操作系统的设备管理采用缓冲技术提高cpu和io设备的（操作系统的设备管理）

时间2025-06-16 14:29:27分类IT科技浏览4519

导读：除了 CPU资源管理、内存管理、文件管理外，操作系统还有一个重要的功能，就是管理连接到计算机的所有输入输出设备（简称 I/O 设备），包括鼠标、键盘、显示器、打印机、硬盘、USB 设备等等。...

除了 CPU资源管理、内存管理、文件管理外，操作系统还有一个重要的功能，就是管理连接到计算机的所有输入输出设备（简称 I/O 设备），包括鼠标、键盘、显示器、打印机、硬盘、USB 设备等等。

如同将操作系统中的文件管理功能称为文件系统，我们习惯将操作系统中实现设备管理的部分功能称为 I/O 系统。

I/O 设备的分类

I/O 设备的分类标准有很多，表 1 为大家罗列了一些常见的分类标准。

表 1 I/O 设备的分类分类标准 I/O 设备类别按使用特性分类分为存储型设备、输入型设备、输出型设备以及输入/输出型设备。

其中输入型设备指的是 CPU 从中读取数据的设备；输出型设备指的是接收数据的设备。

按数据组织分类分为字符设备和块设备。

字符设备指的是以单个字符为单位传输数据的 I/O 设备，传输速率较低，例如交互式终端、打印机等；块设备指的是以数据块为单位传输数据的 I/O 设备，传输速率高，例如硬盘。

按外部设备的从属关系分类分为系统设备和用户设备。

系统设备指的是安装操作系统时就已经登记在系统中的 I/O 设备；除系统设备外的，都属于用户设备。

按资源的分配角度分类分为独占设备和共享设备。

独占设备指的是一段时间内只允许一个进程使用的设备；共享设备指的是一段时间内允许多个进程同时使用的设备。

当然，I/O 设备的分类标准还有很多，这里不再一一举例。

设备控制器

设备控制器又称适配器，是计算机中的一种硬件设备。设备控制器扮演着 CPU 和 I/O 设备之间的中介（中间人）的角色，因为 CPU 是无法直接控制 I/O 设备的，当运行的进程请求执行 I/O 操作时，CPU 需要将控制 I/O 操作的指令发送给设备控制器，由设备控制器控制相应的 I/O 设备完成操作。

因此，每个 I/O 设备都必须配备一个设备控制器，一个设备控制器可以控制多个 I/O 设备。

设备控制器具有如下几个功能：

接收并识别 CPU 发送来的指令；实现 CPU 与 I/O 设备之间的数据交换；设备控制器中设有状态寄存器，能够记录 I/O 设备是处于忙碌状态还是空闲状态；具备地址识别功能，能够根据 CPU 发送来的指令，准确控制某一个 I/O 设备去运行；为了解决 CPU 和 I/O 设备之间速度不匹配的问题，设备控制器中设有数据缓冲器；能够检测 CPU 所发送指令的正确性，确定无误后，设备控制器才控制相应的 I/O 设备完成操作；反之，如果发现指令有问题，设备控制器会报告给 CPU ，CPU 会重新发送一份新的指令。

I/O控制方式

所谓 I/O 控制方式，是指文件系统控制 I/O 设备工作的方式。

文件系统的整个发展历程，一直以“尽量减少 CPU 对 I/O 控制的干预，减少 I/O 操作对 CPU 执行效率的影响 ”为目标，先后设计了 4 种 I/O 控制方式，分别称为程序 I/O 控制方式、中断驱动 I/O 控制方式、DMA 方式和通道方式。

1) 程序I/O控制方式

程序 I/O 控制方式又称程序轮询方式，每一次 I/O 操作可以完成 1 个字符的读取或者写入。

当进程请求 I/O 操作时，CPU 向设备控制器发送 I/O 指令，设备控制器根据指令启动相应的 I/O 设备，同时将设备状态设为忙碌状态（状态寄存器的值由 0 变为 1）。虽然执行的进程会因 I/O 操作转入等待状态，但进程调度程序并不会将 CPU 资源分配给其它进程。

执行 I/O 操作的过程中，CPU 会不断地检测设备控制器中记录的 I/O 设备状态是否发生改变，一旦变化（状态寄存器中的值由 1 变为 0），则表明 I/O 操作执行完毕（I/O 操作的处理结果会保存在设备控制器的数据寄存器中），CPU 会立即从设备控制器中将处理结果取出，并存储在指定的内存空间中。如此，就完成了 1 个字符的 I/O 操作。

显然，此方式最大的不足是，CPU 在整个 I/O 操作过程中一直处于检测状态，CPU 资源没有得到充分利用。

2) 中断驱动 I/O 控制方式

中断驱动 I/O 控制方式对程序 I/O 控制方式做了改进。

当进程请求 I/O 操作时，CPU 向设备控制器发送 I/O 指令，随后进程调度程序将 CPU 资源分配给其他进程使用，整个 I/O 操作由设备控制器负责完成。

当 I/O 操作完成后，设备控制器会向 CPU 发送一个中断信号，CPU 会检测 I/O 操作的处理结果，确认没有问题之后，会读取结果并将其存储到指定位置。由此，就完成了 1 个字符的读写操作。

此方式中，进程调度程序及时将 CPU 分配给其它进程使用，提高了 CPU 资源的利用率。但问题在于，每个字符的 I/O 操作都需要向 CPU 发送中断信号，频繁的中断会影响 CPU 的执行效率。 3) DMA I/O控制方式

DMA（Direct Memory Access） I/O 控制方式又称直接内存访问 I/O 控制方式，进一步减少了输入输出操作对 CPU 的干扰。

此方式实现 I/O 控制的核心思想是：新增一个 DMA 控制器，由它代替 CPU 控制内存和 I/O 设备之间的数据交换过程。也就是说，当进程发出 I/O 操作的请求后，CPU 会初始化 DMA 控制器（例如数据的存储位置、数据量等等），同时向设备控制器发送 I/O 指令，之后 CPU 资源由进程调度程序分配给其它进程。

整个 I/O 操作过程中，DMA 控制器将内存中存储的数据不断地传输给 I/O 设备（完成写操作），或者将 I/O 设备处理后的结果不断地传输到内存（完成读操作）。整个 I/O 操作完成之后，DMA 控制器会发送给 CPU 一个中断信号，通知 I/O 操作完成。

DMA 之所以能控制内存和 I/O 设备之间的数据传输，是因为 DMA 可以窃取 CPU 系统总线的使用权，从而代替 CPU 管理数据的存入和取出。甚至于，DMA 可以强迫 CPU 暂停相关工作，从而强行使用系统总线控制数据的传输。

整个 DMA I/O 控制方式的实现，CPU 只需要对 I/O 操作的开始和结束阶段进行干预，数据传输过程全部都由 DMA 负责控制。

相比前两种 I/O 控制方式，DMA 方式可以实现对一个内存块中数据的 I/O 操作，而不再是一个字符一个字符的处理，大大减少了中断 CPU 的次数，提高了 CPU 资源的利用率。

4) I/O通道控制方式

虽然 DMA 方式已经显著提高了 CPU 的利用率，但面对输入输出多个内存块数据的时候，CPU 的中断仍然比较频繁。这种情况下，可以选择 I/O 通道控制方式。

讲解 I/O 通道控制方式之前，我们先了解什么是 I/O 通道。所谓 I/O 通道，它是独立于 CPU 、专门控制 I/O 操作的处理器，它可以执行 I/O 控制程序（又称通道程序），一个通道程序可以处理多个内存块数据的 I/O 操作。

通道程序本质也是程序，是一些指令的集合，通道程序通常由一些读指令、写指令以及控制转移指令构成。

一个 I/O 通道可以连接多个设备控制器，一个设备控制器可以连接多个 I/O 设备，I/O 通道能够代替 CPU 实现对 I/O 设备的统一管理。

I/O 通道控制方式的实现流程是：

当进程发出 I/O 请求后，CPU 会根据请求生成相应的通道程序（存储到内存中），然后向通道发送启动 I/O 操作的指令；通道接收到指令后，会去内存中取出通道程序，同时向 CPU 发送信号，令 CPU 执行其他工作。之后，通道开始执行通道程序，向设备控制器发送 I/O 指令，启动 I/O 设备完成相应的工作。当通道完成最后一条指令后，会向 CPU 发送中断信号，通知 CPU 完成 I/O 操作，同时通道停止运行。

以上 4 种 I/O 控制方式中，程序 I/O 控制方式的 CPU 需要等待 I/O 操作完成后才能继续执行其它任务，这样的 I/O 控制方式称为同步 I/O 控制方式；其它 3 种 I/O 控制方式中，CPU 可以与 I/O 操作并行执行，它们统称为异步 I/O 控制方式。