设备管理---设备驱动程序、设备无关性、缓冲区管理

时间  2020-01-16 标签 设备管理 设备 驱动程序 设备 无关 性 缓冲区 管理

1、设备驱动程序

设备驱动程序是I/O系统的高层与设备控制器之间的通讯程序。其主要任务：
①接收上层软件发来的抽象I/O要求，如read、write等命令；
②再把它转化为具体要求，发送给设备控制器，启动设备去执行。
③反方向，它也将由设备控制器发来的信号，传送给上层软件。web

  1. 驱动程序的功能
    (1)接收由与设备无关的软件发来的命令和参数，并将命令中的抽象要求，转换为与设备相关的低层操做序列；
    (2)检查用户I/O请求的合法性，了解I/O设备的工做状态，传递与I/O设备操做有关的参数，设置设备的工做方式；
    (3)发出I/O命令，若是设备空闲，便当即启动I/O设备，完成指定的I/O操做；若是设备忙碌，则将请求者挂在设备队列上等待；
    (4)及时响应由设备控制器发来的中断请求，并根据其中断类型，调用相应的中断处理程序进行处理。并发

  2. 设备驱动程序的特色
    (1)驱动程序是与设备无关的软件和设备控制器之间通讯和转换的程序。
    (2)驱动程序与设备控制器和I/O设备的硬件特性，紧密相关。
    (3)驱动程序与I/O设备所采用的I/O控制方式紧密相关。
    (4)因为驱动程序与硬件紧密相关，于是其中的一部分必须用汇编语言编写。
    (5)驱动程序应容许可重入，一个正在运行的驱动程序常会在一次调用完成前被再次调用。svg

  3. 设备处理方式
    (1)为每一类设备设置一个进程，专门用于执行这类设备的I/O操做。这种方式比较适合于较大的系统；
    (2)在整个系统中设置一个I/O进程，专门用于执行系统中全部各种设备的I/O操做。也能够设置一个输入进程和一个输出进程，分别处理系统中的输入或输出操做；
    (3)不设置专门的设备处理进程，而只为各种设备设置相应的设备驱动程序，供用户或系统进程调用。这种方式目前用得较多。操作系统

  4. 驱动程序处理过程
    在这里插入图片描述
    一次I/O由“驱动程序+中断程序”一块处理完成.net

  5. I/O控制方式
    （1）程序I/O方式
    （2）中断驱动I/O方式
    ①CPU向相应的设备控制器发出一条I/O命令
    ②而后当即返回继续执行任务。
    ③设备控制器按照命令的要求去控制指定I/O设备。
    ④这时CPU与I/O设备并行操做。
    ⑤I/O设备输入数据中，无需CPU干预，于是可以使CPU与I/O设备并行工做。从而提升了整个系统的资源利用率及吞吐量。
    （3）直接存储器访问DMA（字节—块）
    ①特色：
    a.数据传输的基本单位是数据块；
    b.所传送的数据是从设备直接送入内存的，或者直接从内存进设备；不须要CPU操做。
    c.CPU干预进一步减小：仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需CPU干预，整块数据的传送是在控制器的控制下完成的。xml

    ===>DMA方式又是成百倍的减小了CPU对I/O的干预，进一步提升了CPU与I/O设备的并行操做程度。blog

    ②DMA控制器中的寄存器
    a.数据寄存器DR：暂存设备到内存或从内存到设备的数据。
    b.内存地址寄存器MAR：它存放把数据从设备传送到内存的起始的目标地址或内存原地址。
    c.数据计数器DC：存放本次CPU要读或写的字（节）数。
    d.命令/状态寄存器CR：用于接收从CPU发来的I/O命令或有关控制和状态信息。队列

    ③DMA工做过程
    在这里插入图片描述
    （4）I/O通道控制方式（组织传送的独立）
    CPU、通道和I/O设备三者的并行操做，提升整系统资源利用率
    宗旨：减小主机对I/O控制的干预，将CPU从繁杂的I/O控制事物中解脱出来。进程

2、与设备无关的I/O软件

设备无关的软件是I/O系统最高层软件，但它和其下的设备驱动程序之间的界限，将随操做系统和设备的不一样而有所差别。图片

  1. 好处：
    （1）设备分配时的灵活性
    （2）易于实现I/O重定向
  2. 全部设备的公有操做：
    （1）独立设备的分配与回收
    （2）逻辑设备映射为物理设备
    （3）设备保护
    （4）缓冲管理
    （5）差错控制
    （6）控制方式
  3. 分配
    I/O请求->设备->控制器->通道

3、缓冲区管理

  • I/O控制方式减小CPU对I/O的干预提升利用率；
  • 缓冲则经过缓和CPU和I/O设备速度不匹配矛盾，增长CPU和I/O设备的并行性，提升利用率。
  • 现代OS中，几乎全部的I/O设备与处理机交换数据时，都用了缓冲区。

  1. 引入缓冲区的主要缘由：
    （1）缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。
    （2）缓冲区数据成批传入内存，也可进一步减小对CPU的中断频率
    （3）最终目的：提升CPU和I/O设备的并行性

  2. 使用缓冲区的方式：
    设备速度差距越大，缓冲区容量越大
    （1）单缓冲、多缓冲
    双缓冲：
    两个缓冲区，CPU和外设再也不针对一块交替
    可能实现连续处理无需等待对方。前提是CPU和外设对一块数据的处理速度相近。
    另外还可实现双向通信
    ===>单缓冲和双缓冲的时间计算
    多缓冲：
    可增长缓冲区数量，同时进行必定的多缓冲管理入和出的同步
    组织形式：循环缓冲、缓冲池
    （2）循环缓冲
    设置多块缓冲区
    用循环结构组织，只供两个相关进程使用
    顺一个方向放入或取出
    循环缓冲的问题:
    不能同时双向通信
    利用率不高。缓冲区是专用缓冲。 系统并发程序不少时，许多这样的循环缓冲须要管理，比较复杂 （3）缓冲池（Buffer Pool） 在池中设置多个可供若干个进程共享的缓冲区。 缓冲池：可双向缓冲；缓冲区总体利用率高

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