操作系统教程(第4版),孙钟秀主编,高等教育出版社 第5章 设备管

第5章 设备管理 主要内容 I/O硬件原理 I/O软件原理 具有通道的I/0系统 缓冲技术 驱动调度技术 设备分配 虚拟设备 Linux设备管理 Windows 2003 I/O系统

设备管理的功能

外围设备中断处理 缓冲区管理 外围设备的分配和去配 外围设备驱动调度 虚拟设备及其实现

5.1 I/O硬件原理5.1.1 I/O系统 5.1.2 I/O控制方式 5.1.3 设备控制器

5.1.1 I/O系统 I/O系统 I/O设备及其接口线路、控制部件、通道和管 理软件的总称。

I/O操作 计算机的主存和外围设备的介质之间的信息传 送操作。

I/O系统分类 按照I/O特性，I/O设备可以划分为I/O型 和存储型外围设备三类。 按照I/O信息交换的单位，I/O设备可分为 字符设备和块设备。 输入型外围设备和输出型外围设备一般为 字符设备，与主存进行信息交换的单位是 字节。存储型外围设备一般为块设备。

存储型外围设备分类 存储型外围设备可以划分为顺序存取存储 设备和直接存取存储设备。 顺序存取存储设备严格依赖信息的物理位置 进行定位和读写，如磁带。

直接存取存储设备的重要特性是存取任何一 个物理块所需的事件几乎不依赖于此信息的位 置，如磁盘。

设备的物理特性差异 数据传输率 数据表示方式 传输单位 出错条件

5.1.2 I/O控制方式 按照I/O控制器功能的强弱，及和CPU间联系方式 的不同，对I/O设备的控制方式分类，主要差别在 于：中央处理器和外围设备并行工作的方式不同 ，并行工作的程度不同。 四种I/O方式: (1)轮询方式 (2)中断方式

(3)DMA方式(4)通道方式8

1.轮询方式 使用查询指令测试设备控制器的忙闲状态位，决定主存 和设备是否能交换数据。

轮询方式使用： 1)查询指令：查询设备是否就绪； 2)读/写指令：当设备就绪时，执行数据交换； 3)转移指令：当设备未就绪时，执行转移指令转向查 询指令继续查询。 几个设备同时要求I/O,可对每个设备都编写I/O数据处 理程序，轮流查询这些设备的状态位，当某个设备准备 好允许I/O数据时，就调用这个设备的I/O程序处理数据 传输，否则依次轮询下个设备是否准备好。9

2.中断方式 中断方式要求CPU与设备控制器及设备之间有中断请求线， 控制器的状态寄存器有相应中断允许位。 CPU与设备之间数据传输过程： 1)进程发出启动I/O指令，这时CPU会加载控制信息到设 备控制器的寄存器，然后，进程继续执行或放弃CPU等 待设备操作完成； 2)设备控制器检查状态寄存器内容，按照I/O指令的要 求，执行相应I/O操作，一旦传输完成，设备控制

器通 过中断请求线发出I/O中断信号； 3)CPU收到并响应I/O中断后，转向处理该设备的I/O中 断处理程序执行； 4)中断处理程序执行数据读取操作，将I/O缓冲寄存器 的内容写入主存，操作结束后退出中断处理程序，返回 中断前的执行状态； 5)进程调度程序在适当时刻恢复得到数据的进程执行。 10

3.DMA方式 如果I/O设备能直接与主存交换数据而不占用CPU ,CPU的利用率还可提高，这就出现了直接存储 器存取DMA方式。DMA方式需以下设施： (1)主存地址寄存器 (2)字计数器 (3)数据缓冲寄存器或数据缓冲区 (4)设备地址寄存器 (5)中断机制和控制逻辑 DMA控制器(direct-memory access):直接操 作内存总线，无需主CPU的帮助即可以将地址放 到总线以开始传输。11

DMA控制器的握手执行 DMA控制器与设备控制器之间的握手 当有数据需要传输时，设备控制器通过DMA-request线 发送信号； 上述信号导致DMA控制器抓住内存总线，并在内存地址 总线上放上所需地址，并通过DMA-acknowledge线发送 信号； 当设备控制器收到DMA-acknowledge信号时，就可以向 内存传输数据，并清除DMA-request请求信号；

当整个传输完成，DMA控制器中断CPU。 优点：将大量传输工作下交给DMA控制器，能够减轻CPU 负担，改善系统性能。12

4.通道方式 为获得CPU和外围设备间更高的并行工作能力，为 让种类繁多，物理特性各异的外围设备能以标准 的接口连接到系统中，计算机系统引入了自成独 立体系的通道结构。 采用通道后的I/O操作过程： CPU在执行主程序时遇到I/O请求，它启动指定通 道上选址的外围设备，一旦启动成功，通道开始 控制外围设备进行操作。CPU就可执行其他任务并 与通道并行工作，直到I/O操作完成。通道发出操 作结束中断时，CPU才停止当前工作，转向处理 I/O操作结束事件。13

5.1.3 设备控制器

什么是控制器 引入控制器的原因 控制器的功能 设备控制器组成部分

设备控制器功能和结构小结(1) 设备控制器是CPU和设备之间的一个接口, 它接收从CPU发来的命令,控制I/O设备操作 ,实现主存和设备之间的数据传输 设备控制器是一个可编址设备,当它连接多 台设备时,则应具有多个设备地址。

设备控制器功能和结构小结(2) 设备控制器主要功能: ①接收和识别CPU或通道发来的命令 ②实现数据交换,包括设备和控制器间的数 据传输 ③发现和记录设备及自身的状态信息,供 CPU处理 ④设备地址识别 设备控制器组成部分:命令寄存器及译码器 ,数据寄存器,状态寄存器,地址译码器,16