操作系统教程 第4章 设备管理

磁盘驱动器
打印机
CPU
存储器
磁盘 控制器
打印机 控制器
其他 控制器
系统总线
从上图中可以看出，CPU和主存是直接连接到总 线上的。输入输出设备是通过设备控制器连接到总线 上。CPU并不直接与输入输出设备进行通信，而是与 设备控制器进行通信，并通过它去控制相应的设备。 因此，设备控制器是处理器和设备之间的接口。应根 据设备的类型，给设备配置与之相应的控制器，如磁 盘控制器、打印机控制器等。
2．按操作特性分 存储设备、输入输出设备
3．按设备共享属性分 独占设备、共享设备、虚拟设备
4．按信息交换单位分 字符设备、块设备
4.2 输入输出系统
4.2.1 输入输出系统的结构 对于不同规模的计算机系统，其输入输出系统的结构
也有差异。通常把输入输出系统的结构分成两大类：微机 输入输出系统和主机输入输出系统。 1．微机输入输出系统
操作系统教程
第 4 章 设备管理
4.1 设备管理概述 4.2 输入输出系统 4.3 设备分配与回收 4.4 设备处理 4.5 设备管理采用的技术
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4.1 设备管理概述
设备是指计算机系统中的外部设备，它包括外存、 输入设备和输出设备（I/O设备）。设备管理是操作系 统的主要功能之一，它是在多道程序设计环境下，研 究如何让多个用户作业同时使用输入输出设备，充分 发挥设备作用的问题。
输入输出系统的控制方式，又称I/O控制方式，是指 CPU何时、怎样去驱动外设，如何控制外设与主机之间的数 据传递。随着计算机技术的发展，输入输出控制方式也在不 断发展，先后出现了四种控制方式：程序直接控制方式、中 断控制方式、直接存储器存取控制方式和通道控制方式。
1．程序直接控制方式
程序直接控制方式也称为“忙—等待”方式，即在一 个设备的操作没有完成时，控制程序一直检测设备的状
编址设备，每一个地址对应一个设备。设备控制器一般分成 两大类：用于控制字符设备的控制器和用于控制块设备的控 制器。
在微型机和小型机中，设备控制器一般都是做成电路 板的形式，插入主板的总线插槽（也叫扩展槽）内。所以， 它们俗称为“卡”，例如：显示卡、磁盘控制卡、网卡、声 卡以及其他各种外设的适配卡。有些控制器可以处理两个、 四个或八个同类设备。
3．设备控制器的组成
由于设备控制器处于CPU与设备之间，它既要与CPU 通信，又要与设备通信，还应具有按照CPU发来的命令去控 制设备工作的功能。因此，现有的大多数控制器都是由以下 三部分组成的。 （1）CPU与设备控制器的接口 （2）设备控制器与设备的接口 （3）输入输出逻辑
4.2.3 输入输出通道
1．输入输出通道的概念 输入输出通道是独立于CPU的专门负责输入输出工作
的处理器。它控制设备与内存直接进行数据交换，中央处理 器可以做相应的计算操作，从而使系统获得CPU与外设的并 行处理能力。 2. 输入输出通道的分类 （1）字节多路通道 （2）数据选择通道 （3）数组多路通道
4.2.4 输入输出系统的控制方式
2．设备控制器的功能
（1）接收和识别命令。接收和识别由CPU发送来的各种命 令，并对这些命令进行译码。
（2）交换数据。实现CPU与控制器、控制器与设备之间的 数据交换。
（3）了解和报告设备状态。在控制器中应设立一个状态寄 存器用于记录设备的各种状态，以供CPU使用。
（4）识别地址。系统为每个设备配置一个地址，设备控制 器要能识别这些地址。
2. 设备分配与回收 根据用户提出的输入输出请求，为其分配所需要的设备 ，用户使用完后，回收分配的设备。
4.1.2 设备管理的主要功能
3.虚拟设备 把每次只允许一个进程使用的物理设备，改造为 能同时供多个进程共享的设备。
4.设备处理 实现CPU和设备控制器之间的通信。
4.1.3 设备的分类
1．按从属关系分 系统设备、用户设备
态，直到该操作完成，才能进行下一个操作。程序直接
控制方式的步骤为：
① 当用户需要输入数据时，由处理器向设备控制器发出 一条输入输出指令，启动设备进行输入。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地检 测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中的数据取出，送 入主存指定的存储单元，然后再启动设备去读取下一 个数据。
② 当用户进程需要向设备输出数据时，也必须同样发出 启动命令启动设备输出，并等待输出操作完成。
程序直接控制方式虽然控制简单，也不需要多少硬件支持 ，但是，程序直接控制方式明显地存在下述缺点： （l）CPU和外围设备只能串行工作。由于CPU处理速度大大高 于外围设备的数据传送和处理速度，所以，CPU的大量时间 都处于等待和空闲状态。这使得CPU的利用率大大降低； （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它硬 件所产生的错误。
4.1.1 设备管理的主要任务 设备管理的主要任务是完成用户提出的输入输出请
求，为用户分配输入输出设备，提高CPU与输入输出 设备的利用率，提高输入输出设备的速度，方便用户 使用输入输出设备。
4.1.2 设备管理的主要功能
1. 缓冲管理 管理好各种类型的缓冲区，协调各类设备的工作速度 ，提高系统的使用效率。
2．主机输入输出系统
当主机所配置的输入输出设备较多时，特别是配有较多
的高速外设时，采用总线型输入输出系统结构会加重CPU与 总线的负担。因此，在这样的输入输出系统中不宜采用单总
线结构，而是增加一级输入输出通道。
I/O通道1
控制器1
设备1 设备2
主机
控制器2
设备3
I/O通道2
控制器3
设备4 设备5
其中，输入输出系统共分为4级：最低级为输入输出设备 ，次低级为设备控制器，次高级为输入输出通道，最高级为 主机。一个通道可以控制一个设备控制器或多个设备控制器 ，而一个设备控制器也可以控制一个设备或多个设备。
引入通道的目的是建立独立的I/O操作，使得不仅数据传 输独立于CPU，数据的传输控制也尽量独立于CPU。引入通 道后，CPU只需向通道发送一条I/O指令，其他工作都由通 道完成，通道工作结束后才向CPU发一个中断信号。
4.2.2 设备控制器
1．设备控制器的概念 设备控制器是CPU与外围设备之间的接口，是一个可