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1、第十四讲 设备控制原理、设备使用方法目的与要求：掌握I/O控制的原理、设备的使用方法。重点与难点：三种不同的I/O控制方式；三种不同的设备使用方法。作业：2，3，4，5,第六章 设备管理6.1 I/O硬件概念,1.常见外部设备的分类,人机交互设备(字符设备,通常发送接收以字符方式)存储类型设备(块设备,读写以数据块方式）网络通讯的设备,I/O设备的差别设备的使用目的不同控制的复杂性不同数据传输单位不同,2.设备控制器（I/O部件）,I/O设备通常包含一个机械部件和一个电子部件。电子部件被称作I/O部件或设备控制器。,操作系统一般只与控制器打交道，而非设备本身。,早期CPU是直接控制外部设备的，
2、在引入I/O部件之后，I/O指令功能加强，才将CPU逐渐从与外设的交互细节中解放出来。,PCI总线控制器,处理机,内存,显卡,外设,光盘,磁盘,IDE总线控制器,外设控制器,控制器,控制器,连接CPU、内存、设备控制器和I/O设备模型,控制器的任务是在外部设备与CPU（或内存）之间完成比特流（或外部信号）和字节块（流）之间的转换。,字符显示控制器,主存经CPU,显示信号,字节流,转换,每个控制器都有一些用来与CPU通讯的I/O寄存器。操作系统通过向这些寄存器写命令字来实现I/O功能。,IBM PC的I/O地址,3.输入输出控制方式,一、程序直接控制方式,CPU直接控制I/O操作的全过程，包括发
3、送读写命令、传输数据、测试设备状态。,因此，处理机指令集应包括控制类、测试类、读写类I/O指令。,I/O部件接收到相应的命令后，将I/O状态寄存器的相应位置上。随着操作的执行更改状态位，由CPU执行相应指令读取I/O完成状态。I/O数据通过CPU寄存器转发。,向I/O部件发读命令,读I/O部件状态寄存器,检查状态,从I/O部件读字数据,将该字写入内存,未OK,OK,出错,该块读完？,OK,下一指令,未OK,二、中断控制方式,CPU向I/O部件发出命令后，转去做其他有用的工作。当I/O部件准备好数据后，利用中断通知CPU，再由CPU完成数据传输。,CPU不必反复测试寄存器状态，节约了时间。但总体
4、看来，中断控制方式仍然消耗大量的CPU时间，因为每个字的数据传输都必须经过CPU寄存器转发。,向I/O部件发读命令,读I/O部件状态寄存器,检查状态,从I/O部件读字数据,将该字写入内存,OK,出错处理,该块读完？,OK,下一指令,未OK,中断,三、DMA方式,前两种方式的缺陷：I/O的传输速率受CPU测试或中断响应的速度限制 CPU为管理I/O耗费大量时间。,DMA（直接内存存取）负责完成整个I/O操作，无需再经CPU寄存器转发，并在全部传输结束后向CPU发中断信号。,CPU向DMA部件发送I/O命令后，即可进行其他工作。给DMA的命令中应包括：操作类别、I/O设备的地址、读写数据在内存中的
5、首地址、字数。,向DMA部件发读命令,读取DMA部件状态,中断,下一条指令,DMA的功能可以以独立的DMA部件在系统I/O总线上完成，也可整合到I/O部件中完成。读写内存时，DMA部件需要控制总线，CPU可能在涉及存储访问时因此而忙等待。,CPU直接控制外部设备,引入I/O部件，CPU直接控制I/O部件,引入中断驱动方式,引入DMA,I/O通道或I/O处理机,输入输出控制方式的发展过程,6.2设备I/O子系统,6.2.1.设备的使用方法一、设备相关系统调用简介 申请设备。该系统调用中有参数说明了要申请的设备名称，操作系统处理该系统调用时，会按照设备特性（是独占还是分时共享式使用）及设备的占用情
6、况来分配设备，返回申请是否成功标志。将数据写入设备。从设备读取数据。释放设备。这是申请设备的逆操作。,说明：上述的系统调用主要用于对人机交互类慢速外设的使用。对于存储类外设，用户程序一般通过对文件的访问，由文件管理模块读写存储外设间接使用它们，系统也提供直接使用存储类外设的接口供高级应用程序使用。对于网络通讯外设，用户级程序也不直接使用它们，用户通过SOCKET通讯系统调用接口调用TCP/IP层程序，由IP层程序选择调用网络通讯设备驱动程序。,在UNIX中，你也可以用如下的系统调用将数据直接写入软盘中：fd=open(“/dev/fd0”,ORDRW)；申请软盘，/dev/fd0代表软盘。ls
7、eek(fd,1024,0)；将软盘当前I/O位置定位到1024字节位置。Write(fd,buffer,36)；将用户缓冲区buffer中的36个字节写入软盘10241059字节。close(fd)；释放软盘。显然，这样的使用方式绕过了文件管理，而直接读写软盘空间。当然你必须清楚软盘的什么位置存放了什么信息，你才能做到正确的读写。,二、独占式使用设备 所谓独占式使用设备是以一次设备使用过程（包含多次I/O操作）为单位使用设备。在申请设备时，如果设备空闲，就将其独占，不再允许其它进程申请使用，一直等到该设备被释放，才允许被其它进程申请使用。,三、分时式共享使用设备 独占式使用设备时，设备利用率
8、很低。如果一个逻辑上完整的数据可以用设备的一次I/O操作完成，那么我们就不必要独占该设备。反过来说，如果一次I/O操作的数据逻辑上完整，我们就不必要对该设备进行独占方式的申请使用。在申请这种设备时，不必检查是否已被占用，只要简单累加设备使用者计数即可。所谓分时式共享就是以一次I/O为单位分时使用设备，不同进程的I/O操作请求以排队方式分时地占用设备进行I/O。,四、SPOOLing方式使用外设SPOOLing 技术是在批处理操作系统时代引入的，即所谓假脱机输入输出技术。把这种技术用于对设备的使用实质就是对输入输出数据成批处理。例如:同一进程所有输出数据在进程运行时被写到同一文件当中，文件排到打印输出队列，打印进程申请占用打印机后，成批读出文件中数据，并送打印机打印出去。,
