【正文】 用多道程序設(shè)計(jì)的硬件實(shí)現(xiàn)。它先為一臺(tái)設(shè)備執(zhí)行一條通道指令，然后自動(dòng)轉(zhuǎn)接，為另一臺(tái)設(shè)備執(zhí)行一條通道指令。? 主要連接磁盤，磁帶等高速 I/O設(shè)備。在這段時(shí)間內(nèi)只能為一臺(tái)設(shè)備服務(wù)。如打印機(jī)，終端。? 系統(tǒng)中還可以同時(shí)有多個(gè)通道分別運(yùn)行自己的通道程序，控制所屬的 I/O操作，實(shí)現(xiàn)通道與通道、設(shè)備與設(shè)備之間的全方位并行。通道程序：?由通道指令組成；?由 CPU按數(shù)據(jù)傳送的不同要求自動(dòng)生成；?放在主存中；?其在主存中的起始地址通知 I/O處理機(jī)： 目態(tài) （目態(tài)程序）管態(tài) （ I/O管理程序）通道 （運(yùn)行通道程序）請(qǐng)求 I/O 轉(zhuǎn)管指令編制通道程序 啟動(dòng)通道 組織 I/O操作 I/O操作結(jié)束向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求響應(yīng) I/O 中斷請(qǐng)求登記或例外情況處理CPUt? 管理程序管理程序 根據(jù)用戶提供的參數(shù)（設(shè)備號(hào)、交換信息的起址、交換的字節(jié)數(shù)）編制通道程序；? 將其放在內(nèi)存的相應(yīng)緩沖區(qū)中，起址 CAW置于通道寄存器中；? 執(zhí)行 “啟動(dòng) I/O”指令 (SIO) 使通道進(jìn)入 通道選擇期通道選擇期 （選擇通道、子通道、設(shè)備控制器及設(shè)備）， 尋找并啟動(dòng)相應(yīng)的外部設(shè)備。 一旦 CPU發(fā)出指令，啟動(dòng)通道，則通道 獨(dú)立獨(dú)立 于 CPU工作。 CPU根據(jù)此狀態(tài)信息確定下一步如何操作。? 數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)緩沖、差錯(cuò)控制 實(shí)現(xiàn) CPU? 控制器 ? 設(shè)備 的 數(shù)據(jù)交換 , 從而實(shí)現(xiàn)了CPU到設(shè)備的數(shù)據(jù)傳遞和設(shè)備到 CPU的數(shù)據(jù)傳遞。? 接收和識(shí)別命令指揮設(shè)備執(zhí)行 接收 CPU通過 I/O總線發(fā)來的命令和參數(shù) , 存儲(chǔ) 在控制器中相應(yīng)的控制寄存器中 , 并對(duì)它進(jìn)行譯碼識(shí)別 , 轉(zhuǎn)換 成適當(dāng)?shù)碾娦盘?hào) , 通過控制器與設(shè)備的接口向設(shè)備發(fā)送 , 指揮設(shè)備執(zhí)行 特定的操作。? 命令完成時(shí)，控制器產(chǎn)生一個(gè)中斷， CPU響應(yīng)中斷，控制轉(zhuǎn)給操作系統(tǒng)。 1. 設(shè)備控制器的組成數(shù)據(jù)線控制器與設(shè)備接口CPU與控制器接口控制器與設(shè)備接口 1地址線控制線I/O控制邏輯 控制器與設(shè)備接口 i數(shù)據(jù)控制控制 /狀態(tài) R數(shù)據(jù)寄存器狀態(tài)數(shù)據(jù)控制狀態(tài)......I/O設(shè)備的編址：為了 CPU便于對(duì) I/O設(shè)備進(jìn)行尋址和選擇 ,必須給眾多的 I/O設(shè)備進(jìn)行編址 ,也就是給每一臺(tái)設(shè)備規(guī)定一些地址碼 ,稱為設(shè)備號(hào)或設(shè)備代碼 .有兩種尋址方法 ⑴ 專設(shè) I/O指令 .例指令 IN完成輸入 ,指令 OUT完成輸出操作 .其地址碼指出 I/O設(shè)備的設(shè)備代碼 . 這是 I/O空間獨(dú)立于存儲(chǔ)器空間的情況 ,即設(shè)備碼的編碼和存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元的編碼是平行存在的 .⑵ 利用訪存 (取數(shù) /存數(shù) )指令完成 I/O功能 . 使用這種方法時(shí) ,從主存的地址空間中分出一部分地址碼作為 I/O的設(shè)備代碼 ,當(dāng)訪問到這些地址時(shí) ,表示被訪的不是主存儲(chǔ)器 ,而是 I/O設(shè)備寄存器(例如 ,設(shè)備的數(shù)據(jù)緩沖器或設(shè)備的狀態(tài)寄存器 ). 這時(shí) I/O空間和存儲(chǔ)器空間是合在一起的 ,即 I/O設(shè)備和存儲(chǔ)單元是統(tǒng)一編址的 .80X86是有專門的 I/O指令 ,直接尋址設(shè)備碼可達(dá) 512個(gè) .輸入輸出設(shè)備 占用地址數(shù) 地址碼 (16進(jìn)制 )硬盤控制器 16 320~32FH軟盤控制器 8 3F0~3F7H單色顯示器 /并行打印機(jī) 16 3B0~3BFH彩色圖形顯示器 16 3D0~3DFH異步通信控制器 8 3F8~3FFH? 操作系統(tǒng)將命令寫入控制器寄存器中，以實(shí)現(xiàn)輸入／輸出 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)。? 控制器是一個(gè)可編址設(shè)備 , 例如 PC中硬盤控制器的 I/O端口地址為 1F0~1F7。SPOOLing技術(shù) 為解決獨(dú)立設(shè)備數(shù)量少，速度慢，不能滿足眾多進(jìn)程的要求，而且在進(jìn)程獨(dú)占設(shè)備期間，設(shè)備利用率比較低而提出的一種設(shè)備管理技術(shù) 設(shè)備控制器設(shè)備組成?I／ O設(shè)備一般由機(jī)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(shè)計(jì) 機(jī)械部分是設(shè)備本身? 電子部分叫做設(shè)備控制器或適配器。（如硬盤）虛設(shè)備 —— 在一類設(shè)備上模擬另一類設(shè)備，常用共享設(shè)備模擬獨(dú)占設(shè)備，用高速設(shè)備模擬低速設(shè)備，被模擬的設(shè)備稱為虛設(shè)備。如 A/D， D/A轉(zhuǎn)換器， CAD所用專用設(shè)備4. 按傳輸速率 : 低速 (KB/s)中速高速 (100KB/s)5. 按資源分配角度分獨(dú)占設(shè)備 —— 在一段時(shí)間內(nèi)只能有一個(gè)進(jìn)程使用的設(shè)備，一般為低速 I/O設(shè)備。BootingPostBIOSPartition boot programLoaderOSROMRAMPOWERONCMOSAdapted from: Operating Systems (3rd Edition, Gary Nutt)第五章 設(shè)備管理MANAGING I/O DEVICES沒有 I/O設(shè)備的計(jì)算機(jī)就像一個(gè)沒有輪子的汽車I/O管理的重要性(1)CPU性能不等于系統(tǒng)性能，響應(yīng)時(shí)間也是一個(gè)重要因素 ?(2)CPU性能越高，與 I/O差距越大 彌補(bǔ)：更多的進(jìn)程(3)進(jìn)程切換多，系統(tǒng)開銷大：資源多、雜，并發(fā)，均來自 I/O I/O的工作過程與結(jié)構(gòu)是理解操作系統(tǒng)的工作過程與結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，特別是文件系統(tǒng) I/O系統(tǒng)的組成 I/O 控制方式 緩沖管理 設(shè)備分配 設(shè)備驅(qū)動(dòng) 磁盤存取設(shè)備管理本章內(nèi)容 I/O系統(tǒng)的組成 I/O 設(shè)備分類 存儲(chǔ)型設(shè)備 輸入型設(shè)備（ 外設(shè) ?主機(jī) ） 輸出型設(shè)備（主機(jī) ?外設(shè)） 輸入輸出型設(shè)備 塊設(shè)備 —— 以數(shù)據(jù)塊為單位存儲(chǔ)、傳輸信息 字符設(shè)備 —— 以字符為單位存儲(chǔ)、傳輸信息 系統(tǒng)設(shè)備 —— 指操作系統(tǒng)生成時(shí)，登記在系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備 （如終端、打印機(jī)、磁盤機(jī)等）用戶設(shè)備 —— 指在系統(tǒng)生成時(shí)，未登記在系統(tǒng)中的非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。對(duì)于這類設(shè)備的處理程序由用戶提供，并將其納入系統(tǒng)，由系統(tǒng)代替用戶實(shí)施管理。（如打印機(jī)，磁帶等）共享設(shè)備 —— 在一段時(shí)間內(nèi)可有多個(gè)進(jìn)程共同使用的設(shè)備，多個(gè)進(jìn)程以交叉的方式來使用設(shè)備，其資源利用率高。（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，提高設(shè)備的利用率）為了提高資源利用率，如 SPOOLing技術(shù)就使用了虛設(shè)備技術(shù) —— 用硬盤模擬輸入輸出設(shè)備。? 在小型和微型機(jī)中，它常采用印刷電路卡插入計(jì)算機(jī)中 控制器卡上通常有一個(gè)插座，通過電纜與設(shè)備相連 控制器和設(shè)備之間的接口是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口，它符合 ANSI、 IEEE或 ISO這樣的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)I/O模塊的一般結(jié)構(gòu)I/O 邏輯數(shù)據(jù)寄存器狀態(tài) /控制寄存器外部設(shè)備界面接口外部設(shè)備界面接口…...系統(tǒng)接口 外設(shè)接口數(shù)據(jù)線地址線控制線數(shù)據(jù) 狀態(tài) 控制數(shù)據(jù) 狀態(tài) 控制數(shù)據(jù)信號(hào)線設(shè)備到控制器的接口I/O 設(shè)備狀態(tài)信號(hào)線控制信號(hào)線控制邏輯轉(zhuǎn)換器緩沖到設(shè)備控制器 設(shè)備控制器? 控制器是 CPU與 I/O設(shè)備之間的接口；? 接收從 CPU發(fā)來的命令 , 并控制 I/O設(shè)備工作。? 從物理上看 , 控制器是一塊接口卡或主板上的一個(gè)功能模塊。它們被一起送入控制器的寄存器中? 當(dāng)控制器接受一條命令后，可獨(dú)立于 CPU完成指定操作， CPU可以轉(zhuǎn)去執(zhí)行其它運(yùn)算。? CPU通過讀控制器寄存器中的信息，獲得操作結(jié)果和設(shè)備狀態(tài)2. 設(shè)備控制器的功能? 地址識(shí)別 : 識(shí)別 I/O端口地址 , 使 I/O操作與設(shè)備對(duì)應(yīng)。? 接收和記錄設(shè)備的狀態(tài) 接收 從設(shè)備發(fā)來的電信號(hào) , 進(jìn)行 轉(zhuǎn)換 和解釋 , 變?yōu)樵O(shè)備的狀態(tài)信息 , 將此結(jié)果 記錄 在控制器的狀態(tài)寄存器上 , 供 CPU了解。舉例 : 典型的設(shè)備控制器是磁盤控制器 , 它從 I/O總線上接收發(fā)來的諸如 “寫這個(gè)數(shù)據(jù)塊 ”之類的高級(jí)命令 , 并對(duì)它進(jìn)行譯碼識(shí)別 , 轉(zhuǎn)換成諸如 “把磁頭定位在正確的磁道上 ”和 “把數(shù)據(jù)寫入這個(gè)磁道 ”之類的低級(jí)磁盤操作的電信號(hào) , 指揮磁盤驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行這些操作 , 每執(zhí)行一步都要將磁盤驅(qū)動(dòng)器的發(fā)來的電信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和解釋 , 變?yōu)樵O(shè)備的數(shù)據(jù)狀態(tài)信息 , 將此結(jié)果記錄在控制器的狀態(tài)寄存器上 , 供 CPU了解。 ? 樞軸 柱面 扇柱面磁道扇區(qū)磁頭移動(dòng)臂梁 I/O通道? 引入通道的目的引入通道的目的 ： 為了使 CPU從 I/O事務(wù)中解脫出來，同時(shí)為了提高 CPU與設(shè)備，設(shè)備與與設(shè)備，設(shè)備與設(shè)備設(shè)備 之間的并行工作能力? 原理原理 ： 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(hào)的 功能功能 。一個(gè)通道可連接多個(gè)控制器，一個(gè)控制器可連接多個(gè)設(shè)備，形成樹形交叉連接 通道程序：I/O處理機(jī)： 由運(yùn)算和控制邏輯，累加器，寄存器構(gòu)成，有指令系統(tǒng)，由通道程序控制。? 通道被啟動(dòng)后， CPU退出管態(tài)，返回目態(tài)繼續(xù)執(zhí)行目標(biāo)程序，而通道則按照通道程序的要求組織整個(gè) I/O操作，進(jìn)入 數(shù)據(jù)傳輸期數(shù)據(jù)傳輸期 ,開始控制內(nèi)存與設(shè)備之間的直接數(shù)據(jù)交換，直到數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束（或出現(xiàn)非正常結(jié)束）才由 CPU處理。通道類型? 字節(jié)多路通道： 連接大量慢速外圍設(shè)備而設(shè)置的，它可以 分時(shí)分時(shí) 地執(zhí)行多個(gè)通道程序? 當(dāng)一個(gè)通道程序 控制控制 某臺(tái)設(shè)備傳送一個(gè)字節(jié)后，通道硬件就 控制轉(zhuǎn)去執(zhí)行控制轉(zhuǎn)去執(zhí)行 另一個(gè)通道程序，控制另一臺(tái)設(shè)備傳送信息? 主要連接以 字節(jié)為單位的低速字節(jié)為單位的低速 I/O設(shè)備設(shè)備 。以字節(jié)為單位交叉?zhèn)鬏?，?dāng)一臺(tái)傳送一個(gè)字節(jié)后，立即轉(zhuǎn)去為另一臺(tái)傳送字節(jié)通道類型 選擇通道? 選擇通道： 以成組方式工作的，即每次傳送一批數(shù)據(jù)，故傳送速度很高。當(dāng)這臺(tái)設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸完成后，再選擇與通道連接的另一臺(tái)設(shè)備。通道類型? 成組多路通道： 它結(jié)合了選擇通道傳送速度高和字節(jié)多路通道能進(jìn)行分時(shí)并行操作的優(yōu)點(diǎn)。? 主要連接高速設(shè)備。3. 解決瓶頸問題通道往往成為 I/O的瓶頸如圖 :(p149圖 54)存儲(chǔ)器通道 1通道 2控制器 1控制器 2控制器 3控制器 4設(shè)備 1設(shè)備 2設(shè)備 3設(shè)備 4設(shè)備 5設(shè)備 6設(shè)備 7存儲(chǔ)器通道 1通道 2控制器 1控制器 2設(shè)備 1設(shè)備 2設(shè)備 3設(shè)備 4改單通路為多通路解決瓶頸問題 (p150圖 55)? 總線： 將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的各個(gè)子系統(tǒng)（ CPU、內(nèi)存、外設(shè)等）相互連接，且連接是共享的– 好處： 低成本（一線多用）、靈活性（易于增加設(shè)備，）– 總線的缺點(diǎn)： 本身形成了通訊瓶頸，限制I/O吞吐量– 總線分類： 數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線? 引入原因： 在設(shè)備與主機(jī)的硬連接上，引入總線，節(jié)省連線并提供配置擴(kuò)充與改變時(shí)的靈活性； 總線系統(tǒng)? 定義定義 總線上連接計(jì)算機(jī)各個(gè)部件的通信線路和總線上連接計(jì)算機(jī)各個(gè)部件的通信線路和相關(guān)的控制電路。 是微處理器芯片對(duì)外引線信號(hào)的延伸或映射是微處理器芯片對(duì)外引線信號(hào)的延伸或映射，是微處理器與片外存儲(chǔ)器及，是微處理器與片外存儲(chǔ)器及 I/0接口傳輸信息接口傳輸信息的通路。系統(tǒng)總線信號(hào)按功能可分為三類：216。地址總線的位數(shù)決定了存儲(chǔ)空間的大小。數(shù)據(jù)總線（ What ）提供模塊間傳輸數(shù)據(jù)的路徑，數(shù)據(jù)總線的位數(shù)決定微處理器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度及總體性能。控制總線（ When ）：提供系統(tǒng)操作所必需的控制信號(hào)，對(duì)操作過程進(jìn)行控制與定時(shí)。位局部總線。位。與系統(tǒng)總線工作頻率不同，經(jīng)接口電路對(duì)系統(tǒng)總統(tǒng)信號(hào)緩沖、變換、隔離，進(jìn)行不同層次的操作（ ISA、 EISA、 MCA)? 局部總線： 擴(kuò)充總線不能滿足高性能設(shè)備（圖形、視頻、網(wǎng)絡(luò)）接口的要求，在系統(tǒng)總線與擴(kuò)充總線之間插入一層總線?？偩€操作? 總線一個(gè)操作過程是完成兩個(gè)模塊之間傳送信息，啟動(dòng)操作過程的是主模塊，另外一個(gè)是從模塊。? 總線的操作步驟：? 主模塊申請(qǐng)總線控制權(quán)，總線控制器進(jìn)行裁決。主模塊得到總線控制權(quán)后尋址從模塊，從模塊確認(rèn)后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。數(shù)據(jù)傳送的錯(cuò)誤檢查。 設(shè)備控制器 便按該指令的要求去控制指定的 I/O設(shè)備。 例如 , 在輸入時(shí) , 當(dāng) 設(shè)備控制器 收到 CPU 發(fā)來的讀命令后 , 便去控制相應(yīng)的輸入設(shè)備讀數(shù)據(jù)。 P152 圖 57(b)CPU?I/OI/O ?CPUI/O ?CPUCPU ?內(nèi)存向 I/O控制器發(fā)讀命令啟動(dòng)輸入機(jī)讀 I/O控制器狀態(tài)檢查狀態(tài)就緒出錯(cuò)從 I/O控制器中讀字向存儲(chǔ)器中寫字P152 圖 57(b)完成？NY下條指令從 輸入機(jī)讀字到 控制器數(shù)據(jù)寄存器CPU作其它事響應(yīng)中斷中斷請(qǐng)求中斷控制器執(zhí)行的操作1. 監(jiān)視 IRQ線 , 檢查出現(xiàn)的中斷信