第9章設備管理在計算機系統中，除了CPU和內存之外，其他的大部分硬件設備稱為外部設備；外部設備包括常用的輸入輸出設備、外存設備以及終端設備等；外部設備種類繁多，特性各異，操作方式的差別也很大，從而使得操作系統的設備管理變得十分復雜；9.1設備管理概述

9。1。1設備分類

計算機設備種類繁多，從不同的角度出發，設備可分成不同的類型。下面列舉幾種常見的分類方法。按設備從屬關系：系統設備和用戶設備；按設備使用特性：存儲設備和I/O設備；按設備共享屬性：獨占設備，共享設備，虛擬設備：。

按信息交換單位：字符設備，塊設備；9。1。2設備管理的任務和功能

設備管理的兩項主要任務是分配設備和實現用戶提出的I/O請求，在完成這兩項任務時既要兼顧方便用戶使用又要提高I/O設備的利用率；為了完成上述任務，設備管理應具備以下功能：

1，設備分配：根據用戶的請求，為之分配設備，包括控制器和通道；

2，設備處理：實現具體的I/O操作；

3，緩沖管理：緩沖管理負責I/O緩沖區的分配和釋放及有關管理工作；

4，設備獨立性：又稱設備無關性，是指實現用戶編制程序時所使用的邏輯設備與物理設備的無關性。9。1。3設備控制器和I/O通道設備一般由機械和電子兩部分組成，電子部分通常稱為設備控制器。在微機中，又稱為適配器、接口板或設備卡；控制器處于CPU與I/O設備之間，它接收從CPU發來的命令，并控制I/O設備的工作；控制器是一個可編址設備，當它控制一個設備時有一個設備地址，當它控制多個設備則應有多個設備地址；具體地講，設備控制器有以下功能：

1，接收和識別來自CPU的命令；

2，實現CPU與設備之間的數據交換；

3，記錄設備的狀態以供CPU查詢；

4，識別控制的每個設備地址，以選擇設備；設備控制器的組成設備控制器由三部分組成：設備控制器與處理機的接口：實現CPU與設備控制器之間的通信；設備控制器與設備的接口：實現設備與設備控制器之間的通信；I/O邏輯：實現對設備的控制，它負責接收命令、對命令進行譯碼、再根據譯出的命令控制設備。設備控制器組成圖CPU與控制器的接口控制器與設備的接口數據寄存器控制/狀態寄存器I/O邏輯控制器與設備的接口控制器與設備的接口┆數據狀態控制數據狀態控制數據線地址線控制線┆I/O通道I/O通道（Channel）是大型機或巨型機上專門負責輸入/輸出工作的處理機。它具有執行通道指令（在IBM上叫通道命令字CCW）的能力，并通過執行通道程序來控制I/O操作的實現，通道程序是通道指令的序列；根據信息交換方式的不同，可將通道分成以下幾種類型：字節多路通道：它通常含有若干個非分配型子通道，每個子通道連接一臺低速字符設備，這些子通道按時間片輪轉方式共享主通道，每次交換一個字節；數據選擇通道：又稱數組選擇通道，該通道含有一個分配型子通道，子通道連接高速塊設備。在一段時間內只能執行一個通道程序，控制一臺設備傳送一批數據，當一道程序執行完后，再選擇與通道相連的另一臺設備；數據多路通道：又稱數組多路通道，該通道是前兩種通道的結合，它以分時方式執行幾個通道程序，執行某個通道程序，為某臺設備傳送一組數據后，就轉向另一個通道程序為另一臺設備服務；9。1。4I/O系統結構I/O系統結構不盡相同，大致分成兩類：無通道的I/O系統結構；有通道的I/O系統結構；無通道的I/O系統結構微型機I/O系統是無通道的，多采用總線I/O系統結構，CPU和內存直接連接到總線上，I/O設備通過設備控制器連接到總線上。磁盤驅動器CPU存儲器磁盤控制器打印機控制器其他控制器…打印機有通道的I/O系統結構當系統的設備較多，若所有設備都通過總線與CPU通信則總線的負擔過重。為此在I/O系統結構中增加了一級I/O通道。

存儲器通道1通道2控制器2控制器3控制器1控制器4設備1設備2設備3設備4設備5設備6設備7設備8多通路I/O系統示意圖多通路系統使得設備之間可以與控制器和通道交叉連接，這樣每臺設備就有多條與主機交換信息的通路，從而減少了通道和控制器的數量和提高了它們的利用率。存儲器通道1通道2控制器2控制器1設備1設備3設備5設備79.2I/O控制方式在《計算機組成原理》里已經講過，常用的I/O控制方式有以下幾種：程序直接控制方式；中斷控制方式；直接存儲器存?。―MA）控制方式；通道控制方式；外圍處理機方式；程序直接控制方式流程工作方式簡單，但占用了很多CPU機時；向I/O控制器發出讀命令讀I/O控制器的狀態傳送完成？檢查狀態？從I/O控制器中讀入數據就緒向存儲器中寫入數據繼續往下未就緒YN出錯中斷控制方式流程這種方式主要用于字符設備；數據是在中斷處理時傳送的；CPU可與設備并行工作；向I/O控制器發出讀命令讀I/O控制器的狀態傳送完成？檢查狀態？出錯從I/O控制器中讀入數據就緒向存儲器中寫入數據NY執行下條指令CPU做其他事情中斷DMA控制方式

DMA控制方式的思想是在設備與內存之間設置一個DMA控制器，在控制器的控制下，設備和內存之間可以成批地進行數據交換，每交換一塊中斷一次CPU；在一塊數據傳送期間，CPU并行工作；這種方式主要用于塊設備；為實現內存與設備之間成塊數據的直接交換，必須在DMA控制器中設置如下寄存器：命令/狀態寄存器CR：存放命令及狀態；內存地址寄存器MAR：存放內存起始地址；數據寄存器DR：中轉傳送的數據；數據計數器DC：計數傳送的字（節）數；DMA控制器的組成控制器與塊設備的接口主機-控制器接口DRI/O控制邏輯系統總線命令CPU內存countMARDCCRDMA控制器DMA工作過程設置MAR和DC初值請求中斷啟動DMA傳送命令挪用存儲器周期傳送數據字存儲器地址加1；字計數寄存器減1NYDC=0?準備又一次傳送通道控制方式

通道控制方式是DMA控制方式的發展，它所需的CPU干預更少；通道控制方式與DMA方式類似，也是一種以內存為中心，實現設備與內存直接交換數據的控制方式；在通道控制方式中，CPU只需發出啟動指令，指出要求通道執行的操作和使用的I/O設備，該指令就可以啟動通道并使該通道從內存中調出相應的通道程序執行。以輸入為例，其過程為：通道工作過程CPU做其他事情中斷向通道發讀命令并指明使用的設備進行中斷處理讀出通道程序并設置控制器中的狀態寄存器執行通道程序控制設備輸入數據傳輸結束發中斷9.3緩沖技術在現代計算機系統，外部設備與主機的信息交換都是要經過緩沖存儲器的，因此，緩存管理也是設備管理的重要組成部分。9。3。1緩沖的引入引入緩沖的主要原因有：緩和CPU及各種設備之間速度不匹配的矛盾；提高CPU與I/O設備并行工作的程度；減少設備對CPU的中斷頻率，放寬CPU對中斷響應時間的限制；實現一次I/O信息的重復使用；緩存使用的說明

緩存使用的說明：左，緩沖設備之間速度不匹配的矛盾；右，一次I/O信息多次使用；內存緩存緩存內存卡片機打印機磁盤進程A進程B緩沖實現技術緩沖的實現技術分為：單緩沖；雙緩沖；循環緩沖；緩沖池；1.單緩沖單緩沖是在設備和處理機（或設備）之間設置一個緩沖區；以塊設備I/O為例，輸入時，先把一塊數據輸入至緩沖區，然后OS將緩沖區中的數據送到用戶區；在塊設備輸出時，先將要輸出的數據從用戶區復制到緩沖區，然后再將緩沖區中的數據寫到設備上；設從設備輸一塊信息到緩存的時間為t，OS將緩存的信息傳送到用戶區的時間為m，CPU計算的時間為c，則系統處理一塊信息的時間為max(c,t)+m；磁鼓緩存進程用戶區tm進程計算c2.雙緩沖引入雙緩沖，可以進一步提高處理機與設備的并行操作度；在塊設備輸入時，可先將第一個緩沖區裝滿，之后便裝填第二個緩沖區，與此同時OS可將第一個緩沖區中的數據傳到用戶區；當第一個緩沖區中的數據處理完后，若第二個緩沖區已裝滿，則處理機又可處理第二個緩沖區中的數據，而設備又可裝填第一個緩沖區。如此循環；在與前面的假設相同的情況下，此時處理一塊信息的時間為：max（t，c）；操作系統I/O設備輸入用戶進程傳送3.循環緩沖循環緩沖中包含多個大小相等的緩沖區，每個緩沖區中有一個指針指向下一個緩沖區，最后一個緩沖區的指針指向第一個緩沖區，由此構成一個環形；循環緩沖用于輸入/輸出時，還需要兩個指針in和out；對于輸入而言，in指向下一個可用的空緩沖區，out指向下一個可以提取數據的滿緩沖區。對輸出而言正好相反；由于循環緩沖由多個緩沖區組成，使得用戶進程有足夠的緩沖區使用，從而提高了運行速度；操作系統I/O設備輸入用戶進程傳送inout4.緩沖池前面三種緩沖技術都是將一個或多個緩存分給一個進程固定使用，當進程較多時，緩存的空間開銷很大。緩沖池由多個緩沖區組成，使用的是動態分配策略，即這些緩沖區是所有進程共用的，是動態地分配和回收的。這樣就可以有限數量的緩存滿足多個進程的需要；緩沖池中有三種類型的緩沖區隊列：空緩沖隊列：由空閑緩沖區構成的隊列；輸入隊列：裝滿輸入數據的緩沖區隊列；輸出隊列：裝滿輸出數據的緩沖區隊列；除上述三個隊列之外，還有四種工作緩沖區：用于收容輸入數據的工作緩沖區；用于提取輸入數據的工作緩沖區；用于收容輸出數據的工作緩沖區；用于提取輸出數據的工作緩沖區；9.4設備分配在實際系統中，設備分配有多種方式，如人工分配，以作業為單位的靜態分配等。這里所說的分配，指的是以進程為單位的動態分配；當進程提出設備請求時，設備分配程序便按照一定的策略為其分配設備，必要時還應分配相應的控制器和通道，以保證信息交換通路的暢通；9。4。1設備分配中的數據結構

設備分配依據的主要數據結構有：設備控制表；控制器控制表；通道控制表；系統設備表；設備控制表（DCT）系統為每個設備配置一張設備控制表，用于記錄設備的特性及與I/O控制器連接的情況。設備控制表設備類型設備標識符設備狀態：忙/閑指向控制器表的指針設備等待隊列指針…控制器控制表（COCT）控制器控制表也是每個控制器一張，它反映I/O控制器的使用狀態以及和通道的連接情況?？刂破骺刂票砜刂破鳂俗R符控制器狀態：忙/閑指向通道表的指針控制器等待隊列指針…通道控制表（CHCT）每個通道都配有一張通道控制表，它反映通道的使用狀態。通道控制表通道標識符通道狀態：忙/閑通道等待隊列指針…系統設備表（SDT）系統設備表整個系統一張，它記錄了系統中所有物理設備的情況，每個物理設備占一個表目。系統設備表SDT表目1表目2┆表目n設備類型設備標識符指向設備控制表的指針驅動程序入口9。4。2設備分配策略

系統在進行設備分配時，應考慮以下因素：設備的使用性質；設備分配算法；設備分配的安全性；設備獨立性；設備的使用性質設備使用時有三種類型：獨占：這種設備在一段時間內只允許一個進程使用；共享：這種設備允許多個進程“同時”使用；虛擬：設備本身雖是獨占設備，但經過某種技術處理后可改造成“同時”使用設備。

針對上述三種設備可采用三種不同的分配方式。不同的分配方式獨占式分配：在將一個設備分配給某進程后便一直由它獨占，直至該進程完成或釋放該設備后，系統才能再將該設備分配給其他進程使用；共享式分配：將設備分配給多個進程“同時”使用。但這些進程對設備的使用需要合理調度；虛擬式分配：當進程申請獨占設備時，系統給它分配共享設備上的一部分存儲空間；當進程要與獨占設備交換信息時，系統把要交換的信息存放在這部分存儲空間中；在適當的時候，將設備上的信息傳輸到存儲空間中或將存儲空間中的信息傳送到設備。設備分配算法設備分配通常只采用以下兩種算法：先來先服務：根據進程對某設備發出請求的先后次序，將它們排成一個設備請求隊列，設備分配程序總是把設備首先分配給隊首進程；優先級高者優先：按對某設備提出I/O請求的進程優先級由高到低排隊，對優先級相同的I/O請求，按先來先服務的算法排隊，設備分配程序總是把設備首先分配給隊首進程；設備分配的安全性設備分配的安全性是指在設備分配中應保證不發生進程死鎖；顯然，設備的靜態分配方式是不會產生死鎖的；設備的動態分配是在系統的運行過程中，在進程