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设备管理

设备概述

计算机常见 IO 设备

  • 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

  • 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。

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。

设备分配

  • 设备分配表

    • 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

      DCT

    • 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

  • 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。

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。