【正文】 組多路通道的實(shí)質(zhì)是對通道程序采用多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)的硬件實(shí)現(xiàn)。 它只含有一個(gè)分配型子通道 ， 在一段時(shí)間內(nèi)只能執(zhí)行一道通道程序 ， 控制一臺設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送 ， 致使當(dāng)某臺設(shè)備占用該通道后， 便一直獨(dú)占使用 ， 即使無數(shù)據(jù)傳送 ， 通道被閑置 ， 也不允許其它設(shè)備使用該通道 ， 直至設(shè)備釋放該通道 。 （ 1） 字節(jié)多路通道 （ Byte Multiplexor Channel） 字節(jié)多路通道是一種按字節(jié)為單位以交叉方式工作的通道 。 采用通道技術(shù)主要解決了輸入 /輸出操作的獨(dú)立性和各部件工作的并行性 ， 實(shí)現(xiàn)了外圍設(shè)備與 CPU之間的并行操作 ， 通道與通道之間的并行操作 ， 各個(gè)通道上的外圍設(shè)備之間的并行操作 ， 提高了整個(gè)系統(tǒng)效率 。當(dāng) CPU要啟動(dòng)一個(gè)設(shè)備時(shí)，一方面將啟動(dòng)命令發(fā)送給控制器；同時(shí)通過地址線把地址發(fā)送給控制器，由控制器的 I/O邏輯對收到的地址進(jìn)行譯碼，再根據(jù)所譯出的命令對所選設(shè)備進(jìn)行控制。一個(gè)設(shè)備控制器可以有一個(gè)或多個(gè)設(shè)備接口，一個(gè)接口連接一臺設(shè)備，在每個(gè)接口中都存在數(shù)據(jù)、控制和狀態(tài)三種類型的信號。如果發(fā)現(xiàn)在傳送中出現(xiàn)錯(cuò)誤，則通常將差錯(cuò)檢測碼置位，并向 CPU報(bào)告，為保證數(shù)據(jù)的正確性，CPU 操作系統(tǒng)教程課件 第 15頁 機(jī)械工業(yè)出版社 輸入 /輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu) (3) 設(shè)備控制器一般由設(shè)備控制器與 CPU接口、設(shè)備控制器與設(shè)備接口以及 I/O邏輯三部分組成，如 圖 53所示。為此，在設(shè)備控制器中應(yīng)配置地址譯碼器。 ④地址識別。 操作系統(tǒng)教程課件 第 13頁 機(jī)械工業(yè)出版社 輸入 /輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ③表示和報(bào)告設(shè)備的狀態(tài)。設(shè)備控制器實(shí)現(xiàn) CPU與控制器、控制器與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。 微型計(jì)算機(jī)和小型計(jì)算機(jī)中的控制器 ， 往往做成印制電路卡形式 ， 常被稱為接口卡 ，插入計(jì)算機(jī) ， 可控制一個(gè) 、 兩個(gè) 、 四個(gè)或八個(gè)同類型設(shè)備 。 操作系統(tǒng)教程課件 第 11頁 機(jī)械工業(yè)出版社 輸入 /輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 設(shè)備控制器位于 CPU與設(shè)備之間 ， 控制一個(gè)或多個(gè) I/O設(shè)備 ， 以實(shí)現(xiàn) I/O設(shè)備和主機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換 。 操作系統(tǒng)教程課件 第 10頁 機(jī)械工業(yè)出版社 輸入 /輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu) （ 1） 數(shù)據(jù)信號線 數(shù)據(jù)信號線用于設(shè)備和設(shè)備控制器之間數(shù)據(jù)信號的傳送 。第二類是共享型設(shè)備，在一段時(shí)間內(nèi)允許幾個(gè)作業(yè)同時(shí)使用，例如，磁盤，對共享型設(shè)備允許多個(gè)作業(yè)同時(shí)使用，即一段時(shí)間內(nèi)多個(gè)作業(yè)可以交替地啟動(dòng)共享設(shè)備，但在每一時(shí)刻仍只有一個(gè)作業(yè)占用。字符設(shè)備的基本特征是傳輸速率較低，通常每秒鐘為幾個(gè)字節(jié)到數(shù)千個(gè)字節(jié)；不可尋址，即不能指定輸入時(shí)的源地址以及輸出時(shí)的目標(biāo)地址；在 I/O操作時(shí)，常采用中斷驅(qū)動(dòng)方式。第一類是塊設(shè)備，以塊為單位與主存交換信息，屬于有結(jié)構(gòu)設(shè)備，如磁盤 (每個(gè)盤塊的大小為 )、磁帶等。多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)引入后， I/O操作能力成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)綜合處理能力及性能價(jià)格比的重要因素。 ②實(shí)現(xiàn)外圍設(shè)備的啟動(dòng)。 ? 按照外圍設(shè)備的從屬關(guān)系，可以將它們分成系統(tǒng)設(shè)備和用戶設(shè)備。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，通常把外圍設(shè)備又稱為 I/O設(shè)備，這些設(shè)備的物理特性和操作方式有很大區(qū)別，在運(yùn)行速度、控制方式、數(shù)據(jù)表示以及傳送單位上存在著很大的差異。因此，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對外圍設(shè)備的管理，是操作系統(tǒng)中最具有多樣性和復(fù)雜性的部分。 ? 按照工作特性可將外圍設(shè)備分為存儲設(shè)備和 I/O設(shè)備兩類。 ⑤實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備。 操作系統(tǒng)教程課件 第 5頁 機(jī)械工業(yè)出版社 輸入 /輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 典型的輸入 /輸出系統(tǒng)具有四級結(jié)構(gòu)：主機(jī) 、 通道 、 設(shè)備控制器和輸入 /輸出設(shè)備 ， 如 圖 51所示 。塊設(shè)備的基本特征是傳輸速率較高，通常每秒鐘為幾兆位；可尋址，即允許對指定的塊進(jìn)行讀 /寫操作；此外，在 I/O操作時(shí)，常采用直接存儲器訪問 (DMA)方式。 操作系統(tǒng)教程課件 第 8頁 機(jī)械工業(yè)出版社 輸入 /輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu) (3) 按設(shè)備的共享屬性可將設(shè)備分為三類。第三類是虛擬設(shè)備，通過虛擬技術(shù)用共享型設(shè)備來模擬獨(dú)占型設(shè)備的工作。 （ 2） 控制信號線 控制信號線作為設(shè)備控制器與 I/O設(shè)備之間控制信號的傳送通道 。 設(shè)備控制器既要與 CPU通信 ， 又要與設(shè)備通信 ， 由它接受從 CPU發(fā)出的命令， 并控制 I/O設(shè)備的工作 ， 是 CPU與 I/O設(shè)備之間的接口 ， 能有效地將 CPU從設(shè)備控制事務(wù)中解脫出來 。 操作系統(tǒng)教程課件 第 12頁 機(jī)械工業(yè)出版社 輸入 /輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu) (2) ①接受和識別命令。 CPU與控制器之間的數(shù)據(jù)交換是通過數(shù)據(jù)總線，由 CPU并行地把數(shù)據(jù)寫入控制器中，或從控制器中并行地讀出數(shù)據(jù)。設(shè)備控制器應(yīng)記錄外圍設(shè)備的工作狀態(tài)。為了識別不同的設(shè)備，系統(tǒng)中的每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)惟一的地址，而設(shè)備控制器必須能夠識別它所控制的每個(gè)設(shè)備的地址。 操作系統(tǒng)教程課件 第 14頁 機(jī)械工業(yè)出版社 輸入 /輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ⑤數(shù)據(jù)緩沖。 操作系統(tǒng)教程課件 第 16頁 機(jī)械工業(yè)出版社 輸入 /輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ①設(shè)備控制器與 CPU的接口。設(shè)備控制器中的 I/O邏輯根據(jù)CPU ③ I/O邏輯。 操作系統(tǒng)教程課件 第 17頁 機(jī)械工業(yè)出版社 輸入 /輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 3. 通道 為了獲得 CPU與外圍設(shè)備之間更高的并行工作能力 ， 也為了讓種類繁多 、 物理特性各異的外圍設(shè)備能以標(biāo)準(zhǔn)的接口連接到系統(tǒng)中 ， 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在 CPU與設(shè)備控制器之間增設(shè)了自成獨(dú)立體系的通道結(jié)構(gòu) ， 這不僅使數(shù)據(jù)的傳送獨(dú)立于 CPU， 而且對 I/O操作的組織 、 管理及其處理也盡量獨(dú)立 ， 使 CPU有更多的時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 。 具有通道裝置的計(jì)算機(jī)系統(tǒng) ， 主機(jī) 、 通道 、 設(shè)備控制器和設(shè)備之間采用四級連接 ， 實(shí)施三級控制 。 它通常含有許多非分配型子通道 ， 其數(shù)量可達(dá)數(shù)百個(gè) ，每一個(gè)子通道連接一臺 I/O設(shè)備 ， 并控制該設(shè)備的輸入 /輸出操作 ， 這些子通道按時(shí)間片輪轉(zhuǎn)方式共享主通道 ， 如圖 44所示 。 可見 ，數(shù)組選擇通道可以連接多臺高速設(shè)備 ， 每次傳送一批數(shù)據(jù) ，傳送速度高 ， 但通道的利用率很低 ， 如磁帶機(jī) 、 磁盤機(jī)等設(shè)備 。 操作系統(tǒng)教程課件 第 22頁 機(jī)械工業(yè)出版社 輸入 /輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 由于通道的成本高，在系統(tǒng)中通道數(shù)量有限，這往往成為 I/O的瓶頸，造成整個(gè)系統(tǒng)的吞吐量降低。 操作系統(tǒng)教程課件 第 23頁 機(jī)械工業(yè)出版社 輸入 /輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 操作系統(tǒng)教程課件 第 24頁 圖 55 單通路 I/O系統(tǒng) 機(jī)械工業(yè)出版社 輸入 /輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 操作系統(tǒng)教程課件 第 25頁 圖 56 多通路 I/O系統(tǒng) 機(jī)械工業(yè)出版社 輸入 /輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 在一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，由于外圍設(shè)備種類繁多，為了獲得更高的輸入 /輸出效率，可能同時(shí)存在多種類型的通道。隨著計(jì)算機(jī)的 CPU和主存速率的提高，字長的增加，以及新型設(shè)備的推出，不斷地推動(dòng)著總線的發(fā)展，由早期的 ISA總線發(fā)展為 EISA總線、 VESA總線，以及現(xiàn)在廣為流行的 PCI總線。 操作系統(tǒng)教程課件 第 28頁 機(jī)械工業(yè)出版社 I/O控制方式 按照 I/O控制器功能的強(qiáng)弱以及和 CPU之間聯(lián)系方式的不同，可以把 I/O設(shè)備的控制方式分為四類：直接程序控制方式、中斷驅(qū)動(dòng)控制方式、直接存儲器訪問(DMA)控制方式和通道控制方式。 通過輸入 /輸出指令或詢問指令測試 I/O設(shè)備的忙 /閑標(biāo)志位 ， 決定主存儲器與外圍設(shè)備之間是否交換一個(gè)字符或一個(gè)字 。 操作系統(tǒng)教程課件 第 31頁 機(jī)械工業(yè)出版社 I/O控制方式 2． 中斷驅(qū)動(dòng)控制方式 為了減少程序直接控制方式中 CPU的等待時(shí)間以及提高系統(tǒng)的并行程度 ， 系統(tǒng)引入了中斷機(jī)制 。 顯然 ， 這樣可使 CPU和 I/O設(shè)備都處于忙碌狀態(tài) ， 從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的資源利用率及吞吐量 。 可見 ， 中斷驅(qū)動(dòng)方式可以成百倍地提高 CPU的利用率 。 操作系統(tǒng)教程課件 第 34頁 機(jī)械工業(yè)出版社 I/O控制方式 3． 直接存儲器存取方式 （ Direct Memory Access， DMA） 直接存儲器存取方式又稱 DMA方式。 該方式的特點(diǎn)有：①數(shù)據(jù)傳輸以數(shù)據(jù)塊為基本單位；②所傳送的數(shù)據(jù)從設(shè)備直接送入主存，或者從主存直接輸出到設(shè)備上； ③僅在傳送一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)塊的開始和結(jié)束時(shí)，才需CPU的干預(yù)，而整塊數(shù)據(jù)的傳送則是在控制器的控制下完成。 (2) 內(nèi)存地址寄存器 MAR，在輸入時(shí)，它存放把數(shù)據(jù)從設(shè)備傳送到內(nèi)存的起始目標(biāo)地址；在輸出時(shí)，它存放由內(nèi)存到設(shè)備的內(nèi)存源地址。 操作系統(tǒng)教程課件 第 37頁 機(jī)械工業(yè)出版社 I/O控制方式 4. 通道控制方式 (1) 通常，大型計(jì)算機(jī)需要連接大量的高速和低速設(shè)備，通 通道控制方式將對一個(gè)數(shù)據(jù)塊的讀 (或?qū)?)為單位的干預(yù)，減少為對一組數(shù)據(jù)塊的讀 (或?qū)?)及有關(guān)的控制和管理為單位的干預(yù)，可以進(jìn)一步減少 CPU的干預(yù)程度。通道程序在進(jìn)程要求數(shù)據(jù)傳送時(shí)由系統(tǒng)自動(dòng)生成，通道指令一般包含被交換數(shù)據(jù)在主存中占據(jù)的位置、傳送方向、數(shù)據(jù)塊的長度以及被控制的 I/O設(shè)備的地址信息、特征信息等。組織好的通道程序在主存 K單元開始的區(qū)域中。 ①從主存固定單元取出通道地址寄存器 (CAW)，根據(jù)該地址從主存中取出通道指令，通道執(zhí)行通道控制字寄存器 (CCW) 中的通道命令，將 I/O地址送入 CCW，發(fā)出讀、寫或控制命令，并修改 CAW 使其指向下一條通道指令地址。 CPU用極短的時(shí)間參與控制管理工作，其他時(shí)間則處理與 I/O無關(guān)的操作。緩沖管理的主要職責(zé)是組織好緩沖區(qū)，并提供獲得和釋放緩沖區(qū)的手段。 設(shè)置緩沖區(qū)后 ， CPU可以把數(shù)據(jù)首先輸出到輸出緩沖區(qū)中 ， 然后繼續(xù)它的執(zhí)行 ， 同時(shí)打印機(jī)從緩沖區(qū)中取出數(shù)據(jù)緩慢打印 ， 這樣提高了 CPU的工作效率 ， 使設(shè)備盡可能均衡地工作 。 操作系統(tǒng)教程課件 第 46頁 機(jī)械工業(yè)出版社 (3) 提高 CPU和 I/O設(shè)備之間的并行性 緩沖的引入可顯著提高 CPU與 I/O設(shè)備之間的并行操作程度 ， 提高系統(tǒng)的吞吐量和設(shè)備的利用率 。 操作系統(tǒng)教程課件 第 47頁 機(jī)械工業(yè)出版社 單緩沖 單緩沖是在設(shè)備和處理器之間設(shè)置一個(gè)緩沖器 ， 由輸入和輸出設(shè)備共用 。在設(shè)備輸入數(shù)據(jù)時(shí)，可以把數(shù)據(jù)放入其中一個(gè)緩沖區(qū)中，在進(jìn)程從緩沖區(qū)中取數(shù)據(jù)使用的同時(shí)，將輸入數(shù)據(jù)繼續(xù)放入另一個(gè)緩沖區(qū)中。在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中一般使用多緩沖或緩沖池結(jié)構(gòu)。循環(huán)緩沖如圖 515所示，其中每個(gè)緩沖區(qū)的大小相同，包括用于裝輸入數(shù)據(jù)的空緩沖區(qū) R，已裝滿數(shù)據(jù)的緩沖區(qū) G以及計(jì)算進(jìn)程正在使用的現(xiàn)行工作緩沖區(qū) C，指針 Nextg用于指示計(jì)算進(jìn)程下一個(gè)可用緩沖區(qū) G，指針Nexti用于指示輸入進(jìn)程下次可用的空緩沖區(qū) R，指針Current用于指示計(jì)算進(jìn)程正在使用的緩沖區(qū) C。 為了提高緩沖區(qū)的利用率 ， 公用緩沖池被廣泛使用 ， 它由多個(gè)可共享的緩沖區(qū)組成 。 (3) 由裝滿輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)所鏈成的輸出隊(duì)列 outq 操作系統(tǒng)教程課件 第 55頁 機(jī)械工業(yè)出版社 緩沖池 在緩沖池中，有四種工作緩沖區(qū)，分別工作在收容輸入、提取輸入、收容輸出和提取輸出四種工作方式下， 如圖 516所示。用于收容 CPU輸出數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū) hout； 操作系統(tǒng)教程課件 第 57頁 機(jī)械工業(yè)出版社 設(shè)備的邏輯號和絕對號 ? 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中配置了各種不同類型的外圍設(shè)備，每一類型外圍設(shè)備可以有若干臺。由用戶在程序中定義的設(shè)備編號稱為設(shè)備的邏輯號。 操作系統(tǒng)教程課件 第 59頁 機(jī)械工業(yè)出版社 設(shè)備的獨(dú)立性 設(shè)備的獨(dú)立性也稱設(shè)備的無關(guān)性 ， 指應(yīng)用程序獨(dú)立于