[精选]OS2013UNIT9设备管理.pptx

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1、Unit9设备管理设备管理设备管理设备管理操作系统原理操作系统原理设备，也称外部设备或设备，也称外部设备或I/O设备，是指那些由于原理、设备，是指那些由于原理、结构、数据格式等原因不能与系统总线直接连接的装置。结构、数据格式等原因不能与系统总线直接连接的装置。它们也是计算机系统不可或缺的重要组成局部，是计算机它们也是计算机系统不可或缺的重要组成局部，是计算机主机主机CPU+内存与外部环境进行交互和沟通的通道。内存与外部环境进行交互和沟通的通道。显然，显然，I/O设备的存在才使得计算机的存在有了意义，设备的存在才使得计算机的存在有了意义，就像一个人，如果没有与人交际和沟通的能力，则这个人就像一个

2、人，如果没有与人交际和沟通的能力，则这个人通常被认为是痴呆或白痴，即使他实际上是一个天才。同通常被认为是痴呆或白痴，即使他实际上是一个天才。同样，一台没有样，一台没有I/O设备的计算机，不管其计算功能多么强设备的计算机，不管其计算功能多么强大，也是废铁一堆。所以，设备管理也是操作系统的重要大，也是废铁一堆。所以，设备管理也是操作系统的重要组成局部，是操作系统的基本功能之一，而且由于组成局部，是操作系统的基本功能之一，而且由于I/O设设备的种类繁多，各自的特性和使用方式有很大差异，因此，备的种类繁多，各自的特性和使用方式有很大差异，因此，设备管理软件可以说是操作系统中最繁杂的局部。设备管理软件可

3、以说是操作系统中最繁杂的局部。内容内容设备设备设备管理概述设备管理概述设备驱动程序设备驱动程序独立于设备的独立于设备的I/O软件软件用户级用户级I/O软件软件1设备设备设备分类设备分类设备的差异性设备的差异性设备控制器设备控制器I/O控制方式控制方式1.1设备分类设备分类可以说，外部设备简称外设或设备是计算机系统可以说，外部设备简称外设或设备是计算机系统中最多样、差异最大的组成局部，不同的计算机系统所配中最多样、差异最大的组成局部，不同的计算机系统所配置的外设也不同。对外设的分类方法有许多种，主要有以置的外设也不同。对外设的分类方法有许多种，主要有以下三种：下三种：基本分类法基本分类法功能分类

4、法功能分类法管理分类法管理分类法1.基本分类法基本分类法它把外设大致分为三类：它把外设大致分为三类：1外存外存：磁盘、光盘、：磁盘、光盘、U盘。盘。2人机通信设备人机通信设备：输入设备有：键盘、鼠标、话筒、光笔、扫描仪、数码输入设备有：键盘、鼠标、话筒、光笔、扫描仪、数码相机等；相机等；输出设备有：显示器、打印机、绘图仪、扬声器等。输出设备有：显示器、打印机、绘图仪、扬声器等。3机机通信设备机机通信设备：输入设备有：传感器、仪器仪表等；输入设备有：传感器、仪器仪表等；输出设备有：执行器、仪器仪表等；输出设备有：执行器、仪器仪表等；输入输出设备有：网卡、输入输出设备有：网卡、Modem等。等。2

5、.功能分类法功能分类法如果从外设的功能上来分，只有两种：存储设备和通如果从外设的功能上来分，只有两种：存储设备和通信设备。信设备。1存储设备存储设备即外存，外存的共同特点是都对存即外存，外存的共同特点是都对存储区进行分块管理，也就是说，这些设备在逻辑上可以看储区进行分块管理，也就是说，这些设备在逻辑上可以看成是有假设干存储块组成的存储空间，所以传统上也被称成是有假设干存储块组成的存储空间，所以传统上也被称作作块设备块设备。另外，为了进行大块数据的传输，通常需要在。另外，为了进行大块数据的传输，通常需要在内存为它们创立比较大的数据缓冲区。内存为它们创立比较大的数据缓冲区。2通信设备通信设备除了外

6、存之外的那些外设通常都是除了外存之外的那些外设通常都是通信设备，它们是计算机与外部环境进行交互的主要手段。通信设备，它们是计算机与外部环境进行交互的主要手段。这些设备的数据量往往不是很大，也不是很集中，因此这这些设备的数据量往往不是很大，也不是很集中，因此这类设备在内存中不需要较大的缓冲区，或者就根本没有缓类设备在内存中不需要较大的缓冲区，或者就根本没有缓冲区，例如键盘、鼠标等。这些设备传统上也被称作冲区，例如键盘、鼠标等。这些设备传统上也被称作字符字符设备设备。3.管理分类法管理分类法按设备的管理性质可把外设分为两类：按设备的管理性质可把外设分为两类：1系统设备是指操作系统生成时就纳入系统管

7、系统设备是指操作系统生成时就纳入系统管理范围的各种理范围的各种标准设备标准设备基本配置，操作系统提供有相基本配置，操作系统提供有相应的数据结构和设备驱动程序等。如键盘、鼠标、显示器、应的数据结构和设备驱动程序等。如键盘、鼠标、显示器、磁盘驱动器等。磁盘驱动器等。2用户设备是指系统设备之外的用户设备是指系统设备之外的非标准设备非标准设备，在安装操作系统时没有配置，而由用户根据需要自己安装在安装操作系统时没有配置，而由用户根据需要自己安装配置。如扫描仪、绘图仪等。配置。如扫描仪、绘图仪等。1.2设备的差异性设备的差异性外部设备由于种类不同，制造商不同，技术标准不同，外部设备由于种类不同，制造商不同

8、，技术标准不同，其特性可以有巨大的不同。而这种不同越是明显，对操作其特性可以有巨大的不同。而这种不同越是明显，对操作系统的设计的挑战就越大。因为屏蔽这些巨大的不同，使系统的设计的挑战就越大。因为屏蔽这些巨大的不同，使得不同的设备相互共存并不是一件容易的事情。得不同的设备相互共存并不是一件容易的事情。其中最为明显的一种差异是数据传输的速度，它涵盖其中最为明显的一种差异是数据传输的速度，它涵盖的范围从每秒十个字节到几兆个字节。表的范围从每秒十个字节到几兆个字节。表9-1给出的是较给出的是较为常见的一些设备的数据传输率。为常见的一些设备的数据传输率。输入输出设备输入输出设备数据传输速率数据传输速率键

9、盘键盘10B鼠标鼠标100B56KModem7KB双向双向ISDN线路线路16KB激光打印机激光打印机100KB扫描仪扫描仪400KB以太网以太网1.25MBUSB1.5MBIDE磁盘磁盘5MB40XCD-ROM6MB表表9-1外设的数据传输率外设的数据传输率输入输出设备输入输出设备数据传输速率数据传输速率快速以太网快速以太网12.5MBISA总线总线16.7MBEIDE磁盘磁盘16.7MBXGA监视器监视器60MBSONETOC-1278MBSCSIUltra磁盘磁盘80MB千兆级以太网千兆级以太网125MBUltrium磁带磁带320MBPCI总线总线528MBSun千兆平面千兆平面XBb

10、ackplane20GB1.3设备控制器设备控制器从设备的物理结构上来看，外设可能是电器的或机械从设备的物理结构上来看，外设可能是电器的或机械的，甚至是机、电、光多种技术结合的。但不管其主体是的，甚至是机、电、光多种技术结合的。但不管其主体是哪种构成，只要它要与电子计算机相连接，那它就必须有哪种构成，只要它要与电子计算机相连接，那它就必须有电子器件局部。这也就是说，计算机的外设必须由两局部电子器件局部。这也就是说，计算机的外设必须由两局部组成：一是外设的执行局部电气的、机械或机、电、光组成：一是外设的执行局部电气的、机械或机、电、光多种技术结合的，也称设备主体；二是外设与系统的接多种技术结合的

11、，也称设备主体；二是外设与系统的接口局部，而且这局部一定是电子局部，因为计算机系统必口局部，而且这局部一定是电子局部，因为计算机系统必须通过这些接口来对外设进行控制和数据传输。须通过这些接口来对外设进行控制和数据传输。设备控制器也称设备控制器也称适配器适配器是外设与总线之间的一组是外设与总线之间的一组电子器件。例如，串行口控制器就是一种简单的设备控制电子器件。例如，串行口控制器就是一种简单的设备控制器，它是计算机上用来控制串行信号的一块芯片或一个芯器，它是计算机上用来控制串行信号的一块芯片或一个芯片组。再如贴在磁盘侧面的电子线路板也是一种设备控制片组。再如贴在磁盘侧面的电子线路板也是一种设备控

12、制器器磁盘控制器，磁盘控制器，CPU就是通过这个控制器来对磁盘进就是通过这个控制器来对磁盘进行各种操作的。行各种操作的。为使处理器可以像访问内存那样来访问外设，计算机为使处理器可以像访问内存那样来访问外设，计算机系统必须提供一些互不冲突、能按地址访问、并能以数字系统必须提供一些互不冲突、能按地址访问、并能以数字信号进行数据传送的设备存放器。通常每个设备都有三类信号进行数据传送的设备存放器。通常每个设备都有三类设备存放器：状态存放器、控制存放器、数据存放器。这设备存放器：状态存放器、控制存放器、数据存放器。这些存放器都有自己的专有地址，称做些存放器都有自己的专有地址，称做端口端口port。这些。

13、这些存放器的作用分别为：存放器的作用分别为：状态存放器状态存放器用来由控制器向处理器提供设备的当前用来由控制器向处理器提供设备的当前工作状态。例如，设备的当前操作是否执行完毕，数据是工作状态。例如，设备的当前操作是否执行完毕，数据是否可以被读出或写入，以及各种错误提示等。这些信息通否可以被读出或写入，以及各种错误提示等。这些信息通常都用字位常都用字位bit来表示。来表示。控制存放器控制存放器主要用来由处理器向控制器传送操作命主要用来由处理器向控制器传送操作命令。还用来管理外设工作模式，即在设备初始化时或运行令。还用来管理外设工作模式，即在设备初始化时或运行时，处理器可以通过向控制存放器写入命令

14、来改变设备工时，处理器可以通过向控制存放器写入命令来改变设备工作模式或设备状态。例如，在串口存放器中专有一位信息作模式或设备状态。例如，在串口存放器中专有一位信息是用来选择通信方式的全工或半工，还有一位信息是是用来选择通信方式的全工或半工，还有一位信息是用来设置数据字长的，以及其他用来设置通信波特率等的用来设置数据字长的，以及其他用来设置通信波特率等的各个控制位。各个控制位。数据存放器数据存放器有些设备控制器又进一步设置为输入有些设备控制器又进一步设置为输入数据存放器和输出数据存放器则是输入输出数据的暂存数据存放器和输出数据存放器则是输入输出数据的暂存存放器，用来实现设备与处理器之间的数据交换

15、。存放器，用来实现设备与处理器之间的数据交换。除了设备存放器外，有些设备控制器还设有除了设备存放器外，有些设备控制器还设有I/O数据数据缓冲区缓冲区，以提高与，以提高与CPU交互数据的效率。块设备控制器都交互数据的效率。块设备控制器都设有设有I/O数据缓冲区，而有些字符设备控制器也设有数据缓冲区，而有些字符设备控制器也设有I/O数据缓冲区，如视频控制器。数据缓冲区，如视频控制器。所有设备控制器的存放器和所有设备控制器的存放器和I/O数据缓冲区构成的地数据缓冲区构成的地址空间称作址空间称作I/O地址空间地址空间I/O空间，对于空间，对于I/O地址空地址空间的处理有三种方式：间的处理有三种方式：1

16、独立编址的独立编址的I/O空间空间在这种方式下，在这种方式下，I/O空间与内存是完全脱离的。每个空间与内存是完全脱离的。每个设备存放器被赋予一个设备存放器被赋予一个I/O端口，这个端口就是一个端口，这个端口就是一个9位位或或16位的一个整数，它与内存地址没有任何关系。而正位的一个整数，它与内存地址没有任何关系。而正是由于端口与内存地址没有任何关系，或者说端口不是内是由于端口与内存地址没有任何关系，或者说端口不是内存地址，操作系统必须使用专门的输入输出特殊指令来进存地址，操作系统必须使用专门的输入输出特殊指令来进行数据的读写。例如，许多指令集使用行数据的读写。例如，许多指令集使用INREG,PO

17、RT指令用来从设备读数据，而指令指令用来从设备读数据，而指令OUTPORT,REG则用来则用来将数据写入设备。将数据写入设备。这种方式的优点是这种方式的优点是I/O空间与内存别离，输入输出操空间与内存别离，输入输出操作不会影响或干扰内存操作，尤其是输入输出软件的可靠作不会影响或干扰内存操作，尤其是输入输出软件的可靠性通常不如内存管理软件，这种别离就显得更有价值。但性通常不如内存管理软件，这种别离就显得更有价值。但俗话说，成也萧何，败也萧何。这个优点恰恰也是其缺点。俗话说，成也萧何，败也萧何。这个优点恰恰也是其缺点。由于由于I/O空间与内存别离，输入输出指令与内存访问指令空间与内存别离，输入输出

18、指令与内存访问指令自然也不相同，输入输出所使用的自然也不相同，输入输出所使用的IN/OUT等指令都是低等指令都是低级的汇编指令。由于高级编程语言不支持这种低级指令，级的汇编指令。由于高级编程语言不支持这种低级指令，从而形成高级语言屏蔽的一个漏洞。程序员如果想要进行从而形成高级语言屏蔽的一个漏洞。程序员如果想要进行I/O，则必须使用低级语言，这将增大程序设计的难度和，则必须使用低级语言，这将增大程序设计的难度和可靠性。可靠性。2内存映射内存映射I/O空间空间顾名思义，就是将顾名思义，就是将I/O空间映射到内存里面，与内存空间映射到内存里面，与内存统一编址。具体来说，就是系统在内存空间中划出一局部

19、统一编址。具体来说，就是系统在内存空间中划出一局部来作为来作为I/O空间，即所有设备存放器的端口和空间，即所有设备存放器的端口和I/O数据缓数据缓冲区都是正规的内存地址空间的一局部，冲区都是正规的内存地址空间的一局部，CPU对这些空间对这些空间的读写与对普通内存的读写使用同样的指令，但引起的是的读写与对普通内存的读写使用同样的指令，但引起的是与外部设备间的数据传送。与外部设备间的数据传送。RISC精简指令集类精简指令集类CPU计算机都使用这种方式。计算机都使用这种方式。这种方式虽然具有这种方式虽然具有I/O与内存访问统一的优点，但是与内存访问统一的优点，但是也存在一些问题。例如总线竞争，在单总

20、线系统里，内存也存在一些问题。例如总线竞争，在单总线系统里，内存和外设都需要对总线上的数据进行监听，以确认命令是否和外设都需要对总线上的数据进行监听，以确认命令是否针对自己。这样将产生总线竞争而降低系统效率。针对自己。这样将产生总线竞争而降低系统效率。3混合混合I/O空间空间这是上述两种方式的组合：这是上述两种方式的组合：I/O数据缓冲区为内存映数据缓冲区为内存映射，而设备存放器则独立于内存。例如采用射，而设备存放器则独立于内存。例如采用Intel奔腾处奔腾处理器的计算机系统，将理器的计算机系统，将640K到到1M的主存地址留给的主存地址留给I/O数数据缓冲区，而据缓冲区，而0到到64K的地址

21、留给的地址留给I/O端口。端口。设备控制器与设备控制器与CPU通过总线来连接。总线是一种严格通过总线来连接。总线是一种严格定义的描述了线上传输数据的协议，但凡符合总线协议的定义的描述了线上传输数据的协议，但凡符合总线协议的各种设备都可以共同使用总线与各种设备都可以共同使用总线与CPU进行数据通信。进行数据通信。CPU内存内存字符设备字符设备控制器控制器字符设备字符设备控制器控制器DMA控制器控制器总线总线图图9-1单总线型单总线型I/O系统结构系统结构1.4I/O控制方式控制方式I/O控制方式，即为实现数据的输入输出，控制方式，即为实现数据的输入输出，CPU与外与外设之间的交互方式。有三种基本

22、的设之间的交互方式。有三种基本的I/O控制方式：控制方式：轮询轮询polling方式方式中断驱动方式中断驱动方式DMA方式方式采用何种采用何种I/O控制方式将直接影响设备管理的实施方控制方式将直接影响设备管理的实施方法及效率。法及效率。1.轮询方式轮询方式也称程序控制方式。它要求在程序中的也称程序控制方式。它要求在程序中的I/O指令后紧指令后紧接着安排循环查询指令，即在接着安排循环查询指令，即在CPU启动了设备控制器进启动了设备控制器进行数据的输入输出后便以循环查询设备状态的方式来等待行数据的输入输出后便以循环查询设备状态的方式来等待I/O的完成。的完成。这种方式的特点是：这种方式的特点是：C

23、PU处于主动地位，涉入处于主动地位，涉入I/O过过程的程度很深，而外设则处于被动地位，是一种同步工作程的程度很深，而外设则处于被动地位，是一种同步工作方式。方式。2.中断驱动方式中断驱动方式使用轮询方式时，使用轮询方式时，CPU需要读取设备状态存放器以检需要读取设备状态存放器以检测设备的当前状态，如果设备还未完成此次的测设备的当前状态，如果设备还未完成此次的I/O，则需，则需要要CPU不断地查询，由于不断地查询，由于CPU与外设的速度差距巨大，因与外设的速度差距巨大，因此在此在I/O过程中，过程中，CPU绝大局部时间都处于繁忙等待状绝大局部时间都处于繁忙等待状态，态，CPU的效率十分低下。的效

24、率十分低下。一种更为有效的方式是让设备处于某种主动地位，而一种更为有效的方式是让设备处于某种主动地位，而将将CPU从忙等待中解脱出来。在启动了某个外设后，立即从忙等待中解脱出来。在启动了某个外设后，立即阻塞现行进程，阻塞现行进程，CPU就可被调度转去执行其他进程而不是就可被调度转去执行其他进程而不是在原地踏步等待。当某个数据在原地踏步等待。当某个数据I/O任务完成后，由设备控任务完成后，由设备控制器向制器向CPU发出一个发出一个I/O中断，驱动中断，驱动CPU中止现行进程的中止现行进程的执行而转去执行相应的中断处理程序，并唤醒等待该执行而转去执行相应的中断处理程序，并唤醒等待该I/O的进程。的

25、进程。显然，这种显然，这种I/O控制方式可以大大提高控制方式可以大大提高CPU的效率，的效率，因此是设备与因此是设备与CPU进行交互的基本手段。进行交互的基本手段。3.DMA方式方式虽然中断驱动方式防止了轮询方式的忙等待现象，从虽然中断驱动方式防止了轮询方式的忙等待现象，从而大大提高了而大大提高了CPU的效率，但这主要是对慢速的字符设备的效率，但这主要是对慢速的字符设备而言的。而对于一次需要传输大量数据的高速块设备来说，而言的。而对于一次需要传输大量数据的高速块设备来说，仍然不能令人满意。因为设备的数据存放器的容量是有限仍然不能令人满意。因为设备的数据存放器的容量是有限的，故一个的，故一个I/

26、O任务中待传输的数据需要屡次送往数据存任务中待传输的数据需要屡次送往数据存放器，而每当设备传送完一次数据存放器中的数据时，就放器，而每当设备传送完一次数据存放器中的数据时，就会触发一次会触发一次I/O中断，因此在块设备的一次中断，因此在块设备的一次I/O任务的完任务的完成过程中，成过程中，CPU需要响应和处理许屡次需要响应和处理许屡次I/O中断，而每一中断，而每一次次I/O中断的响应和处理都需要付出不小的额外中断的响应和处理都需要付出不小的额外CPU开销，开销，CPU的效率并未获得太多改善。的效率并未获得太多改善。人们发现，在设备与主机交换大量数据时，人们发现，在设备与主机交换大量数据时，CP

27、U只是只是数据传输的一个中介，用功能强大的数据传输的一个中介，用功能强大的CPU长时间去充当长时间去充当一个传输数据的中介角色显然得不偿失。于是就设计出一一个传输数据的中介角色显然得不偿失。于是就设计出一种专门负责执行数据种专门负责执行数据I/O事务的处理器事务的处理器I/O处理器处理器，它比它比CPU要简单得多，但也廉价很多，它只能执行少量的要简单得多，但也廉价很多，它只能执行少量的指令，主要是数据指令，主要是数据I/O指令。指令。I/O处理器既可以构建在设处理器既可以构建在设备控制器里面这样的控制器称为备控制器里面这样的控制器称为DMA控制器控制器，也可，也可以作为独立的实体挂在计算机主板

28、上。最简单的以作为独立的实体挂在计算机主板上。最简单的I/O处理处理器在一个时间只能处理一个器在一个时间只能处理一个I/O，即不能并发，而复杂的，即不能并发，而复杂的I/O处理器可以同时处理多个处理器可以同时处理多个I/O，即它能够提供多个，即它能够提供多个I/O通道，每个通道可以对应一个通道，每个通道可以对应一个I/O设备。有了设备。有了I/O处处理器，就可以将理器，就可以将CPU从繁杂的从繁杂的I/O事务中解脱出来。事务中解脱出来。DMADirectMemoryAccess，直接内存访问直接内存访问方式就是使用方式就是使用I/O处理器的处理器的I/O控制方式，主要是针对块控制方式，主要是针

29、对块设备的。设备的。DMA方式的目的当然是降低方式的目的当然是降低CPU响应中断的频率，使响应中断的频率，使得一个传输大量数据的得一个传输大量数据的I/O任务中需要响应许屡次中断变任务中需要响应许屡次中断变为只响应一次中断。为只响应一次中断。DMA方式在设备和内存之间建立了直方式在设备和内存之间建立了直接数据通路，即设备和内存之间可直接读写数据，且数据接数据通路，即设备和内存之间可直接读写数据，且数据传输的基本单位是数据块。一个传输的基本单位是数据块。一个I/O任务中的所有数据是任务中的所有数据是在一个在一个DMA控制器的控制下完成传输的，且在整个传输过控制器的控制下完成传输的，且在整个传输过

30、程中无需程中无需CPU的直接干预，直到该任务中的所有数据都传的直接干预，直到该任务中的所有数据都传输完后，输完后，DMA控制器才向控制器才向CPU发出一个发出一个I/O中断。中断。DMA控制器在普通设备控制器的基础上又增设了两个控制器在普通设备控制器的基础上又增设了两个存放器：内存地址存放器和数据计数存放器。存放器：内存地址存放器和数据计数存放器。DMA方式的方式的I/O过程如下：过程如下：CPU对对DMA控制器进行设置，告诉其存放控制器进行设置，告诉其存放I/O数据数据的主存区地址和传输长度分别送入内存地址存放器和数的主存区地址和传输长度分别送入内存地址存放器和数据计数存放器；据计数存放器；

31、启动启动DMA过程，将系统总线的使用权暂时移交给过程，将系统总线的使用权暂时移交给DMA控制器；控制器；DMA控制器进行数据传输，即接管对系统总线的控制器进行数据传输，即接管对系统总线的使用权总线周期窃用，启动设备进行数据的使用权总线周期窃用，启动设备进行数据的I/O，并，并进行数据传送个数的计数以及内存区地址的增量；进行数据传送个数的计数以及内存区地址的增量；当数据传送完毕，当数据传送完毕，DMA控制器向控制器向CPU发出一个发出一个I/O中断，同时向中断，同时向CPU移交总线使用权。移交总线使用权。CPU响应中断，处理善后事宜。响应中断，处理善后事宜。DMA方式的优点是显著减少了中断次数和

32、方式的优点是显著减少了中断次数和CPU的的I/O操作次数，从而大大减轻了操作次数，从而大大减轻了CPU的的I/O负担，加快了负担，加快了I/O的速度，不仅有利于的速度，不仅有利于CPU效率的发挥，而且能满足高速效率的发挥，而且能满足高速I/O设备对成组数据的高速传送要求。缺点自然是增加了设备对成组数据的高速传送要求。缺点自然是增加了成本和复杂性，而且由于成本和复杂性，而且由于DMA控制器需要与控制器需要与CPU竞争系竞争系统总线，其效率的提高不如理论上的期望。统总线，其效率的提高不如理论上的期望。2设备管理概述设备管理概述设备管理的目标和功能设备管理的目标和功能设备控制块设备控制块I/O软件的

33、分层结构软件的分层结构2.1设备管理的目标和功能设备管理的目标和功能1.设备管理的目标设备管理的目标设备管理是操作系统的重要组成局部，现代操作系统设备管理是操作系统的重要组成局部，现代操作系统的设备管理的基本目标除了公平和有效之外，另一目标是的设备管理的基本目标除了公平和有效之外，另一目标是把所有外设都抽象成文件，使得对物理特征各异的各种设把所有外设都抽象成文件，使得对物理特征各异的各种设备都可以以统一的文件方式进行操作。具体地说，它必须备都可以以统一的文件方式进行操作。具体地说，它必须满足下述设计要求：满足下述设计要求：为用户提供方便、统一的设备使用界面。将复杂的为用户提供方便、统一的设备使

34、用界面。将复杂的具体设备操作控制过程隐藏起来，通过统一的文件操作界具体设备操作控制过程隐藏起来，通过统一的文件操作界面进行面进行I/O操作，既方便了用户对设备的使用和满足用户操作，既方便了用户对设备的使用和满足用户使用外设的各种要求，又有利于将不同类型的设备配置在使用外设的各种要求，又有利于将不同类型的设备配置在系统中。系统中。提高外设的利用率，尽量提高并行程度。一方面，提高外设的利用率，尽量提高并行程度。一方面，用户使用外设常有很大的随机性，设备管理应能根据当时用户使用外设常有很大的随机性，设备管理应能根据当时设备的忙闲状况进行分配，实现资源共享。另一方面，充设备的忙闲状况进行分配，实现资源

35、共享。另一方面，充分发挥设备和主机的效率，有效地解决分发挥设备和主机的效率，有效地解决CPU与外设之间传与外设之间传输速率不协调的问题。另外，将独享设备尽量虚拟成共享输速率不协调的问题。另外，将独享设备尽量虚拟成共享设备，以增大资源利用率和降低死锁发生的概率。例如，设备，以增大资源利用率和降低死锁发生的概率。例如，将一台打印机虚拟成多台可共享的逻辑打印机。将一台打印机虚拟成多台可共享的逻辑打印机。用户程序独立于设备，即实现程序与设备的无关性。用户程序独立于设备，即实现程序与设备的无关性。程序中可使用逻辑设备名或设备文件名来使用设备，它们程序中可使用逻辑设备名或设备文件名来使用设备，它们与实际使

36、用的物理设备无关。当物理设备发生故障或有更与实际使用的物理设备无关。当物理设备发生故障或有更换时，用户程序不必修改，就可使用系统分配的其他相关换时，用户程序不必修改，就可使用系统分配的其他相关设备。设备。2.设备管理的功能设备管理的功能为了到达设备管理的目标，设备管理系统通常需要实为了到达设备管理的目标，设备管理系统通常需要实现如下基本功能：现如下基本功能：设备驱动和错误处理。主要是按照设备驱动和错误处理。主要是按照I/O控制方式，控制方式，对不同的设备完成相应的对不同的设备完成相应的I/O中断、设备控制器操作、读中断、设备控制器操作、读写操作等物理写操作等物理I/O过程。针对不同的设备请求，

37、通过设备过程。针对不同的设备请求，通过设备驱动程序完成对设备的直接控制。错误处理指的是对输入驱动程序完成对设备的直接控制。错误处理指的是对输入输出过程中产生的错误进行侦测与纠正，而且纠错应该在输出过程中产生的错误进行侦测与纠正，而且纠错应该在最靠近硬件的层面上进行。最靠近硬件的层面上进行。系统与设备间的协调。主要是速度上的协调，要解系统与设备间的协调。主要是速度上的协调，要解决快速的决快速的CPU与慢速的与慢速的I/O设备之间的操作不匹配的问题，设备之间的操作不匹配的问题，通常采用通常采用I/O缓冲区的方式来解决这个矛盾。设备管缓冲区的方式来解决这个矛盾。设备管理要实现理要实现I/O缓冲区的建

38、立、分配及回收。缓冲区的建立、分配及回收。设备调度与分配。即对等待共享设备设备调度与分配。即对等待共享设备I/O操作的进操作的进程进行调度，而对多个进程争用独占设备进行分配。程进行调度，而对多个进程争用独占设备进行分配。2.2设备控制块与设备文件设备控制块与设备文件就如用进程控制块就如用进程控制块PCB来表示一个进程，用文件来表示一个进程，用文件控制块控制块FCB来表示一个文件一样，操作系统用设备控来表示一个文件一样，操作系统用设备控制块制块DCB来抽象表示一个外部设备。操作系统在内核来抽象表示一个外部设备。操作系统在内核空间中为每个设备建立一个设备控制块，用于描述本设备空间中为每个设备建立一

39、个设备控制块，用于描述本设备的各种抽象属性及控制信息。的各种抽象属性及控制信息。DCB包含的内容如：包含的内容如：设备名即设备文件名设备名即设备文件名设备设备ID设备工作状态设备工作状态控制器端口控制器端口I/O缓冲区端口缓冲区端口I/O请求队列指针请求队列指针设备驱动程序指针设备驱动程序指针设备中断处理程序指针设备中断处理程序指针设备设备ID由主设备号和次设备号构成。主设备号用于标由主设备号和次设备号构成。主设备号用于标识设备类型，如识设备类型，如IDE硬盘、硬盘、SCSI硬盘、显示器、打印机等，硬盘、显示器、打印机等，同一类设备使用的是同一个设备驱动程序。次设备号用于同一类设备使用的是同一

40、个设备驱动程序。次设备号用于标识同类设备中的某个具体设备及其控制器，即同类设备标识同类设备中的某个具体设备及其控制器，即同类设备的序号。的序号。这里的设备驱动程序指针实际上是一个指针组，其中这里的设备驱动程序指针实际上是一个指针组，其中的每个指针指向一个设备操作函数。设备驱动程序容易被的每个指针指向一个设备操作函数。设备驱动程序容易被人误认为是一个完整的、能够独立运行的程序，其实不然，人误认为是一个完整的、能够独立运行的程序，其实不然，它只是一组进程可调用的、能对设备实施它只是一组进程可调用的、能对设备实施I/O操作及控制操作及控制操作的内核功能函数，如操作的内核功能函数，如open;/翻开翻

41、开close;/关闭关闭read;/读数据读数据write;/写数据写数据llseek;/移动读写指针移动读写指针readdir;/读目录读目录ioclt;/输入输出控制输入输出控制release;/释放缓存释放缓存当然，对于块设备和字符设备以及不同的块设备和不当然，对于块设备和字符设备以及不同的块设备和不同的字符设备，各自所含的功能函数的个数有所不同，同同的字符设备，各自所含的功能函数的个数有所不同，同名函数具体执行的算法也是不同的，从而构成了不同设备名函数具体执行的算法也是不同的，从而构成了不同设备的驱动程序。设备驱动程序就是操作系统对设备的物理抽的驱动程序。设备驱动程序就是操作系统对设备

42、的物理抽象最底层抽象。象最底层抽象。至于如何管理至于如何管理DCB则可以有不同的方法。自则可以有不同的方法。自UNIX后，后，现代操作系统普遍将现代操作系统普遍将DCB抽象成抽象成特殊文件特殊文件即即设备文件设备文件。与数据文件一样，系统为每个设备文件建立一个与数据文件一样，系统为每个设备文件建立一个FCB，但，但设备文件的特殊之处在于，它并没有数据文件意义上的文设备文件的特殊之处在于，它并没有数据文件意义上的文件体，即它并不在磁盘空间中占有一席之地，换言之，操件体，即它并不在磁盘空间中占有一席之地，换言之，操作系统并不给设备文件分配磁盘空间单元。那么，作系统并不给设备文件分配磁盘空间单元。那

43、么，设备文设备文件的文件体是什么呢？就是件的文件体是什么呢？就是DCB！例如，例如，Linux是按如下方式处理的。是按如下方式处理的。Linux支持三种类型的硬件设备：字符设备、块设备支持三种类型的硬件设备：字符设备、块设备及网络设备。及网络设备。字符设备能够存储或传输不定长数据。某些字符设备字符设备能够存储或传输不定长数据。某些字符设备可以每次传送一个字节，可以不经过缓冲区直接进行读可以每次传送一个字节，可以不经过缓冲区直接进行读写，如系统中的串行口写，如系统中的串行口/dev/dnao和和/dev/cnal，传送完一，传送完一个字节后产生一个个字节后产生一个I/O中断；另一些字符设备可以在

44、设备中断；另一些字符设备可以在设备内缓存数据，因此可以一次传送完多个字节后产生一个内缓存数据，因此可以一次传送完多个字节后产生一个I/O中断。中断。块设备以块为单位传输数据。每个块设备都可建有一块设备以块为单位传输数据。每个块设备都可建有一个个I/O数据缓冲区队列，缓冲区的大小与块相等，因此，数据缓冲区队列，缓冲区的大小与块相等，因此，块设备一次可传输一块或多块数据。块设备一次可传输一块或多块数据。网络设备也称包设备如以太网卡，是通过网络设备也称包设备如以太网卡，是通过BSDsocket和网络子系统访问，它负责数据包的发送和接收。和网络子系统访问，它负责数据包的发送和接收。网络协议如网络协议如

45、TCP/IP就建立在网络设备驱动程序之上。就建立在网络设备驱动程序之上。与字符设备和块设备不同的是，网络设备传输的不是无结与字符设备和块设备不同的是，网络设备传输的不是无结构的流式数据，而是有结构的数据包。构的流式数据，而是有结构的数据包。针对这三类设备，针对这三类设备，Linux在内核空间中建立了三个在内核空间中建立了三个设设备注册表备注册表也称也称设备开关表设备开关表，分别是：，分别是：块设备注册表块设备注册表、字符设备注册表、字符设备注册表、以及以及网络设备注册表网络设备注册表，它们均为线性，它们均为线性表数组表数组。每个已配置在系统中的外设都在相应的设。每个已配置在系统中的外设都在相应

46、的设备注册表中占有一个表项。表项中包含了备注册表中占有一个表项。表项中包含了DCB中的核心中的核心内容，主要有：设备名即设备文件名、主设备号、内容，主要有：设备名即设备文件名、主设备号、驱动程序指针。驱动程序指针。DCB中的其他内容则被记录在中的其他内容则被记录在i节点中。节点中。i节点中也节点中也设置有主设备号，通过它与相应的注册表表项连接了起设置有主设备号，通过它与相应的注册表表项连接了起来。从而在设备文件名与设备驱动程序之间建立起了一来。从而在设备文件名与设备驱动程序之间建立起了一条通路。见图条通路。见图9-2。i节点号节点号外设外设主设备号主设备号fops*read*writewrit

47、eread驱动程序驱动程序中处程序中处程序设备设备文件名文件名设备目录设备目录i节点节点设备注册表设备注册表图图9-2设备文件名到设备驱动程序的通路设备文件名到设备驱动程序的通路*intrrpt2.3I/O软件的分层结构软件的分层结构设备管理软件，也称作设备管理软件，也称作I/O控制系统控制系统IOCS或或I/O软件软件，是操作系统中非常繁杂的局部，通常按照，是操作系统中非常繁杂的局部，通常按照I/O功能进行分层，每一层提供独特的功能，并与相邻功能进行分层，每一层提供独特的功能，并与相邻的层面间设计有标准界面。当然，不同的操作系统这种的层面间设计有标准界面。当然，不同的操作系统这种分层是不同的

48、，但一般都会有如下几层从高到低分层是不同的，但一般都会有如下几层从高到低：用户级用户级I/O软件软件独立于设备的独立于设备的I/O软件软件设备驱动程序设备驱动程序设备中断处理程序设备中断处理程序 I/O 请求请求 用户进程用户进程 I/O应答应答用户级用户级I/O软件软件独立于设备的独立于设备的I/O软件软件设备驱动程序设备驱动程序硬硬 件件图图9-3I/O软件的分层结构软件的分层结构设备中断处理程序设备中断处理程序3设备中断处理程序设备中断处理程序由于大多数由于大多数I/O均为中断驱动，设备中断处理程序就均为中断驱动，设备中断处理程序就成为成为I/O软件的不可分割的组成局部。由于设备中断处理

49、软件的不可分割的组成局部。由于设备中断处理程序直接与硬件相关，针对不同的外部设备，中断响应的程序直接与硬件相关，针对不同的外部设备，中断响应的处理也不尽相同，因此，设备中断处理程序处于处理也不尽相同，因此，设备中断处理程序处于I/O软件软件分层结构里面的最底层。而为了降低操作系统的复杂性，分层结构里面的最底层。而为了降低操作系统的复杂性，设备中断处理程序的暴露窗口应该越小越好，与其打交道设备中断处理程序的暴露窗口应该越小越好，与其打交道的的OS局部也是越少越好。局部也是越少越好。而降低暴露窗口的最好方法是让设备驱动程序负责而降低暴露窗口的最好方法是让设备驱动程序负责I/O中断响应，即设备驱动程

50、序启动中断响应，即设备驱动程序启动I/O操作后阻塞通操作后阻塞通过执行信号量的过执行信号量的P操作或等待信号，然后等待操作或等待信号，然后等待I/O中断。中断。当响应当响应I/O中断时，先执行设备中断处理程序，在设备中中断时，先执行设备中断处理程序，在设备中断处理程序完成相关的处理后唤醒设备驱动程序通过执断处理程序完成相关的处理后唤醒设备驱动程序通过执行信号量的行信号量的V操作或发送信号。操作或发送信号。I/O中断处理过程大致有以下几个步骤：中断处理过程大致有以下几个步骤：1.关中断。关中断。CPU中的中断响应部件响应中断请求后立中的中断响应部件响应中断请求后立即关中断。即关中断。2.保存现行