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第9章 设备管理 设备管理是操作系统的重要组成部分之一。本章主要讨论设备管理的基本概念,包括中断、缓冲、设备分配和控制等。 9.2 数据传送控制方式 9.3 中断技术 9.4 缓冲技术 9.5 设备分配 9.6 I/O进程控制 9.7 设备驱动程序 本章小结 习题 9.1 引 言 9.1.1 设备的类别 9.1.2 设备管理的功能和任务 9.1.1 设备的类别 在计算机系统中,除了CPU和内存之外,其他的大部分硬设备称为外部设备。它包括常用的输入输出设备、外存设备以及终端设备等。本节先从系统管理的角度将各种设备进行简单的分类,然后再介绍设备管理的主要功能与任务。 设备的分类 按设备的使用特性分,可分为存储设备、输入输出设备、终端设备以及脱机设备等,如图9.1所示。 图9.1 按使用特性对外部设备的分类 按设备的从属关系,可把设备画分为系统设备和用户设备。 系统设备是指那些在操作系统生成时就已配置好的各种标准设备。例如,键盘、打印机以及文件存储设备等。 用户设备则是那些在系统生成时没有配置,而由用户自己安装配置后由操作系统统一管理的设备。例如,网络系统中的各种网卡、图像处理系统的图像设备等。 除了上述分类方法之外,在有的系统中还按信息组织方式来画分设备。 例如,UNIX系统就把外部设备画分为字符设备和块设备。键盘、终端、打印机等以字符为单位组织和处理信息的设备被称为字符设备;而磁盘、磁带等以字符块为单位组织和处理信息的设备被称为块设备。 9.1.2 设备管理的功能和任务 设备管理是对计算机输入输出系统的管理,是操作系统中最具多样性和复杂性的部分。其主要任务是: 选择和分配输入输出设备以进行数据传输操作; 控制输入输出设备和CPU(或内存)之间交换数据; 为用户提供友好的透明接口,把用户和设备硬件特性分开,使得用户在编制应用程序时不必涉及具体设备,系统按用户要求控制设备工作。 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度,以使操作系统获得最佳效率。 为了完成上述主要任务,设备管理程序一般要提供下述功能: (1) 提供和进程管理系统的接口。 (2) 进行设备分配。 (3) 实现设备和设备、设备和CPU等之间的并行操作。 (4) 进行缓冲区管理。 9.2 数据传送控制方式 设备管理的主要任务之一是控制设备和内存或CPU之间的数据传送,本节介绍常用数据传送控制方式。 选择和衡量控制方式有如下几条原则: (1)数据传送速度足够高,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。 9.2.1 程序直接控制方式 就是由用户进程来直接控制内存或CPU和外围设备之间的信息传送。 这种方式的控制者是用户进程。 I/O控制器中的寄存器 1.控制状态寄存器 2.数据缓冲寄存器 程序直接控制方式的控制流程如图9.2。 程序直接控制方式的缺点: (1) CPU和外围设备只能串行工作。 (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他硬件所产生的错误。 程序直接控制方式只适用于那些CPU执行速度较慢,而且外围设备较少的系统。 9.2.2 中断方式 这种方式要求CPU与设备(或控制器)之间有相应的中断请求线,而且在设备控制器的控制状态寄存器的相应的中断允许位。中断方式的传送结构如图9.3所示。从而,数据的输入可按如下步骤操作。 (1) 首先,CPU发出“Start”指令启动外围设备准备数据。该指令同时还将控制状态寄存器中的中断允许位打开,以便在需要时,中断程序可以被调用执行。 (2) 在进程发出指令启动设备之后,该进程放弃处理机,等待输入完成。 9.2.3 DMA方式(直接存取方式) 基本思想是在外围设备和内存之间开辟直接的数据交换通路。 在DMA方式中,I/O控制除了控制状态寄存器和数据缓冲寄存器之外,DMA控制器中还包括传送字节计数器、内存地址寄存器等。 DMA方式窃取或挪用CPU的一个工作周期把数据缓冲寄存器中的数据直接送到内存地址寄存器所指向的内存区域。 DMA方式的数据输入处理过程如下: (1) CPU把准备存放输入数据的内存始址以及要传送的字节数分别送入DMA控制器中的内存地址寄存器和传送字节计数器; 另外,
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