【正文】 行用這些指令編寫的通道程序 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學信息科學與工程學院 彭宗舉 1) 通道運算控制部件 通道地址字 CAW： 記錄通道程序在內(nèi)存中的地址 通道命令字 CCW： 保存正在執(zhí)行的通道指令 通道狀態(tài)字 CSW： 存放通道執(zhí)行后的返回結(jié)果 通道數(shù)據(jù)字 CDW： 存放傳輸數(shù)據(jù) 通道和 CPU共用內(nèi)存，通過周期竊取方式取得 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學信息科學與工程學院 彭宗舉 2) 工作原理 CPU： 執(zhí)行用戶程序，當遇到 I/O請求時，可根據(jù)該請求生成通道程序放入內(nèi)存（也可事先編好放入內(nèi)存），并將該通道程序的首地址放入 CAW中；之后執(zhí)行 “ 啟動 I/O”指令，啟動通道工作 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學信息科學與工程學院 彭宗舉 通道： 接收到 “ 啟動 I/O”指令后，從CAW中取出通道程序的首地址，并根據(jù)首地址取出第一條指令放入 CCW中，同時向 CPU發(fā)回答信號，使 CPU可繼續(xù)執(zhí)行其他程序，而通道則開始執(zhí)行通道程序，完成傳輸工作 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學信息科學與工程學院 彭宗舉 （通道程序完成實際 I/O，啟動 I/O設(shè)備，執(zhí)行完畢后 ,如果還有下一條指令，則繼續(xù)執(zhí)行 , 否則表示傳輸完成） 當通道傳輸完成最后一條指令時 ， 向CPU發(fā) I/O中斷 ， 并且通道停止工作 。選擇通道在一段時間內(nèi)只能執(zhí)行一個通道程序，只允許一臺設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳輸 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學信息科學與工程學院 彭宗舉 當這臺設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸完成后，再選擇與通道連接的另一臺設(shè)備，執(zhí)行它的相應的通道程序 主要連接磁盤，磁帶等高速 I/O設(shè)備 選擇通道 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學信息科學與工程學院 彭宗舉 3)成組多路通道 它結(jié)合了選擇通道傳送速度高和字節(jié)多路通道能進行分時并行操作的優(yōu)點。 可以執(zhí)行通道程序 I/O通道 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學信息科學與工程學院 彭宗舉 為了使 CPU從 I/O事務中解脫出來，同時為了提高 CPU與設(shè)備，設(shè)備與設(shè)備之間的并行工作能力 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學信息科學與工程學院 彭宗舉 3. 分類 1) 字節(jié)多路通道 字節(jié)多路通道以字節(jié)為單位傳輸信息，它可以分時地執(zhí)行多個通道程序。（如硬盤） 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學信息科學與工程學院 彭宗舉 ? (3) 虛擬設(shè)備。 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學信息科學與工程學院 彭宗舉 3) 這種分類方式可將 I/O (1) 獨占設(shè)備。 典型的塊設(shè)備是磁盤 ，每個盤塊的大小為 512 B~4 KB。 I/O 系 統(tǒng) 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學信息科學與工程學院 彭宗舉 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學信息科學與工程學院 彭宗舉 2) 可將 I/O設(shè)備分成兩類 。 第二類是 中速設(shè)備 ， 這是指其傳輸速率在每秒鐘數(shù)千個字節(jié)至數(shù)萬個字節(jié)的一類設(shè)備 。第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學信息科學與工程學院 彭宗舉 設(shè)備管理 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學信息科學與工程學院 彭宗舉 I/O的特點 頸 (1)CPU性能不等于系統(tǒng)性能 響應時間也是一個重要因素 (2)CPU性能越高，與 I/O差距越大 彌補：更多的進程 (3)進程切換多，系統(tǒng)開銷大 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學信息科學與工程學院 彭宗舉 ：資源多、雜，并發(fā)，均來自 I/O 外設(shè)種類繁多，結(jié)構(gòu)各異 輸入輸出數(shù)據(jù)信號類型不同 速度差異很大 I/O的工作過程與結(jié)構(gòu)是理解操作系統(tǒng)的工作過程與結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵 I/O技術(shù)很實用 ，特別是文件系統(tǒng) 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學信息科學與工程學院 彭宗舉 設(shè)備管理的目標和任務 1. 按照用戶的請求，控制設(shè)備的各種操作，完成 I/O設(shè)備與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)交換（包括設(shè)備分配與回收；設(shè)備驅(qū)動程序；設(shè)備中斷處理；緩沖區(qū)管理），最終完成用戶的 I/O請求 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學信息科學與工程學院 彭宗舉 功能 （ 1）設(shè)備分配與回收 記錄設(shè)備的狀態(tài) 根據(jù)用戶的請求和設(shè)備的類型，采用一定的分配算法，選擇一條數(shù)據(jù)通路 （ 2）建立統(tǒng)一的獨立于設(shè)備的接口 （ 3）完成設(shè)備驅(qū)動程序，實現(xiàn)真正的 I/O操作 （ 4）處理外部設(shè)備的中斷處理 （ 5）管理 I/O緩沖區(qū) 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學信息科學與工程學院 彭宗舉 口，使用戶擺脫繁瑣的編程負擔 ? 方便性 ? 友好界面 ? 透明性 邏輯設(shè)備與物理設(shè)備、屏蔽硬件細節(jié)（設(shè)備的物理細節(jié)，錯誤處理，不同 I/O的差異性） 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學信息科學與工程學院 彭宗舉 （通道，中斷，緩沖等）提高 CPU與設(shè)備、設(shè)備與設(shè)備之間的并行工作能力，充分利用資源，提高資源利用率 ? 并行性 ? 均衡性（使設(shè)備充分忙碌） 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學信息科學與工程學院 彭宗舉 ，當多個進程競爭使用設(shè)備時，按一定策略分配和管理各種設(shè)備，使系統(tǒng)能有條不紊的工作 設(shè)備傳送或管理的數(shù)據(jù)應該是安全的、不被破壞的、保密的 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學信息科學與工程學院 彭宗舉 6. 與設(shè)備無關(guān)性（設(shè)備獨立性） 用戶在編制程序時，使用邏輯設(shè)備名，由系統(tǒng)實現(xiàn)從邏輯設(shè)備到物理設(shè)備（實際設(shè)備）的轉(zhuǎn)換 用戶能獨立于具體物理設(shè)備而方便的使用設(shè)備 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學信息科學與工程學院 彭宗舉 用戶申請使用設(shè)備時，只需要指定設(shè)備類型，而無須指定具體物理設(shè)備，系統(tǒng)根據(jù)當前的請求，及設(shè)備分配的情況，在相同類別設(shè)備中，選擇一個空閑設(shè)備，并將其分配給一個申請進程 統(tǒng)一性： 對不同的設(shè)備采取統(tǒng)一的操作方式，在用戶程序中使用的是邏輯設(shè)備 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學信息科學與工程學院 彭宗舉 優(yōu)點： ? 設(shè)備忙碌或設(shè)備故障時，用戶不必修改程序 ? 改善了系統(tǒng)的可適應性和可擴展性 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學信息科學與工程學院 彭宗舉 第五章 設(shè)備管理 I/O系統(tǒng) I/O控制方式 緩沖管理 設(shè)備分配 設(shè)備處理 磁盤存儲器管理 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學信息科學與工程學院 彭宗舉 I/O設(shè)備（種類繁多 ) 1. I/O設(shè)備的類型 1) 按傳輸速度的高低 ， 可將 I/O設(shè)備分為三類 。 典型的中速設(shè)備有行式打印機 、 激光打印機等 。 第一類是 塊設(shè)備 (Block Device)，這類設(shè)備用于存儲信息 。 磁盤設(shè)備的基本特征是其傳輸速率較高 ， 通常每秒鐘為幾兆位；另一特征是可尋址 ， 即對它可隨機地讀 /寫任一塊；此外 ， 磁盤設(shè)備的 I/O常采用DMA方式 。 在一段時間內(nèi)只能有一個進程使用的設(shè)備，一般為低速I/O設(shè)備。 ? 在一類設(shè)備上模擬另一類設(shè)備，常用共享設(shè)備模擬獨占設(shè)備，用高速設(shè)備模擬低速設(shè)備，被模擬的設(shè)備稱為 虛設(shè)備 目的：將慢速的獨占設(shè)備改造成多個用戶可共享的設(shè)備，提高設(shè)備的利用率 （實例： SPOOLing技術(shù)，利用虛設(shè)備技術(shù) —— 用硬盤模擬輸入輸出設(shè)備） 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學信息科學與工程學院 彭宗舉 按使用特性分 存儲型設(shè)備 輸入型設(shè)備（ 外設(shè) ?主機 ） 輸出型設(shè)備（主機 ?外設(shè)） 輸入輸出型設(shè)備（交互型設(shè)備） 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學信息科學與工程學院 彭宗舉 從程序使用角度分 邏輯設(shè)備 物理設(shè)備 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學信息科學與工程學院 彭宗舉 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 緩沖 轉(zhuǎn)換器控制邏 輯信號數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)信 號線狀態(tài)信 號線控制信 號線至設(shè)備控制器I / O 設(shè)備第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學信息科學與工程學院 彭宗舉 設(shè)備控制器 是 CPU和設(shè)備之間的接口。當一個通道程序控制某臺設(shè)備傳送一個字節(jié)后，通道硬件就控制轉(zhuǎn)去執(zhí)行另一個通道程序，控制另一臺設(shè)備傳送信息 主要連接以字節(jié)為單位的低速 I/O設(shè)備。它先為一臺設(shè)備執(zhí)行一條通道指令，然后自動轉(zhuǎn)接，為另一臺設(shè)備執(zhí)行一條通道指令 主要連接高速設(shè)備 這樣，對于連接多臺磁盤機的數(shù)組多路通道，它可以啟動它們同時執(zhí)行移臂定位操作，然后，按序交叉地傳輸一批批數(shù)據(jù)。CPU接收中斷信號 ， 從 CSW中取得有關(guān)信息 ， 決定下一步做什么 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學信息科學與工程學院 彭宗舉 DMA(direct memory access)技術(shù) DMA方式與中斷的主要區(qū)別 ? 中斷方式是在數(shù)據(jù)緩沖寄存區(qū)滿后，發(fā)中斷請求，CPU進行中斷處理 DMA方式則是在所要求傳送的數(shù)據(jù)塊全部傳送結(jié)束時要求 CPU進行中斷處理 大大減少了 CPU進行中斷處理的次數(shù) ? 中斷方式的數(shù)據(jù)傳送是由 CPU控制完成的 而 DMA方式則是在 DMA控制器的控制下不經(jīng)過CPU控制完成的 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學信息科學與工程學院 彭宗舉 不用 DMA時，磁盤如何讀： 首先，控制器從磁盤驅(qū)動器串行地一位一位地讀一個塊，直到將整塊信息放入控制器的內(nèi)部緩沖區(qū)中 其次，它做和校驗計算，以核實沒有讀錯誤發(fā)生 然后控制器產(chǎn)生一個中斷。 之后不久又推出了 16位的 (EISA)總線 ， 其最高傳輸速率為 8 Mb/s， 后又升至 16 Mb/s， 能連接 12臺設(shè)備 。 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學信息科學與工程學院 彭宗舉 圖 57 程序 I/O和中斷驅(qū)動方式的流程 向 I / O 控制器發(fā)讀命 令讀 I / O 控制器的狀態(tài)檢查狀態(tài)？從 I / O 控制器中讀入 字向存儲 器中寫字傳送完成？未就緒就緒出錯C P U →I /OI /O →C P UI /O →C P UC P U → 內(nèi)存下條指 令完成未完向 I / O 控制器發(fā)讀命 令讀 I / O 控制器的狀態(tài)檢查狀態(tài)？從 I / O 控制器中讀 字向內(nèi)存中寫字傳送完成？就緒出錯C P U →I /OI /O →C P UI /O →C P UC P U → 內(nèi)存下條指 令完成未完中斷C P U 做其它 事向 I / O 控制器發(fā)布讀 塊命令C P U →D M AC P U 做其它 事讀 D MA 控制器的狀 態(tài)中斷D M A →C P U下條指 令( a ) 程序 I / O 方式 ( b ) 中斷驅(qū) 動方式( c ) D M A 方式第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學信息科學與工程學院 彭宗舉 中斷驅(qū)動 I/O控制方式 在 I/O設(shè)備輸入每個數(shù)據(jù)的過程中 ， 由于無須 CPU干預 ，因而可使 CPU與 I/O設(shè)備并行工作 。 若采用程序 I/O方式 ， CPU約有 ms的時間處于忙 —等待中 。 可見 ， DMA方式較之中斷驅(qū)動方式 ， 又是成百倍地減少了 CPU對 I/O的干預 ， 進一步提高了 CPU與 I/O設(shè)備的并行操作程度 。