设备管理 -- I/O系统

---- 计算机系统的一个重要组成部分是I/O系统。在该系统中包括有用于实现信息输入、输出和存储功能的设备和相应的设备控制器，

在有的大、中型机中，还有I/O通道或I/O处理机。设备管理的对象主要是I/O设备，还可能要涉及到设备控制器和I/O通道。

---- 设备管理的基本任务是完成用户提出的I/O请求，提高I/O速率以及提高I/O设备的利用率。

---- 设备管理的主要功能有：缓冲区管理、设备分配、设备处理、虚拟设备及实现设备独立性等。

由于I/O设备不仅种类繁多，而且它们的特性和操作方式往往相差甚大，是OS中最繁杂且与硬件最紧密相关的部分。

1、I/O设备的类型

1）按设备的使用特性分类

---- 第一类是存储设备。也称外存或后备存储器、辅助存储器。存取速度较内存慢，但容量大，价格便宜。

---- 第二类是输入/输出设备。又具体可分为输入设备、输出设备和交互式设备。输入设备用来接收外部信息，如键盘、鼠标、扫描仪等。

输出设备是用于将计算机加工处理后的信息送向外部的设备，如打印机、显示器等。交互式设备则是集成上述两类设备，利用输入设备

接收用户命令信息，并通过输出设备（主要是显示器）同步显示用户命令以及命令执行的结果。

2）按传输速率分类

---- 低速设备。传输速率为每秒钟几个字节至数百个字节的一类设备。有键盘、鼠标等。

---- 中速设备。传输速率在每秒钟数千个字节至数十万个字节的一类设备。有行式打印机、激光打印机等。

---- 高速设备。十几兆到千兆字节。磁带机、磁盘机、光盘机等。

3）按信息交换的单位分类

---- 第一类是块设备（Block Device），这类设备用于存储信息。信息的存取是以数据块为单位，属于有结构设备。典型的块设备是磁盘，

每个盘块的大小是512B～4KB。磁盘设备的基本特征是其传输速率较高，通常每秒钟为几兆位；另一特征是可寻址，即对它可随机地读/写

任一块；此外，磁盘设备的I/O常采用DMA方式。

---- 第二类是字符设备（Character Device），用于数据的输入和输出。其存取的基本单位是字符，故称为字符设备，属于无结构类型。

字符设备的基本特征是其传输速率较低，通常为几个字节至数千字节；另一特征是不可寻址，即输入/输出时不能指定数据的输入源地址及

输出的目标地址，字符设备在输入/输出时，常采用中断驱动方式。

4）按设备的共享属性分类

---- 独占设备。指在一段时间内只允许一个用户（进程）访问的设备，即临界资源。因而，对多个并发进程而言，应互斥地访问这类设备。

系统一旦把这类设备分配给了某进程后，便由该进程独占，直至用完释放。大多数低速设备都属于独占设备。

---- 共享设备。这是指在一段时间内允许多个进程同时访问的设备。当然，对于每一时刻而言，该类设备仍然只允许一个进程访问。

共享设备必须是可寻址的和可随机访问的设备。典型的共享设备是磁盘。共享设备不仅可获得良好的设备利用率，而且它也是实现文件系统

和数据库系统的物质基础。

---- 虚拟设备。这是指通过虚拟技术将一台独占设备变换为若干台逻辑设备，供若干个用户（进程）同时使用。

2、设备与控制器之间的接口

-- 通常，设备并不是直接与CPU进行通信，而是与设备控制器通信，因此，在I/O设备中应含有与设备控制器之间的接口。

接口中有三种类型的信号：（见下图），各对应一条信号线。

   

1）数据信号线。这类信号线用于在设备和设备控制器之间传送数据信号。对输入设备而言，由外界输入的信号经转换器转换后所形成的数据，

通常先送入缓冲器中，当数据量达到一定的比特（字符）数后，再从缓冲器中通过一组数据信号线传送给设备控制器。对输出设备而言，则是

将从设备控制器经过信号线传送来的一批数据先暂存于缓冲器中，经转换器做适当转换后，再逐个字符地输出。

2）控制信号线。这是作为由设备控制器向I/O设备发送控制信号时的通路。该信号规定了设备将要执行的操作，如读操作（指由设备向控制器

传送数据）或写操作（设备从控制器接收数据），或执行磁头移动等操作。

3）状态信号线。用于传送指示设备当前状态的信号。设备的当前状态有正在读（或写），设备已读/写完成，并准备好新的数据传送。