操作系统-设备管理

UNIX系统将外部设备抽象为一种特殊的文件，用户可以使用与文件操作相同的方式对外部设备进行操作

按使用特性分类

人机交互类外部设备：数据传输速度慢
存储设备：数据传输速度快
网络通信设备：数据传输速度中等

按传输速率分类

低速设备
中速设备
高速设备

按信息交换的单位分类

块设备：可寻址，传输速率较高
字符设备：不可寻址，传输速率较低，一般使用中断驱动方式运行

5.1 I/O控制器

I/O设备由机械部件和电子部件（I/O控制器、设备控制器）组成

I/O控制器的功能

CPU和机械部件的中介

接受和识别CPU发出的命令：会设置控制寄存器
向CPU报告设备的状态：状态寄存器
数据交换：数据寄存器，暂存数据
地址识别：CPU提供各寄存器的地址

I/O控制器的组成

一个I/O控制器可能会对应多个设备，因此数据、状态、控制寄存器也有多个，需要对应编址

内存映射I/O：控制器中的寄存器与内存地址统一编址
寄存器独立编址：控制器中的寄存器使用单独的地址

缺点：需要设置专门的指令来实现对控制器的操作，不仅要指明寄存器的地址，还要指明控制器的编号

5.2 I/O控制方式

程序直接控制方式

关键字：轮询

CPU干预的频率：很频繁，I/O操作开始之前、完成之后需要CPU介入，并且在等待I/O完成的过程中CPU需要不断地轮询检查
数据传送的单位：每次读/写一个字
数据流向：

读操作：I/O设备 -> CPU（寄存器） -> 内存

写操作：内存 -> CPU（寄存器） -> I/O设备
优点：实现简单

缺点：CPU和I/O设备只能串行工作，CPU需要一直轮询检查，长期处于“忙等”状态，CPU利用率低

中断驱动方式

数据传送的单位：每次读/写一个字
优点：CPU和I/O设备可并行工作

缺点：每次只传送一个字，中断可能会比较频繁，消耗较多地CPU时间

DMA方式

直接存储器存取，主要用于块设备的I/O控制

数据的传送单位是“块”
不经过CPU
仅在传送一个或多个数据块开始或结束时，才需要CPU干预（中断信号）

DMA控制器

DMA控制器读写也是一个字一个字读写的

数据传送的单位：每次读/写一个或多个块（每次读写只能是连续的多个块，且这些块读入内存后在内存中也必须是连续的）
CPU干预的频率：仅在开始和结束时需要CPU干预
数据的流向：不需要经过CPU
缺点：CPU每发出一条I/O指令，只能读/写一个或多个连续的数据块

通道控制方式

通道：一种硬件，可以理解为“弱鸡版的CPU”，只能识别较少的指令，与CPU共享内存

CPU干预的频率：开始结束时才请求CPU干预
数据传送的单位：每次读/写一组数据块
数据的流向：在通道的控制下进行

5.3 I/O软件层次结构

用户层软件

提供库函数，实现了与用户交互的接口
将用户请求翻译成格式化的I/O请求，并通过“系统调用”请求操作系统内核的服务

设备独立性软件

与设备的硬件特性无关的功能几乎都在这一层实现

向上层提供统一的调用接口（如read/write系统调用）
设备的保护：类似于文件保护，设备被看作一种特殊的文件
差错处理：对设备的错误进行处理
设备的分配与回收
数据缓冲区管理
建立逻辑设备名到物理设备名的映射关系；根据设备类型选择调用相应的驱动程序；通过逻辑设备表（LUT），并记录每个物理设备的驱动程序的入口地址

设备驱动程序

主要负责对硬件的具体控制，将上层发出的一系列命令转化为特定设备“能听得懂”的一系列操作

不同设备的内部硬件特性不同，这些特性只有厂家才知道，因此厂家必须提供与设备相应的驱动程序；驱动程序一般会以一个独立进程的方式存在

中断处理程序

当I/O任务完成时，I/O控制器会发送一个中断信号，系统会根据中断信号类型找到相应的中断处理程序并执行

硬件

执行I/O操作

I/O核心子系统

假脱机技术（SPOOLing技术）：用户层软件

I/O调度、设备保护、设备分配与回收、缓冲区管理：设备独立性软件

假脱机技术

使用软件模拟脱机技术

设备的分配与回收

设备分配时应考虑的因素

设备的固有属性：独占设备、共享设备、虚拟设备
设备分配算法
设备分配中的安全性

安全分配方式：为进程分配一个设备后就将进程阻塞，本次I/O完成后才将进程唤醒；破环请求和保持条件，不会死锁

不安全分配方式：进程发出I/O请求后，系统为其分配I/O设备，进程可继续执行，之后还可以发出新的I/O请求，只有某个I/O请求得不到满足时才将进程阻塞；一个进程可以同时使用多个设备