【正文】 1/28操作系統(tǒng)第五章 設(shè)備管理 P160計(jì)算機(jī)外部設(shè)備 ：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中除 CPU和內(nèi)存儲(chǔ)器外 ,用來向計(jì)算機(jī)輸入和輸出信息的所有設(shè)備和裝置 ,稱為計(jì)算機(jī)外部設(shè)備（也叫外圍設(shè)備或 I/O設(shè)備）如鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、打印機(jī)等。 在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中有些設(shè)備既是 I/O設(shè)備，也是 存儲(chǔ)設(shè)備。 例如，軟盤、硬盤等。（存儲(chǔ)設(shè)備 ：用來存放各種信息的設(shè)備稱為存儲(chǔ)設(shè)備，例如，軟盤、硬盤、光盤和磁帶等；）2/28操作系統(tǒng)磁帶機(jī) 硬盤 光盤 繪圖儀掃描儀 鍵盤 打印機(jī)常見外設(shè)3/28操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)中所有的外部設(shè)備。設(shè)備管理進(jìn)行設(shè)備分配 —— 設(shè)備分配程序?qū)崿F(xiàn)真正 I/O操作 —— 設(shè)備處理（驅(qū)動(dòng)）程序?qū)崿F(xiàn)其它功能 —— 緩沖區(qū)管理用緩沖區(qū)提供 CPU與 I/O設(shè)備的速度匹配按照設(shè)備類型和系統(tǒng)分配策略進(jìn)行設(shè)備分配與回收向用戶提供統(tǒng)一的接口 —— 屏蔽 I/O操作的細(xì)節(jié)實(shí)現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動(dòng) —— 真正的 I/O操作實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備管理設(shè)備管理的功能4/28操作系統(tǒng)按傳輸速度低速設(shè)備 ：每秒 幾個(gè)字節(jié)至數(shù)百字節(jié)如：鍵盤、鼠標(biāo)、語(yǔ)音的輸入輸出設(shè)備中速設(shè)備 ：每秒 數(shù)千字節(jié)至數(shù)萬字節(jié)如：行式打印機(jī)、激光打印機(jī)高速設(shè)備 ：每秒數(shù)百千字節(jié)以上如：磁帶機(jī)、磁盤機(jī)、光盤機(jī)等I/O設(shè)備分類I/O系統(tǒng)I/O系統(tǒng) ：是用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù) 輸入 、 輸出 及 數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 的系統(tǒng)。5/28操作系統(tǒng)按信息交換單位塊設(shè)備： 信息傳輸以塊為單位 (磁盤 )用于 存儲(chǔ)信息； 屬于結(jié)構(gòu)類型；如：磁盤，盤塊大小為 512B~4KB磁盤設(shè)備的基本特征是其傳輸速度較高，通常每秒鐘為幾兆位；可尋址，即對(duì)它可隨機(jī)地讀 /寫任一塊。磁盤設(shè)備的 I/O采用 DMA方式。字符設(shè)備 ：信息傳輸以字符為單位（打印機(jī)）用于數(shù)據(jù)的輸入和輸出；屬無結(jié)構(gòu)類型；種類多，如交互式終端、打印機(jī)等?；咎卣魇瞧鋫鬏斔俾瘦^低，通常為幾個(gè)字節(jié)至數(shù)千個(gè)字節(jié)；另一特征是不可尋址，即輸入 /輸出時(shí)不能指定數(shù)據(jù)的輸入源地址及輸出的目標(biāo)地址。I/O設(shè)備分類I/O系統(tǒng)6/28操作系統(tǒng)I/O設(shè)備分類I/O系統(tǒng)按分配方式獨(dú)占設(shè)備 ：臨界資源（ 打印機(jī)）共享設(shè)備：可尋址、可隨機(jī)訪問（磁盤 ）虛擬設(shè)備：將獨(dú)占設(shè)備虛擬為多臺(tái)邏輯設(shè)備7/28操作系統(tǒng)2.設(shè)備與控制器之間的接口 圖 51 設(shè)備與控制器間的接口 在該接口中有 三種類型的信號(hào)：數(shù)據(jù)信號(hào)：對(duì)輸入是由設(shè)備發(fā)送給設(shè)備控制器的；對(duì)輸出是由設(shè)備控制器所接收的比特流控制信號(hào)：是設(shè)備控制器發(fā)送給設(shè)備的、用于規(guī)定設(shè)備執(zhí)行、讀或?qū)懖僮鞯男盘?hào)狀態(tài)信號(hào)：用于指示設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)。8/28操作系統(tǒng)什么是設(shè)備控制器位于 CPU與設(shè)備之間，接收 CPU下達(dá)的輸入、輸出命令并控制具體設(shè)備實(shí)現(xiàn)操作。分成兩大類：用于控制字符設(shè)備的控制器用于控制塊設(shè)備的控制器微型機(jī)和小型機(jī)中的控制器常做成印刷電路卡形式，稱接口卡9/28操作系統(tǒng)什么是設(shè)備控制器位于 CPU與設(shè)備之間，接收 CPU下達(dá)的輸入、輸出命令并控制具體設(shè)備實(shí)現(xiàn)操作。接口解脫字符與塊控制接口卡位于 CPU與設(shè)備之間CPU從 I/O控制中解脫存在形式兩大類10/28操作系統(tǒng)設(shè)備控制器功能、設(shè)備控制器功能接收和識(shí)別命令接收和識(shí)別命令 ———— 控制寄存器控制寄存器數(shù)據(jù)交換數(shù)據(jù)交換 ———— 數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器標(biāo)識(shí)和報(bào)告設(shè)備狀態(tài)標(biāo)識(shí)和報(bào)告設(shè)備狀態(tài) ———— 狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器地址識(shí)別地址識(shí)別 ———— 地址譯碼器地址譯碼器數(shù)據(jù)緩沖數(shù)據(jù)緩沖差錯(cuò)控制差錯(cuò)控制11/28操作系統(tǒng)設(shè)備控制器與處理機(jī)的接口、設(shè)備控制器與處理機(jī)的接口設(shè)備控制器與設(shè)備的接口、設(shè)備控制器與設(shè)備的接口 I/O邏輯邏輯I/O邏輯邏輯控制器控制器與設(shè)備與設(shè)備接口接口 1控制器控制器與設(shè)備與設(shè)備接口接口 i數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器控制控制 /狀態(tài)狀態(tài)寄存器寄存器........數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線地址線地址線控制線控制線CPU與控制器接口與控制器接口 控制器與設(shè)備接口控制器與設(shè)備接口數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)狀態(tài)狀態(tài)控制控制數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)狀態(tài)狀態(tài)控制控制P164 圖圖 52 設(shè)備控制器的組成設(shè)備控制器的組成設(shè)備控制器組成、設(shè)備控制器組成12/28操作系統(tǒng) I/O邏輯邏輯l通過一組控制線與處理機(jī)交互。通過一組控制線與處理機(jī)交互。l處理機(jī)利用他向控制器發(fā)送處理機(jī)利用他向控制器發(fā)送 I/O命令。命令。lI/O邏輯對(duì)收到的命令進(jìn)行譯碼。邏輯對(duì)收到的命令進(jìn)行譯碼。設(shè)備控制器組成、設(shè)備控制器組成13/28操作系統(tǒng)雖然設(shè)備控制器已能大大減少 CPU對(duì) I/O的干預(yù)，但當(dāng)主機(jī)所配置的外設(shè)很多時(shí)， CPU的負(fù)擔(dān)仍然很重。為此，在 CPU和設(shè)備控制器之間增設(shè) 通道 以建立獨(dú)立的 I/O操作。不僅數(shù)據(jù)的傳送能夠獨(dú)立于 CPU，也使得對(duì) I/O操作的組織、管理和結(jié)束處理盡量獨(dú)立。 通道是一種特殊的處理機(jī) ，具有執(zhí)行 I/O指令的能力。通過執(zhí)行通道程序來控制 I/O操作。 通道與一般的處理機(jī)又有所不同：其指令類型單一，即由于通道硬件比較簡(jiǎn)單，其所能執(zhí)行的指令主要局限于與 I/O操作有關(guān)的指令。主要為與 I/O有關(guān)的指令；通道沒有自己的內(nèi)存，與CPU共享內(nèi)存。I/O通道14/28操作系統(tǒng)字節(jié)多路通道? 含有非分配型子通道，其數(shù)量從幾十到幾百。每個(gè)子通道連接一臺(tái) I/O設(shè)備。? 子通道按時(shí)間片輪轉(zhuǎn)方式共享主通道。? 第一個(gè)子通道控制其 I/O設(shè)備完成一個(gè)字節(jié)的交換后．便立即騰出字節(jié)多路通道 (主通道 )，讓給第二個(gè)子通道使用，依此類推，所有通道輪轉(zhuǎn)一周后重返回。? 只要掃描每個(gè)于通道的速度足夠快，而連接到子通道上的設(shè)備的速率較小時(shí)，不丟數(shù)據(jù)。? 連接低速或中速設(shè)備時(shí)．便不丟失信息。15/28操作系統(tǒng)字節(jié)多路通道以字節(jié)為單位；以 “分時(shí) ”方式服務(wù)于多個(gè) I/O設(shè)備 —— 多路數(shù)據(jù)傳送速率低，適于連接 低速或中速設(shè)備通道類型 :根據(jù)信息交換方式的不同可分為以下三類 :控制器 C控制器 B控制器 A控制器控制器 NA1B1C1 A2B2C2A1A2A3 子通道 AB1B2B3C1C2C3N1N2N3子通道 B子通道 C子通道 NP187圖 53字節(jié)多路通道的工作原理圖多個(gè)非分配型子通道，按時(shí)間片輪轉(zhuǎn)方式共享主通道。16/28操作系統(tǒng)以數(shù)組為單位，可以連接多臺(tái) 高速設(shè)備只有一個(gè)分配型子通道，設(shè)備獨(dú)占通道一段時(shí)間內(nèi)只能執(zhí)行一道通道程序控制一臺(tái)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。數(shù)據(jù)傳送速率高，通道利用率低數(shù)組選擇通道數(shù)組多路通道以數(shù)組為單位分時(shí)服務(wù)于多個(gè)設(shè)備數(shù)據(jù)傳送速率高，通道利用率高將數(shù)組選擇通道傳輸速率高和字節(jié)多路通道能使各子通道分時(shí)并行操作的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合形成。17/28操作系統(tǒng)“瓶頸 ”問題I/O性能經(jīng)常成為系統(tǒng)的瓶頸（ 1） CPU性能不等于系統(tǒng)性能響應(yīng)時(shí)間也是一個(gè)重要因素（ 2） CPU性能越高，與 I/O差距越大彌補(bǔ)：更多的進(jìn)程（ 3）進(jìn)程切換多，系統(tǒng)開銷大通道價(jià)格昂貴，使機(jī)器中的通道數(shù)量勢(shì)必較少，這往往使它成了 I/O的瓶頸。解決 “瓶頸 ”問題的最有效的方法，便是增加設(shè)備到主機(jī)間的通路而不增加通道。18/28操作系統(tǒng)通道 1存儲(chǔ)器通道 2控制器 2控制器 1控制器 3控制器 4 設(shè)備 7設(shè)備 6設(shè)備 5設(shè)備 4設(shè)備 3設(shè)備 2設(shè)備 1“瓶頸 ”問題：?jiǎn)瓮废到y(tǒng)19/28操作系統(tǒng)多通路 :解決 “ 瓶頸 ” 問題的方法 （交叉連接）存儲(chǔ)器通道 2 控制器 2通道 1 控制器 1I/O設(shè)備I/O設(shè)備I/O設(shè)備I/O設(shè)備多通路 I/O系統(tǒng)在不增加通道的情況下，增加設(shè)備到主機(jī)間的通路：（把一個(gè)設(shè)備連接到多個(gè)控制器上，一個(gè)控制器又連接到多個(gè)通道上）20/28操作系統(tǒng)總線系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的各個(gè)子系統(tǒng)（ CPU、內(nèi)存、外設(shè)等）相互連接，且連接是共享的。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，各個(gè)功能部件都是通過總線交換數(shù)據(jù)。通常 ,主板上的一些用于擴(kuò)充 PC機(jī)功能的標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展插槽 ,就是我們所能見到的 PC總線形式 .優(yōu)點(diǎn)：低成本（一線多用） 靈活性（易于增加設(shè)備 便于兩個(gè)系統(tǒng)間共享外設(shè)）總線的缺點(diǎn)：本身形成了通訊瓶頸，限制總線的缺點(diǎn)：本身形成了通訊瓶頸，限制 I/O的吞吐量的吞吐量總線分類：數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線總線分類：數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線總線帶寬 ， 用于衡量數(shù)據(jù)通信速度的快慢。用于衡量數(shù)據(jù)通信速度的快慢。 定義為 總線本身所能達(dá)到的最高傳輸速率，單位是兆字節(jié)每秒（ MB/s）21/28操作系統(tǒng)圖 總線型 I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總線系統(tǒng)22/28操作系統(tǒng)系統(tǒng)總線的發(fā)展總線的速度對(duì)系統(tǒng)性能有著極大的影響。因此，總線被譽(yù)為是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的神經(jīng)中樞。但相比 CPU、顯卡、內(nèi)存、硬盤等功能部件，總線技術(shù)的提升步伐要緩慢得多。在 PC發(fā)展的二十余年歷史中，總線只進(jìn)行三次更新?lián)Q代，但它的每次變革都令計(jì)算機(jī)的面貌煥然一新。 l早期的 PC總線和 ISA總線lPCI/AGP總線l目前主流的 PCIExpress、 HyperTransport高速串行總線 23/28操作系統(tǒng)早期的 PC總線和 ISA總線PC總線 是最古老的總線之一，最早出現(xiàn)在 IBM公司 1981年推出的 PC/XT電腦中，它基于 8位結(jié)構(gòu)的 8088處理器，也被稱為 PC/XT總線，是第一種被認(rèn)可為廣泛標(biāo)準(zhǔn)的總線技術(shù)。 　　PC總線沿用了三年多時(shí)間，直到 1984年， IBM推出基于 16位英特爾 80286處理器的 PC/AT電腦，系統(tǒng)總線才被 16位的 PC/AT總線所代替。而這個(gè)時(shí)候， PC產(chǎn)業(yè)已初具規(guī)模，加之 IBM允許第三方廠商開發(fā)兼容產(chǎn)品，PC/AT總線規(guī)范也被逐漸標(biāo)準(zhǔn)化，并衍生出著名的 ISA總線 （ IndustryStandardArchitecture，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)）。 ISA總線最大數(shù)據(jù)傳輸率為 8MBps和 16MBps— 今天來看這樣的性能低得不可思議，但在當(dāng)時(shí) 8MBps的速率綽綽有余，完全可滿足多個(gè) CPU共享系統(tǒng)資源的需要。 ISA總線一直貫穿 286和 386SX時(shí)代，在當(dāng)時(shí)， 16位 X86系統(tǒng)對(duì)總線性能并沒有太高的要求。但在 32位 386DX處理器出現(xiàn)之后， 16位寬度的 ISA總線就遇到問題，總線數(shù)據(jù)傳輸慢使得處理器性能也受到嚴(yán)重的制約?？蛋亍⒒萜?、 AST、愛普生等九家廠商協(xié)同將 ISA總線擴(kuò)展到 32位寬度，EISA（ ExtendedIndustryStandardArchitecture，擴(kuò)展工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)）總線由此誕生24/28操作系統(tǒng)PCI/AGP總線、 PCIX總線PCI總線 誕生于 1992年。英特爾推出 486處理器，這個(gè)時(shí)候， EISA總線成為瓶頸，因?yàn)?CPU的速度已經(jīng)明顯高于總線速度。為了解決這個(gè)問題，英特爾公司提出 32位 PCI總線的概念，并迅速獲得認(rèn)可成