計算機體系結(jié)構(gòu)：第6章 輸入輸出系統(tǒng)

1、6.1I/O系統(tǒng)性能與CPU性能6.2I/O系統(tǒng)的可靠性、可用性和可信性6.3廉價磁盤冗余陣列RAID6.4總線6.5通道處理機6.6I/O與操作系統(tǒng)第6章 輸入/輸出系統(tǒng)6.1 I/O系統(tǒng)性能與CPU性能輸入/輸出系統(tǒng)簡稱I/O系統(tǒng)，包括：I/O設(shè)備I/O設(shè)備與處理機的連接I/O軟件I/O系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)中的一個重要組成部分完成計算機與外界的信息交換給計算機提供大容量的外部存儲器 按照主要完成的工作進(jìn)行分類：存儲I/O系統(tǒng)（本章內(nèi)容） 通信I/O系統(tǒng)6.1 I/O系統(tǒng)性能與CPU性能人們對I/O系統(tǒng)的作用和性能沒有給予足夠的重視人們更多地關(guān)注：CPU的性能 許多人甚至認(rèn)為CPU的速度就是計算

2、機的速度。I/O設(shè)備通常被稱為外圍設(shè)備。 （外圍的就似乎沒那么重要了） 系統(tǒng)的響應(yīng)時間(衡量計算機系統(tǒng)的一個更好的指標(biāo))從用戶輸入命令開始，到得到結(jié)果所花費的時間。由兩部分構(gòu)成：I/O系統(tǒng)的響應(yīng)時間CPU的處理時間 6.1 I/O系統(tǒng)性能與CPU性能誤區(qū)：使用多進(jìn)程技術(shù)可以忽略I/O性能對系統(tǒng)性能的影響多進(jìn)程技術(shù)只能夠提高系統(tǒng)吞吐率，并不能夠減 少系統(tǒng)響應(yīng)時間。進(jìn)程切換時可能需要增加I/O操作。可切換的進(jìn)程數(shù)量有限，當(dāng)I/O處理較慢時，仍 然會導(dǎo)致CPU處于空閑狀態(tài)。 6.1 I/O系統(tǒng)性能與CPU性能例6.1 假設(shè)一臺計算機的I/O處理時間占響應(yīng)時間的10%，當(dāng)I/O性能保持不變，而對CPU

3、的性能分別提高10倍和100倍時，該計算機系統(tǒng)的總體性能會發(fā)生什么樣的變化？ 解 假設(shè)改進(jìn)前程序的執(zhí)行時間為1個單位時間。 如果CPU的性能提高10倍，程序的執(zhí)行時間減少為： (110%) / 10 + 10% = 0.19 即整機性能只能提高到原來的約5倍，約50%的CPU性能被浪費在I/O處理上。 如果CPU的性能提高100倍，程序的執(zhí)行時間減少為： (1 10%) / 100 + 10% = 0.109 整機性能只能提高約10倍，約90%的性能被浪費在沒有改進(jìn)的I/O處理上。 6.1 I/O系統(tǒng)性能與CPU性能評價I/O系統(tǒng)性能的參數(shù)主要有：連接特性（哪些I/O設(shè)備可以和計算機系統(tǒng)相連接

4、）I/O系統(tǒng)的容量（I/O系統(tǒng)可以容納的I/O設(shè)備數(shù)）響應(yīng)時間和吞吐率等另一種衡量I/O系統(tǒng)性能的方法：考慮I/O操作對CPU的打擾情況。即考查某個進(jìn)程在執(zhí)行時，由于其他進(jìn)程的I/O操作，使得該進(jìn)程的執(zhí)行時間增加了多少。 處理器性能已經(jīng)很高，人們更加關(guān)注系統(tǒng)可靠性。反映外設(shè)可靠性能的參數(shù)有：可靠性（Reliability）可用性（Availability）可信性（Dependability）系統(tǒng)的可靠性：系統(tǒng)從某個初始參考點開始一直連續(xù)提供服務(wù)的能力。用平均無故障時間MTTF來衡量。 （Mean Time To Failure） 6.2 I/O系統(tǒng)的可靠性、可用性和可信性6.2 I/O系統(tǒng)的可

5、靠性、可用性和可信性MTTF的倒數(shù)就是系統(tǒng)的失效率。如果系統(tǒng)中每個模塊的生存期服從指數(shù)分布，則系統(tǒng)整體的失效率是各部件的失效率之和。系統(tǒng)的可用性：系統(tǒng)正常工作的時間在連續(xù)兩次正常服務(wù)間隔時間中所占的比率。MTTF+MTTR：平均失效間隔時間MTBF（Mean Time Between Failure）系統(tǒng)的可信性：服務(wù)的質(zhì)量。即在多大程度上可以合理地認(rèn)為服務(wù)是可靠的。（不可以度量）6.2 I/O系統(tǒng)的可靠性、可用性和可信性例6.2 假設(shè)磁盤子系統(tǒng)的組成部件和它們的MTTF如下：（1）磁盤子系統(tǒng)由10個磁盤構(gòu)成，每個磁盤的MTTF為1000000小時；（2）1個SCSI控制器，其MTTF為500

6、000小時；（3）1個不間斷電源，其MTTF為200000小時；（4）1個風(fēng)扇，其MTTF為200000小時；（5）1根SCSI連線，其MTTF為1000000小時。 假定每個部件的生存期服從指數(shù)分布，同時假定各部件的故障是相互獨立的，求整個系統(tǒng)的MTTF。6.2 I/O系統(tǒng)的可靠性、可用性和可信性 解 整個系統(tǒng)的失效率為： 系統(tǒng)的MTTF為系統(tǒng)失效率的倒數(shù)，即： 即將近5年。 6.2 I/O系統(tǒng)的可靠性、可用性和可信性提高系統(tǒng)組成部件可靠性的方法 有效構(gòu)建方法（valid construction） 在構(gòu)建系統(tǒng)的過程中消除故障隱患，這樣建立起來的系統(tǒng)就不會出現(xiàn)故障。糾錯方法（error co

7、rrection） 在系統(tǒng)構(gòu)建中采用容錯的方法。這樣即使出現(xiàn)故障，也可以通過容錯信息保證系統(tǒng)正常工作。 磁盤陣列DA（Disk Array）：使用多個磁盤（包括驅(qū)動器）的組合來代替一個大容量的磁盤。多個磁盤并行工作。以條帶為單位把數(shù)據(jù)均勻地分布到多個磁盤上。 （交叉存放）條帶存放可以使多個數(shù)據(jù)讀/寫請求并行地被處理，從而提高總的I/O性能。這里并行性有兩方面的含義： 6.3 廉價磁盤冗余陣列RAID6.3 廉價磁盤冗余陣列RAID多個獨立的請求可以由多個盤來并行地處理。 減少了I/O請求的排隊等待時間 如果一個請求訪問多個塊，就可以由多個盤合作來并行處理。 提高了單個請求的數(shù)據(jù)傳輸率問題：陣列

8、中磁盤數(shù)量的增加會導(dǎo)致磁盤陣列可靠性的下降。 如果使用了N個磁盤構(gòu)成磁盤陣列，那么整個陣列的可靠性將降低為單個磁盤的1/N。解決方法：在磁盤陣列中設(shè)置冗余信息盤 當(dāng)單個磁盤失效時，丟失的信息可以通過冗余盤中的信息重新構(gòu)建。 6.3 廉價磁盤冗余陣列RAID廉價磁盤冗余陣列RAIDRedundant Arrays of Inexpensive Disks1988年，Patterson教授首先提出磁盤冗余陣列RAIDRedundant Arrays of Independent Disks 簡稱磁盤陣列技術(shù)DA大多數(shù)磁盤陣列的組成可以用兩個特征來區(qū)分：冗余數(shù)據(jù)的計算方法以及在磁盤陣列中的存放方式

9、數(shù)據(jù)交叉存放的粒度（可以是細(xì)粒度的，也可以是粗粒度的）6.3 廉價磁盤冗余陣列RAID細(xì)粒度磁盤陣列是在概念上把數(shù)據(jù)分割成相對較小的單位交叉存放。 優(yōu)點：所有I/O請求都能夠獲得很高的數(shù)據(jù)傳輸率。缺點：在任何時間，都只有一個邏輯上的I/O在處理當(dāng)中，而且所有的磁盤都會因為為每個請求進(jìn)行定位而浪費時間。粗粒度磁盤陣列是把數(shù)據(jù)以相對較大的單位交叉存放。多個較小規(guī)模的請求可以同時得到處理。對于較大規(guī)模的請求又能獲得較高的傳輸率。6.3 廉價磁盤冗余陣列RAID在磁盤陣列中設(shè)置冗余需要解決以下兩個問題：如何計算冗余信息?大多都是采用奇偶校驗碼；也有采用漢明碼（Hamming code）或Reed-So

10、lomon碼的。 如何把冗余信息分布到磁盤陣列中的各個盤?有兩種方法：把冗余信息集中存放在少數(shù)的幾個盤中。把冗余信息均勻地存放到所有的盤中。 （能避免出現(xiàn)熱點問題） RAID級別 可以容忍的故障個數(shù)以及當(dāng)數(shù)據(jù)盤為8個時，所需要的檢測盤的個數(shù) 優(yōu) 點 缺 點 公司產(chǎn)品 0 非冗余，條帶存放 0個故障；0個檢測盤 沒有空間開銷 沒有糾錯能力 廣泛應(yīng)用 1鏡像 1個故障；8個檢測盤 不需要計算奇偶校驗，數(shù)據(jù)恢復(fù)快，讀數(shù)據(jù)快。而且其小規(guī)模寫操作比更高級別的RAID快 檢測空間開銷最大（即需要的檢測盤最多） EMC，HP（Tandem），IBM 2存儲器式ECC 1個故障；4個檢測盤 不依靠故障盤進(jìn)行自

11、診斷 檢測空間開銷的級別是log2m級（m為數(shù)據(jù)盤的個數(shù)） 沒有 3 位交叉奇偶校驗 1個故障；1個檢測盤 檢測空間開銷?。葱枰臋z測盤少），大規(guī)模讀寫操作的帶寬高 對小規(guī)模、隨機的讀寫操作沒有提供特別的支持 外存概念 RAID的分級及其特性 6.3 廉價磁盤冗余陣列RAID有關(guān)RAID的幾個問題關(guān)鍵問題：如何發(fā)現(xiàn)磁盤的故障磁盤技術(shù)提供了故障檢測操作的信息 設(shè)計的另一個問題如何減少平均修復(fù)時間MTTR典型的做法：在系統(tǒng)中增加熱備份盤熱交換技術(shù)與熱備份盤相關(guān)的一種技術(shù)允許系統(tǒng)在不關(guān)機的情況下更換設(shè)備非冗余陣列，無冗余信息。嚴(yán)格地說，它不屬于RAID系列。把數(shù)據(jù)切分成條帶，以條帶為單位交叉地分布

12、存放到多個磁盤中。6.3.1 RAID06.3 廉價磁盤冗余陣列RAID6.3 廉價磁盤冗余陣列RAID亦稱鏡像盤，使用雙備份磁盤。每當(dāng)把數(shù)據(jù)寫入磁盤時，將該數(shù)據(jù)也寫入其鏡像盤，形成信息的兩個副本。6.3.2 RAID16.3 廉價磁盤冗余陣列RAIDRAID1的特點能實現(xiàn)快速的讀取操作。寫性能由寫性能最差的磁盤決定。相對以后各級RAID來說，RAID1的寫速度較快?？煽啃院芨?，數(shù)據(jù)的恢復(fù)很簡單。最昂貴的解決方法，物理磁盤空間是邏輯磁盤空間的兩倍。 6.3 廉價磁盤冗余陣列RAID存儲器式的磁盤陣列（按漢明糾錯碼的思路構(gòu)建）含4個數(shù)據(jù)盤的RAID26.3.3 RAID26.3 廉價磁盤冗余陣列

13、RAIDRAID2的特點每個數(shù)據(jù)盤存放所有數(shù)據(jù)字的一位 （位交叉存放）各個數(shù)據(jù)盤上的相應(yīng)位計算漢明校驗碼，編碼位被存放在多個校驗（ECC）磁盤的對應(yīng)位上。冗余盤是用來存放漢明碼的，其個數(shù)為log2m級。 m：數(shù)據(jù)盤的個數(shù)（也就是數(shù)據(jù)字的位數(shù)）并未被廣泛應(yīng)用，目前還沒有商業(yè)化產(chǎn)品。6.3 廉價磁盤冗余陣列RAID位交叉奇偶校驗盤陣列6.3.4 RAID36.3 廉價磁盤冗余陣列RAIDRAID3的特點采用奇偶校驗寫數(shù)據(jù)時為每行數(shù)據(jù)形成奇偶校驗位并寫入校驗盤讀出數(shù)據(jù)時如果控制器發(fā)現(xiàn)某個磁盤出故障，就可以根據(jù)故障盤以外的所有其他盤中的正確信息恢復(fù)故障盤中的數(shù)據(jù)。（通過異或運算實現(xiàn)） 細(xì)粒度的磁盤陣列

14、，即采用的條帶寬度較小。 （可以是1個字節(jié)或1位）只需要一個校驗盤，校驗空間開銷比較小。 6.3 廉價磁盤冗余陣列RAID塊交叉奇偶校驗磁盤陣列 采用比較大的條帶，以塊為單位進(jìn)行交叉存放和計算奇偶校驗。實現(xiàn)目標(biāo)：能同時處理多個小規(guī)模訪問請求6.3.5 RAID46.3 廉價磁盤冗余陣列RAIDRAID4讀寫特點讀取操作每次只需訪問數(shù)據(jù)所在的磁盤。僅在該磁盤出現(xiàn)故障時，才會去讀校驗盤，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的重建。寫入操作假定:有4個數(shù)據(jù)盤和一個冗余盤。寫數(shù)據(jù)需要2次磁盤讀和2次磁盤寫操作。6.3 廉價磁盤冗余陣列RAIDRAID4能有效地處理小規(guī)模訪問，快速處理大規(guī)模訪問，校驗空間開銷比較小。6.3 廉價

15、磁盤冗余陣列RAID塊交叉分布奇偶校驗磁盤陣列 數(shù)據(jù)以塊交叉的方式存于各盤，無專用冗余盤，奇偶校驗信息均勻分布在所有磁盤上。 6.3.6 RAID56.3 廉價磁盤冗余陣列RAIDPQ雙校驗磁盤陣列 特點校驗空間開銷是RAID5的兩倍 容忍兩個磁盤出錯 6.3.7 RAID66.3 廉價磁盤冗余陣列RAIDRAID10又稱為RAID1+0 先進(jìn)行鏡像（RAID1），再進(jìn)行條帶存放（RAID0） 6.3.8 RAID10與RAID016.3 廉價磁盤冗余陣列RAIDRAID01又稱為RAID0+1先進(jìn)行條帶存放（RAID0），再進(jìn)行鏡像（RAID1） 6.3 廉價磁盤冗余陣列RAID實現(xiàn)盤陣列的

16、方式主要有三種：軟件方式：陣列管理軟件由主機來實現(xiàn)。優(yōu)點：成本低缺點：過多地占用主機時間，且?guī)捴笜?biāo)上不去。陣列卡方式：把RAID管理軟件固化在I/O控制卡上，從而可不占用主機時間，一般用于工作站和PC機。子系統(tǒng)方式：一種基于通用接口總線的開放式平臺，可用于各種主機平臺和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。6.3.9 RAID的實現(xiàn)與發(fā)展6.3 廉價磁盤冗余陣列RAID磁盤陣列技術(shù)研究的主要熱點問題新型陣列體系結(jié)構(gòu)；RAID結(jié)構(gòu)與其所記錄文件特性的關(guān)系；在RAID冗余設(shè)計中，綜合平衡性能、可靠性和開銷的問題；超大型磁盤陣列在物理上如何構(gòu)造和連接。在計算機系統(tǒng)中，各子系統(tǒng)之間可以通過總線互相連接。優(yōu)點：成本低、多樣性主要

17、缺點：它是由不同的外設(shè)分時共享的，形成了信息交換的瓶頸，從而限制了系統(tǒng)中總的I/O吞吐量。6.4 總 線6.4 總 線總線設(shè)計存在很多技術(shù)難點一個重要原因：總線上信息傳送的速度極大地受限于各種物理因素。如總線的長度、設(shè)備的數(shù)目、信號的強度等，這些物理因素限制了總線性能的提高。另外，我們一方面要求I/O操作響應(yīng)快，另一方面又要求高吞吐量，這可能造成設(shè)計需求上的沖突。6.4.1 總線的設(shè)計6.4 總 線設(shè)計總線時需要考慮的一些問題 特性 高性能 低價格 總線寬度 獨立的地址和數(shù)據(jù)總線 數(shù)據(jù)和地址分時共用同一套總線 數(shù)據(jù)總線寬度 越寬越快（例如：64位） 越窄越便宜（例如：8位） 傳輸塊大小 塊越大

18、總線開銷越小 單字傳送更簡單 總線主設(shè)備 多個（需要仲裁） 單個（無需仲裁） 分離事務(wù) 采用分離的請求包和應(yīng)答包能提高總線帶寬 不采用持續(xù)連接成本更低，而且延遲更小 定時方式 同步 異步 6.4 總 線分離事務(wù)總線（又稱：流水總線、懸掛總線、包交換總線）在有多個主設(shè)備時，可以通過打包技術(shù)來提高總線帶寬?；舅枷雽⒖偩€事務(wù)分成請求和應(yīng)答兩部分。在請求和應(yīng)答之間的空閑時間內(nèi)，總線可以供其他的I/O使用，這樣就不必在整個I/O過程中都獨占總線。 工作過程的示意圖 6.4 總 線分離事務(wù)總線有較高的帶寬，但是它的數(shù)據(jù)傳送延遲通常比獨占總線方法大。 地址地址1 地址2 地址3數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)0 數(shù)據(jù)1等待等待1

19、 完成1 6.4 總 線同步總線 包含一個供總線上所有設(shè)備使用的時鐘，并且這些設(shè)備是基于該時鐘按照一個固定的協(xié)議來發(fā)送地址和數(shù)據(jù)的。 優(yōu)點：速度快、成本低。 缺點：總線操作都必須以同樣的時鐘頻率進(jìn)行。 異步總線 沒有統(tǒng)一的參考時鐘，每個設(shè)備都有各自的定時方法。采用握手協(xié)議 。6.4 總 線I/O總線標(biāo)準(zhǔn)：定義如何將設(shè)備與計算機進(jìn)行連接的文檔。常見I/O總線的一些典型特征 6.4.2 總線標(biāo)準(zhǔn)和實例IDE / Ultra ATA SCSI PCI PCI-X 數(shù)據(jù)寬度（b） 16 8/1632/6432/64時鐘頻率（MHz） 10010（Fast）20（Ultra）40（Ultra2）80（U

20、ltra3）160（Ultra4） 33/6666/100/133總線主設(shè)備數(shù)量 1個 多個 多個 多個 峰值帶寬（MBps） 2003205331066同步方式 異步 異步 同步 同步 標(biāo)準(zhǔn) 無 ANSI X3.131 無 無 幾種常用并行I/O總線 6.4 總 線在嵌入式系統(tǒng)中使用較多的4種串行I/O總線的一些典型特征 I2C 1-wire RS-232 SPI 數(shù)據(jù)寬度（b） 1121信號線數(shù)量 219/253時鐘頻率（MHz） 0.410 異步 0.04或異步 異步 總線主設(shè)備數(shù)量 多個 多個 多個 多個 峰值帶寬（Mbps） 0.43.4 0.014 0.192 1同步方式 異步 異

21、步 異步 異步 標(biāo)準(zhǔn) 無 無 EIA, ITU-T V.21 無 6.4 總 線在服務(wù)器系統(tǒng)中使用的CPU-存儲器互連系統(tǒng) HP HyperPlane Crossbar IBM SP SUN Gigaplane-XB 數(shù)據(jù)寬度（b） 64128128時鐘頻率（MHz） 12011183.3 總線的主設(shè)備數(shù) 多個 多個 多個 每端口峰值帶寬（MBps） 96017001300總峰值帶寬（MBps） 76801420010667同步方式 同步 同步 同步 標(biāo)準(zhǔn) 無 無 無 6.4 總 線I/O總線的物理連接方式有兩種選擇連接到存儲器上 更常見連接到Cache上I/O總線連接到存儲器總線上的方式一種

22、典型的組織結(jié)構(gòu) 6.4.3 與CPU的連接CPUCache主存I/O控制器圖形輸出I/O控制器總線適配器網(wǎng)絡(luò)CPU主存總線I/O總線總線適配器AGP總線PCI總線 I/O控制器I/O控制器總線適配器磁盤磁盤CD6.4 總 線CPU對I/O設(shè)備的編址有兩種方式存儲器映射I/O（也稱為統(tǒng)一編址）將一部分存儲器地址空間分配給I/O設(shè)備，用load指令和store指令對這些地址進(jìn)行讀寫將引起I/O設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸。將一部分存儲空間留出用于設(shè)備控制，對這一部分地址空間進(jìn)行讀寫就是向設(shè)備發(fā)出控制命令。給I/O設(shè)備獨立編址需要在CPU中設(shè)置專用的I/O指令來訪問I/O設(shè)備。CPU需要發(fā)出一個標(biāo)志信號來表示所訪

23、問的地址是I/O設(shè)備的地址。6.4 總 線CPU與外部設(shè)備進(jìn)行輸入/輸出的方式可分為4種程序查詢中斷DMA通道 通道處理機能夠負(fù)擔(dān)外圍設(shè)備的大部分I/O工作。通道處理機（簡稱通道）：專門負(fù)責(zé)整個計算機系統(tǒng)的輸入/輸出工作。通道處理機只能執(zhí)行有限的一組輸入/輸出指令。I/O處理機(外圍處理機)：負(fù)責(zé)I/O工作的通用微處理機。6.5 通道處理機6.5 通道處理機程序控制、中斷和DMA方式管理外圍設(shè)備會引起兩個問題：所有外設(shè)的輸入/輸出工作均由CPU承擔(dān)，CPU的計算工作經(jīng)常被打斷而去處理輸入/輸出的事務(wù)，不能充分發(fā)揮CPU的計算能力。 大型計算機系統(tǒng)的外設(shè)雖然很多，但同時工作的機會不是很多。解決上

24、述問題的方法：采用通道處理機 6.5.1 通道的作用和功能6.5 通道處理機一個典型的由主機、通道、設(shè)備控制器、外設(shè)構(gòu)成的4級層次結(jié)構(gòu)的輸入/輸出系統(tǒng)。6.5 通道處理機通道的功能 接收CPU發(fā)來的I/O指令，并根據(jù)指令要求選擇指定的外設(shè)與通道相連接。執(zhí)行通道程序 從主存中逐條取出通道指令，對通道指令進(jìn)行譯碼，并根據(jù)需要向被選中的設(shè)備控制器發(fā)出各種操作命令。給出外設(shè)中要進(jìn)行讀/寫操作的數(shù)據(jù)所在的地址如磁盤存儲器的柱面號、磁頭號、扇區(qū)號等。 給出主存緩沖區(qū)的首地址該緩沖區(qū)存放從外設(shè)輸入的數(shù)據(jù)或者將要輸出到外設(shè)中去的數(shù)據(jù)。6.5 通道處理機控制外設(shè)與主存緩沖區(qū)之間的數(shù)據(jù)傳送的長度對傳送的數(shù)據(jù)個數(shù)進(jìn)

25、行計數(shù)，并判斷數(shù)據(jù)傳送是否結(jié)束。指定傳送工作結(jié)束時要進(jìn)行的操作例如：將外設(shè)的中斷請求及通道的中斷請求送往CPU等。檢查外設(shè)的工作狀態(tài)是否正常，并將該狀態(tài)信息送往主存指定單元保存。在數(shù)據(jù)傳輸過程中完成必要的格式變換例如：把字拆分為字節(jié)，或者把字節(jié)裝配成字等。 6.5 通道處理機通道的主要硬件寄存器數(shù)據(jù)緩沖寄存器主存地址計數(shù)器傳輸字節(jié)數(shù)計數(shù)器通道命令字寄存器通道狀態(tài)字寄存器控制邏輯分時控制地址分配數(shù)據(jù)傳送、裝配和拆分等6.5 通道處理機通道對外設(shè)的控制通過輸入/輸出接口和設(shè)備控制器進(jìn)行通道與設(shè)備控制器之間一般采用標(biāo)準(zhǔn)的輸入/輸出接口來連接。通道通過標(biāo)準(zhǔn)接口把操作命令送到設(shè)備控制器，設(shè)備控制器解釋并

26、執(zhí)行這些通道命令，完成命令指定的操作。設(shè)備控制器能夠記錄外設(shè)的狀態(tài)，并把狀態(tài)信息送往通道和CPU。 6.5 通道處理機通道完成一次數(shù)據(jù)輸入/輸出的工作過程在用戶程序中使用訪管指令進(jìn)入管理程序，由管理程序生成一個通道程序，并啟動通道。用戶在目標(biāo)程序中設(shè)置一條廣義指令，通過調(diào)用操作系統(tǒng)的管理程序來實現(xiàn)。管理程序根據(jù)廣義指令提供的參數(shù)來編制通道程序。 啟動輸入/輸出設(shè)備指令是一條主要的輸入/輸出指令，屬于特權(quán)指令。工作流程 6.5.2 通道的工作過程6.5 通道處理機6.5 通道處理機通道處理機執(zhí)行通道程序，完成指定的數(shù)據(jù)輸入/輸出工作。 通道處理機執(zhí)行通道程序與CPU執(zhí)行用戶程序是并行的。 通道程

27、序結(jié)束后向CPU發(fā)中斷請求。CPU執(zhí)行程序和通道執(zhí)行通道程序的時間關(guān)系 6.5 通道處理機6.5 通道處理機根據(jù)信息傳送方式的不同，將通道分為三種類型字節(jié)多路通道選擇通道數(shù)組多路通道三種類型的通道與CPU、設(shè)備控制器和外設(shè)的連接關(guān)系 6.5.3 通道的種類6.5 通道處理機6.5 通道處理機字節(jié)多路通道 為多臺低速或中速的外設(shè)服務(wù)。以字節(jié)交叉的方式分時輪流地為它們服務(wù)。字節(jié)多路通道可以包含多個子通道，每個子通道連接一臺設(shè)備控制器。選擇通道 為多臺高速外圍設(shè)備服務(wù)。 在一段時間內(nèi)只為一臺高速外設(shè)獨占使用。選擇通道的硬件 5個寄存器數(shù)據(jù)緩沖寄存器、設(shè)備地址寄存器、主存地址計數(shù)器、交換字節(jié)數(shù)計數(shù)器、

28、設(shè)備狀態(tài)/控制寄存器 格式變換部件用于在主存和設(shè)備之間進(jìn)行字與字節(jié)的拆分和裝配通道控制部件6.5 通道處理機6.5 通道處理機6.5 通道處理機數(shù)組多路通道 適用于高速設(shè)備。每次選擇一個高速設(shè)備后傳送一個數(shù)據(jù)塊，輪流為多臺外圍設(shè)備服務(wù)。數(shù)組多路通道之所以能夠并行地為多臺高速設(shè)備服務(wù)，是因為雖然其所連設(shè)備的傳輸速率很高，但尋址等輔助操作時間很長。 從磁盤存儲器讀出文件的的過程分為三步： 定位、找扇區(qū)、讀出數(shù)據(jù)數(shù)組多路通道的實際工作方式是： 在為一臺高速設(shè)備傳送數(shù)據(jù)的同時，有多臺高速設(shè)備可以在定位或者在找扇區(qū)。 與選擇通道相比，數(shù)組多路通道的數(shù)據(jù)傳輸率和通道的硬件利用率都很高，控制硬件的復(fù)雜度也高

29、。6.5 通道處理機通道流量一個通道在數(shù)據(jù)傳送期間，單位時間內(nèi)能夠傳送的數(shù)據(jù)量。所用單位一般為Bps。又稱為通道吞吐率、通道數(shù)據(jù)傳輸率等。通道最大流量 通道在滿負(fù)荷工作狀態(tài)下的流量 。6.5.4 通道中的數(shù)據(jù)傳送過程與流量分析6.5 通道處理機參數(shù)的定義 TS：設(shè)備選擇時間。從通道響應(yīng)設(shè)備發(fā)出的數(shù)據(jù)傳送請求開始，到通道實際為這臺設(shè)備傳送數(shù)據(jù)所需要的時間。TD：傳送一個字節(jié)所用的時間。p：在一個通道上連接的設(shè)備臺數(shù)，且這些設(shè)備同時都在工作。n：每臺設(shè)備傳送的字節(jié)數(shù)，這里假設(shè)每臺設(shè)備傳送的字節(jié)數(shù)都相同。k：數(shù)組多路通道傳輸?shù)囊粋€數(shù)據(jù)塊中包含的字節(jié)數(shù)。在一般情況下，kn。對于磁盤、磁帶等磁表面存儲器

30、，通常k=512。T：通道完成全部數(shù)據(jù)傳送工作所需要的時間。6.5 通道處理機字節(jié)多路通道 數(shù)據(jù)傳送過程 通道每連接一臺個外設(shè)，只傳送一個字節(jié)，然后又與另一臺設(shè)備連接，并傳送一個字節(jié)。p臺設(shè)備每臺傳送n個數(shù)據(jù)總共所需的時間為6.5 通道處理機最大流量實際流量是連接在這個通道上的所有設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸率之和。fi：第i臺設(shè)備的實際數(shù)據(jù)傳輸率 6.5 通道處理機選擇通道 在一段時間內(nèi)只能單獨為一臺高速外設(shè)服務(wù)，當(dāng)這臺設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送工作全部完成后，通道才能為另一臺設(shè)備服務(wù)。 工作過程其中：Di表示通道正在為第i臺設(shè)備服務(wù) TD1 = TD2 = = TDn = TD 6.5 通道處理機p臺設(shè)備每臺傳送n

31、個數(shù)據(jù)總共所需的時間 最大流量 6.5 通道處理機數(shù)組多路通道 工作過程p臺設(shè)備每臺傳送n個數(shù)據(jù)總共所需的時間為：6.5 通道處理機最大流量選擇通道和數(shù)組多路通道的實際流量就是連接在這個通道上的所有設(shè)備中數(shù)據(jù)流量最大的那一個 。6.5 通道處理機各種通道的實際流量應(yīng)該不大于通道的最大流量兩邊的差值越小，通道的利用率就越高。當(dāng)兩邊相等時，通道處于滿負(fù)荷工作狀態(tài)。 設(shè)計I/O系統(tǒng)需要注意操作系統(tǒng)的因素。在用硬件實現(xiàn)的I/O技術(shù)中，由操作系統(tǒng)來決定哪些會實際被采用。 I/O操作主要是在外設(shè)和存儲器之間進(jìn)行，所以操作系統(tǒng)必須保證這些I/O操作的安全性。 6.6 I/O與操作系統(tǒng)6.6 I/O與操作系統(tǒng)DMA是使用虛擬地址還是物理地址？使用物理地址進(jìn)行DMA傳輸，存在以下兩個問題：對于超過一頁的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，由于緩沖區(qū)使用的頁面在物理存儲器中不一定是連續(xù)的，所以傳輸可能會發(fā)生問題。 如果DMA正在存儲器和緩沖區(qū)之間傳輸數(shù)據(jù)時，操作系統(tǒng)從存儲器中移出（或重定位）一些頁面，那么，DMA將會在存儲器中錯誤的物理頁面上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。 6.6.1 DMA和虛擬存儲器6.6 I/O與操作系統(tǒng)解決這些問題的方法 使操作系統(tǒng)在I/O的傳輸過程中確保DMA設(shè)備所訪問的頁面都位于物理存儲器中，這些頁面被稱為是釘在了主存中?！疤摂MDMA”技術(shù) 允許DMA設(shè)備直接使用虛擬地址，并在DMA期間由硬