.CPU检查是否有响应中断的条件：中断请 求、CPU允许中断。条件不满足则中断处理 程序不处理。
2.如果CPU响应中断，则先关中断，以保证 在中断处理过程中不被中断。
3.保存中断现场。 4.分析中断原因，调用中断处理子程序。如
果同时有多个中断，则响应级别最高的中断。
道来控制的。DMA中这些是由CPU控制的。 一个通道可以控制多台设备与内存进行数据
交换。DMA方式每台设备至少一个DMA控制 器。 一个通道可以以分时方式同时执行几个通道 指令。
22
7.3 中断技术
7.3.1 中断的基本思想 7.3.2 中断的分类与优先级 7.3.3 软中断 7.3.4 中断处理过程
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
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。对未分配到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
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。
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
双缓冲：两个缓冲器，以解决两个设备之间 的并行。但多个设备情况下仍然不可行。
多缓冲：多个缓冲区连接起来组成两部分， 一部分专门用于输入缓冲，另一部分专门用 于输出缓冲。
缓冲池：将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。
33
7.4.3 缓冲池的管理
缓冲池由多个缓冲区组成。每个缓冲区由两部分组 成：一是缓冲区的首部，包括设备号、数据块号、 缓冲区号、互斥标识位、连接指针；另一部分是存 放数据的为缓冲体。
请求。 中断响应：CPU收到中断请求后转相应的事件处理
程序称为中断响应。
24
中断的基本思想
禁止中断（关中断）：由于处理机状态字PSW的中 断允许位可能被清除，导致CPU不响应中断，直到 PSW的中断许可位被重新设置，即开中断。开中断 和关中断都是为保障程序执行的原子性。
中断请求、关中断、开中断都是由硬件实现的。
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I/O通道方式
通道控制方式的数据输入过程如下 当进程要求输入数据时，CPU发出驱动指令指明 I/O操作、设备号和相应的通道 对应通道接收到CPU发来的驱动指令后，把存放 在内存中的通道指令程序读出，并执行通道程序， 控制设备将数据传送到内存指定的区域 若数据传送结束，则向CPU发出中断请求。CPU收 到中断信号后转中断处理程序，唤醒等待输入完 成的进程，并返回被中断程序
26
中断和陷入的区别
陷阱通常由处理机正在执行的指令引起，而中断是 由与现行指令无关的中断引起的。
陷入处理程序提供的服务是为当前进程的，而中断 处理程序提供的服务则不是为当前进程的。
CPU在执行完一条指令后，下一条指令开始之前响 应中断，而中断执行过程中又可以响应陷阱。
有的系统将中断处理程序在系统上下文上运行，而 陷入在用户的上下文上运行。
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
2Biblioteka Baidu
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
通道指令在进程要求数据时由系统自动 生成。
Wirte 0 0 250 1850（ ） 写/通道指令未结束/记录未结束/250个单元/内存地址1850 Write 1 1 250 780 （ ） 写/通道指令结束/记录结束/250个单元/内存地址780
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通道方式的特点
设备与内存直接交换数据。 数据的传送方向、内存地址、长度等是由通
29
中断向量
不同的中断源有不同的中断处理子程序。这 些子程序的入口地址和不同的处理机状态字 一起构成中断向量。存放在内存的特定单元 中。
根据中断源系统查询中断向量表，然后转去 相应的处理子程序。
30
7.4 缓冲技术
缓冲的引入 缓冲的种类 缓冲池的管理
31
7.4.1 缓冲的引入
处理机的处理速度很高，为了使处理机的速度和外 部设备的速度匹配，一般在处理机和外部设备之间 加一个或多个缓冲区，达到设备之间和设备与处理 机之间的并行处理目的。
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。
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。
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。
23
7.3.1 中断的基本思想
定义：中断是指计算机在执行期间，系统内发生任 何非寻常的或预期的急需处理事件，使得CPU暂时 中断当前的进程而转去执行相应的事件处理程序， 待处理完成后又返回原来被中断处继续执行或调度 新的进程执行的过程。
中断源：引起发生中断的事件叫做中断源。 中断请求：中断源向CPU发送的中断信号叫做中断
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。
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
通道控制方式与DMA方式类似，也是 一种以内存为中心，实现设备与内存 直接交换数据的控制方式。与DMA方 式相比，DMA方式每次仅传输一个数 据块的数据，而通道却可以一次传输 若干个数据块的数据。
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
19
System Bus
Processor
Channel Processor
Memory
I/O Bus
I/O
I/O
I/O
I/O
Controller Controller Controller Controller
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通道指令
通道指令一般包括：内存地址（数据）、 传送方向、数据长度、I/O设备的地址信 息、特征信息。
7.3.3 软中断
定义：通讯进程之间相互发送信号来模拟硬 件中断。一个进程A向进程B发送一个软中断 信号后，当进程B占用处理机时，立即转去执 行该软中断信号所对应的程序。
有些系统中，将陷入划归到软中断处理。如 当前执行指令产生陷阱，则向当前执行进程 自身发出软中断信号，立即进入陷阱处理程 序。
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。
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
中断屏蔽：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，而允许其他中断仍然能够得 到响应。有些中断是不可屏蔽的，它们具有最高的 中断响应级别。
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7.3.2 中断的分类与优先级
根据中断源产生的条件，可把中断分为内部中断和 外部中断：
内部中断：来自处理机和内存的中断。内中断也叫做陷阱 （trap）。包括程序运算引起的各种错误，例如：数据格 式错、非法指令等。
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
外部中断：除了内部中断之外，其他来自外部的中断都是 外中断。例如：I/O设备发出的I/O中断、外部信号中断等。
中断和陷入按轻重缓急分为不同的优先级。
CPU的PSW中也设有优先级。如果中断源的优先级高于 PSW则处理机响应该中断；反之，屏蔽请求。
中断源的优先级是固定的，处理机的优先级则根据 执行情况由系统程序动态设定。
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
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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
为了减少中断次数。 例如：当计算进程把大量的数据输出到打印机上，
由于CPU的输出速度大大高于打印机的速度，因此， CPU只好停下来等待。而CPU计算时，打印机却空 闲。 两种缓冲方案：用硬件缓冲寄存器；内存缓冲区
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7.4.2 缓冲的种类
单缓冲：在设备和处理机之间设置一个缓冲 器。单缓冲不能实现设备之间的并行操作。
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7.3.4 中断处理过程
1.CPU检查是否有响应中断的条件：中断请 求、CPU允许中断。条件不满足则中断处理 程序不处理。
2.如果CPU响应中断，则先关中断，以保证 在中断处理过程中不被中断。
3.保存中断现场。 4.分析中断原因，调用中断处理子程序。如
果同时有多个中断，则响应级别最高的中断。
道来控制的。DMA中这些是由CPU控制的。 一个通道可以控制多台设备与内存进行数据
交换。DMA方式每台设备至少一个DMA控制 器。 一个通道可以以分时方式同时执行几个通道 指令。
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7.3 中断技术
7.3.1 中断的基本思想 7.3.2 中断的分类与优先级 7.3.3 软中断 7.3.4 中断处理过程
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
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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。对未分配到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
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。
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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。
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
双缓冲：两个缓冲器，以解决两个设备之间 的并行。但多个设备情况下仍然不可行。
多缓冲：多个缓冲区连接起来组成两部分， 一部分专门用于输入缓冲，另一部分专门用 于输出缓冲。
缓冲池：将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。
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7.4.3 缓冲池的管理
缓冲池由多个缓冲区组成。每个缓冲区由两部分组 成：一是缓冲区的首部，包括设备号、数据块号、 缓冲区号、互斥标识位、连接指针；另一部分是存 放数据的为缓冲体。
请求。 中断响应：CPU收到中断请求后转相应的事件处理
程序称为中断响应。
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中断的基本思想
禁止中断（关中断）：由于处理机状态字PSW的中 断允许位可能被清除，导致CPU不响应中断，直到 PSW的中断许可位被重新设置，即开中断。开中断 和关中断都是为保障程序执行的原子性。
中断请求、关中断、开中断都是由硬件实现的。
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I/O通道方式
通道控制方式的数据输入过程如下 当进程要求输入数据时，CPU发出驱动指令指明 I/O操作、设备号和相应的通道 对应通道接收到CPU发来的驱动指令后，把存放 在内存中的通道指令程序读出，并执行通道程序， 控制设备将数据传送到内存指定的区域 若数据传送结束，则向CPU发出中断请求。CPU收 到中断信号后转中断处理程序，唤醒等待输入完 成的进程，并返回被中断程序
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中断和陷入的区别
陷阱通常由处理机正在执行的指令引起，而中断是 由与现行指令无关的中断引起的。
陷入处理程序提供的服务是为当前进程的，而中断 处理程序提供的服务则不是为当前进程的。
CPU在执行完一条指令后，下一条指令开始之前响 应中断，而中断执行过程中又可以响应陷阱。
有的系统将中断处理程序在系统上下文上运行，而 陷入在用户的上下文上运行。
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
2Biblioteka Baidu
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
通道指令在进程要求数据时由系统自动 生成。
Wirte 0 0 250 1850（ ） 写/通道指令未结束/记录未结束/250个单元/内存地址1850 Write 1 1 250 780 （ ） 写/通道指令结束/记录结束/250个单元/内存地址780
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通道方式的特点
设备与内存直接交换数据。 数据的传送方向、内存地址、长度等是由通
29
中断向量
不同的中断源有不同的中断处理子程序。这 些子程序的入口地址和不同的处理机状态字 一起构成中断向量。存放在内存的特定单元 中。
根据中断源系统查询中断向量表，然后转去 相应的处理子程序。
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7.4 缓冲技术
缓冲的引入 缓冲的种类 缓冲池的管理
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7.4.1 缓冲的引入
处理机的处理速度很高，为了使处理机的速度和外 部设备的速度匹配，一般在处理机和外部设备之间 加一个或多个缓冲区，达到设备之间和设备与处理 机之间的并行处理目的。
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。
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。
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。
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7.3.1 中断的基本思想
定义：中断是指计算机在执行期间，系统内发生任 何非寻常的或预期的急需处理事件，使得CPU暂时 中断当前的进程而转去执行相应的事件处理程序， 待处理完成后又返回原来被中断处继续执行或调度 新的进程执行的过程。
中断源：引起发生中断的事件叫做中断源。 中断请求：中断源向CPU发送的中断信号叫做中断
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。
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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。
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
通道控制方式与DMA方式类似，也是 一种以内存为中心，实现设备与内存 直接交换数据的控制方式。与DMA方 式相比，DMA方式每次仅传输一个数 据块的数据，而通道却可以一次传输 若干个数据块的数据。
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
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System Bus
Processor
Channel Processor
Memory
I/O Bus
I/O
I/O
I/O
I/O
Controller Controller Controller Controller
20
通道指令
通道指令一般包括：内存地址（数据）、 传送方向、数据长度、I/O设备的地址信 息、特征信息。