【文章內(nèi)容簡介】 交叉連接 （ 5） 通道工作原理 通道相當(dāng)于一個功能簡單的處理機(jī)，包含通道指令（空操作，讀操作，寫操作，控制，轉(zhuǎn)移操作），并可執(zhí)行用這些指令編寫的通道程序 ? 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 ? 通道命令及格式 用于 I/O操作的命令主要有兩種： I/O指令：啟動通道程序 通道命令：對 I/O操作進(jìn)行控制 讀、反讀、寫、測試設(shè)備狀態(tài)的數(shù)據(jù)傳輸命令、用于設(shè)備控制的命令（磁帶反繞、換頁）、實現(xiàn)通道程序內(nèi)部控制的轉(zhuǎn)移命令 命令格式一般包括：操作碼、數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)存地址、特征位、計數(shù)器 編制一個通道程序，從磁帶機(jī)上讀入 200字節(jié)的信息，送入內(nèi)存（ 1000） 16 開始的單元。 通道命令碼：“ 07” 反繞 “ 02” 讀 CCW1 X “07” * X “40” 1 ； CCW2 X “02” 1000 X “00” 200 ； ? 工作原理 CPU：執(zhí)行用戶程序，當(dāng)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 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 （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(dāng)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 。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 通道的發(fā)展 ? 新的通道思想綜合了許多新的技術(shù) ? 在個人計算機(jī)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(shù)（稱為 FICON），可通過 FICON 連接多達(dá) 127個大容量 I/O設(shè)備。傳輸速度是 333MHz／ s，未來將達(dá)到 1GHz／ s。 光纖通道技術(shù)具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、傳輸距離遠(yuǎn)，可簡化大型存儲系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)點 在大容量高速存儲，如大型數(shù)據(jù)庫、多媒體、數(shù)字影像等應(yīng)用領(lǐng)域，有廣泛前景 數(shù)據(jù)在內(nèi)存與 I/O設(shè)備間的直接成塊傳送 CPU在開始時向設(shè)備發(fā)“傳送一塊”命令，結(jié)束時進(jìn)行相應(yīng)處理，實際操作由 DMA硬件直接完成 DMA能夠通過系統(tǒng)總線代替 CPU管理數(shù)據(jù)的存入或取出 ? 當(dāng) 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?。? 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(jìn)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(jìn)行中斷處理 大大減少了 CPU進(jìn)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 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。 CPU響應(yīng)中斷，控制轉(zhuǎn)給操作系統(tǒng)。當(dāng)操作系統(tǒng)開始運行時，它重復(fù)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(nèi)存中 采用 DMA方式時，允許 DMA控制器接管地址線的控制權(quán)，直接控制 DMA控制器與內(nèi)存的數(shù)據(jù)交換。從而使磁盤設(shè)備與儲器之間的數(shù)據(jù)傳送不需要 CPU介入，因而減輕了 CPU負(fù)擔(dān) 當(dāng)采用 DMA時，除向控制器提供要讀塊的磁盤地址外，還要向控制器提供兩個信息：要讀塊送往內(nèi)存的起始地址和要傳送的字節(jié)數(shù) 當(dāng) DMA硬件控制磁盤與存儲器之間進(jìn)行信息交換時，每當(dāng)磁盤把一個數(shù)據(jù)讀入控制器的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)時， DMA控制器取代 CPU，接管地址總線的控制權(quán)，并按照 DMA控制器中的存儲器地址寄存器內(nèi)容把數(shù)據(jù)送入相應(yīng)的內(nèi)存單元中。然后，DMA硬件自動地把傳送字節(jié)計數(shù)器減 1，把存儲器地址寄存器加 1，并恢復(fù) CPU對內(nèi)存的控制權(quán)，DMA控制器對每一個傳送的數(shù)據(jù)重復(fù)上述過程，直到傳送字節(jié)計數(shù)器為“ 0” 時，向 CPU產(chǎn)生一個中斷信號。當(dāng)操作系統(tǒng)接管 CPU控制權(quán)時，再無需做塊復(fù)制的工作了 控制器按照指定存儲器地址，把第一個字節(jié)送入主存 然后，按指定字節(jié)數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送 每當(dāng)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 被讀取塊磁盤地址 目標(biāo)存儲地址 待讀取字節(jié)數(shù) 整塊數(shù)據(jù)讀進(jìn)緩沖區(qū) 核準(zhǔn)校驗 DMA工作示例 （以硬盤為例） 存放輸入數(shù)據(jù)的內(nèi)存起始地址、要傳送的字節(jié)數(shù) 送入 DMA控制器的內(nèi)存地址寄存器和傳送字節(jié)計數(shù)器 中斷允許位和啟動位置成 1，啟動設(shè)備 ? 發(fā)出傳輸要求的進(jìn)程進(jìn)入等待狀態(tài) ? 執(zhí)行指令被暫時掛起，進(jìn)程調(diào)度其他進(jìn)程占據(jù) CPU ? 輸入設(shè)備不斷竊取 CPU工作周期，數(shù)據(jù)不斷寫入內(nèi)存 ? 傳送完畢，發(fā)出中斷信號 ? CPU接到中斷信號轉(zhuǎn)入中斷處理程序處理 ? 中斷處理結(jié)束， CPU返回原進(jìn)程或切換到新的進(jìn)程 DMA工作原理 —— 竊取總線控制權(quán) CPU向控制器發(fā)出啟動 DMA通知和有關(guān)參數(shù) 控制器向內(nèi)存發(fā)出詢問請求 訪問內(nèi)存（讀、寫） 計數(shù)器減 1 結(jié)束否 發(fā)中斷 N Y DMA的實現(xiàn)流程 （ 1）緩沖技術(shù)的引入 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)。 在操作系統(tǒng)中采用緩沖是為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的I/O操作，以緩解 CPU與外部設(shè)備之間速度不匹配的矛盾，提高資源利用率 ? 減少了 I/O設(shè)備對處理器的中斷請求次數(shù) ? 簡化了中斷機(jī)制 ? 節(jié)省了系統(tǒng)開銷 4. 緩沖技術(shù) （ 2）緩沖區(qū)設(shè)置 硬緩沖： 在設(shè)備中設(shè)置緩沖區(qū)，由硬件實現(xiàn) 軟緩沖： 在內(nèi)存中開辟一個空間，用作緩沖區(qū) （ 3）緩沖區(qū)管理 單緩沖 雙緩沖 緩沖池： 多個緩沖區(qū)連接起來統(tǒng)一管理，常采用多緩沖管理 （ 4）例子 終端輸入軟件中的鍵盤驅(qū)動程序 任務(wù)之一：收集字符 兩種常見的字符緩沖方法： ? 公共緩沖池（驅(qū)動程序中） ? 終端數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)緩沖 終端 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 公共 緩沖池 終端 0 1 2 3 終端 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 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) 新一代計算機(jī)出現(xiàn)，帶來了總線技術(shù)的更新 （ 1）總線 的基本概念： 在計算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)各種子系統(tǒng) 如 CPU、內(nèi)存、 I/O設(shè)備等之間 構(gòu)建公用的信號或數(shù)據(jù)傳輸通道 這種可共享連接的傳輸通道稱為總線 5. 總線技術(shù) 總線的分類 CPU內(nèi)存總線 I/O總線 數(shù)據(jù)總線 地址總線 控制總線 （非本課程范圍） （ 2）總線的分類 微型計算機(jī) 總線的種類和發(fā)展 PC／ XT總線 ISA總線 MCA總線 EISA總線 VESA總線 PCI總線 USB總線 …... (?) (?) (過時 ) 1394總線 SCSI總線 USB（ Universal Serial Bus）通用串行總線，是一種連接I/O串行設(shè)備的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) ? 沖破了計算機(jī)技術(shù)發(fā)展的兩個歷史局限性： （ 1）由于 I/O設(shè)備的接口標(biāo)準(zhǔn)的不一致和有限的接口數(shù)