【正文】 選擇通道可以連接多臺高速設(shè)備 ， 每次傳送一批數(shù)據(jù) ，傳送速度高 ， 但通道的利用率很低 ， 如磁帶機 、 磁盤機等設(shè)備 。 操作系統(tǒng)教程課件 第 21頁 機械工業(yè)出版社 輸入 /輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu) （ 3） 數(shù)組多路通道 （ Block Multiplexor Channel） 數(shù)組多路通道是將數(shù)組選擇通道傳輸速率高與字節(jié)多路通道能使各子通道 (設(shè)備 )分時并行操作的優(yōu)點相結(jié)合而形成的一種新通道。它含有多個非分配型子通道，以分時方式同時執(zhí)行幾道通道程序，因而數(shù)組多路通道既具有很高的數(shù)據(jù)傳輸速率，又能獲得令人滿意的通道利用率。數(shù)組多路通道的實質(zhì)是對通道程序采用多道程序設(shè)計技術(shù)的硬件實現(xiàn)。 操作系統(tǒng)教程課件 第 22頁 機械工業(yè)出版社 輸入 /輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 由于通道的成本高，在系統(tǒng)中通道數(shù)量有限，這往往成為 I/O的瓶頸，造成整個系統(tǒng)的吞吐量降低。如 圖 55所示單通路 I/O系統(tǒng)，為了驅(qū)動設(shè)備 1，必須連通控制器 1和通道1，若通道 1已被其他設(shè)備（如設(shè)備 2，設(shè)備 3或設(shè)備 4）所占用或存在故障，則設(shè)備 1無法啟動，這就是由于通道不足而造成輸入 /輸出操作中的 “瓶頸 ”現(xiàn)象。解決 “瓶頸 ”問題的最有效辦法，便是增加設(shè)備到主機之間的通路而不增加通道，如 圖 56所示，即把一個設(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，實現(xiàn)多路交叉連接，即使個別通道或控制器出現(xiàn)故障時，也不會使設(shè)備和存儲器之間沒有通路。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。 操作系統(tǒng)教程課件 第 23頁 機械工業(yè)出版社 輸入 /輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 操作系統(tǒng)教程課件 第 24頁 圖 55 單通路 I/O系統(tǒng) 機械工業(yè)出版社 輸入 /輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 操作系統(tǒng)教程課件 第 25頁 圖 56 多通路 I/O系統(tǒng) 機械工業(yè)出版社 輸入 /輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 在一個計算機系統(tǒng)中，由于外圍設(shè)備種類繁多，為了獲得更高的輸入 /輸出效率，可能同時存在多種類型的通道。 圖 57中示出了一個 IBM370系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，它包括上述三種類型通道。 操作系統(tǒng)教程課件 第 26頁 機械工業(yè)出版社 輸入 /輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 4. 總線系統(tǒng) 計算機系統(tǒng)中的各個部件，如中央處理器、存儲器以及各種 I/O設(shè)備通過總線實現(xiàn)各種信息的傳遞，如 圖 58所示。總線的性能通過總線的時鐘頻率、帶寬和相應(yīng)的總線傳輸速率等指標來衡量。隨著計算機的 CPU和主存速率的提高，字長的增加，以及新型設(shè)備的推出，不斷地推動著總線的發(fā)展，由早期的 ISA總線發(fā)展為 EISA總線、 VESA總線，以及現(xiàn)在廣為流行的 PCI總線。 操作系統(tǒng)教程課件 第 27頁 機械工業(yè)出版社 I/O控制方式 為了有效地實現(xiàn)物理 I/O操作，必須通過硬件和軟件技術(shù)，對 CPU和 I/O設(shè)備的職能進行合理的分工，以調(diào)節(jié)系統(tǒng)性能和硬件成本之間的矛盾。 隨著計算機技術(shù)的發(fā)展， I/O控制方式也在不斷地發(fā)展。選擇和衡量 I/O控制方式有如下 3條原則： （ 1）數(shù)據(jù)傳輸速度足夠高，能滿足用戶的需要但又不丟失數(shù)據(jù)； （ 2）系統(tǒng)開銷小，所需的處理控制程序少； （ 3）能充分發(fā)揮硬件資源的能力，使 I/O設(shè)備盡可能忙，而 CPU等待時間盡可能少。 操作系統(tǒng)教程課件 第 28頁 機械工業(yè)出版社 I/O控制方式 按照 I/O控制器功能的強弱以及和 CPU之間聯(lián)系方式的不同，可以把 I/O設(shè)備的控制方式分為四類：直接程序控制方式、中斷驅(qū)動控制方式、直接存儲器訪問(DMA)控制方式和通道控制方式。 I/O控制方式發(fā)展的目標是盡量減少主機對 I/O控制的干預(yù)，把主機從繁雜的I/O控制事務(wù)中解脫出來，更多地進行數(shù)據(jù)處理，提高計算機效率和資源的利用率。它們之間的主要差別在于CPU與外圍設(shè)備并行工作的方式不同，并行工作的程度不同。 操作系統(tǒng)教程課件 第 29頁 機械工業(yè)出版社 I/O控制方式 1． 直接程序控制方式 直接程序控制方式由用戶進程直接控制主存或 CPU和外圍設(shè)備之間的信息傳送 。 通過輸入 /輸出指令或詢問指令測試 I/O設(shè)備的忙 /閑標志位 ， 決定主存儲器與外圍設(shè)備之間是否交換一個字符或一個字 。 操作系統(tǒng)教程課件 第 30頁 機械工業(yè)出版社 I/O控制方式 當(dāng)用戶進程需要輸入數(shù)據(jù)時 ， 通過 CPU向控制器發(fā)出一條I/O指令 ， 啟動設(shè)備輸入數(shù)據(jù) ， 同時把狀態(tài)寄存器中的忙 /閑狀態(tài) busy置為 “1”， 用戶進程進入測試等待狀態(tài) ， 在等待過程中 ， CPU不斷地用一條測試指令檢查外圍設(shè)備狀態(tài)寄存器中的 busy位 ， 而外圍設(shè)備只有在數(shù)據(jù)送入控制器的數(shù)據(jù)寄存器之后 ， 才將該 busy位置為 “0”， 于是處理器將數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)取出 ， 送入主存指定單元中 ， 完成一個字符的輸入/輸出 ， 接著進行下一個數(shù)據(jù)的輸入 /輸出操作 ， 如 圖 59所示 。 直接程序控制方式雖然簡單 ， 不需要多少硬件的支持 ，但由于高速的 CPU和低速的 I/O設(shè)備之間的速度不匹配 ， 因此， CPU與外圍設(shè)備只能串行工作 ， 使 CPU的絕大部分時間都處于等待是否完成輸入 /輸出操作的循環(huán)測試中 ， 造成 CPU的極大浪費 ， 外圍設(shè)備也不能得到合理的使用 ， 整個系統(tǒng)的效率很低 。 直接程序控制方式只適合于 CPU執(zhí)行速度較慢 ， 且外圍設(shè)備較少的系統(tǒng) 。 操作系統(tǒng)教程課件 第 31頁 機械工業(yè)出版社 I/O控制方式 2． 中斷驅(qū)動控制方式 為了減少程序直接控制方式中 CPU的等待時間以及提高系統(tǒng)的并行程度 ， 系統(tǒng)引入了中斷機制 。 中斷機制引入后 ， 外圍設(shè)備僅當(dāng)操作正常結(jié)束或異常結(jié)束時才向中央處理機發(fā)出中斷請求 。 在I/O設(shè)備輸入每個數(shù)據(jù)的過程中 ， 由于無須 CPU干預(yù) ， 一定程度上實現(xiàn)了 CPU與 I/O設(shè)備的并行工作 。 僅當(dāng)輸入 /輸出完一個數(shù)據(jù)時 ，才需 CPU花費極短的時間做中斷處理 ， 如圖 410所示 。 顯然 ， 這樣可使 CPU和 I/O設(shè)備都處于忙碌狀態(tài) ， 從而提高了整個系統(tǒng)的資源利用率及吞吐量 。 例如 ， 從終端輸入一個字符的時間約為 100 ms， 而將字符送入終端緩沖區(qū)的時間小于 ms。 若采用程序I/O控制方式 ， CPU約有 ms的時間處于等待中 。 采用中斷驅(qū)動方式后 ， CPU可利用這 ms的時間去做其它事情 ， 而僅用 ms的時間來處理由控制器發(fā)來的中斷請求 。 可見 ， 中斷驅(qū)動方式可以成百倍地提高 CPU的利用率 。 但是由于輸入 /輸出操作直接由 CPU控制 ， 每傳送一個字符或一個字 ， 都要發(fā)生一次中斷 ， 仍然占用了大量的 CPU處理時間 ， 可以通過為外圍設(shè)備增加緩沖寄存器存放數(shù)據(jù) ， 大大減少中斷次數(shù) 。 操作系統(tǒng)教程課件 第 32頁 機械工業(yè)出版社 I/O控制方式 操作系統(tǒng)教程課件 第 33頁 圖 510 中斷驅(qū)動方式流程 機械工業(yè)出版社 I/O控制方式 上述兩種方法的特點都是以 CPU為中心，數(shù)據(jù)傳輸通過一段程序來實現(xiàn)，軟件的傳輸手段限制了數(shù)據(jù)傳送的速度。而下面兩種方式采用硬件的方法來實現(xiàn) I/O的控制。 操作系統(tǒng)教程課件 第 34頁 機械工業(yè)出版社 I/O控制方式 3． 直接存儲器存取方式 （ Direct Memory Access， DMA） 直接存儲器存取方式又稱 DMA方式。為了進一步減少CPU對輸入 /輸出的干預(yù)，防止并行操作設(shè)備過多 CPU來不及處理或因速度不匹配而造成的數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象，而引入 DMA控制方式。它不僅設(shè)有中斷機構(gòu)，而且增加了 DMA控制機構(gòu)。在 DMA控制器的控制下，采用竊取或挪用總線控制權(quán)，占用CPU的一個工作周期把數(shù)據(jù)緩沖器中的數(shù)據(jù)直接送到主存地址寄存器所指向的主存區(qū)域中，在設(shè)備和主存之間開辟直接數(shù)據(jù)交換通道，成批地交換數(shù)據(jù)，而不必 CPU的干預(yù)， DMA控制方式的工作流程如 圖 511所示。 該方式的特點有：①數(shù)據(jù)傳輸以數(shù)據(jù)塊為基本單位；②所傳送的數(shù)據(jù)從設(shè)備直接送入主存，或者從主存直接輸出到設(shè)備上； ③僅在傳送一個或多個數(shù)據(jù)塊的開始和結(jié)束時，才需CPU的干預(yù)，而整塊數(shù)據(jù)的傳送則是在控制器的控制下完成?？梢?， DMA控制方式與中斷驅(qū)動方式相比，減少了 CPU對輸入 /輸出的干預(yù)，進一步提高了 CPU與 I/O設(shè)備的并行操作程度。 操作系統(tǒng)教程課件 第 35頁 機械工業(yè)出版社 I/O控制方式 操作系統(tǒng)教程課件 第 36頁 圖 511 DMA控制方式 機械工業(yè)出版社 I/O控制方式 DMA的操作全部由硬件實現(xiàn)，不影響 CPU寄存器的狀態(tài)。為了實現(xiàn)在主機與控制器之間成塊數(shù)據(jù)的直接交換，在 DMA控制器中設(shè)置了如下四類寄存器： (1) 命令 /狀態(tài)寄存器 CR，用于接收從 CPU發(fā)來的 I/O命令或有關(guān)控制信息， 或設(shè)備的狀態(tài)。 (2) 內(nèi)存地址寄存器 MAR，在輸入時，它存放把數(shù)據(jù)從設(shè)備傳送到內(nèi)存的起始目標地址；在輸出時，它存放由內(nèi)存到設(shè)備的內(nèi)存源地址。 (3) 數(shù)據(jù)寄存器 DR，用于暫存從設(shè)備到內(nèi)存，或從內(nèi)存到設(shè)備的數(shù)據(jù)。 (4) 數(shù)據(jù)計數(shù)器 DC，存放本次 CPU要讀或?qū)懙淖?(節(jié) )數(shù)。 DMA控制方式線路簡單，價格低廉，適合高速設(shè)備與主存之間的成批數(shù)據(jù)傳輸，小型、微型機中的快速設(shè)備均采用這種方式，但其功能較差，不能滿足復(fù)雜的輸入 /輸出要求。 操作系統(tǒng)教程課件 第 37頁 機械工業(yè)出版社 I/O控制方式 4. 通道控制方式 (1) 通常，大型計算機需要連接大量的高速和低速設(shè)備，通 通道控制方式將對一個數(shù)據(jù)塊的讀 (或?qū)?)為單位的干預(yù)，減少為對一組數(shù)據(jù)塊的讀 (或?qū)?)及有關(guān)的控制和管理為單位的干預(yù)，可以進一步減少 CPU的干預(yù)程度。同時可實現(xiàn)CPU、通道和 I/O設(shè)備三者的并行操作，從而更加有效地提高整個系統(tǒng)的資源利用率。例如，當(dāng) CPU要完成一組相關(guān)的讀 (或?qū)?)操作及有關(guān)控制時，只需向 I/O通道發(fā)送一條 I/O指令，指出其所要執(zhí)行的通道程序的首址和要訪問的 I/O設(shè)備，通道接收該指令后，通過執(zhí)行通道程序便可完成 CPU指定的 I/O任務(wù)。 操作系統(tǒng)教程課件 第 38頁 機械工業(yè)出版社 I/O控制方式 （ 2）通道指令和通道程序 通道程序規(guī)定了通道進行一次輸入輸出操作應(yīng)執(zhí)行的操作及順序，由一系列通道指令（ Channel Command Word ——CCW）所構(gòu)成。通道程序在進程要求數(shù)據(jù)傳送時由系統(tǒng)自動生成，通道指令一般包含被交換數(shù)據(jù)在主存中占據(jù)的位置、傳送方向、數(shù)據(jù)塊的長度以及被控制的 I/O設(shè)備的地址信息、特征信息等。例如 IBM系統(tǒng)的通道指令用雙機器字表示，每條通道指令用 8個字節(jié)表示，其格式如下所示： 操作系統(tǒng)教程課件 第 39頁 0 7 8 31 32 39 40 63 機械工業(yè)出版社 I/O控制方式 下面給出一個由三條通道指令所組成的簡單通道程序。該程序的功能是要求在新的一頁第 4行的位置打印輸出一行信息： “Operating System”。假定用戶要求輸出的信息已經(jīng)存放在主存 L單元開始的區(qū)域中，連空格在內(nèi)共 16個字符。組織好的通道程序在主存 K單元開始的區(qū)域中。其中，命令碼 07表示 “對折頁線 ”(即走到新的一頁開始 )，命令碼 EF表示 “走紙 3行 ”(即走紙到第 4行的位置 )，命令碼 F9表示 “打印一行信息 ”，標識碼 60表示有后續(xù)命令。最后一條命令要求打印從 L單元開始的 16個字符，打印結(jié)束后本操作結(jié)束。 操作系統(tǒng)教程課件 第 40頁 機械工業(yè)出版社 I/O控制方式 操作系統(tǒng)教程課件 第 41頁 機械工業(yè)出版社 I/O控制方式 (3)I/O 當(dāng)進程提出 I/O請求后，操作系統(tǒng)首先分配通道和外設(shè)，然后按照 I/O請求編制通道程序并存入主存，將其起始地址送入通道地址寄存器 (CAW)，接著 CPU發(fā)出 “啟動 I/O”指令啟動通道工作，啟動成功后，通道逐條執(zhí)行通道程序中的通道指令，控制設(shè)備實現(xiàn) I/O CPU啟動通道后，通道的工作過程如下。