【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(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分是 I/O系統(tǒng)。n 該系統(tǒng)包括168。實(shí)現(xiàn)信息輸入、輸出和存儲(chǔ)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(jī)還有 I/O通道或I/O處理機(jī)。n 基本任務(wù) ：完成用戶提出的 I/O請(qǐng)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(dú)立性等。我們主要對(duì) 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(lái)說(shuō)：需要用于輸入、輸出和存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)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(diǎn)，按其重要的性能指標(biāo)進(jìn)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(jī)、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(wú)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(dú)占：打印機(jī)216。共享：一個(gè)時(shí)刻上仍然是只被一個(gè)進(jìn)程占用?？蓪ぶ贰⒖呻S機(jī)訪問(wèn)的色后備。磁盤。216。虛擬：使一臺(tái)獨(dú)占設(shè)備變換為若干臺(tái)邏輯設(shè)備，供給若干用戶 “同時(shí)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(jì)算機(jī)中的一個(gè)實(shí)體 ——“ 設(shè)備控制器 ”負(fù)責(zé)控制一個(gè)或多個(gè) I/O設(shè)備，以實(shí)現(xiàn) I/O設(shè)備和計(jì)算機(jī)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(lái)的命令，并去控制I/O設(shè)備工作，以使處理機(jī)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(hào)168。數(shù)據(jù)信號(hào)線 (進(jìn)出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、緩沖后傳送 )168?？刂菩盘?hào)線 (讀 \寫(xiě) \移動(dòng)磁頭等控制 )168。狀態(tài)信號(hào)線I/O設(shè)備信號(hào)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(gè)設(shè)備時(shí)只有一個(gè)地址，若連接控制多個(gè)設(shè)備則含有多個(gè)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(jì)算機(jī)。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(shí)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(jī)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(gè)接口連接一個(gè)設(shè)備。n 每個(gè)接口中都有數(shù)據(jù)、控制和狀態(tài)三種類型的信號(hào)。n 控制器中的 I/O邏輯根據(jù)處理機(jī)發(fā)來(lái)的地址信號(hào)，去選擇一個(gè)設(shè)備接口。n1個(gè)或 n個(gè) 1個(gè)或 n個(gè)2/8/2023 12?I/O邏輯n 通過(guò)一組控制線與處理機(jī)交互，處理機(jī)利用該邏輯向控制器發(fā)送 I/O命令。 I/O邏輯對(duì)收到的命令進(jìn)行譯碼。n CPU要啟動(dòng)一個(gè)設(shè)備時(shí)，168。將啟動(dòng)命令發(fā)送給控制器；168。同時(shí)通過(guò)地址線把地址發(fā)送給控制器168?？刂破鞯?I/O邏輯對(duì)收到的地址和命令進(jìn)行譯碼，再根據(jù)所譯出的命令選擇設(shè)備進(jìn)行控制。2/8/2023 13③ 處理機(jī)與設(shè)備控制器間n 實(shí)現(xiàn) CPU與設(shè)備控制器之間的通信。n 共有三類信號(hào)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?？刂凭€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(duì) I/O的干預(yù)（如承擔(dān)了選擇設(shè)備，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、緩沖等功能）n 但當(dāng)主機(jī)的外設(shè)很多時(shí)， CPU的負(fù)擔(dān)仍然很重。為此又在 CPU和設(shè)備控制器之間增設(shè)一個(gè)機(jī)構(gòu)： “通道 ”主要目的：n 建立更獨(dú)立的 I/O操作，解放 CPU。168。數(shù)據(jù)傳送的獨(dú)立168。I/0操作的組織、管理及結(jié)束處理也盡量獨(dú)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(hào)。2/8/2023 15② 通道類型n 實(shí)際上 I/O通道是一種特殊的處理機(jī)：168。指令類型單一，只用于 I/O操作；168。通道沒(méi)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(gè)通道常通過(guò)多個(gè)子通道連接控制多個(gè)設(shè)備控制器。168。 多個(gè)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(shí)，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(shí)間內(nèi)一直獨(dú)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(gè)非分配型子通道。數(shù)據(jù)傳送則按數(shù)組方式進(jìn)行。2/8/2023 18③ “瓶頸 ”問(wèn)題由于通道價(jià)格昂貴，致使數(shù)量較少，使它成為 I/O系統(tǒng)的瓶頸，進(jìn)而造成系統(tǒng)吞吐量的下降。如下例所示：存儲(chǔ)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(wèn)題最有效的辦法便是增加設(shè)備到主機(jī)間的 通路 而不增加通道，如下圖所示：存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的各部件，如 CPU、存儲(chǔ)器以及各種 I/O設(shè)備之間的聯(lián)系，都是通過(guò)總線來(lái)實(shí)現(xiàn)的。n 總線的性能用總線的 “時(shí)鐘頻率 ”、 “帶寬 ”和相應(yīng)的總線 “傳輸速率 ”等指標(biāo)來(lái)衡量。CPU 存儲(chǔ)器 磁盤控制器 打印機(jī)控制器 其他控制器磁盤驅(qū)動(dòng)器打印機(jī)系統(tǒng)總線* 微機(jī) I/O系統(tǒng)中的總線結(jié)構(gòu)2/8/2023 21總線的發(fā)展過(guò)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