【正文】 第 7章 設備管理 設備管理概述 I/O控制方式 I/O緩沖 設備分配與設備處理 I/O管理中的幾個重要思想 磁盤 I/O 小結 設備管理概述 一、 I/O設備的分類 1. 按從屬關系分類 （ 1） 系統(tǒng)設備 指在操作系統(tǒng)生成時已經登記在系統(tǒng)中的標準設備 。如鍵盤 、 顯示器 、 打印機等 。 （ 2） 用戶設備 指操作系統(tǒng)生成時未登記入系統(tǒng)的非標準設備 。 如繪圖儀 、 掃描儀等 。 I/O設備分類 （ 1） 低速設備 指傳輸速率為每秒鐘幾個字符至數(shù)百個字節(jié)的設備 ， 如鍵盤 、 鼠標 、 語音輸入等 。 （ 2） 中速設備 指傳輸速率為每秒鐘數(shù)千個字節(jié)至數(shù)萬個字節(jié)的設備 ， 如針式打印機 、 激光打印機等 。 （ 3）高速設備 指傳輸速率為數(shù)兆字節(jié)的設備，如磁帶機、磁盤機、光盤機等。 （ 1） 存儲設備 是計算機用來保存各種信息的設備 ， 如磁盤 、 磁帶等 。 （ 2） I/O設備 是向 CPU傳輸信息或輸出 CPU加工處理信息的設備。 例如：鍵盤， CRT I/O設備分類 I/O設備分類 （ 1）獨占設備 指在一段時間內只允許一個用戶（進程）訪問的設備。也就是在某個用戶（進程）對 設備的一次使用過程（包含多次 I/O操作）中，不允許其他用戶（進程）使用該設備。 一般是低速的 I/O設備 ,如打印機等。 因為獨占設備屬于臨界資源，所以多個并發(fā)進程必須互斥地訪問獨占設備。 （ 2） 共享設備 指在一段時間內允許多個進程同時訪問的設備，多個進程以交叉的方式來使用設備，其資源利用率高，如硬盤。 （ 3）虛擬設備 指通過虛擬技術將一臺獨占設備變換為若干臺供多個用戶（進程）共享的邏輯設備。一般可以利用假脫機（ SPOOLing）技術實現(xiàn)虛擬設備。 按設備共享屬性分類 I/O設備分類 （ 1）字符設備 以字節(jié)為單位傳送數(shù)據(jù)，如鍵盤。 傳輸速度慢。 （ 2）塊設備 以塊（如 512B）為單位傳送數(shù)據(jù)，如磁盤。 傳輸速度快。 是 可尋址 的和 可隨機訪問 的設備 設備管理概述 二、設備管理的 2個重要目標： 效率、通用性 （ 1） 效率 提高設備的利用率和 I/O效率 充分利用各種技術（中斷、 DMA、通道、緩沖等）提高 CPU與設備、設備與設備之間的并行工作能力，充分利用資源，提高資源利用率，提高 I/O處理的效率 ? 并行性 ? 均衡性（使設備充分忙碌） 設備管理的 2個重要目標 （ 2）通用性 為用戶提供方便、統(tǒng)一的接口，希望能用統(tǒng)一的方式處理所有的設備 屏蔽硬件細節(jié)（設備的物理細節(jié)，錯誤處理，不同 I/O的差異性），使用戶擺脫繁瑣的程序設計負擔 ? 方便性 ? 接口的友好性 ? 透明性 設備管理概述 三、設備管理的功能 （ 1）設備分配。 按照設備類型和相應的分配算法決定將 I/O設備分配給哪一個要求使用該設備的進程。凡未分配到所需設備的進程被放入一個等待隊列。 （ 2） 設備處理 。 設備處理程序實現(xiàn) CPU和設備控制器之間的通信 。 即當 CPU向設備控制器發(fā)出 I/O指令時 ， 設備處理程序應啟動設備進行 I/O操作 ， 并能對設備發(fā)來的中斷請求作出及時的響應和處理 。 （ 3）實現(xiàn)其他功能。 包括對緩沖區(qū)的管理功能及實現(xiàn)設備獨立性。 I/O控制方式 I/O控制方式：主機和 I/O設備之間的數(shù)據(jù)傳送方式 4種 I/O控制方式 : （ 1）程序直接控制方式（輪詢） （ 2）中斷方式 （ 3） DMA方式 （ 4）通道方式 發(fā)展的思路：解放 CPU I/O控制方式 1. 程序直接控制方式（輪詢） 由用戶進程控制，不斷測試設備狀態(tài) 缺點： ? 忙等待 ? CPU與 I/O設備只能串行工作 I/O控制方式 2. 中斷方式 為了減少設備驅動程序不斷詢問控制器狀態(tài)寄存器的開銷 當 I/O操作結束后，由設備控制器主動通知設備驅動程序 不足： ? 數(shù)據(jù)傳送是在中斷處理時由 CPU控制完成 ? 每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量小，比如 1個字節(jié)或 1個字。盡管，通過在 I/O控制器中設置字符緩沖區(qū)而增大每次的數(shù)據(jù)傳輸量 ? 可能造成數(shù)據(jù)由于 CPU來不及取而丟失（當外設速度快時） I/O控制方式 3. DMA方式 ? 在內存與 I/O設備之間直接傳送數(shù)據(jù)塊 ? CPU在開始時向設備發(fā)“傳送一塊”命令，數(shù)據(jù)傳送由DMA控制器控制完成，每次 1個數(shù)據(jù)塊 ? 傳送結束時，由 DMA控制器給 CPU發(fā)送一個中斷信號 ? DMA的功能可以以獨立的 DMA部件在系統(tǒng) I/O總線上完成，或者整合到 I/O部件中完成 DMA方式 DMA方式與中斷的主要區(qū)別： ? 中斷方式是在數(shù)據(jù)緩沖寄存器滿后，發(fā)中斷請求， CPU進行中斷處理 DMA方式則是在所要求傳送的數(shù)據(jù)塊全部傳送結束時要求 CPU進行中斷處理 大大減少了 CPU進行中斷處理的次數(shù) ? 中斷方式的數(shù)據(jù)傳送是由 CPU控制完成的 DMA方式則是在 DMA控制器的控制下不經過 CPU控制完成的 I/O控制方式 4. 通道方式 通道：獨立于 CPU的專門負責數(shù)據(jù)輸入 /輸出傳輸工作的處理機，對外部設備實現(xiàn)統(tǒng)一管理，代替 CPU對輸入 /輸出操作進行控制，從而使輸入 /輸出操作可與 CPU并行操作。 引入通道的目的： 為了使 CPU從 I/O事務中解脫出來，同時為了提高 CPU與設備、設備與設備之間的并行工作能力 數(shù)據(jù)傳送的方向、長度、內存地址等都由通道控制。 I/O緩沖 一、什么是 I/O緩沖？ 緩沖（ buffering）： 為了緩解通信雙方速度不匹配而引入的一個中間環(huán)節(jié)。 I/O緩沖： 在 CPU和 I/O設備之間設立緩沖區(qū)，用以暫存 CPU與