第七章設(shè)備管理-1

第七章設(shè)備管理7.1I/O管理概述1、設(shè)備管理的主要功能：緩沖區(qū)管理設(shè)備分配設(shè)備處理虛擬設(shè)備實現(xiàn)設(shè)備獨立性2、I/O系統(tǒng)實現(xiàn)信息輸入、輸出和存儲的系統(tǒng)。包括：I/O設(shè)備總線設(shè)備控制器I/O通道

I/O處理機3、I/O設(shè)備的類型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)的傳輸單位設(shè)備共享屬性（1）按傳輸速率分類低速設(shè)備每秒幾字節(jié)至數(shù)百字節(jié)如：鍵盤、鼠標(biāo)器、語音的輸入和輸出中速設(shè)備每秒數(shù)千字節(jié)至數(shù)萬字節(jié)如：行式打印機、激光打印機高速設(shè)備每秒數(shù)百千字節(jié)以上如：磁帶機、磁盤機、光盤機等。（2）按信息交換單位分類塊設(shè)備字符設(shè)備塊設(shè)備用于存儲信息。屬有結(jié)構(gòu)類型。如：磁盤，盤塊大小為512B~4KB。磁盤設(shè)備的基本特征是其傳輸速率較高，通常每秒鐘為幾兆位；可尋址，即對它可隨機地讀/寫任一塊；磁盤設(shè)備的I/O常采用DMA

(DirectMemoryAccess,直接內(nèi)存存取)方式。字符設(shè)備用于數(shù)據(jù)的輸入和輸出。屬無結(jié)構(gòu)類型。種類多，如交互式終端、打印機等?；咎卣魇瞧鋫鬏斔俾瘦^低，通常為幾個字節(jié)至數(shù)千個字節(jié)；另一特征是不可尋址，即輸入/輸出時不能指定數(shù)據(jù)的輸入源地址及輸出的目標(biāo)地址輸入/輸出時，常采用中斷驅(qū)動方式。（3）按設(shè)備的共享屬性分類獨占設(shè)備共享設(shè)備虛擬設(shè)備獨占設(shè)備

指在一段時間內(nèi)只允許一個用戶（進程）訪問的設(shè)備，即臨界資源。共享設(shè)備

指在一段時間內(nèi)允許多個進程同時訪問的設(shè)備，如：磁盤。4、設(shè)備與控制器接口在該接口中有三種類型的信號：數(shù)據(jù)信號。對輸入是由設(shè)備發(fā)送給設(shè)備控制器的；對輸出是由設(shè)備控制器所接收的比特流?？刂菩盘?。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?，狀態(tài)信號。用于指示設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)。

設(shè)備控制器是CPU與I/O設(shè)備的接口分成兩大類：用于控制字符設(shè)備的控制器；用于控制塊設(shè)備的控制器。微型機和小型機中的控制器常做成印制電路卡形式，稱接口卡。設(shè)備控制器的功能接收和識別命令數(shù)據(jù)交換標(biāo)識并報告設(shè)備的狀態(tài)地址識別數(shù)據(jù)緩沖差錯控制設(shè)備控制器的組成1）設(shè)備控制器與處理機接口2)設(shè)備控制器與設(shè)備接口3)I/O邏輯（1）設(shè)備控制器與處理機接口三類信號線：

數(shù)據(jù)線、地址線、控制線兩類寄存器：

數(shù)據(jù)寄存器、控制/狀態(tài)寄存器（2）設(shè)備控制器與設(shè)備接口一個接口連接一臺設(shè)備每個接口中含有數(shù)據(jù)、地址、控制信號?？刂破鞯腎/O邏輯根據(jù)處理機發(fā)的地址信號選擇設(shè)備接口。（3）I/O邏輯通過一組控制線與處理機交互。處理機利用它向控制器發(fā)送I／O命令。I/O邏輯對收到的命令進行譯碼。圖設(shè)備控制器的組成

5、I/O通道I/O通道是種特殊的處理機。它具有執(zhí)行I/O指令的能力．并通過執(zhí)行通道程序來控制I/O操作。與一般處理機不同．表現(xiàn)在兩個方面：

指令類型單一、即由于通道硬件比較簡單．其所能執(zhí)行的指令,要為與I/O有關(guān)的指令；通道沒有自己的內(nèi)存。與CPU共享內(nèi)存。通道類型根據(jù)信息交換方式分三種類型：字節(jié)多路通道數(shù)組選擇通道數(shù)組多路通道字節(jié)多路通道含有非分配型子通道，其數(shù)量從幾十到幾百。每個子通道連接一臺I/O設(shè)備。子通道按時間片輪轉(zhuǎn)方式共享主通道。第一個子通道控制其I/O設(shè)備完成一個字節(jié)的交換后．便立即騰出字節(jié)多路通道(主通道)，讓給第二個子通道使用，依此類推，所有通道輪轉(zhuǎn)一周后重返回。只要掃描每個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，不丟數(shù)據(jù)。連接低速或中速設(shè)備時，便不丟失信息。圖字節(jié)多路通道的工作原理

數(shù)組選擇通道含有一個非分配型子通道可以連接多臺高速設(shè)備一段時間內(nèi)只能執(zhí)行一道通道程序控制一臺設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳送。利用率很低。數(shù)組多路通道含有多個非分配型子通道結(jié)合前兩者的優(yōu)點可以連接多臺高速設(shè)備數(shù)據(jù)傳送按數(shù)組進行。利用率很高?！捌款i”問題由于通道價格昂貴，致使機器中所設(shè)置的通道數(shù)量勢必較少，這往往又使它成了I/O的瓶頸，進而造成整個系統(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是四個磁盤，為了啟動磁盤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，必然無法啟動磁盤4。類似地，若要啟動盤1和盤2，由于它們都要用到通道1，因而也不可能啟動。這些就是由于通道不足所造成的“瓶頸”現(xiàn)象。

圖單通路I/O系統(tǒng)

解決“瓶頸”問題的最有效的方法，便是增加設(shè)備到主機間的通路而不增加通道，如圖所示。換言之，就是把一個設(shè)備連接到多個控制器上，而一個控制器又連接到多個通道上。圖中的設(shè)備1、2、3和4，都有四條通往存儲器的通路。例如，通過控制器1和通道1到存儲器；也可通過控制器2和通道1到存儲器。多通路方式不僅解決了“瓶頸”問題，而且提高了系統(tǒng)的可靠性，因為個別通道或控制器的故障不會使設(shè)備和存儲器之間沒有通路。

圖多通路I/O系統(tǒng)

6、總線系統(tǒng)由圖

可以看出，在計算機系統(tǒng)中的各部件，如CPU、存儲器以及各種I/O設(shè)備之間的聯(lián)系，都是通過總線來實現(xiàn)的?？偩€的性能是用總線的時鐘頻率、帶寬和相應(yīng)的總線傳輸速率等指標(biāo)來衡量的。隨著計算機中CPU和內(nèi)存速率的提高，字長的增加，以及不斷地引入新型設(shè)備，促使人們對總線的時鐘頻率、帶寬和傳輸速率的要求也不斷提高。這便推動了總線的不斷發(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)

1．ISA和EISA總線

1)ISA(IndustryStandardArchitecture)總線這是為在1984年推出的80286型微機而設(shè)計的總線結(jié)構(gòu)。其總線的帶寬為8位，最高傳輸速率為2Mb/s。之后不久又推出了16位的(EISA)總線，其最高傳輸速率為8Mb/s，后又升至16Mb/s，能連接12臺設(shè)備。

2)EISA(ExtendedISA)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，于是人們又開發(fā)出擴展ISA(EISA)總線，其帶寬為32位，總線的傳輸速率高達32Mb/s，同樣可以連接12臺外部設(shè)備。

2．局部總線(LocalBus)

多媒體技術(shù)的興起，特別是全運動視頻處理、高保真音響、高速LAN，以及高質(zhì)量圖形處理等技術(shù)，都要求總線具有更高的傳輸速率，這時的EISA總線已難于滿足要求，于是，局部總線便應(yīng)運而生。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，再通過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、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(VideoElectronicStandardAssociation)總線該總線的設(shè)計思想是以低價位迅速占領(lǐng)市場。VESA總線的帶寬為32位，最高傳輸速率為132Mb/s。它在20世紀(jì)90年代初被推出時，廣泛應(yīng)用于486微機中。但VESA總線仍存在較嚴(yán)重的缺點，比如，它所能連接的設(shè)備數(shù)僅為2～4臺，在控制器中無緩沖，故難于適應(yīng)處理器速度的不斷提高，也不能支持后來出現(xiàn)的Pentium微機。

2)PCI(PeripheralComponentInterface)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，通過該緩沖可將線路的驅(qū)動能力放大，使PCI最多能支持10種外設(shè)，并使高時鐘頻率的CPU能很好地運行，最大傳輸速率可達132Mb/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)為單位進行的，每傳送一個字節(jié)，控制器便向CPU請求一次中斷，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I/O的干預(yù)，引入DMA方式。該方式的特點為：數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝皇菙?shù)據(jù)塊。所傳送的數(shù)據(jù)是從設(shè)備直接送入內(nèi)存的。僅在傳送一個或多個數(shù)據(jù)塊的開始或結(jié)束時，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。DMA控制器的組成增加兩類寄存器：內(nèi)存地址寄存器MAR數(shù)據(jù)計數(shù)器DＣDMA工作過程●當(dāng)CPU需要從磁盤讀數(shù)據(jù)時，便向磁盤控制器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?！駟覦MA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DMA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)。I/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)，減少到對一組數(shù)據(jù)塊為單位的干預(yù)。在DMA方式中，每發(fā)出一個I/O指令，能讀（寫）一個連續(xù)的數(shù)據(jù)塊，當(dāng)需要一次去讀多個離散的數(shù)據(jù)塊且將它們分別傳送到不同的內(nèi)存區(qū)域時，則需多條I/O指令和多次中斷，而通道只需一次即可完成。通道有一系列通道指令構(gòu)成?！裢ǖ乐噶畹母袷剑?●操作碼——規(guī)定了指令所要執(zhí)行的操作，如讀、寫等。 ●計數(shù)——表示本條指令要讀（寫）數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。 ●內(nèi)存地址——數(shù)據(jù)要送入的內(nèi)存地址或從內(nèi)存何