【文章內(nèi)容簡介】 U工作。為進(jìn)一步減少對 CPU的干擾，引入直接存儲訪問（ Direct Memory Access）方式，其特點是： sf 2022/8/21 Device managent 30 第五節(jié) I/O控制方式 （續(xù) 1） 數(shù)據(jù)傳送單位是“塊” 直接由內(nèi)存與外設(shè)進(jìn)行交換 僅在數(shù)據(jù)塊傳送結(jié)束時，才請求 CPU干預(yù)，塊的傳送過程是在DMA控制器控制下完成的。 設(shè)置 MAR和 DC初值 啟動 DMA傳送命令 挪用存儲周期傳送數(shù)據(jù) 存儲器地址增 1，字計數(shù)器減 1 請求中斷 DC = 0 ？ 在繼續(xù)執(zhí)行程序 的同時，準(zhǔn)備一 次傳送 2022/8/21 Device managent 31 第五節(jié) I/O控制方式 由于 DMA中增加了內(nèi)存地址控制器和數(shù)據(jù)記數(shù)器， DMA單元能夠模仿處理器控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)系統(tǒng)總線從存儲器中、或向存儲器傳送數(shù)據(jù)。 DMA只能在 CPU不需要總線時才能使用總線，但更常用的技術(shù)是稱為“周期挪用技術(shù)（ cycle stealing）” —— 挪用一個總線周期。 以讀取磁盤數(shù)據(jù)為例說明： CPU 向磁盤控制器發(fā)讀命令 該命令送入命令寄存器 CR； 接收數(shù)據(jù)的內(nèi)存始址送內(nèi)存地址寄存器 MAR； 本次讀取的字節(jié)數(shù)送數(shù)據(jù)計數(shù)器 DC； 將磁盤的數(shù)據(jù)源地址送 DMA控制器的 I/O控制邏輯。 2022/8/21 Device managent 32 第五節(jié) I/O控制方式 （續(xù) 2） 啟動 DMA控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，CPU 繼續(xù)執(zhí)行其它任務(wù) 讀取數(shù)據(jù)的操作由 DMA控制器完成 DMA控制器從產(chǎn)品讀取字符，送數(shù)據(jù)寄存器 DR，再挪用一個存儲周期，將該字送 內(nèi)存地址寄存器 MAR指示的內(nèi)存單元，執(zhí)行MAR加 DC減 1操作； 再判 DC是否為 0，不為 0則繼續(xù)讀下一字節(jié) …… 若 DC=0，由 DMA控制器向 CPU發(fā)中斷請求。 數(shù)據(jù)計數(shù) 數(shù)據(jù)寄存器 地址寄存器 控制邏輯 數(shù)據(jù)線 地址線 DMA請求 DMA確認(rèn) 中斷 讀 寫 DMA邏輯 2022/8/21 Device managent 33 第五節(jié) I/O控制方式 （續(xù) 2） DMA可以按多種方式配置，如下圖： 所有模塊共享總線， DMA起代理 CPU的作用。這方式便宜，但效率低，每傳送一個字需要兩個總線周期 (傳送后跟傳送請求 )； CPU I/O DMA I/O …… 存儲器 單總線、分離的 DMA CPU I/O DMA 存儲器 I/O DMA I/O …… …… 單總線、集成的 DMAI/O 2022/8/21 Device managent 34 CPU I/O DMA 存儲器 I/O I/O I/O 系統(tǒng)總線 I/O總線 把 DMA與 I/O功能集成，可大大減少所需總線周期數(shù)目(圖 B)，除系統(tǒng)總線外，在 DMA和一個或多個 I/O模塊之間還存在通路。 DMA實際就是 I/O模塊的一部分。它們間的數(shù)據(jù)交換是脫離系統(tǒng)總線完成的。 2022/8/21 Device managent 35 第五節(jié) I/O控制方式 （續(xù) 3） 四、 I/O通道控制方式 DMA方式僅進(jìn)行塊干預(yù)，但只能處理一連續(xù)的塊，當(dāng)需要一次處理多個離散數(shù)據(jù)塊且將它們分別送不同的內(nèi)存區(qū)時，則由 CPU發(fā)多條 I/O指令以及進(jìn)行多次中斷才能完成。 I/O通道是 DMA的進(jìn)一步發(fā)展。它把對一個數(shù)據(jù)塊的干預(yù)減少為對一組數(shù)據(jù)塊的干預(yù)，并實現(xiàn) CPU、通道和外設(shè)三者的并行工作。進(jìn)一步提高整個系統(tǒng)資源利用率 “通道”是一個專用 CPU，有獨立的指令系統(tǒng)，沒有獨立內(nèi)存，通過“挪用周期”獲取總線使用權(quán)來訪問內(nèi)存。 2022/8/21 Device managent 36 第五節(jié) I/O控制方式 通道類型 字節(jié)多路通道： 以字節(jié)為單位傳送信息。 以分時共享方式工作，效率高。 適合低速設(shè)備。 數(shù)據(jù)選擇通道： 以數(shù)據(jù)塊為單位傳送，傳送速度高。 整個傳送過程以獨占方式工作，通道使用效率低。 適合中、高速設(shè)備。 數(shù)組多路通道： 以分時方式鐵時執(zhí)行多個通道程序，每執(zhí)行完一個，就轉(zhuǎn)向另一個。每條通道指令可傳送一組數(shù)據(jù)。具有數(shù)據(jù)選擇通道傳輸速率較高的優(yōu)點、同時有具備字節(jié)多路通道同時管理多臺設(shè)備的品質(zhì)。 適合傳送速度介于二者間的設(shè)備，如磁帶等。 2022/8/21 Device managent 37 第五節(jié) I/O控制方式 （ 通道通過執(zhí)行通道程序，并與設(shè)備控制器共同實現(xiàn)對 I/O設(shè)備的控制。 通道程序由一系列通道指令構(gòu)成。它由系統(tǒng)中的輸入輸出進(jìn)程根據(jù)用戶進(jìn)程的 I/O請求來確定。通道程序是 CPU按數(shù)據(jù)傳送的要求自動形成的。 HOST中 CPU生成的通道程序放在內(nèi)存中稱為“通道地址字”的固定單元。 微機(jī)中，通道程序放在 CPU與外設(shè)的通信區(qū)中 通道指令與一般指令不同，它的每條指令包含： 操作碼 內(nèi)存地址 計數(shù) 通道程序結(jié)束位 記錄結(jié)束標(biāo)志 2022/8/21 Device managent 38 第五節(jié) I/O控制方式 通道指令和通道程序 每個通道都有一組它能執(zhí)行的指令。通道指令（ 或稱通道控制字 CCW） 的一種格式是： OP P R 信息交換數(shù)量 內(nèi)存地址 OP：操作碼。有讀、寫、控制三種操作。 信息交換數(shù)量：控制內(nèi)存與外設(shè)的數(shù)據(jù)交換量。 內(nèi)存地址：進(jìn)行讀、寫操作時的內(nèi)存起始地址。 P：通道程序結(jié)束標(biāo)志。 P為 1是通道程序最后一條指令。 R：結(jié)束標(biāo)志。 R為 0表示本通道指令與下一條通道指令處理同一條記錄。R=1表示本通道指令處理的記錄結(jié)束，下條通道指令處理的是下一條記錄。 2022/8/21 Device managent 39 第五節(jié) I/O控制方式 下面顯示 6條通道指令構(gòu)成的通道程序。該程序的功能是將內(nèi)存中不同地址的數(shù)據(jù)寫成多個記錄。其中前 3條指令將 813~892單元的 80個字符、1034~1173單元的 140個字符、 5830~5889單元的 60個字符寫成一條記錄。 第四條指令寫一條 300個字符的記錄。 第 6條指令共寫 500個字符的記錄。 操作 P R 計數(shù) 內(nèi)存地址 Write 0 0 80 813 Write 0 0 140 1034 Write 0 1 60 5830 Write 0 1 300 2022 Write 0 0 250 1850 Write 1 1 250 720 2022/8/21 Device managent 40 第六節(jié) 緩沖管理 現(xiàn)代操作系統(tǒng)，幾乎所有 I/O設(shè)備與 CPU交換數(shù)據(jù)時都采用緩沖區(qū)，也提高 I/O速度和設(shè)備利用率。緩沖管理的目的是組織、有效的使用緩沖區(qū)，提供獲得和釋放緩沖區(qū)的手段。 一、緩沖概念 在 OS中引入緩沖可： 緩和 CPU與 I/O設(shè)備速度失配。 引入通道可提高 CPU、通道、 I/O設(shè)備的并行性，但往往由于通道數(shù)量的不足而引發(fā)“瓶頸”現(xiàn)象。引入緩沖技術(shù)可使瓶頸現(xiàn)象得到緩和。 減少 CPU中斷頻率，放寬對中斷響應(yīng)時間的限制 若遠(yuǎn)地發(fā)來數(shù)據(jù)僅用一位緩沖接收，則收到一位數(shù)據(jù)便中斷 CPU一次，并且要在下一位數(shù)據(jù)到來前取走數(shù)據(jù)，否則丟失。若設(shè) 16位緩沖，則中斷次數(shù)降為 1/16，而中斷處理時間也可大大放寬。 2022/8/21 Device managent 41 第六節(jié) 緩沖管理 有利于共享，減少外設(shè)訪問次數(shù) 進(jìn)程訪問設(shè)備時，將申請建立緩沖區(qū)，若該設(shè)備建的緩沖區(qū)隊列中已有申請的內(nèi)容，即可共享。 進(jìn)行塊交換的進(jìn)程，并不完全需要使用整塊的全部數(shù)據(jù)，有了緩沖區(qū)后，可在緩沖區(qū)中進(jìn)行選擇。 除關(guān)鍵位置設(shè)置少量硬件緩沖外，大都采用軟緩沖方式。即在內(nèi)存中劃出有 n個單元的區(qū)域當(dāng)作緩沖器，并設(shè)置輸入指針、輸出指針以便操作。 二、單緩沖 一個用戶進(jìn)程發(fā)出一 I/O請求時， OS在主存儲中為其分配一緩沖區(qū)。塊設(shè)備分配一個容納塊大小的緩沖區(qū)；字符設(shè)備 (面向流的設(shè)備 )分配容納一行的緩沖區(qū)。 2022/8/21 Device managent 42 第六節(jié) 緩沖管理 OS提供的最簡單類型是單緩沖區(qū)，當(dāng)用戶進(jìn)程發(fā)出 I/O請求時，OS在內(nèi)存系統(tǒng)區(qū)中分配一個緩存。 對于塊設(shè)備：當(dāng)輸入傳送到系統(tǒng)緩沖區(qū)，傳送完成后進(jìn)程把該塊取到用戶空間，并立即申請另一塊。 在讀入下一塊的過程中，就可以處理移入用戶區(qū)的數(shù)據(jù)塊。從而比無緩沖區(qū)的 OS迸發(fā)的程度高。 設(shè)：從外設(shè)輸入一個塊到緩沖區(qū)的時間是 T， 將塊移到用戶區(qū)的時間是 M， 進(jìn)行計算的時間是 C。則： 如果沒有緩沖區(qū)，處理一個塊的時間是 C+T 單緩沖時，每個塊的數(shù)據(jù)處理時間是： max(C,T)+M 而 MT或 C由此可見單緩沖提高了速度和效率。 對于字符設(shè)備 (面向流的系統(tǒng) )：緩沖區(qū)存儲一行數(shù)據(jù)，當(dāng)?shù)却恍袛?shù)據(jù)讀入時，進(jìn)程被掛起。輸出時，進(jìn)程將一行放入緩沖區(qū)后，即可繼續(xù)運(yùn)算處理。 讀卡機(jī) 打印機(jī) 300張 300行 2022/8/21 Device managent 43 第六節(jié) 緩沖管理 （續(xù) 1） 采用單緩沖技術(shù)，必須保證設(shè)備的速度與 CPU的速度匹配。如上圖，若字符設(shè)備的速度比 CPU輸出速度慢，當(dāng)字符設(shè)備想輸出第二行字符時，由于第一行尚未輸出完畢，用戶進(jìn)程只好等待。 三、雙緩沖 為了加快輸入輸出速度和提高設(shè)備利用率，引入雙緩技術(shù)。 對面向塊的傳送，可估算執(zhí)行時間為 max(c,T)。如果 c=T，可使塊設(shè)備全速進(jìn)行。如果 CT，雙緩沖可保證進(jìn)程不等待I/O。 對于面向流的輸入，對每次傳送一行的 I/O，進(jìn)程不會被掛起；對字節(jié)的 I/O操作雙緩沖與具有兩倍長度的單緩沖相比，情況相似。 2022/8/21 Device managent 44 用戶進(jìn)程 緩沖區(qū) 1 緩沖區(qū) 2 輸出設(shè)備 操作系統(tǒng) 用戶進(jìn)程 緩沖區(qū) 輸出設(shè)備 操作系統(tǒng) 單緩沖 雙緩沖 2022/8/21 Device managent 45 第六節(jié) 緩沖管理 四、循環(huán)緩沖 當(dāng)輸入、輸出或生產(chǎn)者 — 消費(fèi)者的速度匹配時，采用雙緩沖技術(shù)能取得較好效果，但兩者速度相差太遠(yuǎn)時使用多緩沖方式并形成循環(huán)緩沖為好。 循環(huán)緩沖中，由多個緩沖區(qū)鏈接成一個循環(huán)，每個緩沖有三種情況： 空閑緩沖區(qū) 已裝滿數(shù)據(jù)的緩沖區(qū) 當(dāng)前正在處理的緩沖區(qū) 實現(xiàn)時，系統(tǒng)要設(shè)置三個指針： NextG:指向一個裝滿數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，供用戶使用； NextI:指向一個空閑緩沖區(qū)，供生產(chǎn)進(jìn)程使用； Current:指向當(dāng)前正在使用的緩沖區(qū)。 NextG Current NextI 2022/8/21 Device managent 46 第六節(jié) 緩沖管理 系統(tǒng)提供兩個過程 GetBuf和 ReleaseBuf： 調(diào)用 GetBuf 當(dāng)生產(chǎn)者進(jìn)程要使用空閑緩沖區(qū)時，調(diào)用 GetBuf過程，該過程： 將 NextI 指向的空閑緩沖區(qū)，供生產(chǎn)進(jìn)程使用， 將 Current指針指向它，