操作系统-第七章 外围设备管理

2、外部设备类型和特征
（6）按资源分配角度分类 ① 独占设备 在一段时间内只能有一个进程使用的设备。 如打印机，磁带等。
2、外部设备类型和特征
（6）按资源分配角度分类
② 共享设备 在一段时间内可有多个进程共同使用的设备。 如硬盘。
③ 虚设备 独占设备的虚拟共享（SPOOLING)
3 外设管理的目的和功能
7.2.3 直接存储访问方式 ( DMA)
2、特征
CPU只需干预I/O操作的开始和结束，而其中的一批 数据读写无需CPU控制，适于高速设备。
7.2.3 直接存储访问方式 ( DMA)
3、I/O控制器结构
Data Lines
Address Lines DMA Request
DMA Acknowledge Interrupt Read Write
行操作
多选题 1分
设备管理的功能包括__________。
A 设备的分配和回收 B 外围设备的启动及对磁盘的驱动调度 C 进程调度 D 外部设备中断处理 E 虚拟设备的实现
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5、 外部管理结构
User Process
Logical I/O
Communications Architecture
Device I/O Scheduling & Control(Device Driver)
5、 外部管理结构
（3）调度和控制：直接面对硬件设备的控制细节，体现 为设备驱动程序。
① 并发I/O访问调度； ② 设备控制和状态维护； ③ 中断处理。
7.2 数据传送控制方式
是本章重点内容之一 设备管理重要任务：控制外部设备和内存或CPU之间
的数据传送
7.2 数据传送控制方式
外围设备与内存间常用的数据传送控制方式： 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
（2） 设备管理功能
① 提供设备使用的用户接口：命令接口和编程接口 ② 设备分配和释放 ③ 设备的访问和控制 ④ I/O缓冲和调度
源自文库 3 、外设管理的目的和功能
（3）设备管理的任务
① 选择和分配输入输出设备 ② 控制输入输出设备和CPU之间数据交换 ③ 为用户提供一个友好的用户接口，使得用户在使用和
编程时不需要了解硬件特性 ④ 完成设备和设备、CPU和设备、进程和进程之间的并
（1）DMA和CPU共享主存储器和总线，会出现I/O处理器和 CPU同时争相访问主存的情况； （2）I/O处理器和CPU规定了不同的优先顺序；通常CPU被 规定为最低优先级；
7.2.3 直接存储访问方式 ( DMA)
7、窃取总线控制权
（3）系统总线的使用是在CPU控制之下的，当I/O处理器要求 使用总线时，向CPU发出请求总线的信号，CPU就把总线使用 权暂时转让给I/O处理器。
7.2.3 直接存储访问方式
9、DMA方式与中断方式的主要区别
（3）大大减少了CPU进行中断处理的次数； （4）中断方式的数据传送是由CPU控制完成的； （5）DMA方式则是在DMA控制器的控制下不经过CPU控制 完成的，因此避免了因速度不匹配而造成数据丢失的现象。 （DMA硬件比较复杂）。
7.2.3 直接存储访问方式
7.2.3 直接存储访问方式 ( DMA)
8、DMA执行的时机
指令周期 处理器周期 处理器周期 处理器周期 处理器周期 处理器周期 处理器周期
取指令 指令解码 取操作数 执行指令 保存结果 进程中断
DMA断点
中断点
7.2.3 直接存储访问方式 ( DMA)
9、DMA方式与中断方式的主要区别
（1）中断方式是在数据缓冲寄存器满后，发中断请求， CPU进行中断处理; （2） 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，中间只是暂停一个CPU周期。
① 被读取块磁盘地址 ② 目标存储地址 ③ 待读取字节数 ④ 整块数据读进缓冲区 ⑤ 核准校验
11、DMA工作示例（硬盘为例）
（2）控制器工作原理
① 控制器按照指定存储器地址，把第一个字节送入主存； ② 按指定字节数进行数据传送； ③ 每当传送一个字节后，字节计数器值减1，直到字节计
数器等于0； ④ 此时，控制器引发中断，通知操作系统进一步处理。
7.2 数据传送控制方式
评价数据传送控制方式的原则
① 数据传输速度足够高，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
7.2.1 程序直接控制方式
概念：I/O操作由程序发起，并等待操作完成。数据的每次读 写通过CPU。
第七章 设备管理
1. 引言 2. 数据传输控制方式 （重点） 3. 中断技术 （重点） 4. 缓冲技术 （重点） 5. 设备分配 6. I/O进程控制 7. 设备驱动程序
7.1 引言
1. I/O设备管理的重要性 2. 外部设备类型和特征 3. 设备管理的目的和功能 4. 外设管理结构
1、I/O管理的重要性
外设与CPU有良好的通信。
7.2.2 中断驱动方式
2、中断控制方式的传送结构
7.2.2 中断驱动方式
3 、中断驱动方式处理过程
7.2.2 中断驱动方式
4、中断方式特点
（1）优点 在外设准备数据时，CPU不必等待，可以继续执行该程序或
其他程序。 （2）缺点
CPU每次处理的数据量少，只适于数据传输率较低的设备。
Data Count Data Register
Address Register
Control Logic
7.2.3 直接存储访问方式 ( DMA)
4、DMA方式的传送结构
5、DMA方式的数据传送处理过程
单选题 1分
系统将数据从磁盘读到内存的过程包括以下操作: 1) DMA控制器发出中断请求 2) 初始化DMA控制器并启动磁盘 3) 从磁盘传输一块数据到内存缓冲区 4) 执行“DMA结束”中断服务程序 正确的执行顺序是 ( )。
（1）外设管理目的
① 提高效率：提高I/O访问效率，匹配CPU和多种不同 处理速度的外设；
② 方便使用：方便用户使用； ③ 方便控制：方便OS内部对设备的控制。
多选题 1分
从设备分配的角度来看,设备分成( )。
A 独享设备 B 系统设备 C 用户设备 D 共享设备 E 虚拟设备
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3 外设管理的目的和功能
(1) I/O设备就像计算机系统的五官和四肢 (2) I/O性能成为系统性能的瓶颈
① CPU性能不等于系统性能 ② CPU性能越高，与I/O差距越大
2、外部设备类型和特征
外部设备类型
（1）按交互对象分类 ① 人机交互设备：显示器、键盘、鼠标 ② 与计算机或其他电子设备交互的设备：磁盘 ③ 计算机间的通信设备：网卡
2、外部设备类型和特征
（2）按交互方向分类 ① 输入（可读）：键盘、扫描仪 ② 输出（可写）：显示设备、打印机 ③ 输入/输出（可读写）：磁盘、网卡
2、外部设备类型和特征
（3）按外设特性分类
按数据传输率： ① 低速(如键盘) ② 中速(如打印机) ③ 高速(如网卡、磁盘)
2、外部设备类型和特征
7.2.3 直接存储访问方式 ( DMA) 6、DMA工作原理
③ 输入设备不断窃取CPU工作周期，数据不断写入内存； ④ 传送完毕，发出中断信号； ⑤ CPU接到中断信号转入中断处理程序处理； ⑥ 中断处理结束，CPU返回原进程或切换到新的进程。
7.2.3 直接存储访问方式 ( DMA)
7、窃取总线控制权
10、DMA特点
（1）优点：CPU只需干预I/O操作的开始和结束，而其中 的一批数据读写无需CPU控制，适于高速设备。 （2）缺点：对外围设备的管理和操作仍由CPU控制；多个 DMA控制器的同时使用会引起内存地址的冲突。
11、DMA工作示例（硬盘为例）
11、DMA工作示例（硬盘为例）
（1）CPU工作原理
A 3 12 4
B 2314
C 213 4
D 124 3
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7.2.3 直接存储访问方式 ( DMA)
6、DMA工作原理
① CPU存放交互数据的内存起始地址、要传送的字节数送入 DMA控制器的内存地址寄存器和传送字节计数器，中断允 许位和启动位置成1，启动设备；
② 发出传输要求的进程进入等待状态，执行指令被暂时挂起， 进程调度其他进程占据CPU；
执行一个通道程序可以完成多批I/O操作。
多选题 1分
下列属于“通道”特征的是 __________。
A 负责数据输入输出工作 B 可以与CPU并行工作 C 比CPU工作速度快 D 一个通道可连接多个控制器 E 是一种软件
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单选题 1分
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
（3）按外设特性分类
信息组织特征 ① 字符设备(如打印机)：通常的输入输出型设备 ② 块设备(如磁盘)：以数据块为单位存储、传输信息。
2、外部设备类型和特征 （4）按使用特性对外部设备的分类
2、外部设备类型和特征
（5）从程序使用角度分类 ① 逻辑设备: 用户程序中使用的设备 ② 物理设备：实际完成I/O操作的设备
7.2.4 通道控制方式
1. 通道（I/O处理机）定义 专门用于输入输出的设备，有低速率的CPU，能
够执行输入输出指令。
7.2.4 通道控制方式
2、特点
（1）配有专用处理机：可执行输入输出程序的、只负责外部 设备与内存直接交换数据的； （2）负责外部设备与内存之间的数据传送的一切工作； （3）CPU只命令I/O处理机执行主存中的I/O程序。当整个 I/O程序执行完成后，CPU被中断。
1、程序控制I/O处理过程
7.2.1 程序直接控制方式
2、程序直接控制方式缺点
① 在外设进行数据处理准备工作时，CPU只能等待； ② CPU与外设只能串行工作（外设在准备数据时间段）； ③ 只适用于CPU执行速度较慢，且外围设备较少的系统。
7.2.2 中断驱动方式
1、概念
I/O操作由程序发起，在外设的数据准备工作完成时（如数 据可读或已经写入），由外设向CPU发出中断，通知该程序。 数据的每次读写通过CPU。
单选题 1分
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 100HZ,则,CPU的利用率为( )。
A 60% B 70% C 80% D 90%
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7.2.3 直接存储访问方式 ( DMA)
1、概念
由程序设置DMA控制器中的若干寄存器值（如内存始址、传送 字节数），然后开始I/O操作，进行内存与外设的成批数据交换， 在操作完成时由DMA控制器向CPU发出中断。
7.2.4 通道控制方式
3、通道指令
（3）格式 组成内容：操作码（读、写或控制）、通道指令结束标志、 记录结束标志、计数段（数据块长度）、内存地址段。 通道指令实例 write 0 0 250 1850； write 1 1 250 720；
7.2.4 通道控制方式
4. 引入通道的目的与优点
（1）目的 为了使CPU从I/O事务中解脱出来，同时为了提高CPU与设 备，设备与设备之间的并行工作能力。 （2）优点
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5、通道方式的数据传送结构
7.2.4 通道控制方式
6、DMA和通道数据传输方式区别
（1）DMA：数据的传输方向、存放数据的内存地址和传送的 数据块长度由CPU控制； （2）通道方式：数据的传输方向、存放数据的内存地址和传送 的数据块长度由通道本身完成； （3）DMA控制器只能控制一台DMA设备，而一个通道控制器 可以控制多个通道设备。
Hardware
5、 外部管理结构
（1）逻辑I/O
① 编程用户接口，提供抽象的命令，如：Read, Write。 ② 通信设备接口。如网络协议栈； ③ 文件存储设备接口。如文件系统的逻辑结构控制。
5、 外部管理结构
（2）设备I/O：逻辑设备与物理设备间的过渡协调机构 ①用户命令到设备操作序列的转换； ②I/O缓冲：提高I/O效率。
多选题 1分
通道是一种__________。
A 保存I/O信息的部件 B 传输信息的电子线路 C 专用处理机 D 通用处理机 E 可与CPU并行工作的一种处理机
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7.2.4 通道控制方式
3、通道指令
（1）引入目的：通道控制方式中，CPU不用向通道控制器 传送字节数和内存起始地址给相关寄存器； （2）通道指令内容：被交换数据的内存地址、传送方向、 数据块长度、被控制I/O设备的地址信息、特征信息等