《Linux操作系统原理与应用》课件_第7章.pptx

第7章 设备管理;

7.1 设备管理概述;

设备管理的一个重要原则是要实现“设备独立性”。设备独立性是指将应用程序与具体的设备独立开来，使其不必关心所用设备的细节，也不受底层设备变化的影响。为此引入了逻辑设备和物理设备的概念。

I/O系统的效率问题也是一个很重要的设计指标。;

综合地说，I/O系统主要完成以下功能：

? I/O接口：接收用户进程的I/O请求，将请求的逻辑设备映射到物理设备。

? I/O调度：根据设备的特点对设备进行合理的调度。

? 设备的驱动：启动设备进行I/O操作，控制数据的传输。

? 设备的中断处理：对设备产生的中断进行处理。;

7.1.2 设备的分类

1. 输入设备与输出设备

按数据传输方向的不同，I/O设备分为输入设备、输出设备和输入/输出设备3类。输入设备用于从外界采集或产生数据，传送给系统。如键盘、鼠标等都是输入设备。输出设备是从系统获得数据，以某种形式向外界表现或传递的设备。如显示器、打印机等都是输出设备。输入/输出设备则是兼具输入与输出数据功能的设备。如磁盘、网卡等都是输入/输出设备。;

2. 系统设备与外部设备

系统设备是由系统内核管理和使用的设备，如系统时钟、系统扬声器、总线接口等。系统设备之外的设备都属于外部设备。两者区别在于系统设备的驱动由内核本身完成，而外部设备的驱动由专门的驱动程序实现，以内核模块的方式附加到内核中。;

3. 字符设备与块设备

按数据传输单位的不同，设备分为字符设备和块设备。字符设备是以字节为单位组织和传送数据的设备，如终端设备（显示器、键盘、鼠标等）、打印机、串口设备等。块设备是以数据块为单位组织和传送数据的设备，如磁盘、光盘、闪存等。;

4. 独占设备与共享设备

按设备的使用方式，设备分为独占设备和共享设备。独占设备是在某一时间段内只能被一个进程所使用的设备。打印机、终端设备等都是独占设备。当一个进程占用打印机时，其他要打印的进程只能等待。共享设备是允许多个进程同时使用的设备。磁??等存储设备都是共享设备，它们允许多个进程同时访问，同时存取数据。;

7.1.3 设备与系统的接口

计算机的I/O设备通常由物理设备和电子部件两部分组成。物理设备是以某种物理方式（机械、电磁、光电、压电等）运作，实际执行数据I/O操作的物理装置；电子部件是以数字方式操作的硬件，用于与计算机接口，控制物理设备的I/O操作。;

一个物理设备是无法直接与CPU相连接的，这是因为两者之间存在着以下差异：

（1）控制方式不同：CPU产生的是数字化命令，而设备需要某种物理信号来控制。

（2）传输方式不同：CPU以字节为单位传输数据，而设备可能是以位为单位传输的。

（3）速度不匹配：设备的工作速度通常要比CPU慢许多。

（4）时序不一致：设备有自己的定时控制电路，难以与CPU的时钟取得一致。

（5）信息形式不同：CPU表达信息的形式是数字的，设备则可能是模拟的。;

1. 设备控制器

在许多情况下，I/O设备的电子部件与物理设备是分离的。电子部件称为设备控制器，物理设备就简称为设备。例如：显卡是显示控制器，显示器是由显卡控制的设备；声卡是音频控制器，音箱或耳机是音频设备。

设备控制器的复杂性因设备而异，相差很大。典型的控制器结构如图7-1所示。;;

各部件的构造和功能如下：

1）I/O端口

I/O端口由一组寄存器组成。

2）缓冲区

块设备和流量大的字符设备（如音频设备、视频设备等）的控制器中通常还配有缓冲区，用于存放批量传输的数据。

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3）设备控制逻辑

设备控制逻辑是I/O端口与设备之间的翻译器，它的主要功能包括：

（1）命令译码：设备控制逻辑负责对控制寄存器中的I/O命令进行译码，确定具体的设备，产生对设备的控制信号，控制设备的操作。

（2）状态解释：当设备执行完一个操作后，设备控制逻辑对从设备接收到的状态信号进行解释和编码，存入状态寄存器。;

（3）信息格式转换：设备控制逻辑需要完成I/O端口与设备之间的数据转换，主要是串行/并行的转换，以及数/模或模/数转换等。

（4）传输控制：设备控制逻辑负责控制I/O端口或缓冲区与设备之间的数据传输，以及I/O端口或缓冲区与CPU之间的数据传输。;

4）中断与DMA控制

大部分的设备都工作在中断方式下，它们具有中断控制逻辑，通过系统的控制总线与中断系统连接，向中断控制器发送中断请求信号并接收中断应答信号。启用了DMA方式的控制器还具有DMA控制逻辑，可以向DMA控制器发送DMA请求和接收DMA应答。

5）设备接口

这是控制器与设备之间的接口。一个控制器可以带多个接口，每个接口连接一台设备。设备接口主要负责针对