1、 第五章 设备管理 在现代计算机系统中，为了实现与外界间的信息交往，更好地方便用户使用计算机，一般都配置了一系列各种类型的外围设备，例如：键盘，打印机，显示器，磁带机，卡片机，磁盘，磁鼓等。这些外围设备，由于其构造和物理特性各异，故在应用方式上风格各不相同，在管理方法上也有很大差别。磁带机硬盘光盘绘图仪扫描仪键盘打印机 为了有效地完成对各类外围设备的管理，更好地提高外设资源的利用率，并在用户面前提供一种方便、统一的接口界面，在操作系统的设备管理子系统中，承担了各种设备的分配、管理及I/O操作控制任务。让用户使用的设备与系统中实际连接的物理设备分离开，使用户在不需要了解底层设备资源的状况下，就可
2、以采用逻辑设备名方便地使用外围设备，而逻辑设备到物理设备的转换工作则由系统自己完成。引言设备类型 在计算机系统中，除了作为操作处理时使用的CPU以及存储信息时用的存储器之外，还有一类比较重要的硬件资源I/O设备。I/O设备是计算机与外界进行信息交换的装置，因此，在各种类型的计算机中都配置有一定数量的I/O设备，这些设备可以从不同的角度进行分类。常见I/O设备分类I/O类外设：显示器、键盘、打印机、扫 描仪、传感器、控制杆、鼠标存储类型的设备：磁盘设备、磁带设备、光盘等网络通信设备：网络接口、调制解调器等存储设备输入输出设备终端设备脱机设备外部设备图1 按使用特性对外部设备的分类常见的分类有下列
3、几种：1.以设备的隶属关系划分：1）系统设备（System Device）：这类设备属于计算机中最基本的标准配置设备，常常在操作系统启动时自动完成设备的登录。如打印机、键盘、显示器和磁盘驱动器等都属于这种类型的设备。2）用户设备（User Device）：这类设备属于非标准配置，可由用户根据实际需要连入系统，在使用之前通过运行对应的驱动程序进行安装、登录。如绘图仪、扫描仪等。2 2按信息组织方式划分：按信息组织方式划分：1 1）字块设备）字块设备（Block DeviceBlock Device）：）：这种设备也称这种设备也称为存储型设备，在其上信息的组织、安排，都为存储型设备，在其上信息的组
4、织、安排，都以块为单位进行，在进行存取访问时，也是以以块为单位进行，在进行存取访问时，也是以块进行计量的。常见的有磁盘驱动器、磁带机、块进行计量的。常见的有磁盘驱动器、磁带机、磁鼓等。磁鼓等。2 2）字符设备）字符设备（Character DeviceCharacter Device）：）：字符设备字符设备上的信息，是以字符为单位来组织安排的上的信息，是以字符为单位来组织安排的,这类这类设备也称为输入设备也称为输入/输出型设备输出型设备.在信息存取调用在信息存取调用时时,都是以字符为单位来访问的。如键盘、纸带都是以字符为单位来访问的。如键盘、纸带输入机、磁卡机等输入机、磁卡机等 属于该类型设备
5、。属于该类型设备。3.从资源分配角度进行划分1)1)独独占占设设备备（Independence Device）：一次只允许分给一个用户作业使用的设备。设备一旦被分出去后，在作业的整个执行期间都被单独占用，别的作业不能与之共用，必须等占用释放后才可再用。这类设备如果分配不当，可能会造成死锁。多数是一些慢速设备，如磁卡机、打印机、A/D、D/A转换器等。2)2)共共享享设设备备（Share Device）：一次可以允许多个作业同时进行访问的设备。各作业在执行期间内，可以交替分时地对共享设备进行占用。常见的有磁盘、磁鼓等。3)3)虚虚拟拟设设备备（Virtual Device）：严格来讲，虚拟设备是
6、一种设备管理的技术。采用该技术可以使慢速独占设备的使用方式变为共享设备的使用方式，以利于独占设备使用效率的提高。在现代计算机系统中，主要采用了SPOOLING系统来实现以完成此功能。4按传输速率分类：1 1 低低速速设设备备：它是指传输速率为每秒钟几个字节至数百个字节的一类设备。属于低速率的典型设备有键盘、鼠标器、语音的输入和输出设备；2 2 中中速速设设备备：它指传输速率在每秒钟数千个字节至数十千个字节的一类设备。属于中速率的典型设备有行式打印机、激光打印机等；3 3 高高速速设设备备：它指传输速率在每秒钟数百千个字节至数兆个字节的一类设备。属于高速率的典型设备有：磁带机、磁盘机、光盘机等。
7、设备管理的主要功能设备管理的主要功能 设设备备管管理理属属于于操操作作系系统统中中最最烦烦琐琐、最最具具复复杂杂性性的的部部分分。为为了了有有效效的的提提高高系系统统中中设设备备的的效效率，在设备管理中应追求如下的目标：率，在设备管理中应追求如下的目标：(1)(1)建立方便、一致的用户界面建立方便、一致的用户界面 (2)(2)尽尽量量使使CPUCPU与与外外围围设设备备、外外设设与与外外设设之之间的并行处理能力提高间的并行处理能力提高 (3)(3)充分发挥充分发挥 I/OI/O设备的效率设备的效率 为实现目标要求,作为设备管理子系统,应具备以下功能：1)完成设备的分配和回收。2)实现缓冲区的管
8、理。3)控制I/O设备的启动。4)进行I/O事件的中断处理。5)管理共享设备的驱动调度。6)提供虚拟设备。I/O设备通常包含：一个机械部件和一个电子部件电子部分称为I/O部件或设备控制器，在个人计算机中它常常是一块可以插入主板扩展槽的印刷电路板。大多数小型和微型机的CPU/内存和设备控制器之间的通路采用多总线模型处理机处理机主存主存显卡总线控制器外设控制器SCSI控制器控制器控制器磁盘磁盘磁盘PCI外设总线主板总线设备驱动程序设备驱动程序接口函数一般包含下列子程序：1、驱动程序初始化函数2、驱动程序卸载函数3、申请设备函数4、释放设备函数5、I/O操作函数6、中断处理函数设备驱动程序通常都是在
9、核心状态下运行的，但是驱动程序代码常位于核心之外。显示器的类型 字符显示器 图形显示器 矢量显示器 位映象显示器CRT（阴极射线管显示器Cathode Ray Tube）发光二极管显示器（LDD）液晶显示器（LCD）等离子显示器（PD）显示驱动程序的功能：将用户程序送来的输出数据转换写入视频缓存。ASCII(GB)字型数组（存储编码）（字库中）汉字交换码是指不同的具有汉字处理功能的计算机系统之间在交换汉字信息时所使用的代码标准。自国家标准GB231280公布以来，我国一直延用该标准所规定的国标码作为统一的汉字信息交换码。GB231280标准包括了67636763个汉字个汉字，按其使用频度分为一
10、级汉字37553755个和二级汉字30083008个。一级汉字按拼音排序，二级汉字按部首排序。此外，该标准还包括标点符号、数种西文字母、图形、数码等符号682个。字形存储码 字形存储码是指供计算机输出汉字（显示或打印）用的二进制信息，也称字模。通常，采用的是数字化点阵字模。一般的点阵规模有1616，2424，6464等，每一个点在存储器中用一个二进制位（bit）存储。为了节省存储空间，普遍采用了字形数据压缩技术。所谓的矢量汉字是指用矢量方法将汉字点阵字模进行压缩后得到的汉字字形的数字化信息。字模点阵只能用来构成汉字库，而不能用于机内存储。字库中存储了每个汉字的点阵代码。当显示输出或打印输出时才
11、检索字库，输出字模点阵，得到字形。CRTCRT显示器的工作原理显示器的工作原理由电子枪(Electron gun)、偏转线圈(Deflection coils)、荫罩(Shadow mask)、荧光粉层(phosphor)和玻璃外壳五部分组成。灯丝加热阴极，阴极发射电子，然后在加速极电场的作用下，经聚焦集聚成很细的电子束，在阳极高压作用下，获得巨大的能量，以极高的速度去轰击荧光粉层。这些电子束轰击的目标就是荧光屏上的三原色。为此，电子枪发射的电子束不是一束，而是三束，它们分别受电脑显卡R、G、B三个基色视频信号电压的控制，去轰击各自的荧光粉单元。液晶是一种介于固体与液体之间，具有规则性分子排列
12、的有机化合物，一般最常用的液晶型式为向列液晶，分子形状为细长棒形，长宽约1nm10nm，在不同电流电场作用下，液晶分子会做规则旋转90度排列，产生透光度的差别，如此在电源ON/OFF下产生明暗的区别，依此原理控制每个像素，便可构成所需图像。液晶显示器需要强大的背光系统。背光模组的作用就是把线光源发出的光通过漫反射使之成为面光源在得到均匀的面光源之后，紧贴在背光模组上的液晶面板就负责对光线进行调制以得到最终画面.因为液晶面板比较脆弱，所以需要加入几层玻璃基板来增加强度并起到保护作用。上下两层相互垂直的偏振膜和被扭转的液晶分子相配合使光线得以被显示信号调制成不同强度的输出信号，液晶上的RGB滤色片
13、（Color Filter，CF）把可见光滤成三原色，进而组成各种颜色来还原画面。键盘驱动程序的功能1、对键入的数据进行加工处理2、将键入数据送至显示器进行回显 打印机针式打印机（点阵打印机）：9针、24针、7针、8针 80列（A4）、132列（A3）喷墨打印机 水性喷墨打印机 油性喷墨打印机激光打印机硬字库常见的存储外设1磁带存储设备一条宽1/2英寸，长约700米的磁带，表面平行的涂有79条磁道源盘接受盘硬盘当容量不足时，通常最多可以接4台硬盘盘片：5.25 3.5 2.5 1.8 0.9重要数据的存放位置 0面0道 1面0道磁头复位时才接触盘片逻辑扇区 物理扇区0 1面0道1扇区1 1面0
14、道2扇区.62 1面0道63扇区63 2面0道1扇区64 2面0道2扇区.128 3面0道1扇区I/O系统中数据的传输控制 在一个完整的I/O系统内,包含了I/O设备、设备控制器、通道及相关的管理软件。由于计算机应用领域的拓宽,使得信息的输入输出工作量加大,I/O操作在计算机中占有了重要的地位。好的I/O控制方式,不但有利于提高计算机中CPU与外围设备的并行处理效率，而且还可以形成多种外设间的并行操作。特别是在多通道程序设计环境下,I/O操作控制能力已经成为计算机系统综合处理能力的重要构成因素。一般选取衡量I/O控制方式的好坏时应考虑如下因素：1)信息传输效率尽量高，以形成大的吞吐量。2)I/
15、O系统资源利用率好，实现资源的均衡使用。3)尽量减少CPU用于进行I/O处理的开销，使CPU效率得以充分发挥。为此,按照I/O数据传输控制能力的强弱程度,以及CPU与外设并行处理程度的不同，将I/O系统中信息的传输控制方式分为四类:1)程序直接控制方式(CPU直接询问方式)2)中断方式3)DMA方式4)通道方式 这四种方式代表了计算机系统中I/O控制的四个不同的发展阶段。每个阶段的发展都受到计算机硬件组织结构发展变迁的影响。程序直接控制方式程序直接控制方式(CPU(CPU直接询问方式直接询问方式)适适用用于于简简单单的的、外外设设很很少少的的计计算算机机系系统统，缺缺点点耗耗费费大大量量的的C
16、PUCPU时时间间，且且设设备备和和CPUCPU、设设备备和和设设备备之之间间只只能串行工作，现在已较少使用能串行工作，现在已较少使用。中断方式中断方式 引引入入了了中中断断机机构构，在在某某种种程程度度上上使使CPUCPU摆摆脱脱了了等等待待I/OI/O设设备备空空转转现现象象，主主机机和和外外设设可可并并行行工工作作，提提高高了了主主机机的的利利用用率率。缺缺点点中中断断次次数数多多，每每次次中中断断都都要要作作现现场场保保护护和和恢恢复复工工作作，系系统统开开销销大大，占占据据CPUCPU时时间间仍仍然然较较多多，且且能能并并行行操操作作的的设设备备的的台台数数也也受受到到中中断断处处理理时间的限制。时间的限制。DMADMA方式方式(直接存取方式直接存取方式)采用了外存与内存直接交换数据的方式。只有在一采用了外存与内存直接交换数据的方式。只有在一段数据传送结束时，才发出中断信号要求段数据传送结束时，才发出中断信号要求CPUCPU做善后处理，做善后处理，从而大大减少从而大大减少CPUCPU的负担。的负担。通道方式通道方式 采用了外设和内存直接交换数据的方式。采用了外设和内存直接交换
