【正文】 關(guān)于設(shè)備管理 ?管理對象 ： I/O設(shè)備（ I/O系統(tǒng)組成） ?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。 ?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。 ?與硬件緊密相關(guān)，本章主要對 I/O設(shè)備和設(shè)備控制器等硬件作扼要闡述。 1/31/2023 1 第 5章 設(shè)備管理 ? I/O系統(tǒng)的組成 ? I/O控制方式 ?緩沖管理 ?設(shè)備分配 ?設(shè)備處理 ?磁盤設(shè)備管理 1/31/2023 2 I/O系統(tǒng)的組成 包括： 需要用于輸入、輸出和存儲信息的 設(shè)備 ； 需要相應(yīng)的 設(shè)備控制器 ； 控制器與 CPU連接的 高速總線； 有的大中型計算機系統(tǒng)，配置 I/O通道 ； 1/31/2023 3 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) 狀態(tài) 控制 數(shù)據(jù)線 地址線 控制線 總線 I/O系統(tǒng)組成 1/31/2023 4 1） 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： ? 按傳輸速率分類： ? 低速、中速、高速（鍵盤、打印機、磁盤） ? 使用：存儲設(shè)備、輸入輸出設(shè)備 ? 按信息交換的單位分類： ? 塊設(shè)備：有結(jié)構(gòu)、速率高、可尋址、 DMA方式控制 ? 字符設(shè)備：無結(jié)構(gòu)、速率低、不可尋址、中斷方式控制 1/31/2023 5 ? 按設(shè)備的共享屬性分類： ?獨占：打印機 ?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。 ?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”。 1/31/2023 6 I/O設(shè)備中的接口 ? 與控制器的接口有三種類型的信號 ?數(shù)據(jù)信號線 (進出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、緩沖后傳送 ) ?控制信號線 (讀 \寫 \移動磁頭等控制 ) ?狀態(tài)信號線 I/O設(shè)備 數(shù)據(jù) 緩沖 轉(zhuǎn)換器 數(shù)據(jù) 狀態(tài) 控制邏輯 控制 1/31/2023 7 2）設(shè)備控制器 ? 設(shè)備并不直接與 CPU通信 ? 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。 ? 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)。 1/31/2023 8 ? 常作成接口卡插入計算機 ? 可編址，不同類 ? 控制一個設(shè)備時只有一個地址，若連接多個設(shè)備則含有多個設(shè)備地址 ? 管理的復雜性因不同設(shè)備而異，分為字符設(shè)備控制器、塊設(shè)備控制器。 1/31/2023 9 ?① 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） 1/31/2023 10 ? ② 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 1/31/2023 11 I/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 ? 一個接口連接一個設(shè)備。 ? 每個接口中都有數(shù)據(jù)、控制和狀態(tài)三種類型的信號。 ? 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。 ?1個或 n個 1個或 n個 1/31/2023 12 ?I/O邏輯 ? 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。 ? CPU要啟動一個設(shè)備時， ?將啟動命令發(fā)送給控制器； ?同時通過地址線把地址發(fā)送給控制器 ?控制器的 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。 1/31/2023 13 ③處理機與設(shè)備控制器間 ? 實現(xiàn) CPU與設(shè)備控制器之間的通信。 ? 共有三類信號線： ?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。 ?地址線 ?控制線 1/31/2023 14 ? 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。 ? 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) 1/31/2023 15 總線的發(fā)展過程 ? ISA和 EISA總線 1. ISA（ Industry Standard Architecture）總線 2. EISA（ Extended ISA）總線 ? 局部總線（ Local Bus） 1. VESA（ Video Electronic Standard）總線 2. PCI（ Peripheral Component Interface）總線 1/31/2023 16 3） I/O通道 ① I/O通道設(shè)備的引入 ? 設(shè)備控制器已大大減少 CPU對 I/O的干預 （如承擔了選擇設(shè)備，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、緩沖等功能） ? 但當主機的外設(shè)很多時， CPU的負擔仍然很重。 ? 在 CPU和設(shè)備控制器之間 增設(shè)一個硬件機構(gòu)：“通道” ? 設(shè)置通道后 ?CPU只需向通道發(fā)送一條 I/O指令即可不再干預后續(xù)操作。 ?通道形成通道程序，執(zhí)行 I/O操作，完成后向CPU發(fā)中斷信號。 1/31/2023 17 主要目的： ? 建立更獨立的 I/O操作，解放 CPU。 ?數(shù)據(jù)傳送的獨立 ?I/0操作的組織、管理及結(jié)束處理也盡量獨立。 ? 實際上 I/O通道是一種特殊的處理機 ： ?指令類型單一，只用于 I/O操作； ?通道沒有內(nèi)存，它與 CPU共享內(nèi)存 1/31/2023 18 ②通道類型 ? 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 1/31/2023 19 ? 字節(jié)多路通道 ? 一個通道常通過多個子通道連接多個設(shè)備控制器 ? 多個設(shè)備，通過 非分配型 子通道以 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 2B2C2 A1A2… B1B2… ? 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。 ? 適用于并行、低速設(shè)備 1/31/2023 20 ? 數(shù)組選擇通道 ?針對高速設(shè)備： 分配型 子通道 ?設(shè)備利用子通道占用通道后，一段時間內(nèi) 一直獨占，直至設(shè)備傳送完畢 釋放。 ?利用率低。 ? 數(shù)組多路通道 ?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。 1/31/2023 21 ③“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 7 1/31/2023 22 ? 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 2 I/O設(shè)備 I/O設(shè)備 I/O設(shè)備 I/O設(shè)備 1/31/2023 23 I/O控制方式 ? 程序 I/O方式 ? 中斷驅(qū)動 I/O方式 ? 直接存儲器訪問 DMA（字節(jié) — 塊） ? I/O通道控制方式（組織傳送的獨立） ? 宗旨：減少主機對 I/O控制的干預，將CPU從繁雜的 I/O控制事物中解脫出來。 1/31/2023 24 ? 注意數(shù)據(jù)走向 設(shè)備（磁盤） 控制器緩沖 — 進程的內(nèi)存 CPU 磁盤 控制器 內(nèi)存 notepad data 工作開銷：判斷做了多少？做沒做完？ 1/31/2023 25 1）程序 I/O方式 ? cpu對 I/O設(shè)備的控制采取程序 I/O方式，或稱忙 — 等待方式 ? 向控制器發(fā)送一條 I/O指令；啟動輸入設(shè)備輸入數(shù)據(jù)；把狀態(tài)寄存器 busy=1。 ? 然后不斷測試標志。為 1：表示輸入機尚未輸完一個字，CPU繼續(xù)對該標志測試；直到為 0：數(shù)據(jù)已輸入控制器數(shù)據(jù)寄存器中。 ? CPU取控制器中的數(shù)據(jù)送入內(nèi)存單元，完成一個字的 I/O 。 ? 高速 CPU空閑等待低速 I/O設(shè)備，致使 CPU極大浪費。 注：也稱作程序查詢方式或輪詢方式。 1/31/2023 26 程序 I/O方式流程圖 向 I/O控制器發(fā)讀命令 讀 I/O控制器的狀態(tài) 從 I/O控制器中讀入字 向存儲器中寫字 檢查狀態(tài) 傳送完成？ 出錯 完成 CPU→ I/O I/O→ CPU I/O→ CPU CPU→ 內(nèi)存 未完 未就緒 下條指令 就緒 1/31/2023 27 2）中斷驅(qū)動 I/O方式 ? CPU向相應(yīng)的設(shè)備控制器發(fā)出一條 I/O命令 ? 然后立即返回繼續(xù)執(zhí)行任務(wù) 。 ? 設(shè)備控制器按照命令的要求去控制指定 I/O設(shè)備。 ? 這時 CPU與 I/O設(shè)備并行操作。 ? I/O設(shè)備輸入數(shù)據(jù)中，無需 CPU干預，因