【正文】 3）充分利用各種技術（ 通道，中斷，緩沖，異步 I/O等）提高 CPU與設備、設備與設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（使設備充分忙碌） 設備管理的目標和任務（續(xù) 3） （ 4）保護 設備傳送或管理的數(shù)據應該是安全的、不被破壞的、保密的 設備管理的目標和任務（續(xù) 4） I／ O設備一般由機械和電子兩部分組成 把這兩部分分開處理，以提供更加模塊化，更加通用的設計 二、 I/O硬件特點 設備組成（續(xù) 1） （ 1）物理設備 機械部分是設備本身（物理裝置） （ 2）設備控制器 ? 電子部分叫做設備控制器或適配器 ? 完成設備與主機間的連接和通信 ? 在小型和微型機中，它常采用印刷電路卡插入計算機主板上的總線插槽 ? 通過若干接口寄存器或接口緩沖區(qū)與 CPU通信 設備組成（續(xù) 2） 電子部分完成的工作 ?（端口）地址譯碼 ?按照主機與設備之間約定的格式和過程 ?接受計算機發(fā)來的數(shù)據和控制信號 ?向主機發(fā)送數(shù)據和狀態(tài)信號 ?將計算機的數(shù)字信號轉換成機械部分能識別的模擬信號，或反之 ?實現(xiàn)設備內部硬件緩沖、數(shù)據加工等提高性能或增強功能 操作系統(tǒng)將命令寫入控制器的接口寄存器（或接口緩沖區(qū)）中，以實現(xiàn)輸入／輸出，并從接口寄存器讀取狀態(tài)信息或結果信息 例如： IBM PC的軟盤控制器可接收 15條命令， READ、WRITE、 FORMAT、 SEEK、 RECALIBRATE，命令可以帶參數(shù)，它們被一起送入控制器的寄存器中 當控制器接受一條命令后，可獨立于 CPU完成指定操作， CPU可以轉去執(zhí)行其它運算。然而，實際從驅動器出來的卻是一連串的位流，以一個頭標（ preamble）開始，然后是一個扇區(qū)的 4096位（ 512 8），最后是檢查和或錯誤校驗碼（ Error— C一 C： ECC）。設備驅動程序負責釋放這些命令，并監(jiān)督它們正確執(zhí)行 設備驅動程序（續(xù) 1） 一般，設備驅動程序的任務是接收來自與設備無關的上層軟件的抽象請求，并執(zhí)行這個請求 在設備驅動程序的進程釋放一條或多條命令后，系統(tǒng)有兩種處理方式，多數(shù)情況下，執(zhí)行設備驅動程序的進程必須等待命令完成，這樣，在命令開始執(zhí)行后，它阻塞自已，直到中斷處理時將它解除阻塞為止。向較高層軟件掩蓋這一事實并提供大小統(tǒng)一的塊尺寸，這正是設備獨立軟件的一個任務。 可以執(zhí)行通道程序 （ 2）引入通道的目的 為了使 CPU從 I/O事務中解脫出來，同時為了提高 CPU與設備，設備與設備之間的并行工作能力 ? 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。數(shù)據多路通道實際上是對通道程序采用多道程序設計的硬件實現(xiàn) （ 4）硬件連接結構 通道： 執(zhí)行通道程序，向控制器發(fā)出命令，并具有向 CPU發(fā)中斷信號的功能。CPU接收中斷信號 ， 從 CSW中取得有關信息 ， 決定下一步做什么 通道工作原理（續(xù) 6） 通道的發(fā)展 ? 新的通道思想綜合了許多新的技術 ? 在個人計算機中，芯片組中專門 I/O處理的芯片，稱為IOP（ IO Processor），發(fā)揮通道的作用 ? IBM 390 中，沿用了輸入輸出通道概念 IBM于 1998年推出光纖通道技術（稱為 FICON），可通過 FICON 連接多達 127個大容量 I/O設備。當操作系統(tǒng)開始運行時，它重復地從控制器緩沖區(qū)中一次一個字節(jié)或一個字地讀這個磁盤塊的信息，并將其送入內存中 DMA技術 ? 數(shù)據在內存與 I/O設備間的直接成塊傳送 ? CPU在開始時向設備發(fā)“傳送一塊”命令，結束時進行相應處理，實際操作由 DMA硬件直接完成 ? DMA的功能可以以獨立的 DMA部件在系統(tǒng) I/O總線上完成，也可整合到 I/O部件中完成 ? DMA通過系統(tǒng)總線代替 CPU管理數(shù)據的存入或取出 ? 當 CPU不需要系統(tǒng)總線時可以使用總線 ? DMA可以強迫 CPU暫時延遲其他操作，獲取一個總線周期（周期竊?。? ? 不需要 CPU介入，因而減輕了 CPU負擔 控制器按照指定存儲器地址，把第一個字節(jié)送入內存 然后，按指定字節(jié)數(shù)進行數(shù)據傳送 每當傳送一個字節(jié)后，字節(jié)計數(shù)器值減 1，直到字節(jié)計數(shù)器等于 0 此時，控制器引發(fā)中斷，通知操作系統(tǒng)，操作完成 CPU提供 待讀取塊的磁盤地址 目標存儲地址 待讀取字節(jié)數(shù) 整塊數(shù)據讀進緩沖區(qū) 核準校驗 DMA工作示例 （以硬盤為例） （ 1）緩沖技術的引入 最早引入： CPU與 I/O設備之間 凡是數(shù)據到達和離去速度不匹配的地方均可采用緩沖技術 目的： ? 緩解 CPU與 I/O設備之間速度不匹配的矛盾 ? 提高 CPU與 I/O設備之間的并行性 ? 減少了 I/O設備對 CPU的中斷請求次數(shù)，放寬CPU對中斷響應時間的要求 4. 緩沖技術 （ 2）緩沖區(qū)設置 硬緩沖： 在設備中設置緩沖區(qū)，由硬件實現(xiàn) 軟緩沖： 在內存中開辟一個空間，用作緩沖區(qū) 緩沖技術（續(xù) 1） （ 3）緩沖區(qū)管理 單緩沖 當用戶進程發(fā)出 I/O請求時，操作系統(tǒng)在內存的系統(tǒng)空間為該操作分配一個緩沖區(qū)，可以實現(xiàn)預讀和滯后寫 雙緩沖 可以實現(xiàn)用戶數(shù)據區(qū) — 緩沖區(qū)之間交換數(shù)據和緩沖區(qū) — 外設之間交換數(shù)據的并行 緩沖技術（續(xù) 2） 緩沖池： 又稱 循環(huán)緩沖 多個緩沖區(qū)連接起來統(tǒng)一管理 引入系統(tǒng)緩沖池，采用有限緩沖區(qū)的生產者 /消費者模型對緩沖池中的緩沖區(qū)進行循環(huán)使用 常采用多緩沖管理 緩沖區(qū)結合預讀和滯后寫技術對具有重復性及陣發(fā)性 I/O進程、提高 I/O速度很有幫助 緩沖技術（續(xù) 3） （ 4）例子 終端輸入軟件中的鍵盤驅動程序 任務之一：收集字符 兩種常見的字符緩沖方法： ? 公共緩沖池（驅動程序中） ? 終端數(shù)據結構緩沖 緩沖技術（續(xù) 4） 終端 數(shù)據結構 公共 緩沖池 終端 0 1 2 3 終端 數(shù)據結構 終端 0 1 終端 0 的緩沖區(qū) 終端 1 的緩沖區(qū) 公共緩沖池 終端固定緩沖區(qū) 緩沖技術（續(xù) 5） 緩沖技術（續(xù) 6） （ 5） UNIX的緩沖技術 ? 采用緩沖池技術，來平滑和加快文件信息從內存到磁盤的傳輸 ? 并充分利用以前從磁盤讀入已傳入用戶區(qū)、但仍在緩沖區(qū)的數(shù)據 即：當從磁盤上讀數(shù)據時，如果數(shù)據已經在緩沖區(qū)中，則系統(tǒng)直接從緩沖區(qū)中讀出，而不必從盤上讀；當數(shù)據不在緩沖區(qū)時，系統(tǒng)首先把數(shù)據從磁盤傳送到緩沖區(qū)，再從緩沖區(qū)讀出 好處：盡可能減少磁盤 I/O的次數(shù)，提高系統(tǒng)運行的速度 緩沖技術（續(xù) 7） UNIX System Ⅴ