操作系统概念 第九章：I、O设备管理
操作系统-设备管理
5.2 I/O控制方式
பைடு நூலகம்
I/O控制方式是随着计算机技术的发展而不断发展的。 在I/O控制方式的整个发展过程中，始终贯穿的宗旨是： 尽量减少主机对I/O控制的干预，把主机从反之的I/O控 制事物中解脱出来，以便更多地去完成数据处理任务。 早期采用程序控制I/O方式； 当在系统中引入中断机制后，便发展为中断驱动方式; 随着DMA控制器的出现，又使I/O方式在传输单位上发 生了变：即从以字节为单位的传输扩大到以数据块为 单位进行传输。从而改善了块设备的I/O性能； 通道的引入，又使对I/O操作的组织和数据的传送都能 独立进行而无需CPU干预。
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。 I/O缓冲和调度：目标是提高I/O访问效率（主要是 磁盘）。
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5.1
• I/O系统的结构
I/O系统
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A typical PC bus structure
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图5-1 设备与控制器间的接口
控制信号线：作为设备控制器向 I/O设备发送控制信号时的通路。 数据信号线：用于在设备和设备控制器之间传送数据信号。输入设备：外界 状态信号线：用于传送指示设备当前状态的信号。 该信号规定了设备将要执行的操作： 输入的信号经转换器转换后形成的数据，通常先送入缓冲器中，当数据量达 设备的当前状态有： 读操作（指由设备向控制器传送数据） 到一定的比特数后，再从缓冲器通过一组数据信号线传送给设备控制器。输 正在读（写） 写操作（从控制器接收数据） 出设备：将从设备控制器经过数据信号线传送来的一批数据先暂存于缓冲器 设备已读（写）完成，并准备好新的数据传送。 中，经转换器作适当转换后，再逐个字符地输出。
操作系统的设备管理
DC=0 ?
Y 请求中断
N
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4. 通道控制方式
与DMA方式相比，通道所需的CPU干预 更少，且可以做到一个通道控制多台设备， 进一步减轻了CPU的负担。
通道是一种专用的I/O处理机。 通道有自己的指令系统，若干条通道命令
连接成通道程序。
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CPU
主存储器
总线
字节多路通道 数组多路通道 选择通道
终端 控制器
磁盘控制器
磁盘控制器
打印机 控制器 读卡机 控制器
磁带控制器 软盘控制器
磁盘控制器
CPU、通道和I/O设备并行工作 19
通道的三种类型
1. 字节多路通道：以字节为单位传输信息，可以分 时地执行多个通道程序，一个通道程序对应一台 设备。主要用来连接大量慢速设备。
2. 选择通道：以成组方式工作，即每次传送一批数 据，故传送速度很高。在一段时间内只能执行一 个通道程序，只允许一台设备传输数据。可用于 连接高速设备，如固定头磁盘等。
3. 数组多路通道：结合了选择通道传送速度高和字 节多路通道能够分时的优点。先为一台设备执行 一条通道指令，自动转接，再为另一台设备执行 一条通道指令。可连接多台活动头磁盘机。
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工作过程： 1. CPU向I/O通道发出一条I/O指令，给出
所要执行的通道程序的首地址和要访问 的I/O设备。 2. 通道接到CPU发来的指令，通过执行通 道程序便可完成CPU指定的I/O任务。 3. 完成任务后，通道与设备一起发出中断 请求信号，请求CPU处理。
操作系统的设备管理
1
目标和功能
I/O管理是操作系统的主要功能之一，负责 管理所有I/O设备。计算机系统中存在着大 量的I/O设备，其性能和应用特点可能完全 不同，所以要建立一个通用的、一致的设 备访问接口，使用户和应用程序开发人员 能够方便地使用I/O设备，而无须关心每种 设备各自的特性。
计算机操作系统教程第九章外部设备管理
计算机操作系统教程第九章外部设备管理1.设备管理的目标和功能是什么?答：设备管理的目标是：选择和分配输入/输出设备以便进行数据传输操作；控制输入/输出设备和CPU(或内存)之间交换数据，为用户提供一个友好的透明接口，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，以使操作系统获得最佳效率。
设备管理的功能是：提供和进程管理系统的接口；进行设备分配；实现设备和设备、设备和CPU等之间的并行操作；进行缓冲区管理。
2.数据传送控制方式有哪几种?试比较它们各自的优缺点。
答：数据传送控制方式有程序直接控制方式、中断控制方式、DMA方式和通道方式4种。
程序直接控制方式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。
它的优点是控制简单，也不需要多少硬件支持。
它的缺点是CPU和外围设备只能串行工作；设备之间只能串行工作,无法发现和处理由于设备或其他硬件所产生的错误。
中断控制方式是利用向CPU发送中断的方式控制外围设备和CPU之间的数据传送。
它的优点是大大提高了CPU的利用率且能支持多道程序和设备的并行操作。
它的缺点是由于数据缓冲寄存器比较小，如果中断次数较多，仍然占用了大量CPU时间；在外围设备较多时，由于中断次数的急剧增加，可能造成CPU无法响应中断而出现中断丢失的现象；如果外围设备速度比较快，可能会出现CPU来不及从数据缓冲寄存器中取走数据而丢失数据的情况。
DMA方式是在外围设备和内存之间开辟直接的数据交换通路进行数据传送。
它的优点是除了在数据块传送开始时需要CPU的启动指令，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，不需要CPU的频繁干涉。
它的缺点是在外围设备越来越多的情况下，多个DMA控制器的同时使用，会引起内存地址的冲突并使得控制过程进一步复杂化。
通道方式是使用通道来控制内存或CPU和外围设备之间的数据传送。
通道是一个独立与CPU的专管输入/输出控制的机构，它控制设备与内存直接进行数据交换。
精选计算机软件基础之操作系统设备管理
缓冲的实现方式（a）硬件方式 一般是采用专用硬件缓冲器，如I/O控制器中的数据缓冲寄存器等。（b）软件方式 开辟出一个具有N个单元的专用缓冲区，以便临时存放I/O操作期间的数据。操作系统为每一个缓冲区建立一个数据结构，称为缓存控制块BCB（buffer control block）。操作系统通过BCB对每一个缓存实施具体的管理。常用的缓冲技术有三种：单/双缓冲、环形缓冲、缓冲池
Байду номын сангаас
3．SPOOLing 系统的组成1．输入井和输出井这是在磁盘上开辟的两大存储空间。输入井是模拟脱机输入时的磁盘，用于收容外部设备（I/O）输入的数据。输出井是模拟脱机输出时的磁盘，用于收容用户程序的输出数据。2．输入缓冲区和输出缓冲区在主存中要开辟两个缓冲区；暂时存放来自输入井或要进输出井的数据。
三、设备独立性的优点1.方便用户编程2.使用户程序运行不受具体的机器环境的限制。系统提供标准输入和输出，在用户程序中的输入输出都使用这两个标准的I/O，实际运行时，根据具体情况而定。如果配备打印机，则将输出信息送到打印机打印，如果没有配备打印机，就把输出重向到某个指定文件，把要打印的信息送到该文件中。3.便于程序移植
I/O控制 方式
一、循环测试I/O方式早期的设备控制方式采用。二、I/O中断方式 为了提高CPU和设备的利用率，就应使CPU与设备并行工作，采用I/O中断方式。采用这种方式要求控制寄存器中有一个中断位。
CPU通过I／O控制器与物理设备打交道，按I／O控制器智能化高低将I／O设备分类。
I/O控制功能
设计目标：1.方便性：为用户提供友好的使用环境2.设备独立性：用户的程序与设备要互相独立3.并行性：各设备充分并行工作，同时防止死锁产生4.有效性与均衡性：避免各设备忙闲不均分类：1、独享设备、共享设备、虚拟设备2、逻辑设备、物理设备
计算机操作系统--设备管理
计算机操作系统–设备管理1. 简介在计算机操作系统中，设备管理是指操作系统对计算机系统中各种设备资源的管理和分配。
这些设备资源包括输入输出设备、存储设备、通信设备等。
设备管理的目标是合理地调度和分配这些设备资源，以提高系统的可靠性、安全性和效率。
2. 设备管理的功能设备管理主要包括以下几个功能：2.1 设备的物理连接和安装操作系统需要对计算机系统中的各种设备进行物理连接和安装。
这包括将设备连接到计算机系统的总线上，并确保设备与系统的正确连接。
2.2 设备的逻辑连接和识别操作系统通过设备驱动程序来实现设备的逻辑连接和识别。
设备驱动程序是操作系统的一部分，它负责与设备通信，并将设备的功能映射到操作系统的接口上。
2.3 设备的分配和调度设备管理需要对设备资源进行合理的分配和调度。
操作系统根据进程对设备的需求，将设备资源分配给请求设备的进程，并合理安排设备的使用顺序，以提高系统的效率。
2.4 设备的状态管理设备管理需要对设备的状态进行管理。
操作系统需要监控设备的状态，例如设备是否可用、设备是否空闲等，并及时更新设备的状态信息。
2.5 设备的错误处理设备管理需要处理设备的错误和异常情况。
当设备发生错误或异常时，操作系统需要采取相应的措施，例如重启设备、重新分配设备资源等，以保证系统的正常运行。
3. 设备管理的实现方式设备管理可以通过多种方式来实现，在不同的操作系统中可能采用不同的方式。
以下是几种常见的设备管理方式：3.1 中断驱动型中断驱动型设备管理是一种常见的设备管理方式。
在这种方式下，设备在完成任务后会产生一个中断信号，通知操作系统完成相应的操作。
操作系统通过中断处理程序来处理设备的中断请求，并根据需要分配设备资源。
3.2 轮询型轮询型设备管理是一种简单的设备管理方式。
在这种方式下，操作系统轮询检查设备是否有任务需要完成。
如果设备有任务需要完成，操作系统将设备资源分配给请求设备的进程。
3.3 直接存取型直接存取型设备管理是一种高效的设备管理方式。
操作系统原理 第九章 设备管理
I/O设备 通道1 存储器 I/O设备 通道2 控制器2 I/O设备 控制器1 I/O设备
多通道I/O系统
二、IO控制方式 1 程序io方式 当用户进程需要输入数据时，由处理器 向设备控制器发出一条io指令启动io设备 进行输入，在设备输入数据期间，处理 器通过循环执行测试指令不间断的测试 设备状态寄存器的值，当状态寄存器的 值显示设备输入完成时，处理器将数据 寄存器的数据取出，送入内存制定单元， 在启动设备去读下一个数据。
1提高io设备的独立性以减少占用通道的时间2增加通路增加设备到主机之间的通路是解决瓶颈问题最有效的方法即可把一个设备连接到多个控制器上而一个控制器又被连接到多个通道上19io设备控制器1控制器2通道1通道2存储器io设备io设备io设备多通道io系统20二io控制方式程序io方式当用户进程需要输入数据时由处理器向设备控制器发出一条io指令启动io设备进行输入在设备输入数据期间处理器通过循环执行测试指令不间断的测试设备状态寄存器的值当状态寄存器的值显示设备输入完成时处理器将数据寄存器的数据取出送入内存制定单元在启动设备去读下一个数据
4）缓冲池 由多个大小相等的缓冲区组成，与环形 缓冲不同的是池中每个缓冲区可供多个 进程共享，且既能用于输入，也能用户 输出。
单通道I/O系统 “瓶颈”问题：目前要使用设备4，就必须用到通道1和控制 器2，但如果这个通道或者这个控制器已经给其他的设备占 用，则无法启动设备4。
“瓶颈”问题：由于通道的数量比较少， 因而在运行的过程中会产生瓶颈问题， 导致系统的吞吐量下降。
解决办法： 1、提高I／O设备的独立性，以减少占用通 道的时间 2、增加通路 增加设备到主机之间的通路， 是解决“瓶颈”问题最有效的方法，即 可把一个设备连接到多个控制器上，而 一个控制器又被连接到多个通道上
操作系统——设备管理
„
控制器N
图 5-3 字节多路通道的工作原理
设备管理
1.5.2通道类型
2）数组选择通道：按数组方式进行数据传送。只含有一个分 配型的子通道。即一段时间内该通道被分配给了某一设备， 只能执行一个通道程序，控制一台设备进行数据传送。该设 备独占通道直至传送完毕而释放。
主要连接磁盘，磁带等高速I/O设备。
设备管理
1.3.1设备类型
按设备的共享属性分类:
①独占设备：即临界资源
②共享设备：在一段时间内允许多个进程同时 访问；对某一时刻，仍是只允许一个进程访问。 如磁盘。常是可寻址的、可随机访问的。
③虚拟设备：经虚拟技术将一台独占设备变换 为若干台逻辑设备，共若干个用户（进程）同 时使用，把这种经过虚拟技术处理过的设备称 为虚拟设备。
控制器上可有多个设备接口。一个接口连接一台设备。 每个接口中都存在数据、控制、状态三种类型的信号。 控制其中的I/O逻辑根据CPU发来的地址信号选择一个 设备接口。
设备管理
1.4.3设备控制器组成
3）I/O逻辑。用于实现对设备的控制。它通过一组控 制线与处理机交互。
CPU利用该逻辑向控制器发I/O命令； I/O逻辑对接收到的命令进行译码；
内存中 取出
③与处理机的不同：
a) 指令类型单一，仅限于和I/O操作相关的指令；
b) 没有自己的内存，通道程序存放在主机的内存中，即与 CPU共享主存。
设备管理
1.5.2通道类型
1）字节多路通道：主通道含有多个非分配型的子通 道，每一子通道连接一台I/O设备（控制器）。 按时间片轮转（以字节为单位）方式共享主通道。
设备管理
1.1 I/O的特点
计算机系统中有用于实现信息输入、输出和存储的设备， 对其进行控制和管理的程序称设备管理程序。它是操作系 统中最繁杂且与硬件紧密相关的部分。
操作系统原理-第九章 设备管理习题(有答案)
第七章设备管理习题7.3习题7.3.1、选择最合适的答案1．在下面的I/O控制方式中，需要CPU干预最少的方式是（）。
（A）程序I/O方式（B）中断驱动I/O控制方式（C）直接存储器访问DMA控制方式（D）I/O通道控制方式2．某操作系统中，采用中断驱动I/O控制方式，设中断时，CPU用1ms来处理中断请求，其它时间CPU完全用来计算，若系统时钟中断频率为100H Z，则，CPU的利用率为（）。
（A）60% （B）70%（C）80% （D）90%3．下列哪一条不是磁盘设备的特点（）。
（A）传输速率较高，以数据块为传输单位（B）一段时间内只允许一个用户（进程）访问（C）I/O控制方式常采用DMA方式（D）可以寻址，随机地读/写任意数据块4．利用通道实现了（）之间数据的快速传输。
（A）CPU和外设（B）内存和CPU（C）内存和外设（D）外设和外设5．假脱机技术中，对打印机的操作实际上是用对磁盘存储实现的，用以替代打印机的部分是指（）。
（A）共享设备（B）独占设备（C）虚拟设备（D）物理设备6．设从磁盘将一块数据传送到缓冲区所用时间为80μs，将缓冲区中数据传送到用户区所用时间为40μs，CPU处理数据所用时间为30μs，则处理该数据，采用单缓冲传送某磁盘数据，系统所用总时间为（）。
（A）120μs （B）110μs（C）150μs （D）70μs7．对于速率为9.6KB/s的数据通信来说，如果说设置一个具有8位的缓冲寄存器，则CPU中断时间和响应时间大约分别为（）。
（A）0.8ms，0.8ms （B）8ms，1ms（C）0.8ms，0.1ms （D）0.1ms，0.1ms8．在调试程序时，可以先把所有输出送屏幕显示而不必正式输出到打印设备，其运用了（）。
（A）SPOOLing技术（B）I/O重定向（C）共享技术（D）缓冲技术9．设备驱动程序是系统提供的一种通道程序，它专门用于在请求I/O的进程与设备控制器之间传输信息。
操作系统的设备管理
操作系统的设备管理操作系统是计算机系统中的关键部分，负责协调和管理计算机的各种资源和任务。
其中，设备管理是操作系统的重要组成部分之一。
设备管理的主要任务是管理和控制计算机系统中的各种设备，确保它们能够有效地运行，并提供给用户可靠的服务。
一、设备管理的概述设备管理是指对计算机系统中的各种设备进行管理和控制，如处理器、内存、硬盘、打印机、键盘等。
它的主要目标是实现设备的高效利用、可靠性和安全性。
设备管理的基本原则包括资源共享、隔离性、可靠性和可扩展性。
资源共享指多个进程可以共享系统中的设备资源，提高资源利用率。
隔离性要求不同进程之间的操作互相隔离，防止互相干扰。
可靠性要求设备管理系统能够快速、准确地检测和处理设备故障，保证系统的稳定运行。
可扩展性要求设备管理系统能够方便地添加和删除设备，适应系统的发展和变化。
二、设备管理的功能设备管理具有多种功能，包括设备分配、设备驱动、设备调度、设备中断处理和设备监控等。
1. 设备分配设备分配是指将系统中的设备分配给各个进程使用。
操作系统需要根据进程的需求和设备的可用性进行动态分配，确保各个进程能够获得所需的设备资源。
设备分配可以基于优先级、时间片轮转、队列或其他调度算法进行。
2. 设备驱动设备驱动是指为不同的硬件设备编写相关的软件，使其能够与操作系统进行交互。
设备驱动程序通常包括设备初始化、设备控制和设备状态查询等功能，通过与设备控制器进行通信，实现对设备的控制和操作。
3. 设备调度设备调度是指根据设备的可用性和进程的需求，决定设备的使用顺序。
设备调度算法可以根据设备的特性和进程的要求进行选择，以提高设备的利用率和系统的响应速度。
4. 设备中断处理设备中断是指在设备完成任务、出错或需要操作系统进行控制时，向操作系统发送中断信号。
操作系统需要及时处理设备中断，包括中断的检测、中断服务程序的调用、中断处理和中断返回等步骤，确保设备的正常工作和系统的稳定运行。
5. 设备监控设备监控是指对设备的状态和性能进行监控和管理。
操作系统的设备管理了解操作系统如何管理计算机的硬件设备
操作系统的设备管理了解操作系统如何管理计算机的硬件设备操作系统的设备管理：了解操作系统如何管理计算机的硬件设备操作系统是计算机系统中的核心软件，其主要功能之一就是管理计算机的硬件设备。
设备管理是操作系统的重要组成部分，它负责对硬件设备的分配、控制和协调，确保各个设备能够高效地协同工作。
本文将介绍操作系统的设备管理原理和常见的设备管理技术。
一、设备管理的概述设备管理是操作系统的一个重要模块，它负责管理计算机系统中的各种硬件设备，包括输入设备、输出设备和存储设备等。
设备管理的主要目标是提高设备的利用率、减少设备冲突、提高系统的可靠性和可扩展性。
设备管理的核心任务包括设备分配、设备控制和设备协调。
设备分配是指根据用户的请求或者进程的需要，将设备分配给不同的用户或者进程使用。
设备控制是指对设备的操作和控制，包括设备驱动程序的加载、设备操作的调度和中断处理等。
设备协调是指多个设备之间的协同工作，确保它们能够按照既定的顺序和时序进行工作。
二、设备管理的基本原理设备管理的基本原理包括设备独占、设备共享和设备虚拟化。
1. 设备独占:设备独占是指在某一时间内，一个设备只能被一个用户或者一个进程独占使用。
这种方式适用于一些需要对设备进行原子操作的情况，确保设备的状态正确且一致。
然而，设备独占会导致设备利用率较低，因为在设备独占期间其他用户或者进程无法使用该设备。
2. 设备共享:设备共享是指一个设备可以同时被多个用户或者进程共享使用。
这种方式可以提高设备的利用率，减少设备冲突。
操作系统通过引入设备分配表、设备控制表等数据结构来记录和管理正在使用的设备，从而实现设备的共享使用。
3. 设备虚拟化:设备虚拟化是指通过软件技术将一个物理设备虚拟成多个逻辑设备，使得一个设备可以同时提供多个用户或者进程使用。
这种方式不仅提高了设备的利用率，还减少了设备的冲突。
设备虚拟化可以通过设备驱动程序的抽象层来实现，使得上层应用程序无需关注底层硬件的细节。
操作系统设备管理
操作系统设备管理操作系统的设备管理是指管理计算机系统中的硬件设备，包括处理器、内存、磁盘、网络设备和外部设备。
设备管理对于操作系统的性能和稳定性非常重要，它负责管理设备的分配、调度、保护以及故障处理。
设备管理的主要功能包括设备的初始化和配置、设备的状态监控、设备的分配和释放、设备的调度和控制、设备的故障处理和恢复等。
操作系统需要负责管理各种类型的设备，包括输入和输出设备、存储设备、通信设备等，以便用户和应用程序可以方便地使用这些设备进行数据的输入和输出。
在设备管理中，操作系统需要管理设备的资源，包括CPU的时间、内存的空间、磁盘的存储空间、网络带宽等，并根据需要对这些资源进行分配和调度。
操作系统还需要管理设备的状态，包括设备的工作状态、空闲状态、故障状态等，以及对设备的状态进行监控和控制。
设备管理还需要处理设备的故障和错误，包括设备的硬件故障和软件错误，以及对这些故障和错误进行检测、诊断和处理，以保证系统的可靠性和稳定性。
总之，设备管理是操作系统中非常重要的一部分，它对系统的性能和稳定性有着重要的影响，操作系统需要对设备进行有效的管理，以便用户和应用程序能够方便地使用各种设备进行数据的输入和输出。
设备管理是操作系统中至关重要的一部分，与进程管理和文件管理一样，它对于操作系统的性能和稳定性起着至关重要的作用。
在计算机系统中，硬件设备的数量和种类繁多，包括 CPU、内存、磁盘、网络设备、键盘、鼠标、打印机等，操作系统需要对这些设备进行有效的管理，以便用户和应用程序能够方便地使用这些设备进行数据的输入、输出和存储。
一方面，设备管理需要管理设备的资源，包括 CPU 的时间、内存的空间、磁盘的存储空间、网络带宽等。
操作系统需要对这些资源进行分配和调度，以保证各个设备能够有效地运行，满足用户和应用程序的需求。
同时，设备管理需要处理设备的状态，包括设备的工作状态、空闲状态、故障状态等，并对设备的状态进行监控和控制。
精选OSUNIT9设备管理
态，CPU的效率十分低下。 一种更为有效的方式是让设备处于某种主动地位，而将CPU从忙等待中解脱出来。在启动了某个外设后，立即阻塞现行进程，CPU就可被调度转去执行其他进程而不是在原地踏步等待。当某个数据I/O任务完成后，由设备控制器向CPU发出一个I/O中断，驱动CPU中止现行进程的执行而转去执行相应的中断处理程序，并唤醒等待该I/O的进程。 显然，这种I/O控制方式可以大大提高CPU的效率，因此是设备与CPU进行交互的基本手段。 3. DMA方式
一个传输数据的中介角色显然得不偿失。于是就设计出一种专门负责执行数据I/O事务的处理器——I/O处理器，它比CPU要简单得多，但也便宜很多，它只能执行少量的指令，主要是数据I/O指令。I/O处理器既可以构建在设备控制器里面（这样的控制器称为DMA控制器），也可以作为独立的实体挂在计算机主板上。最简单的I/O处理器在一个时间只能处理一个I/O，即不能并发，而复杂的I/O处理器可以同时处理多个I/O，即它能够提供多个I/O通道，每个通道可以对应一个I/O设备。有了I/O处理器，就可以将CPU从繁杂的I/O事务中解脱出来。 DMA（Direct Memory Access，直接内存访问）方式就是使用I/O处理器的I/O控制方式，主要是针对块
2. 功能分类法 如果从外设的功能上来分，只有两种：存储设备和通信设备。 (1)存储设备 即外存，外存的共同特点是都对存储区进行分块管理，也就是说，这些设备在逻辑上可以看成是有若干存储块组成的存储空间，所以传统上也被称作块设备。另外，为了进行大块数据的传输，通常需要在内存为它们创建比较大的数据缓冲区。 (2)通信设备 除了外存之外的那些外设通常都是通信设备，它们是计算机与外部环境进行交互的主要手段。这些设备的数据量往往不是很大，也不是很集中，因此这类设备在内存中不需要较大的缓冲区，或者就根本没有缓
操作系统设备管理
操作系统设备管理在我们日常使用电脑、手机等电子设备时，可能很少去深入思考背后的操作系统是如何管理各种设备的。
但实际上，操作系统的设备管理功能就像是一个默默工作的大管家，有条不紊地协调着各种硬件设备的运行，为我们提供了便捷、高效的使用体验。
那么，什么是操作系统的设备管理呢？简单来说，它是操作系统中负责对硬件设备进行有效管理和控制的部分。
这些硬件设备包括输入设备（如键盘、鼠标、扫描仪等）、输出设备（如显示器、打印机等）、存储设备（如硬盘、U盘等）以及其他各种外部设备。
设备管理的首要任务是要对设备进行识别和分配。
当我们将新的设备连接到计算机上时，操作系统需要能够迅速识别出这个设备，并为其分配相应的资源，比如内存空间、I/O 端口等。
这就好比在一个大办公室里，新来了一位员工，需要为他安排办公桌、电脑等办公资源一样。
为了实现设备的识别，操作系统通常会维护一个设备驱动程序库。
设备驱动程序就像是设备与操作系统之间的“翻译官”，它能够将操作系统的指令转化为设备能够理解的信号，同时也能将设备的状态和数据反馈给操作系统。
例如，当我们按下键盘上的一个键时，键盘的驱动程序会将这个按键动作转化为相应的代码，并传递给操作系统，操作系统再根据这个代码进行相应的处理。
在设备分配方面，操作系统需要考虑多个因素，以确保资源的合理利用和公平分配。
比如，当多个进程同时请求使用同一个设备时，操作系统需要制定一定的策略来决定哪个进程先获得使用权。
常见的分配策略有先来先服务、优先级高者优先等。
设备的控制也是设备管理的重要环节。
操作系统需要能够对设备的操作进行控制，包括启动、停止、读取、写入等。
这就要求操作系统与设备之间有一套完善的通信机制。
例如，当我们要从硬盘中读取一个文件时，操作系统会向硬盘发送读取指令，并等待硬盘完成读取操作后将数据返回。
除了对单个设备的管理，操作系统还需要对设备之间的协同工作进行协调。
比如，在打印文档时，操作系统需要先将文档数据发送到打印机的缓存中，然后控制打印机逐页打印，同时还要处理可能出现的打印错误等情况。
操作系统中的设备管理
操作系统中的设备管理概述：操作系统是计算机系统中最核心的部分，负责管理和控制计算机硬件资源的使用，并提供各种功能和服务。
设备管理是操作系统的重要组成部分之一，它涉及对计算机的外部设备的管理和控制。
本文将深入探讨操作系统中的设备管理。
设备的分类：计算机系统中的设备可以分为两大类：I/O设备和存储设备。
I/O设备用于输入和输出数据，如键盘、鼠标、显示器、打印机等；存储设备用于存储和读取数据，如硬盘、光盘等。
设备的控制方式：在操作系统中，设备的控制方式主要有两种：程序控制和中断控制。
程序控制是指通过编写程序来控制设备的操作，这种方式适用于对设备的控制需求较简单的情况；中断控制是指通过中断机制来控制设备的操作，当设备需要处理某些事件时，会触发中断请求，操作系统会相应地进行处理。
设备的分配和调度：设备管理涉及到设备的分配和调度。
设备分配是指操作系统如何将设备分配给不同的进程使用，以满足各个进程的设备需求；设备调度是指如何有效地调度设备的使用，以提高整个系统的性能。
常见的设备调度算法有先来先服务（FCFS）算法、最短作业优先（SJF）算法、最高优先级先服务（HPF）算法等。
设备的管理策略：为了提高设备的使用效率和系统的可靠性，操作系统通常采用一些管理策略来管理设备。
其中一种常见的策略是设备驱动程序的使用。
设备驱动程序是一种运行在操作系统内核中的软件，它与设备硬件进行交互，将应用程序的请求转换为对设备的实际操作。
此外，操作系统还可以通过设备控制块（DCB）来管理设备，DCB主要记录了设备的状态、设备的寄存器信息、设备的中断处理程序等。
设备的错误处理：在使用设备过程中，可能会出现各种错误。
操作系统需要具备一定的错误处理机制来应对这些错误。
常见的错误处理方式包括中断处理、异常处理、错误恢复等。
操作系统会根据设备的错误类型和严重程度进行相应的处理和恢复，以保证系统的稳定性和可靠性。
结论：设备管理是操作系统中至关重要的一部分，它涉及到对计算机各类设备的管理和控制。
操作系统-设备管理
I/O设备的类型 I/O设备的类型
按设备共享分类 独占设备：一段时间内，只允许一个进程访问的设备，即临界资源。 独占设备：一段时间内，只允许一个进程访问的设备，即临界资源。 独占设备包括所有的字符型设备和磁带机。 独占设备包括所有的字符型设备和磁带机。 共享设备：一段时间内，允许多个进程同时访问的设备， 共享设备：一段时间内，允许多个进程同时访问的设备，包括除磁带 机以外的所有块型设备，如磁盘。宏观上， 机以外的所有块型设备，如磁盘。宏观上，多个进程使用一个共享设 微观上，多个进程交替使用同一设备。 备，微观上，多个进程交替使用同一设备。 虚拟设备：通过虚拟技术将一台设备变换为若干台逻辑设备， 虚拟设备：通过虚拟技术将一台设备变换为若干台逻辑设备，供多个 进程同时使用。 虚拟光驱、虚拟网卡。 进程同时使用。如，虚拟光驱、虚拟网卡。 按照功能分类 外存设备 I/O设备 I/O设备
I/O设备控制器 I/O设备控制器
设备控制器的功能
接收和识别命令。 接收CPU 的命令和参数， CPU的命令和参数 接收和识别命令 。 接收 CPU 的命令和参数 ， 存放在控制器的 控制寄存器中，并对命令和地址译码。 控制寄存器中，并对命令和地址译码。 数据交换： 通过数据寄存器， 实现CPU 控制器、 控制器CPU数据交换 ： 通过数据寄存器 ， 实现 CPU- 控制器 、 控制器 - 设 备之间的数据交换。 备之间的数据交换。 设备状态的了解和报告：通过设置状态寄存器， 设备状态的了解和报告：通过设置状态寄存器，记录设备的 状态，CPU通过该信息对设备进行有效控制 通过该信息对设备进行有效控制。 状态，CPU通过该信息对设备进行有效控制。 地址识别： 地址识别：
I/O设备控制器 I/O设备控制器
设备控制器的组成
操作系统概念 第九章：I、O设备管理
„
A 1 B1 C1 „A 2 B2 C2 …
C1 C2 C3 „子通道 C
控制器N
字节多路通道的工作原理
27
I/O通道
2.数组选择通道： 字节多路通道不适于连接高速设备，推动了按数组方 式进行数据传送的数组选择通道的形成。 连接多个高速设备，仅一个分配型的通道，在一段时 间内只能执行一道通道程序，某时间由某设备独占。 在一个时段内通道被某设备独占，即使没有数据传送 也无法共享通道，利用率低。 3.数组多路通道： 将数组选择通道的高速和字节多路通道的分时并行结 合起来的一种新通道； 多子通道不是以时间片方式，而是“按需分配”，综 合了前面2种通道类型的优点。
均衡性（使设备充分忙碌）
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设备管理的目标、任务和功能
（4）保证在多道程序环境下，当多个进程竞争使 用设备时，按一定策略分配和管理各种设备，使 系统能有条不紊的工作
（5）保护
设备传送或管理的数据应该是安全的、不被破 坏的、保密的
（6）设备无关性（设备独立性） 用户在编制程序时，使用逻辑设备名，由系统实现 从逻辑设备到物理设备（实际设备）的转换。这样 ，用户能独立于具体物理设备而方便地使用设备
I/O通道
一、引入 通道 一种特殊的执行I/O指令的处理机，但指令 类型单一，硬件较简单，与CPU共享内存， 可以有自己的总线。 引入目的
解脱CPU对I/O的组织、管理。
CPU只需发送I/O命令给通道，通道通过调用内 存中的相应通道程序完成任务。
操作系统原理设备管理
网络通信板
其它
终端设备 脱机设备
通用终端 专用终端
虚终端
会话型 批处理型
智能终端
9.1.1 设备的类别（续）
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。
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。
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9.1.2 设备管理的功能和任务
* 设备管理的任务：
（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； （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；
DMA方式下，每台设备至少一个DMA控制器，
③磁盘设备的I/O采用DMA方式。
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9.1.1 设备的类别（续）
(2) 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
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程序直接控制方式
外围设备
CPU
接收到start命令
做接收或发送数据准备
否 准备完毕？ 是
标志触发器置“Done”
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第四节：磁盘存储器的管理
第一节：概述
与计算机相连的设备在许多方面都呈现出
不同。它们速度差异很大。在许多方面它 们总是计算机中最慢的部分。 设备管理可能是操作系统设计中最凌乱的 部分。 操作系统的关键目标之一就是向系统的其 他部分提供尽可能简单的接口。对于I/O， 最关键的问题是性能。
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（6）按访问属性
I/O设备类型
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I/O系统
I/O性能经常成为系统性能的瓶颈
CPU性能不等于系统性能
响应时间也是一个重要因素 弥补：更多的并发进程；但进程切换多，系统开销大
CPU性能越高，与I/O差距越大
与其他功能联系密切，特别是文件系统和磁盘存
储系统
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I/O设备管理系统结构图
均衡性（使设备充分忙碌）
6
设备管理的目标、任务和功能
（4）保证在多道程序环境下，当多个进程竞争使 用设备时，按一定策略分配和管理各种设备，使 系统能有条不紊的工作
（5）保护
设备传送或管理的数据应该是安全的、不被破 坏的、保密的
（6）设备无关性（设备独立性） 用户在编制程序时，使用逻辑设备名，由系统实现 从逻辑设备到物理设备（实际设备）的转换。这样 ，用户能独立于具体物理设备而方便地使用设备
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总线
总线：是一组线和一组严格定义的可以描述在线
上传输信息的协议。 总线性能是用时钟频率、带宽和相应的总线传输 速率来衡量。
多数PC的CPU和控制器之间的通信采用单总线模型
，CPU直接控制设备控制器进行I/O； 而大型主机则采用多总线结构和通道方式，以提 高CPU与输入输出的并行程度。
I/O通道
一、引入 通道 一种特殊的执行I/O指令的处理机，但指令 类型单一，硬件较简单，与CPU共享内存， 可以有自己的总线。 引入目的
解脱CPU对I/O的组织、管理。
CPU只需发送I/O命令给通道，通道通过调用内 存中的相应通道程序完成任务。
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I/O通道
二、类型
1.字节多路通道 各子通道以字节为单位以时间片轮转方式共享通道， 适用于低、中速设备。
地址线
设备
I/O逻辑 控制线
控制器 与设备 接口i
„
数据 状态 控制
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„
设备与控制器之间的通信
处理器与控制器打交道，而非设备本身。 CPU通过读写设备控制器的寄存器位组合
与设备控制器通信。
使用特殊I/O指令，向特定设备地址传输字 节或者字； 内存映射I/O，设备控制器寄存器映射到处 理器地址空间，处理器通过标准数据传输指 令完成对设备控制器的读写。
（3）按设备的共享属性分： 独占：一段时间内只允许一个用户（进程）访 问的设备。
临界资源，使用时有排它性，例如打印机
共享：一段时间内允许多个进程同时访问的设 备。例如磁盘。 虚拟：通过虚拟技术将一台独占设备变换为若 干台逻辑设备。提高设备的利用率
例：SPOOLing技术，通过共享设备来模拟独占型设 备的动作
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一个典型的PC总线结构
SCSI -Small Computer System SCSI设备控制器的智能化I/O控制 Interface， 小型计算机系统接口 降低了计算机系统的负担，使计算 机系统具有更高的I/O能力。
PCI – Peripheral Component Interface，外设组件互联 支持64位系统，它在CPU和外设 之间加了一层复杂的管理系统， 用于协调数据传输和提供一致的 接口。能适应高频率的CPU。
单通路I/O系统
多通路I/O系统 29
I/O控制方式
四个发展阶段： 程序I/O——中断I/O——DMA控制——通道控制 。 趋势：提高并行度。
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程序I/O
主机与控制器之间的交互过程 1. 主机不断地读取忙位，直到该位被清除 (这个过程称为
2.
3. 4. 5.
6.
轮询，亦称忙等待-busy waiting) 主机设置命令寄存器中的写位并向数据输出寄存器中写 入一个字节。 主机设置命令就绪位 当控制器注意到命令就绪位已被设置，则设置忙位。 控制器读取命令寄存器，并看到写入命令。它从数据输 出寄存器中读取一个字节，并向设备执行I/O操作。 控制器清除命令就绪位，清除状态寄存器的故障位以表 示设备I/O成功，清除忙位以表示完成。
7
设备管理的目标、任务和功能
设备管理的功能： 1.提供一组统一的且独立于设备的I/O命令，以 便用户进程能够在程序一级发出所需要的I/O请 求，这就是用户使用外部设备的“界面”； 2.进行设备的分配与回收； 3.对缓冲区管理； 4.实现真正的I/O操作； 5.处理外部设备的中断。
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I/O通道
三、通道“瓶颈”问题：
由于通道不足制约了I/O速度
解决：采用复联方式
设备1 控制器1 通道1 控制器2 存储器 控制器3 通道2 控制器4 设备2 设备3 设备4 设备5 设备6 设备7
I/O设备 通道1 存储器 I/O设备 通道2 控制器2 I/O设备 控制器1 I/O设备
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I/O设备类型
（4）按访问方式分
顺序：顺序设备按其故有的固定顺序来传输数据；例如
磁带 随机访问：随机访问设备的用户可以让设备寻找到任一 数据存储位置。例如磁盘
（5）按同步属性
同步：同步设备按一定响应时间来进行数据传输，例如磁
带
异步：而异步设备呈现的是无规则或不可预测的响应时 间。例如磁盘 读写、只读、只写：有的设备能读能写，例如磁盘，而其 他的只支持单向数据操作。例如光盘、显示器
I/O设备 至设备 控制器 数据信号线 状态信号线 控制逻辑 控制信号线 缓冲 转换器 信号 数据
三种信号：
（1）数据信号：双向，有缓存 （2）控制信号：控制器发给设备；要求其完成相关操作 （3）状态信号：设备发给控制器，控制器“显示”状态 信号（ready, busy, error „等等 ）；
（2）按信息交换单位分：
块设备——用于存储信息，信息的存取以数据 块为单位。
存取可寻址，属于有结构设备，如磁盘； 传输速率较高；常采用DMA方式
字符设备——用于数据的输入和输出，基本单 位是字符。
属于无结构设备，不可寻址，如打印机。 特征：传输速率较低；采用中断驱动方式。
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I/O设备类型
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设备控制器组成
各类寄存器：数据、命令及译码器、状态 信号线：数据线(独立寻址、内存寻址)、地址线
及地址译码器、控制线 I/O逻辑：在其控制下完成与CPU、设备的通信。
CPU与控制器接口 控制器与设备接口 数据 状态 控制
数据线
数据寄存器 控制/状态 寄存器
控制器 与设备 接口1
CPU
方便性 友好界面 透明性
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设备管理的目标、任务和功能
（3）充分利用各种技术（通道，中断，缓冲等）
提高CPU与设备、设备与设备之间的并行工作能力 ，充分利用资源，提高资源利用率 并行性
设备管理的设计应能使各设备的数据传输与CPU运 行能高度重叠，使各设备充分地并行工作。
由于输入输出操作往往成为计算机系统中的“瓶颈” 部分，因此设备管理设计应尽可能地使设备有效地工 作。
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微型计算机总线的种类和发展
USB - Universal 1394 - Bus，1394，(FireWire）火线 Serial IEEE …... 通用串行总线
SCSI总线
USB总线
1394总线
PCI总线 VESA总线
VESA – Video Electronic Standard EISA总线 Association， 视频电子标准协会 EISA – Extended ISA ，扩展ISA 32位，可达132Mb/s MCA总线 带宽32位，速率32Mb/s MCA – Micro Chanel Architecture， 微通道结构 ISA总线 ISA –Industry Standard Architecture 工业标准体系结构。原带宽8位， PC／XT总线 2Mb/s速率，后为16位，16Mb/s速率 25
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设备管理的目标、任务和功能
设备管理的目标：
提高外部设备的利用率； 为用户提供便利、统一的使用界面；
设备管理的任务：
（1）按照用户的请求，控制设备的各种操作，完成I/O 设备与内存之间的数据交换（包括设备分配与回收；设 备驱动程序；设备中断处理；缓冲区管理），最终完成 用户的I/O请求 （2）向用户提供使用外部设备的方便接口，使用户摆脱 繁琐的编程负担 -- 逻辑设备与物理设备、屏蔽硬件细 节（设备的物理细节，错误处理，不同I/O设备的差异性 ）
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设备控制器
设备控制器: I/O设备包括一个机械部件和一个电
子部件。机械部件则是设备本身，而电子部件称 为设备控制器或适配器。
在微机和小型机中，它通常是一块可插入主板扩
展槽的印刷电路板，也叫接口。它是CPU与I/O设 备之间的硬件接口，它接收从CPU发来的命令，并 去控制一个或多个设备。
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个人计算机中的设备I/O端口位置
控制器：用于操作端口、总线或设备的一组电子器件。
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设备控制器功能
（1）接收和识别命令：设备控制器应能接收和识别CPU发来
的命令，由于命令可能带有参数，所以控制器应设有寄存器 （当然必须要有命令译码器）。 （2）数据交换：控制器设有数据寄存器用于双向数据交换 。 （3）标识和报告设备状态：控制器设有状态寄存器，用于 记录设备状态，供CPU使用。 （4）地址识别：CPU通过“地址”与设备通信，设备控制器 应能识别它所控制的设备地址以及其各寄存器的地址。控制 器应配有地址译码器。 （5）数据缓冲：由于CPU和设备间速度不匹配，所以控制器 应具有缓冲功能。 （6）差错控制：对I/O设备送来的数据进行差错检测，并向 CPU报告。