【正文】 el） 模型為基礎(chǔ)， WDM包含一套通用的I/O服務(wù)和二進制兼容的設(shè)備驅(qū)動程序? USB支持同步數(shù)據(jù)傳輸方式和異步數(shù)據(jù)傳輸方式，其數(shù)據(jù)傳輸率有低速 1．5Mbps和全速 12Mbps兩種，比標(biāo)準(zhǔn)串口快 100倍，比標(biāo)準(zhǔn)并口快 10倍? USB可以主動為外部設(shè)備提供電源，允許外部設(shè)備快速連接，具有即插即用的功能? 允許外部設(shè)備的熱插拔 Silberschatz, Galvin, and Gagne ?1999 Silberschatz, Galvin, and Gagne ?1999 I/OHardware(I/O硬件）? IncrediblevarietyofI/Odevices（ 難以置信的 I/O設(shè)備種類）? Commonconcepts（ 基本概念）– Port（ 端口）– Bus(daisychainorshareddirectaccess)（ 總線：菊花鏈或者共享總線）– Controller(hostadapter)（ 控制器，主機適配器）? I/Oinstructionscontroldevices（ I/O指令控制設(shè)備）? Deviceshaveaddresses,usedby（ 設(shè)備的尋址方式）– DirectI/Oinstructions（ 直接 I/O指令）– MemorymappedI/O（ 存儲器映射 I/O指令）Silberschatz, Galvin, and Gagne ?1999 I/O控制方式 ? 發(fā)展宗旨：盡量減少主機對 I/O控制的干預(yù)，把主機從 I/O控制事務(wù)中解脫出來– 程序 I/O方式 – 中斷驅(qū)動方式– DMA方式– 通道方式Silberschatz, Galvin, and Gagne ?1999 Polling（ 輪詢）? Determinesstateofdevice（ 決定設(shè)備的狀態(tài)）– mandready（ 等待命令）– Busy（ 忙）– Error（ 錯誤）? BusywaitcycletowaitforI/Ofromdevice（ 忙等待循環(huán)等待設(shè)備的 I/O操作）Silberschatz, Galvin, and Gagne ?1999 Polling（ 輪詢）? Eg,thehostwritesoutputthroughaport,coordinatingwiththecontrollerbyhandshakingasfollows:1.Thehostrepeatedlyreadsthebusybituntilthatbitbeesclear.2.Thehostsetsthewrotebitinthemandregisterandwritesabyteintothedataoutregister.3.Thehostsetsthemandreadybit4.Whenthecontrollernoticesthatthemandreadybitisset,itsetsthebusybit.5.Thecontrollerreadsthemandregisterandseesthewritereadsthedataoutregistertogetthebyte,anddoestheI/Otothedevice.6.Thecontrollerclearsthemandreadybit,clearstheerrorbitinthestatusregistertoindicatethatthedeviceI/Osucceeded,andclearsthebusybittoindicatethatitisfinished.Silberschatz, Galvin, and Gagne ?1999 程序 I/O方式：忙 — 等待方式? CPU向控制器發(fā)出一條 I/O指令啟動設(shè)備時，要同時把狀態(tài)寄存器中的忙 /閑標(biāo)志 busy置為 1，然后便不斷地循環(huán)測試 busy， 當(dāng) busy=0時，表示設(shè)備已將數(shù)據(jù)送入控制器的寄存器中，于是 CPU將數(shù)據(jù)取出，送入指定內(nèi)存單元，便完成了一個字符的 I/O。 接下來，再去啟動，讀下一個數(shù)據(jù)。? CPU的絕大部分時間都處在等待 I/O完成的循環(huán)測試中（由于 CPU和 I/O設(shè)備速度不匹配）。 Silberschatz, Galvin, and Gagne ?1999 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控制器中讀入字向內(nèi)存中寫入字傳送完畢？CPU→I/OI/O→CPU出錯處理I/O→CPUCPU→RAM完成執(zhí)行下一條 I/O指令未完就緒未就緒程序 I/O方式的流程Silberschatz, Galvin, and Gagne ?1999 中斷驅(qū)動 I/O控制方式? 當(dāng)某進程要啟動某個 I/O設(shè)備工作時，便由 CPU向相應(yīng)的設(shè)備控制器發(fā)出一條I/O命令，然后立即返回執(zhí)行原來的任務(wù)。具體的 I/O工作則由控制器去完成。這樣， CPU和 I/O設(shè)備并行操作。直至 I/O工作完成，控制器通過控制線向 CPU發(fā)送一中斷信號，由 CPU檢查輸入過程是否正確，若正確，則通過控制器和數(shù)據(jù)線取走數(shù)據(jù)，寫入指定的內(nèi)存單元。? 可見，在 I/O設(shè)備輸入數(shù)據(jù)時， CPU無需干預(yù)，直到 I/O完成才去進行中斷處理。提高了系統(tǒng)的資源利用率及吞吐量。Silberschatz, Galvin, and Gagne ?1999 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控制器中讀入字向內(nèi)存中寫入字傳送完畢？CPU→I/OCPU做其它事中斷I/O→CPU出錯就緒I/O→CPUCPU→RAM 未完完成執(zhí)行下一條 I/O指令中斷驅(qū)動方式的流程Silberschatz, Galvin, and Gagne ?1999 Interrupts（ 中斷）? CPUInterruptrequestlinetriggeredbyI/Odevice（ CPU的中斷需要有 I/O設(shè)備的觸發(fā) interruptrequestline）? Interrupthandlerreceivesinterrupts（ 中斷處理例程接收中斷）? Maskabletoignoreordelaysomeinterrupts（ 通過屏蔽來忽略或者延遲某些中斷）? Interruptvectortodispatchinterrupttocorrecthandler（ 中斷向量給中斷分配正確的中斷處理例程）– Basedonpriority（ 以優(yōu)先級為基礎(chǔ)）– Someunmaskable（ 某些中斷不可屏蔽）? Interruptmechanismalsousedforexceptions（ 中斷機制也用在異常）Silberschatz, Galvin, and Gagne ?1999 InterruptdriveI/OCycle（ 中斷驅(qū)動的 I/O循環(huán)）Silberschatz, Galvin, and Gagne ?1999 直接存儲器訪問（ DMA） I/O控制方式? 中斷驅(qū)動 I/O方式雖然大大提高了主機的利用率，但是它以字（節(jié)）為單位進行數(shù)據(jù)傳送，每完成一個字（節(jié)）的傳送，控制器便要向 CPU請求一次中斷（做保存現(xiàn)場信息，恢復(fù)現(xiàn)場等工作），仍然占用了 CPU的許多時間。這種方式對于高速的塊設(shè)備的 I/O控制顯然是不適合。為了進一步減少CPU對 I/O的干預(yù)，引入了直接存儲器訪問（ DirectMemoryAccess） 控制方式。Silberschatz, Galvin, and Gagne ?1999 直接存儲器訪問（ DMA） I/O控制方式? 1．它作為高速的外圍設(shè)備與內(nèi)存之間成批的數(shù)據(jù)交換，但是不對數(shù)據(jù)再做加工處理，數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝皇菙?shù)據(jù)塊， I/O操作的類型比較簡單。?2．它需要使用一個專門的 DMA控制器（ DMAC）。 DMAC中有控制、狀態(tài)寄存器、傳送字節(jié)計數(shù)器、內(nèi)存地址寄存器和數(shù)據(jù)緩沖寄存器。Silberschatz, Galvin, and Gagne ?1999 直接存儲器訪問（ DMA） I/O控制方式 ? DMA特點：以塊為數(shù)據(jù)傳輸單位；在設(shè)備和內(nèi)存之間直接傳送數(shù)據(jù)；僅在傳送完一個數(shù)據(jù)塊的開始和結(jié)束時，才需 CPU干預(yù)，而數(shù)據(jù)的傳送是在 DMA控制器的控制下完成的。? DMA能夠通過系統(tǒng)總線代替 CPU管理數(shù)據(jù)的存入或取出– 當(dāng) CPU不需要系統(tǒng)總線時可以使用總線– DMA可以強迫 CPU暫時延遲其他操作，獲取一個總線周期（周期竊?。㏒ilberschatz, Galvin, and Gagne ?1999 DMA控制器的組成 – CPU與 DMA控制器的接口、 DMA控制器與塊設(shè)備的接口、 I/O控制邏輯 – 四類寄存器： DR:數(shù)據(jù)寄存器； MAR： 內(nèi)存地址寄存器； CR： 命令 /狀態(tài)寄存器； DC： 數(shù)據(jù)計數(shù)器 Silberschatz, Galvin, and Gagne ?1999 DMA 工作原理 —— 竊取總線控制權(quán) ? 當(dāng) DMA硬件控制磁盤與存儲器之間進行信息交換時，每當(dāng)把一個數(shù)據(jù)讀入控制器的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)時， DMA控制器取代 CPU， 接管地址總線的控制權(quán)，并按照 DMA控制器中的存儲器地址和寄存器內(nèi)容把數(shù)據(jù)送入相應(yīng)的內(nèi)存單元中。然后， DMA硬件自動地把傳送字節(jié)計數(shù)器減 1，把存儲器地址寄存器加 1，并恢復(fù) CPU對內(nèi)存的控制權(quán)， DMA控制器對每一個傳送的數(shù)據(jù)重復(fù)上述過程，直到傳送字節(jié)計數(shù)器為 “0”時，向 CPU產(chǎn)生一個中斷信號。當(dāng)操作系統(tǒng)接管 CPU控制權(quán)時，再無需做塊復(fù)制的工作了 Silberschatz, Galvin, and Gagne ?1999 DMA工作過程 ? 把輸入數(shù)據(jù)的內(nèi)存起始地址及要傳送的字節(jié)數(shù)送入 DMA控制器的內(nèi)存地址寄存器 MAR和字節(jié)計數(shù)器 DC? 中斷允許位和啟動位置成 1，啟動設(shè)備? 發(fā)出傳輸要求的進程進入等待狀態(tài)? 執(zhí)行指令被暫時掛起，進程調(diào)度其他進程占據(jù) CPU? 輸入設(shè)備不斷竊取 CPU工作周期，數(shù)據(jù)不斷寫入內(nèi)存? 每當(dāng)傳送一個字節(jié)后，字節(jié)計數(shù)器 DC減 1? 當(dāng) DC=0， 傳送完畢，控制器發(fā)出中斷信號? CPU接到中斷信號轉(zhuǎn)入中斷處理程序處理? 中斷處理結(jié)束， CPU返回原進程或切換到新的進程 Silberschatz, Galvin, and Gagne ?1999 CPU向控制器發(fā)出啟動 DMA通知和有關(guān)參數(shù)控制器向內(nèi)存發(fā)出詢問請求訪問內(nèi)存（讀、寫）計數(shù)器減 1結(jié)束否發(fā)中斷YNDMA的實現(xiàn)流程Silberschatz, Galvin, and Gagne ?1999 DMA工作示例（以硬盤為例）CPU提供：被讀取塊磁盤地址、目標(biāo)存儲地址、待讀取字節(jié)數(shù)整塊數(shù)據(jù)讀進緩沖區(qū)核準(zhǔn)校驗控制器按照指定存儲器地址，把第一個字節(jié)送入主存，然后，按指定字節(jié)數(shù)進行數(shù)據(jù)傳送每當(dāng)傳送一個字節(jié)后，字節(jié)計數(shù)器值減 1，直到字節(jié)計數(shù)器等于 0此時，控制器引發(fā)中斷，通知操作系統(tǒng)，操作完成Silberschatz, Galvin, and Gagne ?1999 不用 DMA時，磁盤如何讀? 首先，控制器從磁盤驅(qū)動器串行地一位一位地讀數(shù)據(jù)，將其放入控制器的內(nèi)部緩沖區(qū)中? 其次，它做和校驗計算，以核實沒有讀錯誤發(fā)生? 然后控制器產(chǎn)生一個中斷。? CPU響應(yīng)中斷，控制轉(zhuǎn)給操作系統(tǒng)。當(dāng)操作系統(tǒng)開始運行時，它重復(fù)地從控制器緩沖區(qū)中一次一個字節(jié)或一個字地讀這個磁盤塊的信息，并將其送入內(nèi)存中Silberschatz, Galvin, and Gagne ?1999 采用 DMA方式時，磁盤如何讀? 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)備與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳送不需要 CPU介入，因而減輕了CPU負擔(dān)? 當(dāng)采用 DMA時，除向控制器提供要讀塊的磁盤地址外，還要向控制器提供兩個信息：要讀塊送往內(nèi)存的起始地址和要傳送的字節(jié)數(shù)Silberschatz, Galvin, and Gagne ?1999 DirectMemoryAccess（ 直接內(nèi)存存取）? UsedtoavoidprogrammedI/Oforlargedatamovement（ 用來避免編程 I/O來傳輸大量的數(shù)據(jù)）? RequiresDMAcontroller（ 需要 DMA控制器）? Bypasse