【正文】 為了有效地實現(xiàn)物理 I/O操作，必須通過軟、硬件技術(shù)， 對 CPU和 I/O設(shè)備的職能進(jìn)行合理分工，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控制方式逐漸由簡到繁，由低級到高級，其主要的 發(fā)展方向是 CPU與外圍系統(tǒng)并行工作。 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，可把 I/O設(shè)備控制方式分為四類，它們的 主要差別在于 CPU和外圍設(shè)備 并行工作的方式 、 并行 工作的程度 不同。 計算機科學(xué)系 計算機操作系統(tǒng) Operating System I/O控制 程序直接控制 I/O方式 中斷驅(qū)動方式 DMA方式 通道方式 計算機科學(xué)系 計算機操作系統(tǒng) Operating System 程序直接控制 I/O方式（ programmed I/O）又稱 程 序查詢 方式，在尚無中斷的早期計算機系統(tǒng)中，輸入 輸出完全由 CPU控制。在這種方式下，輸入輸出指令 或詢問指令測試一臺設(shè)備的 “忙 /閑” 標(biāo)志位，決定主存 儲器和外圍設(shè)備是否交換一個字節(jié)或一個字。每傳送 一個字節(jié)或一個字， CPU都要循環(huán)地執(zhí)行狀態(tài)檢查。 計算機科學(xué)系 計算機操作系統(tǒng) Operating System 向 I / O 設(shè) 備 發(fā) 出 讀 命 令讀 函 數(shù)寫 函 數(shù)數(shù) 據(jù)設(shè) 備 控 制 器命 令 狀 態(tài) 數(shù) 據(jù)系 統(tǒng) 接 口硬 件 接 口⑴⑸⑵⑶⑷圖 5 8 程 序 查 詢 I / O 方 式計算機科學(xué)系 計算機操作系統(tǒng) Operating System I/O控制 程序直接控制 I/O方式 中斷驅(qū)動方式 DMA方式 通道方式 計算機科學(xué)系 計算機操作系統(tǒng) Operating System 中斷技術(shù)的引入，是為了消除程序直接控制方式中設(shè)備驅(qū)動程序不斷地輪詢控制器狀態(tài)寄存器的開銷，進(jìn)一步提高系統(tǒng)并行工作的程度。中斷技術(shù)結(jié)合在硬件中實現(xiàn)后，外圍設(shè)備有了反映其狀態(tài)的能力，僅當(dāng) I/O操作正?；虍惓＝Y(jié)束后，由設(shè)備控制器“自動地”通知設(shè)備驅(qū)動程序，這時才中斷 CPU，實現(xiàn)了一定程度的并行操作，這就叫 中斷驅(qū)動方式（ interruptdriven I/O）。 計算機科學(xué)系 計算機操作系統(tǒng) Operating System 向 I / O 設(shè) 備 發(fā) 出 讀 命 令讀 驅(qū) 動 程 序?qū)?驅(qū) 動 程 序數(shù) 據(jù)設(shè) 備 控 制 器命 令 狀 態(tài) 數(shù) 據(jù)系 統(tǒng) 接 口硬 件 接 口圖 5 9 中 斷 驅(qū) 動 的 I / O 方 式設(shè) 備 狀 態(tài) 表設(shè) 備處 理 程 序中 斷處 理 程 序⑴⑷ ⑺⑶⑵⑸⑹8 a8 b⑼計算機科學(xué)系 計算機操作系統(tǒng) Operating System I/O控制 程序直接控制 I/O方式 中斷驅(qū)動方式 DMA方式 通道方式 計算機科學(xué)系 計算機操作系統(tǒng) Operating System ⒈ DMA控制方式的引入 ：雖然程序中斷方式消除了程序查詢方式的“忙式”測試，提高了 CPU的利用率，但是 CPU在響應(yīng)中斷請求后，必須停止現(xiàn)行程序轉(zhuǎn)入中斷處理程序并參與數(shù)據(jù)傳輸操作。例如，要從鍵盤輸入 1KB的數(shù)據(jù)，就需要中斷 1024次 CPU。如果 I/O設(shè)備能直接與主存交換數(shù)據(jù)而不占用 CPU，那么 CPU的利用率還可提高，這就出現(xiàn)了直接存儲器存取 (Direct Memory Access， DMA)方式。 DMA方式適用于具有DMA控制器的計算機系統(tǒng)。 計算機科學(xué)系 計算機操作系統(tǒng) Operating System DMA控制器至少需要以下邏輯部件： ⑴ 內(nèi)存地址寄存器 ⑵ 字（節(jié)）計數(shù)器 ⑶ 數(shù)據(jù)緩沖寄存器或數(shù)據(jù)緩沖區(qū) ⑷ 設(shè)備地址寄存器 ⑸ 中斷機制和控制邏輯 計算機科學(xué)系 計算機操作系統(tǒng) Operating System ⒉ DMA控制方式的工作原理 地址 計數(shù) 控制 CPU 控制器 磁盤 控制器 主存 驅(qū)動器 緩沖區(qū) 圖 5 10 DMA 方式 總線 （ 1） CPU對 DMA 控制器進(jìn)行編程 （ 2） DMA請求 傳送到內(nèi)存 （ 3）數(shù)據(jù)傳送 （ 4）應(yīng)答 (5)完成后 發(fā) 中斷信號 計算機科學(xué)系 計算機操作系統(tǒng) Operating System DMA方式的特點： ⑴ 數(shù)據(jù)在內(nèi)存 和 設(shè)備之間直接傳送 ，傳送過程中不需要CPU干預(yù)。 ⑵ 僅在一個數(shù)據(jù)塊傳送結(jié)束后， DMA控制器才向 CPU發(fā)送 中斷請求 。 ⑶ 數(shù)據(jù)的傳送控制工作完全由 DMA控制器 完成，速度快，適用于高速設(shè)備的數(shù)據(jù)成組傳送 。 ⑷ 在數(shù)據(jù)傳送過程中， CPU與外設(shè) 并行工作 ，提高了系統(tǒng)效率。 計算機科學(xué)系 計算機操作系統(tǒng) Operating System ⒊ DMA控制方式的工作模式 許多總線都支持 DMA控制器工作的以下兩種模式： ⑴ 字模式 也稱周期竊取 (cycle stealing)：字模式每 次請求傳送一個字，在 DMA控制器啟動數(shù)據(jù)傳送時， 它要占用總線。 ⑵ 塊模式 也稱突發(fā)模式（ burst mode）。在該模式 下， DMA控制器占用總線時，命令設(shè)備發(fā)送一連串?dāng)?shù) 據(jù)予以傳送，然后釋放總線。 計算機科學(xué)系 計算機操作系統(tǒng) Operating System I/O控制 程序直接控制 I/O方式 中斷驅(qū)動方式 DMA方式 通道方式 計算機科學(xué)系 計算機操作系統(tǒng) Operating System ⒈ 通道方式的引入 通道方式是 DMA方式 的發(fā)展，它進(jìn)一步將 CPU對 I/O操作及有關(guān)管理和控制的干預(yù)減少到以多個 數(shù)據(jù) 塊為單位 的干預(yù)，通道的出現(xiàn)是現(xiàn)代計算機系統(tǒng)功 能不斷完善、性能不斷提高的結(jié)果。例如，當(dāng) CPU 要完成一組相關(guān)數(shù)據(jù)塊的讀（寫）操作時，只需要 向通道發(fā)出一條 I/O指令，給出所要執(zhí)行的通道處理 程序的地址和要訪問的 I/O設(shè)備，通道接到該指令后， 通過執(zhí)行通道處理程序便可完成 CPU指定的 I/O任務(wù)。 計算機科學(xué)系 計算機操作系統(tǒng) Operating System 2．通道指令 通道處理程序 是由一系列通道指令構(gòu)成的。通道指令在進(jìn) 程要求數(shù)據(jù)時 自動生成 。通道指令的格式一般有 操作碼 、 計數(shù) 器 、 內(nèi)存地址 和 結(jié)束位 構(gòu)成： ?操作碼 ： 規(guī)定了指令所要執(zhí)行的操作，如讀、寫、控制等。 ?計數(shù)器： 表示本條指令要讀（寫）數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。 ?內(nèi)存地址： 標(biāo)識數(shù)據(jù)要送入的內(nèi)存地址或從內(nèi)存何處取出數(shù)據(jù)。 ?通道程序結(jié)束位 P： 表示通道程序是否結(jié)束， P=1表示本條指令是通道程序的最后一條指令。 ?記錄結(jié)束位 R： R=0 表示本條通道指令與下一條通道指令所處理的數(shù)據(jù)屬于一個記錄， R=1 表示該指令處理的數(shù)據(jù)是最后一條記錄 計算機科學(xué)系 計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作 P R 計數(shù) 內(nèi)存地址 WRITE 0 0 80 813 WRITE 0 0 140 1034 WRITE 0 1 60 5830 WRITE 0 1 300 2023 WRITE 0 0 250 1850 WRITE 1 1 250 720 計算機科學(xué)系 計算機操作系統(tǒng) Operating System 3．通道方式處理過程 ⑴ 當(dāng)進(jìn)程要求設(shè)備輸入數(shù)據(jù)時， CPU發(fā)出啟動指令，并指明要進(jìn)行的 I/O操作 、使用設(shè)備的 設(shè)備號 和對應(yīng)的通道 。 ⑵ 通道接收到 CPU發(fā)來的啟動指令后，把存放在內(nèi)存的 通道處理程序 取出，開始執(zhí)行 通道指令 。 ⑶ 執(zhí)行一條通道指令，設(shè)置對應(yīng)設(shè)備控制器中的控制狀態(tài)寄存器。 計算機科學(xué)系 計算機操作系統(tǒng) Operating System ⑷ 設(shè)備根據(jù)通道指令的要求，把 數(shù)據(jù)送往內(nèi)存指定區(qū)域 ，如果本指令不是通道處理程序的最后一條指令，取下一條通道指令，并轉(zhuǎn)⑶繼續(xù)執(zhí)行；否則執(zhí)行⑸。 ⑸ 通道處理程序執(zhí)行結(jié)束，通道向 CPU發(fā)中斷信號 請求 CPU做中斷處理。 ⑹ CPU接到中斷處理信號后進(jìn)行善后處理，然后返回被中斷進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行。 計算機科學(xué)系 操作系統(tǒng)原理 Operating System 第 5章 設(shè)備管理 概述 I/O控制 I/O軟件層次 緩沖管理 設(shè)備分配 磁盤調(diào)度和管理 計算機操作系統(tǒng) Operating System I/O軟件層次 I/O軟件的目標(biāo) I/O中斷處理程序 I/O設(shè)備驅(qū)動程序 與設(shè)備無關(guān)的 I/O軟件 用戶空間的 I/O軟件 計算機科學(xué)系 計算機操作系統(tǒng) Operating System I/O軟件的總體設(shè)計目標(biāo)是： 高效率 和 通用性 。 通常， I/O軟件設(shè)計時主要考慮以下問題： 設(shè)備無關(guān)性 (Device Irrespective)、 統(tǒng)一命名 (Uniform Naming)、出錯處理 (Error Handling)、 同步 (Synchronous)、 緩沖(Buffering)、 獨占型外圍設(shè)備 和 共享型外圍設(shè)備 。 為了合理、高效地解決以上問題，操作系統(tǒng)通常把I/O軟件組織成以下四個層次： ⑴ I/O中斷處理程序（底層） ⑵ I/O設(shè)備驅(qū)動程序 ⑶ 與設(shè)備無關(guān)的操作系統(tǒng) I/O軟件 ⑷ 用戶層 I/O軟件 計算機科學(xué)系 計算機操作系統(tǒng) Operating System I/O軟件層次 I/O軟件的目標(biāo) I/O中斷處理程序 I/O設(shè)備驅(qū)動程序 與設(shè)備無關(guān)的 I/O軟件 用戶空間的 I/O軟件 計算機科學(xué)系 計算機操作系統(tǒng) Operating System 中斷處理程序 是緊挨硬件的最內(nèi)層軟件，是與硬件設(shè)備密切相關(guān)的軟件。所以中斷是應(yīng)該盡量加以屏蔽的概念，放在操作系統(tǒng)的底層進(jìn)行處理，