【正文】 2023/1/2811二、主機(jī)系統(tǒng)輸入輸出結(jié)構(gòu)在一臺(tái)通用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，通過輸入輸出控制系統(tǒng)完成外圍設(shè)備與主存儲(chǔ)器之間的信息傳送。n 共享設(shè)備 :這類設(shè)備通常指磁盤這類直接存取設(shè)備，很容易被多個(gè)用戶所共享。例如實(shí)時(shí)測控系統(tǒng)中的各種 A/D、 D/A轉(zhuǎn)換器，圖像處理系統(tǒng)中的圖像設(shè)備， CAD系統(tǒng)所需的專用設(shè)備等。 216?！癯诉M(jìn)行實(shí)際 I/O操作的設(shè)備之外，也包括了諸如設(shè)備控制器、 DMA控制器、中斷控制器、 I/O處理機(jī)等支持設(shè)備。 216。2．設(shè)備中的數(shù)據(jù)組織方式分類2023/1/286n 存儲(chǔ)設(shè)備：磁帶、磁盤（軟盤、硬盤）、光盤、其它（磁鼓等）。4．按資源分配的角度分類2023/1/288n 為將慢速的獨(dú)占設(shè)備改造成多個(gè)用戶可共享的設(shè)備，以提高設(shè)備的利用率，可借助于假脫機(jī)技術(shù)（ Spooling）。 2023/1/2812 2023/1/2813 三 .設(shè)備控制器設(shè)備控制器是 CPU與 I/O設(shè)備的接口(1)作用：接收從 CPU發(fā)來的命令，控制 I/O設(shè)備工作。有用作數(shù)據(jù)緩沖的數(shù)據(jù)寄存器；有用作保存設(shè)備狀態(tài)信息供CPU對外部設(shè)備進(jìn)行測試的狀態(tài)寄存器；還有用來保存 CPU發(fā)出的命令以及各種參數(shù)的命令寄存器。n 所謂統(tǒng)一，是指對不同設(shè)備盡量能有統(tǒng)一的操作方式。因此，操作系統(tǒng)的設(shè)備管理軟件應(yīng)具有這樣的功能：根據(jù)用戶提出的 I/O要求，生成相應(yīng)的通道程序并提交給通道，然后用專門的通道指令啟動(dòng)通道對指定設(shè)備進(jìn)行 I/O操作，并能響應(yīng)通道的中斷請求。n CPU執(zhí)行完一條指令后就測試狀態(tài)位，如果為 1，就把數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)取到內(nèi)存；若狀態(tài)位為 0，則再測試，直到狀態(tài)寄存器的狀態(tài)位為 1，然后再讀取數(shù)據(jù)。所以中斷方式比查詢方式節(jié)省 CPU的時(shí)間。n 是指對 I/O設(shè)備的控制由 DMA控制器完成，在DMA控制器的作用下，設(shè)備和主存之間可以成批地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而不用 CPU的干涉。2023/1/2837n DMA方式有以下四個(gè)特點(diǎn)：（ 1）它是高速外圍設(shè)備與內(nèi)存之間成批量的數(shù)據(jù)傳輸，但是不對數(shù)據(jù)再做加工處理， I/O操作類型簡單；（ 2）它需要使用一個(gè)專門的硬件 DMA控制器（DMAC）。它不僅要求數(shù)據(jù)傳送獨(dú)立于 CPU， 而且要求 I/O操作的組織、管理、結(jié)束等也盡量獨(dú)立，以保證 CPU有更多的時(shí)間從事計(jì)算。n 由于字節(jié)通道的速度較高，而所連接的主要是低速I/O設(shè)備，因此，一個(gè)字節(jié)通道可以連接很多這樣的低速設(shè)備。它具有多個(gè)非分配型子通道，每個(gè)子通道連接一臺(tái)中、高速 I/O設(shè)備，如：磁帶、磁鼓、磁盤等，因而通道所連接的幾個(gè)設(shè)備可以并行工作。n CCW一般有讀、寫、查詢、控制和轉(zhuǎn)移等功能。圖給出了 IBM通道命令字的格式。n 對于非 DMA傳送，需要 CPU實(shí)際去完成數(shù)據(jù)傳送。n 凡是數(shù)據(jù)到達(dá)和離去速度不匹配的地方均可采用緩沖技術(shù)。2023/1/2863n 如果有兩個(gè)緩沖區(qū)，就可以先讀入一部分?jǐn)?shù)據(jù)到緩沖區(qū) 1，裝滿后在打印緩沖區(qū) 1中的數(shù)據(jù)的同時(shí)，便向緩沖區(qū) 2中讀入另一部分?jǐn)?shù)據(jù)。n 另外，根據(jù)設(shè)置緩沖區(qū)的從屬關(guān)系，還可以分為專用緩沖區(qū)和緩沖池。n ISA槽是一個(gè)黑色的 62＋ 36線插槽。n AGP使用 32位數(shù)據(jù)總線，工作頻率為n AGP 1x的數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá) 266MB/s， AGP 2x在一個(gè)時(shí)鐘周期的上升沿和下降沿各傳輸一次資料，其數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)到 533MB／ s，而 AGP 4x的理論傳輸率為 ／ s。當(dāng) USB設(shè)備收到這些數(shù)據(jù)和命令后將按照先進(jìn)先出的原則按隊(duì)列方式處理到達(dá)的數(shù)據(jù)（ 4）批傳輸方式 用來傳輸要求正確無誤的數(shù)據(jù)。因此在系統(tǒng)中要正確地對它們進(jìn)行配置和資源匹配；當(dāng)設(shè)備撤除、添置和進(jìn)行系統(tǒng)升級時(shí)，配置過程往往是一個(gè)困難的過程PnP技術(shù)的產(chǎn)生2023/1/2891（ 1）支持 I/O設(shè)備及部件的自動(dòng)配置，使用戶能夠簡單方便地使用系統(tǒng)擴(kuò)充設(shè)備（ 2）減少由制造商裝入的種種用戶支持和限制，簡化部件的硬件跳接設(shè)置，使 I/O附加卡和部件不再具有人工跳接線設(shè)置電路PnP技術(shù)的特點(diǎn)2023/1/2892 （ 3）在主機(jī)板和附加卡上保存系統(tǒng)資源的配置參數(shù)和分配狀態(tài)，有利于系統(tǒng)對整個(gè) I/O資源的分配和控制 （ 4）支持和兼容各種操作系統(tǒng)平臺(tái)，具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性和可移植性。大多數(shù)低速設(shè)備如：打印機(jī)、繪圖儀等均屬此類設(shè)備。尤其是獨(dú)占設(shè)備，它本身的性質(zhì)已是構(gòu)成死鎖的必要條件之一，所以在考慮獨(dú)占設(shè)備的分配算法時(shí)，應(yīng)結(jié)合有關(guān)的防止死鎖和避免死鎖的算法?！衩總€(gè)盤面上有許多磁道，從 0開始按由外向里的次序順序編號(hào)，不同盤面上具有相同編號(hào)的磁道在同一個(gè)柱面上，把盤面上的磁道號(hào)稱為 “柱面號(hào) ”。（ Seek） 延遲時(shí)間 (Delay)—— 指定扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭下所需的時(shí)間。n 根據(jù)這三個(gè)方面，當(dāng)前使用比較普遍的查找操作的策略有如下四種：（ 2）磁盤查找操作的調(diào)度策略2023/1/28109n 各進(jìn)程對磁盤請求的等待隊(duì)列按提出請求的時(shí)間進(jìn)行排序，并按次序給予服務(wù)。此策略可以得到比較好的吞吐量和較低的平均響應(yīng)時(shí)間。因而縮短了為各請求訪問者服務(wù)的平均時(shí)間，也就提高了系統(tǒng)效率。 n 并且具有最短查找時(shí)間優(yōu)先策略地優(yōu)點(diǎn)，即吞吐量比較大，平均響應(yīng)時(shí)間較小，但是由于是擺動(dòng)式的掃描方法，兩側(cè)磁道被訪問的頻率仍然低于中間磁道，比最短查找時(shí)間優(yōu)先策略要好多了。在中等以上的負(fù)荷情況下，循環(huán)掃描策略則產(chǎn)生最好的結(jié)果。 總的臂移動(dòng)量為： (53 – 14） + （ 183 – 14） = 208（ 2） 移動(dòng)臂是向里移的。：比單向掃描調(diào)度算法效率高，調(diào)度算法也相對合理。2023/1/28130●用共享設(shè)備模擬獨(dú)占設(shè)備的動(dòng)作，使獨(dú)占型設(shè)備成為共享設(shè)備。 （ 3）由于實(shí)際打印由 Spooling系統(tǒng)調(diào)度，依次完成，這樣，打印機(jī)的效率就提高了，從而整個(gè)系統(tǒng)的效率也提高了。1．設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)2023/1/28138n 系統(tǒng)設(shè)備表是系統(tǒng)范圍的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它記錄了系統(tǒng)中所擁有的全部 I/O設(shè)備，每一設(shè)備一個(gè)表目，每個(gè)表目又包括若干項(xiàng)。當(dāng)某進(jìn)程提出 I/O請求時(shí)，系統(tǒng)除了為該進(jìn)程分配設(shè)備外，還須同時(shí)分配相應(yīng)的通道和控制器。該隊(duì)列的隊(duì)首和隊(duì)尾指針分別指向其隊(duì)首和隊(duì)尾。2023/1/28151為使系統(tǒng)正常的工作，系統(tǒng)必須具有合理的設(shè)備分配原則，一般與下述的四個(gè)因素有關(guān)：●I/O設(shè)備的固有屬性，即該設(shè)備是適于某進(jìn)程獨(dú)占還是可供多個(gè)進(jìn)程共享；●系統(tǒng)采用的分配算法，是采用先請求先分配方式，還是按優(yōu)先級最高者優(yōu)先的方式；●設(shè)備分配中的安全性，不合理的設(shè)備分配有可能導(dǎo)致死鎖的發(fā)生；●與設(shè)備的無關(guān)性，用戶程序與實(shí)際使用的物理設(shè)備無關(guān)。同樣，當(dāng)進(jìn)程 B提出使用讀卡機(jī)請求時(shí)，又因?yàn)樽x卡機(jī)已被進(jìn)程 A占用，進(jìn)程 B也被阻塞， 此時(shí)，進(jìn)程 A和 B都指望對方釋放出自己需要的資源，但兩者都不能釋放自己的占有資源而使兩者都不能繼續(xù)運(yùn)行，于是發(fā)生了死鎖現(xiàn)象。2）能適應(yīng)多用戶多進(jìn)程的需要，系統(tǒng)可根據(jù)設(shè)備的忙閑情況合理調(diào)整邏輯設(shè)備名與物理設(shè)備名之間的連接情況。2023/1/28159n 許多微機(jī)并不設(shè)置通道，在這種情況下， CPU啟動(dòng) I/O是調(diào)用相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和 I/O處理程序，由 CPU直接向 I/O設(shè)備發(fā)出指令，控制設(shè)備來完成實(shí)際的 I/O操作。4）提供服務(wù)，使設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)盡可能地簡單，并且允許用高級語言編寫驅(qū)動(dòng)程序。即用戶程序所發(fā)出的 I/O操作函數(shù)，調(diào)用它實(shí)現(xiàn) I/O操作。2023/1/28168n 大部分 I/O操作并不會(huì)涉及所有的組件，一個(gè)典型的 I/O操作從應(yīng)用程序調(diào)用一個(gè)與 I/O操作有關(guān)的函數(shù)開始，通常會(huì)涉及 I/O管理、一個(gè)或多個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序以及硬件抽象層。通過在 I/O管理器中合并公共的任務(wù)，單個(gè)的驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒆兊酶雍啙嵑途o湊。I/O系統(tǒng)是包驅(qū)動(dòng)的，大多數(shù) I/O請求用 “I/O請求包（ IRP） ”來表示，它從一個(gè) I/O系統(tǒng)組件移動(dòng)到另一個(gè) I/O系統(tǒng)組件。2023/1/28167n 電源管理器：通過與 I/O管理器的協(xié)同工作來檢測整個(gè)系統(tǒng)和單個(gè)硬件設(shè)備，完成不同電源狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。8） 允許整個(gè)系統(tǒng)或單個(gè)硬件設(shè)備進(jìn)入和離開低功耗狀態(tài)，這樣可以節(jié)約能源。在用戶函數(shù)和實(shí)際的 I/O硬件之間有幾個(gè)分立的系統(tǒng)組件，包括文件系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序、過濾器驅(qū)動(dòng)程序和低層設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。設(shè)備分配的具體流程如圖 412所示。n 邏輯設(shè)備是實(shí)際物理設(shè)備屬性的抽象，它并不局限于某個(gè)具體設(shè)備。這種方法具有程序的編址較為方便和設(shè)備分配比較安全的優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是進(jìn)程進(jìn)展比較緩慢。與設(shè)備控制表的表目類似，不再重復(fù)。為提高 I/O系統(tǒng)的靈活性和可靠性，不少系統(tǒng)在 I/O設(shè)備和內(nèi)存之間都配置了多條通道，此時(shí)該表目中應(yīng)填上相應(yīng)的多個(gè)控制器表的首址。2023/1/28141 系統(tǒng)中每一設(shè)備都設(shè)置一張用以記錄本設(shè)備情況的設(shè)備控制表，該表的具體內(nèi)容如下圖 49所示。n 為確保 CPU和設(shè)備之間能進(jìn)行通訊，還應(yīng)分配相應(yīng)的控制器和通道。3．虛擬設(shè)備和 Spooling系統(tǒng)2023/1/28131要輸入的作業(yè) 結(jié)果信息 作業(yè)執(zhí)行 CPU 預(yù)輸入程序 緩輸出程序 輸入井 輸出井 硬盤作業(yè)圖 47 假脫機(jī)系統(tǒng)輸入輸出的工作原理 2023/1/28132n 通過預(yù)輸入程序把作業(yè)信息送到輸入井中，當(dāng)作業(yè)被選中執(zhí)行時(shí)，直接從輸入井中讀取信息，與讀卡機(jī)是脫離的；作業(yè)執(zhí)行的結(jié)果先放在輸出井中，待作業(yè)執(zhí)行執(zhí)行結(jié)束后由緩輸出程序?qū)⒆鳂I(yè)結(jié)果打印輸出。（ 3）磁盤旋轉(zhuǎn)優(yōu)化策略2023/1/28129n 在選擇請求隊(duì)列中，對同一柱面上各磁道的扇區(qū)按磁頭到達(dá)的先后順序進(jìn)行排序，首先訪問最近的扇區(qū)， n 然后根據(jù)順序進(jìn)行訪問，直到本柱面的所有請求扇區(qū)都訪問過。所以，在處理過程中，除了先來先服務(wù)算法外，其他的算法一般都需要對需要存取得磁筒進(jìn)行排序，以便進(jìn)行判斷，而且不會(huì)漏掉。在這種情況下，沿電梯運(yùn)動(dòng)方向總是先把乘客 C帶到 15層，然后把乘客 B帶到底層，最后再把乘客 A送到 10層。4） N步掃描和循環(huán)掃描策略：2023/1/28121n 循環(huán)掃描策略與掃描策略的不同之處在于循環(huán)掃描是單向反復(fù)地掃描。 2023/1/28116n 其目的是克服最短查找時(shí)間優(yōu)先策略的缺點(diǎn)。隨后應(yīng)處理 37號(hào)柱面的請求（它與 67號(hào)柱面相距 30個(gè)柱面）而不是 98號(hào)柱面的請求（它與 67號(hào)柱面相距 31個(gè)柱面），后繼操作的次序應(yīng)該是 14， 98， 122， 124， 其相應(yīng)的臂的總移動(dòng)量為：（ 9853） +（ 18398） +（ 18337） +（ 12237） +（ 12214） +（ 12414） +（ 12465） +（ 6765）=45 + 85+146+85+108+110+59+2 = 496+144=640 2023/1/2811198， 183， 37， 122， 14， 124， 65， 67 2023/1/28112n 當(dāng)用戶提出的訪問請求比較均勻地遍布整個(gè)盤面，而不是集中某部分時(shí)，先來先服務(wù)策略導(dǎo)致了隨機(jī)訪問模式，在這種策略下無法對訪問進(jìn)行優(yōu)化。2023/1/28105 2023/1/28106● 各磁盤塊的編號(hào)按柱面順序（從 0號(hào)柱面開始），每個(gè)柱面按磁道順序，每個(gè)磁道又按扇區(qū)順序進(jìn)行排序?！褚_定一個(gè)塊所在的位置必須給出三個(gè)參數(shù)：柱面號(hào)、磁頭號(hào)、扇區(qū)號(hào)。n （ 1）磁盤的結(jié)構(gòu)u 磁盤機(jī)是一種高速、大容量、旋轉(zhuǎn)型的存儲(chǔ)設(shè)備，它能把信息記錄在盤片上，也能把盤片上的信息讀出。n 設(shè)備類型不同，設(shè)備的分配策略也不同。n 最后還必須考慮系統(tǒng)的安全性，設(shè)備分配不能導(dǎo)致死鎖現(xiàn)象的發(fā)生。n IDE接口價(jià)格低廉，兼容性好，主板的 BIOS能 夠 支持，使用方便， 長 期以來的不斷改 進(jìn)，使其性能也有了 長 足的 進(jìn) 步， 傳輸 速率 現(xiàn)已達(dá)到 66MB/S。2023/1/2879USB（ Universal Serial Bus） 通用串行總線n 一種連接 I/O串行設(shè)備的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)n USB是以 Intel為主并有 Compaq、 MicroSoft、 IBM、 DEC、 NEC、 Northern Tele7家公司共同制定的串行接口規(guī)格。n PCI有 32位和 64位兩種， 32位 PCI槽 124線，64位槽 188線，目前常用的是 32位插槽。 2023/1/2868n 當(dāng)某進(jìn)程需要使用緩沖區(qū)時(shí)，提出申請，由管理程序分配給它，用完后，釋放緩沖區(qū)。由于 CPU的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于輸入和輸出的速度，而使 CPU經(jīng)常處于等待狀態(tài)。即在操作系統(tǒng)的管理下，在內(nèi)存中劃出若干個(gè)單元作為緩沖區(qū)。一些小型機(jī)和絕大多數(shù)微型機(jī)都是以 CPU直接控制設(shè)備接口和設(shè)備控制器以查詢、中斷或 DMA方式完成 I/O操作，以降低系統(tǒng)造價(jià)。當(dāng)通道中沒有存儲(chǔ)部件時(shí)，就存放在內(nèi)存儲(chǔ)器里。其執(zhí)行過程如圖 46所示。n 存在這三種通道的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各硬件的連接關(guān)系如圖 45所示。一旦分