輸入/輸出硬件第5章輸入/輸出系統(tǒng)

輸入/輸出軟件輸入輸出設備設備控制器通道存儲器直接存取(DMA)設備數(shù)據(jù)傳送控制方式中斷設備驅(qū)動程序與設備無關的I/O軟件設備分配緩沖進程與資源管理文件管理存儲管理設備管理處理機主存設備操作系統(tǒng)計算機硬件操作系統(tǒng)龐大復雜的原因之一：資源多、雜，并發(fā)，均來自I/O外設種類繁多，結構各異輸入輸出數(shù)據(jù)信號類型不同速度差異很大I/O性能經(jīng)常成為系統(tǒng)性能的瓶頸CPU性能不等于系統(tǒng)性能：響應時間也是一個重要因素CPU性能越高，與I/O差距越大 彌補：更多的進程進程切換多，系統(tǒng)開銷大一、引言1)選擇和分配設備以便進行數(shù)據(jù)傳輸操作；2)控制設備和CPU(或內(nèi)存)之間交換數(shù)據(jù)；3)為用戶提供一個友好的透明接口；4)提高設備和設備之間、CPU和設備之間以及進程和進程之間的并行操作度，以使操作系統(tǒng)獲得最佳效率。設備管理的主要任務為進程管理提供接口（將進程的請求轉(zhuǎn)給設備管理）實施設備分配（設備分類、調(diào)度算法、等待隊列）實現(xiàn)設備之間以及設備與CPU之間并行操作（DMA、通道）緩沖區(qū)管理設備管理程序提供的功能接收用戶提出的I/O請求階段響應設備中斷請求階段設備管理的兩個階段（1）按功能特性分存儲型設備輸入輸出型設備（交互型設備）數(shù)據(jù)通信設備1.設備的分類磁帶機、磁盤機等外存設備鍵盤、圖形輸入儀、鼠標顯示器、打印機等通用終端、專用終端等二、輸入/輸出硬件（2）按數(shù)據(jù)組織分

字符設備以字符為單位存儲、傳輸信息

塊設備以數(shù)據(jù)塊為單位存儲、傳輸信息設備的分類（續(xù)1）塊設備（1）順序存取存儲設備：磁帶永久保存大容量數(shù)據(jù)順序存取設備：前面的物理塊被存取訪問之后，才能存取后續(xù)的物理塊的內(nèi)容存取速度較慢：主要用于后備存儲，或存儲不經(jīng)常用的信息，或用于傳遞數(shù)據(jù)的介質(zhì)第i塊間隙

第i+1塊（2）直接存取存儲設備：磁盤直接（隨機）存取設備：存取磁盤上任一物理塊的時間不依賴于該物理塊所處的位置磁道扇區(qū)塊設備柱面扇區(qū)磁臂磁頭

信息記錄在磁道上，多個盤片，正反兩面都用來記錄信息，每面一個磁頭所有盤面中處于同一磁道號上的所有磁道組成一個柱面物理地址形式：

磁頭號（盤面號）+磁道號（柱面號）+扇區(qū)號磁盤訪問過程由三個動作組成：尋道（時間）：磁頭移動定位到指定磁道旋轉(zhuǎn)延遲（時間）：等待指定扇區(qū)從磁頭下旋轉(zhuǎn)經(jīng)過數(shù)據(jù)傳輸（時間）：數(shù)據(jù)在磁盤與內(nèi)存之間的實際傳輸（3）完全直接存取存儲設備：

半導體隨機存取存儲器

塊設備（3）按資源分配角度分

獨占設備在一段時間內(nèi)只能有一個進程使用的設備，一般為低速I/O設備（如打印機，磁帶等）共享設備在一段時間內(nèi)可有多個進程共同使用的設備，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）設備的分類（續(xù)2）虛設備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享的設備，提高設備的利用率（實例：SPOOLing技術，利用虛設備技術——用硬盤模擬輸入輸出設備）設備的分類（續(xù)3）（4）從數(shù)據(jù)傳輸率角度分

低速設備

指其傳輸速率僅為每秒鐘幾個字節(jié)至數(shù)百個字節(jié)的一類設備。如鍵盤、鼠標器、語音的輸入和輸出等設備。中速設備

指其傳輸速率在每秒鐘數(shù)千個字節(jié)至數(shù)萬個字節(jié)的一類設備。如行式打印機、激光打印機等。高速設備

指其傳輸速率在數(shù)百萬個字節(jié)至數(shù)十兆字節(jié)的一類設備。如磁帶機、磁盤機、光盤機等。設備的分類（續(xù)4）2.設備控制器I／O設備一般由機械和電子兩部分組成把這兩部分分開處理，以提供更加模塊化更加通用的設計（1）物理設備機械部分是設備本身（物理裝置）（2）設備控制器電子部分叫做設備控制器或適配器完成設備與主機間的連接和通信在小型和微型機中，它常采用印刷電路卡插入計算機主板上的總線插槽通過若干接口寄存器或接口緩沖區(qū)與CPU通信設備控制器通常由以下三部分組成：(1)設備控制器與CPU的接口。該接口用于實現(xiàn)設備控制器與CPU之間的通信。在該接口中有三類信號線：數(shù)據(jù)線、地址線、控制線。數(shù)據(jù)線通常與兩類寄存器相連接：①數(shù)據(jù)寄存器。設備控制器中可以有一個或多個數(shù)據(jù)寄存器，用于存放從設備送來的數(shù)據(jù)(輸入)或從CPU送來的數(shù)據(jù)(輸出)。②控制/狀態(tài)寄存器。在控制器中同樣可以有一個或多個控制/狀態(tài)寄存器，用于存放從CPU送來的控制信息或由設備產(chǎn)生的狀態(tài)信息。

(2)設備控制器與設備的接口?？刂破骺ㄉ贤ǔＳ幸粋€插座，通過電纜與設備相連?？刂破骱驮O備之間的接口是一個標準接口，它符合ANSI、IEEE或ISO這樣的國際標準。在一個設備控制器上，可以連接一臺或多臺設備。相應地，在控制器中就有一個或多個設備接口，在每個接口中都有數(shù)據(jù)、控制和狀態(tài)三種類型的信號。①數(shù)據(jù)信號。②控制信號。③狀態(tài)信號。(3)I/O邏輯。獨立于中央處理器，專門負責數(shù)據(jù)I/O傳輸?shù)奶幚頇C它對外設實現(xiàn)統(tǒng)一代替CPU對I/O操作進行控制使CPU和外設可以并行工作通道又稱為I/O處理機引入通道的目的:為了使CPU從I/O事務中解脫出來同時為了提高CPU與設備、設備與設備之間的并行度3.通道I/O控制器I/O控制器I/O控制器I/O控制器I/O控制器I/O控制器I/O控制器字節(jié)多路通道選擇通道數(shù)組多路通道磁盤磁盤磁帶磁帶終端終端終端CPU內(nèi)存總線字節(jié)多路通道

字節(jié)多路通道以字節(jié)為單位傳輸信息，它可以分時地執(zhí)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(jié)后，通道硬件就控制轉(zhuǎn)去執(zhí)行另一個通道程序，控制另一臺設備傳送信息.主要連接以字節(jié)為單位的低速I/O設備,如打印機，終端。以字節(jié)為單位交叉?zhèn)鬏?通道分類通道分類數(shù)據(jù)選擇通道數(shù)據(jù)選擇通道是以成組方式工作的，即每次傳送一批數(shù)據(jù)，故傳送速度很高。數(shù)據(jù)選擇通道在一段時間內(nèi)只能執(zhí)行一個通道程序，只允許一臺設備進行數(shù)據(jù)傳輸，當這臺設備數(shù)據(jù)傳輸完成后，再選擇與通道連接的另一臺設備，執(zhí)行它的相應的通道程序。主要連接磁盤，磁帶等高速I/O設備。選擇通道通道分類數(shù)組多路通道結合選擇通道傳送速度高和字節(jié)多路通道能進行分時并行操作的優(yōu)點。先為一臺設備執(zhí)行一條通道指令，然后自動轉(zhuǎn)接，為另一臺設備執(zhí)行一條通道指令主要連接高速設備這樣，對于連接多臺磁盤機的數(shù)組多路通道，它可以啟動它們同時執(zhí)行移臂定位