设备管理篇

设备控制器：位于 CPU 和 I/O 之间，其接收来自 CPU 的指令，并控制 I/O 设备。

🌟I/O 控制方式

1. 程序直接控制方式：向 CPU 和 I/O 设备设备控制器发出命令之后，然后就需要一直检测状态寄存器的值，判断是否结束任务，结束之后再去执行下一个任务。
2. 中断控制方式：当 CPU 向设备控制器发出启动指令后，则去做其他工作，设备控制器完成任务后，则会发送一个中断指令，告诉他，我已经完成任务了，然后让其继续回来处理任务。但是这样也存在问题，中断过多的话，则会耗费大量 CPU 时间。
3. DMA 控制方式：数据传输的基本单位是块，然后传输过程是 DMA 控制器直接于内存交换，仅在传送一个或多个块的开始或结束时，才需 CPU 干预。中断控制方式在每个数据传输完之后中断 CPU，DMA 是一批数据全部传输完才进行中断。
4. 通道控制方式：通道控制方式和 DMA 类似，但是所需要的 CPU 干预更少，我们可以将他理解成一个简单的控制器，代理 CPU 进行处理。

控制方式	数据传输单位	CPU干预频率	硬件复杂度	主要优点	主要缺点	典型应用场景
程序直接控制	字节/字	全程参与	低	实现简单	CPU利用率极低（忙等待）	早期嵌入式设备
中断控制	字节/字	每次传输后中断	中	支持多任务并行	高频中断导致CPU开销大	鼠标、键盘等低速设备
DMA控制	数据块	整块传输开始/结束时	高	大幅减少CPU干预	需要专用DMA控制器	磁盘、网卡等高速设备
通道控制	数据块组	仅需初始化和结束时	最高	近乎完全解放CPU	需要复杂通道处理器	大型机、高性能存储系统

关键特性对比

维度	程序直接控制	中断控制	DMA控制	通道控制
数据流向	CPU↔设备	CPU↔设备	设备↔内存	设备↔内存
并行能力	无	有限	较强	强
硬件成本	几乎为零	低	中等（DMA芯片）	高（通道处理器）
传输效率	极低	低-中	高	极高
典型延迟	微秒级	毫秒级	纳秒级	纳秒级

I/O 软件的层次结构

I/O 子系统

I/O 核心子系统是设备控制的各类方法，其提供的主要服务就是 I/O调度，高速缓存与缓冲区、设备分配与回收、假脱机。

I/O调度：就是确定一个好的顺序来执行 I/O 请求。因为应用程序所发布系统调用顺序不一定总是最佳选择，所以需要通过调度来改善系统的整体性能。主要是通过重新安排任务队列顺序以改善系统总体调用。

引入缓存：引入缓冲后可以降低设备对 CPU 的中断频率，放宽对中断响应时间的限制。

缓存的分类

• 单缓存
• 双缓存：可以交替使用，提高并行速度
• 循环缓存

假脱机技术

这个是经常用到的，我们系统中有一些独占设备，然后某个进程获得了独占设备的使用权，但是却不经常使用，却又卡着让别人用不了，这就造成了资源的浪费，所以我们将独占设备改造成共享设备，提高利用率。

主要原理是，利用输入缓冲区，输入井，输出缓冲区，输出井来完成。

操作系统中的时钟是什么

时钟(Clocks) 也被称为 定时器(timers)，时钟/定时器对任何程序系统来说都是必不可少的。时钟负责维护时间、防止一个进程长期占用 CPU 时间等其他功能。时钟软件(clock software) 也是一种设备驱动的方式。下面我们就来对时钟进行介绍，一般都是先讨论硬件再介绍软件，采用由下到上的方式，也是告诉你，底层是最重要的。

时钟硬件

在计算机中有两种类型的时钟，这些时钟与现实生活中使用的时钟完全不一样。

• 比较简单的一种时钟被连接到 110 V 或 220 V 的电源线上，这样每个 电压周期 会产生一个中断，大概是 50 - 60 HZ。这些时钟过去一直占据支配地位。
• 另外的一种时钟由晶体振荡器、计数器和寄存器组成，示意图如下所示

这种时钟称为 可编程时钟 ，可编程时钟有两种模式，一种是 一键式(one-shot mode)，当时钟启动时，会把存储器中的值复制到计数器中，然后，每次晶体的振荡器的脉冲都会使计数器 -1。当计数器变为 0 时，会产生一个中断，并停止工作，直到软件再一次显示启动。还有一种模式是 方波(square-wave mode) 模式，在这种模式下，当计数器变为 0 并产生中断后，存储寄存器的值会自动复制到计数器中，这种周期性的中断称为一个时钟周期。

设备控制器的主要功能

设备控制器是一个 可编址 的设备，当它仅控制一个设备时，它只有一个唯一的设备地址；如果设备控制器控制多个可连接设备时，则应含有多个设备地址，并使每一个设备地址对应一个设备。

设备控制器主要分为两种：字符设备和块设备

设备控制器的主要功能有下面这些

• 接收和识别命令：设备控制器可以接受来自 CPU 的指令，并进行识别。设备控制器内部也会有寄存器，用来存放指令和参数
• 进行数据交换：CPU、控制器和设备之间会进行数据的交换，CPU 通过总线把指令发送给控制器，或从控制器中并行地读出数据；控制器将数据写入指定设备。
• 地址识别：每个硬件设备都有自己的地址，设备控制器能够识别这些不同的地址，来达到控制硬件的目的，此外，为使 CPU 能向寄存器中写入或者读取数据，这些寄存器都应具有唯一的地址。
• 差错检测：设备控制器还具有对设备传递过来的数据进行检测的功能。

什么是 DMA

DMA 的中文名称是 直接内存访问，它意味着 CPU 授予 I/O 模块权限在不涉及 CPU 的情况下读取或写入内存。也就是 DMA 可以不需要 CPU 的参与。这个过程由称为 DMA 控制器（DMAC）的芯片管理。由于 DMA 设备可以直接在内存之间传输数据，而不是使用 CPU 作为中介，因此可以缓解总线上的拥塞。DMA 通过允许 CPU 执行任务，同时 DMA 系统通过系统和内存总线传输数据来提高系统并发性。

直接内存访问的特点

DMA 方式有如下特点：

• 数据传送以数据块为基本单位
• 所传送的数据从设备直接送入主存，或者从主存直接输出到设备上
• 仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时才需 CPU 的干预，而整块数据的传送则是在控制器的控制下完成。

DMA 方式和中断驱动控制方式相比，减少了 CPU 对 I/O 操作的干预，进一步提高了 CPU 与 I/O 设备的并行操作程度。

DMA 方式的线路简单、价格低廉，适合高速设备与主存之间的成批数据传送，小型、微型机中的快速设备均采用这种方式，但其功能较差，不能满足复杂的 I/O 要求。