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1、机械工业出版社操作系统教程课件第1页第五章第五章设备管理设备管理5.1 5.1 设备设备管理概述管理概述5.25.2 I/O系统系统 5.3 5.3 缓缓冲技冲技术术5.4 5.4 独占设备的分配独占设备的分配5.55.5 磁盘管理磁盘管理5.6 5.6 设设 备备 处处 理理5.7 5.7 虚拟设备虚拟设备5.8 5.8 本章小结本章小结机械工业出版社5.1 5.1 设备设备管理概述管理概述n 现现代代计计算机系算机系统统中配置了大量不同中配置了大量不同类类型的外型的外围设备围设备，包括用于包括用于实现实现信息信息输输入、入、输输出和存出和存储储功能的功能的设备设备以及相以及相应应的的设备设
2、备控制器，在有的大中型控制器，在有的大中型计计算机中算机中还设还设有有输输入入/输输出通道。在出通道。在计计算机系算机系统统中，通常把外中，通常把外围设备围设备又称又称为为I/OI/O设设备备，这这些些设备设备的物理特性和操作方式有很大区的物理特性和操作方式有很大区别别，在运，在运行速度、控制方式、数据表示以及行速度、控制方式、数据表示以及传传送送单单位上存在着很位上存在着很大的差异。因此，大的差异。因此，计计算机系算机系统对统对外外围设备围设备的管理，是操的管理，是操作系作系统统中最具有多中最具有多样样性和复性和复杂杂性的部分。性的部分。操作系统教程课件第2页机械工业出版社5.1 5.1 设
3、备设备管理概述管理概述 1、外围设备的分类、外围设备的分类早期的计算机系统由于速度慢、应用面窄，外围设备主早期的计算机系统由于速度慢、应用面窄，外围设备主要以纸带、卡片等作为输入输出介质，相应的设备管理程序要以纸带、卡片等作为输入输出介质，相应的设备管理程序也比较简单，进入也比较简单，进入20世纪世纪80年代以后，由于个人计算机、工年代以后，由于个人计算机、工作站以及计算机网络等的发展，外围设备开始走向多样化、作站以及计算机网络等的发展，外围设备开始走向多样化、复杂化和智能化。用户可以从不同的角度对外围设备进行分复杂化和智能化。用户可以从不同的角度对外围设备进行分类。类。n按照外围设备的从属关
4、系，可以将它们分成系统设备和按照外围设备的从属关系，可以将它们分成系统设备和用户设备。用户设备。n按照工作特性可将外围设备分为存储设备和按照工作特性可将外围设备分为存储设备和I/O设备两类。设备两类。操作系统教程课件第3页机械工业出版社5.1 5.1 设备设备管理概述管理概述2、设备管理的功能、设备管理的功能现现代代计计算机系算机系统统要方便用要方便用户户使用，使用，为为用用户户提供使用外提供使用外围设备围设备的的统统一界面、尽可能地提高一界面、尽可能地提高输输入入/输输出出设备设备的使用效的使用效率，率，发挥发挥系系统统的并行性。因此，的并行性。因此，设备设备管理的主要功能如下：管理的主要功
5、能如下：实现对外围设备的分配与去配。实现对外围设备的分配与去配。实现外围设备的启动。实现外围设备的启动。实现对磁盘的驱动调度。实现对磁盘的驱动调度。实现设备处理。实现设备处理。实现虚拟设备。实现虚拟设备。操作系统教程课件第4页机械工业出版社5.2I/O系统系统n 通常把通常把I/O设备及其接口线路、控制部件、通道以及设备及其接口线路、控制部件、通道以及管理软件统称为管理软件统称为I/O系统。主存与外围设备之间的信息传输系统。主存与外围设备之间的信息传输操作，称为操作，称为I/O操作。多道程序设计技术引入后，操作。多道程序设计技术引入后，I/O操作操作能力成为计算机系统综合处理能力及性能价格比的
6、重要因能力成为计算机系统综合处理能力及性能价格比的重要因素。素。操作系统教程课件第5页机械工业出版社5.2.1 5.2.1 输输入入/输输出系出系统结统结构构 典典型型的的输输入入/输输出出系系统统具具有有四四级级结结构构：主主机机、通通道道、设设备备控制器和控制器和输输入入/输输出出设备设备，如，如图图5-15-1所示。所示。操作系统教程课件第6页机械工业出版社5.2.1 5.2.1 输输入入/输输出系出系统结统结构构 1.I/O设备设备I/O设备的种类繁多，其重要性能指标有：数据传输单设备的种类繁多，其重要性能指标有：数据传输单位、数据传输速率和设备的共享属性等。用户从不同角度可位、数据传
7、输速率和设备的共享属性等。用户从不同角度可以对以对I/O设备进行不同分类。设备进行不同分类。(1)按传输速率分类按传输速率分类按传输速率的高低，可以把按传输速率的高低，可以把I/O设备分为三类：第一类设备分为三类：第一类是低速设备，其传输速率仅为每秒钟几个字节到数百个字节，是低速设备，其传输速率仅为每秒钟几个字节到数百个字节，如键盘、鼠标等设备；第二类是中速设备，其传输速率在每如键盘、鼠标等设备；第二类是中速设备，其传输速率在每秒钟数千个字节到数万个字节，如行式打印机、激光打印机秒钟数千个字节到数万个字节，如行式打印机、激光打印机等；第三类是高速设备，其传输速率在每秒钟数十万个字节等；第三类是
8、高速设备，其传输速率在每秒钟数十万个字节到数十兆字节，如磁带机、磁盘机、光盘机等。到数十兆字节，如磁带机、磁盘机、光盘机等。n操作系统教程课件第7页机械工业出版社5.2.1 5.2.1 输输入入/输输出系出系统结统结构构 (2)按信息交换的单位分类按信息交换的单位分类按设备与主存之间信息交换的物理单位可以将按设备与主存之间信息交换的物理单位可以将I/O设备设备分为两类。第一类是块设备，以块为单位与主存交换信息，分为两类。第一类是块设备，以块为单位与主存交换信息，属于有结构设备，如磁盘属于有结构设备，如磁盘(每个盘块的大小为每个盘块的大小为0.54KB)、磁、磁带等。块设备的基本特征是传输速率较
9、高，通常每秒钟为几带等。块设备的基本特征是传输速率较高，通常每秒钟为几兆位；可寻址，即允许对指定的块进行读兆位；可寻址，即允许对指定的块进行读/写操作；此外，写操作；此外，在在I/O操作时，常采用直接存储器访问操作时，常采用直接存储器访问(DMA)方式。第二类方式。第二类是字符设备，以字符为单位与主存交换信息，属于无结构设是字符设备，以字符为单位与主存交换信息，属于无结构设备。字符设备种类繁多，如交互式终端、打印机等。字符设备。字符设备种类繁多，如交互式终端、打印机等。字符设备的基本特征是传输速率较低，通常每秒钟为几个字节到数备的基本特征是传输速率较低，通常每秒钟为几个字节到数千个字节；不可寻
10、址，即不能指定输入时的源地址以及输出千个字节；不可寻址，即不能指定输入时的源地址以及输出时的目标地址；在时的目标地址；在I/O操作时，常采用中断驱动方式。操作时，常采用中断驱动方式。操作系统教程课件第8页机械工业出版社5.2.1 5.2.1 输输入入/输输出系出系统结统结构构 (3)按设备的共享属性分类按设备的共享属性分类按设备的共享属性可将设备分为三类。第一类是独按设备的共享属性可将设备分为三类。第一类是独占型设备，在一段时间内只能被一个作业独占使用，例占型设备，在一段时间内只能被一个作业独占使用，例如，输入机、磁带机和打印机等。独占型设备通常采用如，输入机、磁带机和打印机等。独占型设备通常
11、采用静态分配方式，即在一个作业执行前，将作业需要使用静态分配方式，即在一个作业执行前，将作业需要使用的这类设备分配给作业，在作业执行期间独占该设备，的这类设备分配给作业，在作业执行期间独占该设备，直到作业结束才释放。第二类是共享型设备，在一段时直到作业结束才释放。第二类是共享型设备，在一段时间内允许几个作业同时使用，例如，磁盘，对共享型设间内允许几个作业同时使用，例如，磁盘，对共享型设备允许多个作业同时使用，即一段时间内多个作业可以备允许多个作业同时使用，即一段时间内多个作业可以交替地启动共享设备，但在每一时刻仍只有一个作业占交替地启动共享设备，但在每一时刻仍只有一个作业占用。第三类是虚拟设备
12、，通过虚拟技术用共享型设备来用。第三类是虚拟设备，通过虚拟技术用共享型设备来模拟独占型设备的工作。模拟独占型设备的工作。操作系统教程课件第9页机械工业出版社5.2.1 5.2.1 输输入入/输输出系出系统结统结构构 2.设备控制器设备控制器（1）接口线路）接口线路通常，外围设备并不是直接与通常，外围设备并不是直接与CPU进行通信，而是进行通信，而是与设备控制器通信。在设备与设备控制器之间有一个接与设备控制器通信。在设备与设备控制器之间有一个接口，通过数据线、控制线和状态线传输数据、控制和状口，通过数据线、控制线和状态线传输数据、控制和状态三种类型信号，如态三种类型信号，如图图5-2所示。所示。
13、操作系统教程课件第10页机械工业出版社5.2.1 5.2.1 输输入入/输输出系出系统结统结构构 （1 1）数据信号）数据信号线线 数数据据信信号号线线用用于于设设备备和和设设备备控控制制器器之之间间数数据据信信号号的的传传送。送。（2 2）控制信号）控制信号线线 控控制制信信号号线线作作为为设设备备控控制制器器与与I/OI/O设设备备之之间间控控制制信信号号的的传传送通道。送通道。（3 3）状）状态态信号信号线线 状状态态信信号号线线用用于于传传送送指指示示设设备备当当前前状状态态的的信信号号。设设备备的当前状的当前状态态有正在有正在读读、正在写、正在写、设备设备已完成等。已完成等。操作系统
14、教程课件第11页机械工业出版社5.2.1 5.2.1 输输入入/输输出系出系统结统结构构 设设备备控控制制器器位位于于CPUCPU与与设设备备之之间间，控控制制一一个个或或多多个个I/OI/O设设备备，以以实实现现I/OI/O设设备备和和主主机机之之间间的的数数据据交交换换。设设备备控控制制器器既既要要与与CPUCPU通通信信，又又要要与与设设备备通通信信，由由它它接接受受从从CPUCPU发发出出的的命命令令，并并控控制制I/OI/O设设备备的的工工作作，是是CPUCPU与与I/OI/O设设备备之之间间的的接接口口，能能有有效地将效地将CPUCPU从从设备设备控制事控制事务务中解脱出来。中解脱
15、出来。设设备备控控制制器器分分为为两两类类：控控制制字字符符设设备备的的控控制制器器和和控控制制块块设设备备的的控控制制器器。设设备备控控制制器器是是一一个个可可编编址址设设备备，它它含含有有多多少少个个设设备备地地址址，就就可可以以连连接接多多少少个个同同类类型型设设备备，并并且且为为它它所所控控制制的的每每一一个个设设备备分分配配了了一一个个地地址址。微微型型计计算算机机和和小小型型计计算算机机中中的的控控制制器器，往往往往做做成成印印制制电电路路卡卡形形式式，常常被被称称为为接接口口卡卡，插入插入计计算机，可控制一个、两个、四个或八个同算机，可控制一个、两个、四个或八个同类类型型设备设备
16、。操作系统教程课件第12页机械工业出版社5.2.1 5.2.1 输输入入/输输出系出系统结统结构构 (2)设备控制器的基本功能设备控制器的基本功能设备控制器的基本功能包括以下几方面。设备控制器的基本功能包括以下几方面。接受和识别命令。设备控制器接受并识别接受和识别命令。设备控制器接受并识别CPU向控制向控制器发出的多种不同命令。为此，在设备控制器中应具有相应器发出的多种不同命令。为此，在设备控制器中应具有相应的控制寄存器，用来存放接受的命令和参数，并对所接受的的控制寄存器，用来存放接受的命令和参数，并对所接受的命令进行译码。命令进行译码。数据交换。设备控制器实现数据交换。设备控制器实现CPU与
17、控制器、控制器与与控制器、控制器与设备之间的数据交换。设备之间的数据交换。CPU与控制器之间的数据交换是通过与控制器之间的数据交换是通过数据总线，由数据总线，由CPU并行地把数据写入控制器中，或从控制器并行地把数据写入控制器中，或从控制器中并行地读出数据。控制器与设备之间的数据交换，则是设中并行地读出数据。控制器与设备之间的数据交换，则是设备将数据输入到控制器，或从控制器传送到设备。为此，在备将数据输入到控制器，或从控制器传送到设备。为此，在控制寄存器中必须设置数据寄存器。控制寄存器中必须设置数据寄存器。操作系统教程课件第13页机械工业出版社5.2.1 5.2.1 输输入入/输输出系出系统结统
18、结构构 表示和报告设备的状态。设备控制器应记录外围设备表示和报告设备的状态。设备控制器应记录外围设备的工作状态。例如，仅当设备处于发送就绪状态时，的工作状态。例如，仅当设备处于发送就绪状态时，CPU才才能启动设备控制器从设备中读出数据。为此，在设备控制器能启动设备控制器从设备中读出数据。为此，在设备控制器中应设置一个状态寄存器，其中的每一位表示设备的某一种中应设置一个状态寄存器，其中的每一位表示设备的某一种状态，状态，CPU通过读入状态寄存器的值，可掌握该设备的当前通过读入状态寄存器的值，可掌握该设备的当前状态，做出正确判断，发出操作指令。状态，做出正确判断，发出操作指令。地址识别。为了识别不
19、同的设备，系统中的每个设备地址识别。为了识别不同的设备，系统中的每个设备都有一个惟一的地址，而设备控制器必须能够识别它所控制都有一个惟一的地址，而设备控制器必须能够识别它所控制的每个设备的地址。例如，在的每个设备的地址。例如，在IBMPC机中规定，硬盘控制机中规定，硬盘控制器中寄存器的地址在器中寄存器的地址在32032F之中。为使之中。为使CPU能向能向(或从或从)寄寄存器中正确写入存器中正确写入(或读出或读出)数据，必须做到正确识别。为此，数据，必须做到正确识别。为此，在设备控制器中应配置地址译码器。在设备控制器中应配置地址译码器。操作系统教程课件第14页机械工业出版社5.2.1 5.2.1
20、 输输入入/输输出系出系统结统结构构 数据缓冲。为了解决高速的数据缓冲。为了解决高速的CPU与慢速的与慢速的I/O设备之设备之间速度不匹配的问题，在设备控制器中必须设置缓冲器。间速度不匹配的问题，在设备控制器中必须设置缓冲器。差错控制。设备控制器还负责对由差错控制。设备控制器还负责对由I/O设备传送来的设备传送来的数据进行差错检测。如果发现在传送中出现错误，则通常将数据进行差错检测。如果发现在传送中出现错误，则通常将差错检测码置位，并向差错检测码置位，并向CPU报告，为保证数据的正确性，报告，为保证数据的正确性，CPU重新进行一次传送。重新进行一次传送。操作系统教程课件第15页机械工业出版社5
21、.2.1 5.2.1 输输入入/输输出系出系统结统结构构 (3)设备控制器的组成设备控制器的组成设备控制器一般由设备控制器与设备控制器一般由设备控制器与CPU接口、设备控制器接口、设备控制器与设备接口以及与设备接口以及I/O逻辑三部分组成，如逻辑三部分组成，如图图5-3所示。所示。操作系统教程课件第16页机械工业出版社5.2.1 5.2.1 输输入入/输输出系出系统结统结构构 设备控制器与设备控制器与CPU的接口。该接口通过数据线、地址线和的接口。该接口通过数据线、地址线和控制线实现控制线实现CPU与设备控制器之间的通信。数据线通常与数据寄与设备控制器之间的通信。数据线通常与数据寄存器、控制状
22、态寄存器相连接。存器、控制状态寄存器相连接。设备控制器与设备的接口。一个设备控制器可以有一个或设备控制器与设备的接口。一个设备控制器可以有一个或多个设备接口，一个接口连接一台设备，在每个接口中都存在数据、多个设备接口，一个接口连接一台设备，在每个接口中都存在数据、控制和状态三种类型的信号。设备控制器中的控制和状态三种类型的信号。设备控制器中的I/O逻辑根据逻辑根据CPU发发来的地址信号选择一个设备接口。来的地址信号选择一个设备接口。I/O逻辑。设备控制器中的逻辑。设备控制器中的I/O逻辑用于实现对设备的控制。逻辑用于实现对设备的控制。通过一组控制线与通过一组控制线与CPU交互，交互，CPU利用
23、该逻辑向控制器发出利用该逻辑向控制器发出I/O命命令；令；I/O逻辑对收到的命令进行译码。当逻辑对收到的命令进行译码。当CPU要启动一个设备时，要启动一个设备时，一方面将启动命令发送给控制器；同时通过地址线把地址发送给控一方面将启动命令发送给控制器；同时通过地址线把地址发送给控制器，由控制器的制器，由控制器的I/O逻辑对收到的地址进行译码，再根据所译出逻辑对收到的地址进行译码，再根据所译出的命令对所选设备进行控制。的命令对所选设备进行控制。操作系统教程课件第17页机械工业出版社5.2.1 5.2.1 输输入入/输输出系出系统结统结构构 3.3.通道通道 为为了了获获得得CPUCPU与与外外围围
24、设设备备之之间间更更高高的的并并行行工工作作能能力力，也也为为了了让让种种类类繁繁多多、物物理理特特性性各各异异的的外外围围设设备备能能以以标标准准的的接接口口连连接接到到系系统统中中，计计算算机机系系统统在在CPUCPU与与设设备备控控制制器器之之间间增增设设了了自自成成独独立立体体系系的的通通道道结结构构，这这不不仅仅使使数数据据的的传传送送独独立立于于CPUCPU，而而且且对对I/OI/O操操作作的的组组织织、管理及其管理及其处处理也尽量独立，使理也尽量独立，使CPUCPU有更多的有更多的时间进时间进行数据行数据处处理。理。通通道道又又称称输输入入/输输出出处处理理机机。它它具具有有执执
25、行行I/OI/O指指令令的的能能力力，并并通通过过执执行行通通道道程程序序来来控控制制I/OI/O操操作作，完完成成主主存存储储器器和和外外围围设设备备之之间间的的信信息息传传送送。采采用用通通道道技技术术主主要要解解决决了了输输入入/输输出出操操作作的的独独立立性性和和各各部部件件工工作作的的并并行行性性，实实现现了了外外围围设设备备与与CPUCPU之之间间的的并并行行操操作作，通通道道与与通通道道之之间间的的并并行行操操作作，各各个个通通道道上上的的外外围围设设备备之之间间的的并并行行操操作，提高了整个系作，提高了整个系统统效率。效率。具具有有通通道道装装置置的的计计算算机机系系统统，主主
26、机机、通通道道、设设备备控控制制器器和和设设备备之之间间采采用用四四级级连连接接，实实施施三三级级控控制制。通通常常，一一个个中中央央处处理理器器可可以以连连接接若若干干通通道道，一一个个通通道道可可以以连连接接若若干干个个控控制制器器，一一个个控控制制器器可以可以连连接若干台接若干台设备设备。操作系统教程课件第18页机械工业出版社5.2.1 5.2.1 输输入入/输输出系出系统结统结构构 根根据据信信息息交交换换方方式式的的不不同同，通通道道可可分分为为三三种种类类型型：字字节节多路通道、数多路通道、数组选择组选择通道和数通道和数组组多路通道。多路通道。（1 1）字）字节节多路通道（多路通道
27、（Byte Multiplexor ChannelByte Multiplexor Channel）字字节节多多路路通通道道是是一一种种按按字字节节为为单单位位以以交交叉叉方方式式工工作作的的通通道道。它它通通常常含含有有许许多多非非分分配配型型子子通通道道，其其数数量量可可达达数数百百个个，每每一一个个子子通通道道连连接接一一台台I/OI/O设设备备，并并控控制制该该设设备备的的输输入入/输输出出操操作作，这这些些子子通通道道按按时时间间片片轮轮转转方方式式共共享享主主通通道道，如如图图4-44-4所所示示。字字节节多多路路通通道道主主要要用用于于连连接接大大量量的的低低速速外外围围设设备备
28、，如如软软盘盘输输入入输输出出机机、纸纸带带输输入入输输出出机机、卡卡片片输输入入输输入入机机、控控制制台打印机等台打印机等设备设备。操作系统教程课件第19页机械工业出版社5.2.1 5.2.1 输输入入/输输出系出系统结统结构构操作系统教程课件第20页图5-4 字节多路通道的工作原理机械工业出版社5.2.1 输入/输出系统结构 （2 2）数）数组选择组选择通道（通道（Block Selector ChannelBlock Selector Channel）数数组组选选择择通通道道以以块块为为单单位位成成批批传传送送数数据据。它它只只含含有有一一个个分分配配型型子子通通道道，在在一一段段时时间
29、间内内只只能能执执行行一一道道通通道道程程序序，控控制制一一台台设设备备进进行行数数据据传传送送，致致使使当当某某台台设设备备占占用用该该通通道道后后，便便一一直直独独占占使使用用，即即使使无无数数据据传传送送，通通道道被被闲闲置置，也也不不允允许许其其它它设设备备使使用用该该通通道道，直直至至设设备备释释放放该该通通道道。可可见见，数数组组选选择择通通道道可可以以连连接接多多台台高高速速设设备备，每每次次传传送送一一批批数数据据，传传送速度高，但通道的利用率很低，如磁送速度高，但通道的利用率很低，如磁带带机、磁机、磁盘盘机等机等设备设备。操作系统教程课件第21页机械工业出版社5.2.1 5.
30、2.1 输输入入/输输出系出系统结统结构构 （3 3）数）数组组多路通道（多路通道（Block Multiplexor ChannelBlock Multiplexor Channel）数数组组多路通道是将数多路通道是将数组选择组选择通道通道传输传输速率高与字速率高与字节节多路多路通道能使各子通道通道能使各子通道(设备设备)分分时时并行操作的并行操作的优优点相点相结结合而形成合而形成的一种新通道。它含有多个非分配型子通道，以分的一种新通道。它含有多个非分配型子通道，以分时时方式同方式同时执时执行几道通道程序，因而数行几道通道程序，因而数组组多路通道既具有很高的数据多路通道既具有很高的数据传输传
31、输速率，又能速率，又能获获得令人得令人满满意的通道利用率。数意的通道利用率。数组组多路通道多路通道的的实质实质是是对对通道程序采用多道程序通道程序采用多道程序设计设计技技术术的硬件的硬件实现实现。操作系统教程课件第22页机械工业出版社5.2.1 5.2.1 输输入入/输输出系出系统结统结构构 由于通道的成本高，在系由于通道的成本高，在系统统中通道数量有限，中通道数量有限，这这往往成往往成为为I/O的瓶的瓶颈颈，造成整个系，造成整个系统统的吞吐量降低。如的吞吐量降低。如图图5-5所示所示单单通路通路I/O系系统统，为为了了驱动设备驱动设备1，必，必须连须连通控制器通控制器1和通道和通道1，若通道
32、，若通道1已被其他已被其他设备设备（如（如设备设备2，设备设备3或或设备设备4）所占用）所占用或存在故障，或存在故障，则设备则设备1无法启无法启动动，这这就是由于通道不足而造就是由于通道不足而造成成输输入入/输输出操作中的出操作中的“瓶瓶颈颈”现现象。解决象。解决“瓶瓶颈颈”问题问题的最有效的最有效办办法，便是增加法，便是增加设备设备到主机之到主机之间间的通路而不增加通道，如的通路而不增加通道，如图图5-6所示，即把一个所示，即把一个设备连设备连接到多个控制器上，而一个控制接到多个控制器上，而一个控制器又器又连连接到多个通道上，接到多个通道上，实现实现多路交叉多路交叉连连接，即使个接，即使个别
33、别通道通道或控制器出或控制器出现现故障故障时时，也不会使，也不会使设备设备和存和存储储器之器之间间没有通路。没有通路。多通路方式不多通路方式不仅仅解决了解决了“瓶瓶颈颈”问题问题，而且提高了系，而且提高了系统统的可靠的可靠性。性。操作系统教程课件第23页机械工业出版社5.2.1 5.2.1 输输入入/输输出系出系统结统结构构操作系统教程课件第24页图5-5 单通路I/O系统机械工业出版社5.2.1 5.2.1 输输入入/输输出系出系统结统结构构操作系统教程课件第25页图5-6 多通路I/O系统机械工业出版社5.2.1 5.2.1 输输入入/输输出系出系统结统结构构 在一个在一个计计算机系算机系
34、统统中，由于外中，由于外围设备围设备种种类类繁多，繁多，为为了了获获得更高的得更高的输输入入/输输出效率，可能同出效率，可能同时时存在多种存在多种类类型的通道。型的通道。图图5-75-7中示出了一个中示出了一个IBM-370IBM-370系系统统的的结结构，它包括上述三种构，它包括上述三种类类型通道。型通道。操作系统教程课件第26页机械工业出版社5.2.1 5.2.1 输输入入/输输出系出系统结统结构构 4.4.总线总线系系统统 计计算机系算机系统统中的各个部件，如中央中的各个部件，如中央处处理器、存理器、存储储器以及器以及各种各种I/OI/O设备设备通通过总线实现过总线实现各种信息的各种信息
35、的传递传递，如，如图图5-85-8所示。所示。总线总线的性能通的性能通过总线过总线的的时钟频时钟频率、率、带宽带宽和相和相应应的的总线传输总线传输速速率等指率等指标标来衡量。随着来衡量。随着计计算机的算机的CPUCPU和主存速率的提高，字和主存速率的提高，字长长的增加，以及新型的增加，以及新型设备设备的推出，不断地推的推出，不断地推动动着着总线总线的的发发展，展，由早期的由早期的ISAISA总线发总线发展展为为EISAEISA总线总线、VESAVESA总线总线，以及，以及现现在广在广为为流行的流行的PCIPCI总线总线。操作系统教程课件第27页机械工业出版社5.2.2I/O控制方式控制方式 为
36、了有效地实现物理为了有效地实现物理I/O操作，必须通过硬件和软件技操作，必须通过硬件和软件技术，对术，对CPU和和I/O设备的职能进行合理的分工，以调节系统设备的职能进行合理的分工，以调节系统性能和硬件成本之间的矛盾。性能和硬件成本之间的矛盾。随着计算机技术的发展，随着计算机技术的发展，I/O控制方式也在不断地发展。控制方式也在不断地发展。选择和衡量选择和衡量I/O控制方式有如下控制方式有如下3条原则：条原则：（1）数据传输速度足够高，能满足用户的需要但又不丢）数据传输速度足够高，能满足用户的需要但又不丢失数据；失数据；（2）系统开销小，所需的处理控制程序少；）系统开销小，所需的处理控制程序少
37、；（3）能充分发挥硬件资源的能力，使）能充分发挥硬件资源的能力，使I/O设备尽可能忙，设备尽可能忙，而而CPU等待时间尽可能少。等待时间尽可能少。操作系统教程课件第28页机械工业出版社5.2.2I/O控制方式控制方式 按照按照I/O控制器功能的强弱以及和控制器功能的强弱以及和CPU之间联系方式之间联系方式的不同，可以把的不同，可以把I/O设备的控制方式分为四类：直接程序设备的控制方式分为四类：直接程序控制方式、中断驱动控制方式、直接存储器访问控制方式、中断驱动控制方式、直接存储器访问(DMA)控制方式和通道控制方式。控制方式和通道控制方式。I/O控制方式发展的目标是尽控制方式发展的目标是尽量减
38、少主机对量减少主机对I/O控制的干预，把主机从繁杂的控制的干预，把主机从繁杂的I/O控制控制事务中解脱出来，更多地进行数据处理，提高计算机效事务中解脱出来，更多地进行数据处理，提高计算机效率和资源的利用率。它们之间的主要差别在于率和资源的利用率。它们之间的主要差别在于CPU与外与外围设备并行工作的方式不同，并行工作的程度不同。围设备并行工作的方式不同，并行工作的程度不同。操作系统教程课件第29页机械工业出版社5.2.2I/O控制方式控制方式 1 1直接程序控制方式直接程序控制方式 直直接接程程序序控控制制方方式式由由用用户户进进程程直直接接控控制制主主存存或或CPUCPU和和外外围围设设备备之
39、之间间的的信信息息传传送送。通通过过输输入入/输输出出指指令令或或询询问问指指令令测测试试I/OI/O设设备备的的忙忙/闲闲标标志志位位，决决定定主主存存储储器器与与外外围围设设备备之之间间是否交是否交换换一个字符或一个字。一个字符或一个字。操作系统教程课件第30页机械工业出版社5.2.2I/O控制方式控制方式 当当用用户户进进程程需需要要输输入入数数据据时时，通通过过CPUCPU向向控控制制器器发发出出一一条条I/OI/O指指令令，启启动动设设备备输输入入数数据据，同同时时把把状状态态寄寄存存器器中中的的忙忙/闲闲状状态态busybusy置置为为“1 1”，用用户户进进程程进进入入测测试试等
40、等待待状状态态，在在等等待待过过程程中中，CPUCPU不不断断地地用用一一条条测测试试指指令令检检查查外外围围设设备备状状态态寄寄存存器器中中的的busybusy位位，而而外外围围设设备备只只有有在在数数据据送送入入控控制制器器的的数数据据寄寄存存器器之之后后，才才将将该该busybusy位位置置为为“0 0”，于于是是处处理理器器将将数数据据寄寄存存器器中中的的数数据据取取出出，送送入入主主存存指指定定单单元元中中，完完成成一一个个字字符符的的输输入入/输输出出，接着接着进进行下一个数据的行下一个数据的输输入入/输输出操作，如出操作，如图图5-95-9所示。所示。直直接接程程序序控控制制方方
41、式式虽虽然然简简单单，不不需需要要多多少少硬硬件件的的支支持持，但但由由于于高高速速的的CPUCPU和和低低速速的的I/OI/O设设备备之之间间的的速速度度不不匹匹配配，因因此此，CPUCPU与与外外围围设设备备只只能能串串行行工工作作，使使CPUCPU的的绝绝大大部部分分时时间间都都处处于于等等待待是是否否完完成成输输入入/输输出出操操作作的的循循环环测测试试中中，造造成成CPUCPU的的极极大大浪浪费费，外外围围设设备备也也不不能能得得到到合合理理的的使使用用，整整个个系系统统的的效效率率很很低低。直直接接程程序序控控制制方方式式只只适适合合于于CPUCPU执执行行速速度度较较慢慢，且且外
42、外围围设设备较备较少的系少的系统统。操作系统教程课件第31页机械工业出版社5.2.2I/O控制方式控制方式 2 2中断中断驱动驱动控制方式控制方式 为为了了减减少少程程序序直直接接控控制制方方式式中中CPUCPU的的等等待待时时间间以以及及提提高高系系统统的的并并行行程程度度，系系统统引引入入了了中中断断机机制制。中中断断机机制制引引入入后后，外外围围设设备备仅仅当当操操作作正正常常结结束束或或异异常常结结束束时时才才向向中中央央处处理理机机发发出出中中断断请请求求。在在I/OI/O设设备备输输入入每每个个数数据据的的过过程程中中，由由于于无无须须CPUCPU干干预预，一一定定程程度度上上实实
43、现现了了CPUCPU与与I/OI/O设设备备的的并并行行工工作作。仅仅当当输输入入/输输出出完完一一个个数数据据时时，才才需需CPUCPU花花费费极极短短的的时时间间做做中中断断处处理理，如如图图4-104-10所所示示。显显然然，这这样样可可使使CPUCPU和和I/OI/O设设备备都都处处于于忙忙碌碌状状态态，从从而而提提高高了了整整个个系系统统的的资资源源利利用用率率及及吞吞吐吐量量。例例如如，从从终终端端输输入入一一个个字字符符的的时时间间约约为为100 100 msms，而而将将字字符符送送入入终终端端缓缓冲冲区区的的时时间间小小于于 0.1 0.1 msms。若若采采用用程程序序I/
44、OI/O控控制制方方式式，CPUCPU约约有有 99.9 99.9 msms的的时时间间处处于于等等待待中中。采采用用中中断断驱驱动动方方式式后后，CPUCPU可可利利用用这这 99.9 99.9 msms的的时时间间去去做做其其它它事事情情，而而仅仅用用 0.1 0.1 msms的的时时间间来来处处理理由由控控制制器器发发来来的的中中断断请请求求。可可见见，中中断断驱驱动动方方式式可可以以成成百百倍倍地地提提高高CPUCPU的的利利用用率率。但但是是由由于于输输入入/输输出出操操作作直直接接由由CPUCPU控控制制，每每传传送送一一个个字字符符或或一一个个字字，都都要要发发生生一一次次中中断
45、断，仍仍然然占占用用了了大大量量的的CPUCPU处处理理时时间间，可可以以通通过过为为外外围围设设备备增增加加缓缓冲冲寄寄存存器存放数据，大大减少中断次数。器存放数据，大大减少中断次数。操作系统教程课件第32页机械工业出版社5.2.2I/O控制方式控制方式操作系统教程课件第33页图5-10 中断驱动方式流程机械工业出版社5.2.2I/O控制方式控制方式 上述两种方法的特点都是以上述两种方法的特点都是以CPU为为中心，数据中心，数据传输传输通通过过一段程序来一段程序来实现实现，软软件的件的传输传输手段限制了数据手段限制了数据传传送的速送的速度。而下面两种方式采用硬件的方法来度。而下面两种方式采用
46、硬件的方法来实现实现I/O的控制。的控制。操作系统教程课件第34页机械工业出版社5.2.2I/O控制方式控制方式 3 3直接存直接存储储器存取方式（器存取方式（Direct Memory AccessDirect Memory Access，DMADMA）直接存直接存储储器存取方式又称器存取方式又称DMA方式。方式。为为了了进进一步减少一步减少CPU对输对输入入/输输出的干出的干预预，防止并行操作，防止并行操作设备过设备过多多CPU来不及来不及处处理或因速度不匹配而造成的数据理或因速度不匹配而造成的数据丢丢失失现现象，而引入象，而引入DMA控控制方式。它不制方式。它不仅设仅设有中断机构，而且增
47、加了有中断机构，而且增加了DMA控制机构。控制机构。在在DMA控制器的控制下，采用窃取或挪用控制器的控制下，采用窃取或挪用总线总线控制控制权权，占用，占用CPU的一个工作周期把数据的一个工作周期把数据缓缓冲器中的数据直接送到主存地址冲器中的数据直接送到主存地址寄存器所指向的主存区域中，在寄存器所指向的主存区域中，在设备设备和主存之和主存之间间开辟直接数据开辟直接数据交交换换通道，成批地交通道，成批地交换换数据，而不必数据，而不必CPU的干的干预预，DMA控制控制方式的工作流程如方式的工作流程如图图5-11所示。所示。该该方式的特点有：方式的特点有：数据数据传输传输以数据以数据块为块为基本基本单
48、单位；位；所所传传送的数据从送的数据从设备设备直接送入主存，或者从主存直接直接送入主存，或者从主存直接输输出到出到设设备备上；上；仅仅在在传传送一个或多个数据送一个或多个数据块块的开始和的开始和结结束束时时，才需，才需CPU的干的干预预，而整，而整块块数据的数据的传传送送则则是在控制器的控制下完成。是在控制器的控制下完成。可可见见，DMA控制方式与中断控制方式与中断驱动驱动方式相比，减少了方式相比，减少了CPU对输对输入入/输输出的干出的干预预，进进一步提高了一步提高了CPU与与I/O设备设备的并行操作程的并行操作程度。度。操作系统教程课件第35页机械工业出版社5.2.2I/O控制方式控制方式
49、操作系统教程课件第36页图5-11 DMA控制方式机械工业出版社5.2.2I/O控制方式控制方式 DMADMA的操作全部由硬件的操作全部由硬件实现实现，不影响，不影响CPUCPU寄存器的状寄存器的状态态。为为了了实现实现在主机与控制器之在主机与控制器之间间成成块块数据的直接交数据的直接交换换，在，在DMADMA控制器中控制器中设设置了如下四置了如下四类类寄存器：寄存器：(1)(1)命令命令/状状态态寄存器寄存器CRCR，用于接收从，用于接收从CPUCPU发发来的来的I/OI/O命令或有命令或有关控制信息，关控制信息，或或设备设备的状的状态态。(2)(2)内存地址寄存器内存地址寄存器MARMAR
50、，在，在输输入入时时，它存放把数据从，它存放把数据从设备传设备传送到内存的起始目送到内存的起始目标标地址；在地址；在输输出出时时，它存放由内存到，它存放由内存到设备设备的内的内存源地址。存源地址。(3)(3)数据寄存器数据寄存器DRDR，用于，用于暂暂存从存从设备设备到内存，或从内存到到内存，或从内存到设备设备的数据。的数据。(4)(4)数据数据计计数器数器DCDC，存放本次，存放本次CPUCPU要要读读或写的字或写的字(节节)数。数。DMA DMA控制方式控制方式线线路路简单简单，价格低廉，适合高速，价格低廉，适合高速设备设备与主存之与主存之间间的成批数据的成批数据传输传输，小型、微型机中的