设备管理¶
设备概述¶
- 设备分类
- 按照数据传输方式分类
- 字符设备：数据以字符为单位传输，如键盘、鼠标、打印机等。
- 块设备：数据以块为单位传输，如硬盘、光盘等。
- 流设备：数据以连续流的方式传输，如网络接口、串口等。
- 按照访问方式分类
- 顺序访问设备：只能按顺序访问数据，如磁带。
- 随机访问设备：可以随机访问数据，如硬盘。
- 按照功能分类
- 输入设备：如键盘、鼠标、扫描仪等。
- 输出设备：如显示器、打印机等。
- 输入输出设备：如硬盘、网络接口等。
- 按存在形式上（OS 角度）：
- 物理设备
- 逻辑设备
- 按资源属性（OS 管理角度）：
- 共享设备
- 独占设备
- 虚拟设备
- 按照数据传输方式分类
- 设备管理层次关系
- 底层通信（中断处理）：
- 实现软件和硬件设备的通信。
- 设备驱动：
- 功能：接受来自上层的抽象操作请求，并负责操作的具体实施。
- 主要组成：与设备打交道的软件、共享支持、缓冲区支持等。
- 对用户层的 I/O 接口：
- 每个 I/O 调用接口对应具体的设备抽象操作。
- 使用设备的用户级程序：
- 通过调用所提供的接口来实现对设备的使用或控制。
- 底层通信（中断处理）：
中断响应¶
- 设备向中断控制器发送中断信号
- 中断控制器比较各个中断的优先级。如果有未被屏蔽的中断，中断控制器向 CPU 发送中断信号。
- CPU 现场保存后，通过询问中断控制器，确定中断源（中断号）。
- 通过中断号，找到对应的中断处理程序。
- 中断处理结束后，
- 原运行在核心态：恢复现场，转向被中断的任务继续执行。
- 原运行在用户态：检查调度标志、信号设置标志（runrun）。如果被设置，进行相应处理。否则恢复现场，继续执行。
设备的四类资源¶
- I/O 地址
- 需要把单个设备的 I/O 编址映射到系统全局编址。
- I/O 中断请求
- 中断控制器支持的中断数量有限，每个进行了编号。设备接入系统后，需要分配中断号。
- I/O 通道
- I/O 通道是一种 硬件 设施，带有专用处理器的，可以独立地完成系统处理器交付的 I/O 操作任务
- 通道具有自己专门的指令集，即通道指令。通道执行来自处理器的通道程序，完成后只需向系统处理器发出中断，请求结束。
- DMA 数据传输通道
- 内存和 I/O 设备之间的自动化数据通路，在主存和 I/O 设备之间成块传送数据过程中，不需要 CPU 干预，CPU 资源的利用率再次得到提高 。
- DMA 不仅设有中断机构，而且，还增加了 DMA 传输控制机构（类似于 CPU）。
- I/O 缓冲区
- 缓存区需求：
- 提高 CPU 和外设的并行度
- 缓解外设速度慢的瓶颈
- 缓冲区分类：
- 硬件缓冲：有些设备中会包含专门的硬件寄存器等用于缓冲。
- 软件缓冲：直接在主存中。
- 单缓冲：一个缓冲，外设和 CPU 互斥进行操作。
- 双缓冲：设置两个缓冲区，交替使用。
- 循环缓冲：类似于循环队列，依次使用。
- 缓冲池：系统维护一组大小相同的缓冲区，进程和设备按需要申请，使用完后重新归入缓冲池中。
- 缓存区需求：
设备分配¶
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设备分配表
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设备控制表（device control table，DCT）
- 一张 DCT 对应一个设备
- 有指向 COCT 的指针
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控制器控制表（controller control table，COCT）
- 一张 COCT 对应一个控制器
- 有指向 CHCT 的指针
- 通道控制表（channel control table，CHCT）
- 一张 CHCT 对应一个通道
- 有指向 COCT 的指针
- 系统设备表（system device table，SDT）
- 一张 SDT 对应一个系统
- 有指向 DCT 的指针
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设备分配方式
- 静态分配
- 用于对独占设备的分配，在用户作业开始执行前由系统一次性分配该作业所要求的全部设备。
- 静态分配方式不会出现死锁，但设备的利用率低。因此，静态分配方式不符合分配的总原则。
- 动态分配
- 在进程执行过程中根据执行需要进行。
- 动态分配方式有利于提高设备的利用率，但如果分配算法使用不当，则有可能造成进程死锁。
- 静态分配
上层统一接口¶
- 统一标识，统一操作
- 操作：抽象为文件名-文件操作
- 主设备号：可以找到相应的设备驱动程序
- 次设备号：指定具体的物理设备
设备驱动程序¶
- 设备驱动程序是操作系统内核的一部分，负责与硬件设备进行通信。
- 设备驱动程序的主要功能包括：
- 初始化设备：在设备启动时进行初始化设置。
- 处理 I/O 请求：接收来自上层的 I/O 请求，并将其转换为设备可以理解的格式。
- 处理中断：响应设备发出的中断信号，处理设备状态变化。
- 错误处理：处理设备操作中的错误情况。