第七章設(shè)備管理-1

1、第七章第七章 設(shè)備管理設(shè)備管理7.1 I/O管理概述1、設(shè)備管理的主要功能：、設(shè)備管理的主要功能：l緩沖區(qū)管理緩沖區(qū)管理l設(shè)備分配設(shè)備分配l設(shè)備處理設(shè)備處理l虛擬設(shè)備虛擬設(shè)備l實(shí)現(xiàn)設(shè)備獨(dú)立性實(shí)現(xiàn)設(shè)備獨(dú)立性2、I/O系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息輸入、輸出和存儲(chǔ)的系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)信息輸入、輸出和存儲(chǔ)的系統(tǒng)。包括：包括：lI/O設(shè)備設(shè)備l總線總線l設(shè)備控制器設(shè)備控制器lI/O通道通道l I/O處理機(jī)處理機(jī)3、I/O設(shè)備的類型可以按照重要的性能指標(biāo)分類：可以按照重要的性能指標(biāo)分類：數(shù)據(jù)傳輸速率數(shù)據(jù)傳輸速率數(shù)據(jù)的傳輸單位數(shù)據(jù)的傳輸單位設(shè)備共享屬性設(shè)備共享屬性（1）按傳輸速率分類）按傳輸速率分類低速設(shè)備低速設(shè)備 每秒每秒幾字節(jié)

2、至數(shù)百字節(jié)幾字節(jié)至數(shù)百字節(jié) 如：鍵盤(pán)、鼠標(biāo)器、語(yǔ)音的輸入和輸出如：鍵盤(pán)、鼠標(biāo)器、語(yǔ)音的輸入和輸出中速設(shè)備中速設(shè)備 每秒每秒數(shù)千字節(jié)至數(shù)萬(wàn)字節(jié)數(shù)千字節(jié)至數(shù)萬(wàn)字節(jié) 如：行式打印機(jī)、激光打印機(jī)如：行式打印機(jī)、激光打印機(jī)高速設(shè)備高速設(shè)備 每秒數(shù)每秒數(shù)百千字節(jié)百千字節(jié)以上以上 如：磁帶機(jī)、磁盤(pán)機(jī)、光盤(pán)機(jī)等。如：磁帶機(jī)、磁盤(pán)機(jī)、光盤(pán)機(jī)等。（2）按信息交換單位分類）按信息交換單位分類塊設(shè)備塊設(shè)備 字符設(shè)備字符設(shè)備塊設(shè)備塊設(shè)備用于存儲(chǔ)信息。用于存儲(chǔ)信息。屬有結(jié)構(gòu)類型。屬有結(jié)構(gòu)類型。如：磁盤(pán)，盤(pán)塊大小為如：磁盤(pán)，盤(pán)塊大小為512B4KB512B4KB。磁盤(pán)設(shè)備的基本特征是其傳輸速率較高，磁盤(pán)設(shè)備的基本特征是其傳

3、輸速率較高，通常每秒鐘為幾兆位；可尋址，即對(duì)它可通常每秒鐘為幾兆位；可尋址，即對(duì)它可隨機(jī)地讀隨機(jī)地讀/ /寫(xiě)任一塊；寫(xiě)任一塊；磁盤(pán)設(shè)備的磁盤(pán)設(shè)備的I/OI/O常采用常采用DMADMA (Direct Memory Memory Access,Access,直接內(nèi)存存取直接內(nèi)存存取) )方式。方式。字符設(shè)備字符設(shè)備用于數(shù)據(jù)的輸入和輸出。用于數(shù)據(jù)的輸入和輸出。屬無(wú)結(jié)構(gòu)類型。屬無(wú)結(jié)構(gòu)類型。種類多，如交互式終端、打印機(jī)等。種類多，如交互式終端、打印機(jī)等?；咎卣魇瞧鋫鬏斔俾瘦^低，通常為基本特征是其傳輸速率較低，通常為幾個(gè)字節(jié)至數(shù)千個(gè)字節(jié)；另一特征是幾個(gè)字節(jié)至數(shù)千個(gè)字節(jié)；另一特征是不不可尋址，即輸入可尋

4、址，即輸入/ /輸出時(shí)不能指定數(shù)輸出時(shí)不能指定數(shù)據(jù)的輸入源地址及輸出的目標(biāo)地址據(jù)的輸入源地址及輸出的目標(biāo)地址輸入輸入/ /輸出時(shí)，常采用中斷驅(qū)動(dòng)方式。輸出時(shí)，常采用中斷驅(qū)動(dòng)方式。（3）按設(shè)備的共享屬性分類）按設(shè)備的共享屬性分類獨(dú)占設(shè)備獨(dú)占設(shè)備共享設(shè)備共享設(shè)備虛擬設(shè)備虛擬設(shè)備獨(dú)占設(shè)備獨(dú)占設(shè)備 指在一段時(shí)間內(nèi)只允許一個(gè)用戶（進(jìn)程）指在一段時(shí)間內(nèi)只允許一個(gè)用戶（進(jìn)程）訪問(wèn)的設(shè)備，即訪問(wèn)的設(shè)備，即臨界資源臨界資源。共享設(shè)備共享設(shè)備 指在一段時(shí)間內(nèi)允許多個(gè)進(jìn)程同時(shí)訪問(wèn)的設(shè)指在一段時(shí)間內(nèi)允許多個(gè)進(jìn)程同時(shí)訪問(wèn)的設(shè)備，如：磁盤(pán)。備，如：磁盤(pán)。4、設(shè)備與控制器接口、設(shè)備與控制器接口在該接口中有三種類型的信號(hào)：在

5、該接口中有三種類型的信號(hào)：數(shù)據(jù)信號(hào)數(shù)據(jù)信號(hào)。對(duì)輸入是由設(shè)備發(fā)送給設(shè)備控制器的；。對(duì)輸入是由設(shè)備發(fā)送給設(shè)備控制器的；對(duì)輸出是由設(shè)備控制器所接收的比特流。對(duì)輸出是由設(shè)備控制器所接收的比特流。控制信號(hào)控制信號(hào)。是設(shè)備控制器發(fā)送給設(shè)備的、用于規(guī)。是設(shè)備控制器發(fā)送給設(shè)備的、用于規(guī)定設(shè)備執(zhí)行、讀或?qū)懖僮鞯男盘?hào)，定設(shè)備執(zhí)行、讀或?qū)懖僮鞯男盘?hào)，狀態(tài)信號(hào)狀態(tài)信號(hào)。用于指示設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)。用于指示設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)。 設(shè)備控制器設(shè)備控制器是是CPUCPU與與I/OI/O設(shè)備的接口設(shè)備的接口分成兩大類：分成兩大類： 用于用于控制字符設(shè)備控制字符設(shè)備的控制器；的控制器； 用于用于控制塊設(shè)備控制塊設(shè)備的控制器。的控制器。微

6、型機(jī)和小型機(jī)中的控制器常做成印微型機(jī)和小型機(jī)中的控制器常做成印制電路卡形式，稱接口卡。制電路卡形式，稱接口卡。設(shè)備控制器的功能接收和識(shí)別命令接收和識(shí)別命令數(shù)據(jù)交換數(shù)據(jù)交換標(biāo)識(shí)并報(bào)告設(shè)備的狀態(tài)標(biāo)識(shí)并報(bào)告設(shè)備的狀態(tài)地址識(shí)別地址識(shí)別數(shù)據(jù)緩沖數(shù)據(jù)緩沖差錯(cuò)控制差錯(cuò)控制設(shè)備控制器的組成設(shè)備控制器的組成1 1）設(shè)備控制器與處理機(jī)接口）設(shè)備控制器與處理機(jī)接口2) 2) 設(shè)備控制器與設(shè)備接口設(shè)備控制器與設(shè)備接口3) I/O3) I/O邏輯邏輯（1 1）設(shè)備控制器與處理機(jī)接口）設(shè)備控制器與處理機(jī)接口三類信號(hào)線：三類信號(hào)線： 數(shù)據(jù)線、地址線、控制線數(shù)據(jù)線、地址線、控制線兩類寄存器：兩類寄存器： 數(shù)據(jù)寄存器、控制數(shù)據(jù)

7、寄存器、控制/ /狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器（2 2）設(shè)備控制）設(shè)備控制器與器與設(shè)備接口設(shè)備接口一個(gè)接口連接一臺(tái)設(shè)備一個(gè)接口連接一臺(tái)設(shè)備每個(gè)接口中含有數(shù)據(jù)、地址、控制每個(gè)接口中含有數(shù)據(jù)、地址、控制信號(hào)。信號(hào)。控制器的控制器的I/OI/O邏輯根據(jù)處理機(jī)發(fā)的邏輯根據(jù)處理機(jī)發(fā)的地址信號(hào)選擇設(shè)備接口。地址信號(hào)選擇設(shè)備接口。（3 3）I/OI/O邏輯邏輯通過(guò)一組控制線與處理機(jī)交互。通過(guò)一組控制線與處理機(jī)交互。處理機(jī)利用它向控制器發(fā)送處理機(jī)利用它向控制器發(fā)送 I IOO命令。命令。I/OI/O邏輯對(duì)收到的命令進(jìn)行譯碼。邏輯對(duì)收到的命令進(jìn)行譯碼。圖設(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

8、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5 5、I/OI/O通道通道I/OI/O通道是種特殊的處理機(jī)。它具有執(zhí)行通道是種特殊的處理機(jī)。它具有執(zhí)行I/OI/O指令的能指令的能力并通過(guò)執(zhí)行通道程序來(lái)控制力并通過(guò)執(zhí)行通道程序來(lái)控制I/OI/O操作。操作。與一般處理機(jī)不同表現(xiàn)在兩個(gè)方面：與一般處理機(jī)不同表現(xiàn)在兩個(gè)方面： 指令類型單一指令類型單一、即由于通道硬件比較簡(jiǎn)單其所能執(zhí)、即由于通道硬件比較簡(jiǎn)單其所能執(zhí)行的指令行的指令, ,要為與要為與I/OI/O有關(guān)的指令；有關(guān)的指令； 通道通道沒(méi)有自己的內(nèi)存沒(méi)有自己的內(nèi)存。與。與CPUCPU共享內(nèi)存。

9、共享內(nèi)存。通道類型通道類型根據(jù)信息交換方式分三種類型：根據(jù)信息交換方式分三種類型：字節(jié)多路通道字節(jié)多路通道數(shù)組選擇通道數(shù)組選擇通道數(shù)組多路通道數(shù)組多路通道字節(jié)多路通道字節(jié)多路通道 含有非分配型子通道，其數(shù)量從幾十到幾百。每個(gè)子通道連含有非分配型子通道，其數(shù)量從幾十到幾百。每個(gè)子通道連接一臺(tái)接一臺(tái)I/OI/O設(shè)備。設(shè)備。 子通道按時(shí)間片輪轉(zhuǎn)方式共享主通道。子通道按時(shí)間片輪轉(zhuǎn)方式共享主通道。 第一個(gè)子通道控制其第一個(gè)子通道控制其I/OI/O設(shè)備完成一個(gè)字節(jié)的交換后便立即設(shè)備完成一個(gè)字節(jié)的交換后便立即騰出字節(jié)多路通道騰出字節(jié)多路通道( (主通道主通道) )，讓給第二個(gè)子通道使用，依此類，讓給第二個(gè)子

10、通道使用，依此類推，所有通道輪轉(zhuǎn)一周后重返回。推，所有通道輪轉(zhuǎn)一周后重返回。 只要掃描每個(gè)于通道的速度足夠快，而連接到子通道上的設(shè)只要掃描每個(gè)于通道的速度足夠快，而連接到子通道上的設(shè)備的速率較小時(shí)，不丟數(shù)據(jù)。備的速率較小時(shí)，不丟數(shù)據(jù)。 連接低速或中速設(shè)備時(shí)連接低速或中速設(shè)備時(shí)，便不丟失信息。便不丟失信息。圖字節(jié)多路通道的工作原理 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NA1B1C1A2B2C2設(shè)備數(shù)組選擇通道數(shù)組選擇通道含有一個(gè)非分配型子通道可以連接多臺(tái)高速設(shè)備 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

11、送。利用率很低。數(shù)組多路通道數(shù)組多路通道含有多個(gè)非分配型子通道結(jié)合前兩者的優(yōu)點(diǎn)可以連接多臺(tái)高速設(shè)備數(shù)據(jù)傳送按數(shù)組進(jìn)行。利用率很高?！捌款i瓶頸”問(wèn)題問(wèn)題由于通道價(jià)格昂貴，致使機(jī)器中所設(shè)置的通道數(shù)量勢(shì)必較少，這往往又使它成了I/O的瓶頸，進(jìn)而造成整個(gè)系統(tǒng)吞吐量的下降。例如，在圖5中，假設(shè)設(shè)備1至設(shè)備4是四個(gè)磁盤(pán)，為了啟動(dòng)磁盤(pán)4，必須用通道1和控制器2；但若這兩者已被其它設(shè)備占用，必然無(wú)法啟動(dòng)磁盤(pán)4。類似地，若要啟動(dòng)盤(pán)1和盤(pán)2，由于它們都要用到通道1，因而也不可能啟動(dòng)。這些就是由于通道不足所造成的通道不足所造成的“瓶頸瓶頸”現(xiàn)象。 圖單通路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

12、1控制器2控制器3控制器4通道1通道2存儲(chǔ)器解決“瓶頸”問(wèn)題的最有效的方法，便是增加設(shè)備到主機(jī)間的通路而不增加通道，如圖所示。換言之，就是把一個(gè)設(shè)備連接到多個(gè)控制器上，而一個(gè)控制器又連接到多個(gè)通道上。圖中的設(shè)備1、2、3和4，都有四條通往存儲(chǔ)器的通路。例如，通過(guò)控制器1和通道1到存儲(chǔ)器；也可通過(guò)控制器2和通道1到存儲(chǔ)器。多通路方式不僅解決了“瓶頸”問(wèn)題，而且提高了系統(tǒng)的可靠性，因?yàn)閭€(gè)別通道或控制器的故障不會(huì)使設(shè)備和存儲(chǔ)器之間沒(méi)有通路。 圖多通路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6 6、總線、總線系統(tǒng)系統(tǒng)由圖 可以看出，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的各部件，

13、如CPU、存儲(chǔ)器以及各種I/O設(shè)備之間的聯(lián)系，都是通過(guò)總線來(lái)實(shí)現(xiàn)的?？偩€的性能是用總線的時(shí)鐘頻率、帶寬和相應(yīng)的總線傳輸速率等指標(biāo)來(lái)衡量的。隨著計(jì)算機(jī)中CPU和內(nèi)存速率的提高，字長(zhǎng)的增加，以及不斷地引入新型設(shè)備，促使人們對(duì)總線的時(shí)鐘頻率、帶寬和傳輸速率的要求也不斷提高。這便推動(dòng)了總線的不斷發(fā)展，使之由早期的ISA總線發(fā)展為EISA總線、VESA總線，進(jìn)而又演變成當(dāng)前廣為流行的PCI總線。 圖總線型I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu) CPU存儲(chǔ)器磁盤(pán)控制器打印機(jī)控制器其它控制器磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器打印機(jī)系統(tǒng)總線1 1ISAISA和和EISAEISA總線總線1) ISA(Industry Standard Architectur

14、e)總線這是為在1984年推出的80286型微機(jī)而設(shè)計(jì)的總線結(jié)構(gòu)。其總線的帶寬為8位，最高傳輸速率為2 Mb/s。之后不久又推出了16位的(EISA)總線，其最高傳輸速率為8 Mb/s，后又升至16 Mb/s，能連接12臺(tái)設(shè)備。2) EISA(Extended ISA)總線到20世紀(jì)80年代末期，ISA總線已難于滿足帶寬和傳輸速率的要求，于是人們又開(kāi)發(fā)出擴(kuò)展ISA(EISA)總線，其帶寬為32位，總線的傳輸速率高達(dá)32 Mb/s，同樣可以連接12臺(tái)外部設(shè)備。 2 2局部總線局部總線(Local Bus)(Local Bus)多媒體技術(shù)的興起，特別是全運(yùn)動(dòng)視頻處理、高保真音響、高速LAN，以及高

15、質(zhì)量圖形處理等技術(shù)，都要求總線具有更高的傳輸速率，這時(shí)的EISA總線已難于滿足要求，于是，局部總線便應(yīng)運(yùn)而生。所謂局部總線，是指將多媒體卡、高速LAN網(wǎng)卡、高性能圖形板等，從ISA總線上卸下來(lái)，再通過(guò)局部總線控制器直接接到CPU總線上，使之與高速CPU總線相匹配，而打印機(jī)、FAX/Modem、CDROM等仍掛在ISA總線上。在局部總線中較有影響的是VESA總線和PCI總線。 1) VESA(Video Electronic Standard Association)總線該總線的設(shè)計(jì)思想是以低價(jià)位迅速占領(lǐng)市場(chǎng)。VESA總線的帶寬為32位，最高傳輸速率為132 Mb/s。它在20世紀(jì)90年代初被推

16、出時(shí)，廣泛應(yīng)用于486微機(jī)中。但VESA總線仍存在較嚴(yán)重的缺點(diǎn)，比如，它所能連接的設(shè)備數(shù)僅為24臺(tái)，在控制器中無(wú)緩沖，故難于適應(yīng)處理器速度的不斷提高，也不能支持后來(lái)出現(xiàn)的Pentium微機(jī)。 2) PCI(Peripheral Component Interface)總線隨著Pentium系列芯片的推出，Intel公司分別在1992年和1995年頒布了PCI總線的V1.0和V2.1規(guī)范，后者支持64位系統(tǒng)。PCI在CPU和外設(shè)間插入一復(fù)雜的管理層，用于協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)傳輸和提供一致的接口。在管理層中配有數(shù)據(jù)緩沖，通過(guò)該緩沖可將線路的驅(qū)動(dòng)能力放大，使PCI最多能支持10種外設(shè)，并使高時(shí)鐘頻率的CPU能很

17、好地運(yùn)行，最大傳輸速率可達(dá)132 Mb/s。PCI既可連接ISA、EISA等傳統(tǒng)型總線，又可支持Pentium的64位系統(tǒng)，是基于奔騰等新一代微處理器而發(fā)展的總線。 DMA控制方式中斷方式比程序I/O方式有效，但它是以字節(jié)為單位進(jìn)行的，每傳送一個(gè)字節(jié)，控制器便向CPU請(qǐng)求一次中斷，如果將這種方式用于塊設(shè)備的I/O，顯然是低效的。例如要讀1KB的數(shù)據(jù)塊，需要中斷1K次CPU。為了減少CPU對(duì)I/O的干預(yù)，引入DMA方式。該方式的特點(diǎn)為：l數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝皇菙?shù)據(jù)塊。l所傳送的數(shù)據(jù)是從設(shè)備直接送入內(nèi)存的。l僅在傳送一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)塊的開(kāi)始或結(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

18、的。DMA控制器的組成增加兩類寄存器：l內(nèi)存地址寄存器MARl數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器DCPU控制器控制/狀態(tài)寄存器內(nèi)存地址寄存器忙/閑位中斷位開(kāi)始中斷數(shù)據(jù)線信號(hào)線數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器內(nèi)存CountDMA工作過(guò)程存儲(chǔ)器地址增1數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器減1挪用存儲(chǔ)器周期傳送數(shù)據(jù)字開(kāi)始設(shè)置MAR和DC的初值啟動(dòng)DMA傳送命令DC=0？是在繼續(xù)執(zhí)行用戶程序的同時(shí)，準(zhǔn)備又一次傳送請(qǐng)求中斷否當(dāng)CPU需要從磁盤(pán)讀數(shù)據(jù)時(shí)，便向磁盤(pán)控制器DMA發(fā)命令，該命令送命令寄存器CR，將內(nèi)存地址送內(nèi)存地址寄存器MAR，本次要讀的字節(jié)數(shù)送數(shù)據(jù)寄存器DC。啟動(dòng)DMA后，CPU干其他的事情，數(shù)據(jù)傳送在DMA的控制下完成。通道方式lDMA方式比中斷方式、程序I/O方式以顯著地減少了CPU的干預(yù)，即從字節(jié)為單位的干預(yù)減少到以數(shù)據(jù)塊為單位的干預(yù)。lI/O通道方式是DMA方式的發(fā)展，把以數(shù)據(jù)塊為單位的干預(yù)，減少到對(duì)一組數(shù)據(jù)塊為單位的干預(yù)。l在DMA方式中，每發(fā)出一個(gè)I/O指令，能讀（寫(xiě)）一個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)塊，當(dāng)需要一次去讀多個(gè)離散的數(shù)據(jù)塊且將它們分別傳送到不同的內(nèi)存區(qū)域時(shí)，則需多條I/O指令和