清华大学计算机系列教材：《计算机操作系统教程》（第2版）第8章 设备管理

清华大学出版社 000000 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS 第8章设备管理 81引言 82数据传送控制方式 83中断技术 84缓冲技术 85设备分配 86o进程控制 87设备驱动程序 本章小结 习题

第8章 设备管理 8.1 引言 8.2 数据传送控制方式 8.3 中断技术 8.4 缓冲技术 8.5 设备分配 8.6 I/O进程控制 8.7 设备驱动程序 本章小结 习题

清华大学出版社 000000 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS 设备管理是操作系统的重要组成部分之一。本章主 要讨论设备管理的基本概念,包括中断、缓冲、设 备分配和控制等。 8.1引言 8.11设备的类别 在计算机系统中,除了CPU和内存之外,其他的大 部分硬设备称为外部设备。它包括常用的输入输出 设备、外存设备以及终端设备等。本节先从系统管 理的角度将各种设备进行简单的分类,然后再介绍 设备管理的主要功能与任务。 早期的计算机系统由于速度慢、应用面窄,外部设 备主要以纸带、卡片等作为输入输出介质,相应的 设备管理程序也比较简单

设备管理是操作系统的重要组成部分之一。本章主 要讨论设备管理的基本概念，包括中断、缓冲、设 备分配和控制等。 8.1 引 言 8.1.1 设备的类别 在计算机系统中，除了CPU和内存之外，其他的大 部分硬设备称为外部设备。它包括常用的输入输出 设备、外存设备以及终端设备等。本节先从系统管 理的角度将各种设备进行简单的分类，然后再介绍 设备管理的主要功能与任务。 早期的计算机系统由于速度慢、应用面窄，外部设 备主要以纸带、卡片等作为输入输出介质，相应的 设备管理程序也比较简单

清华大学出版社 000000 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS 由于个人计算机、工作站以及计算机网络系统等的 发展,外部设备开始走向多样化、复杂化和智能化 再者,除了硬件设备之外,以某种硬件设备为基础 的虚拟设备和仿真设备技术也得到了广泛应用。例 如,虚终端技术和仿真终端技术等。实际上,近年 来最为流行的窗口系统中的 X-WINDOW等都是作 为一种设备和操作系统相连的。这使得设备管理变 得越来越复杂化。 首先,我们介绍设备的分类。按设备的使用特性分, 可分为存储设备、输入输出设备、终端设备以及脱 机设备等,如图8.1所示

由于个人计算机、工作站以及计算机网络系统等的 发展，外部设备开始走向多样化、复杂化和智能化。 再者，除了硬件设备之外，以某种硬件设备为基础 的虚拟设备和仿真设备技术也得到了广泛应用。例 如，虚终端技术和仿真终端技术等。实际上，近年 来最为流行的窗口系统中的X-WINDOW等都是作 为一种设备和操作系统相连的。这使得设备管理变 得越来越复杂化。 首先，我们介绍设备的分类。按设备的使用特性分， 可分为存储设备、输入输出设备、终端设备以及脱 机设备等，如图8.1所示

手华 磁带 盘 磁盘 存储设备 硬盘 其他(磁鼓,光盘等) 键盘 打印机 显示器 图形输入/输出设备 输入/输出设备 图像输入/输出设备 绘图机 外部设备 音声输入/输出设备 网绪通信板 其他 会话型 通用终端 批处鋰型 终端设备 智能终端 专用终端 虚终端 脱机设备 图81按使用特性对外部设备的分类

图8.1 按使用特性对外部设备的分类

清华大学出版社 000000 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS 另外,按设备的从属关系,可把设备画分为系统设 备和用户设备。系统设备是指那些在操作系统生成 时就已配置好的各种标准设备。例如,键盘、打印 机以及文件存储设备等。而用户设备则是那些在系 统生成时没有配置,而由用户自己安装配置后由操 作系统统一管理的设备。例如,网络系统中的各种 网板、实时系统中的AD、D/A变换器、图像处理 系统的图像设备等 对设备分类的目的在于简化设备管理程序。由于设 备管理程序是和硬件打交道的,因此,不同的设备 硬件对应于不同的管理程序。不过,对于同类设备 来说,由于设备的硬件特性十分相似,从而可以利 用相同的管理程序或只需做很少的修改即可

另外，按设备的从属关系，可把设备画分为系统设 备和用户设备。系统设备是指那些在操作系统生成 时就已配置好的各种标准设备。例如，键盘、打印 机以及文件存储设备等。而用户设备则是那些在系 统生成时没有配置，而由用户自己安装配置后由操 作系统统一管理的设备。例如，网络系统中的各种 网板、实时系统中的A/D、D/A变换器、图像处理 系统的图像设备等。 对设备分类的目的在于简化设备管理程序。由于设 备管理程序是和硬件打交道的，因此，不同的设备 硬件对应于不同的管理程序。不过，对于同类设备 来说，由于设备的硬件特性十分相似，从而可以利 用相同的管理程序或只需做很少的修改即可

清华大学出版社 000000 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS 除了上述分类方法之外,在有的系统中还按信息组 织方式来画分设备。例如,UNI系统就把外部设 备画分为字符设备和块设备。键盘、终端、打印机 等以字符为单位组织和处理信息的设备被称为字符 设备;而磁盘、磁带等以字符块为单位组织和处理 信息的设备被称为块设备

除了上述分类方法之外，在有的系统中还按信息组 织方式来画分设备。例如，UNIX系统就把外部设 备画分为字符设备和块设备。键盘、终端、打印机 等以字符为单位组织和处理信息的设备被称为字符 设备；而磁盘、磁带等以字符块为单位组织和处理 信息的设备被称为块设备

清华大学出版社 000000 UNIVERSITY PRESS 8.12设备管理的功能和任务 设备管理是对计算机输入输出系统的管理,是操作 系统中最具多样性和复杂性的部分。其主要任务是 (1)选择和分配输入输出设备以进行数据传输操作; (2)控制输入输出设备和CPU(或内存)之间交换数 据 (3)为用户提供友好的透明接口,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涉及具 体设备,系统按用户要求控制设备工作。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度,以使操作系统获得最 佳效率

8.1.2 设备管理的功能和任务 设备管理是对计算机输入输出系统的管理，是操作 系统中最具多样性和复杂性的部分。其主要任务是： (1) 选择和分配输入输出设备以进行数据传输操作； (2) 控制输入输出设备和CPU（或内存）之间交换数 据； (3) 为用户提供友好的透明接口，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涉及具 体设备，系统按用户要求控制设备工作。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度，以使操作系统获得最 佳效率

清华大学出版社 000000 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS 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。当进程要求设备资 源时,该接口将进程要求转达给设备管理程序; (2)进行设备分配。按照设备类型和相应的分配算法 把设备和其他有关的硬件分配给请求该设备的进程, 并把未分配到所请求设备或其他有关硬件的进程放 入等待队列;

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。当进程要求设备资 源时，该接口将进程要求转达给设备管理程序； (2) 进行设备分配。按照设备类型和相应的分配算法 把设备和其他有关的硬件分配给请求该设备的进程， 并把未分配到所请求设备或其他有关硬件的进程放 入等待队列；

清华大学出版社 000000 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS (3)实现设备和设备、设备和CPU等之间的并行操作。 这需要有相应的硬件支持。除了装有控制状态寄存 器、数据缓冲寄存器等的控制器之外,对应于不同 的输入输出(O)控制方式,还需要有DMA通道等 硬件。从而,在设备分配程序根据进程要求分配了 设备、控制器和通道(或DMA)等硬件之后,通 道(或DMA)将自动完成设备和内存之间的数据 传送工作,从而完成并行操作的任务。在没有通道 (或DMA)的系统里,则由设备管理程序利用中 断技术来完成上述并行操作;

(3) 实现设备和设备、设备和CPU等之间的并行操作。 这需要有相应的硬件支持。除了装有控制状态寄存 器、数据缓冲寄存器等的控制器之外，对应于不同 的输入输出(I/O)控制方式，还需要有DMA通道等 硬件。从而，在设备分配程序根据进程要求分配了 设备、控制器和通道（或DMA）等硬件之后，通 道（或DMA）将自动完成设备和内存之间的数据 传送工作，从而完成并行操作的任务。在没有通道 （或DMA）的系统里，则由设备管理程序利用中 断技术来完成上述并行操作；

清华大学出版社 000000 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS (4)进行缓冲区管理。一般来说,CPU的执行速度和 访问内存速度都比较高,而外部设备的数据流通速 度则低得多(例如键盘),为了减少外部设备和内 存与CPU之间的数据速度不匹配的问题,系统中 般设有缓冲区(器)来暂放数据。设备管理程序负 责进行缓冲区分配、释放及有关的管理工作。 下面,首先介绍各种输入输出的控制方式,然后再 介绍缓冲区管理、中断、陷入以及软中断等基本概 念。在此基础上,再介绍设备分配原则及有关分配 算法,最后介绍O进程的概念及设备驱动过程

(4) 进行缓冲区管理。一般来说，CPU的执行速度和 访问内存速度都比较高，而外部设备的数据流通速 度则低得多（例如键盘），为了减少外部设备和内 存与CPU之间的数据速度不匹配的问题，系统中一 般设有缓冲区（器）来暂放数据。设备管理程序负 责进行缓冲区分配、释放及有关的管理工作。 下面，首先介绍各种输入输出的控制方式，然后再 介绍缓冲区管理、中断、陷入以及软中断等基本概 念。在此基础上，再介绍设备分配原则及有关分配 算法，最后介绍I/O进程的概念及设备驱动过程