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1、1 第第4 4章章 设备管理设备管理设设备备管管理理是是指指计计算算机机系系统统中中除除了了CPU和和内内存存以以外外的其它所有设备的管理。的其它所有设备的管理。除除了了进进行行实实际际I/O操操作作的的设设备备之之外外，也也包包括括了了诸诸如如设设备备控控制制器器、DMA控控制制器器、中中断断控控制制器器、I/O处处理机等支持设备。理机等支持设备。在在实实际际使使用用过过程程中中，外外围围设设备备的的种种类类繁繁多多，功功能能各各异异，管管理理复复杂杂。如如何何有有效效而而又又方方便便地地使使用用这这些些设备是设备管理的重要任务。设备是设备管理的重要任务。设设备备管管理理是是操操作作系系统统
2、的的重重要要和和基基本本的的组组成成部部分分，对设备管理的好坏，直接影响系统的效率。对设备管理的好坏，直接影响系统的效率。2023/5/2324.1.设备管理概述 4.2.I/O控制方式 4.3.缓冲技术 4.4.设备分配 4.5.WINDOWS 2003 Server 的I/O系统 4.6.本章小结2023/5/233411设备的分类设备的分类n计计算算机机系系统统的的外外围围设设备备包包括括：显显示示器器、键键盘盘、纸纸带带阅阅读读器器、纸纸带带穿穿孔孔机机、打打印印机机、磁磁带带、磁磁盘盘、光光盘盘、激激光光打打印印机机、绘绘图图仪仪、图图形形数数字字化化仪仪、鼠鼠标标器器、声声音音输输
3、入入、声声音音输输出出设设备备以以及及办办公公自自动动化化设设备备等等等等，种种类类相相当当繁繁多多，可可从从不不同同的的角角度度对对它它们进行分类。们进行分类。4.1 设备管理概述设备管理概述2023/5/234n系系统统设设备备：在在操操作作系系统统生生成成时时已已登登记记于于系系统统的的标标准准设设备备，一一般般至至少少有有键键盘盘、显显示示器器、打打印印机机、磁磁盘或磁带设备等。盘或磁带设备等。n用户设备：在系统生成时并没有登入系统的非标用户设备：在系统生成时并没有登入系统的非标准设备，一般由用户提供设备及其处理程序，并准设备，一般由用户提供设备及其处理程序，并通过适当的手段把它们纳入
4、系统中，通过适当的手段把它们纳入系统中，由系统实施由系统实施管理。例如实时测控系统中的各种管理。例如实时测控系统中的各种A/D、D/A转转换器，图像处理系统中的图像设备，换器，图像处理系统中的图像设备，CAD系统所系统所需的专用设备等。需的专用设备等。1设备的从属关系分类设备的从属关系分类2023/5/235n块块设设备备：指指以以数数据据块块为为单单位位来来组组织织和和传传送送数数据据的的设备，如磁盘、磁带等。设备，如磁盘、磁带等。n字字符符设设备备：指指以以单单个个字字符符为为单单位位来来传传送送信信息息的的设设备，如终端、打印机等。备，如终端、打印机等。2设备中的数据组织方式分类设备中的
5、数据组织方式分类2023/5/236n存存储储设设备备：磁磁带带、磁磁盘盘（软软盘盘、硬硬盘盘）、光光盘盘、其它（磁鼓等）。其它（磁鼓等）。n输输入入输输出出设设备备：键键盘盘、打打印印机机、显显示示器器、图图形形输输入入输输出出设设备备、图图像像输输入入输输出出设设备备、绘绘图图仪仪、声声音音输入输出设备、网卡、其它。输入输出设备、网卡、其它。n终终端端设设备备：通通用用终终端端（会会话话型型、批批量量型型、智智能能型型）、多用终端、虚终端。、多用终端、虚终端。3按设备的使用特性分类按设备的使用特性分类2023/5/237n独独占占设设备备:这这类类设设备备在在用用户户作作业业的的整整个个运
6、运行行期期间间必必须须为为此此用用户户所所占占有有，才才能能保保证证传传送送设设备备的的连连贯贯性性。大大多多数数低低速速I/O设设备备，如如用用户户终终端端、打打印印机机、纸纸带带输输入入机机等等均均属属于于这这类设备。类设备。n共共享享设设备备:这这类类设设备备通通常常指指磁磁盘盘这这类类直直接接存存取取设设备备，很很容容易易被被多多个个用用户户所所共共享享。实实际际上上是是几几个个进进程程或或作作业业交交替替地地对它们进行读写，而宏观上看是同时对它们进行访问。对它们进行读写，而宏观上看是同时对它们进行访问。n虚虚拟拟设设备备:在在一一类类设设备备上上模模拟拟另另一一类类设设备备，常常用用
7、共共享享设设备备模模拟拟独独占占设设备备，用用高高速速设设备备模模拟拟低低速速设设备备，被被模模拟拟的的设设备称为虚备称为虚拟拟设备。设备。4按资源分配的角度分类按资源分配的角度分类2023/5/238n为将慢速的独占设备改造成多个用户可共享的设为将慢速的独占设备改造成多个用户可共享的设备，以提高设备的利用率，可借助于假脱机技术备，以提高设备的利用率，可借助于假脱机技术（Spooling）。）。nSpooling 技术的基本思想是：当某作业或进程技术的基本思想是：当某作业或进程请求分配独占设备时，系统就分配给它共享设备请求分配独占设备时，系统就分配给它共享设备中的某一部分，使其与独占设备相关联
8、。中的某一部分，使其与独占设备相关联。2023/5/239n例例如如用用磁磁盘盘中中的的某某一一部部分分代代替替打打印印机机，程程序序欲欲打打印印输输出出的的信信息息先先写写入入磁磁盘盘的的这这部部分分存存储储空空间间中中，适适当当的的时时候候，例例如如打打印印机机空空闲闲时时，再再从从盘盘中中取取出出该该信信息息交交由由打打印印机机输输出出。这这样样，用用户户或或进进程程是是直直接接和和磁磁盘盘打打交交道道，而而间间接接地地使使用用打打印印机机。由由于于磁磁盘盘的的存存取取速速度度远远高高于于打打印印机机的的打打印印速速度度，而而且且磁磁盘盘是是可可共共享享的的，所所以以，对对用用户户来来说
9、说似似乎乎有有了了一一台台高速的可共享的打印机。高速的可共享的打印机。2023/5/2310I/O系统的结构CPU磁盘控制器磁盘控制器存储器存储器打印机打印机控制器控制器其他控制器其他控制器一、微型机I/O系统：总线结构磁盘驱动器磁盘驱动器打印机打印机2023/5/2311二、主机系统输入输出结构在一台通用的计算机系统中，通过输入输出控制在一台通用的计算机系统中，通过输入输出控制系统完成外围设备与主存储器之间的信息传送。各种系统完成外围设备与主存储器之间的信息传送。各种外围设备连接在相应的设备控制器上，这些设备控制外围设备连接在相应的设备控制器上，这些设备控制器又通过通道连接在公共的系统总线上
10、。器又通过通道连接在公共的系统总线上。I/OI/O系统共分系统共分为为4 4级：最低级为级：最低级为I/OI/O设备，次低级为设备控制器，次设备，次低级为设备控制器，次高级为高级为I/OI/O通道，最高级是主机。通道，最高级是主机。2023/5/2312 2023/5/2313 三.设备控制器设备控制器是设备控制器是CPU与与I/O设备的接口设备的接口(1)作用：接收从作用：接收从CPU发来的命令，控制发来的命令，控制I/O设备工作。设备工作。(2)功能：n接收和识别命令接收和识别命令n数据交换数据交换n设备状态的了解和报告设备状态的了解和报告n地址识别地址识别2023/5/2314nI/OI
11、/O设备一般由机械与电子线路两部分组成。设备一般由机械与电子线路两部分组成。为了使设计模块化、具有通用性，也为了降低为了使设计模块化、具有通用性，也为了降低设备成本，通常总是把这两部分分开：机械部设备成本，通常总是把这两部分分开：机械部称为设备本身，电子部分称为称为设备本身，电子部分称为“设备控制器设备控制器（或适配器）（或适配器）”。n设备控制器上有供插接用的连接器，通过电缆设备控制器上有供插接用的连接器，通过电缆与设备内部相连。由于设备控制器是电子设备，与设备内部相连。由于设备控制器是电子设备，工作速度快，因此很多工作速度快，因此很多设备控制器可以连接设备控制器可以连接2 2个、个、4 4
12、个、甚至个、甚至8 8个相同类型的设备。个相同类型的设备。2023/5/2315n每种每种I/O设备都要通过一个控制器和设备都要通过一个控制器和CPU相连相连。例如软磁盘。例如软磁盘通过软盘控制器和通过软盘控制器和CPU连接，打印机通过打印机控制器和连接，打印机通过打印机控制器和CPU连接。连接。n控制器是通过自己内部的若干个寄存器与控制器是通过自己内部的若干个寄存器与CPU进行通信的。进行通信的。有用作数据缓冲的数据寄存器；有用作保存设备状态信息供有用作数据缓冲的数据寄存器；有用作保存设备状态信息供CPU对外部设备进行测试的状态寄存器；还有用来保存对外部设备进行测试的状态寄存器；还有用来保存
13、CPU发出的命令以及各种参数的命令寄存器。发出的命令以及各种参数的命令寄存器。n为了标识这些寄存器，有的计算机系统把它们作为常规存储为了标识这些寄存器，有的计算机系统把它们作为常规存储器地址空间的一个部分来对待；有的计算机系统则给予它们器地址空间的一个部分来对待；有的计算机系统则给予它们专用的专用的I/O地址。比如图列出了地址。比如图列出了IBM PC机上某些控制器所配机上某些控制器所配置的置的I/O地址和相应的中断向量。地址和相应的中断向量。2023/5/23162023/5/2317n由由于于是是设设备备挂挂接接在在控控制制器器上上，因因此此要要让让设设备备做做输输入入/输输出出操操作作，
14、操操作作系系统统总总是是与与控控制制器器交交往往，而而不不是是与与设设备备交交往往。操操作作系系统统把把命命令令以以及及执执行行命命令令时时所所需需要要的的参参数数一一起起写写入入控控制制器器的的寄寄存存器器中中，以以实实现现输输入入/输输出出。在在控控制制器器接接受受了了一一条条命命令令后后，就就可可以以独独立立于于CPU去去完成命令指定的任务。完成命令指定的任务。2023/5/2318(3)设备控制器的组成n1.与处理机的接口与处理机的接口n2.与设备的接口与设备的接口n3.I/O逻辑逻辑2023/5/23191.设备备管理的目标(1)提高外围设备的利用效率提高外围设备的利用效率n设备管理
15、的首要目标是要提高外围设备的利用率，设备管理的首要目标是要提高外围设备的利用率，尽可能地提高外设之间，外设和尽可能地提高外设之间，外设和CPU之间的并行之间的并行程度，使系统中的各种设备尽可能地处于忙碌状程度，使系统中的各种设备尽可能地处于忙碌状态。态。412设备管理的目标和功能设备管理的目标和功能2023/5/2320n所谓方便，是指用户程序应该与给定的不同类型、所谓方便，是指用户程序应该与给定的不同类型、型号的设备无关，并且与具体设备的物理特性无型号的设备无关，并且与具体设备的物理特性无关，而方便的使用设备。关，而方便的使用设备。n所谓统一，是指对不同设备尽量能有统一的操作所谓统一，是指对
16、不同设备尽量能有统一的操作方式。方式。n方便和统一都要求操作系统去实现具体设备的物方便和统一都要求操作系统去实现具体设备的物理理I/O操作，而对用户程序屏蔽这些细节，呈现给操作，而对用户程序屏蔽这些细节，呈现给用户的是一种性能理想化的、操作简便的逻辑设用户的是一种性能理想化的、操作简便的逻辑设备。备。（2）为用户提供方便、统一的界面）为用户提供方便、统一的界面2023/5/2321n有有时时把把系系统统的的这这种种性性能能称称为为设设备备的的独独立立性性。例例如如对对于于用用户户的的同同一一个个程程序序，操操作作系系统统应应该该能能够够让让用用户户程程序序对对不不同同的的打打印印机机进进行行操
17、操作作，而而对对不不同同的的打打印印机机的的具具体体特特性性不不必必理理睬睬，且且用用户户程程序序也也不不必必修修改。改。2023/5/2322n为为实实现现设设备备的的有有效效管管理理和和用用户户方方便便使使用用，设设备备管管理一般应具备下述功能：理一般应具备下述功能：（1）设备分配设备分配n在多道程序环境中，多个用户和进程往往同时要在多道程序环境中，多个用户和进程往往同时要求使用同一个设备，按照设备的类型和系统中采求使用同一个设备，按照设备的类型和系统中采用的方法，决定把某个设备分配给哪一个要求该用的方法，决定把某个设备分配给哪一个要求该类设备的进程。类设备的进程。n在进行分配的同时还应分
18、配相应的控制器和通道，在进行分配的同时还应分配相应的控制器和通道，以保证设备与以保证设备与CPU之间能够传递信息，未能分配之间能够传递信息，未能分配到所需设备的进程，应排成一个队列，按一定的到所需设备的进程，应排成一个队列，按一定的次序等待使用设备。设备分配程序完成这一工作。次序等待使用设备。设备分配程序完成这一工作。2设备管理的功能设备管理的功能2023/5/2323n在在设设置置通通道道的的系系统统中中，其其I/O操操作作一一般般由由通通道道执执行行通通道道程程序序来来完完成成。因因此此，操操作作系系统统的的设设备备管管理理软软件件应应具具有有这这样样的的功功能能：根根据据用用户户提提出出
19、的的I/O要要求求，生生成成相相应应的的通通道道程程序序并并提提交交给给通通道道，然然后后用用专专门门的的通通道道指指令令启启动动通通道道对对指指定定设设备备进进行行I/O操操作作，并并能响应通道的中断请求。能响应通道的中断请求。n在未设置通道的系统中，由设备管理软件对设备在未设置通道的系统中，由设备管理软件对设备I/O请求做必要的处理，如设备分配、缓冲区分配请求做必要的处理，如设备分配、缓冲区分配，并直接对设备接口编程，然后驱动指定的设备，并直接对设备接口编程，然后驱动指定的设备进行进行I/O操作。操作。（2）实现物理）实现物理I/O操作操作2023/5/2324n设备管理程序应具有对缓冲区
20、进行管理的功能。设备管理程序应具有对缓冲区进行管理的功能。此外，为改善系统的可适应性和可扩展性，应此外，为改善系统的可适应性和可扩展性，应使用户程序与实际的设备无关。使用户程序与实际的设备无关。（3）实现其它功能）实现其它功能2023/5/2325n输入输出操作的控制方式一般有四种：输入输出操作的控制方式一般有四种：u查询方式查询方式u中断方式中断方式u直接内存存取方式直接内存存取方式u通道方式通道方式n它它们们的的主主要要差差别别在在于于处处理理器器和和外外设设并并行行工工作作的的方方式和程度的不同。式和程度的不同。42 I/O控制方式控制方式2023/5/2326n查询方式是最简单的查询方
21、式是最简单的I/O控制方式。控制方式。n在设备控制器中有两个寄存器，一个是在设备控制器中有两个寄存器，一个是状态寄存器状态寄存器，由其中的一个状态位的值反映设备的忙或闲；另一由其中的一个状态位的值反映设备的忙或闲；另一个是个是数据缓冲寄存器数据缓冲寄存器。n当设备启动时，状态寄存器的启动位为当设备启动时，状态寄存器的启动位为1，此时外，此时外设把数据送往数据缓冲寄存器，并将状态寄存器的设把数据送往数据缓冲寄存器，并将状态寄存器的状态位置状态位置1。nCPU执行完一条指令后就测试状态位，如果为执行完一条指令后就测试状态位，如果为1，就把数据寄存器中的数据取到内存；若状态位为就把数据寄存器中的数据
22、取到内存；若状态位为0，则再测试，直到状态寄存器的状态位为，则再测试，直到状态寄存器的状态位为1，然后，然后再读取数据。所以此种方式也再读取数据。所以此种方式也称称循环测试循环测试I/O方式。方式。421 查询方式查询方式2023/5/2327就绪向设备控制器发读命令读设备控制器的状态检查状态从设备控制器中读入字向存储器中写字传送完成CPU-I/OCPU-内存I/O-CPU出错I/O-CPU完成下条指令未完成未就绪2023/5/2328n由由于于CPU的的速速度度远远高高于于设设备备I/O的的速速度度，使使得得CPU绝绝大大部部分分时时间间都都处处于于等等待待I/O完完成成的的循循环环测测试试
23、中中。显显然然，这这是是对对CPU的的极极大大浪浪费费。但但是是，它它的的管管理理简简单单，在在要要求求不不高高的的场场合合下下常常被被采采用用，而而且不能支持多道程序。且不能支持多道程序。2023/5/2329n查询方式是主机向外设询问，而引入中断后，每查询方式是主机向外设询问，而引入中断后，每当设备完成当设备完成I/O操作，它便以中断请求方式主动向操作，它便以中断请求方式主动向CPU汇报。因此，汇报。因此，CPU一旦启动一旦启动I/O设备后便可设备后便可转去处理其他程序，仅在接到转去处理其他程序，仅在接到I/O中断信息请求时中断信息请求时才花费极少时间去处理。才花费极少时间去处理。422
24、中断方式中断方式2023/5/2330n例例如如，打打印印机机每每打打一一行行需需要要60ms，在在查查询询方方式式中中，大大约约有有59.99ms，CPU都都处处于于循循环环等等待待中中，而而以以中中断断方方式式处处理理的的话话，CPU仅仅花花费费0.1ms时时间间来来处处理理I/O设设备备发发来来的的中中断断，其其余余的的59.99ms都都可可以以用用来来做做别别的的事事情情。所所以以中中断断方方式式比比查查询询方方式式节节省省CPU的时间。的时间。2023/5/2331向设备控制器发读命令读设备控制器的状态检查状态从设备控制器中读入字向存储器中写字传送完成CPU-I/OCPU-内存I/O
25、-CPU出错I/O-CPU完成下条指令未完成CPU做其他中断2023/5/2332n中中断断方方式式的的方方法法是是当当设设备备完完成成I/O操操作作后后，主主动动向向CPU报报告告，CPU只只用用少少量量时时间间处处理理I/O中中断断，并并将将数数据据取取回回。在在多多道道程程序序中中的的环环境境下下，一一个个程程序序或或进进程程启启动动I/O设设备备并并允允许许中中断断后后，不不是是自自己己主主动动去去执执行行别别的的程程序序或或继继续续执执行行主主流流程程，而而是是应应当当把把自自己己挂挂起起，控控制制权权交交还还给给进进程程调调度度程程序序。在在中中断断处处理理程程序序中中，完完成成指
26、指定定的的I/O操操作作之之后后应应把把等等待待此此结结果果的的进进程程唤唤醒醒，而而后后由由进进程程调调度度程程序序在在适适当当时时机机把把此此进进程程投投入入运运行行。多多道道程程序序下下的的中中断断处处理理方方式如图式如图4-3所示。所示。2023/5/2333l 某进程某进程 其他进程其他进程输入中断处理输入中断处理 中断中断 调度调度 调度调度唤醒唤醒l启动启动I/OI/O并允许并允许中断中断 阻塞等待阻塞等待 处理输入的数据处理输入的数据 保护现场保护现场 输入处理输入处理 唤醒等待进程唤醒等待进程 恢复现场恢复现场 2023/5/2334n中中断断处处理理方方式式提提高高了了主主
27、机机的的利利用用率率，但但是是每每次次中中断断都都要要保保存存现现场场信信息息，恢恢复复现现场场等等，仍仍占占用用CPU时时间间。在在传传送送数数据据量量大大、速速度度高高的的情情况况下下，中中断断方方式式就就不不适适应应了了。目目前前在在块块设设备备（如如磁磁盘盘）的的传传输输系系统统中中，都都普普遍遍采采用用了了直直接内存存取接内存存取方式，方式，即即DMA方式方式。n是是指指对对I/O设设备备的的控控制制由由DMA控控制制器器完完成成，在在DMA控控制制器器的的作作用用下下，设设备备和和主主存存之之间间可可以以成成批批地进行数据交换，而不用地进行数据交换，而不用CPU的干涉。的干涉。42
28、3 直接内存存取方式直接内存存取方式2023/5/2335DMA方式方式控控制制器器功功能能更更强强，除除有有中中断断功功能能外外，还还有有一一个个DMADMA控控制制机机构构。在在DMADMA控控制制器器的的控控制制下下，设设备备同同主主存存之之间可成批交换数据，不用间可成批交换数据，不用CPUCPU干预。干预。DMADMA控制器组成控制器组成:2023/5/2336 DMA方式方式n直接存储器存取控制方式的步骤直接存储器存取控制方式的步骤:u 当当进进程程要要求求设设备备输输入入一一批批数数据据时时，CPU将将设设备备存存放放输输入入数数据据的的内内存存始始址址以以及及要要传传送送的的字字
29、节节数数分分别别送送入入DMA控控制制器器中中的的地地址址寄寄存存器器和和传传送送字字节节计计数数器器；另另外外，还还要要将将中中断断位位和和启启动动位位置置为为1，以以启启动设备开始进行数据输入并允许中断。动设备开始进行数据输入并允许中断。u 发发出出数数据据要要求求的的进进程程进进入入等等待待状状态态，进进程程调调度度程程序序调调度度其其他他进进程占据程占据CPU。u 输输入入设设备备不不断断地地挪挪用用CPU工工作作周周期期，将将数数据据寄寄存存器器中中的的数数据据源源源不断地写入内存，直到所要求的字节全部传送完毕。源不断地写入内存，直到所要求的字节全部传送完毕。u DMA控控制制器器在
30、在传传送送字字节节数数完完成成时时，通通过过中中断断请请求求线线发发出出中中断断信信号号，CPU收收到到中中断断信信号号后后转转中中断断处处理理程程序序，唤唤醒醒等等待待输输入入完完成成的的进程，并返回被中断的程序。进程，并返回被中断的程序。u 在以后的某个时刻，进程调度程序选中提出请求输入的进程，在以后的某个时刻，进程调度程序选中提出请求输入的进程，该进程从指定的内存始址取出数据做进一步处理。该进程从指定的内存始址取出数据做进一步处理。2023/5/2337nDMA方式有以下四个特点：方式有以下四个特点：（1）它它是是高高速速外外围围设设备备与与内内存存之之间间成成批批量量的的数数据据传传输
31、输，但但是是不不对对数数据据再再做做加加工工处处理理，I/O操操作作类类型型简单；简单；（2）它它需需要要使使用用一一个个专专门门的的硬硬件件DMA控控制制器器（DMAC）。DMAC内内有有控控制制寄寄存存器器、状状态态寄寄存存器器、传传送送字字数数计计数数器器和和内内存存地地址址寄寄存存器器以以及及数数据据缓冲寄存器；缓冲寄存器；2023/5/2338（3）它采用偷窃总线控制权的方法，由）它采用偷窃总线控制权的方法，由DMAC送送出内存地址和发出内存读、设备写或者设备读、出内存地址和发出内存读、设备写或者设备读、内存写的控制信号来完成内存与设备之间的直接内存写的控制信号来完成内存与设备之间的
32、直接数据传送，而不用数据传送，而不用CPU干预。有的干预。有的DMA传送甚传送甚至不经过至不经过DMAC内的数据缓冲寄存器的再吞吐，内的数据缓冲寄存器的再吞吐，传输速率非常高。传输速率非常高。（4）每传送一个数据并不产生中断，只有）每传送一个数据并不产生中断，只有DMAC中的传送字数计数器减中的传送字数计数器减1至至0时，也就是本次时，也就是本次DMA传送的数据全部传送完毕时，才产生中断，传送的数据全部传送完毕时，才产生中断，请求请求CPU进行结束处理。进行结束处理。2023/5/2339nDMA方方式式只只能能完完成成简简单单的的数数据据传传送送、计计数数、内内存存地地址址加加1或或减减1等
33、等操操作作，不不能能满满足足复复杂杂的的I/O操作要求。操作要求。2023/5/2340n在大中型计算机系统中，普遍采用的是由在大中型计算机系统中，普遍采用的是由专用的专用的I/O处理机来管理外设和内存之间的处理机来管理外设和内存之间的信息交换，这就是通道技术。可以把通道信息交换，这就是通道技术。可以把通道看成一个比看成一个比DMAC功能更强的接口设备，功能更强的接口设备，或者说或者说DMA方式是我们下面将要介绍的一方式是我们下面将要介绍的一种称之为选择通道的简易形式。种称之为选择通道的简易形式。2023/5/2341DMA方式与中断的主要区别方式与中断的主要区别n中断方式是在数据缓冲寄存区满
34、后，发中断请求，中断方式是在数据缓冲寄存区满后，发中断请求，CPU进行中断处理进行中断处理 DMA方式则是在所要求传送的数据块全部传送结方式则是在所要求传送的数据块全部传送结束时要求束时要求CPU进行中断处理进行中断处理 大大减少了大大减少了CPU进行中断处理的次数进行中断处理的次数n中断方式的数据传送是由中断方式的数据传送是由CPU控制完成的控制完成的 而而DMA方式则是在方式则是在DMA控制器的控制下不经过控制器的控制下不经过CPU控制完成的控制完成的2023/5/2342CPU向控制器发出启动向控制器发出启动DMA通知和有关参数通知和有关参数控制器向内存发出询问请求控制器向内存发出询问请
35、求访问内存（读、写）访问内存（读、写）计数器减计数器减1结束否结束否发中断发中断NYDMA的实现流程的实现流程2023/5/2343n通通道道的的引引入入是是为为了了建建立立独独立立的的I/O操操作作。它它不不仅仅要要求求数数据据传传送送独独立立于于CPU，而而且且要要求求I/O操操作作的的组组织织、管管理理、结结束束等等也也尽尽量量独独立立，以以保保证证CPU有有更更多多的的时时间间从从事事计计算算。这这样样就就可可以以实实现现CPU计计算算和和I/O操作的并行工作。操作的并行工作。n通通道道是是一一种种硬硬件件机机构构，又又称称I/O处处理理机机。因因其其是是专专用用，故故有有很很强强的的
36、I/O处处理理能能力力。它它接接受受CPU的的委委托托，独独立立地地执执行行自自己己的的通通道道程程序序来来实实现现内内存存与与外外设设之之间间的的数数据据传传输输。当当CPU委委托托的的I/O任任务务完完成成后，通道发出中断，请求后，通道发出中断，请求CPU进行结束处理。进行结束处理。424 通道方式通道方式2023/5/2344 2023/5/2345n根根据据信信息息交交换换方方式式，通通道道可可分分成成：字字节节多多路路通通道道、选择通道、成组多路通道选择通道、成组多路通道三种类型。三种类型。1通道分类通道分类2023/5/2346（1）字节多路通道n它适用于连接打印机、终端、卡片机等
37、低速或中速它适用于连接打印机、终端、卡片机等低速或中速的的I/O设备，是按字节交叉方式工作的，这种通道可设备，是按字节交叉方式工作的，这种通道可以连接以连接8，16，32甚至更多的子通道甚至更多的子通道 n子子通通道道所所连连接接的的I/O设设备备以以字字节节为为单单位位经经通通道道与与内内存存交交换换数数据据，一一个个子子通通道道传传送送一一个个字字节节后后，立立即即让让位位于另一个子通道。于另一个子通道。n由由于于字字节节通通道道的的速速度度较较高高，而而所所连连接接的的主主要要是是低低速速I/O设设备备，因因此此，一一个个字字节节通通道道可可以以连连接接很很多多这这样样的的低速设备。低速
38、设备。2023/5/23472023/5/2348n选选择择通通道道的的数数据据传传送送是是按按成成批批的的方方式式进进行行的，故传送速率很高。的，故传送速率很高。（2）选择通道）选择通道选择通道选择通道2023/5/2349n它它适适用用于于连连接接高高速速I/O设设备备，如如磁磁带带、磁磁盘盘等等。选选择择通通道道只只有有一一个个分分配配型型子子通通道道，即即这这个个子子通通道道可可以以连连接接多多台台设设备备，但但每每次次只只能能把把子子通通道道分分配配给给一一台台设设备备使使用用。一一旦旦分分配配给给某某台台设设备备，子子通通道道就就被被它它独独占占，即即使使暂暂时时出出现现空空闲闲，
39、也也不不允允许许其其他他设设备备利利用用该该子子通通道道。直直到到它它被被释释放放，再再选选择择另另一一台台设设备为其服务。因此选择通道的利用率是很低的。备为其服务。因此选择通道的利用率是很低的。2023/5/2350n这种通道综合了字节多路通道分时并行工作和选这种通道综合了字节多路通道分时并行工作和选择通道传输速率高的特点。它具有多个非分配型择通道传输速率高的特点。它具有多个非分配型子通道，每个子通道连接一台中、高速子通道，每个子通道连接一台中、高速I/O设备，设备，如：磁带、磁鼓、磁盘等，因而通道所连接的几如：磁带、磁鼓、磁盘等，因而通道所连接的几个设备可以并行工作。每台设备的数据传送是按
40、个设备可以并行工作。每台设备的数据传送是按成组方式进行的。成组方式进行的。（3）成组多路通道）成组多路通道2023/5/2351n它它首首先先为为某某台台设设备备执执行行一一条条通通道道命命令令，传传送送一一批批数数据据，然然后后再再选选择择另另一一台台设设备备执执行行另另一一条条通通道道命命令令，即即几几台台设设备备的的通通道道程程序序都都在在同同时时执执行行中中；但但任任何何时时刻刻，通通道道只只能能为为一一台台设设备备的的数数据据传传输输提提供供服服务务。因因此此成成组组多多路路通通道道技技术术相相当当于于通通道道程程序序的的多道程序设计技术。多道程序设计技术。n存存在在这这三三种种通通
41、道道的的计计算算机机系系统统的的各各硬硬件件的的连连接接关关系如图系如图4-5所示。所示。2023/5/2352 CPUCPU字节多路通道字节多路通道 打印机打印机1 1 打印机打印机2 2 I/OI/O控制器控制器 I/OI/O控制器控制器 内存内存 选择通道选择通道 成组多路通道成组多路通道 磁盘磁盘 I/OI/O控制控制器器 磁盘磁盘 I/OI/O控制控制器器 I/O控控 制器制器 I/O I/O 控制器控制器 磁带磁带 磁带磁带 图4-5 通道与计算机系统各硬件的关系 2023/5/2353n通道通道I/O操作由两种指令实现控制，即操作由两种指令实现控制，即CPU的的I/O指令和通道本
42、身提供的通道命令字指令和通道本身提供的通道命令字CCW（Channel Command Word）。）。nI/O指令的功能一般包括有：清除、停止、启动、指令的功能一般包括有：清除、停止、启动、查询等功能，除了操作码之外，查询等功能，除了操作码之外，I/O指令中还有通指令中还有通道地址和设备地址。道地址和设备地址。I/O指令属特权指令，只能由指令属特权指令，只能由操作系统使用。操作系统使用。nCCW一般有读、写、查询、控制和转移等功能。一般有读、写、查询、控制和转移等功能。2通道的工作方式通道的工作方式2023/5/2354n系系统统程程序序设设计计人人员员依依据据驱驱动动设设备备的的要要求求，
43、使使用用CCW编编写写的的程程序序称称为为通通道道程程序序，不不同同的的设设备备有有不同的通道程序。不同的通道程序。n通通道道程程序序存存放放在在内内存存中中，由由I/O指指令令启启动动执执行行。用用户户请请求求I/O时时，CPU对对通通道道的的通通信信是是向向通通道道发发出出查查询询、启启动动和和停停止止通通道道程程序序工工作作，而而通通道道向向CPU的的通通信信则则采采用用中中断断方方式式。其其执执行行过过程程如如图图4-6所所示。示。2023/5/2355用户用户I/OI/O请求请求 查询设备忙查询设备忙闲？闲？调用通道程序调用通道程序 执行通道程序执行通道程序 I/OI/O操作完成，操
44、作完成，发中断请求发中断请求 CPUCPU响应中断，进行结束响应中断，进行结束处理处理 以以I/OI/O指令启动通道指令启动通道 结束通道工作结束通道工作 进入设备请求队进入设备请求队列，等待列，等待 忙忙 不忙不忙图图4-6 4-6 通道程序的执行过程通道程序的执行过程 2023/5/2356n通道有自己的指令系统，为了与通道有自己的指令系统，为了与CPU的指的指令相区别，通道的指令被称为令相区别，通道的指令被称为“通道命令通道命令字字”。通道命令字条数不多，主要涉及控。通道命令字条数不多，主要涉及控制、转移、读、写及查询等功能。通道命制、转移、读、写及查询等功能。通道命令字一般包含有：被交
45、换数据在内存中的令字一般包含有：被交换数据在内存中的位置、传输方向、数据块长度以及被控制位置、传输方向、数据块长度以及被控制的的I/O设备的地址信息、特征信息等。图给设备的地址信息、特征信息等。图给出了出了IBM通道命令字的格式。通道命令字的格式。2023/5/2357n若若干干通通道道命命令令字字构构成成一一个个“通通道道程程序序”，它它规规定定了了设设备备应应该该执执行行的的各各种种操操作作和和顺顺序序。在在CPU启启动动通通道道后后，由由通通道道执执行行通通道道程程序序，完完成成CPU所所交交给给的的I/O任任务务。通通常常，通通道道程程序序存存放放在在通通道道自自己己的的存存储储部部件
46、件里里。当当通通道道中中没没有有存存储储部部件件时时，就就存存放放在在内内存存储储器器里里。这这时时，为为了了使使通通道道能能取取到到通通道道程程序序去去执执行行，必必须须把把存存放放通通道道程程序序的的内内存存起起始始地地址址告告诉诉通通道道。存存放放这这个个起始地址的内存固定单元，被称为起始地址的内存固定单元，被称为“通道地址字通道地址字”。2023/5/2358n综上所述，在前三种综上所述，在前三种I/O控制方式中，控制方式中，CPU直接直接对设备控制器和对设备控制器和I/O接口编程，可以简化接口的设接口编程，可以简化接口的设计。计。n对于非对于非DMA传送，需要传送，需要CPU实际去完
47、成数据传实际去完成数据传送。对于高速数据传送可以使用送。对于高速数据传送可以使用DMA，但还是需但还是需要要CPU设置设备控制器，初始化设置设备控制器，初始化DMA操作和操操作和操作完毕去检查端口传送状态。作完毕去检查端口传送状态。n而通道不同于而通道不同于DMA控制器，它能够去取和执行它控制器，它能够去取和执行它自己的指令；自己的指令；而且这些指令的功能已不仅仅是数而且这些指令的功能已不仅仅是数据传送，还包括检索、分支转移，甚至一些简单据传送，还包括检索、分支转移，甚至一些简单的算术、逻辑运算。的算术、逻辑运算。2023/5/2359n大、中型计算机系统普遍用通道方式去控制设备大、中型计算机
48、系统普遍用通道方式去控制设备完成完成I/O操作，以提高操作，以提高CPU与外设，外设与外设与外设，外设与外设并行的程度。一些小型机和绝大多数微型机都是并行的程度。一些小型机和绝大多数微型机都是以以CPU直接控制设备接口和设备控制器以查询、直接控制设备接口和设备控制器以查询、中断或中断或DMA方式完成方式完成I/O操作，以降低系统造价。操作，以降低系统造价。2023/5/2360n缓冲的引入原因：缓冲的引入原因：u可可减减少少占占用用通通道道的的时时间间，从从而而缓缓和和“瓶瓶颈颈”现现象象，可可以以显显著提高著提高CPU、通道、通道、I/O设备之间的并行操作程度。设备之间的并行操作程度。u改善
49、改善CPU和和I/O设备之间速度不匹配的情况。设备之间速度不匹配的情况。u可可以以减减少少I/O对对CPU的的中中断断次次数数，放放宽宽CPU对对中中断响应时间要求。断响应时间要求。n凡凡是是数数据据到到达达和和离离去去速速度度不不匹匹配配的的地地方方均均可可采采用用缓缓冲技术。冲技术。4.3.缓冲技术缓冲技术2023/5/2361n缓冲有硬件缓冲和软件缓冲之分。缓冲有硬件缓冲和软件缓冲之分。n硬硬件件缓缓冲冲是是以以专专用用的的寄寄存存器器作作为为缓缓冲冲器器。由由于于经经济济上上的的考考虑虑，除除了了在在最最必必要要的的地地方方采采用用少少量量硬硬件件缓缓冲冲器器外外，大大都都采采用用软软
50、件件技技术术来来实实现现缓缓冲冲。即即在在操操作作系系统统的的管管理理下下，在在内内存存中中划划出出若若干干个个单单元元作作为缓冲区。为缓冲区。n软软件件缓缓冲冲的的好好处处是是易易于于改改变变缓缓冲冲区区的的大大小小和和数数量量，缺点是占据了一部分内存空间。缺点是占据了一部分内存空间。2023/5/2362n根根据据缓缓冲冲区区设设置置个个数数的的多多少少，缓缓冲冲区区有有单单缓缓冲冲、双缓冲和多重缓冲之分。双缓冲和多重缓冲之分。n在在只只有有一一个个缓缓冲冲区区的的情情况况下下，如如果果把把一一批批数数据据读读入入并并打打印印出出来来，事事实实上上，CPU和和打打印印机机是是完完全全串串行