计算机设备管理培训课程(共252页).ppt

1、12022-2-26 第第4 4章章 设备管理设备管理设备管理是指计算机系统中除了设备管理是指计算机系统中除了CPU和内存以外和内存以外的其它所有设备的管理。的其它所有设备的管理。除了进行实际除了进行实际I/O操作的设备之外，也包括了诸如操作的设备之外，也包括了诸如设备控制器、设备控制器、DMA控制器、中断控制器、控制器、中断控制器、I/O处处理机等支持设备。理机等支持设备。在实际使用过程中，外围设备的种类繁多，功能在实际使用过程中，外围设备的种类繁多，功能各异，管理复杂。如何有效而又方便地使用这些各异，管理复杂。如何有效而又方便地使用这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

2、备管理是操作系统的重要和根本的组成局部，设备管理是操作系统的重要和根本的组成局部，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。22022-2-264.1.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32022-2-26411设备的分类设备的分类n计算机系统的外围设备包括：显示器、键盘、纸计算机系统的外围设备包括：显示器、键盘、纸带阅读器、纸带穿孔机、打印机、磁带、磁盘、带阅读器、纸带穿孔机、打印机、磁带、磁盘、光盘、激光打印机、绘图仪、图形数字化仪、鼠光盘

3、、激光打印机、绘图仪、图形数字化仪、鼠标器、声音输入、声音输出设备以及办公自动化标器、声音输入、声音输出设备以及办公自动化设备等等，种类相当繁多，可从不同的角度对它设备等等，种类相当繁多，可从不同的角度对它们进行分类。们进行分类。 4.1 设备管理概述设备管理概述42022-2-26n系统设备：在操作系统生成时已登记于系统的标系统设备：在操作系统生成时已登记于系统的标准设备，一般至少有键盘、显示器、打印机、磁准设备，一般至少有键盘、显示器、打印机、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

4、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设备的附属关系分类设备的附属关系分类52022-2-26n块设备：指以数据块为单位来组织和传送数据的块设备：指以数据块为单位来组织和传送数据的设备，如磁盘、磁带等。设备，如磁盘、磁带等。n字符设备：指以单个字符为单位来传送信息的设字符设备：指以单个字符为单位来传送

5、信息的设备，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数据组织方式分类62022-2-26n存储设备：磁带、磁盘软盘、硬盘、光盘、存储设备：磁带、磁盘软盘、硬盘、光盘、其它磁鼓等。其它磁鼓等。n输入输出设备：键盘、打印机、显示器、图形输输入输出设备：键盘、打印机、显示器、图形输入输出设备、图像输入输出设备入输出设备、图像输入输出设备 、绘图仪、声、绘图仪、声音输入输出设备、网卡、其它。音输入输出设备、网卡、其它。n终端设备：通用终端会话型、批量型、智能终端设备：通用终端会话型、批量型、智能型、多用终端、虚终端。型、多用终端、虚终端。3按设备的使用特性分类按设备的

6、使用特性分类72022-2-26n独占设备独占设备:这类设备在用户作业的整个运行期间必须为此这类设备在用户作业的整个运行期间必须为此用户所占有，才能保证传送设备的连贯性。大多数低速用户所占有，才能保证传送设备的连贯性。大多数低速I/O设备，如用户终端、打印机、纸带输入机等均属于这设备，如用户终端、打印机、纸带输入机等均属于这类设备。类设备。n共享设备共享设备:这类设备通常指磁盘这类直接存取设备，很容这类设备通常指磁盘这类直接存取设备，很容易被多个用户所共享。实际上是几个进程或作业交替地易被多个用户所共享。实际上是几个进程或作业交替地对它们进行读写，而宏观上看是同时对它们进行访问。对它们进行读写

7、，而宏观上看是同时对它们进行访问。n虚拟设备虚拟设备: :在一类设备上模拟另一类设备，常用共享设备在一类设备上模拟另一类设备，常用共享设备模拟独占设备，用高速设备模拟低速设备，被模拟的设模拟独占设备，用高速设备模拟低速设备，被模拟的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82022-2-26n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SpoolingSpooling。nSpooling Spooling 技术的根本思想是：当某作业或进

8、程技术的根本思想是：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局部，使其与独占设备相关联。中的某一局部，使其与独占设备相关联。 92022-2-26n例如用磁盘中的某一局部代替打印机，程序欲打例如用磁盘中的某一局部代替打印机，程序欲打印输出的信息先写入磁盘的这局部存储空间中，印输出的信息先写入磁盘的这局部存储空间中，适当的时候，例如打印机空闲时，再从盘中取出适当的时候，例如打印机空闲时，再从盘中取出该信息交由打印机输出。这样，用户或进程是直该信息交由打印机输出。这样，用户或进程是直接和磁盘打交道，而间接地使用打印机。由于磁接和磁盘

9、打交道，而间接地使用打印机。由于磁盘的存取速度远高于打印机的打印速度，而且磁盘的存取速度远高于打印机的打印速度，而且磁盘是可共享的，所以，对用户来说似乎有了一台盘是可共享的，所以，对用户来说似乎有了一台高速的可共享的打印机。高速的可共享的打印机。102022-2-26I/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112022-2-26二、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

10、。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。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。 122022-2-26 132022-2-26 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

11、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142022-2-26nI/OI/O设备一般由机械与电子线路两局部组成。设备一般由机械与电子线路两局部组成。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，也为了降低设备本钱，通常总是把这两局部分开：机械部设备本钱，通常总是把这两局部分开：机械部称为设备本身，电子局部称为称为设备本身，电子局部称为“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

12、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，因此很多设备控制器可以连接工作速度快，因此很多设备控制器可以连接2 2个、个、4 4个、甚至个、甚至8 8个相同类型的设备。个相同类型的设备。152022-2-26n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。例如软磁盘相连。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假设干个存放器与控制器是通过自己内部的假设干个存放器与CPU进行通信的。进行通信的。有用作数据缓冲的数据存

13、放器；有用作保存设备状态信息供有用作数据缓冲的数据存放器；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存放器；还有用来保存对外部设备进行测试的状态存放器；还有用来保存CPU发出的命令以及各种参数的命令存放器。发出的命令以及各种参数的命令存放器。n为了标识这些存放器，有的计算机系统把它们作为常规存储为了标识这些存放器，有的计算机系统把它们作为常规存储器地址空间的一个局部来对待；有的计算机系统那么给予它器地址空间的一个局部来对待；有的计算机系统那么给予它们专用的们专用的I/O地址。比方图列出了地址。比方图列出了IBM PC机上某些控制器所机上某些控制器所配置的配置的I/O地址和相应的中断

14、向量。地址和相应的中断向量。162022-2-26172022-2-26n由于是设备挂接在控制器上，因此要让设备由于是设备挂接在控制器上，因此要让设备做输入做输入/输出操作，操作系统总是与控制器输出操作，操作系统总是与控制器交往，而不是与设备交往。操作系统把命令交往，而不是与设备交往。操作系统把命令以及执行命令时所需要的参数一起写入控制以及执行命令时所需要的参数一起写入控制器的存放器中，以实现输入器的存放器中，以实现输入/输出。在控制输出。在控制器接受了一条命令后，就可以独立于器接受了一条命令后，就可以独立于CPU去去完成命令指定的任务。完成命令指定的任务。182022-2-26 (3)设备控

15、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192022-2-261.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202022-2-26n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

16、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、操作简便的逻辑给用户的是一种性能理想化的、操作简便的逻辑设备。设备。 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212022-2-26n有时把系统的这种性能

17、称为设备的独立性。例如有时把系统的这种性能称为设备的独立性。例如对于用户的同一个程序，操作系统应该能够让用对于用户的同一个程序，操作系统应该能够让用户程序对不同的打印机进行操作，而对不同的打户程序对不同的打印机进行操作，而对不同的打印机的具体特性不必理睬，且用户程序也不必修印机的具体特性不必理睬，且用户程序也不必修改。改。222022-2-26n为实现设备的有效管理和用户方便使用，设备管为实现设备的有效管理和用户方便使用，设备管理一般应具备下述功能：理一般应具备下述功能：n1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，

18、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232022-2-26n在设置通道的系统中，其

19、在设置通道的系统中，其I/O操作一般由通道执操作一般由通道执行通道程序来完成。因此，操作系统的设备管理行通道程序来完成。因此，操作系统的设备管理软件应具有这样的功能：根据用户提出的软件应具有这样的功能：根据用户提出的I/O要要求，生成相应的通道程序并提交给通道，然后用求，生成相应的通道程序并提交给通道，然后用专门的通道指令启动通道对指定设备进行专门的通道指令启动通道对指定设备进行I/O操操作，并能响应通道的中断请求。作，并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、缓冲区分请求做必要的处理，如设

20、备分配、缓冲区分配，并直接对设备接口编程，然后驱动指定的设配，并直接对设备接口编程，然后驱动指定的设备进行备进行I/O操作。操作。 2实现物理实现物理I/O操作操作242022-2-26n设备管理程序应具有对缓冲区进行管理的功能。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252022-2-26n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：n查询方式查询方式n中断方式中断方式n直接内存存取方式直接内存存取方式n

21、通道方式通道方式n它们的主要差异在于处理器和外设并行工作的方它们的主要差异在于处理器和外设并行工作的方式和程度的不同。式和程度的不同。42 I/O控制方式控制方式262022-2-26n查询方式是最简单的查询方式是最简单的I/OI/O控制方式。控制方式。n在设备控制器中有两个存放器，一个是状态存放器，在设备控制器中有两个存放器，一个是状态存放器，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；另一个是数据缓冲存放器。个是数据缓冲存放器。n当设备启动时，状态存放器的启动位为当设备启动时，状态存放器的启动位为1 1，此时外，此时外设把数据送往数据缓冲存放器，并将

22、状态存放器的设把数据送往数据缓冲存放器，并将状态存放器的状态位置状态位置1 1。nCPUCPU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 1，就，就把数据存放器中的数据取到内存；假设状态位为把数据存放器中的数据取到内存；假设状态位为0 0，那么再测试，直到状态存放器的状态位为那么再测试，直到状态存放器的状态位为1 1，然后，然后再读取数据。所以此种方式也称循环测试再读取数据。所以此种方式也称循环测试I/OI/O方式。方式。421 查询方式查询方式272022-2-26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CP

23、U-I/OCPU-内存I/O - CPU出错I/O - CPU完成下条指令未完成未就绪282022-2-26n由于由于CPU的速度远高于设备的速度远高于设备I/O的速度，使得的速度，使得CPU绝大局部时间都处于等待绝大局部时间都处于等待I/O完成的循环测完成的循环测试中。显然，这是对试中。显然，这是对CPU的极大浪费。但是，它的极大浪费。但是，它的管理简单，在要求不高的场合下常被采用，而的管理简单，在要求不高的场合下常被采用，而且不能支持多道程序。且不能支持多道程序。292022-2-26n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

24、I/O操作，它便以中断请求方式主动操作，它便以中断请求方式主动向向CPU汇报。因此，汇报。因此，CPU一旦启动一旦启动I/O设备后便设备后便可转去处理其他程序，仅在接到可转去处理其他程序，仅在接到I/O中断信息请中断信息请求时才花费极少时间去处理。求时才花费极少时间去处理。 422 中断方式中断方式302022-2-26n例如，打印机每打一行需要例如，打印机每打一行需要60ms，在查询方式在查询方式中，大约有中，大约有59.99ms，CPU都处于循环等待中，都处于循环等待中，而以中断方式处理的话，而以中断方式处理的话，CPU仅花费仅花费0.1ms时间时间来处理来处理I/O设备发来的中断，其余的

25、设备发来的中断，其余的59.99ms都都可以用来做别的事情。所以中断方式比查询方式可以用来做别的事情。所以中断方式比查询方式节省节省CPU的时间。的时间。312022-2-26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CPU做其他中断322022-2-26n中断方式的方法是当设备完成中断方式的方法是当设备完成I/O操作后，主动操作后，主动向向CPU报告，报告，CPU只用少量时间处理只用少量时间处理I/O中断，中断，并将数据取回。在多道程序中的环境下，一个程并将数据取

26、回。在多道程序中的环境下，一个程序或进程启动序或进程启动I/O设备并允许中断后，不是自己设备并允许中断后，不是自己主动去执行别的程序或继续执行主流程，而是应主动去执行别的程序或继续执行主流程，而是应当把自己挂起，控制权交还给进程调度程序。在当把自己挂起，控制权交还给进程调度程序。在中断处理程序中，完成指定的中断处理程序中，完成指定的I/O操作之后应把操作之后应把等待此结果的进程唤醒，而后由进程调度程序在等待此结果的进程唤醒，而后由进程调度程序在适当时机把此进程投入运行。多道程序下的中断适当时机把此进程投入运行。多道程序下的中断处理方式如图处理方式如图4-3所示。所示。332022-2-26l

27、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 342022-2-26n中断处理方式提高了主机的利用率，但是每次中断都要中断处理方式提高了主机的利用率，但是每次中断都要保存现场信息，恢复现场等，仍占用保存现场信息，恢复现场等，仍占用CPU时间。在传送时间。在传送数据量大、速度高的情况下，中断方式就不适应了。目数据量大、速度高的情况下，中断方式就不适应了。目前在块设备如磁盘的传输系统

28、中，都普遍采用了直前在块设备如磁盘的传输系统中，都普遍采用了直接内存存取方式，即接内存存取方式，即DMA方式。方式。n是指对是指对I/O设备的控制由设备的控制由DMA控制器完成，在控制器完成，在DMA控制控制器的作用下，设备和主存之间可以成批地进行数据交换，器的作用下，设备和主存之间可以成批地进行数据交换，而不用而不用CPU的干预。的干预。 423 直接内存存取方式直接内存存取方式352022-2-26DMA方式方式控制器功能更强，除有中断功能外，还有一个控制器功能更强，除有中断功能外，还有一个DMADMA控制机构。在控制机构。在DMADMA控制器的控制下，设备同主存之控制器的控制下，设备同主

29、存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: :362022-2-26 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:n 当进程要求设备输入一批数据时，当进程要求设备输入一批数据时，CPU将设备将设备存放输入数据的内存始址以及要传送的字节数分存放输入数据的内存始址以及要传送的字节数分别送入别送入DMA控制器中的地址存放器和传送字节计控制器中的地址存放器和传送字节计数器；另外，还要将中断位和启动位置为数器；另外，还要将中断位和启动位置为1，以启，以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

30、允许中断。n 发出数据要求的进程进入等待状态，进程调度发出数据要求的进程进入等待状态，进程调度程序调度其他进程占据程序调度其他进程占据CPU。n 输入设备不断地挪用输入设备不断地挪用CPU工作周期，将数据存工作周期，将数据存放器中的数据源源不断地写入内存，直到所要求放器中的数据源源不断地写入内存，直到所要求的字节全部传送完毕。的字节全部传送完毕。n DMA控制器在传送字节数完成时，通过中断请控制器在传送字节数完成时，通过中断请求线发出中断信号，求线发出中断信号，CPU收到中断信号后转中断收到中断信号后转中断处理程序，唤醒等待输入完成的进程，并返回被处理程序，唤醒等待输入完成的进程，并返回被中断

31、的程序。中断的程序。n 在以后的某个时刻，进程调度程序选中提出请在以后的某个时刻，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。据做进一步处理。372022-2-26nDMA方式有以下四个特点：方式有以下四个特点：n1它是高速外围设备与内存之间成批量的数它是高速外围设备与内存之间成批量的数据传输，但是不对数据再做加工处理，据传输，但是不对数据再做加工处理，I/O操作操作类型简单；类型简单；n2它需要使用一个专门的硬件它需要使用一个专门的硬件DMA控制器控制器DMAC。DMAC内有控制存放器、状态存放内有控制存放器、状态

32、存放器、传送字数计数器和内存地址存放器以及数据器、传送字数计数器和内存地址存放器以及数据缓冲存放器；缓冲存放器；382022-2-263 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DMACDMAC送出送出内存地址和发出内存读、设备写或者设备读、内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数存写的控制信号来完成内存与设备之间的直接数据传送，而不用据传送，而不用CPUCPU干预。有的干预。有的DMADMA传送甚至不经传送甚至不经过过DMACDMAC内的数据缓冲存放器的再吞吐，传输速率内的数据缓冲存放器的再吞吐，传输速率非常高。非常高。 4

33、 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DMACDMAC中中的传送字数计数器减的传送字数计数器减1 1至至0 0时，也就是本次时，也就是本次DMADMA传传送的数据全部传送完毕时，才产生中断，请求送的数据全部传送完毕时，才产生中断，请求CPUCPU进行结束处理。进行结束处理。 392022-2-26nDMA方式只能完成简单的数据传送、计数、方式只能完成简单的数据传送、计数、内存地址加内存地址加1或减或减1等操作，不能满足复杂等操作，不能满足复杂的的I/O操作要求。操作要求。 402022-2-26n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

34、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。 412022-2-26DMA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存放区满后，发中断请求，中断方式是在数据缓冲存放区满后，发中断请求，CPU进行中断处理进行中断处理n DMA方式那么是在所要求传送的数据块全部传方式那么是在所要求传

35、送的数据块全部传送结束时要求送结束时要求CPU进行中断处理进行中断处理n 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n 而而DMA方式那么是在方式那么是在DMA控制器的控制下不经控制器的控制下不经过过CPU控制完成的控制完成的422022-2-26CPU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432022-2-26n通道的引入是为了

36、建立独立的通道的引入是为了建立独立的I/O操作。它不仅操作。它不仅要求数据传送独立于要求数据传送独立于CPU，而且要求而且要求I/O操作的操作的组织、管理、结束等也尽量独立，以保证组织、管理、结束等也尽量独立，以保证CPU有有更多的时间从事计算。这样就可以实现更多的时间从事计算。这样就可以实现CPU计算计算和和I/O操作的并行工作。操作的并行工作。n通道是一种硬件机构，又称通道是一种硬件机构，又称I/O处理机。因其是处理机。因其是专用，故有很强的专用，故有很强的I/O处理能力。它接受处理能力。它接受CPU的的委托，独立地执行自己的通道程序来实现内存与委托，独立地执行自己的通道程序来实现内存与外

37、设之间的数据传输。当外设之间的数据传输。当CPU委托的委托的I/O任务完任务完成后，通道发出中断，请求成后，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442022-2-26 452022-2-26n根据信息交换方式，通道可分成：根据信息交换方式，通道可分成：字节多路通道、字节多路通道、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462022-2-261字节多路通道它适用于连接打印机、终端、卡片机等低速或中速的I/O设备，是按字节交叉方式工作的，这种通道可以连接8，16，32甚至更多的子通道 子通道所连接的I/O设备以字

38、节为单位经通道与内存交换数据，一个子通道传送一个字节后，立即让位于另一个子通道。由于字节通道的速度较高，而所连接的主要是低速I/O设备，因此，一个字节通道可以连接很多这样的低速设备。472022-2-26482022-2-26n选择通道的数据传送是按成批的方式进行选择通道的数据传送是按成批的方式进行的，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492022-2-26n它适用于连接高速它适用于连接高速I/O设备，如磁带、磁盘等。设备，如磁带、磁盘等。选择通道只有一个分配型子通道，即这个子通道选择通道只有一个分配型子通道，即这个子通道可以连接多台设备，但每次只能把子通道

39、分配给可以连接多台设备，但每次只能把子通道分配给一台设备使用。一旦分配给某台设备，子通道就一台设备使用。一旦分配给某台设备，子通道就被它独占，即使暂时出现空闲，也不允许其他设被它独占，即使暂时出现空闲，也不允许其他设备利用该子通道。直到它被释放，再选择另一台备利用该子通道。直到它被释放，再选择另一台设备为其效劳。因此选择通道的利用率是很低的。设备为其效劳。因此选择通道的利用率是很低的。502022-2-26n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

40、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512022-2-26n它首先为某台设备执行一条通道命令，传送一批它首先为某台设备执行一条通道命令，传送一批数据，然后再选择另一台设备执行另一条通道命数据，然后再选择另一台设备执行另一条通道命令，即几台设备的通道程序都在同时执行中；但令，即几台设备的通道程序都在同时执行中；但任何时刻，通道只能为一台设备的

41、数据传输提供任何时刻，通道只能为一台设备的数据传输提供效劳。因此成组多路通道技术相当于通道程序的效劳。因此成组多路通道技术相当于通道程序的多道程序设计技术。多道程序设计技术。n存在这三种通道的计算机系统的各硬件的连接关存在这三种通道的计算机系统的各硬件的连接关系如图系如图4-5所示。所示。522022-2-26 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

42、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 532022-2-26n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指令和通道本身提供的通道命令字指令和通道本身提供的通道命令字CCWChannel Command Word。nI/O指令的功能一般包括有：去除、停止、启动、指令的功能一般包括有：去除、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指令中还有指令中还有通道地址和设备地址。通道地址和设备地址。I/O指令属特权指令，只指令属特权指令，只能由操作系统使用。能由操作系统使用。nCCW一般有读

43、、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542022-2-26n系统程序设计人员依据驱动设备的要求，使用系统程序设计人员依据驱动设备的要求，使用CCW编写的程序称为通道程序，不同的设备有编写的程序称为通道程序，不同的设备有不同的通道程序。不同的通道程序。n通道程序存放在内存中，由通道程序存放在内存中，由I/O指令启动执行。指令启动执行。用户请求用户请求I/O时，时，CPU对通道的通信是向通道发对通道的通信是向通道发出查询、启动和停止通道程序工作，而通道向出查询、启动和停止通道程序工作，而通道向CPU的通信那么采用中断方式。其执行过程如

44、图的通信那么采用中断方式。其执行过程如图4-6所示。所示。552022-2-26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 562022-2-26n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

45、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。通道命令字条数不多，主要涉及控字。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。572022-2-26n假设干通道命令字构成一个假设干通道命令字构成一个“通道程序，它规定通道程序，它规定了设备应该执行的各种操作和顺序。

46、在了设备应该执行的各种操作和顺序。在CPU启动通启动通道后，由通道执行通道程序，完成道后，由通道执行通道程序，完成CPU所交给的所交给的I/O任务。通常，通道程序存放在通道自己的存储部任务。通常，通道程序存放在通道自己的存储部件里。当通道中没有存储部件时，就存放在内存储件里。当通道中没有存储部件时，就存放在内存储器里。这时，为了使通道能取到通道程序去执行，器里。这时，为了使通道能取到通道程序去执行，必须把存放通道程序的内存起始地址告诉通道。存必须把存放通道程序的内存起始地址告诉通道。存放这个起始地址的内存固定单元，被称为放这个起始地址的内存固定单元，被称为“通道地通道地址字。址字。582022

47、-2-26n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，可以简化接口的接口编程，可以简化接口的设计。设计。n对于非对于非DMA传送，需要传送，需要CPU实际去完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，但还是但还是需要需要CPU设置设备控制器，初始化设置设备控制器，初始化DMA操作和操作和操作完毕去检查端口传送状态。操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，它能够去取和执行控制器，它能够去取和执行它自己的指令；它自己的指令； 而且这些指令的功能

48、已不仅仅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，甚至一些是数据传送，还包括检索、分支转移，甚至一些简单的算术、逻辑运算。简单的算术、逻辑运算。592022-2-26n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。

49、 602022-2-26n缓冲的引入原因：缓冲的引入原因：n可减少占用通道的时间，从而缓和可减少占用通道的时间，从而缓和“瓶颈现象，瓶颈现象，可以显著提高可以显著提高CPU、通道、通道、I/O设备之间的并行操作设备之间的并行操作程度。程度。n改善改善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。n可以减少可以减少I/O对对CPU的中断次数，放宽的中断次数，放宽CPU对中断响对中断响应时间要求。应时间要求。n但凡数据到达和离去速度不匹配的地方均可采用缓但凡数据到达和离去速度不匹配的地方均可采用缓冲技术。冲技术。4. 3. 缓冲技术缓冲技术612022-2-26n缓冲有硬件缓

50、冲和软件缓冲之分。缓冲有硬件缓冲和软件缓冲之分。n硬件缓冲是以专用的存放器作为缓冲器。由于经硬件缓冲是以专用的存放器作为缓冲器。由于经济上的考虑，除了在最必要的地方采用少量硬件济上的考虑，除了在最必要的地方采用少量硬件缓冲器外，大都采用软件技术来实现缓冲。即在缓冲器外，大都采用软件技术来实现缓冲。即在操作系统的管理下，在内存中划出假设干个单元操作系统的管理下，在内存中划出假设干个单元作为缓冲区。作为缓冲区。n软件缓冲的好处是易于改变缓冲区的大小和数量，软件缓冲的好处是易于改变缓冲区的大小和数量，缺点是占据了一局部内存空间。缺点是占据了一局部内存空间。622022-2-26n根据缓冲区设置个数的

51、多少，缓冲区有单缓冲、根据缓冲区设置个数的多少，缓冲区有单缓冲、双缓冲和多重缓冲之分。双缓冲和多重缓冲之分。n在只有一个缓冲区的情况下，如果把一批数据读在只有一个缓冲区的情况下，如果把一批数据读入并打印出来，事实上，入并打印出来，事实上，CPU和打印机是完全串和打印机是完全串行工作的，行工作的，CPU将数据读入缓冲区时打印机是空将数据读入缓冲区时打印机是空闲的，打印机工作时，从缓冲区取出数据打印，闲的，打印机工作时，从缓冲区取出数据打印，CPU是空闲的。是空闲的。632022-2-26n如果有两个缓冲区，就可以先读入一局部数据到如果有两个缓冲区，就可以先读入一局部数据到缓冲区缓冲区1，装满后在

52、打印缓冲区，装满后在打印缓冲区1中的数据的同时，中的数据的同时，便向缓冲区便向缓冲区2中读入另一局部数据。在缓冲区中读入另一局部数据。在缓冲区1中中的内容打印完毕，缓冲区的内容打印完毕，缓冲区2的内容也输入完毕后，的内容也输入完毕后，然后进行交换，即打印缓冲区然后进行交换，即打印缓冲区2中的同时，又继中的同时，又继续向缓冲区续向缓冲区1中读入数据。此时中读入数据。此时CPU和打印机已和打印机已处于并行工作状态，处于并行工作状态，I/O设备得到充分利用。设备得到充分利用。642022-2-26 652022-2-26n虽然在采用双缓冲时，能实现虽然在采用双缓冲时，能实现CPU和和I/O操作并操作

53、并行化，但在一般情况下，并不能获得令人满意的行化，但在一般情况下，并不能获得令人满意的CPU和和I/O设备的并行操作。由于设备的并行操作。由于CPU的速度远的速度远远高于输入和输出的速度，而使远高于输入和输出的速度，而使CPU经常处于等经常处于等待状态。待状态。662022-2-26n这时，为了获得良好的并行操作，就需要设置多这时，为了获得良好的并行操作，就需要设置多个缓冲区，称之为多重缓冲。例如，由于个缓冲区，称之为多重缓冲。例如，由于 打印打印机输出数据时，假设机输出数据时，假设CPUCPU输出的数据又多又快，输出的数据又多又快，可能很快占满缓冲区，只有等打印机打印输出完可能很快占满缓冲区

54、，只有等打印机打印输出完毕，缓冲区空了，毕，缓冲区空了， CPU CPU才能进行第二次输出，设才能进行第二次输出，设置多个缓冲区，可使这种情况得到改善，置多个缓冲区，可使这种情况得到改善，CPUCPU和和设备的利用率、并行度都将有所提高。缓冲区究设备的利用率、并行度都将有所提高。缓冲区究竟开辟多大、多少为好，要根据竟开辟多大、多少为好，要根据CPUCPU、设备、内、设备、内存容量等具体情况来考虑。存容量等具体情况来考虑。n另外，根据设置缓冲区的附属关系，还可以分为另外，根据设置缓冲区的附属关系，还可以分为专用缓冲区和缓冲池。专用缓冲区和缓冲池。 672022-2-26n专用缓冲区是每个设备的专

55、用资源，当系统配置专用缓冲区是每个设备的专用资源，当系统配置的设备比较多时，即便每一个设备只配置一个缓的设备比较多时，即便每一个设备只配置一个缓冲区，那么累积起来其内存开销也十分可观。另冲区，那么累积起来其内存开销也十分可观。另外，专用缓冲区的利用率也不高。把系统内的缓外，专用缓冲区的利用率也不高。把系统内的缓冲区统一管理起来，变专用为通用，这就是缓冲冲区统一管理起来，变专用为通用，这就是缓冲池，它由假设干个大小相同缓冲区组成。池，它由假设干个大小相同缓冲区组成。 682022-2-26n当某进程需要使用缓冲区时，提出申请，由管理当某进程需要使用缓冲区时，提出申请，由管理程序分配给它，用完后，

56、释放缓冲区。这样可用程序分配给它，用完后，释放缓冲区。这样可用少量的缓冲区为更多的进程效劳，当然这需要一少量的缓冲区为更多的进程效劳，当然这需要一个缓冲区管理软件的支持。在分时系统中常采用个缓冲区管理软件的支持。在分时系统中常采用缓冲池方式。缓冲池方式。n 692022-2-26补充：补充： 其它技术其它技术n1 总线技术总线技术n2 USB技术技术n3 SCSI接口技术接口技术n4 即插即用技术即插即用技术n5 网络网络I/O设备设备702022-2-26新一代计算机出现，带来了总线技术的更新新一代计算机出现，带来了总线技术的更新1、总线的根本概念：、总线的根本概念： 在计算机系统内各种子系

57、统，如在计算机系统内各种子系统，如CPU、内、内存、存、I/O设备等之间，构建公用的信号或数设备等之间，构建公用的信号或数据传输通道据传输通道 这种可共享的传输通道称为总线这种可共享的传输通道称为总线1 总线技术总线技术712022-2-26总线的分类总线的分类CPU-内存总线内存总线I/O总线总线数据总线数据总线地址总线地址总线控制总线控制总线非本课程范围非本课程范围2、总线的分类、总线的分类722022-2-26微型计算机微型计算机总线的种类和开展总线的种类和开展PCXT总线总线ISA总线总线MCA总线总线EISA总线总线VESA总线总线 PCI总线总线USB总线总线.(过时过时)1394

58、总线总线SCSI总线总线732022-2-26ISA工业标准结构工业标准结构nISA基于PCAT总线，是由IEEE美国电气电子工程师协会1987年正式确立的标准。nISA槽是一个黑色的6236线插槽。nISA工作频率定在8.33MHz，数据传输率为8.33MBs。n随着系统工作频率的迅速提高，其配用的扩展卡也逐渐被淘汰，现在最新的主板已开始取消ISA槽。742022-2-26PCI 外围部件互连外围部件互连n1993年Intel发表PCI2.0版，PCI开始走进主板。nPCI有32位和64位两种，32位PCI槽124线，64位槽188线，目前常用的是32位插槽。nPCI槽的时钟频率为33.3M

59、Hz，32位PCI的数据传输率为133MBs，大大高于ISA。所以PCI问世后迅速成了扩展总线的主流，流行的扩展卡也都转移到PCI上，如显示卡、声卡、网卡、MODEM卡等等。752022-2-26AGP加速图形端口加速图形端口n1996年Intel公司在PCI的根底上专为显示卡接口提出AGP标准。nAGP使用32位数据总线，工作频率为66.6MHznAGP 1x的数据传输率可达266MB/s，AGP 2x在一个时钟周期的上升沿和下降沿各传输一次资料，其数据传输率可到达533MBs，而AGP 4x的理论传输率为1.066GBs。 762022-2-26IEEE1394nIEEE1394是1995

60、年由IEEE将APPLE公司高速串行总线“FIRE WIRE标准化而成，目前还在开展中。nIEEE1394适用于声音、图像和视频多媒体产品、高速打印机和扫描仪产品、硬盘等存储设备、数码摄影机、显示器和影音录放设备等。772022-2-26IEEE1394的特点的特点n标准数据传输率分三种：100Mbps、200Mbps和400Mbps, IEEE1394商业联盟方案将它提高到800Mbps、1Gbps和1.6Gbps；n支持同步模式传输,可实现“准实时的多媒体数据传输；n连接方便，易于扩展，不必设定标识号和连接终端负载，可采用菊花链或树形方式连接，所有连接的设备是平等关系，不用个人计算机介入也