操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)(第三章)-文庫吧
2025-07-20 16:39 本頁面
【正文】 分法，比如這是種不合理的分法，比如 時(shí)鐘時(shí)鐘 無法尋址也無法發(fā)送接收無法尋址也無法發(fā)送接收字符流，但它可以把控制不同字符流，但它可以把控制不同 I/O設(shè)備的操作系統(tǒng)軟件成分設(shè)備的操作系統(tǒng)軟件成分隔離開來。隔離開來。 如文件系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)磁盤相關(guān)的塊設(shè)備。如文件系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)磁盤相關(guān)的塊設(shè)備。 設(shè)備控制器設(shè)備控制器 I/O設(shè)備一般由機(jī)械和電子兩部分組成。把這兩部分分開處設(shè)備一般由機(jī)械和電子兩部分組成。把這兩部分分開處理，以提供更加模塊化，更加通用的設(shè)計(jì)：理，以提供更加模塊化，更加通用的設(shè)計(jì)： * 機(jī)械部分是設(shè)備本身；機(jī)械部分是設(shè)備本身； * 電子部分叫做設(shè)備控制器或適配器。電子部分叫做設(shè)備控制器或適配器。 在小型和微型機(jī)中，它常采用印刷電路卡插入計(jì)算機(jī)中在小型和微型機(jī)中，它常采用印刷電路卡插入計(jì)算機(jī)中。 控制器卡上通常有一個(gè)插座，通過電纜與設(shè)備相連； 控制器和設(shè)備之間的接口是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口，它符合 ANSI、 IEEE或 ISO這樣的國際標(biāo)準(zhǔn)。 關(guān)注點(diǎn)：對該硬件如何進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，不考慮設(shè)備內(nèi)部如何工作 程序員：軟件接口 即硬件所接受的命令，它所完成的功能，報(bào)回的錯(cuò)誤 因此我們所關(guān)心的就是控制器，因?yàn)樗筒僮飨到y(tǒng)打交道，也就是我們要分析的重點(diǎn)。***設(shè)備接口 一次完整的 I/O傳送過程，典型地由一長列低級(jí)信號(hào)組成，這些信號(hào)啟動(dòng)設(shè)備所執(zhí)行的操作，并通過測試設(shè)備狀態(tài)來監(jiān)控設(shè)備操作的進(jìn)展 。 一個(gè) I/O過程由四步組成： * 準(zhǔn)備 * 啟動(dòng) * 測試和等待 * 結(jié)果檢查和錯(cuò)誤處理 這個(gè)過程均是通過對設(shè)備接口寄存器組的讀寫完成**** 設(shè)備連接模式 指 I/O設(shè)備與 CPU之間的連接方式，亦即將設(shè)備連接到一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上的方式。在一個(gè)確定的連接模式下， 從 I/O設(shè)備到 CPU間的所有連接成分構(gòu)成了一條 I/O路徑（ I/O鏈）。 四個(gè)要素：? 設(shè)備接口形式? I/O指令形式? I/O地址空間分配及譯碼? 連線問題CPU內(nèi)存內(nèi)存(1)設(shè)備接口形式 * 端口地址譯碼 * 按照主機(jī)與設(shè)備的約定格式和過程接受或發(fā)送數(shù)據(jù)和信號(hào)? 計(jì)算機(jī) 設(shè)備? 設(shè)備 計(jì)算機(jī) * 將計(jì)算機(jī)的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械部分能識(shí)別的模擬信號(hào)，或反過來 * 實(shí)現(xiàn)一些諸如設(shè)備內(nèi)部硬件緩沖存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)加工的提高性能或增強(qiáng)功能的任務(wù)(2) I/O指令形式與 I/O地址是相互關(guān)聯(lián)的，主要有兩種形式：? 內(nèi)存映像 I/O模式? I/O專用指令要考慮的幾個(gè)問題：設(shè)備完成技術(shù)：系統(tǒng)如何知道設(shè)備的一次 I/O操作是否完成？對 CPU編程的 I/O技術(shù)： CPU必須親自完成 I/O的啟動(dòng)與完成的處理，親自執(zhí)行所有數(shù)據(jù)在內(nèi)存和設(shè)備之間的實(shí)際物理傳送進(jìn)一步改善：*使 CPU利用率盡可能不被 I/O降低， 使 CPU脫離 I/O的負(fù)擔(dān)* 提高 I/O本身的絕對速度* 減少或緩解速度差距* 使 CPU不等待 I/O* 使 CPU盡可能擺脫 I/O* 提高設(shè)備利用率* 在設(shè)備與主機(jī)的硬連接上，引入總線，節(jié)省連線并提供配置擴(kuò)充與改變時(shí)的靈活性；引入控制器，擴(kuò)大設(shè)備與主機(jī)間的相互適用范圍 總線的引入 將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的各個(gè)子系統(tǒng)（ CPU、 內(nèi)存、外設(shè)等）相互連接，且連接是共享的。 好處：低成本（一線多用）? 靈活性（易于增加設(shè)備? 便于兩個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間共享外設(shè)）總線的缺點(diǎn)： 本身形成了通訊瓶頸，限制 I/O吞吐量總線分類： 數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線控制器，即設(shè)備的電子部分完成設(shè)備與主機(jī)間的連接和通訊CPU與控制器間通訊： 單總線模型（微機(jī)、小型機(jī)） 多總線模型（中、大型機(jī)） I/O通道控制器與設(shè)備的接口是種低層次的接口：控制器與設(shè)備的接口是種低層次的接口：**比如從硬盤讀信息，讀出的是一個(gè)比特流，其中比如從硬盤讀信息，讀出的是一個(gè)比特流，其中包括磁盤數(shù)據(jù)、扇區(qū)大小、校驗(yàn)碼等信息，包括磁盤數(shù)據(jù)、扇區(qū)大小、校驗(yàn)碼等信息，讀出來后由控制器對這些串行的比特流進(jìn)行轉(zhuǎn)換，讀出來后由控制器對這些串行的比特流進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行教研最后裝入主存。并進(jìn)行教研最后裝入主存。**對顯示器的顯示，由對顯示器的顯示，由 CRT終端控制器從內(nèi)存中讀終端控制器從內(nèi)存中讀出要顯示的字符的字節(jié)流，然后產(chǎn)生來調(diào)制產(chǎn)生射出要顯示的字符的字節(jié)流，然后產(chǎn)生來調(diào)制產(chǎn)生射線的信號(hào)，并最終將結(jié)果顯示出來。線的信號(hào)，并最終將結(jié)果顯示出來?？刂破髋c控制器與 CPU的聯(lián)系的聯(lián)系每個(gè)控制器都有一些用來和每個(gè)控制器都有一些用來和 CPU通信的寄存器，如果把通信的寄存器，如果把這些寄存器放入內(nèi)存，即內(nèi)存映像這些寄存器放入內(nèi)存，即內(nèi)存映像 I/O(這點(diǎn)在顯卡上尤為這點(diǎn)在顯卡上尤為突出突出 )。每個(gè)控制器還可以利用終端來通知每個(gè)控制器還可以利用終端來通知 CPU他們所承擔(dān)的任他們所承擔(dān)的任務(wù)的開始或結(jié)束。即固定設(shè)備中斷。務(wù)的開始或結(jié)束。即固定設(shè)備中斷。 (如網(wǎng)卡，如網(wǎng)卡， ISA口的口的網(wǎng)卡網(wǎng)卡 )CPU通過向控制器的寄存器中寫入信息來控制這些設(shè)備通過向控制器的寄存器中寫入信息來控制這些設(shè)備工作。工作。? DMA（ direct memory access）? 數(shù)據(jù)在內(nèi)存與 I/O設(shè)備間的直接成塊傳送? CPU在開始時(shí)向設(shè)備發(fā) “傳送一塊 ”命令，結(jié)束時(shí)進(jìn)行相應(yīng)處理，實(shí)際操作由 DMA硬件直接完成 DMA需要附加的輔助硬件，且該 DMA硬件屬于設(shè)備的電子部分的功能（由控制器實(shí)現(xiàn)）。許多控制器，尤其是塊設(shè)備控制器都支持 DMA。 存儲(chǔ)器直接存取存儲(chǔ)器直接存取例如：對磁盤進(jìn)行訪問 不用 DMA時(shí)，磁盤如何讀：首先，控制器從磁盤驅(qū)動(dòng)器串行地一位一位地讀一個(gè)塊，直到將整塊信息放入控制器的內(nèi)部緩沖區(qū)中。其次，它做和校驗(yàn)計(jì)算，以核實(shí)沒有讀錯(cuò)誤發(fā)生。然后控制器產(chǎn)生一個(gè)中斷。 CPU響應(yīng)中斷，控制轉(zhuǎn)給操作系統(tǒng)。當(dāng)操作系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，它重復(fù)地從控制器緩沖區(qū)中一次一個(gè)字節(jié)或一個(gè)字地讀這個(gè)磁盤塊的信息，并將其送入內(nèi)存中? 采用 DMA方式時(shí)，允許 DMA控制器接管地址線的控制權(quán)，直接控制 DMA控制器與內(nèi)存的數(shù)據(jù)交換。從而使磁盤設(shè)備與存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳送不需要 CPU介入，因而減輕了 CPU負(fù)擔(dān)；? 當(dāng)采用 DMA時(shí)，除向控制器提供要讀數(shù)據(jù)塊的磁盤地址外，還要向控制器提供兩個(gè)信息：數(shù)據(jù)塊送往內(nèi)存的起始地址和要傳送的字節(jié)數(shù)。 當(dāng) DMA硬件控制磁盤與存儲(chǔ)器之間進(jìn)行信息交換時(shí)，每當(dāng)磁盤把一個(gè)數(shù)據(jù)讀入控制器的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)時(shí)， DMA控制器取代 CPU， 接管地址總線的控制權(quán)，并按照 DMA控
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