1.1 设备及设备管理的功能

计算机系统中，通常把处理机和内存之外的部分称为外设（或I/O设备）。

1.1.1设备分类

根据设备用途可分为两类：

1.存储设备

用于存储信息的设备，存取信息的基本单位为字符块。

2.输入/输出设备

主机从外界接受信息与外界发送信息的设备，存取信息的基本单位为字符。

 

 

1.2 I/O控制方式

设备管理的主要任务之一，是控制设备和内存，CPU之间的数据传输；在此介绍4种常用的传送控制方式。

1.2.1查询等待方式

（1）设备中设置一个状态触发器busy=1（表示正进行数据处理，I/O尚未结束）或0（表示可进行设备传送）。

（2）当设备忙时，CPU需要不停的测试，直至其空闲。处理机利用率较低。

 

1.2.2中断方式

（1）设备的机械工作速度很慢，而CPU的指令执行速度很快。

（2）CPU启动设备进行I/O操作后，无需再检测设备状态，CPU和设备可并行工作。当外设完成I/O操作后，发出中断请时。CPU暂停当前程序的执行，保护号被中断程序的现场信息，响应中断请求，执行中断处理程序。中断处理完毕后，CPU返回断点，继续执行被中断了的当前程序。

（3）缺点：若多种外设都通过中断方式进行并行操作，那么中断次数将急剧增加，CPU无法响应而出现数据丢失；

中断过程需要保存，恢复断点和中断线程，还需将数据读进CPU，再转往内存，难以满足某些高速外设的速度要求。

 

1.2.3 DMA方式

概念

（1）外设和内存直接通过总线交换数据，CPU不参与交换控制；

（2）总线使用权由CPU转到DMA控制器。

步骤

当进程需要从外设输入数据时

（1）CPU把接受数据的内存地址和字节数送入DMA；

（2）提出请求的进程进入等待状态；

（3）CPU调度其他进程运行

（4）设备数据缓冲器中的数据通过总线写入内存；

（5）DMA在所有数据传送完后，向CPU发送中断信号；

（6）CPU收到后，转入中断处理程序进行后续处理。

缺点

（1）一旦开始传送数据，CPU要让出内存，进行不访问内存的其他操作；

（2）DMA只解决了高速外存与主存的数据传送，对外设的管理和某些操作仍有CPU控制；

 

1.2.4 通道方式

概念

通道相当于一台小型处理机，它接受主机的委托独立地执行通道程序，对外部设备的I/O操作进行控制，以实现内存和外设间成批数据传送。

 

通道的类型

（1）字节多路通道

1）包括若干子通道，每个子通道至少裂解一台低速设备；

2）数据在通道中以字节为单位传输

3）主要用于连接低速设备

 

（2）数据选择通道

1）子通道每次只能控制一台设备，直到该设备的数据传输工作全部结束

2）主要用于连接高速外设。

 

（3）数组多路通道

1）当设备进行数据传送时，通道只为该设备服务，且以数据块为传输单位

2）当设备执行寻址等控制性操作时，通道暂时断开与其连接，转去为其他设备服务。

3）多用于高，中速设备

 

通道程序

（1）通道是一个I/O处理器，与CPU类似，包括运算，控制逻辑，累加器，寄存器；

（2）通道命令规定了设备的各种操作，按照一定的控制结构组织起来的一系列通道命令，称为通道程序

 

通道的I/O启动与结束

 

1.3 缓存技术

1.3.1 缓存技术引入的目的

（1）缓解CPU与I/O设备速度不匹配的矛盾

（2）减少对CPU的中断次数，放宽CPU对中断响应时间的要求。

 

1.3.2缓存的种类

1.硬件缓冲器：价格贵，速度块，容量不大

2.软件缓冲器：在内存中划出一块区域做缓冲器

 

1.4中断技术

（1）为解决CPU和外设的速度悬殊，提高CPU处理效率，中断技术被提出

（2）中断的优点是：只有在I/O需要服务时，才能得到CPU响应，而不是CPU不断的查询

1.4.1 中断的概念

CPU在正常运行程序时，由于程序的预先安排或内外部事件，引起CPU终止正在运行的程序，而转去执行预先安排好的程序或内外部时间处理程序，当处理程序执行完后再返回到被中止的程序继续运行。

1.4.2 中断的类型

外部中断：掉电，设备运行完成，设备故障等；

内部中断：运行程序发送意外而产生，如溢出，操作地址错误等；另一种是有运行程序需要产生的，如系统调用。

1.4.3 中断的过程

 

1.5 设备分配

（1）设备是系统的硬件资源，在多道程序环境中，并发运行的进程共享设备资源；

（2）进程需要使用设备时，向管理程序提出申请，等待资源分配