管理所有外圍設備，包括完成用戶IO請求，為用戶進程分配IO設備，提高IO設備利用率，提高IO速度，方便IO使用

1. 什么是外部設備：

有一類設備是作為計算機系統(tǒng)與外界交互的工具使用的，它負責計算機與外部的輸入輸出（I/O工作）。我們稱這類設備為外部設備，簡稱外設。

2. 設備管理的目標：提高設備的利用率

3. 什么是I/O系統(tǒng)：計算機中負責管理I/O的機構（是硬件和軟件的組合）稱為I/O系統(tǒng)

4. I/O系統(tǒng)的結構：？？？

1）單總線結構
2）多總線結構
3）具有通道系統(tǒng)的I/O系統(tǒng)

5. 設備控制器：設備控制器處于CPU與I/O之間，接收來自CPU的命令，并控制I/O設備工作。設備控制器應具備以下功能：①接收和識別來自CPU的各種指令；②實現(xiàn)CPU與設備控制器、設備控制器與設備之間的數(shù)據(jù)交換；③記錄設備的狀態(tài)供CPU查詢；④識別所控制的每個設備的地址。

大多數(shù)設備控制器由設備控制器與處理器的接口、設備控制器與設備的接口及I/O邏輯3部分組成，如下圖所示：

6. I/O系統(tǒng)的控制方式：

（1）程序控制I/O（輪詢）：

由于CPU速度遠遠快于I/O設備，因此CPU需要不斷地測試I/O設備，這種控制方式又稱為輪詢或忙等。以數(shù)據(jù)輸入為例，當用戶進程需要輸入數(shù)據(jù)時，由CPU向設備控制器發(fā)出一條I/O指令啟動設備進行輸入。當設備輸入數(shù)據(jù)期間，處理器通過循環(huán)執(zhí)行測試指令不斷地檢測I/O設備狀態(tài)寄存器的值，當狀態(tài)寄存器的值顯示設備輸入完成時，處理器將寄存器中的數(shù)據(jù)讀取出來并送入內(nèi)存指定單元，然后再啟動設備輸出并等待輸出操作完成。

• 優(yōu)點：簡單
• 缺點：CPU利用率低。CPU與外設串行工作，CPU必須等待外設處理完數(shù)據(jù)才能繼續(xù)執(zhí)行，在此期間CPU一直查詢外設是否準備好，直到外設準備好。由于CPU速度遠遠快于I/O設備，致使絕大部分時間都在測試I/O設備是否已經(jīng)完成數(shù)據(jù)傳輸，從而造成CPU的極大浪費。

（2）中斷驅動I/O（中斷）：

以數(shù)據(jù)輸入為例，當用戶進程需要輸入數(shù)據(jù)時，由處理器向設備控制器發(fā)出一條I/O指令啟動設備進行輸入。在輸入數(shù)據(jù)的同時，CPU可以做其他工作。當輸入完成時，設備管理器向CPU發(fā)出一個中斷信號，CPU接收到中斷信號以后，轉去執(zhí)行設備中斷處理程序。設備中斷處理程序將輸入數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)傳送到內(nèi)存的指定單元中，供要求輸入的進程使用，然后再啟動設備去讀下一個數(shù)據(jù)。

• 優(yōu)點：有了中斷硬件的支持后，CPU與I/O設備之間可以并行工作，CPU只需要收到中斷后處理即可，大大提高了CPU利用率。
• 缺點：數(shù)據(jù)仍然需要通過CPU進行傳輸，由于CPU每次處理的數(shù)據(jù)量較小，因此這種方式只適合數(shù)據(jù)傳輸率低的設備。

I/O完成時發(fā)出的中斷處理程序的處理過程是什么？

• 1、喚醒被阻塞的進程；
• 2、保護被中斷的進程的CPU環(huán)境；
• 3、轉入設備處理程序；
• 4、中斷處理，執(zhí)行中斷處理程序；
• 5、恢復被中斷進程的現(xiàn)場。

（3）直接存儲訪問（DMA）

• DMA控制方式的思想是在外設和內(nèi)存之間開辟直接的數(shù)據(jù)交換通路。在DMA控制方式中，設備控制器具有更強的功能，在其控制下，設備和內(nèi)存之間可以成批地進行數(shù)據(jù)交換，而不用CPU干預。這樣既減輕了CPU的負擔，也是I/O數(shù)據(jù)傳輸速度大大提高。這種方式一般用于塊設備的數(shù)據(jù)傳輸。
• 以數(shù)據(jù)輸入為例，當用戶進程需要輸入數(shù)據(jù)時，CPU將準備存放數(shù)據(jù)的內(nèi)存起始地址以及要傳送的字節(jié)數(shù)分別送入DMA控制器中的內(nèi)存地址寄存器和傳送字節(jié)計數(shù)器中，并啟動設備開始進行輸入。在輸入數(shù)據(jù)的同時，CPU可以去做其他事情，輸入設備不斷地挪用CPU工作周期，將數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)源源不斷地寫入內(nèi)存，直到要求傳送的數(shù)據(jù)全部傳輸完畢。DMA控制器在傳輸完畢時向CPU發(fā)送一個中斷信號，CPU收到中斷信號后轉中斷處理程序，中斷結束后返回被中斷程序。
• DMA控制方式的特點為：數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝皇?strong>數(shù)據(jù)塊，而且數(shù)據(jù)是單向傳輸，從設備到內(nèi)存或者相反。優(yōu)點：設備和CPU可以并行工作，同時設備與內(nèi)存的數(shù)據(jù)交換速度更快，并且不需要CPU干預。
• 優(yōu)點：解決了I/O操作的獨立性和各部件工作的并行性。不僅能實現(xiàn)CPU與通道的并行操作，而且通道與通道之間也能實現(xiàn)并行操作，各個通道上的外設也能實現(xiàn)并行操作，從而提高了整個系統(tǒng)效率。
• 缺點：需要更多硬件（通道處理器），成本較高，常用于大型數(shù)據(jù)交互的場合。
• DMA控制方式與中斷控制方式的主要區(qū)別是：
  • （1）中斷控制方式在每個數(shù)據(jù)傳送完畢后中斷CPU，而DMA控制方式則是在所有要求傳送的一批數(shù)據(jù)傳送完畢后中斷CPU；
  • （2）中斷控制方式的數(shù)據(jù)傳送是在中斷處理時由CPU控制完成的，而DMA控制方式則是在DMA控制器的控制下完成的。

（4）通道控制方式I/O

• 與DMA類似，也是一種以內(nèi)存為中心，實現(xiàn)設備與內(nèi)存直接數(shù)據(jù)交換的控制方式。與DMA相比，通道需要的CPU干預更少，即把對一個數(shù)據(jù)塊的讀寫為單位的干預減少為對一組數(shù)據(jù)塊讀寫及有關的控制和管理為單位的干預，而且可以做到一個通道控制多臺設備。
• 通道本質上是一個簡單的處理器，它獨立于CPU，有運算和邏輯，有自己的指令系統(tǒng)，也在程序控制下工作，專門負責輸入、輸出控制，具有執(zhí)行I/O指令的能力，并通過執(zhí)行通道I/O程序來控制I/O操作。通道的指令系統(tǒng)比較簡單，一般只有數(shù)據(jù)傳送指令、設備控制指令等。
• 在通道控制方式中，CPU只需要發(fā)出啟動指令，指出要求通道執(zhí)行的操作和使用的I/O設備，該指令就可以啟動通道并使該通道從內(nèi)存中調出相應的通道程序執(zhí)行。以數(shù)據(jù)輸入為例，當用戶進程需要輸入數(shù)據(jù)時，CPU發(fā)出啟動指令指明要執(zhí)行的I/O操作、所使用的設備和通道。當對應通道接收到CPU發(fā)來的啟動指令后，把存放在內(nèi)存中的通道程序讀出，并執(zhí)行通道程序，控制設備將數(shù)據(jù)傳送到內(nèi)存中指定的區(qū)域。在設備進行輸入的同時，CPU可以去做其他事情。當數(shù)據(jù)傳送結束后時，設備控制器向CPU發(fā)送一個中斷請求，CPU收到中斷信號后轉中斷處理程序，中斷結束后返回被中斷程序。
• 通道控制方式與DMA控制方式的區(qū)別：首先，DMA控制方式中需要CPU來控制所傳輸數(shù)據(jù)塊的大小，傳輸?shù)膬?nèi)存，而通道控制方式中這些信息都是由通道來控制管理的。其次，一個DMA控制器對應一臺設備與內(nèi)存?zhèn)鬟f數(shù)據(jù)，而一個通道可以控制多臺設備與內(nèi)存的數(shù)據(jù)交換。
• I/O通道與一般處理器的區(qū)別：I/O通道的指令類型單一，其所能執(zhí)行的命令主要局限于與I/O操作有關的指令；通道沒有自己的內(nèi)存，通道所執(zhí)行的通道程序放在主機的內(nèi)存中，也就是說通道是與CPU共享內(nèi)存的。
• 通道分為：
  • 字節(jié)多路通道：可以獲得較好的通道利用率，適合低速設備，傳輸單位為字節(jié)。
  • 數(shù)組選擇通道：可以獲得較好的數(shù)據(jù)傳輸率，適合高速設備，一次性傳輸一組數(shù)據(jù)。
  • 數(shù)組多路通道：既具有很高的數(shù)據(jù)傳輸率，有能獲得令人滿意的通道利用率。
    

7. 緩沖技術：緩沖區(qū)一種交換數(shù)據(jù)的區(qū)域。緩沖區(qū)的引入是為了緩和CPU與設備速度不匹配的矛盾，提高了設備和CPU的并行操作程度，提高了系統(tǒng)吞吐量和設備利用率。

8.緩沖分類：

• 單緩沖：當用戶進程發(fā)出一個I/O請求時，操作系統(tǒng)便在內(nèi)存中為它分配一個緩沖區(qū)。設備與處理器對緩沖區(qū)的操作是串行的。
• 雙緩沖：可以提高處理器與設備的并行操作程度。當用戶進程發(fā)出一個I/O請求時，操作系統(tǒng)便在內(nèi)存中為它分配兩個個緩沖區(qū)。數(shù)據(jù)先放入第一個緩沖區(qū)進行處理，再來的數(shù)據(jù)放入第二個緩沖區(qū)，當?shù)谝粋€緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)處理完后，若第二個緩沖區(qū)已經(jīng)裝滿，則處理器又可以處理第二個緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，而輸入設備又可以裝填第一個緩沖區(qū)。
• 循環(huán)緩沖：為了解決設備輸入/輸出速度與處理器處理數(shù)據(jù)速度不匹配的情況。循環(huán)緩沖包含多個大小相等的緩沖區(qū)，每個緩沖區(qū)中有一個鏈接指針指向下一個緩沖區(qū)，最后一個緩沖區(qū)的指針指向第一個緩沖區(qū)，這樣多個緩沖區(qū)構成了一個環(huán)形。循環(huán)緩沖用于輸入輸出時，還需要有兩個指針in和out。對于輸入而言，首先要從設備接收數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)中，in指針指向可以輸入數(shù)據(jù)的第一個空緩沖區(qū)；當用戶進程需要數(shù)據(jù)時，從循環(huán)緩沖中取出一個裝滿數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，提取數(shù)據(jù)，out指針指向可以提取數(shù)據(jù)的第一個滿緩沖區(qū)，顯然，對輸出而言正好相反，進程將處理過的需要輸出的數(shù)據(jù)送到空緩沖區(qū)中，而當設備空閑時，從滿緩沖區(qū)中取出數(shù)據(jù)由設備輸出。

9. 高速緩存與緩存區(qū)的區(qū)別：

• 兩者存放的數(shù)據(jù)不同。高速緩存存放的是低速設備上的某些數(shù)據(jù)的備份；而緩沖區(qū)中放的則是低速設備傳遞給高速設備的數(shù)據(jù)，在低速設備中不一定有備份。
• 兩者的目的不同。引入高速緩存的目的是為了存放低速設備上經(jīng)常要被訪問到的數(shù)據(jù)的備份；而緩沖區(qū)是為了緩和高速設備和低速設備間速度不匹配的矛盾。高速設備每次都會通過緩沖區(qū)與低速設備通信，不會直接訪問低速設備。

10.?SPOOLing技術（假脫機技術）

• 通過共享設備來虛擬獨占設備，將獨占設備改造成共享設備，從而提高了設備利用率和系統(tǒng)的效率，該技術為假脫機（SPOOLing）技術。是低速輸入輸出設備與主機交換的一種技術。

• 其核心思想是以聯(lián)機的方式得到脫機的效果，低速設備經(jīng)通道和設在主機內(nèi)存的緩沖存儲器與高速設備相連，該高速設備通常是輔存。為了存放從低速設備上輸入的信息，在內(nèi)存中形成緩沖區(qū)，在高速設備上形成輸入輸出井，傳遞時信息從低速設備傳入緩沖區(qū)，再傳到高速設備的輸入井，再從高速設備的輸出井傳到緩沖區(qū)，再傳到低速設備。

• SPOOLing系統(tǒng)的組成
  • 輸入輸出井；
  • 輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)；
  • 輸入進程和輸出進程；
• SPOOLing實例：將一臺獨享打印機改造成可供多個用戶共享打印是SPOOLing技術的典型應用，具體做法為：系統(tǒng)對于用戶的打印輸出，并不真正把打印機分配給該用戶進程，而是先在輸出井中申請一個空閑盤塊區(qū)，并將要打印的數(shù)據(jù)送入其中；然后為用戶申請并填寫請求打印表，將該表掛到請求打印隊列上。若打印機空閑，輸出程序從請求打印隊首取表，將要打印的數(shù)據(jù)從輸出井傳送到內(nèi)存緩沖區(qū)，再進行打印，直到打印隊列為空。
• SPOOLing技術特點
  • 提高了I/O速度；
  • 設備并沒有分配給任何進程；
  • 實現(xiàn)了虛擬設備功能；
  • SPOOLing除了是一種速度匹配技術外，也是一種虛擬設備技術。

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的【操作系统总结】设备管理的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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