1、1 第第5 5章章 设备管理设备管理 设备管理是操作系统中最繁杂且与硬件关系最亲密部分。经过本章学习，读者应该掌握以下内容：n数据传输方式n中止技术n缓冲技术n设备分配技术n设备独立性n设备驱动10/2/第1页2n5.1.I/O系统 n5.2.I/O控制方式 n5.3.缓冲管理 n5.4.I/O软件 n5.5.设备分配 n5.6.磁盘存放器管理10/2/第2页3设备管理目标设备管理目标n 依据设备请求情况，按照一定算法，选择和分配依据设备请求情况，按照一定算法，选择和分配输入输出设备方便进行数据传输操作；输入输出设备方便进行数据传输操作；n 控制输入输入设备和控制输入输入设备和CPU或内存之间
2、交换数据，或内存之间交换数据，同时提升设备和设备之间、同时提升设备和设备之间、CPU和设备之间，以及和设备之间，以及进程和进程之间并行操作度，以使操作系统取得最进程和进程之间并行操作度，以使操作系统取得最正确效率；正确效率；n 为用户提供一个友好透明接口，把用户和设备硬为用户提供一个友好透明接口，把用户和设备硬件特征分开，使得用户在编制应用程序时无须包括件特征分开，使得用户在编制应用程序时无须包括详细设备，系统按用户要求控制设备工作。详细设备，系统按用户要求控制设备工作。10/2/第3页4设备管理功效设备管理功效n设备分配与回收设备分配与回收n缓冲管理缓冲管理n设备处理设备处理n虚拟设备虚拟设
3、备10/2/第4页5511 I/O设备设备 计算机系统外围设备包含：显示器、键盘、纸带阅读器、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，可从不一样角度对它们进行分类。5.1 I/O系统系统10/2/第5页6n系统设备：系统设备：在操作系统生成时已配置好标准设备。如：键盘、显示器、打印机、磁盘等。n 用户设备：用户设备：指系统设备之外非标准设备，普通由用户提供设备及其处理程序，并经过适当伎俩把它们纳入系统中，由系统实施管理。如：网卡、调制解调器、绘图仪等。1设备隶属关系分类设备隶属关系分类10/2/
4、第6页7n块设备：块设备：指以数据块为单位存放和传输数据设备 如磁盘、磁带等。n字符设备：字符设备：指以单个字符为单位来传送信息设备。如键盘、显示器、打印机等。2设备中信息交换单位方式分类设备中信息交换单位方式分类10/2/第7页8n存放设备：存放设备：它是计算机用来存放永久性信息设备 如，磁带、磁盘（软盘、硬盘）、光盘等。n输入设备：输入设备：将外部信息送给计算机设备。如，键盘、鼠标、扫描仪、手写笔、数码相机、麦克风、游戏手柄等n输出设备：输出设备：将计算机加工后信息传送给外界设备。如，显示器、打印机、投影仪等。3按设备使用特征分类按设备使用特征分类10/2/第8页9n独独占占设设备备:这类
5、设备在用户作业整个运行期间必须为此用户所占有，即多个作业对某一外设访问应该是互斥，一旦系统将这类设备分配给某个作业，便由该设备独占，直至释放该资源。大多数低速I/O设备，如用户终端、打印机等n共共享享设设备备:指在同一时间段内能够同时让几个作业使用设备，当然，在某一时刻，该设备只能为一个作业服务。适应于高速设备，如磁盘n虚虚拟拟设设备备:依据设备使用性质来决定一台设备能够分给几个进程以提升该设备使用率。如虚拟打印机4按资源分配角度分类按资源分配角度分类10/2/第9页10n 1、按（、按（）分类可将设备分为块设备和字符设备。）分类可将设备分为块设备和字符设备。A.隶属关系隶属关系 B.操作特征
6、操作特征 C.共享属性共享属性 D.信息交换单位信息交换单位 2、大多数低速设备都属于（、大多数低速设备都属于（）设备。设备。A独占独占 B共享共享 C虚拟虚拟 DSpoolingn3、从资源分配角度看，能够把设备分为独占设备、从资源分配角度看，能够把设备分为独占设备、共享设备和共享设备和 虚拟设备虚拟设备，打印机属于，打印机属于_ 设备设备,而磁盘属于而磁盘属于_设备。设备。10/2/第10页11 5.1.2 设备控制器设备控制器1.设备控制器概念设备控制器概念 设备控制器是CPU与外围设备之间接口，是一个可编址设备，每一个地址对应一个设备。它接收从CPU发来命令，并去控制输入输出设备工作，
7、使CPU从繁杂设备控制事务中解脱出来，提升CPU使用效率。10/2/第11页122.作用：作用：接收从CPU发来命令，控制I/O设备工作3.功效：功效：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地址识别地址识别n标识和汇报设备状态标识和汇报设备状态n差错控制差错控制10/2/第12页134.设备控制器组成设备控制器组成n（1）.设备控制器与处理机接口n（2）.设备控制器与设备接口n（3）.I/O逻辑10/2/第13页14I/O系统结构CPU磁盘控制器磁盘控制器存放器存放器打印机打印机控制器控制器其它控制器其它控制器一、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10/2/
8、第14页15二、主机系统输入输出结构当主机所配置输入输出设备较多时，尤其是配有当主机所配置输入输出设备较多时，尤其是配有较多高速外设时，采取总线型输入输出系统结构会加较多高速外设时，采取总线型输入输出系统结构会加重重CPUCPU与总线负担。与总线负担。所以，在这么输入输出系统中不宜采取单总线结所以，在这么输入输出系统中不宜采取单总线结构，而是增加一级输入输出通道，用来代替构，而是增加一级输入输出通道，用来代替CPUCPU与各设与各设备控制器进行通信，实现对控制器控制。备控制器进行通信，实现对控制器控制。10/2/第15页16 10/2/第16页175.1.3 I/O通道通道1、通道引入、通道引
9、入 为了提升计算机系统运行效率，就要使为了提升计算机系统运行效率，就要使CPU摆脱繁忙摆脱繁忙I/O事事务，而配置专门处理务，而配置专门处理I/O事务机构事务机构通道。通道。通道引入是为了建立独立通道引入是为了建立独立I/O操作。它不但要求数据传送操作。它不但要求数据传送独立于独立于CPU，而且要求，而且要求I/O操作组织、管理、结束等也尽可操作组织、管理、结束等也尽可能独立，以确保能独立，以确保CPU有更多时间从事计算。这么就能够实现有更多时间从事计算。这么就能够实现CPU计算和计算和I/O操作并行工作。操作并行工作。10/2/第17页18思索题一思索题一n n 什么是通道？什么是通道？通道
10、有哪些类型？通道有哪些类型？10/2/第18页192、I/O通道概念通道概念 通道是一个硬件机构，又称通道是一个硬件机构，又称I/OI/O处理机。输入输处理机。输入输出通道是指专门负责输入输出工作处理器。出通道是指专门负责输入输出工作处理器。它有自己指令系统（包含数据传送指令和设备它有自己指令系统（包含数据传送指令和设备控制指令），独立执行自己通道程序来实现内存与控制指令），独立执行自己通道程序来实现内存与外设之间数据传输，从而使系统取得外设之间数据传输，从而使系统取得CPUCPU与外设并行与外设并行处理能力。处理能力。10/2/第19页20n3、通道类型、通道类型 依据信息交换方式不一样，可
11、把通道分成字节多路通道、数组多路通道和选择通道三种。（1）字节多路通道）字节多路通道 通常都含有许多非分配型子通道，其数量能够从几十通常都含有许多非分配型子通道，其数量能够从几十到数百个，每一个子通道连接一台输入输出设备，这些到数百个，每一个子通道连接一台输入输出设备，这些子通道按时间片轮转方式共享主通道。子通道按时间片轮转方式共享主通道。字节多路通道字节多路通道连接低速或中速连接低速或中速设备时，不会丢设备时，不会丢失信息。失信息。10/2/第20页21n 选择通道数据传送是按成批方式进行，故传送速率很高。（2）数据选择通道）数据选择通道选择通道选择通道n 它它适适合合用用于于连连接接高高速
12、速I/O设设备备，如如磁磁带带、磁磁盘盘等等。选选择择通通道道只只有有一一个个分分配配型型子子通通道道，即即这这个个子子通通道道能能够够连连接接多多台台设设备备，但但每每次次只只能能把把子子通通道道分分配配给给一一台台设设备备使使用用。一一旦旦分分配配给给某某台台设设备备，子子通通道道就就被被它它独独占占，即即使使暂暂时时出出现现空空闲闲，也也不不允允许许其其它它设设备备利利用用该该子子通通道道。直直到到它它被被释释放放，再再选选择择另另一台设备为其服务。所以选择通道利用率是很低。一台设备为其服务。所以选择通道利用率是很低。10/2/第21页22n 这种通道综合了字节多路通道分时并行工作和选择
13、通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特点。道传输速率高特点。n 它含有多个非分配型子通道，每个子通道连接一台中、它含有多个非分配型子通道，每个子通道连接一台中、高速高速I/O设备，如：磁带、磁鼓、磁盘等，因而通道所连设备，如：磁带、磁鼓、磁盘等，因而通道所连接几个设备能够并行工作。接几个设备能够并行工作。n 数组多路通道技术相当于通道程序多道程序设计技术。数组多路通道技术相当于通道程序多道程序设计技术。（3）数组多路通道）数组多路通道10/2/第22页23 CPU CPU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/O I/O控制器控制器 I/O
14、I/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 I/O 控制器控制器 磁带磁带 磁带磁带 存在这三种通道计算机系统各硬件连接关系如图所表示：10/2/第23页24思索题二思索题二 设备管理中，什么是设备管理中，什么是“瓶颈瓶颈”现象？现象？怎样处理？怎样处理？10/2/第24页25n 通道命令和通道程序通道命令和通道程序 通道有自己指令系统，为了与通道有自己指令系统，为了与CPU指令相区指令相区分，通道指令被称为分，通道指令被称为“通道命令字通道命令字”。通道命令字。
15、通道命令字条数不多，主要包括控制、转移、读、写及查询条数不多，主要包括控制、转移、读、写及查询等功效。等功效。0 7 8 31 32 47 48 63 每条通道命令由四个字段组成：每条通道命令由四个字段组成：(1)操作码操作码(07)：表示通道要执行命令；表示通道要执行命令；(2)数据主存始址：数据主存始址：表示本命令要访问主存数据区起始地表示本命令要访问主存数据区起始地址；址；(3)特征位特征位(3247，只使用了只使用了 3236 位，位，其余未用其余未用)：3739 位必须置位必须置 0，不然认为通道命令错。，不然认为通道命令错。10/2/第25页26n 通通道道程程序序存存放放在在内内
16、存存中中，由由I/O指指令令开开启启执执行行。用用户户请请求求I/O时时，CPU对对通通道道通通信信是是向向通通道道发发出出查查询询、开开启启和和停停顿顿通通道道程程序序工工作作，而而通通道道向向CPU通通信信则采取中止方式。其执行过程如图所表示。则采取中止方式。其执行过程如图所表示。10/2/第26页27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，发中止请求发中止请求 CPUCPU响应中止，进行结束响应中止，进行结束处理处理 以以I/OI/O指令开启通道指令开启通道 结束通道工作结束通道工作 进
17、入设备请求队进入设备请求队列，等候列，等候 忙忙 不忙不忙 通道程序执行过程通道程序执行过程 10/2/第27页28n5、通道工作过程、通道工作过程 （1）当进程有当进程有I/O请求时，系统首先查询设备状请求时，系统首先查询设备状态。若忙，进程进入设备请求队列等候；若闲，态。若忙，进程进入设备请求队列等候；若闲，CPU发指令指明发指令指明I/O操作、设备号和对应通道。操作、设备号和对应通道。（2）对应通道收到对应通道收到CPU发来开启指令后，读出发来开启指令后，读出内存中通道指令程序、设置对应设备控制状态存放内存中通道指令程序、设置对应设备控制状态存放器初值。器初值。（3）设备按通道指令求，把
18、数据送往内存指定设备按通道指令求，把数据送往内存指定区域。区域。（4）若传送结束，若传送结束，I/O控制器经过中止请求线发控制器经过中止请求线发中止信号请求中止信号请求CPU做中止处理。做中止处理。（5）中止处理结束后，中止处理结束后，CPU返回到被中止进程返回到被中止进程处继续执行。处继续执行。（6）当进程调度程序选中这个已得到数据进程当进程调度程序选中这个已得到数据进程后，才能进行加工处理。后，才能进行加工处理。10/2/第28页29思索题三思索题三 n通道作用是什么？通道作用是什么？通道是一个独立于通道是一个独立于CPU专管输入专管输入/输出控制处理器，输出控制处理器，它控制内存与外部设
19、备直接进行数据交换。它控制内存与外部设备直接进行数据交换。它有自己通道指令，这些通道指令受它有自己通道指令，这些通道指令受CPU开启，并开启，并在操作结束时向在操作结束时向 CPU发中止信号。发中止信号。通道方式深入减轻了通道方式深入减轻了CPU工作负担，增加了计算机系工作负担，增加了计算机系统并行工作程度。统并行工作程度。10/2/第29页305.1.4 总线系统总线系统n1、总线基本概念、总线基本概念 在计算机系统内各种子系统，如在计算机系统内各种子系统，如CPU、内存、内存、I/O设备等之间，构建公用信号或数据传输通道设备等之间，构建公用信号或数据传输通道 这种可共享传输通道称为总线。这
20、种可共享传输通道称为总线。10/2/第30页31n2、总线分类、总线分类10/2/第31页32n 当当用用户户进进程程经经过过系系统统调调用用提提出出I/O请请求求时时，从从系系统统响响应应此此请请求求开开始始，至至系系统统完完成成用用户户要要求求I/O操操作作，并并唤唤醒醒对对应应等等候候I/O完完成成进进程程为为止止，这这整整个个过过程称为程称为I/O控制过程。控制过程。52 I/O控制方式控制方式10/2/第32页33nI/O控制过程包含以下步骤：控制过程包含以下步骤：n （1）响应）响应I/O请求，为在详细物理设备上进行请求，为在详细物理设备上进行I/O操操作做准备。包含将逻辑设备名转
21、换为物理设备名（设作做准备。包含将逻辑设备名转换为物理设备名（设备分配）、备分配）、I/O请求正当性等。请求正当性等。n （2）设备驱动，控制设备完成）设备驱动，控制设备完成I/O操作，对每类设操作，对每类设备分别设置不一样设备驱动程序。备分别设置不一样设备驱动程序。n （3）中止处理，）中止处理，I/O操作完成之后，设备控制器向操作完成之后，设备控制器向CPU发送中止信号，发送中止信号，CPU响应后转向对应中止处理程响应后转向对应中止处理程序进行善后处理。序进行善后处理。10/2/第33页34nI/O操作控制方式普通有四种：操作控制方式普通有四种：u查询方式查询方式u中止方式中止方式u直接内
22、存存取方式直接内存存取方式u通道方式通道方式 它它们们主主要要差差异异在在于于处处理理器器和和外外设设并行工作方式和程度不一样。并行工作方式和程度不一样。10/2/第34页35n查询方式是最简单查询方式是最简单I/O控制方式。控制方式。n在设备控制器中有两个存放器，一个是在设备控制器中有两个存放器，一个是状态存放器状态存放器，由其中一个状态位值反应设备忙或闲；另一个是由其中一个状态位值反应设备忙或闲；另一个是数数据缓冲存放器据缓冲存放器。n当设备开启时，状态存放器开启位为当设备开启时，状态存放器开启位为1，此时外设，此时外设把数据送往数据缓冲存放器，并将状态存放器状态把数据送往数据缓冲存放器，
23、并将状态存放器状态位置位置1。nCPU执行完一条指令后就测试状态位，假如为执行完一条指令后就测试状态位，假如为1，就把数据存放器中数据取到内存；若状态位为就把数据存放器中数据取到内存；若状态位为0，则再测试，直到状态存放器状态位为则再测试，直到状态存放器状态位为1，然后再读，然后再读取数据。所以此种方式也取数据。所以此种方式也称称循环测试循环测试I/O方式方式521 查询方式查询方式10/2/第35页36就绪向设备控制器发读命令读设备控制器状态检验状态从设备控制器中读入字向存放器中写字传送完成CPU-I/OCPU-内存I/O-CPU犯错I/O-CPU完成下条指令未完成未就绪10/2/第36页3
24、7n步骤：步骤：n (1)当用户需要输入数据时，由处理器向设备当用户需要输入数据时，由处理器向设备控制器发出一条输入输出指令，开启设备进行输入控制器发出一条输入输出指令，开启设备进行输入n (2)当用户进程需要向设备输出数据时，也必须当用户进程需要向设备输出数据时，也必须一样发出开启命令开启设备输出，并等候输出操作一样发出开启命令开启设备输出，并等候输出操作完成。完成。n特点：特点：工作过程简单，工作过程简单，CPU利用率低。在要求不高利用率低。在要求不高场所下常被采取，而且不能支持多道程序。程序直场所下常被采取，而且不能支持多道程序。程序直接控制方式适合用于早期无中止计算机系统。接控制方式适
25、合用于早期无中止计算机系统。10/2/第37页38n 查询方式是主机向外设问询，而引入中止后，查询方式是主机向外设问询，而引入中止后，每当设备完成每当设备完成I/O操作，它便以中止请求方式主动操作，它便以中止请求方式主动向向CPU汇报。汇报。n 所以，所以，CPU一旦开启一旦开启I/O设备后便可转去处理设备后便可转去处理其它程序，仅在接到其它程序，仅在接到I/O中止信息请求时才花费极中止信息请求时才花费极少时间去处理。少时间去处理。522 中止方式中止方式10/2/第38页39n1、中止概念、中止概念 所谓中止，是指处理机在执行进程过程中所谓中止，是指处理机在执行进程过程中,因为因为一些事件出
26、现一些事件出现,中止当前进程运行中止当前进程运行,转而去处理出现转而去处理出现事件事件,待处理完成后返回原来被中止处继续执行或调待处理完成后返回原来被中止处继续执行或调度其它进程执行。度其它进程执行。2、中止源、中止源 引发中止事件称为中止源。引发中止事件称为中止源。（1）强迫性中止源）强迫性中止源 硬件故障、程序性错误、外部事件、硬件故障、程序性错误、外部事件、I/O中止事件中止事件（2）自愿性中止源）自愿性中止源10/2/第39页40n3、步骤、步骤 （1）进程需要数据时，将允许开启和允许中止控）进程需要数据时，将允许开启和允许中止控制字写入设备控制状态存放器中，开启该设备进行制字写入设备
27、控制状态存放器中，开启该设备进行输入操作。输入操作。（2）该进程放弃处理机，等候输入完成。操作系）该进程放弃处理机，等候输入完成。操作系统进程调度程序调度其它就绪进程占用处理机。统进程调度程序调度其它就绪进程占用处理机。（3）当输入完成时，输入设备经过中止请求线向）当输入完成时，输入设备经过中止请求线向CPU发出中止请求信号。发出中止请求信号。CPU在接收到中止信号之在接收到中止信号之后，转向中止处理程序。后，转向中止处理程序。（4）中止处理程序首先保护现场，然后把输入缓）中止处理程序首先保护现场，然后把输入缓冲存放器中数据传送到某一特定单元中去，同时将冲存放器中数据传送到某一特定单元中去，同
28、时将等候输入完成那个进程唤醒，进入就绪状态，最终等候输入完成那个进程唤醒，进入就绪状态，最终恢复现场，并返回到被中止进程继续执行。恢复现场，并返回到被中止进程继续执行。（5）在以后某一时刻，操作系统进程调度程序选）在以后某一时刻，操作系统进程调度程序选中提出请求并得到获取数据进程，该进程从约定内中提出请求并得到获取数据进程，该进程从约定内存特定单元中取出数据继续工作存特定单元中取出数据继续工作10/2/第40页41向设备控制器发读命令读设备控制器状态检验状态从设备控制器中读入字向存放器中写字传送完成完成下条指令CPU-I/OCPU-内存I/O-CPU犯错I/O-CPU未完成CPU做其它中止10
29、/2/第41页42n比比如如，打打印印机机每每打打一一行行需需要要60ms，在在查查询询方方式式中中，大大约约有有59.99ms，CPU都都处处于于循循环环等等候候中中，而而以以中中止止方方式式处处理理话话，CPU仅仅花花费费0.1ms时时间间来来处处理理I/O设设备备发发来来中中止止，其其余余59.99ms都都能能够够用用来来做做别别事事情情。所所以以中中止止方方式式比比查查询询方方式式节节约约CPU时时间。间。10/2/第42页43n 中中止止方方式式方方法法是是当当设设备备完完成成I/O操操作作后后，主主动动向向CPU汇汇报报，CPU只只用用少少许许时时间间处处理理I/O中中止止，并并将
30、将数据取回。数据取回。n 在在多多道道程程序序中中环环境境下下，一一个个程程序序或或进进程程开开启启I/O设设备备并并允允许许中中止止后后，不不是是自自己己主主动动去去执执行行别别程程序序或或继继续续执执行行主主流流程程，而而是是应应该该把把自自己己挂挂起起，控控制制权权交交还还给给进进程程调调度度程程序序。在在中中止止处处理理程程序序中中，完完成成指指定定I/O操操作作之之后后应应把把等等候候此此结结果果进进程程唤唤醒醒，而而后后由进程调度程序在适当初机把此进程投入运行。由进程调度程序在适当初机把此进程投入运行。10/2/第43页44l 某进程某进程 其它进程其它进程输入中止处理输入中止处理
31、 中止中止 调度调度 调度调度唤醒唤醒l开启开启I/OI/O并允许并允许中止中止 阻塞等候阻塞等候 处理输入数据处理输入数据 保护现场保护现场 输入处理输入处理 唤醒等候进程唤醒等候进程 恢复现场恢复现场 多道多道程序程序下中下中止处止处理方理方式式10/2/第44页45n4、特点、特点 中止控制方式比程序直接控制方式提升了中止控制方式比程序直接控制方式提升了CPU利利用率。每输入输出一个数据都会发生中止，传输一用率。每输入输出一个数据都会发生中止，传输一组数据需要屡次中止，浪费了组数据需要屡次中止，浪费了CPU处理时间。中止处理时间。中止控制方式应用于当代计算机系统中。控制方式应用于当代计算
32、机系统中。10/2/第45页46n1、DMA控制方式引入控制方式引入 引引入入原原因因：中中止止处处理理方方式式提提升升了了主主机机利利用用率率，不不过过每每次次中中止止都都要要保保留留现现场场信信息息，恢恢复复现现场场等等，仍仍占占用用CPU时时间间。在在传传送送数数据据量量大大、速速度度高高情情况况下，中止方式就不适应了。下，中止方式就不适应了。为为了了深深入入降降低低CPU对对外外设设操操作作干干预预而而引引入入直直接存放器访问方式。接存放器访问方式。523 直接内存存取方式直接内存存取方式10/2/第46页472、DMA控制方式控制方式n 是是指指对对I/O设设备备控控制制由由DMA控
33、控制制器器完完成成，在在DMA控控制制器器作作用用下下，设设备备和和主主存存之之间间能能够够成成批批地地进行数据交换，而不用进行数据交换，而不用CPU干涉。干涉。523 直接内存存取方式直接内存存取方式10/2/第47页483 3、DMADMA控制器组成控制器组成:DMA控制器组成控制器组成命令命令控制器与设备接口控制器与设备接口主机主机控制器接口控制器接口内存内存CPU系统总线系统总线I/O控制控制逻辑逻辑CRMARDCDR count10/2/第48页49n4、DMA工作步骤工作步骤:u 当当进进程程要要求求设设备备输输入入一一批批数数据据时时，CPU将将设设备备存存放放输输入入数数据据内
34、内存存始始址址以以及及要要传传送送字字节节数数分分别别送送入入DMA控控制制器器中中地地址址存存放放器器和和传传送送字字节节计计数数器器；另另外外，还还要要将将中中止止位位和和开开启启位位置置为为1，以以开开启启设设备备开开始始进进行行数数据据输输入入并允许中止。并允许中止。u 发发出出数数据据要要求求进进程程进进入入等等候候状状态态，进进程程调调度度程程序序调度其它进程占据调度其它进程占据CPU。u 输输入入设设备备不不停停地地挪挪用用CPU工工作作周周期期，将将数数据据存存放放器器中中数数据据源源源源不不停停地地写写入入内内存存，直直到到所所要要求求字字节节全全部部传传送完成。送完成。u
35、DMA控控制制器器在在传传送送字字节节数数完完成成时时，经经过过中中止止请请求求线线发发出出中中止止信信号号，CPU收收到到中中止止信信号号后后转转中中止止处处理理程程序序，唤醒等候输入完成进程，并返回被中止程序。唤醒等候输入完成进程，并返回被中止程序。u 在以后某个时刻，进程调度程序选中提出请求输在以后某个时刻，进程调度程序选中提出请求输入进程，该进程从指定内存始址取出数据做深入处理。入进程，该进程从指定内存始址取出数据做深入处理。10/2/第49页50CPU向控制器发出开启向控制器发出开启DMA通知和相关参数通知和相关参数控制器向内存发出问询请求控制器向内存发出问询请求访问内存（读、写）访
36、问内存（读、写）计数器减计数器减1结束否结束否发中止发中止NYDMA实现流程实现流程10/2/第50页51n5、DMA方式方式特点特点：（1）数据传送基本单位是数据块；数据传送基本单位是数据块；（2）所所传传送送数数据据是是从从设设备备直直接接送送入入内内存存，或或者相反；者相反；（3）仅仅在在传传送送一一个个或或多多个个数数据据块块开开始始和和结结束束时时，才才需需中中止止CPU，请请求求干干预预，整整块块数数据据传传送送是是在在DMA控制器控制下完成。控制器控制下完成。n 缺点缺点：DMA方方式式只只能能完完成成简简单单数数据据传传送送、计计数数、内内存存地地址址加加1或或减减1等等操操作
37、作，不不能能满满足足复复杂杂I/O操操作作要要求。求。10/2/第51页526、DMA方式与中止主要区分方式与中止主要区分n （1）中止方式是在数据缓冲存放区满后，发中中止方式是在数据缓冲存放区满后，发中止请求，止请求，CPU进行中止处理；进行中止处理；DMA方式则是在所要求传送数据块全部传送方式则是在所要求传送数据块全部传送结束时要求结束时要求CPU进行中止处理，大大降低了进行中止处理，大大降低了CPU进进行中止处理次数。行中止处理次数。n （2）中止方式数据传送是由中止方式数据传送是由CPU控制完成；控制完成；DMA方式则是在方式则是在DMA控制器控制下不经过控制器控制下不经过CPU控制完
38、成。控制完成。10/2/第52页535.2.4 I/O通道控制方式通道控制方式n1、概念、概念 通道控制方式是一个以主存为中心，是设备与通道控制方式是一个以主存为中心，是设备与主存直接交换数据控制方式。主存直接交换数据控制方式。CPU只需要发出开启指令，指出通道对应操作只需要发出开启指令，指出通道对应操作和输入输出设备，该指令就能够开启通道并使该通和输入输出设备，该指令就能够开启通道并使该通道从主存中调出对应通道指令执行，完成一组数据道从主存中调出对应通道指令执行，完成一组数据块输入块输入/输出。输出。10/2/第53页54n2、通道控制方式步骤、通道控制方式步骤 （1）当进程要求设备输入时，
39、）当进程要求设备输入时，CPU发指令指明发指令指明I/O操作、设备号和对应通道。操作、设备号和对应通道。（2）对应通道收到）对应通道收到CPU发来开启指令后，读出内发来开启指令后，读出内存中通道指令程序、设置对应设备控制状态存放器存中通道指令程序、设置对应设备控制状态存放器初值。初值。（3）设备按通道指令要求，把数据送往内存指定）设备按通道指令要求，把数据送往内存指定区域。区域。（4）若传送结束，）若传送结束，I/O控制器经过中止请求线发中控制器经过中止请求线发中止信号请求止信号请求CPU做中止处理。做中止处理。（5）中止处理结束后，）中止处理结束后，CPU返回到被中止进程返回到被中止进程处继
40、续执行。处继续执行。（6）当进程调度程序选中这个已得到数据进程后，）当进程调度程序选中这个已得到数据进程后，才能进行加工处理。才能进行加工处理。10/2/第54页55n3、特点、特点 通道所需要通道所需要CPU干预更少，并能够实现干预更少，并能够实现CPU、通道和输入输出设备三者之间并行操作，从而更有通道和输入输出设备三者之间并行操作，从而更有效地提升整个系统资源利用率。效地提升整个系统资源利用率。通道控制方式适合用于当代计算机系统中大量数通道控制方式适合用于当代计算机系统中大量数据交换。据交换。10/2/第55页56通道和通道和DMA控制器区分控制器区分 （1）一个）一个DMA控制器只能连接
41、同类外设，且假如是多台控制器只能连接同类外设，且假如是多台同类外设，则它们只能是以串行方式工作。同类外设，则它们只能是以串行方式工作。一个通道能够连接多个不一样类型设备控制器，而一个一个通道能够连接多个不一样类型设备控制器，而一个设备控制器又能够管理一台或多台外围设备，这就组成了经设备控制器又能够管理一台或多台外围设备，这就组成了经典多级层次结构，众多外设均可在通道控制下同时工作；典多级层次结构，众多外设均可在通道控制下同时工作；（2）DMA控制是借助硬件完成数据交换，而通道是执行控制是借助硬件完成数据交换，而通道是执行通道程序完成数据；通道程序完成数据；（3）DMA控制器需要控制器需要CPU
42、对多个外设进行初始化。对多个外设进行初始化。CPU只需发一个只需发一个I/O指令开启通道，由通道自己完成外设初始化。指令开启通道，由通道自己完成外设初始化。10/2/第56页57n 总而言之，在前三种总而言之，在前三种I/O控制方式中，控制方式中，CPU直直接对设备控制器和接对设备控制器和I/O接口编程，能够简化接口设接口编程，能够简化接口设计。计。n 对于非对于非DMA传送，需要传送，需要CPU实际去完成数据实际去完成数据传送。对于高速数据传送能够使用传送。对于高速数据传送能够使用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成去检验
43、端口传送状态。操作完成去检验端口传送状态。n 而通道不一样于而通道不一样于DMA控制器，它能够去取和控制器，它能够去取和执行它自己指令；执行它自己指令；而且这些指令功效已不但仅是而且这些指令功效已不但仅是数据传送，还包含检索、分支转移，甚至一些简数据传送，还包含检索、分支转移，甚至一些简单算术、逻辑运算。单算术、逻辑运算。10/2/第57页58n 大、中型计算机系统普遍用通道方式去控制大、中型计算机系统普遍用通道方式去控制设备完成设备完成I/O操作，以提升操作，以提升CPU与外设，外设与与外设，外设与外设并行程度。一些小型机和绝大多数微型机都外设并行程度。一些小型机和绝大多数微型机都是以是以C
44、PU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、中止或中止或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。10/2/第58页59思索题四思索题四n n 总而言之总而言之4种种I/O控制方式，分别适适用于控制方式，分别适适用于何种场所？何种场所？10/2/第59页60课堂练习题课堂练习题n1、从下面关于设备属性叙述中，选择一条正确描述。（从下面关于设备属性叙述中，选择一条正确描述。（）nA字符设备一个基本特征是可寻址，即能指定输入时源地址字符设备一个基本特征是可寻址，即能指定输入时源地址和输出时目标地址和输出时目标地址nB共享设备必须是可寻址
45、和随机访问设备共享设备必须是可寻址和随机访问设备nC共享设备是指在同一时刻，允许多个进程同时访问设备共享设备是指在同一时刻，允许多个进程同时访问设备nD在分配共享设备和独占设备时，都可能引发进程死锁在分配共享设备和独占设备时，都可能引发进程死锁n2、（、（）在普通大型计算机系统中，主机对外围设备控制可经过）在普通大型计算机系统中，主机对外围设备控制可经过通道、控制器和设备三个层次来实现。从下述叙述中选出一条正通道、控制器和设备三个层次来实现。从下述叙述中选出一条正确叙述。确叙述。nA 控制器可控制通道，设备在通道控制下工作控制器可控制通道，设备在通道控制下工作nB 通道控制控制器，设备在控制器
46、控制下工作通道控制控制器，设备在控制器控制下工作nC 通道和控制器分别控制设备通道和控制器分别控制设备nD 控制器控制通道和设备工作控制器控制通道和设备工作10/2/第60页61n1、经过硬件和软件扩充经过硬件和软件扩充,把原来独立设备改造成能为若干用把原来独立设备改造成能为若干用户共享设备户共享设备,这种设备称为这种设备称为？。n 2、引发中止发生事件称为、引发中止发生事件称为？。n 3、假如、假如I/O设备与存放设备进行数据交换不经过设备与存放设备进行数据交换不经过CPU来完成，来完成，这种数据交换方式是这种数据交换方式是？。n4、惯用、惯用I/O控制方式有程序控制方式有程序I/O方式、方
47、式、？、？、？、？.n5、DMA是指允许是指允许？和和？之间直接交换数据设备。之间直接交换数据设备。在在DMA中必须设置地址存放器，用于存放中必须设置地址存放器，用于存放？，还必须，还必须设置设置？存放器，用来暂存交换数据。存放器，用来暂存交换数据。n6、设备控制器是、设备控制器是？和和？之间接口，它接收来自之间接口，它接收来自？I/O命令，并用于控制命令，并用于控制？工作。工作。n 7、按隶属关系对、按隶属关系对I/O设备分类，可分为系统设备和设备分类，可分为系统设备和？两两类。类。10/2/第61页625.3 缓冲管理缓冲管理n5.3.1 缓冲引入缓冲引入 1、引入原因、引入原因 （1）缓
48、解）缓解CPU与输入输出设备间速度不匹配矛与输入输出设备间速度不匹配矛盾盾 （2）降低对）降低对CPU中止频率，放宽对中止响应时中止频率，放宽对中止响应时间限制。间限制。（3）提升）提升CPU与输入输出设备间并行性。与输入输出设备间并行性。10/2/第62页63n2、缓冲技术实现思想、缓冲技术实现思想 建立一个缓冲区，当进程要执行读写操作时，建立一个缓冲区，当进程要执行读写操作时，首先向申请一块内存区域作为缓冲区，然后，将要首先向申请一块内存区域作为缓冲区，然后，将要传送数据高速送到缓冲区。传送数据高速送到缓冲区。假如是读操作，则依据进程要求，把当前需要假如是读操作，则依据进程要求，把当前需要
49、逻辑统计从缓冲区中选出并传送给进程。若为写操逻辑统计从缓冲区中选出并传送给进程。若为写操作，则不停把数据填到缓冲区，直到它被填满为止。作，则不停把数据填到缓冲区，直到它被填满为止。10/2/第63页64n3、实现缓冲方法、实现缓冲方法 （1）硬件缓冲。硬件缓冲采取专用硬件缓冲器，硬件缓冲。硬件缓冲采取专用硬件缓冲器，普通由外设自带专用存放器组成。普通由外设自带专用存放器组成。（2）软件缓冲。在内存中专门开辟若干单元作为）软件缓冲。在内存中专门开辟若干单元作为缓冲区为各种设备服务。缓冲区为各种设备服务。10/2/第64页655.3.2 单缓冲和双缓冲单缓冲和双缓冲一、单缓冲一、单缓冲 单缓冲即是
50、在发送者和接收者之间只有一个缓冲区单缓冲即是在发送者和接收者之间只有一个缓冲区 过程：过程：当一个用户进程要求输入数据时，操作当一个用户进程要求输入数据时，操作系统控制输入设备将数据送往缓冲区存放，再送往系统控制输入设备将数据送往缓冲区存放，再送往用户进程数据存放区。用户进程数据存放区。10/2/第65页66n特点特点 在主存中只有一个缓冲区。对于块设备，该缓冲在主存中只有一个缓冲区。对于块设备，该缓冲区能够存放一块数据，对于字符设备，该缓冲区能区能够存放一块数据，对于字符设备，该缓冲区能够存放一行数据。设备和处理器对缓冲区操作是串够存放一行数据。设备和处理器对缓冲区操作是串行，传输速度慢。在
