操作系统 - 设备

设备管理

设备管理的功能

设备管理的主要任务是完成用户进程提出的I/O请求，为用户进程分配I/O设备，提高CPU和I/O设备的利用率，提高I/O操作的速度，方便用户使用设备。

• 设备分配
• 缓冲管理
• 设备处理

输入输出系统

输入/输出系统是实现数据输入、输出以及数据存储的系统。

设备的分类

• 按数据传输率分类：高速设备、中速设备、低速设备
• 按信息交换单元分类：块设备、字符设备
• 按设备共享属性分类：独占设备、共享设备、虚拟设备
• 按工作特性分类：存储设备、I/O设备

设备控制器

设备控制器的作用是控制和协调整个计算机的动作，通常需要程序计数器(PC)、指令寄存器（IR）、指令译码器（ID）、定时和控制电路以及脉冲源、中断等共同完成

• 设备控制器的功能
  • 接收和识别命令
    CPU可以向控制器发送多种不同的命令，设备控制器应能接收并识别这些命令
  • 数据交换
    实现CPU与设备控制器之间、控制器与设备之间的数据交换
  • 地址识别
    系统中每个设备都需要有一个地址，就像内存中的每个内存单位都有一个内存地址一样，从而可以使设备控制器能够识别它所控制的每个设备
  • 数据缓冲
    缓和I/O设备和CPU、内存之间的速度矛盾
  • 识别和报告设备的状态
    控制器应跟踪记录设备的状态供CPU了解。
  • 差错控制
    设备控制器还兼管对由I/O设备传来的数据进行差错检测
• 设备控制器的组成
  • 设备控制器与处理机的接口
    用于实现CPU与设备管理器之间的通信，共有三类信号线:数据线、地址线和控制线
  • 设备控制器与设备的接口
  • I/O逻辑
    IO逻辑对收到的命令进行译码

I/O通道

• I/O通道的引入
  在CPU和设备控制器之间引入一个新的设备通道，建立独立的I/O操作，满足数据的传输能够独立于CPU，同时对I/O操作的组织、管理及结束也尽量独立，从而可以保证CPU能够有更多的时间进行数据处理。
• 通道类型
  • 字节多路通道
    以字节为单位传输信息。适用于管理多个低速或者中速设备
  • 数据选择通道
    一次只执行一个通道程序，以实现内存与外设之间的成批数据传送。通常用来管理高速设备
  • 数组多路通道
    以时分复用的方式同时执行几个通道程序。适合多台设备同时操作
• 通道程序
  • 操作码
    操作码定义了每条指令所执行的具体操作
  • 内存地址
    内存地址给出了数据在内存中的起始地址
  • 计数
    指明当前操作所要操作数据的字节数
  • 通道程序结束位P
    用来指示通道程序是否结束，P=1表示本条指令是通道程序的最后一条指令
  • 记录结束标志R
    R=0表示该通道指令与下一条指令所处理的数据同属一个记录，R=1表示该通道指令是处理每记录的最后一条指令

I/O系统结构

• 总线型I/O系统结构
• 通道型I/O系统结构

输入/输出控制方式

• 程序直接控制方式
• 中断驱动控制方式
• 直接存储器存取(DMA)方式
• 通道控制方式

缓冲管理

缓冲的引入

缓冲的实现机制

• 单缓冲
• 双缓冲
• 循环缓冲
• 缓冲池

I/O软件

I/O软件的层次

独立于设备的软件

用户空间的I/O软件

设备驱动程序的基本概念

• 设备驱动程序的功能
• 设备驱动程序的特点
• 设备处理方式
• 设备驱动程序的处理过程
• 设备驱动程序举例

设备分配

• 设备标识
• 设备分配中的数据结构
• 设备分配算法
• 设备分配过程

SPOOLing系统

• 什么是SPOOLing系统
• SPOOLing系统的组成
• 共享打印机的实现

Linux字符设备驱动程序