第七章 設(shè)備管理-1

1、第七章第七章 設(shè)備管理設(shè)備管理7.1 I/O管理概述1、設(shè)備管理的主要功能：、設(shè)備管理的主要功能：l緩沖區(qū)管理緩沖區(qū)管理l設(shè)備分配設(shè)備分配l設(shè)備處理設(shè)備處理l虛擬設(shè)備虛擬設(shè)備l實現(xiàn)設(shè)備獨立性實現(xiàn)設(shè)備獨立性2、I/O系統(tǒng)實現(xiàn)信息輸入、輸出和存儲的系統(tǒng)。實現(xiàn)信息輸入、輸出和存儲的系統(tǒng)。包括：包括：lI/O設(shè)備設(shè)備l總線總線l設(shè)備控制器設(shè)備控制器lI/O通道通道l I/O處理機處理機3、I/O設(shè)備的類型可以按照重要的性能指標分類：可以按照重要的性能指標分類：數(shù)據(jù)傳輸速率數(shù)據(jù)傳輸速率數(shù)據(jù)的傳輸單位數(shù)據(jù)的傳輸單位設(shè)備共享屬性設(shè)備共享屬性（1）按傳輸速率分類）按傳輸速率分類低速設(shè)備低速設(shè)備 每秒每秒幾字節(jié)

2、至數(shù)百字節(jié)幾字節(jié)至數(shù)百字節(jié) 如：鍵盤、鼠標器、語音的輸入和輸出如：鍵盤、鼠標器、語音的輸入和輸出中速設(shè)備中速設(shè)備 每秒每秒數(shù)千字節(jié)至數(shù)萬字節(jié)數(shù)千字節(jié)至數(shù)萬字節(jié) 如：行式打印機、激光打印機如：行式打印機、激光打印機高速設(shè)備高速設(shè)備 每秒數(shù)每秒數(shù)百千字節(jié)百千字節(jié)以上以上 如：磁帶機、磁盤機、光盤機等。如：磁帶機、磁盤機、光盤機等。（2）按信息交換單位分類）按信息交換單位分類塊設(shè)備塊設(shè)備 字符設(shè)備字符設(shè)備塊設(shè)備塊設(shè)備用于存儲信息。用于存儲信息。屬有結(jié)構(gòu)類型。屬有結(jié)構(gòu)類型。如：磁盤，盤塊大小為如：磁盤，盤塊大小為512B4KB512B4KB。磁盤設(shè)備的基本特征是其傳輸速率較高，磁盤設(shè)備的基本特征是其傳

3、輸速率較高，通常每秒鐘為幾兆位；可尋址，即對它可通常每秒鐘為幾兆位；可尋址，即對它可隨機地讀隨機地讀/ /寫任一塊；寫任一塊；磁盤設(shè)備的磁盤設(shè)備的I/OI/O常采用常采用DMADMA (Direct Memory Memory Access,Access,直接內(nèi)存存取直接內(nèi)存存取) )方式。方式。字符設(shè)備字符設(shè)備用于數(shù)據(jù)的輸入和輸出。用于數(shù)據(jù)的輸入和輸出。屬無結(jié)構(gòu)類型。屬無結(jié)構(gòu)類型。種類多，如交互式終端、打印機等。種類多，如交互式終端、打印機等?；咎卣魇瞧鋫鬏斔俾瘦^低，通常為基本特征是其傳輸速率較低，通常為幾個字節(jié)至數(shù)千個字節(jié)；另一特征是幾個字節(jié)至數(shù)千個字節(jié)；另一特征是不不可尋址，即輸入可尋

4、址，即輸入/ /輸出時不能指定數(shù)輸出時不能指定數(shù)據(jù)的輸入源地址及輸出的目標地址據(jù)的輸入源地址及輸出的目標地址輸入輸入/ /輸出時，常采用中斷驅(qū)動方式。輸出時，常采用中斷驅(qū)動方式。（3）按設(shè)備的共享屬性分類）按設(shè)備的共享屬性分類獨占設(shè)備獨占設(shè)備共享設(shè)備共享設(shè)備虛擬設(shè)備虛擬設(shè)備獨占設(shè)備獨占設(shè)備 指在一段時間內(nèi)只允許一個用戶（進程）指在一段時間內(nèi)只允許一個用戶（進程）訪問的設(shè)備，即訪問的設(shè)備，即臨界資源臨界資源。共享設(shè)備共享設(shè)備 指在一段時間內(nèi)允許多個進程同時訪問的設(shè)指在一段時間內(nèi)允許多個進程同時訪問的設(shè)備，如：磁盤。備，如：磁盤。4、設(shè)備與控制器接口、設(shè)備與控制器接口在該接口中有三種類型的信號：在

5、該接口中有三種類型的信號：數(shù)據(jù)信號數(shù)據(jù)信號。對輸入是由設(shè)備發(fā)送給設(shè)備控制器的；。對輸入是由設(shè)備發(fā)送給設(shè)備控制器的；對輸出是由設(shè)備控制器所接收的比特流。對輸出是由設(shè)備控制器所接收的比特流。控制信號控制信號。是設(shè)備控制器發(fā)送給設(shè)備的、用于規(guī)。是設(shè)備控制器發(fā)送給設(shè)備的、用于規(guī)定設(shè)備執(zhí)行、讀或?qū)懖僮鞯男盘?，定設(shè)備執(zhí)行、讀或?qū)懖僮鞯男盘枺瑺顟B(tài)信號狀態(tài)信號。用于指示設(shè)備的當前狀態(tài)。用于指示設(shè)備的當前狀態(tài)。 設(shè)備控制器設(shè)備控制器是是CPUCPU與與I/OI/O設(shè)備的接口設(shè)備的接口分成兩大類：分成兩大類： 用于用于控制字符設(shè)備控制字符設(shè)備的控制器；的控制器； 用于用于控制塊設(shè)備控制塊設(shè)備的控制器。的控制器。微

6、型機和小型機中的控制器常做成印微型機和小型機中的控制器常做成印制電路卡形式，稱接口卡。制電路卡形式，稱接口卡。設(shè)備控制器的功能接收和識別命令接收和識別命令數(shù)據(jù)交換數(shù)據(jù)交換標識并報告設(shè)備的狀態(tài)標識并報告設(shè)備的狀態(tài)地址識別地址識別數(shù)據(jù)緩沖數(shù)據(jù)緩沖差錯控制差錯控制設(shè)備控制器的組成設(shè)備控制器的組成1 1）設(shè)備控制器與處理機接口）設(shè)備控制器與處理機接口2) 2) 設(shè)備控制器與設(shè)備接口設(shè)備控制器與設(shè)備接口3) I/O3) I/O邏輯邏輯（1 1）設(shè)備控制器與處理機接口）設(shè)備控制器與處理機接口三類信號線：三類信號線： 數(shù)據(jù)線、地址線、控制線數(shù)據(jù)線、地址線、控制線兩類寄存器：兩類寄存器： 數(shù)據(jù)寄存器、控制數(shù)據(jù)

7、寄存器、控制/ /狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器（2 2）設(shè)備控制）設(shè)備控制器與器與設(shè)備接口設(shè)備接口一個接口連接一臺設(shè)備一個接口連接一臺設(shè)備每個接口中含有數(shù)據(jù)、地址、控制每個接口中含有數(shù)據(jù)、地址、控制信號。信號?？刂破鞯目刂破鞯腎/OI/O邏輯根據(jù)處理機發(fā)的邏輯根據(jù)處理機發(fā)的地址信號選擇設(shè)備接口。地址信號選擇設(shè)備接口。（3 3）I/OI/O邏輯邏輯通過一組控制線與處理機交互。通過一組控制線與處理機交互。處理機利用它向控制器發(fā)送處理機利用它向控制器發(fā)送 I IOO命令。命令。I/OI/O邏輯對收到的命令進行譯碼。邏輯對收到的命令進行譯碼。圖設(shè)備控制器的組成 數(shù)據(jù)寄存器控制/狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)線I/O邏輯控制器

8、與設(shè)備接口1控制器與設(shè)備接口i數(shù)據(jù)狀態(tài)控制數(shù)據(jù)狀態(tài)控制地址線控制線CPU與控制器接口控制器與設(shè)備接口5 5、I/OI/O通道通道I/OI/O通道是種特殊的處理機。它具有執(zhí)行通道是種特殊的處理機。它具有執(zhí)行I/OI/O指令的能指令的能力并通過執(zhí)行通道程序來控制力并通過執(zhí)行通道程序來控制I/OI/O操作。操作。與一般處理機不同表現(xiàn)在兩個方面：與一般處理機不同表現(xiàn)在兩個方面： 指令類型單一指令類型單一、即由于通道硬件比較簡單其所能執(zhí)、即由于通道硬件比較簡單其所能執(zhí)行的指令行的指令, ,要為與要為與I/OI/O有關(guān)的指令；有關(guān)的指令； 通道通道沒有自己的內(nèi)存沒有自己的內(nèi)存。與。與CPUCPU共享內(nèi)存。

9、共享內(nèi)存。通道類型通道類型根據(jù)信息交換方式分三種類型：根據(jù)信息交換方式分三種類型：字節(jié)多路通道字節(jié)多路通道數(shù)組選擇通道數(shù)組選擇通道數(shù)組多路通道數(shù)組多路通道字節(jié)多路通道字節(jié)多路通道 含有非分配型子通道，其數(shù)量從幾十到幾百。每個子通道連含有非分配型子通道，其數(shù)量從幾十到幾百。每個子通道連接一臺接一臺I/OI/O設(shè)備。設(shè)備。 子通道按時間片輪轉(zhuǎn)方式共享主通道。子通道按時間片輪轉(zhuǎn)方式共享主通道。 第一個子通道控制其第一個子通道控制其I/OI/O設(shè)備完成一個字節(jié)的交換后便立即設(shè)備完成一個字節(jié)的交換后便立即騰出字節(jié)多路通道騰出字節(jié)多路通道( (主通道主通道) )，讓給第二個子通道使用，依此類，讓給第二個子

10、通道使用，依此類推，所有通道輪轉(zhuǎn)一周后重返回。推，所有通道輪轉(zhuǎn)一周后重返回。 只要掃描每個于通道的速度足夠快，而連接到子通道上的設(shè)只要掃描每個于通道的速度足夠快，而連接到子通道上的設(shè)備的速率較小時，不丟數(shù)據(jù)。備的速率較小時，不丟數(shù)據(jù)。 連接低速或中速設(shè)備時連接低速或中速設(shè)備時，便不丟失信息。便不丟失信息。圖字節(jié)多路通道的工作原理 控制器A控制器B控制器C控制器D控制器NA1A2A3子通道AB1B2B3子通道BC1C2C3子通道CN1N2N3子通道NA1B1C1A2B2C2設(shè)備數(shù)組選擇通道數(shù)組選擇通道含有一個非分配型子通道可以連接多臺高速設(shè)備 一段時間內(nèi)只能執(zhí)行一道通道程序控制一臺設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳

11、送。利用率很低。數(shù)組多路通道數(shù)組多路通道含有多個非分配型子通道結(jié)合前兩者的優(yōu)點可以連接多臺高速設(shè)備數(shù)據(jù)傳送按數(shù)組進行。利用率很高?！捌款i瓶頸”問題問題由于通道價格昂貴，致使機器中所設(shè)置的通道數(shù)量勢必較少，這往往又使它成了I/O的瓶頸，進而造成整個系統(tǒng)吞吐量的下降。例如，在圖5中，假設(shè)設(shè)備1至設(shè)備4是四個磁盤，為了啟動磁盤4，必須用通道1和控制器2；但若這兩者已被其它設(shè)備占用，必然無法啟動磁盤4。類似地，若要啟動盤1和盤2，由于它們都要用到通道1，因而也不可能啟動。這些就是由于通道不足所造成的通道不足所造成的“瓶頸瓶頸”現(xiàn)象。 圖單通路I/O系統(tǒng) 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控制器

12、1控制器2控制器3控制器4通道1通道2存儲器解決“瓶頸”問題的最有效的方法，便是增加設(shè)備到主機間的通路而不增加通道，如圖所示。換言之，就是把一個設(shè)備連接到多個控制器上，而一個控制器又連接到多個通道上。圖中的設(shè)備1、2、3和4，都有四條通往存儲器的通路。例如，通過控制器1和通道1到存儲器；也可通過控制器2和通道1到存儲器。多通路方式不僅解決了“瓶頸”問題，而且提高了系統(tǒng)的可靠性，因為個別通道或控制器的故障不會使設(shè)備和存儲器之間沒有通路。 圖多通路I/O系統(tǒng) I/O設(shè)備控制器1控制器2通道1通道2存儲器I/O設(shè)備I/O設(shè)備I/O設(shè)備6 6、總線、總線系統(tǒng)系統(tǒng)由圖 可以看出，在計算機系統(tǒng)中的各部件，

13、如CPU、存儲器以及各種I/O設(shè)備之間的聯(lián)系，都是通過總線來實現(xiàn)的?？偩€的性能是用總線的時鐘頻率、帶寬和相應(yīng)的總線傳輸速率等指標來衡量的。隨著計算機中CPU和內(nèi)存速率的提高，字長的增加，以及不斷地引入新型設(shè)備，促使人們對總線的時鐘頻率、帶寬和傳輸速率的要求也不斷提高。這便推動了總線的不斷發(fā)展，使之由早期的ISA總線發(fā)展為EISA總線、VESA總線，進而又演變成當前廣為流行的PCI總線。 圖總線型I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu) CPU存儲器磁盤控制器打印機控制器其它控制器磁盤驅(qū)動器打印機系統(tǒng)總線1 1ISAISA和和EISAEISA總線總線1) ISA(Industry Standard Architectur

14、e)總線這是為在1984年推出的80286型微機而設(shè)計的總線結(jié)構(gòu)。其總線的帶寬為8位，最高傳輸速率為2 Mb/s。之后不久又推出了16位的(EISA)總線，其最高傳輸速率為8 Mb/s，后又升至16 Mb/s，能連接12臺設(shè)備。2) EISA(Extended ISA)總線到20世紀80年代末期，ISA總線已難于滿足帶寬和傳輸速率的要求，于是人們又開發(fā)出擴展ISA(EISA)總線，其帶寬為32位，總線的傳輸速率高達32 Mb/s，同樣可以連接12臺外部設(shè)備。 2 2局部總線局部總線(Local Bus)(Local Bus)多媒體技術(shù)的興起，特別是全運動視頻處理、高保真音響、高速LAN，以及高

15、質(zhì)量圖形處理等技術(shù)，都要求總線具有更高的傳輸速率，這時的EISA總線已難于滿足要求，于是，局部總線便應(yīng)運而生。所謂局部總線，是指將多媒體卡、高速LAN網(wǎng)卡、高性能圖形板等，從ISA總線上卸下來，再通過局部總線控制器直接接到CPU總線上，使之與高速CPU總線相匹配，而打印機、FAX/Modem、CDROM等仍掛在ISA總線上。在局部總線中較有影響的是VESA總線和PCI總線。 1) VESA(Video Electronic Standard Association)總線該總線的設(shè)計思想是以低價位迅速占領(lǐng)市場。VESA總線的帶寬為32位，最高傳輸速率為132 Mb/s。它在20世紀90年代初被推

16、出時，廣泛應(yīng)用于486微機中。但VESA總線仍存在較嚴重的缺點，比如，它所能連接的設(shè)備數(shù)僅為24臺，在控制器中無緩沖，故難于適應(yīng)處理器速度的不斷提高，也不能支持后來出現(xiàn)的Pentium微機。 2) PCI(Peripheral Component Interface)總線隨著Pentium系列芯片的推出，Intel公司分別在1992年和1995年頒布了PCI總線的V1.0和V2.1規(guī)范，后者支持64位系統(tǒng)。PCI在CPU和外設(shè)間插入一復(fù)雜的管理層，用于協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)傳輸和提供一致的接口。在管理層中配有數(shù)據(jù)緩沖，通過該緩沖可將線路的驅(qū)動能力放大，使PCI最多能支持10種外設(shè)，并使高時鐘頻率的CPU能很

17、好地運行，最大傳輸速率可達132 Mb/s。PCI既可連接ISA、EISA等傳統(tǒng)型總線，又可支持Pentium的64位系統(tǒng)，是基于奔騰等新一代微處理器而發(fā)展的總線。 DMA控制方式中斷方式比程序I/O方式有效，但它是以字節(jié)為單位進行的，每傳送一個字節(jié)，控制器便向CPU請求一次中斷，如果將這種方式用于塊設(shè)備的I/O，顯然是低效的。例如要讀1KB的數(shù)據(jù)塊，需要中斷1K次CPU。為了減少CPU對I/O的干預(yù)，引入DMA方式。該方式的特點為：l數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝皇菙?shù)據(jù)塊。l所傳送的數(shù)據(jù)是從設(shè)備直接送入內(nèi)存的。l僅在傳送一個或多個數(shù)據(jù)塊的開始或結(jié)束時，才需CPU干預(yù)，整塊數(shù)據(jù)的傳送是在控制器的控制下完成

18、的。DMA控制器的組成增加兩類寄存器：l內(nèi)存地址寄存器MARl數(shù)據(jù)計數(shù)器DCPU控制器控制/狀態(tài)寄存器內(nèi)存地址寄存器忙/閑位中斷位開始中斷數(shù)據(jù)線信號線數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)計數(shù)器內(nèi)存CountDMA工作過程存儲器地址增1數(shù)據(jù)計數(shù)器減1挪用存儲器周期傳送數(shù)據(jù)字開始設(shè)置MAR和DC的初值啟動DMA傳送命令DC=0？是在繼續(xù)執(zhí)行用戶程序的同時，準備又一次傳送請求中斷否當CPU需要從磁盤讀數(shù)據(jù)時，便向磁盤控制器DMA發(fā)命令，該命令送命令寄存器CR，將內(nèi)存地址送內(nèi)存地址寄存器MAR，本次要讀的字節(jié)數(shù)送數(shù)據(jù)寄存器DC。啟動DMA后，CPU干其他的事情，數(shù)據(jù)傳送在DMA的控制下完成。通道方式lDMA方式比中斷方式、程序I/O方式以顯著地減少了CPU的干預(yù)，即從字節(jié)為單位的干預(yù)減少到以數(shù)據(jù)塊為單位的干預(yù)。lI/O通道方式是DMA方式的發(fā)展，把以數(shù)據(jù)塊為單位的干預(yù)，減少到對一組數(shù)據(jù)塊為單位的干預(yù)。l在DMA方式中，每發(fā)出一個I/O指令，能讀（寫）一個連續(xù)的數(shù)據(jù)塊，當需要一次去讀多個離散的數(shù)據(jù)塊且將它們分別傳送到不同的內(nèi)存區(qū)域時，則需多條I/O指令和