第5章 操作系统设备管理

1、第5章设备管理，5.1概述5.2数据传输控制模式5.3缓冲技术5.4设备分配技术5.5输入/输出过程控制，本章的学习目标，有四种数据传输模式：程序直接控制模式、中断控制模式、直接内存存取模式和通道控制模式，缓冲技术的概念，四种常见的缓冲技术：单缓冲、双缓冲、环形缓冲和缓冲池设备分配，以及三种设备分配技术：独占分配、共享分配和虚拟分配输入/输出过程控制。 5.1概述，5.1.1设备类型5.1.2设备管理的任务和功能5.1.3设备控制块(DCB)，返回主页，5.1.1设备类型，1按操作特性分类2按传输信息特性分类3按系统和用户观点分类，1按操作特性分类，这样，外部设备可分为存储设备和输入/输出(I

2、/O)。 存储设备是计算机用来存储信息的设备，如磁盘、光盘、磁带等。输入输出设备包括输入设备和输出设备。输入设备的功能是将外部信息输入计算机，如键盘和鼠标。输出设备的功能是将计算机处理过的信息输出到外部，如显示器、打印机等。根据传输信息的特点，外部设备可以分为字符设备和块设备。由字符设备处理的信息以字符为单位进行组织，如打印机和键盘。由块设备处理的信息被组织成块，例如磁带和磁盘。根据系统和用户的观点，外部设备可以根据这个观点分为系统设备和用户设备。系统设备是指操作系统生成时在系统中注册的标准设备，如键盘和磁盘。用户设备是指用户在操作系统生成后定义的非标准设备，如绘图仪、游戏机等。此时，用户需要

3、安装设备驱动程序。回到本节，5.1.2设备管理的任务和功能，1设备管理的任务，2设备管理的功能，1设备管理的任务，提高设备的利用率，以及设备的独立性(1)独立于类似设备的特定设备编号。(2)独立于设备类型。字符编码的独立性、设备处理的一致性、设备管理的2项功能，(1)监控系统中所有设备的状态。(2)设备配置。(3)设备控制是设备管理的另一个功能，包括设备驱动和设备中断处理。具体的工作过程是在设备处理程序中发送一个输入输出指令来驱动某个设备工作，然后执行相应的中断处理。返回到本节，5.1.3设备控制块(DCB)，1DB结构2设备转换表，1DB结构，表5.1DCB结构，2设备转换表。对设备的请求最

4、终将被转换为对设备的输入/输出操作，并且系统可以通过操作码搜索“设备转换表”来找到相应的设备地址。该转换表包含设备的具体输入输出例程地址，没有相应操作的设备的例程地址应填写“-1”。返回本节，5.2数据传输控制模式，5.2.1程序直接控制模式，5.2.2中断控制模式，5.2.3DMA模式，5.2.4通道控制模式，并返回主页，5.2.1程序直接控制。它通常也被称为“忙等待”模式或循环测试模式。在数据传输过程中，不可缺少的硬件设备是输入输出控制器，它是操作系统软件和硬件设备之间的接口。它接收来自中央处理器的命令，并控制输入/输出设备执行实际操作。返回本节，5.2.2中断控制模式，(1)将允许启动和

5、中断的控制字写入设备控制，并启动设备进行输入操作。(2)该过程放弃处理器并等待输入完成。(3)当输入完成时，输入设备通过中断请求线向中央处理器发送中断请求信号。(4)唤醒等待输入完成的进程，进入就绪状态，返回中断的进程继续执行。(5)操作系统的进程调度器选择建议的请求并获得用于获得数据的进程，该进程从(2)传输的数据从设备发送到存储器，反之亦然。(3)只有在传输一个或多个数据块的开始和结束时，才需要中断中央处理器并请求干预，整个数据块的传输是在DMA控制器的控制下完成的。图5.1 DMA控制器与其他组件之间的关系，返回到本节，5.2.4通道控制模式，每个通道指令应包括以下内容：(1)操作码：它

6、指定由指令执行的操作，如读和写。(2)内存地址：表示数据传输时内存的第一个地址。(3)计数：表示传输数据的字节数。(4)频道节目结束位R0表示频道节目是否结束。R0=1表示该指令是最后一条指令。(5)记录结束标志R1指示处理的记录是否完成。图5.2通道模式下的数据传输结构，返回本节，5.3缓冲区技术，5.3.1缓冲区介绍5.3.2单缓冲区5.3.3双缓冲区5.3.4环形缓冲区5.3.5缓冲区池，返回主页，5.3.1缓冲区介绍，1缓解处理器和输入/输出设备之间速度不匹配的矛盾2减少每当一个进程发出输入/输出请求时，操作系统在主内存中分配一个缓冲区，用于临时存储输入/输出数据。由于单缓冲模式下只有

7、一个缓冲区，该缓冲区可以在某个时间存储输入数据或输出数据，但不能同时存储输入数据和输出数据，否则缓冲区中的数据会造成混乱，因此该缓冲区可以被视为关键资源，不允许多个进程同时访问它。回到本节，5.3.3双缓冲，解决外设间并行操作的最简单方法是设置双缓冲。数据在输入时被发送到缓冲器1，然后该过程从缓冲器1提取数据用于计算，而数据在输出时被发送到缓冲器2。输出设备从缓冲器2中提取数据并缓慢输出。同时，输入设备可以向缓冲器1发送数据，并且该过程从缓冲器1提取数据用于计算。输入设备和输出设备可以并行工作。回到这一节，5.3.4环形缓冲区，环形缓冲区技术是在主存中分配一组大小相等的存储区作为缓冲区，并链接

8、这些缓冲区，每个缓冲区都有一个指向下一个缓冲区的指针，而最后一个缓冲区的指针指向第一个缓冲区，这样n个缓冲区就成为一个环形。此外，系统还有一个指向第一个缓冲区的缓冲链头指针。环形缓冲区的结构如图5.3所示。图5.3环形缓冲区结构，返回本节，5.3.5缓冲区池，1缓冲区池的组成，2缓冲区池的工作模式，1缓冲区池的组成，缓冲区池中的缓冲区一般有以下三种类型(如图5.55.5所示):输出数据缓冲区的输入数据缓冲区的空闲缓冲区，图5.4缓冲区队列缓冲区，以及图5.5缓冲区池的工作缓冲区。接收输入，提取输入，接收输出，提取输出，返回本节，5.4设备分配技术，5.4.1专用设备分配，5.4.2共享设备分配

9、，5.4.3虚拟设备分配和假脱机技术，返回主页，5.4.1专用设备分配，所谓专用设备是指这类设备被分配给一个操作后的专用，其他通用专用设备包括行式打印机和光电输入机。对于专用设备，系统一般采用静态分配方式。静态分配很容易实现，死锁永远不会发生。然而，当静态分配用于设备分配时，设备的利用率不高。，回到本节，5.4.2共享设备的分配，1先到先得，2优先级较高者优先，回到本节，5.4.3虚拟设备的分配和假脱机技术，1虚拟设备的分配，2共享技术，3假脱机系统的组成，4假脱机系统的特征，图5.6假脱机系统的组成，回到本节，5.5输入/输出过程控制， 5.5.1用户进程的输入/输出请求5.5.2设备驱动程

10、序5.5.3中断处理程序的处理进程并返回主页，5.5.1用户进程的输入/输出请求，包括申请输入/输出操作的逻辑设备名称所需的操作、传输数据的长度和起始地址等。 典型用户进程的输入和输出请求可以通过以下通用系统调用命令来实现：doio(开发、模式、b装载、bddr)，其中：开发人员执行输入/输出的逻辑设备的名称；模式操作的类型，如读和写；b帐户转移的数量；Bddr表示数据传输的地址。返回本节，5.5.2设备驱动程序，1设备驱动程序的功能，2设备驱动程序的处理过程，1设备驱动程序的功能，(1)从逻辑设备到物理设备的转换。(2)检查输入输出请求的合法性，了解输入输出设备的状态，传递相关参数，设置设备

11、的工作模式。(3)发出输入输出命令，启动相应的输入输出设备，完成相应的输入输出操作。(4)及时响应中断请求，并根据中断类型调用相应的中断处理程序进行处理。2.设备驱动程序的处理，(1)将逻辑设备转换为物理设备。(2)检查输入/输出请求的合法性。(3)检查设备状态。(4)传输参数。(5)启动输入输出设备。返回本节，5.5.3中断处理程序的处理程序，1唤醒被阻塞的驱动程序进程，2保护被中断进程的站点，3分析中断原因，转移到相应的设备中断处理程序，4执行中断处理，5恢复被中断进程的站点，并返回本节，这是本章的总结。本章从设备分类、设备管理的任务和功能出发，重点介绍数据传输控制模式、缓冲技术、设备分配技术。一、设备与中央处理器之间数据传输的四种常见控制模式，即直接控制模式、中断控制模式、直接内存存取模式和通道控制模式。程序直接控制模式简单，不需要太多的硬件支持，但CPU和外设只能串联工作，CPU需要花费大量时间进行循环测试。回到主页，对于设备分配，介绍了动态分配和静态分配。本文介绍了三种类型的设备：专用设备、共享设备和虚拟设备。介绍了设备分配的两种常用算法，