華東理工大學(xué)《操作系統(tǒng)》第九章設(shè)備管理

1、12345678910111213CPU外部設(shè)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(tài)寄存器狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器14159.2.19.2.1循環(huán)循環(huán)I/OI/O測(cè)試方式測(cè)試方式循環(huán)循環(huán)I/OI/O測(cè)試方式又稱(chēng)為程序查詢(xún)方式。完全用程序直接測(cè)試方式又稱(chēng)為程序查詢(xún)方式。完全用程序直接控制數(shù)據(jù)在控制數(shù)據(jù)在CPUCPU和外部設(shè)備之間的傳輸，即由和外部設(shè)備之間的傳輸，即由CPUCPU主動(dòng)控制完主動(dòng)控制完成。成。當(dāng)用戶(hù)程序需要數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)當(dāng)用戶(hù)程序需要數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)CPUCPU向設(shè)備控制器發(fā)出一條向設(shè)備控制器發(fā)出一條I/OI/O命命令，令，同時(shí)把狀態(tài)寄存器中的忙同時(shí)把狀態(tài)寄存器中的忙/

2、/閑標(biāo)志閑標(biāo)志busybusy置為置為1 1，Busy=1 Busy=1 表輸表輸入機(jī)尚未輸完到數(shù)據(jù)寄存器中。入機(jī)尚未輸完到數(shù)據(jù)寄存器中。爾后爾后CPUCPU不斷循環(huán)測(cè)試不斷循環(huán)測(cè)試busy,busy,直至直至busy=0.busy=0.CPUCPU將數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)取出，送入內(nèi)存指定單元中。將數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)取出，送入內(nèi)存指定單元中。接著，再啟動(dòng)去讀下一個(gè)數(shù)據(jù)，并置接著，再啟動(dòng)去讀下一個(gè)數(shù)據(jù)，并置busy=1.busy=1.又稱(chēng)忙又稱(chēng)忙- -等待方式等待方式程序程序i/oi/o指令指令啟動(dòng)外設(shè)啟動(dòng)外設(shè)測(cè)試指令測(cè)試指令外設(shè)外設(shè)i/oi/o完成了嗎？完成了嗎？16179.2.29.2.2程序中斷

3、控制方式程序中斷控制方式1.1.程序中斷方式程序中斷方式 在硬件結(jié)構(gòu)上，程序中斷方式要求在硬件結(jié)構(gòu)上，程序中斷方式要求CPU與與I/O設(shè)備（或設(shè)備（或接口）之間有相應(yīng)的接口）之間有相應(yīng)的中斷請(qǐng)求線(xiàn)中斷請(qǐng)求線(xiàn).18進(jìn)程進(jìn)程A A程序程序I/OI/O請(qǐng)求請(qǐng)求CPUCPU執(zhí)行執(zhí)行I/OI/O中斷處理程序中斷處理程序外設(shè)外設(shè)CPUCPU指令啟動(dòng)外設(shè)指令啟動(dòng)外設(shè)進(jìn)程進(jìn)程B B程序程序- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -1 1 2 2返回用戶(hù)進(jìn)程返回用戶(hù)進(jìn)程I/OI/O中斷請(qǐng)求中斷請(qǐng)求返返回回程序中斷方式程序中斷方式3 35 5CPUC

4、PU響應(yīng)中斷響應(yīng)中斷4 4192. 2. 程序中斷方式的優(yōu)缺點(diǎn)：程序中斷方式的優(yōu)缺點(diǎn)： 一般數(shù)據(jù)緩沖寄存較小，一次數(shù)據(jù)傳輸多次中斷。使得一般數(shù)據(jù)緩沖寄存較小，一次數(shù)據(jù)傳輸多次中斷。使得CPUCPU忙于處理中斷，耗費(fèi)了大量的時(shí)間。忙于處理中斷，耗費(fèi)了大量的時(shí)間。 多種外設(shè)，中斷次數(shù)劇增，造成中斷無(wú)法響應(yīng)而丟失數(shù)據(jù)。多種外設(shè)，中斷次數(shù)劇增，造成中斷無(wú)法響應(yīng)而丟失數(shù)據(jù)。 改善了改善了CPUCPU的利用率，并使輸入，輸出和處理這三者更好的利用率，并使輸入，輸出和處理這三者更好地地并行并行操作。操作。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：205.2.3 5.2.3 直接存儲(chǔ)器存?。ㄖ苯哟鎯?chǔ)器存取（DMADMA）方式）

5、方式由于程序中斷的控制方式不適用于大批量數(shù)據(jù)傳送，所以由于程序中斷的控制方式不適用于大批量數(shù)據(jù)傳送，所以在在I/OI/O系統(tǒng)中引入了直接存儲(chǔ)器存?。ㄏ到y(tǒng)中引入了直接存儲(chǔ)器存取（DMADMA：Direct Memory Direct Memory AccessAccess）方式，簡(jiǎn)稱(chēng)為）方式，簡(jiǎn)稱(chēng)為DMADMA方式。方式。1 1DMADMA控制器的組成控制器的組成（1 1）內(nèi)存地址寄存器）內(nèi)存地址寄存器 用于存放內(nèi)存中要交換的數(shù)據(jù)地址。在用于存放內(nèi)存中要交換的數(shù)據(jù)地址。在DMADMA傳送前，通過(guò)傳送前，通過(guò)程序?qū)?shù)據(jù)塊的初始地址送入該寄存器中，以后每交換一次數(shù)程序?qū)?shù)據(jù)塊的初始地址送入該寄存器中

6、，以后每交換一次數(shù)據(jù)，地址寄存器自動(dòng)加據(jù)，地址寄存器自動(dòng)加1 1，形成下一次交換數(shù)據(jù)的地址。，形成下一次交換數(shù)據(jù)的地址。2122（2 2）傳送字節(jié)數(shù)計(jì)數(shù)器）傳送字節(jié)數(shù)計(jì)數(shù)器 用于存放傳送數(shù)據(jù)塊的長(zhǎng)度。在用于存放傳送數(shù)據(jù)塊的長(zhǎng)度。在DMADMA傳送前，通過(guò)程序設(shè)傳送前，通過(guò)程序設(shè)置。每傳送一個(gè)字節(jié)，字節(jié)數(shù)計(jì)數(shù)器內(nèi)容自動(dòng)減置。每傳送一個(gè)字節(jié)，字節(jié)數(shù)計(jì)數(shù)器內(nèi)容自動(dòng)減1 1，為，為0 0時(shí)表示時(shí)表示此數(shù)據(jù)塊傳送完畢。此數(shù)據(jù)塊傳送完畢。（4 4）控制狀態(tài)寄存器）控制狀態(tài)寄存器該寄存器用于控制該寄存器用于控制DMADMA的傳送，并對(duì)的傳送，并對(duì)DMADMA請(qǐng)求信號(hào)和請(qǐng)求信號(hào)和CPUCPU響應(yīng)信響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行

7、協(xié)調(diào)和同步。號(hào)進(jìn)行協(xié)調(diào)和同步。（3 3）數(shù)據(jù)緩沖寄存器）數(shù)據(jù)緩沖寄存器 用于暫時(shí)存放每次傳送的數(shù)據(jù)。輸入時(shí)，數(shù)據(jù)由用于暫時(shí)存放每次傳送的數(shù)據(jù)。輸入時(shí)，數(shù)據(jù)由I/OI/O設(shè)備設(shè)備傳送到該寄存器中，再通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)傳入內(nèi)存。輸出時(shí)，則正傳送到該寄存器中，再通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)傳入內(nèi)存。輸出時(shí)，則正好相反。好相反。DMADMA方式實(shí)際上采用了方式實(shí)際上采用了竊取總線(xiàn)控制權(quán)的方式進(jìn)行傳送，竊取總線(xiàn)控制權(quán)的方式進(jìn)行傳送，CPUCPU讓出總線(xiàn)控制權(quán)，不再訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存，讓出總線(xiàn)控制權(quán)，不再訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存，DMADMA控制器得到總線(xiàn)控控制器得到總線(xiàn)控制權(quán)來(lái)控制外設(shè)與內(nèi)存的數(shù)據(jù)傳送。制權(quán)來(lái)控制外設(shè)與內(nèi)存的數(shù)據(jù)傳送。232.DMA2

8、.DMA的傳送過(guò)程的傳送過(guò)程（1 1）進(jìn)程要求設(shè)備輸入輸出時(shí)，）進(jìn)程要求設(shè)備輸入輸出時(shí)，CPUCPU執(zhí)行執(zhí)行I/OI/O指令，設(shè)置指令，設(shè)置DMADMA控制器中的內(nèi)存地址寄存器和傳送字節(jié)計(jì)數(shù)器，并把狀態(tài)寄控制器中的內(nèi)存地址寄存器和傳送字節(jié)計(jì)數(shù)器，并把狀態(tài)寄存器中的中斷允許位置存器中的中斷允許位置1 1，啟動(dòng)設(shè)備。設(shè)備在準(zhǔn)備好發(fā)送的數(shù)，啟動(dòng)設(shè)備。設(shè)備在準(zhǔn)備好發(fā)送的數(shù)據(jù)后，據(jù)后，DMADMA控制器發(fā)出控制器發(fā)出DMADMA請(qǐng)求，申請(qǐng)內(nèi)存和總線(xiàn)的控制權(quán)請(qǐng)求，申請(qǐng)內(nèi)存和總線(xiàn)的控制權(quán)。（2)CPU2)CPU響應(yīng)響應(yīng)DMADMA請(qǐng)求，請(qǐng)求，讓出總線(xiàn)控制權(quán)。由讓出總線(xiàn)控制權(quán)。由DMADMA控制器得到內(nèi)控制器

9、得到內(nèi)存和總線(xiàn)控制權(quán)。存和總線(xiàn)控制權(quán)。（3)3)要求要求I/OI/O的進(jìn)程進(jìn)入阻塞態(tài)，等待的進(jìn)程進(jìn)入阻塞態(tài)，等待I/OI/O完成。完成。（4)DMA4)DMA控制器按照地址寄存器中的數(shù)據(jù)內(nèi)存地址并通過(guò)數(shù)據(jù)緩控制器按照地址寄存器中的數(shù)據(jù)內(nèi)存地址并通過(guò)數(shù)據(jù)緩沖寄存器，控制設(shè)備與內(nèi)存之間直接交換數(shù)據(jù)。直到所要求的一沖寄存器，控制設(shè)備與內(nèi)存之間直接交換數(shù)據(jù)。直到所要求的一批數(shù)據(jù)傳送完成，發(fā)出中斷請(qǐng)求。批數(shù)據(jù)傳送完成，發(fā)出中斷請(qǐng)求。（5)CPU5)CPU接收接收DMADMA中斷請(qǐng)求，轉(zhuǎn)入中斷處理，處理完成后，恢復(fù)等中斷請(qǐng)求，轉(zhuǎn)入中斷處理，處理完成后，恢復(fù)等待的待的I/OI/O的進(jìn)程運(yùn)行，或者重新調(diào)度。的

10、進(jìn)程運(yùn)行，或者重新調(diào)度。243 3DMADMA方式的優(yōu)缺點(diǎn)方式的優(yōu)缺點(diǎn) I/O I/O設(shè)備在硬件控制交換數(shù)據(jù)，設(shè)備在硬件控制交換數(shù)據(jù)，CPUCPU基本上不干預(yù)數(shù)據(jù)的傳基本上不干預(yù)數(shù)據(jù)的傳送操作，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高了送操作，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高了I/OI/O效率。效率。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： DMA DMA方式竊取了總線(xiàn)控制權(quán)，使得方式竊取了總線(xiàn)控制權(quán)，使得CPUCPU處理的效率下降。處理的效率下降。251.1.通道結(jié)構(gòu)通道結(jié)構(gòu)（channelchannel）2.2.通道的工作方式通道的工作方式26CCWCCW命令格式一般包括：命令格式一般包括：操作碼、數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)存地址、特征位、計(jì)數(shù)

11、器操作碼、數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)存地址、特征位、計(jì)數(shù)器( (數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度) ) 例一個(gè)通道程序，從磁帶機(jī)上讀入兩條記錄，送入內(nèi)存相應(yīng)的單例一個(gè)通道程序，從磁帶機(jī)上讀入兩條記錄，送入內(nèi)存相應(yīng)的單元中。元中。 操作操作 P R P R 計(jì)數(shù)計(jì)數(shù) 內(nèi)存地址內(nèi)存地址Write 0 0 80 813Write 0 0 80 813Write 0 0 140 1034Write 0 0 140 1034Write 0 1 60 5830Write 0 1 60 5830Write 0 0 250 1850Write 0 0 250 1850Write 1 1 250 720Write 1 1 250 7202

12、728 采用通道結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，主機(jī)，通道，控制器和設(shè)備采用通道結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，主機(jī)，通道，控制器和設(shè)備之間采用四級(jí)連接，實(shí)施三級(jí)控制。通常，一個(gè)主機(jī)可以連接之間采用四級(jí)連接，實(shí)施三級(jí)控制。通常，一個(gè)主機(jī)可以連接多個(gè)通道，一個(gè)通道可以連接多個(gè)控制器，一個(gè)控制器又可以多個(gè)通道，一個(gè)通道可以連接多個(gè)控制器，一個(gè)控制器又可以連接同類(lèi)型的多臺(tái)設(shè)備。有的系統(tǒng)還可以把一臺(tái)設(shè)備連接到幾連接同類(lèi)型的多臺(tái)設(shè)備。有的系統(tǒng)還可以把一臺(tái)設(shè)備連接到幾個(gè)控制器，一個(gè)控制器連接到幾個(gè)通道上，實(shí)現(xiàn)多路交叉連接。個(gè)控制器，一個(gè)控制器連接到幾個(gè)通道上，實(shí)現(xiàn)多路交叉連接。294 4 通道的類(lèi)型通道的類(lèi)型（1 1）字節(jié)多路通道）

13、字節(jié)多路通道 適用于連接慢速的字符設(shè)備，如打印機(jī)，終端等適用于連接慢速的字符設(shè)備，如打印機(jī)，終端等I/OI/O設(shè)備。設(shè)備。他以他以字節(jié)交叉方式字節(jié)交叉方式控制設(shè)備傳輸信息，當(dāng)為一臺(tái)設(shè)備傳送一個(gè)控制設(shè)備傳輸信息，當(dāng)為一臺(tái)設(shè)備傳送一個(gè)字節(jié)后，立即轉(zhuǎn)去為另一臺(tái)設(shè)備傳送一個(gè)字節(jié)。字節(jié)后，立即轉(zhuǎn)去為另一臺(tái)設(shè)備傳送一個(gè)字節(jié)。（2 2）選擇通道）選擇通道適用于連接高速適用于連接高速I(mǎi)/OI/O設(shè)備，如磁盤(pán)，磁帶。每次只能把通道設(shè)備，如磁盤(pán)，磁帶。每次只能把通道分配給一臺(tái)設(shè)備獨(dú)占使用，即使暫時(shí)出現(xiàn)空閑，也不允許其分配給一臺(tái)設(shè)備獨(dú)占使用，即使暫時(shí)出現(xiàn)空閑，也不允許其他設(shè)備使用，直到傳送完成后才讓出子通道。他設(shè)備使用，直到傳送完成后才讓出子通道。（3 3）成組多路通道）成組多路通道數(shù)據(jù)傳送是數(shù)據(jù)傳送是按成組（數(shù)據(jù)塊）方式按成組（數(shù)據(jù)塊）方式進(jìn)行的，首先為一臺(tái)設(shè)備執(zhí)進(jìn)行的，首先為一臺(tái)設(shè)備執(zhí)行一條通道命令，傳送一批數(shù)據(jù)，然后再選擇另一臺(tái)設(shè)備執(zhí)行行一條通道命令，傳送一批數(shù)據(jù)，然后再選擇另一臺(tái)設(shè)備執(zhí)行一條通道命令。一條通道命令。30成組成組多路通道多路通道快快速速設(shè)備設(shè)備1 1快快速速設(shè)備設(shè)備2 2 快快速速設(shè)備設(shè)備