【正文】 第 5章 設(shè)備管理nI/O系統(tǒng)的組成n I/O控制方式n 緩沖管理n 設(shè)備分配n 設(shè)備處理n磁盤設(shè)備管理2/8/2023 1關(guān)于設(shè)備管理n 計算機系統(tǒng)的一個重要組成部分是 I/O系統(tǒng)。n 該系統(tǒng)包括168。實現(xiàn)信息輸入、輸出和存儲功能的 I/O設(shè)備168。相應(yīng)的設(shè)備控制器，有的大中型機還有 I/O通道或I/O處理機。n 基本任務(wù) ：完成用戶提出的 I/O請求，提高 I/O速率以及改善 I/O設(shè)備的利用率。n 主要功能 ：緩沖區(qū)管理、設(shè)備分配、設(shè)備處理、虛擬設(shè)備及設(shè)備獨立性等。我們主要對 I/O設(shè)備和設(shè)備控制器等硬件作一扼要的闡述。2/8/2023 2 I/O系統(tǒng)的組成總的來說：需要用于輸入、輸出和存儲信息的 設(shè)備；需要有相應(yīng)的設(shè)備 控制器 和 高速總線；有的大中型計算機系統(tǒng)，配置 I/O通道 等；n I/O設(shè)備n 設(shè)備控制器n I/O通道2/8/2023 31） I/O設(shè)備的類型 I/O設(shè)備的類型繁多，從 OS的觀點，按其重要的性能指標進行分類如下：216。 按傳輸速率分類：216。 低速、中速、高速（鍵盤、打印機、磁盤）216。 按信息交換的單位分類：216。 塊設(shè)備：有結(jié)構(gòu)、速率高、可尋址、 DMA方式控制216。 字符設(shè)備：無結(jié)構(gòu)、速率低、不可尋址、中斷方式控制2/8/2023 4216。 按設(shè)備的共享屬性分類：216。獨占：打印機216。共享：一個時刻上仍然是只被一個進程占用?？蓪ぶ?、可隨機訪問的色后備。磁盤。216。虛擬：使一臺獨占設(shè)備變換為若干臺邏輯設(shè)備，供給若干用戶 “同時使用 ”。2/8/2023 52）設(shè)備控制器n 設(shè)備并不直接與 CPU通信n 計算機中的一個實體 ——“ 設(shè)備控制器 ”負責控制一個或多個 I/O設(shè)備，以實現(xiàn) I/O設(shè)備和計算機之間的數(shù)據(jù)交換。n 控制器是 CPU與 I/O設(shè)備之間的接口，作為中間人接收從 CPU發(fā)來的命令，并去控制I/O設(shè)備工作，以使處理機脫離繁雜的設(shè)備控制事務(wù)。2/8/2023 6控制器與 CPU接口 控制器與設(shè)備接口設(shè)備控制器CPU I/O設(shè)備數(shù)據(jù)線地址線控制線數(shù)據(jù)狀態(tài)控制2/8/2023 7① I/O設(shè)備中的接口n 與控制器的接口有三種類型的信號168。數(shù)據(jù)信號線 (進出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、緩沖后傳送 )168?？刂菩盘柧€ (讀 \寫 \移動磁頭等控制 )168。狀態(tài)信號線I/O設(shè)備信號數(shù)據(jù)緩沖 轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)狀態(tài)控制邏輯控制2/8/2023 8② 設(shè)備控制器n 可編址，不同類168。 控制一個設(shè)備時只有一個地址，若連接控制多個設(shè)備則含有多個設(shè)備地址168。 管理的復(fù)雜性因不同設(shè)備而異，分為字符設(shè)備控制器、塊設(shè)備控制器。168。 常作成接口卡插入計算機。2/8/2023 9n基本功能 CPU命令（控制 寄存器：存放命令和參數(shù)）（狀態(tài) 寄存器）（數(shù)據(jù) 寄存器 ）（控制器識別設(shè)備地址、寄存器地址。地址譯碼器）（協(xié)調(diào) I/O與 CPU的速度差距）n 組成1. 設(shè)備控制器與處理機的接口2. 設(shè)備控制器與設(shè)備的接口3. I/O邏輯設(shè)備控制器數(shù)據(jù)線地址線控制線數(shù)據(jù)狀態(tài)控制I/O邏輯2/8/2023 11I/O邏輯控制器與設(shè)備接口 1控制器與設(shè)備接口 i數(shù)據(jù)寄存器控制 / 狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)線地址線控制線與 CPU的接口 與設(shè)備的接口數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)狀態(tài)控制狀態(tài)控制n 一個接口連接一個設(shè)備。n 每個接口中都有數(shù)據(jù)、控制和狀態(tài)三種類型的信號。n 控制器中的 I/O邏輯根據(jù)處理機發(fā)來的地址信號，去選擇一個設(shè)備接口。n1個或 n個 1個或 n個2/8/2023 12?I/O邏輯n 通過一組控制線與處理機交互，處理機利用該邏輯向控制器發(fā)送 I/O命令。 I/O邏輯對收到的命令進行譯碼。n CPU要啟動一個設(shè)備時，168。將啟動命令發(fā)送給控制器；168。同時通過地址線把地址發(fā)送給控制器168?？刂破鞯?I/O邏輯對收到的地址和命令進行譯碼，再根據(jù)所譯出的命令選擇設(shè)備進行控制。2/8/2023 13③ 處理機與設(shè)備控制器間n 實現(xiàn) CPU與設(shè)備控制器之間的通信。n 共有三類信號線：168。數(shù)據(jù)線：數(shù)據(jù)線通常與兩類寄存器相連接，第一類是數(shù)據(jù)寄存器；第二類是控制 /狀態(tài)寄存器。168。地址線168。控制線2/8/2023 143） I/O通道① I/O通道設(shè)備的引入n 設(shè)備控制器已大大減少 CPU對 I/O的干預(yù)（如承擔了選擇設(shè)備，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、緩沖等功能）n 但當主機的外設(shè)很多時， CPU的負擔仍然很重。為此又在 CPU和設(shè)備控制器之間增設(shè)一個機構(gòu)： “通道 ”主要目的：n 建立更獨立的 I/O操作，解放 CPU。168。數(shù)據(jù)傳送的獨立168。I/0操作的組織、管理及結(jié)束處理也盡量獨立。n 設(shè)置通道后168。CPU只需向通道發(fā)送一條 I/O指令即可不再干預(yù)后續(xù)操作。168。通道根據(jù)命令，形成通道程序，執(zhí)行 I/O操作，完成后向 CPU發(fā)中斷信號。2/8/2023 15② 通道類型n 實際上 I/O通道是一種特殊的處理機：168。指令類型單一，只用于 I/O操作；168。通道沒有內(nèi)存，它與 CPU共享內(nèi)存。n 根據(jù)其控制的外圍設(shè)備的不同類型，信息交換方式也可分為以下三種類型：1)字節(jié)多路通道2)數(shù)組選擇通道3)數(shù)組多路通道2/8/2023 16n 字節(jié)多路通道168。 一個通道常通過多個子通道連接控制多個設(shè)備控制器。168。 多個設(shè)備以字節(jié)為單位 交叉輪流 使用主通道傳輸自己的數(shù)據(jù)。（圖 53）控制器 A 設(shè)備控制器 B 設(shè)備A1B1C1…A 2B2C2A1A2…B1B2…216。 主通道掃描子通道速率足夠快，子通道上的設(shè)備速率又不太高時，一般不丟失信息。216。 適用于并行、低速設(shè)備2/8/2023 17n數(shù)組選擇通道168。為了適用高速設(shè)備，設(shè)置分配型子通道168。設(shè)備分配到通道后，一段時間內(nèi)一直獨占，直至設(shè)備傳送完畢釋放。168。利用率低。n數(shù)組多路通道168。結(jié)合上述兩種方式。含多個非分配型子通道。數(shù)據(jù)傳送則按數(shù)組方式進行。2/8/2023 18③ “瓶頸 ”問題由于通道價格昂貴，致使數(shù)量較少，使它成為 I/O系統(tǒng)的瓶頸，進而造成系統(tǒng)吞吐量的下降。如下例所示：存儲器通道 1通道 2控制器 1控制器 2控制器 3控制器 4設(shè)備 1設(shè)備 2設(shè)備 3設(shè)備 4設(shè)備 5設(shè)備 6設(shè)備 72/8/2023 19n 解決 “瓶頸 ”問題最有效的辦法便是增加設(shè)備到主機間的 通路 而不增加通道，如下圖所示：存儲器通道 1通道 2控制器 1控制器 2I/O設(shè)備I/O設(shè)備I/O設(shè)備I/O設(shè)備2/8/2023 20n 如圖所示，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。n 總線的性能用總線的 “時鐘頻率 ”、 “帶寬 ”和相應(yīng)的總線 “傳輸速率 ”等指標來衡量。CPU 存儲器 磁盤控制器 打印機控制器 其他控制器磁盤驅(qū)動器打印機系統(tǒng)總線* 微機 I/O系統(tǒng)中的總線結(jié)構(gòu)2/8/2023 21總線的發(fā)展過程n ISA和 EISA總線1. ISA（ Industry Standard Architecture）總線2. EISA（ Extended ISA）總線n 局部總線（ Local Bus）1. VESA（ Video Electronic Standard）總線2. PCI