【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 （ 2）向設(shè)備控制器發(fā)出一條 I/O指令 （ 3） CPU不斷地循環(huán)測(cè)試 busy位，如果 busy=1，說(shuō)明 I/O設(shè)備忙，CPU再進(jìn)行下一輪檢測(cè)； 如果 busy=0，說(shuō)明 I/O操作結(jié)束， CPU執(zhí)行下一條指令 。 （ 4） CPU將數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)送入內(nèi)存指定 單元重復(fù) 以上步驟，直到所有數(shù)據(jù)輸入完畢 對(duì) I/O設(shè)備的控制方式 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(chǔ)器 中寫字 傳送完成 CPU→I/O I/O→CPU 出錯(cuò) I/O→CPU CPU→I/O 完成 未完 未就緒 就緒 缺點(diǎn)： ① CPU將大量的時(shí)間花費(fèi)在循環(huán)等待上， CPU效率極差 ② 外設(shè)不能合理利用 ③ 整個(gè)系統(tǒng)的效率很低 ④ 現(xiàn)在已較少使用這種方式 作為 I/O的數(shù)據(jù)傳輸控制 對(duì) I/O設(shè)備的控制方式 I/O控制方式（中斷可編程 I/O方式） ? 中斷 ： 在執(zhí)行期間，系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生任何非尋常的或非預(yù)期的急需處理事件， CPU暫時(shí)中斷當(dāng)前正在執(zhí)行的程序而轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的事件處理程序，待處理完畢后又返回原來(lái)被中斷處繼續(xù)執(zhí)行或調(diào)度新的進(jìn)程執(zhí)行的過(guò)程。 ? 中斷 驅(qū)動(dòng)方式： 當(dāng)某進(jìn)程要啟動(dòng)某個(gè) I/O設(shè)備工作時(shí)，便由CPU向相應(yīng)的設(shè)備控制器發(fā)出一條 I/O命令，然后立即返回繼續(xù)執(zhí)行原來(lái)的任務(wù)。 對(duì) I/O設(shè)備的控制方式 ? 用戶 進(jìn)程需輸入數(shù)據(jù)時(shí)過(guò)程： （ 1） CPU向相應(yīng)的設(shè)備控制器發(fā)出一條 I/O命令 （ 2）阻塞用戶進(jìn)程并將 CPU調(diào)度給其它就緒進(jìn)程 （ 3）當(dāng)相應(yīng)的 I/O設(shè)備完成輸入工作時(shí)，設(shè)備控制器將向 CPU發(fā)送一個(gè) I/O中斷信號(hào) （ 4） CPU響應(yīng)中斷 （ 5）由 I/O中斷處理程序進(jìn)行差錯(cuò)檢查，將數(shù)據(jù)緩沖寄存器中的數(shù)據(jù)傳送到內(nèi)存指定單元中 （ 6）重復(fù)以上步驟，直到傳送完成 （ 7）喚醒被阻塞的用戶進(jìn)程 對(duì) I/O設(shè)備的控制方式 向 I/O控制器發(fā)讀命令 讀 I/O控制器的狀態(tài) 從 I/O控制器中讀入字 向存儲(chǔ)器中寫字 檢查狀態(tài) 傳送完？ CPU 出錯(cuò) 完成 下條指令 未完 I/O→CPU CPU →內(nèi)存 I/O控制器 臵狀態(tài)寄存器 busy=1 按規(guī)定指令控制 設(shè)備進(jìn)行 I/O 設(shè) 備 清 error位表 示 I/O成功； 清 busy位表 示 I/O結(jié)束 中 斷 CPU 做其 它事 對(duì) I/O設(shè)備的控制方式 ? 優(yōu)點(diǎn) 在 設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)， CPU不必等待，可以繼續(xù)執(zhí)行其它進(jìn)程 ? 缺點(diǎn) CPU以字（節(jié)）為單位進(jìn)行干預(yù)，只適于數(shù)據(jù)傳輸率較低的設(shè)備 對(duì) I/O設(shè)備的控制方式 （ DMA） I/O控制方式 ? DMA(Direct Memory Access)控制方式的引入 ? 中斷 驅(qū)動(dòng) I/O控制方式： 以字節(jié)為單位的。每完成一個(gè)字節(jié)的 I/O，控制器便向 CPU發(fā)一中斷，請(qǐng)求 CPU中斷處理。例如，為了從磁盤中讀出 1KB的數(shù)據(jù)塊，需要中斷 1K次 CPU。 ? 直接存儲(chǔ)器存取 控制方式 (DMA)： 是指對(duì) 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（以數(shù)據(jù)快為單位）地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而不用 CPU的干涉。 ? 為了減少 CPU干預(yù)頻率，引入了 DMA訪問(wèn)方式 對(duì) I/O設(shè)備的控制方式 ? DMA的特點(diǎn) ① 數(shù)據(jù) 傳輸?shù)幕締挝皇菙?shù)據(jù)塊，即在 CPU與 I/O設(shè)備之間，每次傳送至少一個(gè)數(shù)據(jù)塊 。 ② 所 傳送的數(shù)據(jù)是從設(shè)備直接送入內(nèi)存的，或者相反 。 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干預(yù)，整塊數(shù)據(jù)的傳送是在控制器的控制下完成的。 對(duì) I/O設(shè)備的控制方式 向控制器發(fā)讀塊指令 讀 DMA控制器狀態(tài)端口 CPU轉(zhuǎn)去作其它事情 CPU響應(yīng)中斷 中斷時(shí)要讀的 塊 已在內(nèi)存輸入緩沖區(qū)中 CPU→DMA DMA → CPU 對(duì) I/O設(shè)備的控制方式 ? DMA控制器的 組成 ① 主機(jī) 與 DMA控制器的接口 ② DMA控制器與塊設(shè)備的接口 ③ I/O控制邏輯 對(duì) I/O設(shè)備的控制方式 count I/O 控 制 邏 輯 DR MAR DC CR CPU 內(nèi)存 主機(jī) —控制器 接口 控制器與 塊設(shè)備接口 系統(tǒng)總線 DMA控制器 命令 命令 /狀態(tài)寄存器 CR：接收從 CPU發(fā)來(lái)的 I/O命令或有關(guān)控制和狀態(tài)信息 數(shù)據(jù)寄存器 DR：用于暫存設(shè)備到內(nèi)存或從內(nèi)存到設(shè)備的數(shù)據(jù) 內(nèi)存地址寄存器 MAR：存放把數(shù)據(jù)從設(shè)備傳送到內(nèi)存的起始目標(biāo)地址或內(nèi)存原地址 數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器 DC：存放本次CPU要讀或?qū)懙淖郑ü?jié)）數(shù) 對(duì) I/O設(shè)備的控制方式 ? DMA工作過(guò)程（以磁盤數(shù)據(jù)讀入為例 ） ① 當(dāng)進(jìn)程要求設(shè)備輸入一批數(shù)據(jù)時(shí) ,CPU將設(shè)備存放輸入數(shù)據(jù)的內(nèi)存始址以及要傳送的字節(jié)數(shù)分別送入 DMA控制器中的地址寄存器和傳送字節(jié)計(jì)數(shù)器 。另外 ,還要將中斷位和啟動(dòng)位臵為 1,以啟動(dòng)設(shè)備開始進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入并允許中斷。 ② 發(fā)出 數(shù)據(jù)要求的進(jìn)程進(jìn)入等待狀態(tài) ,進(jìn)程調(diào)度程序調(diào)度其他進(jìn)程占據(jù) CPU。 ③ 輸入設(shè)備 不斷地挪用 CPU工作周期 ,將數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)源源不斷地寫入內(nèi)存 ,直到所要求的字節(jié)全部傳送完畢。 ④ DMA控制器在傳送字節(jié)數(shù)完成時(shí) ,通過(guò)中斷請(qǐng)求線發(fā)出中斷信號(hào) ,CPU收到中斷信號(hào)后轉(zhuǎn)中斷處理程序 ,喚醒等待輸入完成的進(jìn)程 ,并返回被中斷的程序。 ⑤ 在 以后的某個(gè)時(shí)刻 ,進(jìn)程調(diào)度程序選中提出請(qǐng)求輸入的進(jìn)程 ,該進(jìn)程從指定的內(nèi)存始址取出數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理。 對(duì) I/O設(shè)備的控制方式 設(shè) 置 內(nèi) 存 地 址 寄 存 器M A R 和 數(shù) 據(jù) 計(jì) 數(shù) 器D C 初 值 啟 動(dòng) D M A 傳 送 命 令挪 用 存 儲(chǔ) 器 周 期 傳送 數(shù) 據(jù) 字 存 儲(chǔ) 器 地 址 增 1字 計(jì) 數(shù) 寄 存 器 減 1 D C = 0 ? 請(qǐng) 求 中 斷 在 繼 續(xù) 執(zhí) 行 用 戶程 序 的 同 時(shí) , 準(zhǔn)備 又 一 次 傳 送 否是 對(duì) I/O設(shè)備的控制方式 ? DMA方式的問(wèn)題 ① DMA方式仍存在一定的局限性，如數(shù)據(jù)傳送的方向、存放數(shù)據(jù)的內(nèi)存始址、傳送數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度都需要 CPU控制； ② 每 臺(tái)設(shè)備都需要配臵一個(gè) DMA控制器，當(dāng)設(shè)備較多時(shí)，成本太高。 對(duì) I/O設(shè)備的控制方式 4. I/O通道方式 ? 通道控制方式的概念 是 一種以內(nèi)存為中心 ,是設(shè)備與內(nèi)存直接交換數(shù)據(jù)的控制方式。 CPU只需要發(fā)出啟動(dòng)指令 ,指出通道相應(yīng)的操作和 I/O設(shè)備 ,該指令就可以啟動(dòng)通道并使該通道從內(nèi)存中調(diào)出相應(yīng)的通道指令執(zhí)行。 對(duì) I/O設(shè)備的控制方式 ? I/O通道控制方式的 引入 ? 以內(nèi)存為中心的數(shù)據(jù)交換方式 ? 把對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)塊的讀 (寫 )為單位的干預(yù)，減少為對(duì)一組數(shù)據(jù)塊的讀 (寫 )及有關(guān)的控制和管理為單位的干預(yù)。 ? 一個(gè)通道控制多臺(tái)設(shè)備。 ? CPU僅在 I/O操作的開始和結(jié)束時(shí)花費(fèi)少量時(shí)間處理與 I/O有關(guān)的工作。 ? 實(shí)現(xiàn) CPU、通道和 I/O設(shè)備三者的并行操作，從而更有效地提高整個(gè)系統(tǒng)的資源利用率。 對(duì) I/O設(shè)備的控制方式 ? 通道 程序 ? 通道 是通過(guò)執(zhí)行通道程序，并與設(shè)備控制器共同實(shí)現(xiàn)對(duì) I/O設(shè)備的控制的 。 ? 通道 程序 是由一系列通道指令 (或稱為通道命令 )所構(gòu)成的 。 ? 通道 指令與一般的機(jī)器指令不同 ，在它的每條指令中都包含下列諸信息 ： ① 操作碼 ： 規(guī)定指令所執(zhí)行的操作 ,如讀、寫、控制等。 ② 內(nèi)存 地址： 標(biāo)明字符送入內(nèi)存或從內(nèi)存取出的內(nèi)存首址。 ③ 計(jì)數(shù) ： 本條指令所要讀 /寫的字節(jié)數(shù)。 ④ 通道 程序結(jié)束位： 表示通道程序是否結(jié)束 ,P=1表示結(jié)束。 ⑤ 記錄 結(jié)束標(biāo)志： R=0,表示本指令與下一指令處理同一個(gè)記錄 。 R=1表示處理某記錄的最后一條指令。 對(duì) I/O設(shè)備的控制方式 1850 250 0 0 WRITE 2023 300 1 0 WRITE 5830 60 1 0 WRITE 1034 140 0 0 WRITE 813 80 0 0 WRITE 內(nèi)存地址 計(jì)數(shù) R P 操作碼 例如： 由 6條通道指令所構(gòu)成的簡(jiǎn)單的通道程序（ P198）程序功能：將內(nèi)存中不同地址的數(shù)據(jù)寫成多個(gè) (3個(gè) )記錄。 與設(shè)備無(wú)關(guān)的 I/O軟件 05 與設(shè)備無(wú)關(guān)軟件的基本概念 ※ 為了方便用戶和提高 OS的可適應(yīng)性與可擴(kuò)展性，在現(xiàn)代 OS的 I/O系統(tǒng)中，都無(wú)一例外地增加了與設(shè)備無(wú)關(guān)的I/O軟件，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備獨(dú)立性，也稱為設(shè)備無(wú)關(guān)性 。 ※ 基本 含義 ： 應(yīng)用程序 中所用的設(shè)備，不局限于使用某個(gè)具體的物理設(shè)備。為每個(gè)設(shè)備所配臵的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是與硬件緊密相關(guān)的軟件。為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備獨(dú)立性，必須再設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序之上設(shè)臵一層軟件，稱為與 設(shè)備無(wú)關(guān)的 I/O軟件 ，或 設(shè)備獨(dú)立性軟件 。 與設(shè)備無(wú)關(guān)軟件的基本概念 1. 以物理設(shè)備名使用設(shè)備 在 早期 OS中，應(yīng)用程序在使用 I/O設(shè)備時(shí)，都使用設(shè)備的物理名稱，這使應(yīng)用程序與系統(tǒng)中的物理設(shè)備直接相關(guān)。 這種 方式導(dǎo)致應(yīng)用程序不靈活，給用戶帶來(lái)不便，不利于提高設(shè)備利用率。 與設(shè)備無(wú)關(guān)軟件的基本概念 2. 引入了邏輯設(shè)備名 為了 實(shí)現(xiàn)與設(shè)備的無(wú)關(guān)性，引入了邏輯設(shè)備和物理設(shè)備兩個(gè)概念。邏輯設(shè)備是抽象的設(shè)備名。在應(yīng)用程序中使用邏輯設(shè)備名來(lái)使用設(shè)備。好處是：設(shè)備分配時(shí)的靈活性。易于實(shí)現(xiàn)I/O重定向：所謂 I/O重定向是指用于 I/O操作的設(shè)備可以更換，而不必修改應(yīng)用程序 。 ? 邏輯設(shè)備是抽象的設(shè)備名，如 /dev/printer，并不指定哪一臺(tái)打印機(jī)。 與設(shè)備無(wú)關(guān)軟件的基本概念 為了實(shí)現(xiàn)邏輯設(shè)備名到物理設(shè)備名的映射，系統(tǒng)必須設(shè)臵一張邏輯設(shè)備表 LUT（ Logical Unit Table），能夠?qū)?yīng)用程序中所使用的邏輯設(shè)備名映射為物理設(shè)備名，并提供該設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的入口地址 。 與設(shè)備無(wú)關(guān)軟件的基本概念 主設(shè)備號(hào) 邏輯設(shè)備名 驅(qū)動(dòng)程序入口地址 3 /dev/tty1 (鍵盤輸入設(shè)備 1) 3000 3 /dev/tty2（ 鍵盤輸入設(shè)備 2） 3000 5(針式打印機(jī) ) /dev/lp（ 打印機(jī) ） 5000 6 /dev/ethN（ 網(wǎng)卡 ） 4000 用激光打印機(jī)替換針式打印機(jī)后的 LUT表： 主設(shè)備號(hào) 邏輯設(shè)備名 驅(qū)動(dòng)程序入口地址 3 /dev/tty1 (鍵盤輸入設(shè)備 1) 3000 3 /dev/tty2（ 鍵盤輸入設(shè)備 2） 3000 7(激光打印機(jī) ) /dev/lp（ 打印機(jī) ） 7000 6 /dev/ethN（ 網(wǎng)卡 ） 4000 與設(shè)備無(wú)關(guān)的軟件 ※ 設(shè)備無(wú)關(guān)的軟件是 I/O系統(tǒng)的最高層軟件，包括了執(zhí)行所有設(shè)備公有操作的軟件。具體包括 ： 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的統(tǒng)一 接口 ,可以 方便添加新設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。 緩沖 管理 差錯(cuò)控制 ——暫時(shí)性錯(cuò)誤、永久性錯(cuò)誤 對(duì)獨(dú)占設(shè)備的分配與 回收 ,對(duì) 獨(dú)占設(shè)備由系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一的分配和回收處理。 獨(dú)立于設(shè)備的邏輯數(shù)據(jù) 塊 ,隱藏 不同設(shè)備的物理數(shù)據(jù)塊大小的差異，向高層軟件提供大小統(tǒng)一的邏輯數(shù)據(jù)塊。 與設(shè)備無(wú)關(guān)的軟件 ? 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 的統(tǒng)一接口 為了 使所有的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序有著統(tǒng)一的接口 : ① 一方面，要求每個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與 OS之間都有著相同的接口，或者相近的接口，這樣會(huì)使添加一個(gè)新的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序變得很容易，同時(shí)在很大程度上方便了開發(fā)人員對(duì)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的編制。 ② 另一方面，要將抽象的設(shè)備名映射到適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)程序上，或者說(shuō)，將抽象的設(shè)備名轉(zhuǎn)換為具體的物理設(shè)備名，并進(jìn)一步可以找到相應(yīng)物理設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序入口。 ③ 還應(yīng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，禁止用戶直接訪問(wèn)設(shè)備，以防止無(wú)權(quán)訪問(wèn)的用戶使用。 與設(shè)備無(wú)關(guān)的軟件 ? 緩沖 管理 ? 無(wú)論 是字符設(shè)備還是塊設(shè)備，它們的運(yùn)行速度都遠(yuǎn)低于 CPU的速度。為了緩和 CPU和 I/O設(shè)備之間的矛盾、提高 CPU的利用率，在現(xiàn)代 OS中都無(wú)一例外地分別為字符設(shè)備和塊設(shè)備配臵了相應(yīng)的緩沖區(qū) 。 ? 緩沖區(qū) 有著多種形式，如： 單緩沖區(qū)、雙緩沖區(qū)、循環(huán)緩沖區(qū)、公用緩沖池 等，以滿足不同情況的需要。 與設(shè)備無(wú)關(guān)的軟件 ? 差錯(cuò)控制 ? 由于設(shè)備中有著許多的機(jī)械和電氣部分，因此，它們比主機(jī)更容易出現(xiàn)故障，這就導(dǎo)致 I/O操作中的絕大多數(shù)錯(cuò)誤都與設(shè)備有關(guān)。錯(cuò)誤可分為如下兩類 ： ① 暫時(shí)性 錯(cuò)誤 。