1、第七章設備管理第七章設備管理n概述概述nI/O軟件的組成軟件的組成nI/O硬件特點硬件特點n設備處理設備處理n典型外部設備典型外部設備天馬行空官方博客： ；QQ:1318241189；QQ群：175569632一、概述一、概述1、I/O的特點的特點（1 1）I/OI/O性能經常成為系統性能的瓶頸性能經常成為系統性能的瓶頸nCPUCPU性能不等于系統性能性能不等于系統性能 響應時間也是一個重要因素響應時間也是一個重要因素nCPUCPU性能越高，與性能越高，與I/OI/O差距越大差距越大 彌補：更多的進程彌補：更多的進程n進程切換多，系統開銷大進程切換多，系統開銷大（2 2）操作系統龐大復雜的原因

2、之一是：資源）操作系統龐大復雜的原因之一是：資源多、雜，并發，均來自多、雜，并發，均來自I/OI/O 外設種類繁多，結構各異外設種類繁多，結構各異 輸入輸出數據信號類型不同輸入輸出數據信號類型不同 速度差異很大速度差異很大（3 3）理解）理解I/OI/O的工作過程與結構是理解操作系的工作過程與結構是理解操作系統的工作過程與結構的關鍵統的工作過程與結構的關鍵 I/OI/O技術很實用技術很實用（4 4）與其他功能聯系密切，特別是文件系統）與其他功能聯系密切，特別是文件系統1、I/O的特點的特點（1 1）按使用特性分）按使用特性分 存儲型設備存儲型設備 輸入型設備（輸入型設備（外設外設主機主機） 輸

3、出型設備（主機輸出型設備（主機外設）外設） 輸入輸出型設備（交互型設備）輸入輸出型設備（交互型設備）2、設備的分類、設備的分類（2 2）按數據組織分）按數據組織分 塊設備塊設備 以數據塊為單位存儲、傳輸信息以數據塊為單位存儲、傳輸信息 字符設備字符設備 以字符為單位存儲、傳輸信息以字符為單位存儲、傳輸信息（3 3）按外部設備的從屬關系分）按外部設備的從屬關系分 系統設備系統設備 指操作系統生成時，登記在系統中的標指操作系統生成時，登記在系統中的標準設備準設備 （如終端、打印機、磁盤機等）（如終端、打印機、磁盤機等） 用戶設備用戶設備 指在系統生成時，未登記在系統中的非指在系統生成時，未登記在系

4、統中的非標準設備。對于這類設備的處理程序由用標準設備。對于這類設備的處理程序由用戶提供，并將其納入系統，由系統代替用戶提供，并將其納入系統，由系統代替用戶實施管理。戶實施管理。 （如（如A/DA/D，D/AD/A轉換器，轉換器，CADCAD所用專用設備）所用專用設備）（4 4）按資源分配角度分）按資源分配角度分 獨占設備獨占設備 在一段時間內只能有一個進程使用的設備，一在一段時間內只能有一個進程使用的設備，一般為低速般為低速I/OI/O設備（如打印機，磁帶等）設備（如打印機，磁帶等） 共享設備共享設備 在一段時間內可有多個進程共同使用的設備，在一段時間內可有多個進程共同使用的設備，多個進程以交

5、叉的方式來使用設備，其資源利多個進程以交叉的方式來使用設備，其資源利用率高（如硬盤）用率高（如硬盤）虛設備虛設備在一類設備上模擬另一類設備，常用共享在一類設備上模擬另一類設備，常用共享設備模擬獨占設備，用高速設備模擬低設備模擬獨占設備，用高速設備模擬低速設備，被模擬的設備稱為虛設備速設備，被模擬的設備稱為虛設備 目的：將慢速的獨占設備改造成多個用戶可共目的：將慢速的獨占設備改造成多個用戶可共享的設備，提高設備的利用率享的設備，提高設備的利用率（實例：（實例：SPOOLingSPOOLing技術，利用虛設備技術技術，利用虛設備技術 用硬盤模擬輸入輸出設備）用硬盤模擬輸入輸出設備）SPOOLing

6、SPOOLing技術技術 為解決獨立設備數量少，速度慢，不能為解決獨立設備數量少，速度慢，不能滿足眾多進程的要求，而且在進程獨占設滿足眾多進程的要求，而且在進程獨占設備期間，設備利用率比較低而提出的一種備期間，設備利用率比較低而提出的一種設備管理技術設備管理技術（5 5）從程序使用角度分）從程序使用角度分 邏輯設備、物理設備邏輯設備、物理設備（6 6）按數據傳輸率分）按數據傳輸率分 高速設備、低速設備高速設備、低速設備（7 7）按接口分）按接口分 與用戶交流：顯示器，鍵盤，鼠標，打與用戶交流：顯示器，鍵盤，鼠標，打印機等印機等 與電子設備交流：磁盤、磁帶等與電子設備交流：磁盤、磁帶等 通信：與

7、遠程設備通信：調制解調器通信：與遠程設備通信：調制解調器各類設備的差別：各類設備的差別： 數據傳輸率數據傳輸率 應用應用 控制的復雜性控制的復雜性 傳輸單位傳輸單位 數據表示數據表示 出錯條件出錯條件（1 1）按照用戶的請求，控制設備的各種操）按照用戶的請求，控制設備的各種操作，完成作，完成I/OI/O設備與內存之間的數據交換設備與內存之間的數據交換（包括設備分配與回收；設備驅動程序；（包括設備分配與回收；設備驅動程序；設備中斷處理；緩沖區管理），最終完設備中斷處理；緩沖區管理），最終完成用戶的成用戶的I/OI/O請求請求3.3.設備管理的目標和任務設備管理的目標和任務n設備分配與回收設備分配

8、與回收 記錄設備的狀態記錄設備的狀態 根據用戶的請求和設備的類型，采用一定根據用戶的請求和設備的類型，采用一定的分配算法，選擇一條數據通路的分配算法，選擇一條數據通路 n建立統一的獨立于設備的接口建立統一的獨立于設備的接口n完成設備驅動程序，實現真正的完成設備驅動程序，實現真正的I/OI/O操作操作n處理外部設備的中斷處理處理外部設備的中斷處理n管理管理I/OI/O緩沖區緩沖區功能功能（2 2）向用戶提供使用外部設備的方便）向用戶提供使用外部設備的方便接口，使用戶擺脫繁瑣的編程負擔接口，使用戶擺脫繁瑣的編程負擔n 方便性方便性n 友好界面友好界面n 透明性透明性 邏輯設備與物理設備、屏蔽硬件細

9、節邏輯設備與物理設備、屏蔽硬件細節（設備的物理細節，錯誤處理，不同（設備的物理細節，錯誤處理，不同I/OI/O的差異性）的差異性）（3）充分利用各種技術（通道，中斷，緩）充分利用各種技術（通道，中斷，緩沖等）提高沖等）提高CPU與設備、設備與設備之與設備、設備與設備之間的并行工作能力，充分利用資源，提間的并行工作能力，充分利用資源，提高資源利用率高資源利用率n 并行性并行性n 均衡性（使設備充分忙碌）均衡性（使設備充分忙碌）（4）保證在多道程序環境下，當多個）保證在多道程序環境下，當多個進程競爭使用設備時，按一定策略進程競爭使用設備時，按一定策略分配和管理各種設備，使系統能有分配和管理各種設備

10、，使系統能有條不紊的工作條不紊的工作（5）保護）保護 設備傳送或管理的數據應該是安全的、設備傳送或管理的數據應該是安全的、不被破壞的、保密的不被破壞的、保密的（6）與設備無關性（設備獨立性）與設備無關性（設備獨立性） 用戶在編制程序時，使用邏輯設備名，由用戶在編制程序時，使用邏輯設備名，由系統實現從邏輯設備到物理設備（實際系統實現從邏輯設備到物理設備（實際設備）的轉換設備）的轉換 用戶能獨立于具體物理設備而方便的使用用戶能獨立于具體物理設備而方便的使用設備設備 用戶申請使用設備時，只需要指定設備類用戶申請使用設備時，只需要指定設備類型，而無須指定具體物理設備，系統根型，而無須指定具體物理設備，

11、系統根據當前的請求，及設備分配的情況，在據當前的請求，及設備分配的情況，在相同類別設備中，選擇一個空閑設備，相同類別設備中，選擇一個空閑設備，并將其分配給一個申請進程并將其分配給一個申請進程統一性：統一性： 對不同的設備采取統一的操作方式，在對不同的設備采取統一的操作方式，在用戶程序中使用的是邏輯設備用戶程序中使用的是邏輯設備優點：優點： n設備忙碌或設備故障時，用戶不必修改設備忙碌或設備故障時，用戶不必修改程序程序n改善了系統的可適應性和可擴展性改善了系統的可適應性和可擴展性 IO軟件的基本思想是按分層的思想構成，軟件的基本思想是按分層的思想構成，較低層軟件要使較高層軟件獨立于硬件較低層軟件

12、要使較高層軟件獨立于硬件的特性，較高層軟件則要向用戶提供一的特性，較高層軟件則要向用戶提供一個友好的、清晰的、簡單的、功能更強個友好的、清晰的、簡單的、功能更強的接口的接口二、二、I/OI/O軟件的組成軟件的組成 在設計在設計I IO O軟件時的一個關鍵概念是設備軟件時的一個關鍵概念是設備獨立性。用戶在編寫使用軟盤或硬盤上獨立性。用戶在編寫使用軟盤或硬盤上文件的程序時，無需為不同的設備類型文件的程序時，無需為不同的設備類型而修改程序就可以使用而修改程序就可以使用 與設備獨立性密切相關的是統一命名這與設備獨立性密切相關的是統一命名這一目標。一個文件或一個設備的名字只一目標。一個文件或一個設備的名

13、字只應是一個簡單的字符串或一個整數，不應是一個簡單的字符串或一個整數，不應依賴于設備應依賴于設備1. I1. IO O軟件的目標軟件的目標 出錯處理是出錯處理是I IO O軟件的另一個目標。一般來軟件的另一個目標。一般來說，數據傳輸中的錯誤應盡可能地在接近硬說，數據傳輸中的錯誤應盡可能地在接近硬件層上處理件層上處理 最后一個問題是可共享設備和獨占設備的處最后一個問題是可共享設備和獨占設備的處理問題理問題2.2.中斷處理程序中斷處理程序 每個進程在啟動一個每個進程在啟動一個I IO O操作后阻塞操作后阻塞 直到直到I IO O操作完成并產生一個中斷操作完成并產生一個中斷 由操作系統接管由操作系統

14、接管CPUCPU后喚醒該進程為止后喚醒該進程為止3.3.設備驅動程序設備驅動程序 與設備密切相關的代碼放在設備驅動程序中，與設備密切相關的代碼放在設備驅動程序中，每個設備驅動程序處理一種設備類型每個設備驅動程序處理一種設備類型 每一個控制器都設有一個或多個設備寄存器，每一個控制器都設有一個或多個設備寄存器，用來存放向設備發送的命令和參數。設備驅用來存放向設備發送的命令和參數。設備驅動程序負責釋放這些命令，并監督它們正確動程序負責釋放這些命令，并監督它們正確執行執行 一般，設備驅動程序的任務是接收來自與設一般，設備驅動程序的任務是接收來自與設備無關的上層軟件的抽象請求，并執行這個備無關的上層軟件

15、的抽象請求，并執行這個請求請求 在設備驅動程序的進程釋放一條或多條命令在設備驅動程序的進程釋放一條或多條命令后，系統有兩種處理方式，多數情況下，執后，系統有兩種處理方式，多數情況下，執行設備驅動程序的進程必須等待命令完成，行設備驅動程序的進程必須等待命令完成，這樣，在命令開始執行后，它阻塞自已，直這樣，在命令開始執行后，它阻塞自已，直到中斷處理時將它解除阻塞為止。而在其它到中斷處理時將它解除阻塞為止。而在其它情況下，命令執行不必延遲就很快完成情況下，命令執行不必延遲就很快完成 4.4.設備獨立的軟件設備獨立的軟件 雖然雖然I IO O軟件中一部分是設備專用的，但大軟件中一部分是設備專用的，但大

16、部分軟件是與設備無關的。設備驅動程序與部分軟件是與設備無關的。設備驅動程序與設備獨立軟件之間的確切界限是依賴于具體設備獨立軟件之間的確切界限是依賴于具體系統的系統的 1. 1.獨立于設備的軟件的基本任務是實現所有獨立于設備的軟件的基本任務是實現所有設備都需要的功能，并且向用戶級軟件提供設備都需要的功能，并且向用戶級軟件提供一個統一的接口一個統一的接口 2.2.如何給文件和設備這樣的對象命名是操作如何給文件和設備這樣的對象命名是操作系統中的一個主要課題。獨立于設備的軟件系統中的一個主要課題。獨立于設備的軟件負責把設備的符號名映射到正確的設備驅動負責把設備的符號名映射到正確的設備驅動上上 3.3.

17、設備保護設備保護 系統如何防止無權存取設備的用戶存取設備系統如何防止無權存取設備的用戶存取設備呢？呢？ 4. 4.不同的磁盤可以采用不同的扇區尺寸。向不同的磁盤可以采用不同的扇區尺寸。向較高層軟件掩蓋這一事實并提供大小統一的較高層軟件掩蓋這一事實并提供大小統一的塊尺寸，這正是設備獨立軟件的一個任務。塊尺寸，這正是設備獨立軟件的一個任務。它可將若干扇區合成一個邏輯塊。這樣，較它可將若干扇區合成一個邏輯塊。這樣，較高層的軟件只與抽象設備打交道，獨立于物高層的軟件只與抽象設備打交道，獨立于物理扇區的尺寸而使用等長的邏輯塊理扇區的尺寸而使用等長的邏輯塊 5.5.緩沖技術緩沖技術 6.6.設備分配設備分

18、配 7.7.出錯處理出錯處理 5.5.用戶空間的用戶空間的I IO O軟件軟件 盡管大部分盡管大部分I IO O軟件都包含在操作系統中，軟件都包含在操作系統中，但仍有一小部分是由與用戶程序連接在一起但仍有一小部分是由與用戶程序連接在一起的庫過程，甚至完全由運行于核外的程序構的庫過程，甚至完全由運行于核外的程序構成。系統調用，包括成。系統調用，包括I IO O系統調用，通常由系統調用，通常由庫過程實現庫過程實現 這些過程所做的工作只是將系統調用時所用這些過程所做的工作只是將系統調用時所用的參數放在合適的位置，由其它的的參數放在合適的位置，由其它的I IO O過程過程實際實現真正的操作實際實現真正

19、的操作（1 1）用戶進程層執行輸入輸出系統調用，對）用戶進程層執行輸入輸出系統調用，對I IO O數據進行格式化，為假脫機輸入輸出數據進行格式化，為假脫機輸入輸出作準備作準備（2 2）獨立于設備的軟件實現設備的命名、設）獨立于設備的軟件實現設備的命名、設備的保護、成塊處理、緩沖技術和設備分配備的保護、成塊處理、緩沖技術和設備分配（3 3）設備驅動程序設置設備寄存器、檢查設）設備驅動程序設置設備寄存器、檢查設備的執行狀態備的執行狀態（4 4）中斷處理程序負責）中斷處理程序負責I IO O完成時，喚醒設完成時，喚醒設備驅動程序進程，進行中斷處理備驅動程序進程，進行中斷處理（5 5）硬件層實現物理）

20、硬件層實現物理I IO O的操作的操作1.1.設備組成設備組成 I IO O設備一般由機械和電子兩部分組成設備一般由機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，把這兩部分分開處理，以提供更加模塊化，更加通用的設計更加通用的設計三、三、I/OI/O硬件特點硬件特點 （1 1）物理設備）物理設備 機械部分是設備本身（物理裝置）機械部分是設備本身（物理裝置）（2 2）設備控制器）設備控制器 電子部分叫做設備控制器或適配器。電子部分叫做設備控制器或適配器。 在小型和微型機中，它常采用印刷電路卡在小型和微型機中，它常采用印刷電路卡插入計算機中（接口）插入計算機中（接口） 完成設備與主機間

21、的連接和通訊完成設備與主機間的連接和通訊 控制器卡上通常有一個插座，通過電纜與設控制器卡上通常有一個插座，通過電纜與設備相連備相連 控制器和設備之間的接口是一個標準接口，控制器和設備之間的接口是一個標準接口，它符合它符合ANSIANSI、IEEEIEEE或或ISOISO這樣的國際標準這樣的國際標準CPU外部設備控控制制邏邏輯輯電電路路控制寄存器控制寄存器狀態寄存器狀態寄存器數據寄存器數據寄存器I/OI/O設備特點：設備特點：（1 1）操作異步性）操作異步性（2 2）設備自治性）設備自治性（3 3）接口通用性）接口通用性 關注點：對該硬件如何進行程序設計，不考慮設備關注點：對該硬件如何進行程序設

22、計，不考慮設備內部如何工作內部如何工作 程序員：軟件接口程序員：軟件接口 即硬件所接受的命令，它所完成的功能，報回的錯即硬件所接受的命令，它所完成的功能，報回的錯誤誤2.2.設備接口設備接口 一個一個I/OI/O過程由四步組成：過程由四步組成： 準備準備 啟動啟動 測試和等待測試和等待 結果檢查和錯誤處理結果檢查和錯誤處理 通過對設備接口寄存器組的讀寫完成通過對設備接口寄存器組的讀寫完成 設備接口復雜繁瑣設備接口復雜繁瑣 操作系統將命令寫入控制器寄存器中，以實操作系統將命令寫入控制器寄存器中，以實現輸入輸出現輸入輸出 例如：例如：IBM PCIBM PC的軟盤控制器可接收的軟盤控制器可接收15

23、15條命令，條命令，READREAD、WRITEWRITE、FORMATFORMAT、SEEKSEEK、RECALIBRATERECALIBRATE，命令可以帶參數。它們被一起送入控制器的命令可以帶參數。它們被一起送入控制器的寄存器中寄存器中 當控制器接受一條命令后，可獨立于當控制器接受一條命令后，可獨立于CPUCPU完成完成指定操作，指定操作，CPUCPU可以轉去執行其它運算。命可以轉去執行其它運算。命令完成時，控制器產生一個中斷，令完成時，控制器產生一個中斷，CPUCPU響應響應中斷，控制轉給操作系統。中斷，控制轉給操作系統。CPUCPU通過讀控制通過讀控制器寄存器中的信息，獲得操作結果和

24、設備狀器寄存器中的信息，獲得操作結果和設備狀態態 控制器與設備之間的接口常常是一個低級控制器與設備之間的接口常常是一個低級接口。例如磁盤，可以按每個磁道接口。例如磁盤，可以按每個磁道8 8扇區，扇區，每個扇區每個扇區512512個字節進行格式化。然而，個字節進行格式化。然而，實際從驅動器出來的卻是一連串的位流，實際從驅動器出來的卻是一連串的位流，以一個頭標（以一個頭標（preamblepreamble）開始，然后是一）開始，然后是一個扇區的個扇區的40964096位（位（5125128 8），最后是檢查），最后是檢查和或錯誤校驗碼（和或錯誤校驗碼（ErrorCErrorC一一C C：ECCEC

25、C）。）。頭標是在對磁盤格式化時寫上的，它包括頭標是在對磁盤格式化時寫上的，它包括柱面和扇區數，扇區的大小和類似的一些柱面和扇區數，扇區的大小和類似的一些數據數據 控制器的任務是把串行的位流轉換為字節控制器的任務是把串行的位流轉換為字節塊，并進行必要的錯誤修正。首先，控塊，并進行必要的錯誤修正。首先，控制器按位進行組裝，然后存入控制器內制器按位進行組裝，然后存入控制器內部的緩沖區中形成以字節為單位的塊。部的緩沖區中形成以字節為單位的塊。在對塊驗證檢查和并證明無錯誤時，再在對塊驗證檢查和并證明無錯誤時，再將它復制到主存中將它復制到主存中3.3.設備連接模式設備連接模式 指指I/OI/O設備與設備

26、與CPUCPU之間的連接方式，亦即將設之間的連接方式，亦即將設備連接到一個計算機系統上的方式備連接到一個計算機系統上的方式 在一個確定的連接模式下，從在一個確定的連接模式下，從I/OI/O設備到設備到CPUCPU間的所有連接成分構成了一條間的所有連接成分構成了一條I/OI/O路徑（路徑（I/OI/O鏈）鏈）設備與主機間最基本的連接方式設備與主機間最基本的連接方式 四個要素：四個要素： 設備接口形式設備接口形式 I/OI/O指令形式指令形式 I/OI/O地址空間分配及譯碼地址空間分配及譯碼 連線問題連線問題(1)(1)設備接口形式設備接口形式 * * 端口地址譯碼端口地址譯碼 * * 按照主機與

27、設備的約定格式和過程接受或按照主機與設備的約定格式和過程接受或發送數據和信號發送數據和信號 計算機計算機 設備設備 設備設備 計算機計算機 * * 將計算機的數字信號轉換為機械部分能識將計算機的數字信號轉換為機械部分能識別的模擬信號，或反過來別的模擬信號，或反過來 * * 實現一些諸如設備內部硬件緩沖存儲、數實現一些諸如設備內部硬件緩沖存儲、數據加工的提高性能或增強功能的任務據加工的提高性能或增強功能的任務(2)(2)端口編址方法端口編址方法 接口電路中：多個寄存器接口電路中：多個寄存器 一個寄存器有唯一的一個地址，每個地一個寄存器有唯一的一個地址，每個地址為址為I/OI/O端口，該地址稱為端

28、口，該地址稱為I/OI/O端口地址。端口地址。 I/OI/O指令形式與指令形式與I/OI/O地址是相互關聯的，地址是相互關聯的，主要有兩種形式：主要有兩種形式： 內存映像編址（內存映像內存映像編址（內存映像I/OI/O模式）模式） I/OI/O獨立編址（獨立編址（I/OI/O專用指令）專用指令）I/O獨立編址獨立編址n分配給系統中所有端口的地址空間是完全獨立的，分配給系統中所有端口的地址空間是完全獨立的，與內存的地址空間沒有關系與內存的地址空間沒有關系n主機使用專門的主機使用專門的I/O指令對端口進行操作指令對端口進行操作n優點優點n外部設備不占用內存的地址空間外部設備不占用內存的地址空間n程

29、序設計時，易于區分是對內存操作還是對程序設計時，易于區分是對內存操作還是對I/O端口操作端口操作n缺點：缺點：對對I/O端口操作的指令類型少，操作不靈活端口操作的指令類型少，操作不靈活n例子：例子：8086/8088，分配給，分配給I/O端口的地址空間端口的地址空間64K，0000H0FFFFH，只能用，只能用IN和和OUT指令對其進行指令對其進行讀寫操作讀寫操作存儲映像編址存儲映像編址n分配給系統中所有端口的地址空間與內存的地分配給系統中所有端口的地址空間與內存的地址空間統一編址址空間統一編址n主機把主機把I/O端口看作一個存儲單元，對端口看作一個存儲單元，對I/O的讀的讀寫操作等同于對存儲

30、器的操作寫操作等同于對存儲器的操作n優點優點n凡是可對存儲器操作的指令都可對凡是可對存儲器操作的指令都可對I/O端口端口操作操作n不需要專門的不需要專門的I/O指令指令nI/O端口可占有較大的地址空間端口可占有較大的地址空間n缺點：占用內存空間缺點：占用內存空間 設備完成技術：系統如何知道設備的一次設備完成技術：系統如何知道設備的一次I/OI/O操作是否完成？操作是否完成？ 對對CPUCPU編程的編程的I/OI/O技術：技術：CPUCPU必須親自完成必須親自完成I/OI/O的啟動與完成的處理，親自執行所有的啟動與完成的處理，親自執行所有數據在內存和設備之間的實際物理傳送數據在內存和設備之間的實

31、際物理傳送4.4.要考慮的幾個問題要考慮的幾個問題 一次一次I/O I/O 傳送過程：傳送過程： 準備準備傳送傳送后處理后處理例：一個打印機有兩個例：一個打印機有兩個I/OI/O設備寄存器設備寄存器 狀態寄存器狀態寄存器 數據寄存器數據寄存器設備完成技術設備完成技術設備的一次操作是否完成？設備的一次操作是否完成？ 測試設備的一個硬件信號測試設備的一個硬件信號幾種測試模式：幾種測試模式：（1 1）I/OI/O測試指令測試指令（2 2）中斷技術）中斷技術使使CPUCPU利用率盡可能不被利用率盡可能不被I/OI/O降低降低 使使CPUCPU盡可能擺脫盡可能擺脫I/OI/On 提高提高I/OI/O本身

32、的絕對速度本身的絕對速度n 減少或緩解速度差距減少或緩解速度差距 n 使使CPUCPU不等待不等待I/O I/O 進一步改善進一步改善提高設備利用率提高設備利用率在設備與主機的硬連接上，引入總線，節在設備與主機的硬連接上，引入總線，節省連線并提供配置擴充與改變時的靈活性；省連線并提供配置擴充與改變時的靈活性；引入控制器，擴大設備與主機間的相互適引入控制器，擴大設備與主機間的相互適用范圍用范圍小結：控制器與設備的分離，循環測試到小結：控制器與設備的分離，循環測試到中斷，對中斷，對CPUCPU編程式的編程式的I/OI/O到到DMADMA，聯機，聯機I/OI/O到假脫機到假脫機四、設備有關技術四、設

33、備有關技術1.Spooling1.Spooling（虛擬設備）技術（虛擬設備）技術 一個虛擬設備一個虛擬設備 一個資源轉換技術一個資源轉換技術（用空間，如輸入，輸出等換取（用空間，如輸入，輸出等換取CPUCPU時間）時間）解決問題：解決問題： 在進程所需物理設備不存在或被占用時使用在進程所需物理設備不存在或被占用時使用該設備該設備假若進程打開打印機特殊文件后幾小時內無所事事，假若進程打開打印機特殊文件后幾小時內無所事事，其他進程什么都打印不了！其他進程什么都打印不了！解決方案：解決方案：n創建值班（精靈）進程（創建值班（精靈）進程（daemondaemon）、）、SPOOLingSPOOLin

34、g目錄目錄n進程首先生成要打印的文件，放入進程首先生成要打印的文件，放入SPOOLingSPOOLing目錄目錄n值班進程：唯一獲準使用打印機特殊文件的進程值班進程：唯一獲準使用打印機特殊文件的進程 用以打印用以打印SPOOLingSPOOLing目錄里的文件目錄里的文件n通過禁止對特殊文件的直接使用、提高了使用效率通過禁止對特殊文件的直接使用、提高了使用效率打印機的打印機的SPOOLingSPOOLing值班進程值班進程網絡的網絡的SPOOLingSPOOLing值班進程值班進程SPOOLingSPOOLing技術今天仍被廣泛使用技術今天仍被廣泛使用n網絡文件傳送網絡文件傳送 先把文件送到網

35、絡先把文件送到網絡SPOOLingSPOOLing目錄，然后網絡值班進目錄，然后網絡值班進程把它取出并傳遞到目標地址程把它取出并傳遞到目標地址nInternetInternet電子郵件系統電子郵件系統 為了寄郵，調用電子郵件程序為了寄郵，調用電子郵件程序 待發信存在待發信存在SPOOLingSPOOLing中供以后傳輸中供以后傳輸n注意：注意：SPOOLingSPOOLing只提高設備利用率，縮短用戶程序執只提高設備利用率，縮短用戶程序執行時間，并不提高行時間，并不提高CPUCPU利用率利用率（1）定義：通道是獨立于定義：通道是獨立于CPUCPU的專門的專門負責數據輸入負責數據輸入/ /輸出傳

36、輸工作的處理輸出傳輸工作的處理機，對外部設備實現統一管理，代機，對外部設備實現統一管理，代替替CPUCPU對輸入對輸入/ /輸出操作進行控制，輸出操作進行控制，從而使輸入，輸出操作可與從而使輸入，輸出操作可與CPUCPU并行并行操作。操作。 可以執行通道程序可以執行通道程序2.通道技術通道技術（2）引入通道的目的）引入通道的目的 為了使為了使CPU從從I/O事務中解脫出來，同時事務中解脫出來，同時為了提高為了提高CPU與設備，設備與設備之間與設備，設備與設備之間的并行工作能力的并行工作能力n字節多路通道字節多路通道 字節多路通道以字節為單位傳輸信息，它可以字節多路通道以字節為單位傳輸信息，它可

37、以分時地執行多個通道程序。當一個通道程序控分時地執行多個通道程序。當一個通道程序控制某臺設備傳送一個字節后，通道硬件就控制制某臺設備傳送一個字節后，通道硬件就控制轉去執行另一個通道程序，控制另一臺設備傳轉去執行另一個通道程序，控制另一臺設備傳送信息送信息 主要連接以字節為單位的低速主要連接以字節為單位的低速I/OI/O設備。如打設備。如打印機，終端。印機，終端。 以字節為單位交叉傳輸，當一臺傳送一個字節以字節為單位交叉傳輸，當一臺傳送一個字節后，立即轉去為另一臺傳送字節后，立即轉去為另一臺傳送字節（3）分類）分類n選擇通道選擇通道 選擇通道是以成組方式工作的，即每次傳送選擇通道是以成組方式工作

38、的，即每次傳送一批數據，故傳送速度很高。選擇通道在一一批數據，故傳送速度很高。選擇通道在一段時間內只能執行一個通道程序，只允許一段時間內只能執行一個通道程序，只允許一臺設備進行數據傳輸臺設備進行數據傳輸 當這臺設備數據傳輸完成后，再選擇與通道當這臺設備數據傳輸完成后，再選擇與通道連接的另一臺設備，執行它的相應的通道程連接的另一臺設備，執行它的相應的通道程序序 主要連接磁盤，磁帶等高速主要連接磁盤，磁帶等高速I/OI/O設備設備選擇通道選擇通道n成組多路通道成組多路通道 它結合了選擇通道傳送速度高和字節多路通道能進它結合了選擇通道傳送速度高和字節多路通道能進行分時并行操作的優點。它先為一臺設備執

39、行一條行分時并行操作的優點。它先為一臺設備執行一條通道指令，然后自動轉接，為另一臺設備執行一條通道指令，然后自動轉接，為另一臺設備執行一條通道指令通道指令 主要連接高速設備主要連接高速設備 這樣，對于連接多臺磁盤機的數組多路通道，它可這樣，對于連接多臺磁盤機的數組多路通道，它可以啟動它們同時執行移臂定位操作，然后，按序交以啟動它們同時執行移臂定位操作，然后，按序交叉地傳輸一批批數據。數據多路通道實際上是對通叉地傳輸一批批數據。數據多路通道實際上是對通道程序采用多道程序設計的硬件實現道程序采用多道程序設計的硬件實現（4）硬件連接結構）硬件連接結構 通道：通道：執行通道程序，向控制器發出命令，并執

40、行通道程序，向控制器發出命令，并具有向具有向CPUCPU發中斷信號的功能。發中斷信號的功能。 一旦一旦CPUCPU發出發出指令，啟動通道，則通道獨立于指令，啟動通道，則通道獨立于CPUCPU工作。一工作。一個通道可連接多個控制器，一個控制器可連接個通道可連接多個控制器，一個控制器可連接多個設備，形成樹形交叉連接多個設備，形成樹形交叉連接 主要目的是啟動外設時：主要目的是啟動外設時：提高了控制器效率提高了控制器效率提高可靠性提高可靠性提高并行度提高并行度交叉連接交叉連接（5）通道工作原理通道工作原理 通道相當于一個功能簡單的處理機，包含通道相當于一個功能簡單的處理機，包含通道指令（空操作，讀操作

41、，寫操作，通道指令（空操作，讀操作，寫操作，控制，轉移操作），并可執行用這些指控制，轉移操作），并可執行用這些指令編寫的通道程序令編寫的通道程序n通道運算控制部件通道運算控制部件通道地址字通道地址字 CAW： 記錄通道程序在內存中的地址記錄通道程序在內存中的地址通道命令字通道命令字 CCW： 保存正在執行的通道指令保存正在執行的通道指令通道狀態字通道狀態字 CSW： 存放通道執行后的返回結果存放通道執行后的返回結果通道數據字通道數據字 CDW：存放傳輸數據：存放傳輸數據 通道和通道和CPU共用內存，通過周期竊取方式取得共用內存，通過周期竊取方式取得n通道命令及格式通道命令及格式 用于用于I/O

42、I/O操作的命令主要有兩種：操作的命令主要有兩種： I/OI/O指令：啟動通道程序指令：啟動通道程序 通道命令：對通道命令：對I/OI/O操作進行控制操作進行控制 讀、反讀、寫、測試設備狀態的數據傳讀、反讀、寫、測試設備狀態的數據傳輸命令、用于設備控制的命令（磁帶反輸命令、用于設備控制的命令（磁帶反繞、換頁）、實現通道程序內部控制的繞、換頁）、實現通道程序內部控制的轉移命令轉移命令 命令格式一般包括：操作碼、數據傳輸命令格式一般包括：操作碼、數據傳輸內存地址、特征位、計數器內存地址、特征位、計數器 編制一個通道程序，從磁帶機上讀入編制一個通道程序，從磁帶機上讀入200200字節的信息，送入內存

43、（字節的信息，送入內存（10001000）16 16 開始開始的單元。的單元。 通道命令碼：通道命令碼：“07”07”反繞反繞 “02”02”讀讀 CCW1 X “07” CCW1 X “07” * * X “40” 1 X “40” 1； CCW2 X “02” 1000 X “00” 200CCW2 X “02” 1000 X “00” 200；n工作原理工作原理 CPUCPU：執行用戶程序，當遇到：執行用戶程序，當遇到I/OI/O請求時，請求時，可根據該請求生成通道程序放入內存可根據該請求生成通道程序放入內存（也可事先編好放入內存），并將該通（也可事先編好放入內存），并將該通道程序的首地

44、址放入道程序的首地址放入CAWCAW中；之后執行中；之后執行“啟動啟動I/O”I/O”指令，啟動通道工作指令，啟動通道工作 通道：接收到通道：接收到“啟動啟動I/O”I/O”指令后，從指令后，從CAWCAW中取出通道程序的首地址，并根據首地中取出通道程序的首地址，并根據首地址取出第一條指令放入址取出第一條指令放入CCWCCW中，同時向中，同時向CPUCPU發回答信號，使發回答信號，使CPUCPU可繼續執行其他可繼續執行其他程序，而通道則開始執行通道程序，完程序，而通道則開始執行通道程序，完成傳輸工作成傳輸工作（通道程序完成實際（通道程序完成實際I/OI/O，啟動，啟動I/OI/O設備，設備，執

45、行完畢后執行完畢后, ,如果還有下一條指令，則繼如果還有下一條指令，則繼續執行續執行, , 否則表示傳輸完成）否則表示傳輸完成） 當通道傳輸完成最后一條指令時，向當通道傳輸完成最后一條指令時，向CPU發發I/O中斷，并且通道停止工作。中斷，并且通道停止工作。CPU接收中斷信號，從接收中斷信號，從CSW中取得有關中取得有關信息，決定下一步做什么信息，決定下一步做什么通道的發展通道的發展n新的通道思想綜合了許多新的技術新的通道思想綜合了許多新的技術n在個人計算機中，芯片組中專門在個人計算機中，芯片組中專門I/O處理的芯片，稱為處理的芯片，稱為IOP（IO Processor），發揮通道的作用），發

46、揮通道的作用nIBM 390 中，沿用了輸入輸出通道概念中，沿用了輸入輸出通道概念 IBM于于1998年推出光纖通道技術（稱為年推出光纖通道技術（稱為FICON），可），可通過通過 FICON 連接多達連接多達127個大容量個大容量I/O設備。傳輸速度設備。傳輸速度是是333MHzs，未來將達到，未來將達到1GHzs。 光纖通道技術具有數據傳輸速率高、傳輸距離遠，可簡光纖通道技術具有數據傳輸速率高、傳輸距離遠，可簡化大型存儲系統設計的優點化大型存儲系統設計的優點 在大容量高速存儲，如大型數據庫、多媒體、數字影在大容量高速存儲，如大型數據庫、多媒體、數字影像等應用領域，有廣泛前景像等應用領域，有

47、廣泛前景3.DMA技術技術 數據在內存與數據在內存與I/OI/O設備間的直接成塊傳送設備間的直接成塊傳送 CPUCPU在開始時向設備發在開始時向設備發“傳送一塊傳送一塊”命令，命令，結束時進行相應處理，實際操作由結束時進行相應處理，實際操作由DMADMA硬件硬件直接完成直接完成 DMADMA能夠通過系統總線代替能夠通過系統總線代替CPUCPU管理數據的存管理數據的存入或取出入或取出n 當當CPUCPU不需要系統總線時可以使用總線不需要系統總線時可以使用總線n DMADMA可以強迫可以強迫CPUCPU暫時延遲其他操作，獲暫時延遲其他操作，獲取一個總線周期（周期竊取）取一個總線周期（周期竊取）DM

48、A方式與中斷的主要區別方式與中斷的主要區別n中斷方式是在數據緩沖寄存區滿后，發中斷中斷方式是在數據緩沖寄存區滿后，發中斷請求，請求，CPU進行中斷處理進行中斷處理 DMA方式則是在所要求傳送的數據塊全部方式則是在所要求傳送的數據塊全部傳送結束時要求傳送結束時要求CPU進行中斷處理進行中斷處理 大大減少了大大減少了CPU進行中斷處理的次數進行中斷處理的次數n中斷方式的數據傳送是由中斷方式的數據傳送是由CPU控制完成的控制完成的 而而DMA方式則是在方式則是在DMA控制器的控制下不控制器的控制下不經過經過CPU控制完成的控制完成的 不用不用DMADMA時，磁盤如何讀：時，磁盤如何讀： 首先，控制器

49、從磁盤驅動器串行地一位一位地首先，控制器從磁盤驅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部讀一個塊，直到將整塊信息放入控制器的內部緩沖區中緩沖區中 其次，它做和校驗計算，以核實沒有讀錯誤發其次，它做和校驗計算，以核實沒有讀錯誤發生生 然后控制器產生一個中斷。然后控制器產生一個中斷。CPUCPU響應中斷，控響應中斷，控制轉給操作系統。當操作系統開始運行時，它制轉給操作系統。當操作系統開始運行時，它重復地從控制器緩沖區中一次一個字節或一個重復地從控制器緩沖區中一次一個字節或一個字地讀這個磁盤塊的信息，并將其送入內存中字地讀這個磁盤塊的信息，并將其送入內存中 采用采用DMADMA方

50、式時，允許方式時，允許DMADMA控制器接管地址控制器接管地址線的控制權，直接控制線的控制權，直接控制DMADMA控制器與內存控制器與內存的數據交換。從而使磁盤設備與儲器之的數據交換。從而使磁盤設備與儲器之間的數據傳送不需要間的數據傳送不需要CPUCPU介入，因而減輕介入，因而減輕了了CPUCPU負擔負擔 當采用當采用DMADMA時，除向控制器提供要讀塊的時，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磁盤地址外，還要向控制器提供兩個信息：要讀塊送往內存的起始地址和要傳息：要讀塊送往內存的起始地址和要傳送的字節數送的字節數 當當DMADMA硬件控制磁盤與存儲器之間進行信息交換硬件控

51、制磁盤與存儲器之間進行信息交換時，每當磁盤把一個數據讀入控制器的數據緩時，每當磁盤把一個數據讀入控制器的數據緩沖區時，沖區時，DMADMA控制器取代控制器取代CPUCPU，接管地址總線的，接管地址總線的控制權，并按照控制權，并按照DMADMA控制器中的存儲器地址寄控制器中的存儲器地址寄存器內容把數據送入相應的內存單元中。然后，存器內容把數據送入相應的內存單元中。然后，DMADMA硬件自動地把傳送字節計數器減硬件自動地把傳送字節計數器減1 1，把存儲，把存儲器地址寄存器加器地址寄存器加1 1，并恢復，并恢復CPUCPU對內存的控制權，對內存的控制權，DMADMA控制器對每一個傳送的數據重復上述過

52、程，控制器對每一個傳送的數據重復上述過程，直到傳送字節計數器為直到傳送字節計數器為“0”0”時，向時，向CPUCPU產生一產生一個中斷信號。當操作系統接管個中斷信號。當操作系統接管CPUCPU控制權時，控制權時，再無需做塊復制的工作了再無需做塊復制的工作了控制器按照指定存儲器地址，把第一個字節送入主存控制器按照指定存儲器地址，把第一個字節送入主存然后，按指定字節數進行數據傳送然后，按指定字節數進行數據傳送每當傳送一個字節后，字節計數器值減每當傳送一個字節后，字節計數器值減1 1，直到字節計數器等于，直到字節計數器等于0 0此時，控制器引發中斷，通知操作系統，操作完成此時，控制器引發中斷，通知操

53、作系統，操作完成CPUCPU提供提供被讀取塊磁盤地址被讀取塊磁盤地址目標存儲地址目標存儲地址待讀取字節數待讀取字節數整塊數據讀進緩沖區整塊數據讀進緩沖區核準校驗核準校驗DMADMA工作示例工作示例（以硬盤為例）（以硬盤為例） 存放輸入數據的內存起始地址、要傳送的字節數存放輸入數據的內存起始地址、要傳送的字節數 送入送入DMADMA控制器的內存地址寄存器和傳送字節計數器控制器的內存地址寄存器和傳送字節計數器 中斷允許位和啟動位置成中斷允許位和啟動位置成1 1，啟動設備，啟動設備n 發出傳輸要求的進程進入等待狀態發出傳輸要求的進程進入等待狀態n 執行指令被暫時掛起，進程調度其他進程占據執行指令被暫

54、時掛起，進程調度其他進程占據CPUCPUn 輸入設備不斷竊取輸入設備不斷竊取CPUCPU工作周期，數據不斷寫入內存工作周期，數據不斷寫入內存n 傳送完畢，發出中斷信號傳送完畢，發出中斷信號n CPUCPU接到中斷信號轉入中斷處理程序處理接到中斷信號轉入中斷處理程序處理n 中斷處理結束，中斷處理結束，CPUCPU返回原進程或切換到新的進程返回原進程或切換到新的進程DMA工作原理工作原理竊取總線控制權竊取總線控制權CPU向控制器發出啟動向控制器發出啟動DMA通知和有關參數通知和有關參數控制器向內存發出詢問請求控制器向內存發出詢問請求訪問內存（讀、寫）訪問內存（讀、寫）計數器減計數器減1結束否結束否

55、發中斷發中斷NYDMA的實現流程的實現流程（1 1）緩沖技術的引入）緩沖技術的引入 凡是數據到達和離去速度不匹配的地方均凡是數據到達和離去速度不匹配的地方均可采用緩沖技術。可采用緩沖技術。 在操作系統中采用緩沖是為了實現數據的在操作系統中采用緩沖是為了實現數據的I/OI/O操作，以緩解操作，以緩解CPUCPU與外部設備之間速與外部設備之間速度不匹配的矛盾，提高資源利用率度不匹配的矛盾，提高資源利用率n減少了減少了I/OI/O設備對處理器的中斷請求次數設備對處理器的中斷請求次數n簡化了中斷機制簡化了中斷機制n節省了系統開銷節省了系統開銷4. 緩沖技術緩沖技術（2）緩沖區設置）緩沖區設置 硬緩沖：

56、硬緩沖：在設備中設置緩沖區，由硬件實現在設備中設置緩沖區，由硬件實現 軟緩沖：軟緩沖：在內存中開辟一個空間，用作緩沖區在內存中開辟一個空間，用作緩沖區（3）緩沖區管理）緩沖區管理 單緩沖單緩沖 雙緩沖雙緩沖 緩沖池：緩沖池： 多個緩沖區連接起來統一管理，常采用多多個緩沖區連接起來統一管理，常采用多緩沖管理緩沖管理（4）例子）例子 終端輸入軟件中的鍵盤驅動程序終端輸入軟件中的鍵盤驅動程序 任務之一：收集字符任務之一：收集字符 兩種常見的字符緩沖方法：兩種常見的字符緩沖方法：n公共緩沖池（驅動程序中）公共緩沖池（驅動程序中）n終端數據結構緩沖終端數據結構緩沖終端終端數據結構數據結構公共公共緩沖池緩

57、沖池終端終端0123終端終端數據結構數據結構終端終端01終端終端0的緩沖區的緩沖區終端終端1的緩沖區的緩沖區公共緩沖池公共緩沖池 終端固定緩沖區終端固定緩沖區新一代計算機出現，帶來了總線技術的更新新一代計算機出現，帶來了總線技術的更新（1）總線）總線的基本概念：的基本概念： 在計算機系統內各種子系統在計算機系統內各種子系統 如如CPUCPU、內存、內存、I/OI/O設備等之間設備等之間 構建公用的信號或數據傳輸通道構建公用的信號或數據傳輸通道 這種可共享連接的傳輸通道稱為總線這種可共享連接的傳輸通道稱為總線5. 總線技術總線技術總線的分類總線的分類CPU-內存總線內存總線I/O總線總線數據總線

58、數據總線地址總線地址總線控制總線控制總線（非本課程范圍）（非本課程范圍）（2）總線的分類）總線的分類微型計算機微型計算機總線的種類和發展總線的種類和發展PCXT總線總線ISA總線總線MCA總線總線EISA總線總線VESA總線總線 PCI總線總線USB總線總線.(?)(?)(過時過時)1394總線總線SCSI總線總線USB（Universal Serial Bus）通用串行總線，是一種連接）通用串行總線，是一種連接I/O串行設備的技術標準串行設備的技術標準n沖破了計算機技術發展的兩個歷史局限性：沖破了計算機技術發展的兩個歷史局限性： （1）由于）由于I/O設備的接口標準的不一致和有限的接口設備的

59、接口標準的不一致和有限的接口數量已無法滿足各種應用迫切需要數量已無法滿足各種應用迫切需要 （2）傳統的）傳統的I/O設備的接口無法滿足實時數據傳輸與設備的接口無法滿足實時數據傳輸與多媒體應用的需求多媒體應用的需求nUSB以以WDM（Windows Driver Model）模型為基礎，）模型為基礎，WDM包含一套通用的包含一套通用的I/O服務和二進制兼容的設備驅服務和二進制兼容的設備驅動程序動程序 6. USB技術技術nUSB支持同步數據傳輸方式和異步數據傳輸方支持同步數據傳輸方式和異步數據傳輸方式，其數據傳輸率有低速式，其數據傳輸率有低速15Mbps和全速和全速12Mbps兩種，比標準串口快

60、兩種，比標準串口快100倍，比標準并倍，比標準并口快口快10倍倍nUSB可以主動為外部設備提供電源，允許外部可以主動為外部設備提供電源，允許外部設備快速連接，具有即插即用的功能設備快速連接，具有即插即用的功能n允許外部設備的熱插拔允許外部設備的熱插拔USB的結構的結構n控制器：控制器主要負責執行由控制器驅動程序發出控制器：控制器主要負責執行由控制器驅動程序發出的命令的命令n控制器驅動程序：控制器驅動程序在控制器與控制器驅動程序：控制器驅動程序在控制器與USB設設備之間建立通信信道備之間建立通信信道nUSB芯片驅動程序：芯片驅動程序：USB芯片驅動程序提供了對芯片驅動程序提供了對USB的支持的支