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1、设 备 管 理1 设备管理概述 2 I/O控制方式 3 设 备 分 配 4 Linux中的设备管理 1 设备管理概述1.1 I/O设备的类型按设备的所属关系可以将I/O设备分为以下两 类。 （1）系统设备系统设备是在系统生成时已登记于系统中的 标准设备，属于系统的基本配置。 （2）用户设备用户设备是在系统生成时未登记在系统中的 非标准设备。按设备的信息交换的单位可将I/O设 备分为以下两类。 （1）字符设备字符设备是以字符为单位进行输入和 输出的设备。 （2）块设备块设备的输入和输出是以数据块为单 位的。按设备的共享属性可将I/O设备分为以下三类。（1）独占设备所有的字符设备都是独占设备。独占
2、设备是指一段时间内只允许一个用户（进程）访问的设备，即临界资源。（2）共享设备块设备都是共享设备。共享设备是指一段时间内允许多个进程同时访问的设备。 （3）虚拟设备通过虚拟设备技术把一占设备变换为若干台逻辑设备，供若干个用户（进 程）同时使用，以提高设备的利用率。 1.2 设备管理的任务和功能设备管理是对计算机的输入/输出系统 的管理，它是操作系统中最具有多样性和 复杂性的部分。其主要任务如下所述。（1）选择和分配I/O设备以便进行数据 传输操作。（2）控制I/O设备和CPU（或内存）之 间交换数据。（3）为用户提供一个友好的透明接口， 把用户和设备硬件特性分开，使得用户在编 制应用程序时不必
3、涉及具体设备，由系统按 用户的要求来对设备的工作进行控制。另外 ，这个接口还为新增加的用户设备提供一个 和系统核心相连接的入口，以便用户开发新 的设备管理程序。（4）提高设备和设备之间、CPU和设备 之间以及进程和进程之间的并行操作程度 ，以使操作系统获得最佳效率。为了完成上述主要任务，设备管理程序一 般要提供下述功能。 （1）提供和进程管理系统的接口 （2）进行设备分配 （3）实现设备和设备、设备和CPU等之间 的并行操作 （4）进行缓冲管理 （5）设备控制与驱动1.3 设备控制器设备控制器是CPU与I/O设备之间的接 口，它接收从CPU发来的命令并去控制I/O 设备工作。设备控制器是一个可
4、编址设备 ，当它仅控制一个设备时，它只有一个惟 一的设备地址；当它控制多个设备时，则 应具有多个设备地址，使每一个地址对应 一个设备。 为实现设备控制器的功能，大多数设备控制器都由以下三部分组成。1设备控制器与处理机的接口2设备控制器与设备的接口3I/O逻辑图10.1 设备控制器的组成 1.4 I/O通道设置I/O通道的目的是使一些原来由 CPU处理的I/O任务转由通道来承担，从而 把CPU从繁杂的I/O任务中解脱出来。在设置了通道后，CPU只需向通道发送 一条I/O指令。通道在收到该指令后，便从 内存中取出本次要执行的通道程序，然后 执行该通道程序，仅当通道完成了规定的 I/O任务后，才向C
5、PU发中断信号。实际上，I/O通道是一种特殊的处理机，它具有执行I/O指令的能力，并通过执行通道（I/O）程序来控制I/O操作。通道有两种基本类型：选择通道和多路通道。 图10.2 单通路I/O系统 图10.3 多通路I/O系统 1.6 设备驱动设备驱动程序的主要任务，是接收上层 软件发来的抽象要求，如read或write命令，再把它转换为具体要求，发送给设备控 制器；此外，它也将由设备控制器发来的 信号传送给上层软件，从而完成两者间的 相互通信。设备驱动程序的处理过程。 （1）将抽象要求转换为具体要求 （2）检查I/O请求的合法性 （3）读出和检查设备的状态 （4）传送必要的参数 （5）工作
6、方式的设置 （6）启动I/O设备2 I/O控制方式 2.1 程序I/O方式图10.4示出了程序I/O方式的流程。图10.4 程序I/O方式的流程 2.2 中断驱动I/O控制方式在现代计算机系统中，都毫无例外地引 入了中断机构，致使对I/O设备的控制，广 泛采用中断驱动（Interrupt Driven）方式 。即当某进程要启动某个I/O设备工作时， 便由CPU向相应的设备控制器发出一条I/O 命令，然后立即返回继续执行原来的任务， 设备控制器则按照该命令的要求去控制指定 I/O设备。此时，CPU与I/O设备并行操作。例如，在输入时，当设备控制器收到 CPU发来的读命令后，便去控制相应的输 入设
7、备读数据。一旦数据进入数据寄存器 ，控制器便通过控制线向CPU发送一个中 断信号，由CPU检查输入过程中是否出错 ，若无错，便向控制器发送取走数据的信 号，然后再通过控制器及数据线，将数据 写入内存指定单元中。图10.5示出了中断 驱动I/O控制方式的流程。图10.5 中断驱动I/O控制方式的流程 2.3 DMA控制方式DMA方式的基本思想是，在外围设备 和内存之间开辟直接的数据交换通路。在 DMA控制器中，除了控制状态寄存器和数 据缓冲寄存器外，还包括传送字节计数器 和内存地址寄存器以及控制电路等。因此 ，DMA控制器可用来代替CPU，以实现内 存和设备之间进行成批的数据交换。DMA 方式的
8、传送结构如图10.6所示。图10.6 DMA方式的传送结构 3.2 设备分配时应考虑的因素 1设备的固有属性 2设备分配算法I/O设备的分配，除了与I/O设备的固有 属性有关之外，还与系统所采用的设备分 配算法有关。I/O设备的分配与进程调度很 相似，同样可采用如下一些算法。 （1）先来先服务 （2）优先级最高者优先3设备分配中的安全性从进程运行的安全性方面考虑，设备分配方式有以下两种。（1）静态分配（2）动态分配4设备独立性为了提高系统的可适应性和可扩展性，应使所编制的用户程序与实际使用的物理设备无关，即应用程序独立于具体使用的物理设备，这就是所谓的设备独立性。6 Linux中的设备管理 6.1 Linux设备管理概述在Linux系统中，用户是通过文件系统 与设备接口的。所有设备都作为特别文件 ，从而在设备管理上具有下列特性。（1）每个设备都对应文件系统中的一个 索引节点，都有一个文件名。（2）应用程序通常可以通过系统调用 open（）打开设备文件，建立起与目标设 备的连接。（3）对设备的使用类似于对文件的存取 。（4）设备驱动程序都是系统内核的一部 分，它们必须为系统内核或者它们的子系统 提供一个标准的接口。（5）设备驱动程序使用一些标准的内核 服务，如内存分配等。 图10.18 设备驱动分层结构
