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操作系统的功能操作系统的功能：处理机管理处理机管理 存储管理存储管理 设备管理设备管理 文件管理文件管理硬件资源的管理硬件资源的管理软件资源的管理软件资源的管理第八章第八章设备管理设备管理主要内容：主要内容：设备管理的概述设备管理的概述n设备的分类设备的分类n设备管理的功能设备管理的功能 任务任务 n设备控制器设备控制器数据传送控制方式数据传送控制方式p程序直接控制方式程序直接控制方式p中断控制方式中断控制方式p方式方式p通道方式通道方式 设备管理的概述设备管理的概述n主要内容主要内容:n设备的分类设备的分类n设备管理的功能设备管理的功能 任务任务 n设备控制器设备控制器设备的分类设备的分类在计算机系统中，除了在计算机系统中，除了CPU和和内存之外，其他的大部分硬设内存之外，其他的大部分硬设备称为外部设备。备称为外部设备。发展发展:l早期的计算机系统由于速度慢、应用面窄早期的计算机系统由于速度慢、应用面窄.l外部设备主要为外部设备主要为:纸带、卡片等纸带、卡片等.l管理程序也较简单管理程序也较简单.l目前由于个人计算机、工作站以及计算机网络目前由于个人计算机、工作站以及计算机网络系统等的发展系统等的发展.l外部设备开始走向多样化、复杂化和智能化。外部设备开始走向多样化、复杂化和智能化。l管理程序也较复杂管理程序也较复杂.外部设备的分类外部设备的分类:n按使用特性按使用特性n按按从属关系从属关系n按按共享属性共享属性n按按传输速率传输速率n1。按设备的使用按设备的使用特性特性可分为可分为：n存储设备、输入输出设备、终端设存储设备、输入输出设备、终端设备以及脱机设备。备以及脱机设备。(如图如图)n2。按照从属关系，可分为按照从属关系，可分为：n系统设备用户设备系统设备用户设备分类：分类：n3。按照共享属性分类：按照共享属性分类：n独享设备，共享设备独享设备，共享设备,虚拟设备虚拟设备n按传输速率分类按传输速率分类 n高速设备，中速设备，低速设备高速设备，中速设备，低速设备NEXT雷达枪雷达枪n系统设备：系统设备：n系统标准配制的设备。系统标准配制的设备。n用户设备：用户设备：n除标配设备外，用户自己根据除标配设备外，用户自己根据个人需要配备的设备。个人需要配备的设备。n系统设备用户设备：系统设备用户设备：独享设备：独享设备：n概念：概念：n在一段时间内只允许一个进程在一段时间内只允许一个进程访问的设备。访问的设备。共享设备：共享设备：n概念：概念：n在一段时间内，允许多个进程在一段时间内，允许多个进程同时访问的设备。同时访问的设备。虚拟设备：虚拟设备：n概念：概念：n人们借助于软件的手段，构造人们借助于软件的手段，构造出来的设备。出来的设备。n借助于软件的手段将独享设备借助于软件的手段将独享设备改造成共享设备的设备改造成共享设备的设备.十万十万设备管理的功能设备管理的功能 任务任务设备管理的主要任务：设备管理的主要任务：(1)选择和分配输入输出设备以进行数据选择和分配输入输出设备以进行数据传输操作；传输操作；(2)控制输入输出设备和控制输入输出设备和CPU之间数据之间数据交换；交换；(3)为用户提供友好的透明接口，把为用户提供友好的透明接口，把用户和设备硬件特性分开。用户和设备硬件特性分开。(4)提高设备和设备之间、提高设备和设备之间、CPU和设和设备之间，以及进程和进程之间的并备之间，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行操作度，以使操作系统获得最佳效率。效率。为了完成上述主要任务，设备管理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：程序一般要提供下述功能：设备控制器设备控制器设备控制器：设备控制器：单总线：单总线：多总线：多总线：8.2数据传送控制方式数据传送控制方式选择和衡量控制方式的原则：选择和衡量控制方式的原则：(1)数据传送速度足够高，又不丢失数据传送速度足够高，又不丢失数据；数据；(2)系统开销小；系统开销小；(3)能充分发挥硬件资源的能力，使能充分发挥硬件资源的能力，使得得I/O设备尽量忙，而设备尽量忙，而CPU等待时等待时间少。间少。数据传送控制方式分类：数据传送控制方式分类：程序直接控制方式程序直接控制方式 在早期的计算机系统中，由于无在早期的计算机系统中，由于无中中断机构断机构,处理机对处理机对I/O设备的控制，设备的控制，采取程序采取程序I/O方式方式.程序直接控制方式：程序直接控制方式：n概念：概念：n就是由用户进程来直接控制内就是由用户进程来直接控制内存或存或CPU和外围设备之间的信和外围设备之间的信息传送。息传送。n这种方式的控制者是用户进程。这种方式的控制者是用户进程。实现步骤实现步骤：n1。当用户进程需要数据时，它通过。当用户进程需要数据时，它通过CPU发发出启动设备命令。出启动设备命令。n2。用户进程进入测试等待状态。在等待时。用户进程进入测试等待状态。在等待时间内，间内，CPU不断地用一条测试指令检查描不断地用一条测试指令检查描述外围设备的工作状态。述外围设备的工作状态。n3。当。当CPU检测到控制状态寄存器为完成状检测到控制状态寄存器为完成状态，也就是该寄存器发出态，也就是该寄存器发出“Done”信号之信号之后，设备开始往内存或后，设备开始往内存或CPU传送数据。传送数据。测试语句测试语句注意注意:v 在外设准备的过程中，在外设准备的过程中，CPU不断不断的发出测试信号。的发出测试信号。v 在在CPU与外围设备之间传送数据与外围设备之间传送数据时，输入设备每进行一次操作，首时，输入设备每进行一次操作，首先把所输入的数据送入该寄存器，先把所输入的数据送入该寄存器，然后，然后，CPU再把其中数据取走。再把其中数据取走。程序直接控制方式的优点程序直接控制方式的优点：n优点：优点：n实现简单实现简单n不需要硬件的支持不需要硬件的支持程序直接控制方式的缺点：程序直接控制方式的缺点：n1.在程序在程序I/O方式中，由于方式中，由于CPU的的高速性和高速性和I/O设备的低速性，致使设备的低速性，致使 CPU 的绝大部分时间都处于等待的绝大部分时间都处于等待I/O设备完成数据设备完成数据I/O的的循环测试循环测试中，中，造成对造成对CPU的极大浪费。的极大浪费。n2.CPU和外围设备只能串行和外围设备只能串行.n3.无法实现设备的并行无法实现设备的并行.中断方式的控制方式中断方式的控制方式n在现代计算机系统中，对在现代计算机系统中，对I/O设设备的控制，广泛采用中断驱动备的控制，广泛采用中断驱动方式方式.中断方式的控制方式：中断方式的控制方式：l在在I/O设备输入每个数据的过程中，由设备输入每个数据的过程中，由于无须于无须CPU干预，因而可使干预，因而可使CPU与与I/O设备并行工作。设备并行工作。l仅寄存器数据装满之后，才需仅寄存器数据装满之后，才需CPU花花费极短的时间去做些中断处理。不需费极短的时间去做些中断处理。不需要要CPU循环的测试。循环的测试。使用中断方式的数据输入步骤使用中断方式的数据输入步骤：(1)进程需要数据时，通过进程需要数据时，通过CPU发出发出“Start”指令启动外围设备。指令启动外围设备。(2)在进程发出指令启动设备之后，该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。进进程放弃处理机，等待输入完成。进程调度程序调度其他就绪进程占据处程调度程序调度其他就绪进程占据处理机。理机。(3)当输入完成时，当输入完成时，I/O控制器向控制器向CPU发出发出中断信号。中断信号。CPU在接收到中断信号之后，在接收到中断信号之后，中断处理程序对数据传送工作。中断处理程序对数据传送工作。(4)唤醒等待输入的进程，使其处于就绪态。唤醒等待输入的进程，使其处于就绪态。(5)CPU返回先前执行的进程。返回先前执行的进程。等待等待就绪就绪执行执行等待等待注意注意:n在在CPU向设备发出向设备发出“start”信号后，信号后，需要数据的进程放弃需要数据的进程放弃CPU的资源，由的资源，由执行态转入到等待态。执行态转入到等待态。n寄存器满时发出中断的信号寄存器满时发出中断的信号.n当当CPU执行完中断程序后，唤醒等待执行完中断程序后，唤醒等待的进程，该进程由的进程，该进程由等待态转为就绪态等待态转为就绪态，CPU并返回先前的进程。并返回先前的进程。中断方式的控制方式的优点：中断方式的控制方式的优点：n1.设备和设备和CPU间的并行操作间的并行操作n2.设备与设备间的并行操作设备与设备间的并行操作n3.可使可使CPU和和I/O设备都处于忙碌设备都处于忙碌状态，从而提高了整个系统的资状态，从而提高了整个系统的资源利用率及吞吐量。源利用率及吞吐量。中断方式的控制方式的缺点中断方式的控制方式的缺点:n1。每向内存输入一次都需要中断，因。每向内存输入一次都需要中断，因此，在数据传送过程中，中断处理将此，在数据传送过程中，中断处理将耗去大量的耗去大量的CPU处理时间。处理时间。n2。如果中断次数的急剧增加而造。如果中断次数的急剧增加而造成成CPU无法响应中断和出现数据丢无法响应中断和出现数据丢失现象。失现象。n3。如果外围设备的速度非常高，则。如果外围设备的速度非常高，则可能造成数据缓冲寄存器的数据由可能造成数据缓冲寄存器的数据由于于CPU来不及取走而丢失。来不及取走而丢失。DMA方式方式直接存直接存储器存取的方式储器存取的方式DMA方式方式直接存储器存取的方式：直接存储器存取的方式：n基本思想：基本思想：n在外围设备和内存之间开辟直接的在外围设备和内存之间开辟直接的数据交换通路。数据交换通路。内存内存寄存器寄存器外设外设n特点：特点：nDMA控制器控制器可用来代替可用来代替CPU控制内存控制内存和设备之间进行数据交换。和设备之间进行数据交换。n传送传送开始时开始时需要需要CPU的启动指令和在的启动指令和在传送传送结束时结束时需发中断通知需发中断通知CPU进行中进行中断处理之外，不再像中断控制方式时断处理之外，不再像中断控制方式时那样需要那样需要CPU的频繁干涉的频繁干涉DMA方式的数据输入处理步骤方式的数据输入处理步骤:(1)当进程要求设备输入数据时，当进程要求设备输入数据时，CPU发出启动外设的信号并把准发出启动外设的信号并把准备存放输入数据的备存放输入数据的内存始址内存始址以及以及要要传送的字节数传送的字节数等信息分别送入等信息分别送入DMA控制器控制器;启动设备。启动设备。(2)要求发送数据的进程进入要求发送数据的进程进入等待状态等待状态，进程调度程序调度其他进程占用进程调度程序调度其他进程占用CPU。(3)输入设备将数据源源不断地写入内存，输入设备将数据源源不断地写入内存，直到所要求的字节全部传送完毕直到所要求的字节全部传送完毕。(4)DMA控制器在传送字节数完成时发控制器在传送字节数完成时发出中断信号，出中断信号，CPU在接收到中断信号在接收到中断信号后转后转中断处理程序中断处理程序进行善后处理进行善后处理,CPU将等待的进程唤醒。将等待的进程唤醒。(5)中断处理结束时，中断处理结束时，CPU返回返回被中断被中断进程继续执行。进程继续执行。寄存器地址加寄存器地址加1 1字符计数器减字符计数器减1 1start执行执行等待等待等待等待就绪就绪DMADMA方式与中断方式的主要区别：方式与中断方式的主要区别：n1。中断方式时是在。中断方式时是在数据缓冲寄存器满数据缓冲寄存器满之后之后发中断要求发中断要求CPU进行中断处理，而进行中断处理，而DMA方方式则是在所要求转送的式则是在所要求转送的数据块全部传送结数据块全部传送结束束时要求时要求CPU进行中断处理。进行中断处理。n这就大大减少了这就大大减少了CPU进行中断处理的次数。进行中断处理的次数。n2。中断方式的数据传送是在中断处理时由。中断方式的数据传送是在中断处理时由CPU控制控制完成的，而完成的，而DMA方式是在方式是在DMA控控制器的控制制器的控制下不经过下不经过CPU控制完成的。这控制完成的。这就排除了因并行操作设备过多时就排除了因并行操作设备过多时CPU来不来不及处理或因速度不匹配而造成数据丢失等及处理或因速度不匹配而造成数据丢失等现象。现象。n3.DMA方式较之中断驱动方式，方式较之中断驱动方式，又是成百倍地减少了又是成百倍地减少了CPU 对对I/O的的干预，进一步提高了干预，进一步提高了CPU与与I/O设设备的并行操作程度。备的并行操作程度。DMA方式的缺点：方式的缺点：1。使用多个。使用多个DMA控制器的同时控制器的同时使用使我们对使用使我们对外围设备的管理外围设备的管理的控制也就愈来愈复杂。的控制也就愈来愈复杂。2。多个。多个DMA控制器的同时使控制器的同时使用也是不经济的。用也是不经济的。通道控制方式通道控制方式通道控制方式：通道控制方式：通道是通过执行通道是通过执行通道程序通道程序，并与，并与设设备控制器备控制器来共同实现对来共同实现对I/O设备的控设备的控制的。制的。通道控制方式与通道控制方式与DMA方式相似点：方式相似点：设备和内存直接交换数据的控设备和内存直接交换数据的控制方式。制方式。数据传输的过程中不需要数据传输的过程中不需要CPU的干预。的干预。通道方式与通道方式与DMA方式不同点：方式不同点：n在在DMA方式中，方式中，数据的传送方向、数据的传送方向、存放数据的内存始址以及传送的数据存放数据的内存始址以及传送的数据块长度块长度等都由等都由CPU控制，而在通道方控制，而在通道方式中，这些都由专管输入输出的硬件式中，这些都由专管输入输出的硬件 通道通道来进行控制。来进行控制。DMA方式时每台设备至少一个方式时每台设备至少一个DMA控制器控制器，通道控制方式可以做到，通道控制方式可以做到一一个通道控制多台设备个通道控制多台设备与内存进行数据交与内存进行数据交换，从而，增加了计算机系统的并行工换，从而，增加了计算机系统的并行工作程度。作程度。通道的定义：通道的定义：v通道是一个独立于通道是一个独立于CPU的专管输入输的专管输入输出控制的处理机，它控制设备与内存直接出控制的处理机，它控制设备与内存直接进行数据交换。进行数据交换。v 它有自己的通道指令来控制数据的传它有自己的通道指令来控制数据的传送。送。v 在操作结束时向在操作结束时向CPU发中断信号。发中断信号。基本思想：基本思想：l在通道控制方式中，在通道控制方式中，CPU只需发出只需发出启动指令，该指令就可启动通道并使启动指令，该指令就可启动通道并使该通道从内存中调出相应的通道指令该通道从内存中调出相应的通道指令执行。执行。其他的方面其他的方面由通道自己控制由通道自己控制l（交换数据在内存中应占据的位置、传送交换数据在内存中应占据的位置、传送方向、数据块长度以及被控制的方向、数据块长度以及被控制的I/O设备的设备的地址信息、特征信息地址信息、特征信息）通道控制方式的数据输入处理过程通道控制方式的数据输入处理过程:(1)当进程要求设备输入数据时，当进程要求设备输入数据时，CPU发发Start指令指明指令指明I/O操作操作、设备号设备号和和对应对应通道通道。(2)对应通道接收到对应通道接收到CPU发来的启动指令发来的启动指令Start之后，把存放在内存中的之后，把存放在内存中的通道指通道指令程序令程序读出。读出。(3)设备根据通道指令的要求，完成数据设备根据通道指令的要求，完成数据的传送的传送。(4)若数据传送结束，发出中断信号请求若数据传送结束，发出中断信号请求CPU做中断处理，唤醒等待的进程。做中断处理，唤醒等待的进程。(5)中断处理结束后中断处理结束后CPU返回被中断进程返回被中断进程处继续执行。处继续执行。通道指令通道指令:n通道指令所包含的内容：通道指令所包含的内容：n操作码操作码-它规定了指令所执行的操作；它规定了指令所执行的操作；n内存地址内存地址n计数计数-表明本条指令所要读（或写）表明本条指令所要读（或写）数据的字节数；数据的字节数；n通道程序结束位通道程序结束位P n记录结束标志位记录结束标志位R 例如例如:通道指令在进程要求数据时由系统自动生成通道指令在进程要求数据时由系统自动生成 write 0 0 250 1850 write 1 1 250 720表示表示:把一个记录的把一个记录的500个字符分别写入从内存地址个字符分别写入从内存地址1850开始的开始的250个单元和从内存地址个单元和从内存地址720开始的开始的250个单元中。个单元中。其中假定其中假定write操作码后的操作码后的“1”是通道是通道指令结束指令结束标志，而另一个标志，而另一个“1”则是则是记录结束记录结束标志。该指标志。该指令中省略了设备号和设备特征。令中省略了设备号和设备特征。通道的分类通道的分类:按照信息按照信息交换方式交换方式不同可分为不同可分为:u 字节多路通道字节多路通道u 数组多路通道数组多路通道u 选择通道选择通道 字节多路通道：字节多路通道：以以字节字节为单位传送数据，它主要用来连接为单位传送数据，它主要用来连接大量的大量的低速设备低速设备，如键盘，鼠标等。，如键盘，鼠标等。数组多路通道：数组多路通道：以以块块为单位传送数据，它具有传送速率高为单位传送数据，它具有传送速率高和能分时操作不同的设备等优点。数组多和能分时操作不同的设备等优点。数组多路通道主要用来连接路通道主要用来连接中速设备中速设备，如打印机，如打印机等。等。n选择通道：选择通道：n一次只能执行一个通道指令程序。一次只能执行一个通道指令程序。一次只能控制一台设备进行一次只能控制一台设备进行 I/O操操作。作。n传送速度高，用来连接高速外部设传送速度高，用来连接高速外部设备备.小结小结:设备管理的概述设备管理的概述n设备的分类设备的分类n设备管理的功能设备管理的功能 任务任务 n设备控制器设备控制器数据传送控制方式数据传送控制方式p程序直接控制方式程序直接控制方式p中断控制方式中断控制方式p方式方式p通道方式通道方式