第5章设备管理

设备管理2目录引言数据传送控制方式中断技术缓冲技术设备分配I/O进程控制设备驱动程序引言设备的类别1．按设备的使用特性分存储设备、输入/输出设备、终端设备以及脱机设备2．按设备的从属关系分系统设备和用户设备两种3．按信息组织方式分字符设备和块设备按使用特性对外部设备的分类1．选择和分配输入输出设备，完成数据传输；2．控制输入输出设备，使其能与内存之间正常地交换数据；3．为用户提供一个友好的使用设备的界面，将用户对设备的使用与设备的硬件特性分离，方便用户对设备的使用，同时还要方便用户增添新的设备和设备管理程序；4．提高设备与设备、设备与CPU之间的并发度，使系统获得最佳效率。设备管理的功能和任务设备分配缓冲区管理提供使用设备接口设备传送控制技术：中断、DMA、通道数据传送控制方式选择和衡量控制方式原则：数据传送速度足够高，但又不丢失数据；系统开销小，所需的处理控制程序少；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。4种常用数据传送控制方式：程序直接控制方式中断控制方式DMA方式通道方式程序直接控制方式由用户进程直接控制内存或CPU和外围设备之间信息传送。通常又称为“忙—等”方式或循环测试方式。程序直接控制方式优点：控制方式简单无需太多硬件支持缺点：CPU和设备只能串行工作、设备之间也只能串行工作。依靠测试设备状态位来控制数据传送，无法发现和处理或其他硬件所产生的错误。只适用于CPU执行较慢、外围设备较少的系统。中断方式为减少程序直接控制方式中CPU等待时间以及提高系统的并行工作程序，可采用中断方式传送数据。中断方式要求CPU与设备之间有相应的中断请求线，且在设备控制器的控制状态寄存器中有相应的中断允许位。中断控制方式的传送结构中断控制方式的处理过程9.2.2中断方式优点：与程序直接控制方式相比，中断方式CPU的利用率大大提高且能支持多道程序和设备的并行操作。缺点：因I/O控制器的数据缓冲寄存器较小，数据传送一次发生较多中断次数。耗费大量CPU时间。当外设较多时，中断次数的急剧增加将会导致CPU无法响应中断和出现丢数据现象。若外围设备速度较高时，可能出现数据缓冲寄存器的数据由于CPU来不及取走而丢失。9.2.3DMA方式又称直接存取方式(DirectMemoryAccess)基本思想：在外设和内存之间开辟直接的数据交换通路。DMA方式中，I/O控制器功能比中断和程序方式更强DMA方式的传送结构示意图DMA方式的数据传送处理过程DMA方式与中断方式的主要区别中断方式是在数据缓冲寄存器满之后发中断要求CPU进行中断处理，而DMA则是在所要求传送的数据块全部传送结束时要求CPU进行中断处理。中断方式的数据传送是在中断处理时由CPU控制完成的，而DMA方式是在DMA控制器的控制下不经过CPU完成。这样就避免了CPU因并行操作设备过多会造成数据丢失等现象。DMA方式的特点对外设管理和一些操作仍需CPU多个DMA控制器的同时使用显然会引起内存地址的冲突并使得控制过程进一步复杂化。多DMA控制器同时使用也提高了机器成本通道控制方式存放数据的内存始址及数据块长度由一个专门负责输入/输出的硬件即通道来控制。一个通道可控制多台设备与内存进行数据交换。通道的定义(基本思想)：独立于CPU的专门负责输入输出控制的处理机，它控制设备与内存直接进行数据交换。有自己的通道指令，这些指令受CPU启动，并在操作结束时向CPU发中断信号。通道方式减轻了CPU的工作负担，增加了计算机系统的并行工作程度。缓冲技术缓冲的引入匹配外设与CPU间的处理速度减少中断次数和CPU的中断处理时间解决DMA或通道方式时的瓶颈问题缓冲的种类单缓冲双缓冲多缓冲缓冲池缓冲池结构由多个缓冲区构成一个缓冲池队列缓冲区的构成：缓冲首部：用来标识、管理该缓冲区缓冲体：存放数据对缓冲池的管理是通过对每个缓冲器的缓冲首部进行操作实现的。三种缓冲队列空白缓冲队列em装满输入数据的输入缓冲队列in装满输出数据的输出缓冲队列out缓冲池的管理对缓冲池的管理由4个操作组成：从三种缓冲区队列中按一定的选取规则取出一个缓冲区的过程take_buf(type)把缓冲区按一定的选取规则插入相应的缓冲区队列的过程add_buf(type,number)供进程申请缓冲区用的过程get_buf(type,number)供进程将缓冲区放入相应缓冲区队列的过程put_buf(type,work_buf)设备分配1.设备分配原则充分发挥设备的使用效率，尽可能地让设备忙，同时要避免由于不合理的分配方法造成进程死锁；把用户程序和具体物理设备隔离。2.设备分配方式：静态和动态静态分配：作业开始前由系统一次分配优点：不会出现死锁缺点：设备使用效率低动态分配：由进行执行所需进行分配优点：有利于提高设备利用率缺点：分配算法不当，可能造成死锁3.设备分配策略：先请求先分配、优先级高者先分配设备分配管理用数据结构表1.设备控制表(devicecontroltableDCT)反映设备的特性、设备和I/O控制器的连接情况，一个设备一张设备标识符设备类型设备地址或设备号设备状态等待队列指针I/O控制器指针DCT2.系统设备表(systemdevicetableSDT)记录已被连接到系统中的所有物理设备的情况，并为每个物理设备设一表项，整个系统一张。内容：DCT指针正在使用设备的进程进程标识设备类型和设备标识符3.控制器表(ControlerControltableCOCT)每个控制器一张，反应I/O控制器的使用状态以及和通道的连接情况等。4.通道控制表(CHannelControlTableCHCT)只在通道控制方式的系统中存在，每个通道一张。内容：通道标识通道忙/闲标识等待获得该通道的进程等待队列的队首指针与队尾指针设备分配流程图I/O进程控制I/O控制的引入何时分配设备、何时申请缓冲、哪个进程响应中断？

I/O进程控制I/O进程控制功能I/O进程控制的实现作为请求I/O操作的进程的一部分实现作为当前进程的一部分实现

由专门的I/O进程完成每类设备设一个核心态运行的I/O进程整个系统设一个I/O进程每类设备设一个核心和用户态均可运行的I/O进程设备驱动程序设备驱动程序驱动物理设备和DMA控制器或I/O控制器等直接进行I/O操作的子程序的集合。负责设备相应设备有关寄存器的值，启动设备进行I/O操作，指定操作的类型和数据流向等。系统通过设备开关表对驱动程序进行管理。设备开关表也是I/O进程的一个数据结构，它给出相应设备的各种操作子程序的入口地址。I/O控制过程为进程分配设备和缓冲区后，通过设备开关表调用所需的驱动程序进行I/O操作。本章小结设备管理的主要任务：控制设备和CPU之间进行I/O操作。常用设备和C