【软考学习17】数据传输控制方式、虚设备和微内核操作系统

柔光的暖阳◎ 2023-09-26 09:52 45阅读 0赞

> 本文将讲解数据传输控制方式、虚设备和微内核操作系统，在数据传输控制方式中将学习**程序控制方式**、**程序中断方式**、**DMA 方式**、**通道**和**输入输出处理机**，在虚设备环节将学习 Spooling，最后了解了**微内核**的优缺点，接触了操作系统中**用户态**和**核心态**的区别。

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### 一、数据传输控制方式 ###

操作系统的数据传输控制方式可分为**程序控制方式**、**程序中断方式**、**DMA 方式**、**通道**和**输入输出处理机**，如下图所示。  
![在这里插入图片描述][0961f68ecab64abcbafcef39f57e4b28.png]

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### 1.1 程序控制方式 ###

程序控制方式指的是 CPU **轮询数据传输状态而实现的控制方式**，定时通过读取状态寄存器了解接口的传输情况，也是 CPU 介入最多的机制，这类控制方式**效率低下**。

这种方式，**外设不能主动去反馈自己工作是否完成，要 CPU 去不断读取**，然后判断整个数据传输是否结束。

![在这里插入图片描述][ff8e16bb051a45f2a4762cc12b86f9d9.png_pic_center_pic_center]  
比如领导交待了你一个开发任务，你要开发一个 XX 模块，你接到任务后开始开发。

根据程序控制方式的原则，**领导需要定时来你的办公室问你，是否已完成了开发**。

你接到任务刚坐下，领导来问你；

你打开开发工具，领导又来问你；

你敲下第一行代码，领导还是来问你…

可以看出，这是一种不合理的处理方式，你会很烦（**外设非常被动**），领导也会很累（也就是**消耗 CPU 资源**）。

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### 1.2 程序中断方式 ###

**中断**是操作系统用来响应设备请求的一种机制，操作系统收到设备的中断请求，会打断正在执行的进程，然后调用内核中的中断处理程序来响应请求，处理完中断请求之后再回去接着执行原先的进程，有了**中断才能实现多程序并发执行**，中断是cup从用户态进入核心态的必由之路（核心态和用户态会在 3.3 小节讲到）。

**程序中断方式**总体和**程序控制方式**一致，区别在于外设设备**可以发出一个中断信号**，从而告诉 CPU 自己的任务已经传输完成，所以对于这种方式，CPU 介入较少，执行效率较高。

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### 1.3 DMA 方式 ###

**DMA 方式**又称直接存取控制方式，**采用一个专门的 DMA 控制器**。

凡是存在 CPU 和外设的数据传输，**都由 DMA 控制去全权监管**。

如果数据传输全部完成，DMA 会反馈给 CPU，然后执行接下去的工作，CPU 只要在最前面做一个初始化任务分配即可，这种方式**效率会很高**。

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### 1.4 通道和输入输出处理机方式 ###

**通道**和**输入输出处理机**方式一般用于专用设备，很少会出现。

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### 二、虚设备和 Spooling 技术 ###

虚设备顾名思义就是一个虚拟设备，我们用一个例子来说明。

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如果有四台电脑 A、B、C 和 D 正在使用一台打印机，要进行打印操作。

![在这里插入图片描述][f3f879e2591c4f3fb0d2233e95011eda.png_pic_center]  
当电脑 A 请求打印 200 页的资料时，打印机开始受理，假设打印时间为 600 秒。

在打印机正在处理电脑 A 的打印任务时，如果电脑 B 也请求任务，这时会发生并发问题，所以**打印机会拦截下来，并提示打印机正忙，此时电脑 B 的使用者需要做等待**。

然后在现代打印机并不会出现这种情况，正式因为打印机运用了 **Spooling 技术**。

Spooling 为了解决此类问题，**在打印机前加了一个缓存**，如下图所示。

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当电脑 B 发出的打印任务，**打印机当前无法处理时，Spooling 会将该任务放入缓存队列中**，电脑 B 不用管打印机的工作状态即可正常发起打印请求，更人性化，实质上解决了**外设的低速和 CPU 高效的不匹配问题**。

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### 三、微内核操作系统 ###

**微内核操作系统**，顾名思义就是**对操作系统的内核更加精简化，做的更小一些**。

操作系统的**单内核**可拆分为多个**分内核**，如进程服务、终端服务、文件服务等等，做成微内核之后，**当某小块内核出现问题后，不会引发整个系统的奔溃**。

比如操作系统的文件系统除了问题，如采用单体内核**需要对整个系统进行重启**，若采用微内核模式**只需重启管理文件的分内核**即可，无需重启整个系统，这就是微内核的优点。

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#### 3.1 单体内核 ####

**概述**：将操作系统的图形、设备驱动、文件等所有功能都放在单体内核中实现，他们运行在同一个内核中，共享同一个地址空间。

**优点**：使用单体内核可以减少进程之间的通信成本，降低切换进程引发的系统开销，具有较高的运行效率。

**缺点**：但单体内核比较庞大，占用系统资源多，不容易裁剪，而且操作系统的稳定性不好。

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#### 3.2 微内核 ####

**概述**：将操作系统的内核拆分为多个微内核，每个微内核只实现基本功能，将图形系统、文件系统、设备驱动、通信功能放在内核之外。

**优点**：微内核分工明确，内核精炼，易于剪裁和移植。系统服务独立运行在用户地址空间，操作系统的稳定性和安全性较高，适用于分布式系统。

**缺点**：由于多个微内核之间需要分工合作，用户状态和内核状态需要频繁切换，同等配置下的操作系统运行效率往往不如单体内核。

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#### 3. 用户态和核心态 ####

因为操作系统中进程可能做出一些异常操作，所以**需要限制进程的读写能力**，因此操作系统分出**用户态**和**核心态**，使得进程在不同的状态下的访问能力不同。

**操作系统是整个整个计算机系统的控制中心**，如果所有进程都能对操作系统进行控制，会导致异常程序操控整台计算机，这样是非常危险的，所以必须要**区分进程的级别，进行权限控制**。

**用户态**的操作进程**执行权限小**，不允许执行特权指令，不能直接获取系统资源，不能改变机器状态，如**浏览器加载网页**。

**核心态**进程可以操控计算机，**执行权限大**，可以使用特权指令，可以直接获取系统资源，如**操作系统网络收发数据**。

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### 四、总结 ###

本文讲解了数据传输控制方式、虚设备和微内核操作系统，在数据传输控制方式中学习了**程序控制方式**、**程序中断方式**、**DMA 方式**、**通道**和**输入输出处理机**，在虚设备环节学习了 Spooling，最后了解了**微内核**的优缺点，接触了操作系统中**用户态**和**核心态**的区别。

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