第6章設(shè)備管理(1)

1、12021-11-22第第6章章 設(shè)備管理設(shè)備管理n“設(shè)備設(shè)備”泛指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的外部設(shè)備，即除泛指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的外部設(shè)備，即除主機(jī)以外的其他所有設(shè)備。在多道程序設(shè)計(jì)環(huán)主機(jī)以外的其他所有設(shè)備。在多道程序設(shè)計(jì)環(huán)境下，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)允許多個(gè)用戶作業(yè)同時(shí)在內(nèi)境下，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)允許多個(gè)用戶作業(yè)同時(shí)在內(nèi)存，它們的運(yùn)行勢(shì)必涉及到存，它們的運(yùn)行勢(shì)必涉及到I/O設(shè)備。于是，設(shè)備。于是，對(duì)于設(shè)備本身，有一個(gè)如何有效利用的問題；對(duì)于設(shè)備本身，有一個(gè)如何有效利用的問題；對(duì)于設(shè)備和對(duì)于設(shè)備和CPU，有一個(gè)如何發(fā)揮并行工作能有一個(gè)如何發(fā)揮并行工作能力的問題；對(duì)于設(shè)備和用戶，有一個(gè)如何方便力的問題；對(duì)于設(shè)備和用戶，有一個(gè)如何方

2、便使用的問題。使用的問題。22021-11-22設(shè)備管理的任務(wù)設(shè)備管理的任務(wù)n是完成用戶提出的是完成用戶提出的I/O請(qǐng)求，為用戶分配請(qǐng)求，為用戶分配I/O設(shè)設(shè)備，提高備，提高CPU與與I/O設(shè)備的利用率，提高設(shè)備的利用率，提高I/O設(shè)備的速度，方便用戶使用設(shè)備的速度，方便用戶使用I/O設(shè)備。設(shè)備。 32021-11-226.1.1I/O6.1.1I/O系統(tǒng)的基本功能系統(tǒng)的基本功能n方便用戶使用方便用戶使用I/O設(shè)備設(shè)備u隱藏物理設(shè)備的細(xì)節(jié)隱藏物理設(shè)備的細(xì)節(jié)u與設(shè)備的無關(guān)性與設(shè)備的無關(guān)性n提高提高CPU和和I/O設(shè)備的利用率設(shè)備的利用率u提高提高CPU和和I/O設(shè)備的利用率設(shè)備的利用率u對(duì)對(duì)I/

3、O設(shè)備進(jìn)行控制設(shè)備進(jìn)行控制n為用戶的共享設(shè)備時(shí)提供方便為用戶的共享設(shè)備時(shí)提供方便u確保對(duì)設(shè)備的正確共享確保對(duì)設(shè)備的正確共享u錯(cuò)誤處理錯(cuò)誤處理42021-11-226.1.26.1.2 I/OI/O系統(tǒng)的層次和結(jié)構(gòu)模型系統(tǒng)的層次和結(jié)構(gòu)模型nI/OI/O層次結(jié)構(gòu)層次結(jié)構(gòu)u用戶層用戶層I/OI/O軟件軟件u設(shè)備獨(dú)立性軟件設(shè)備獨(dú)立性軟件u設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序u中斷處理程序中斷處理程序52021-11-222021-11-22I/OI/O層次結(jié)構(gòu)層次結(jié)構(gòu)n用戶層軟件用戶層軟件設(shè)備獨(dú)立性軟件設(shè)備獨(dú)立性軟件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中斷處理程序中斷處理程序硬件硬件實(shí)現(xiàn)與用戶交互的接實(shí)現(xiàn)與用戶交互的接口，產(chǎn)

4、生口，產(chǎn)生I/O請(qǐng)求請(qǐng)求負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)與設(shè)備驅(qū)動(dòng)器的統(tǒng)一接口負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)與設(shè)備驅(qū)動(dòng)器的統(tǒng)一接口、設(shè)備命名，設(shè)備的保護(hù)，設(shè)備的、設(shè)備命名，設(shè)備的保護(hù)，設(shè)備的分配與釋放，緩沖等。分配與釋放，緩沖等。與硬件直接相關(guān)，負(fù)責(zé)具體實(shí)現(xiàn)系與硬件直接相關(guān)，負(fù)責(zé)具體實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)設(shè)備發(fā)出的操作指令，驅(qū)動(dòng)統(tǒng)對(duì)設(shè)備發(fā)出的操作指令，驅(qū)動(dòng)I/O設(shè)備工作的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備工作的驅(qū)動(dòng)程序保護(hù)環(huán)境，轉(zhuǎn)入相應(yīng)處理保護(hù)環(huán)境，轉(zhuǎn)入相應(yīng)處理程序，恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)等程序，恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)等執(zhí)行執(zhí)行I/O操作操作62021-11-222021-11-22操作系統(tǒng)的操作系統(tǒng)的I/OI/O子系統(tǒng)通常由四個(gè)層次組成，每一層明確定義了與鄰近層次子系統(tǒng)通常由四個(gè)層次組成，每一層明

5、確定義了與鄰近層次的接口。其合理的層次組織排列順序是的接口。其合理的層次組織排列順序是(2012)(2012)A.用戶級(jí)I/O軟件、設(shè)備無關(guān)軟件、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、中斷處理程序B、用戶級(jí)I/O軟件、設(shè)備無關(guān)軟件、中斷處理程序、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序C、用戶級(jí)I/O軟件、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、設(shè)備無關(guān)軟件、中斷處理程序D、用戶級(jí)I/O軟件、中斷處理程序、設(shè)備無關(guān)軟件、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序用戶程序發(fā)出磁盤用戶程序發(fā)出磁盤I/OI/O請(qǐng)求后，系統(tǒng)的處理流程是：用戶程序請(qǐng)求后，系統(tǒng)的處理流程是：用戶程序- -系統(tǒng)調(diào)用處系統(tǒng)調(diào)用處理程序理程序- -設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序- -中斷處理程序。其中，計(jì)算數(shù)據(jù)所在磁盤的柱面中斷處理程序。

6、其中，計(jì)算數(shù)據(jù)所在磁盤的柱面號(hào)、磁頭號(hào)、扇區(qū)號(hào)的程序是（號(hào)、磁頭號(hào)、扇區(qū)號(hào)的程序是（2011,20132011,2013）A、用戶程序 B、系統(tǒng)調(diào)用處理程序C、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 D、中斷處理程序72021-11-222021-11-22I/OI/O層次視圖層次視圖n用戶層軟件用戶層軟件設(shè)備獨(dú)立性軟件設(shè)備獨(dú)立性軟件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中斷處理程序中斷處理程序硬件硬件I/O系統(tǒng)接口系統(tǒng)接口RW/HW接口接口82021-11-226.1.36.1.3 I/OI/O系統(tǒng)接口系統(tǒng)接口n塊設(shè)備接口塊設(shè)備接口u塊設(shè)備：數(shù)據(jù)的存取和傳輸都是以數(shù)據(jù)塊為單位塊設(shè)備：數(shù)據(jù)的存取和傳輸都是以數(shù)據(jù)塊為單位的設(shè)備。特點(diǎn)：

7、傳輸速率高，可尋址，的設(shè)備。特點(diǎn)：傳輸速率高，可尋址，DMADMA控制控制方式方式u隱藏了磁盤的二維結(jié)構(gòu)隱藏了磁盤的二維結(jié)構(gòu)u將抽象命令映射為低層操作將抽象命令映射為低層操作n流設(shè)備接口流設(shè)備接口u字符設(shè)備。特點(diǎn)：傳輸速率低，不可尋址，中斷字符設(shè)備。特點(diǎn)：傳輸速率低，不可尋址，中斷驅(qū)動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)方式uGetGet操作和操作和putput操作操作uIn-controlIn-control指令指令n網(wǎng)絡(luò)接口網(wǎng)絡(luò)接口92021-11-226.26.2 I/OI/O設(shè)備和設(shè)備控制器設(shè)備和設(shè)備控制器 n I/OI/O設(shè)備由執(zhí)行設(shè)備由執(zhí)行I/OI/O操作的機(jī)械部分和操作的機(jī)械部分和執(zhí)行控制執(zhí)行控制I/OI/

8、O的電子部件（設(shè)備控制器）的電子部件（設(shè)備控制器）組成。組成。102021-11-226.2.1 I/O6.2.1 I/O設(shè)備設(shè)備1 1、I/OI/O設(shè)備的類型設(shè)備的類型按使用特性分按使用特性分n存儲(chǔ)設(shè)備：用以存儲(chǔ)信息的主要設(shè)備存儲(chǔ)設(shè)備：用以存儲(chǔ)信息的主要設(shè)備n輸入輸出設(shè)備：輸入設(shè)備輸入輸出設(shè)備：輸入設(shè)備, ,輸出設(shè)備輸出設(shè)備, ,交互式交互式設(shè)備設(shè)備112021-11-22I/OI/O設(shè)備的分類設(shè)備的分類按傳輸速率分按傳輸速率分n低速設(shè)備：每秒幾個(gè)到數(shù)百字節(jié)。如鍵盤、低速設(shè)備：每秒幾個(gè)到數(shù)百字節(jié)。如鍵盤、鼠標(biāo)鼠標(biāo)n中速設(shè)備：每秒數(shù)千到數(shù)萬字節(jié)。如打印機(jī)中速設(shè)備：每秒數(shù)千到數(shù)萬字節(jié)。如打印機(jī)n

9、高速設(shè)備：每秒數(shù)百高速設(shè)備：每秒數(shù)百K K到數(shù)兆。如磁盤、磁帶到數(shù)兆。如磁盤、磁帶122021-11-22按信息交換的單位分類按信息交換的單位分類n塊設(shè)備塊設(shè)備 ： I/O傳輸?shù)膯挝皇菈K，如磁盤、磁傳輸?shù)膯挝皇菈K，如磁盤、磁帶。特征：速率高（幾兆）、可尋址（可隨帶。特征：速率高（幾兆）、可尋址（可隨機(jī)訪問任一塊）、機(jī)訪問任一塊）、DMA方式驅(qū)動(dòng)。方式驅(qū)動(dòng)。 n字符設(shè)備：字符設(shè)備：I/OI/O傳輸?shù)膯挝皇亲止?jié)，如打印機(jī)、傳輸?shù)膯挝皇亲止?jié)，如打印機(jī)、modemmodem等。特征：速率較低、不可尋址、中斷等。特征：速率較低、不可尋址、中斷驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)。132021-11-22 按設(shè)備共享屬性分類按設(shè)備

10、共享屬性分類n獨(dú)占型設(shè)備：在任一段時(shí)間內(nèi)最多有一個(gè)進(jìn)程占用獨(dú)占型設(shè)備：在任一段時(shí)間內(nèi)最多有一個(gè)進(jìn)程占用它，字符設(shè)備及磁帶機(jī)屬獨(dú)占型設(shè)備。即臨界資源。它，字符設(shè)備及磁帶機(jī)屬獨(dú)占型設(shè)備。即臨界資源。n共享型設(shè)備：多個(gè)進(jìn)程對(duì)它的訪問可以交叉進(jìn)行，共享型設(shè)備：多個(gè)進(jìn)程對(duì)它的訪問可以交叉進(jìn)行，除磁帶機(jī)外的塊設(shè)備屬共享設(shè)備除磁帶機(jī)外的塊設(shè)備屬共享設(shè)備n虛擬設(shè)備：虛擬設(shè)備：在一類設(shè)備上模擬另一類設(shè)備，常用共在一類設(shè)備上模擬另一類設(shè)備，常用共享設(shè)備模擬獨(dú)占設(shè)備，用高速設(shè)備模擬低速設(shè)備，享設(shè)備模擬獨(dú)占設(shè)備，用高速設(shè)備模擬低速設(shè)備，被模擬的設(shè)備稱為虛被模擬的設(shè)備稱為虛擬擬設(shè)備設(shè)備142021-11-222、設(shè)備與

11、控制器之間的接口n通常，設(shè)備不是直接與通常，設(shè)備不是直接與CPUCPU進(jìn)行通信，而是與設(shè)備控制進(jìn)行通信，而是與設(shè)備控制器通信，因此在器通信，因此在I/OI/O設(shè)備中應(yīng)含有與設(shè)備控制器間的接設(shè)備中應(yīng)含有與設(shè)備控制器間的接口，在該接口中有三種類型的信號(hào)，各對(duì)應(yīng)一條信號(hào)口，在該接口中有三種類型的信號(hào)，各對(duì)應(yīng)一條信號(hào)線線緩沖轉(zhuǎn)換器控制邏輯信號(hào)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)信號(hào)線狀態(tài)信號(hào)線控制信號(hào)線至設(shè)備控制器I/O設(shè)備152021-11-222、設(shè)備與控制器之間的接口n數(shù)據(jù)信號(hào)線數(shù)據(jù)信號(hào)線 用于在設(shè)備和設(shè)備控制器之間傳送數(shù)據(jù)信號(hào)。用于在設(shè)備和設(shè)備控制器之間傳送數(shù)據(jù)信號(hào)。n控制信號(hào)線控制信號(hào)線 作為由設(shè)備控制器向作為由設(shè)備控

12、制器向I/OI/O設(shè)備發(fā)送控制信號(hào)時(shí)的通路。設(shè)備發(fā)送控制信號(hào)時(shí)的通路。n狀態(tài)信號(hào)線狀態(tài)信號(hào)線 用于傳送指示設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)的信號(hào)。用于傳送指示設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)的信號(hào)。緩沖轉(zhuǎn)換器控制邏輯信號(hào)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)信號(hào)線狀態(tài)信號(hào)線控制信號(hào)線至設(shè)備控制器I/O設(shè)備162021-11-226.2.26.2.2設(shè)備控制器設(shè)備控制器n設(shè)備控制器主要負(fù)責(zé)控制一個(gè)或多個(gè)設(shè)備控制器主要負(fù)責(zé)控制一個(gè)或多個(gè)I/OI/O設(shè)備，設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)以實(shí)現(xiàn)I/OI/O設(shè)備和計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。它設(shè)備和計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。它是是CPUCPU與與I/OI/O設(shè)備之間的接口設(shè)備之間的接口，接收從，接收從CPUCPU發(fā)來發(fā)來的命令，并控制的命令，并控制I

13、/OI/O設(shè)備工作，以使設(shè)備工作，以使CPUCPU從繁雜從繁雜的設(shè)備控制事務(wù)中解脫出來。的設(shè)備控制事務(wù)中解脫出來。n是一個(gè)可編址設(shè)備，每一個(gè)地址對(duì)應(yīng)一個(gè)設(shè)備。是一個(gè)可編址設(shè)備，每一個(gè)地址對(duì)應(yīng)一個(gè)設(shè)備。n設(shè)備控制器可分為兩類，一類用于控制字符設(shè)設(shè)備控制器可分為兩類，一類用于控制字符設(shè)備的控制器，另一類是用于控制塊設(shè)備的控制備的控制器，另一類是用于控制塊設(shè)備的控制器。器。n在微型機(jī)中的控制器，常做成印刷電路卡，因在微型機(jī)中的控制器，常做成印刷電路卡，因而也常稱為接口卡而也常稱為接口卡172021-11-22設(shè)備控制器的基本功能設(shè)備控制器的基本功能n接收和識(shí)別命令接收和識(shí)別命令n數(shù)據(jù)交換數(shù)據(jù)交換n標(biāo)

14、識(shí)和報(bào)告設(shè)備的狀態(tài)標(biāo)識(shí)和報(bào)告設(shè)備的狀態(tài)n地址識(shí)別地址識(shí)別n數(shù)據(jù)緩沖數(shù)據(jù)緩沖n差錯(cuò)控制差錯(cuò)控制182021-11-22設(shè)備控制器的組成設(shè)備控制器的組成n由于設(shè)備控制器位于由于設(shè)備控制器位于CPUCPU與設(shè)備之間，它既要與設(shè)備之間，它既要與與CPUCPU通信，又要與設(shè)備通信，還應(yīng)具有按照通信，又要與設(shè)備通信，還應(yīng)具有按照CPUCPU所發(fā)來的命令去控制設(shè)備的工作的功能，所發(fā)來的命令去控制設(shè)備的工作的功能，因此現(xiàn)有的大多數(shù)控制器都是由三部分組成因此現(xiàn)有的大多數(shù)控制器都是由三部分組成u設(shè)備控制器與處理機(jī)的接口設(shè)備控制器與處理機(jī)的接口u設(shè)備控制器與設(shè)備的接口設(shè)備控制器與設(shè)備的接口uI/OI/O邏輯邏輯19

15、2021-11-22設(shè)備控制器的組成設(shè)備控制器的組成數(shù)據(jù)寄存器控制/狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)線I/O邏輯控制器與設(shè)備接口1控制器與設(shè)備接口i數(shù)據(jù)狀態(tài)控制數(shù)據(jù)狀態(tài)控制地址線控制線CPU與控制器接口控制器與設(shè)備接口202021-11-226.2.36.2.3內(nèi)存映像內(nèi)存映像I/OI/O212021-11-226.2.36.2.3內(nèi)存映像內(nèi)存映像I/OI/O222021-11-22I/O通道通道雖然在CPU與I/O設(shè)備之間增加了設(shè)備控制器后，已能大大減少CPU對(duì)I/O的干預(yù)，但當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)配置的設(shè)備較多時(shí)，I/O操作較為頻繁的情況下，CPU可能完全陷入I/O處理，這樣會(huì)大大地降低計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的效率，解決的方法就是

16、用到通道技術(shù)。 232021-11-22n通道方式的目的使一些原來由CPU處理的I/O任務(wù)轉(zhuǎn)由通道來承擔(dān)，從而使CPU徹底從I/O中解放出來。當(dāng)用戶發(fā)出I/O請(qǐng)求后，CPU就把該請(qǐng)求全部交由通道去完成。通道在整個(gè)I/O任務(wù)結(jié)束后，才發(fā)出中斷信號(hào)，請(qǐng)求CPU進(jìn)行善后處理。不僅數(shù)據(jù)傳輸獨(dú)立于CPU,而且I/O操作的組織管理也獨(dú)立于CPU。I/O通道的引入通道的引入：242021-11-22 為使中央處理機(jī)從繁忙的I/O處理中擺脫出來，現(xiàn)代大、中型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中設(shè)置了專門的處理I/O操作的處理機(jī)，并把這種處理機(jī)稱為通道。通道在CPU的控制下獨(dú)立地執(zhí)行通道程序，對(duì)外部設(shè)備的I/O操作進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)內(nèi)存

17、與外設(shè)之間成批的數(shù)據(jù)交換。通道=I/O處理機(jī) 通道概念通道概念252021-11-22 I/O通道與一般的處理機(jī)不同，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：n指令類型單一，這是由于通道硬件比較簡單， 其所能執(zhí)行的命令，主要局限于與I/O操作有關(guān)的指令； n通道沒有自己的內(nèi)存，通道所執(zhí)行的通道程序是放在主機(jī)的內(nèi)存中的， 換言之，是通道與CPU共享內(nèi)存。262021-11-22I/O通道通道nI/O通道的分類通道的分類 u字節(jié)多路通道字節(jié)多路通道u數(shù)據(jù)選擇通道數(shù)據(jù)選擇通道u數(shù)組多路通道數(shù)組多路通道272021-11-22通道的種類通道的種類n字節(jié)多路通道：字節(jié)多路通道：u字節(jié)多路通道是以字節(jié)為基本傳輸單位，通常

18、含有許多非分配型子通道，其數(shù)量從幾十到數(shù)百個(gè)，每一個(gè)子通道連接一臺(tái)I/O設(shè)備，并控制該設(shè)備的I/O操作。這些子通道按時(shí)間片輪轉(zhuǎn)主式共享主通道。u當(dāng)一個(gè)子通道控制的某臺(tái)外設(shè)交換了一個(gè)字節(jié)后，就轉(zhuǎn)向下一個(gè)子通道，以控制下一臺(tái)設(shè)備傳送一個(gè)字節(jié)。這就實(shí)現(xiàn)了子通道的循環(huán)輪轉(zhuǎn)，以達(dá)到多路控制的目的，字節(jié)多路通道主要用來控制低速、并且以字節(jié)為基本傳送單位的設(shè)備。如打印機(jī)。282021-11-22控制器A控制器B控制器C控制器D控制器NA1A2A3子通道AB1B2B3子通道BC1C2C3子通道CN1N2N3子通道NA1B1C1 A2B2C2設(shè) 備292021-11-22n數(shù)組選擇通道：數(shù)組選擇通道： 字節(jié)多路

19、通道不適于連接高速設(shè)備，這推動(dòng)了按數(shù)組方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的數(shù)組選擇通道的形成。這種通道雖然可以連接多臺(tái)高速設(shè)備，但由于它只含有一個(gè)分配型子通道，在一段時(shí)間內(nèi)只能執(zhí)行一道通道程序， 控制一臺(tái)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送， 致使當(dāng)某臺(tái)設(shè)備占用了該通道后，便一直由它獨(dú)占， 即使是它無數(shù)據(jù)傳送，通道被閑置， 也不允許其它設(shè)備使用該通道， 直至該設(shè)備傳送完畢釋放該通道。它的優(yōu)點(diǎn)是傳輸速度高，缺點(diǎn)是一次只能控制一臺(tái)設(shè)備進(jìn)行I/O操作，利用率低。它主要用來控制高速外設(shè)。如磁盤選擇通道選擇通道302021-11-22 n數(shù)組多路通道：數(shù)組多路通道： 這種通道是上述兩種通道的折中，可以分時(shí)的方式執(zhí)行多道程序，每道程序可傳送一

20、組數(shù)據(jù)。因而這種通道既具有很高的數(shù)據(jù)傳輸速率，又能獲得令人滿意的通道利用率。也正因此，才使該通道能被廣泛地用于連接多臺(tái)高、中速的外圍設(shè)備，其數(shù)據(jù)傳送是按數(shù)組方式進(jìn)行的。 在一大型系統(tǒng)中可以同時(shí)存在這三種類型的通在一大型系統(tǒng)中可以同時(shí)存在這三種類型的通道以便控制各種不同類型的設(shè)備。道以便控制各種不同類型的設(shè)備。312021-11-22 通道通道 I / OI / O 系 統(tǒng)系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)在大型計(jì)在大型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)算機(jī)系統(tǒng)中較為典中較為典型 的型 的 I / OI / O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是主機(jī)、是主機(jī)、通道、控通道、控制器和外制器和外部設(shè)備。部設(shè)備。322021-11-22“瓶頸瓶頸”問題問題 圖

21、5-4 單通路I/O系統(tǒng) 設(shè)備1設(shè)備2設(shè)備3設(shè)備4設(shè)備5設(shè)備6設(shè)備7控制器1控制器2控制器3控制器4通道1通道2存儲(chǔ)器332021-11-22圖 5-5 多通路I/O系統(tǒng) I/O設(shè)備控制器1控制器2通道1通道2存儲(chǔ)器I/O設(shè)備I/O設(shè)備I/O設(shè)備解決“瓶頸”問題的最有效方法就是增加設(shè)備到主機(jī)間的通路而不增加通道 342021-11-22練習(xí)練習(xí)n通道是I/O處理機(jī)，它用于實(shí)現(xiàn)_之間的信息傳輸；n_用作連接大量的低速或中速設(shè)備；A、數(shù)據(jù)選擇通道 B、字節(jié)多路通道C、數(shù)據(jù)多路通道n按_分類可將設(shè)備分為塊設(shè)備和字符設(shè)備。A、從屬關(guān)系 B、操作特性C、共享屬性 D、信息交換單位352021-11-22

22、練習(xí)練習(xí)n硬盤屬于( ) A、字符型設(shè)備 B、獨(dú)占型設(shè)備 C、塊設(shè)備 D、虛擬設(shè)備 n所有的塊型設(shè)備都是共享設(shè)備。( ) n打印機(jī)是一類典型的塊設(shè)備。（）。（）n選擇通道主要用于連接低速設(shè)備. （）（）362021-11-226.3中斷機(jī)構(gòu)和中斷處理程序中斷機(jī)構(gòu)和中斷處理程序n中斷的簡介中斷的簡介 F中斷是由于某些事件的出現(xiàn)，中止現(xiàn)行進(jìn)程的執(zhí)行，而轉(zhuǎn)去處理出現(xiàn)的事件，中斷事件處理完后，再繼續(xù)運(yùn)行被中止進(jìn)程的過程。F在這里引起中斷的事件稱為中斷源。中斷事件通常由硬件發(fā)現(xiàn)n中斷的處理中斷的處理 F對(duì)出現(xiàn)的事件進(jìn)行處理的程序稱為中斷處理程序。中斷處理程序是由操作系統(tǒng)處理的，屬于操作系統(tǒng)的組成部分37

23、2021-11-22中斷的簡介中斷的簡介 382021-11-22中斷的簡介中斷的簡介 n 392021-11-22中斷的處理中斷的處理n中斷處理過程中斷處理過程u測(cè)定是否有未響應(yīng)的中斷信號(hào)。測(cè)定是否有未響應(yīng)的中斷信號(hào)。u保護(hù)被中斷進(jìn)程的保護(hù)被中斷進(jìn)程的CPU環(huán)境。環(huán)境。u轉(zhuǎn)入相應(yīng)的設(shè)備處理程序。轉(zhuǎn)入相應(yīng)的設(shè)備處理程序。u中斷處理。中斷處理。u恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，退出中斷?；謴?fù)現(xiàn)場(chǎng)，退出中斷。 402021-11-22圖 6-10 中斷現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)示意圖 PSW程序狀態(tài)字PC(N1)程序計(jì)數(shù)器R0Rn寄存器開始返回用戶程序中斷服務(wù)子例程PSWPC(N1)中斷棧TTM線指針YNN1R0Rn412021-11-

24、22喚醒被阻塞的驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)程對(duì)被中斷進(jìn)程的CPU環(huán)境進(jìn)行保護(hù)分析中斷原因，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷處理程序終端中斷處理程序打印機(jī)中斷處理程序磁盤中斷處理程序恢復(fù)被中斷進(jìn)程的CPU現(xiàn)場(chǎng)返回被中斷的進(jìn)程，繼續(xù)執(zhí)行中斷請(qǐng)求信號(hào)圖 6-11 中斷處理流程422021-11-226.4 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序n設(shè)備處理程序通常又稱為設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，它設(shè)備處理程序通常又稱為設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，它是是I/O進(jìn)程與設(shè)備控制器之間的通信程序，又進(jìn)程與設(shè)備控制器之間的通信程序，又由于它常以進(jìn)程的形式存在，所以簡稱之為由于它常以進(jìn)程的形式存在，所以簡稱之為設(shè)備驅(qū)動(dòng)進(jìn)程設(shè)備驅(qū)動(dòng)進(jìn)程n主要任務(wù)：接收上層軟件發(fā)來的抽象要求，主要任務(wù)：接

25、收上層軟件發(fā)來的抽象要求，把它轉(zhuǎn)換為具體要求后，發(fā)送給設(shè)備控制器，把它轉(zhuǎn)換為具體要求后，發(fā)送給設(shè)備控制器，啟動(dòng)設(shè)備去執(zhí)行。也將由設(shè)備控制器發(fā)來的啟動(dòng)設(shè)備去執(zhí)行。也將由設(shè)備控制器發(fā)來的信號(hào)傳送給上層軟件。信號(hào)傳送給上層軟件。 n通常，每一類設(shè)備配置一種驅(qū)動(dòng)程序。通常，每一類設(shè)備配置一種驅(qū)動(dòng)程序。432021-11-22設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的功能和特點(diǎn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的功能和特點(diǎn)n設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的功能設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的功能 u一是接收設(shè)備獨(dú)立性軟件發(fā)來的命令和參數(shù)，把一是接收設(shè)備獨(dú)立性軟件發(fā)來的命令和參數(shù)，把抽象要求轉(zhuǎn)化為具體要求。抽象要求轉(zhuǎn)化為具體要求。u二是檢查用戶二是檢查用戶I/O請(qǐng)求的合法性，了解請(qǐng)求的合法

26、性，了解I/O設(shè)備的設(shè)備的狀態(tài)，傳遞有關(guān)參數(shù)，設(shè)置設(shè)備的工作方式。狀態(tài)，傳遞有關(guān)參數(shù)，設(shè)置設(shè)備的工作方式。u三是發(fā)出三是發(fā)出I/O 命令，啟動(dòng)分配到的命令，啟動(dòng)分配到的I/O設(shè)備，完成設(shè)備，完成指定的指定的I/O操作。操作。u四是及時(shí)響應(yīng)由控制器或通道發(fā)來的中斷請(qǐng)求，四是及時(shí)響應(yīng)由控制器或通道發(fā)來的中斷請(qǐng)求，并根據(jù)其中斷類型調(diào)用相應(yīng)的中斷處理程序進(jìn)行并根據(jù)其中斷類型調(diào)用相應(yīng)的中斷處理程序進(jìn)行處理。處理。442021-11-22設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的功能和特點(diǎn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的功能和特點(diǎn)n設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的特點(diǎn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的特點(diǎn)u一是驅(qū)動(dòng)程序主要是在請(qǐng)求一是驅(qū)動(dòng)程序主要是在請(qǐng)求I/O的進(jìn)程與設(shè)備控制的進(jìn)程與設(shè)備

27、控制器之間的一個(gè)通信程序。器之間的一個(gè)通信程序。u二是驅(qū)動(dòng)程序與二是驅(qū)動(dòng)程序與I/O設(shè)備的特性密切相關(guān)。設(shè)備的特性密切相關(guān)。u三是驅(qū)動(dòng)程序與三是驅(qū)動(dòng)程序與I/O控制方式緊密相關(guān)。控制方式緊密相關(guān)。u四是驅(qū)動(dòng)程序與硬件緊密相關(guān)，其部分被固化在四是驅(qū)動(dòng)程序與硬件緊密相關(guān)，其部分被固化在ROM 中。中。 u五是驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)允許可重入五是驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)允許可重入u六是驅(qū)動(dòng)程序不允許系統(tǒng)調(diào)用。六是驅(qū)動(dòng)程序不允許系統(tǒng)調(diào)用。452021-11-22設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的功能和特點(diǎn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的功能和特點(diǎn)n設(shè)備處理的方式設(shè)備處理的方式 u一是為每一類設(shè)備設(shè)置一個(gè)進(jìn)程，它專門執(zhí)行這一是為每一類設(shè)備設(shè)置一個(gè)進(jìn)程，它專門執(zhí)行這類

28、設(shè)備的類設(shè)備的I/O操作。操作。u二是在整個(gè)系統(tǒng)中設(shè)置一個(gè)二是在整個(gè)系統(tǒng)中設(shè)置一個(gè)I/O進(jìn)程，專門負(fù)責(zé)對(duì)進(jìn)程，專門負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)中所有各類設(shè)備的系統(tǒng)中所有各類設(shè)備的I/O操作。操作。u三是不設(shè)置專門的設(shè)備處理進(jìn)程，只為各類設(shè)備三是不設(shè)置專門的設(shè)備處理進(jìn)程，只為各類設(shè)備設(shè)置相應(yīng)的設(shè)備處理程序，供用戶進(jìn)程或系統(tǒng)進(jìn)設(shè)置相應(yīng)的設(shè)備處理程序，供用戶進(jìn)程或系統(tǒng)進(jìn)程調(diào)用。程調(diào)用。462021-11-22設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的處理過程設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的處理過程n主要任務(wù)：啟動(dòng)指定設(shè)備主要任務(wù)：啟動(dòng)指定設(shè)備n將抽象要求轉(zhuǎn)化為具體要求將抽象要求轉(zhuǎn)化為具體要求 n檢查檢查I/O請(qǐng)求的合法性請(qǐng)求的合法性 n讀出和檢查設(shè)備的狀態(tài)讀出和

29、檢查設(shè)備的狀態(tài) n傳送必要的參數(shù)傳送必要的參數(shù) n設(shè)置工作方式設(shè)置工作方式 n啟動(dòng)啟動(dòng)I/O 設(shè)備設(shè)備 472021-11-22練習(xí)練習(xí)n 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與（）密切相關(guān)，如果計(jì)算機(jī)中配置有一個(gè)光盤，一個(gè)軟盤，一個(gè)硬盤，此時(shí)應(yīng)為它們配置（）種外存設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。如果系統(tǒng)中連接有四個(gè)相同的終端設(shè)備，此時(shí)應(yīng)為它們配置（）個(gè)終端設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序482021-11-226.4.3 對(duì)對(duì)I/O設(shè)備控制方式設(shè)備控制方式n輪詢的可編程輪詢的可編程I/OI/O方式方式 nI/OI/O中斷方式中斷方式 nDMADMA方式方式 n通道方式通道方式 中斷中斷DMA通道通道492021-11-221 1 程序程序I/OI/O方

30、式方式早期，早期，I/OI/O控制器控制器是是OSOS同硬件之間的接口同硬件之間的接口p(147)p(147)。它有兩個(gè)寄存器：。它有兩個(gè)寄存器：數(shù)據(jù)緩沖寄存器數(shù)據(jù)緩沖寄存器、控制控制/ /狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器。狀態(tài)控制寄存器有一個(gè)標(biāo)。狀態(tài)控制寄存器有一個(gè)標(biāo)志忙志忙/ /閑的標(biāo)志位閑的標(biāo)志位busybusy。CPU外部設(shè)備控控制制邏邏輯輯電電路路控制寄存器控制寄存器I/O控制器控制器數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器502021-11-22工作過程工作過程以輸入為例以輸入為例1 1、 把把busybusy置置1 12 2、 反復(fù)測(cè)試反復(fù)測(cè)試busybusy，為，為1 1表示輸入機(jī)尚未輸完一個(gè)字，表示輸入機(jī)尚

31、未輸完一個(gè)字，處理機(jī)應(yīng)繼續(xù)對(duì)該標(biāo)志進(jìn)行測(cè)試，轉(zhuǎn)處理機(jī)應(yīng)繼續(xù)對(duì)該標(biāo)志進(jìn)行測(cè)試，轉(zhuǎn)2 2，為，為0 0表示輸表示輸入機(jī)已將輸入數(shù)據(jù)送入控制器的數(shù)據(jù)寄存器中，轉(zhuǎn)入機(jī)已將輸入數(shù)據(jù)送入控制器的數(shù)據(jù)寄存器中，轉(zhuǎn)3 33 3、 把數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中讀走，并置把數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中讀走，并置busybusy為為1 1。n所謂所謂“程序循環(huán)測(cè)試程序循環(huán)測(cè)試”的數(shù)據(jù)傳輸方式，就是指用的數(shù)據(jù)傳輸方式，就是指用戶進(jìn)程使用啟動(dòng)設(shè)備后，不斷地執(zhí)行測(cè)試指令，去戶進(jìn)程使用啟動(dòng)設(shè)備后，不斷地執(zhí)行測(cè)試指令，去測(cè)試所啟動(dòng)設(shè)備的狀態(tài)寄存器。只有在狀態(tài)寄存器測(cè)試所啟動(dòng)設(shè)備的狀態(tài)寄存器。只有在狀態(tài)寄存器出現(xiàn)了所需要的狀態(tài)后，才停止測(cè)試工作

32、，完成輸出現(xiàn)了所需要的狀態(tài)后，才停止測(cè)試工作，完成輸入入/輸出。輸出。忙忙-等待方式等待方式512021-11-22 在程序I/O方式中，由于CPU的高速性和I/O設(shè)備的低速性， 致使CPU的絕大部分時(shí)間都處于等待I/O設(shè)備完成數(shù)據(jù)I/O的循環(huán)測(cè)試中， 造成對(duì)CPU的極大浪費(fèi)。在該方式中，CPU之所以要不斷地測(cè)試I/O設(shè)備的狀態(tài)，就是因?yàn)樵贑PU中無中斷機(jī)構(gòu)， 使I/O設(shè)備無法向CPU報(bào)告它已完成了一個(gè)字符的輸入操作。522021-11-222 I/O中斷方式中斷方式I/OI/O控制器能發(fā)中斷控制器能發(fā)中斷。工作過程：工作過程：1 1、發(fā)出啟動(dòng)某設(shè)備的命令，本進(jìn)程（、發(fā)出啟動(dòng)某設(shè)備的命令，本進(jìn)

33、程（A A）變?yōu)榈却優(yōu)榈却隣顟B(tài)，轉(zhuǎn)進(jìn)程調(diào)度，調(diào)度另一進(jìn)程狀態(tài)，轉(zhuǎn)進(jìn)程調(diào)度，調(diào)度另一進(jìn)程B B。2 2、輸入完成時(shí)，控制器發(fā)出中斷，中斷輸入完成時(shí)，控制器發(fā)出中斷，中斷B B，通過中通過中斷進(jìn)入中斷處理程序。斷進(jìn)入中斷處理程序。3 3、在中斷處理程序中把數(shù)據(jù)緩沖寄存器中的數(shù)取走，、在中斷處理程序中把數(shù)據(jù)緩沖寄存器中的數(shù)取走，放入內(nèi)存特定位置放入內(nèi)存特定位置M M，喚醒等待進(jìn)程喚醒等待進(jìn)程A A，中斷返回中斷返回到到B B的斷點(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行。的斷點(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行。4 4、在以后的某個(gè)時(shí)刻、在以后的某個(gè)時(shí)刻OSOS調(diào)度要求輸入的進(jìn)程調(diào)度要求輸入的進(jìn)程A A。A A從從M M取數(shù)處理。取數(shù)處理。 532021

34、-11-22542021-11-22 在I/O設(shè)備輸入每個(gè)數(shù)據(jù)的過程中，由于無須CPU干預(yù)，因而可使CPU與I/O設(shè)備并行工作。僅當(dāng)輸完一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，才需CPU花費(fèi)極短的時(shí)間去做些中斷處理?？梢?，這樣可使CPU和I/O設(shè)備都處于忙碌狀態(tài)，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的資源利用率及吞吐量。例如，從終端輸入一個(gè)字符的時(shí)間約為100 ms， 而將字符送入終端緩沖區(qū)的時(shí)間小于 0.1 ms。 若采用程序I/O方式，CPU約有 99.9 ms的時(shí)間處于忙等待中。 采用中斷驅(qū)動(dòng)方式后，CPU可利用這 99.9 ms的時(shí)間去做其它事情，而僅用 0.1 ms的時(shí)間來處理由控制器發(fā)來的中斷請(qǐng)求。 可見，中斷驅(qū)動(dòng)方式可以成百

35、倍地提高CPU的利用率。 552021-11-22分析分析同前相比，同前相比，CPU利用率大大提高。利用率大大提高。缺點(diǎn)：每臺(tái)設(shè)備每輸入輸出一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)都缺點(diǎn)：每臺(tái)設(shè)備每輸入輸出一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)都有一次中斷。如果設(shè)備較多時(shí)，中斷次數(shù)會(huì)有一次中斷。如果設(shè)備較多時(shí)，中斷次數(shù)會(huì)很多，使很多，使CPU的計(jì)算時(shí)間大大減少。的計(jì)算時(shí)間大大減少。為減少中斷對(duì)為減少中斷對(duì)CPU造成的負(fù)擔(dān)，可采用造成的負(fù)擔(dān)，可采用DMA方方式和通道方式。式和通道方式。562021-11-223 直接存儲(chǔ)器訪問（直接存儲(chǔ)器訪問（DMA）方式方式n直接存儲(chǔ)器存取控制方式的概念直接存儲(chǔ)器存取控制方式的概念 u是指對(duì)是指對(duì)I/O設(shè)備的

36、控制由設(shè)備的控制由DMA控制器完成，在控制器完成，在DMA控制器的作用下，設(shè)備和主存之間可以控制器的作用下，設(shè)備和主存之間可以成批地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而不用成批地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而不用CPU的干涉。的干涉。 572021-11-225.2.3 DMA方式方式n直接存儲(chǔ)器存取控制方式的概念直接存儲(chǔ)器存取控制方式的概念 u該方式的特點(diǎn)是：u 數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝皇菙?shù)據(jù)塊，即在CPU與I/O設(shè)備之間，每次傳送至少一個(gè)數(shù)據(jù)塊；u 所傳送的數(shù)據(jù)是從設(shè)備直接送入內(nèi)存的，或者相反；u 僅在傳送一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)塊的開始和結(jié)束時(shí)，才需CPU干預(yù)，整塊數(shù)據(jù)的傳送是在控制器的控制下完成的。u可見，DMA方式較之中斷驅(qū)動(dòng)方式，

37、又是成百倍地減少了CPU對(duì)I/O的干預(yù)，進(jìn)一步提高了CPU與I/O設(shè)備的并行操作程度。 582021-11-22DMA方式方式控制器功能更強(qiáng)，除有中斷功能外，還有一個(gè)控制器功能更強(qiáng)，除有中斷功能外，還有一個(gè)DMADMA控控制機(jī)構(gòu)。在制機(jī)構(gòu)。在DMADMA控制器的控制下，控制器的控制下，設(shè)備同主存之間可設(shè)備同主存之間可成批交換數(shù)據(jù)，不用成批交換數(shù)據(jù)，不用CPUCPU干預(yù)。干預(yù)。DMADMA控制器組成：主機(jī)與控制器組成：主機(jī)與DMADMA控制器的接口；控制器的接口；DMADMA控制器控制器與塊設(shè)備的接口；與塊設(shè)備的接口；I/OI/O控制邏輯控制邏輯DRMARDCCRI/O控制邏輯主機(jī)控制器接口控制

38、器與塊設(shè)備接口count內(nèi)存CPU命令系統(tǒng)總線DMA控制器592021-11-22DMA方式方式DMADMA控制器組成：主機(jī)與控制器組成：主機(jī)與DMADMA控制器的接口；控制器的接口；DMADMA控制控制器與塊設(shè)備的接口；器與塊設(shè)備的接口；I/OI/O控制邏輯控制邏輯為了實(shí)現(xiàn)在主機(jī)與控制器之間的成塊數(shù)據(jù)的直接交換，為了實(shí)現(xiàn)在主機(jī)與控制器之間的成塊數(shù)據(jù)的直接交換，須在須在DMADMA控制器中設(shè)置如下四類寄存器：控制器中設(shè)置如下四類寄存器：命令命令/ /狀態(tài)寄狀態(tài)寄存器存器CRCR；內(nèi)存地址寄存器；內(nèi)存地址寄存器MARMAR；數(shù)據(jù)寄存器；數(shù)據(jù)寄存器DRDR；數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器DCDC。DRMA

39、RDCCRI/O控制邏輯主機(jī)控制器接口控制器與塊設(shè)備接口count內(nèi)存CPU命令系統(tǒng)總線DMA控制器602021-11-22 DMA方式工作過程方式工作過程n直接存儲(chǔ)器存取控制方式的步驟直接存儲(chǔ)器存取控制方式的步驟(P197)u 當(dāng)進(jìn)程要求設(shè)備輸入一批數(shù)據(jù)時(shí)，當(dāng)進(jìn)程要求設(shè)備輸入一批數(shù)據(jù)時(shí)，CPU將設(shè)備存放輸入數(shù)據(jù)的將設(shè)備存放輸入數(shù)據(jù)的內(nèi)存始址以及要傳送的字節(jié)數(shù)分別送入內(nèi)存始址以及要傳送的字節(jié)數(shù)分別送入DMA控制器中的地址寄存控制器中的地址寄存器器MAR和數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器和數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器DC；另外，還要將磁盤中的源地址直接送至；另外，還要將磁盤中的源地址直接送至DMA控制器的控制器的I/O控制邏輯上。控制

40、邏輯上。u 發(fā)出數(shù)據(jù)要求的進(jìn)程進(jìn)入等待狀態(tài)，進(jìn)程調(diào)度程序調(diào)度其他進(jìn)發(fā)出數(shù)據(jù)要求的進(jìn)程進(jìn)入等待狀態(tài)，進(jìn)程調(diào)度程序調(diào)度其他進(jìn)程占據(jù)程占據(jù)CPU。u 輸入設(shè)備不斷從磁盤中讀入一個(gè)字的數(shù)據(jù)并送入數(shù)據(jù)寄存器輸入設(shè)備不斷從磁盤中讀入一個(gè)字的數(shù)據(jù)并送入數(shù)據(jù)寄存器DR中，再挪用一個(gè)存儲(chǔ)器周期，將數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存，中，再挪用一個(gè)存儲(chǔ)器周期，將數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存，MAR+1，DC-1，若，若DC不為不為0則繼續(xù)傳下一個(gè)字。則繼續(xù)傳下一個(gè)字。u DMA控制器在傳送字節(jié)數(shù)完成時(shí)，通過中斷請(qǐng)求線發(fā)出中斷信控制器在傳送字節(jié)數(shù)完成時(shí)，通過中斷請(qǐng)求線發(fā)出中斷信號(hào)，號(hào)，CPU收到中斷信號(hào)后轉(zhuǎn)中斷處理程序，喚醒

41、等待輸入完成的收到中斷信號(hào)后轉(zhuǎn)中斷處理程序，喚醒等待輸入完成的進(jìn)程，并返回被中斷的程序。進(jìn)程，并返回被中斷的程序。u 在以后的某個(gè)時(shí)刻，進(jìn)程調(diào)度程序選中提出請(qǐng)求輸入的進(jìn)程，在以后的某個(gè)時(shí)刻，進(jìn)程調(diào)度程序選中提出請(qǐng)求輸入的進(jìn)程，該進(jìn)程從指定的內(nèi)存始址取出數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理。該進(jìn)程從指定的內(nèi)存始址取出數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理。612021-11-223. DMA工作過程工作過程 圖 5-9 DMA方式的工作流程 設(shè)置 AR 和DC 初值啟動(dòng) DMA 傳送命令挪用存儲(chǔ)器周期傳送數(shù)據(jù)字存儲(chǔ)器地址增1字計(jì)數(shù)寄存器減1DC 0?請(qǐng)求中斷在繼續(xù)執(zhí)行用戶程序的同時(shí),準(zhǔn)備又一次傳送否是622021-11-22直接存儲(chǔ)器存

42、取控制直接存儲(chǔ)器存取控制n直接存儲(chǔ)器存取控制方式的特點(diǎn)直接存儲(chǔ)器存取控制方式的特點(diǎn)uI/O數(shù)據(jù)傳輸速度快，數(shù)據(jù)傳輸速度快，CPU負(fù)擔(dān)少。負(fù)擔(dān)少。u在在DMA方式下，數(shù)據(jù)的傳送方向、存放數(shù)據(jù)的內(nèi)方式下，數(shù)據(jù)的傳送方向、存放數(shù)據(jù)的內(nèi)存始址及傳送數(shù)據(jù)的長度等都由存始址及傳送數(shù)據(jù)的長度等都由CPU控制。每臺(tái)控制。每臺(tái)設(shè)備需要配一個(gè)設(shè)備需要配一個(gè)DMA控制器?？刂破?。 632021-11-22DMA方式與中斷的主要區(qū)別方式與中斷的主要區(qū)別n中斷方式是在數(shù)據(jù)緩沖寄存區(qū)滿后，發(fā)中斷中斷方式是在數(shù)據(jù)緩沖寄存區(qū)滿后，發(fā)中斷請(qǐng)求，請(qǐng)求，CPU進(jìn)行中斷處理進(jìn)行中斷處理 DMA方式則是在所要求傳送的數(shù)據(jù)塊全部方式則是

43、在所要求傳送的數(shù)據(jù)塊全部傳送結(jié)束時(shí)要求傳送結(jié)束時(shí)要求CPU進(jìn)行中斷處理進(jìn)行中斷處理 大大減少了大大減少了CPU進(jìn)行中斷處理的次數(shù)進(jìn)行中斷處理的次數(shù)n中斷方式的數(shù)據(jù)傳送是由中斷方式的數(shù)據(jù)傳送是由CPU控制完成的控制完成的 而而DMA方式則是在方式則是在DMA控制器的控制下不控制器的控制下不經(jīng)過經(jīng)過CPU控制完成的控制完成的642021-11-22實(shí)現(xiàn)流程實(shí)現(xiàn)流程向I/O控制器發(fā)讀命令讀I/O控制器的狀態(tài)檢查狀態(tài)？從I/O控制器中讀入字向存儲(chǔ)器中寫字傳送完成？未就緒就緒出錯(cuò)CPUI/OI/OCPUI/OCPUCPU 內(nèi)存下條指令完成未完向I/O控制器發(fā)讀命令讀I/O控制器的狀態(tài)檢查狀態(tài)？從I/O控

44、制器中讀字向內(nèi)存中寫字傳送完成？就緒出錯(cuò)CPUI/OI/OCPUI/OCPUCPU 內(nèi)存下條指令完成未完中斷CPU做其它事向I/O控制器發(fā)布讀塊命令CPUDMACPU做其它事讀DMA控制器的狀態(tài)中斷DMACPU下條指令(a) 程序I/O方式(b) 中斷驅(qū)動(dòng)方式(c) DMA方式652021-11-224 4 I/O I/O通道控制方式通道控制方式 1. I/O通道控制方式的引入通道控制方式的引入 雖然雖然DMA方式比起中斷方式來，已經(jīng)顯著地減少了方式比起中斷方式來，已經(jīng)顯著地減少了CPU的干預(yù)，即已由以字的干預(yù)，即已由以字(節(jié)節(jié))為單位的干預(yù)減少到以數(shù)據(jù)塊為單位的干預(yù)減少到以數(shù)據(jù)塊為單位的干預(yù)

45、，但為單位的干預(yù)，但CPU每發(fā)出一條每發(fā)出一條I/O指令，也只能去讀一指令，也只能去讀一個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)塊，要是一次去讀多個(gè)數(shù)據(jù)塊且將它們分別傳個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)塊，要是一次去讀多個(gè)數(shù)據(jù)塊且將它們分別傳送到不同的內(nèi)存區(qū)域，則須由送到不同的內(nèi)存區(qū)域，則須由CPU發(fā)出多條發(fā)出多條I/O指令，進(jìn)行指令，進(jìn)行多次中斷。多次中斷。 662021-11-225.2.4 I/O5.2.4 I/O通道控制方式通道控制方式 1. I/O通道控制方式的引入通道控制方式的引入 I/O通道方式是DMA方式的發(fā)展，它可進(jìn)一步減少CPU的干預(yù)，即把對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)塊的讀(或?qū)?為單位的干預(yù)，減少為對(duì)一組數(shù)據(jù)塊的讀(或?qū)?及有關(guān)的控制和管

46、理為單位的干預(yù)。 同時(shí)，又可實(shí)現(xiàn)CPU、通道和I/O設(shè)備三者的并行操作，從而更有效地提高整個(gè)系統(tǒng)的資源利用率。例如，當(dāng)CPU要完成一組相關(guān)的讀(或?qū)?操作及有關(guān)控制時(shí)，只需向I/O通道發(fā)送一條I/O指令，以給出其所要執(zhí)行的通道程序的首址和要訪問的I/O設(shè)備，通道接到該指令后，通過執(zhí)行通道程序便可完成CPU指定的I/O任務(wù)。 672021-11-222 2 通道程序通道程序 通道有它自己的指令系統(tǒng)，用一系列通道指通道有它自己的指令系統(tǒng)，用一系列通道指令構(gòu)成的程序叫令構(gòu)成的程序叫通道程序通道程序。 通道通過執(zhí)行通道程序，并與設(shè)備控制器共通道通過執(zhí)行通道程序，并與設(shè)備控制器共同實(shí)現(xiàn)對(duì)同實(shí)現(xiàn)對(duì)I/OI

47、/O設(shè)備的控制。設(shè)備的控制。 通道只能執(zhí)行通道程序，不可能執(zhí)行用戶進(jìn)通道只能執(zhí)行通道程序，不可能執(zhí)行用戶進(jìn)程。程。682021-11-22n通道有自己的指令系統(tǒng)，它與一般的機(jī)器通道有自己的指令系統(tǒng)，它與一般的機(jī)器指令不同，在它的每條指令中都包含下列指令不同，在它的每條指令中都包含下列諸信息：操作碼；內(nèi)存地址；計(jì)數(shù)；通道諸信息：操作碼；內(nèi)存地址；計(jì)數(shù)；通道程序結(jié)束位程序結(jié)束位P；記錄結(jié)束標(biāo)志；記錄結(jié)束標(biāo)志R692021-11-22操作操作 PR計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)內(nèi)存地址內(nèi)存地址WRITE 0080813WRITE001401034WRITE01605830WRITE013002000WRITE002501

48、850WRITE11250720702021-11-22n若干通道命令字構(gòu)成一個(gè)若干通道命令字構(gòu)成一個(gè)“通道程序通道程序”，它規(guī)定了，它規(guī)定了設(shè)備應(yīng)該執(zhí)行的各種操作和順序。在設(shè)備應(yīng)該執(zhí)行的各種操作和順序。在CPU啟動(dòng)通道啟動(dòng)通道后，由通道執(zhí)行通道程序，完成后，由通道執(zhí)行通道程序，完成CPU所交給的所交給的I/O任務(wù)。通常，通道程序存放在通道自己的存儲(chǔ)部件任務(wù)。通常，通道程序存放在通道自己的存儲(chǔ)部件里。當(dāng)通道中沒有存儲(chǔ)部件時(shí)，就存放在內(nèi)存儲(chǔ)器里。當(dāng)通道中沒有存儲(chǔ)部件時(shí)，就存放在內(nèi)存儲(chǔ)器里。這時(shí)，為了使通道能取到通道程序去執(zhí)行，必里。這時(shí)，為了使通道能取到通道程序去執(zhí)行，必須把存放通道程序的內(nèi)存起

49、始地址告訴通道。存放須把存放通道程序的內(nèi)存起始地址告訴通道。存放這個(gè)起始地址的內(nèi)存固定單元，被稱為這個(gè)起始地址的內(nèi)存固定單元，被稱為“通道地址通道地址字字”。712021-11-22通道的工作過程通道的工作過程n某進(jìn)程在運(yùn)行過程中，若提出了I/O請(qǐng)求，只需向通道I/O通道發(fā)一條I/O指令，以給出其所要執(zhí)行的通道程序的始址和要訪問的I/O設(shè)備；n用戶進(jìn)程阻塞以等待I/O完成n通道則通過執(zhí)行通道程序控制設(shè)備控制器，控制設(shè)備完成指定的I/O任務(wù)。n發(fā)出中斷信號(hào)通知CPU通道程序已執(zhí)行完成。nCPU響應(yīng)中斷，進(jìn)行善后處理并喚醒被阻塞的用戶進(jìn)程722021-11-22 n通道是一種特殊的（），具有（）能

50、力。主通道是一種特殊的（），具有（）能力。主機(jī)的機(jī)的CPUCPU與通道可以并行工作，并通過（）實(shí)與通道可以并行工作，并通過（）實(shí)現(xiàn)彼此之間的通信和同步現(xiàn)彼此之間的通信和同步 。1、I/O設(shè)備設(shè)備 2、設(shè)備控制器、設(shè)備控制器 3、處理機(jī)、處理機(jī) 4、I/O控制器控制器1、執(zhí)行、執(zhí)行I/O指令集指令集 2、執(zhí)行、執(zhí)行CPU指令集指令集 3、傳輸、傳輸I/O命令命令 4、運(yùn)行、運(yùn)行I/O進(jìn)程進(jìn)程1、I/O指令指令 2、I/O中斷中斷 3、I/O指令和指令和I/O中斷中斷 4、操作員、操作員732021-11-22 n在程序在程序I/OI/O方式中，對(duì)于輸出設(shè)備，準(zhǔn)備就緒方式中，對(duì)于輸出設(shè)備，準(zhǔn)備就緒

51、就是指就是指1、輸出緩沖區(qū)已空、輸出緩沖區(qū)已空 2、輸出緩沖區(qū)已有數(shù)據(jù)、輸出緩沖區(qū)已有數(shù)據(jù) 3、輸出設(shè)備已開始工作、輸出設(shè)備已開始工作 4、輸出設(shè)備已收到、輸出設(shè)備已收到I/O指令指令n不使用中斷機(jī)制的不使用中斷機(jī)制的I/O控制方式是控制方式是_n如果如果I/O設(shè)備與存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換不經(jīng)過設(shè)備與存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換不經(jīng)過CPU來來完成，這種數(shù)據(jù)交換方式是完成，這種數(shù)據(jù)交換方式是_。A、程序查詢、程序查詢 B、中斷方式、中斷方式 C、DMA方式方式n在中斷驅(qū)動(dòng)方式中，在中斷驅(qū)動(dòng)方式中，CPU是以是以_為單位對(duì)為單位對(duì)I/O進(jìn)行干預(yù)的；進(jìn)行干預(yù)的；DMA方式時(shí)，是以方式時(shí)，是以_為單位進(jìn)為單位

52、進(jìn)行干預(yù)的；行干預(yù)的；I/O通道方式是以通道方式是以_為單位進(jìn)行干為單位進(jìn)行干預(yù)的。預(yù)的。742021-11-226.5設(shè)備無關(guān)的設(shè)備無關(guān)的I/O軟件軟件n設(shè)備獨(dú)立性概念（設(shè)備無關(guān)性）設(shè)備獨(dú)立性概念（設(shè)備無關(guān)性）u應(yīng)用程序中所使用的設(shè)備，不局限于使用某個(gè)具應(yīng)用程序中所使用的設(shè)備，不局限于使用某個(gè)具體的物理設(shè)備。體的物理設(shè)備。F應(yīng)用程序獨(dú)立于具體使用的物理設(shè)備。在應(yīng)用程序中，使用邏輯設(shè)備名稱來請(qǐng)求使用某類設(shè)備。系統(tǒng)在實(shí)際執(zhí)行時(shí)，必須使用物理設(shè)備名稱752021-11-22設(shè)備獨(dú)立性設(shè)備獨(dú)立性n設(shè)備獨(dú)立性好處（設(shè)備無關(guān)性）設(shè)備獨(dú)立性好處（設(shè)備無關(guān)性）u設(shè)備分配時(shí)的靈活性設(shè)備分配時(shí)的靈活性。如果一個(gè)

53、系統(tǒng)中有若干臺(tái)相同的。如果一個(gè)系統(tǒng)中有若干臺(tái)相同的設(shè)備，用戶編程時(shí)不指定使用哪一個(gè)具體的設(shè)備，而僅設(shè)備，用戶編程時(shí)不指定使用哪一個(gè)具體的設(shè)備，而僅說明要使用哪一類設(shè)備，系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前這一類設(shè)備的具說明要使用哪一類設(shè)備，系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前這一類設(shè)備的具體狀況給用戶分配一臺(tái)具體的設(shè)備。體狀況給用戶分配一臺(tái)具體的設(shè)備。u易于實(shí)現(xiàn)易于實(shí)現(xiàn)I/OI/O重定向重定向。用于。用于I/OI/O操作的設(shè)備可以更換（重操作的設(shè)備可以更換（重定向），而不必改變應(yīng)用程序。例如有一程序要求輸入定向），而不必改變應(yīng)用程序。例如有一程序要求輸入信息，可以從各種不同類型的輸入設(shè)備上給程序輸入數(shù)信息，可以從各種不同類型的輸入設(shè)備上給程

54、序輸入數(shù)據(jù)，則稱該程序是獨(dú)立于不同類型的輸入設(shè)備的。據(jù)，則稱該程序是獨(dú)立于不同類型的輸入設(shè)備的。762021-11-22設(shè)備獨(dú)立性設(shè)備獨(dú)立性n邏輯設(shè)備名到物理設(shè)備名映射的實(shí)現(xiàn)邏輯設(shè)備名到物理設(shè)備名映射的實(shí)現(xiàn)u邏輯設(shè)備表LUT 將應(yīng)用程序中所使用的邏輯設(shè)備名映射為物理設(shè)備名。邏輯設(shè)備名物理設(shè)備名驅(qū)動(dòng)程序入口地址/dev/tty/dev/printer3510242046邏輯設(shè)備名/dev/tty/dev/printer系統(tǒng)設(shè)備表指針35(a)(b)772021-11-22設(shè)備獨(dú)立性設(shè)備獨(dú)立性n設(shè)備獨(dú)立性軟件設(shè)備獨(dú)立性軟件n驅(qū)動(dòng)程序是一個(gè)與硬件緊密相關(guān)的軟件，為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備獨(dú)立驅(qū)動(dòng)程序是一個(gè)與硬件緊

55、密相關(guān)的軟件，為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備獨(dú)立性，必須在其上設(shè)置一層軟件稱為設(shè)備獨(dú)立性軟件。其功能性，必須在其上設(shè)置一層軟件稱為設(shè)備獨(dú)立性軟件。其功能有有u執(zhí)行所有設(shè)備的公有操作 這些公有操作包括：設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的統(tǒng)一接口，無論何種設(shè)備， 它們向用戶所提供的接口應(yīng)該是相同的。 例如， 對(duì)各種設(shè)備的讀操作，在應(yīng)用程序中都使用read; 而對(duì)各種設(shè)備的寫操作，也都使用write； 并將邏輯設(shè)備名映射為物理設(shè)備名，進(jìn)一步可以找到相應(yīng)物理設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序；對(duì)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，禁止用戶直接訪問設(shè)備； 緩沖管理，即對(duì)字符設(shè)備和塊設(shè)備的緩沖區(qū)進(jìn)行有效的管理， 以提高I/O的效率；差錯(cuò)控制。設(shè)備獨(dú)立性軟件只處理那些設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序無法處

56、理的錯(cuò)誤。對(duì)獨(dú)立設(shè)備的分配與回收； 提供獨(dú)立于設(shè)備的邏輯塊。u向用戶層(或文件層)軟件提供統(tǒng)一接口 782021-11-22n程序員利用系統(tǒng)調(diào)用打開程序員利用系統(tǒng)調(diào)用打開I/O設(shè)備時(shí)，通常使設(shè)備時(shí)，通常使用的設(shè)備標(biāo)識(shí)是（用的設(shè)備標(biāo)識(shí)是（2009） A.邏輯設(shè)備名邏輯設(shè)備名 B.物理設(shè)備名物理設(shè)備名 C.主設(shè)備號(hào)主設(shè)備號(hào) D.從設(shè)備號(hào)從設(shè)備號(hào)n本地用戶通過鍵盤登陸系統(tǒng)是，首先獲得鍵本地用戶通過鍵盤登陸系統(tǒng)是，首先獲得鍵盤輸入信息的程序是盤輸入信息的程序是()。（。（2010） A. 命令解釋程序命令解釋程序 B. 中斷處理程序中斷處理程序 C. 系統(tǒng)調(diào)用程序系統(tǒng)調(diào)用程序D. 用戶登錄程序用戶登錄

57、程序792021-11-226.5.36.5.3 設(shè)設(shè) 備備 分分 配配n在多道程序環(huán)境下，系統(tǒng)中的設(shè)備供所在多道程序環(huán)境下，系統(tǒng)中的設(shè)備供所有進(jìn)程共享，為防止諸進(jìn)程對(duì)系統(tǒng)資源有進(jìn)程共享，為防止諸進(jìn)程對(duì)系統(tǒng)資源的無序競(jìng)爭，特規(guī)定系統(tǒng)設(shè)備不允許用的無序競(jìng)爭，特規(guī)定系統(tǒng)設(shè)備不允許用戶自行使用，戶自行使用，必須由系統(tǒng)統(tǒng)一分配必須由系統(tǒng)統(tǒng)一分配。n每當(dāng)進(jìn)程向系統(tǒng)提出請(qǐng)求時(shí)，只要是可每當(dāng)進(jìn)程向系統(tǒng)提出請(qǐng)求時(shí)，只要是可能和安全的，按一定策略分配能和安全的，按一定策略分配n為了實(shí)現(xiàn)獨(dú)占設(shè)備分配，必須在系統(tǒng)中為了實(shí)現(xiàn)獨(dú)占設(shè)備分配，必須在系統(tǒng)中設(shè)置相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)置相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)802021-11-22設(shè)備分配

58、中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)n從前面所學(xué)內(nèi)容中我們知道，創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程時(shí)，從前面所學(xué)內(nèi)容中我們知道，創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程時(shí)，開辟一個(gè)進(jìn)程控制塊開辟一個(gè)進(jìn)程控制塊PCB，以便隨時(shí)記錄進(jìn)程以便隨時(shí)記錄進(jìn)程的信息；在把一個(gè)作業(yè)提交給系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)也的信息；在把一個(gè)作業(yè)提交給系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)也是開辟一個(gè)作業(yè)控制塊是開辟一個(gè)作業(yè)控制塊JCB，以便隨時(shí)記錄作以便隨時(shí)記錄作業(yè)的信息。為了管理系統(tǒng)中的外部設(shè)備，操作業(yè)的信息。為了管理系統(tǒng)中的外部設(shè)備，操作系統(tǒng)仍然采用這種老辦法：為每一臺(tái)設(shè)備開辟系統(tǒng)仍然采用這種老辦法：為每一臺(tái)設(shè)備開辟一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)，隨時(shí)記錄系統(tǒng)中每一個(gè)設(shè)備的基一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)，隨時(shí)記錄系統(tǒng)中每一個(gè)設(shè)備的基本信息，這

59、個(gè)存儲(chǔ)區(qū)被稱為本信息，這個(gè)存儲(chǔ)區(qū)被稱為“設(shè)備控制表設(shè)備控制表DCT（Device Control Table）”。812021-11-22設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) n設(shè)備控制表（設(shè)備控制表（DCT）u系統(tǒng)為每個(gè)設(shè)備配置一張?jiān)O(shè)備控制表，用于記錄設(shè)備系統(tǒng)為每個(gè)設(shè)備配置一張?jiān)O(shè)備控制表，用于記錄設(shè)備的特性及的特性及I/O控制器連接的情況?？刂破鬟B接的情況。 n控制器控制表（控制器控制表（COCT）u每個(gè)控制器配置一張表，它反映控制器的使用情況等。每個(gè)控制器配置一張表，它反映控制器的使用情況等。 n通道控制表（通道控制表（CHCT）u為每個(gè)通道配置一張表，它反映通道的使用狀態(tài)。為每個(gè)通道

60、配置一張表，它反映通道的使用狀態(tài)。 n系統(tǒng)設(shè)備表（系統(tǒng)設(shè)備表（SDT）u它記錄已被連接到系統(tǒng)中的所有物理設(shè)備的情況，每它記錄已被連接到系統(tǒng)中的所有物理設(shè)備的情況，每個(gè)物理設(shè)備占一個(gè)表目。整個(gè)系統(tǒng)配置一張。個(gè)物理設(shè)備占一個(gè)表目。整個(gè)系統(tǒng)配置一張。 822021-11-22n下圖左側(cè)的下圖左側(cè)的“DCT”，表示系統(tǒng)中所有，表示系統(tǒng)中所有外部設(shè)備的外部設(shè)備的DCT的集合；中間是對(duì)其中的集合；中間是對(duì)其中的第的第i個(gè)設(shè)備的個(gè)設(shè)備的DCT放大，給出了放大，給出了DCT中中可能有的一些表項(xiàng)。不難理解，可能有的一些表項(xiàng)。不難理解，隨著系隨著系統(tǒng)的不同，統(tǒng)的不同，DCT中所含的內(nèi)容也不同。中所含的內(nèi)容也不同。