dzz.cs.xynun.edu.cnnew1kejianio系統(tǒng)

1、第五章 設備管理,5.1　 I/O系統(tǒng),,顧名思義，I/O系統(tǒng)是用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入、輸出及數(shù)據(jù)存儲的系統(tǒng)。在I/O系統(tǒng)中，除了需要直接用于I/O和存儲信息的設備外，還需要有相應的設備控制器和高速總線。,I/O設備,I/O設備的類型　　1)按設備的使用特性分類　　 按設備的使用特性，可將設備分為兩類。第一類是存儲設備，也稱外存或后備存儲器、輔助存儲器，是計算機系統(tǒng)用以存儲信息的主要設備。該類設備存取速度較內存慢，但容量比內存大

2、得多，相對價格也便宜。第二類就是輸入/輸出設備，又具體可分為輸入設備、輸出設備和交互式設備。,,2)按傳輸速率分類　　 按傳輸速度的高低，可將I/O設備分為三類。第一類是低速設備，這是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。屬于低速設備的典型設備有鍵盤、鼠標器、語音的輸入和輸出等設備。第二類是中速設備，這是指其傳輸速率在每秒鐘數(shù)千個字節(jié)至數(shù)十萬個字節(jié)的一類設備。典型的中速設備有行式打印機、 激光打印機等。第三類是高速設

3、備，這是指其傳輸速率在數(shù)百個千字節(jié)至千兆字節(jié)的一類設備。典型的高速設備有磁帶機、磁盤機、光盤機等。,,3)按信息交換的單位分類　　 按信息交換的單位，可將I/O設備分成兩類。第一類是塊設備，這類設備用于存儲信息。由于信息的存取總是以數(shù)據(jù)塊為單位，故而得名。它屬于有結構設備。典型的塊設備是磁盤，每個盤塊的大小為512 B～4 KB。第二類是字符設備，用于數(shù)據(jù)的輸入和輸出。其基本單位是字符，故稱為字符設備。它屬于無結構類型。字符設備的種

4、類繁多，如交互式終端、打印機等。,,4)按設備的共享屬性分類　　 這種分類方式可將I/O設備分為如下三類：　　 (1)獨占設備。這是指在一段時間內只允許一個用戶(進程)訪問的設備，即臨界資源。因而，對多個并發(fā)進程而言，應互斥地訪問這類設備。 (2)共享設備。這是指在一段時間內允許多個進程同時訪問的設備。當然，對于每一時刻而言，該類設備仍然只允許一個進程訪問。?！　?(3)虛擬設備。這是指通過虛擬技術將一臺獨占設備變

5、換為若干臺邏輯設備，供若干個用戶(進程)同時使用。,,設備與控制器之間的接口　 　通常，設備并不是直接與CPU進行通信，而是與設備控制器通信，因此，在I/O設備中應含有與設備控制器間的接口，在該接口中有三種類型的信號，各對應一條信號線。,圖5-1　設備與控制器間的接口,,1)數(shù)據(jù)信號線　　 這類信號線用于在設備和設備控制器之間傳送數(shù)據(jù)信號。對輸入設備而言，由外界輸入的信號經(jīng)轉換器轉換后所形成的數(shù)據(jù)，通常先送入緩沖器中，當數(shù)據(jù)量達

6、到一定的比特(字符)數(shù)后，再從緩沖器通過一組數(shù)據(jù)信號線傳送給設備控制器。對輸出設備而言，則是將從設備控制器經(jīng)過數(shù)據(jù)信號線傳送來的一批數(shù)據(jù)先暫存于緩沖器中，經(jīng)轉換器作適當轉換后，再逐個字符地輸出。,,2)控制信號線　　 這是作為由設備控制器向I/O設備發(fā)送控制信號時的通路。該信號規(guī)定了設備將要執(zhí)行的操作，如讀操作(指由設備向控制器傳送數(shù)據(jù))或寫操作(從控制器接收數(shù)據(jù))，或執(zhí)行磁頭移動等操作?！　?)狀態(tài)信號線　　 這類信號線用于

7、傳送指示設備當前狀態(tài)的信號。設備的當前狀態(tài)有正在讀(或寫)；設備已讀(寫)完成，并準備好新的數(shù)據(jù)傳送。,設備控制器,設備控制器是計算機中的一個實體，其主要職責是控制一個或多個I/O設備，以實現(xiàn)I/O設備和計算機之間的數(shù)據(jù)交換。它是CPU與I/O設備之間的接口，它接收從CPU發(fā)來的命令，并去控制I/O設備工作，以使處理機從繁雜的設備控制事物中解脫出來。,,設備控制器的基本功能　　1)接收和識別命令　　 CPU可以向控制器發(fā)送多種不同

8、的命令，設備控制器應能接收并識別這些命令。為此，在控制器中應具有相應的控制寄存器，用來存放接收的命令和參數(shù)，并對所接收的命令進行譯碼。　 2)數(shù)據(jù)交換　　 這是指實現(xiàn)CPU與控制器之間、控制器與設備之間的數(shù)據(jù)交換。對于前者，是通過數(shù)據(jù)總線，由CPU并行地把數(shù)據(jù)寫入控制器，或從控制器中并行地讀出數(shù)據(jù)；對于后者，是設備將數(shù)據(jù)輸入到控制器，或從控制器傳送給設備。為此，在控制器中須設置數(shù)據(jù)寄存器。,,3)標識和報告設備的狀態(tài)　　 控

9、制器應記下設備的狀態(tài)供CPU了解。例如，僅當該設備處于發(fā)送就緒狀態(tài)時，CPU才能啟動控制器從設備中讀出數(shù)據(jù)。為此，在控制器中應設置一狀態(tài)寄存器，用其中的每一位來反映設備的某一種狀態(tài)。當CPU將該寄存器的內容讀入后，便可了解該設備的狀態(tài)。 4)地址識別　　 就像內存中的每一個單元都有一個地址一樣，系統(tǒng)中的每一個設備也都有一個地址，而設備控制器又必須能夠識別它所控制的每個設備的地址。此外，為使CPU能向(或從)寄存器中寫入(或

10、讀出)數(shù)據(jù)，這些寄存器都應具有唯一的地址。,,5)數(shù)據(jù)緩沖　　 由于I/O設備的速率較低而CPU和內存的速率卻很高，故在控制器中必須設置一緩沖器。在輸出時，用此緩沖器暫存由主機高速傳來的數(shù)據(jù)，然后才以I/O設備所具有的速率將緩沖器中的數(shù)據(jù)傳送給I/O設備；在輸入時，緩沖器則用于暫存從I/O設備送來的數(shù)據(jù)，待接收到一批數(shù)據(jù)后，再將緩沖器中的數(shù)據(jù)高速地傳送給主機。 6)差錯控制　　 設備控制器還兼管對由I/O設備傳送來的數(shù)據(jù)

11、進行差錯檢測。若發(fā)現(xiàn)傳送中出現(xiàn)了錯誤，通常是將差錯檢測碼置位，并向CPU報告，于是CPU將本次傳送來的數(shù)據(jù)作廢，并重新進行一次傳送。這樣便可保證數(shù)據(jù)輸入的正確性。,,設備控制器的組成　　1)設備控制器與處理機的接口　　 該接口用于實現(xiàn)CPU與設備控制器之間的通信。共有三類信號線: 數(shù)據(jù)線、地址線和控制線。數(shù)據(jù)線通常與兩類寄存器相連接，第一類是數(shù)據(jù)寄存器(在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CP

12、U送來的數(shù)據(jù)(輸出))；第二類是控制/狀態(tài)寄存器(在控制器中可以有一個或多個這類寄存器，用于存放從CPU送來的控制信息或設備的狀態(tài)信息)。,,2)設備控制器與設備的接口　　 在一個設備控制器上，可以連接一個或多個設備。相應地，在控制器中便有一個或多個設備接口，一個接口連接一臺設備。在每個接口中都存在數(shù)據(jù)、控制和狀態(tài)三種類型的信號。控制器中的I/O邏輯根據(jù)處理機發(fā)來的地址信號去選擇一個設備接口。 3)I/O邏輯　　 在設備

13、控制器中的I/O邏輯用于實現(xiàn)對設備的控制。它通過一組控制線與處理機交互，處理機利用該邏輯向控制器發(fā)送I/O命令；I/O邏輯對收到的命令進行譯碼。每當CPU要啟動一個設備時，一方面將啟動命令發(fā)送給控制器；另一方面又同時通過地址線把地址發(fā)送給控制器，由控制器的I/O邏輯對收到的地址進行譯碼，再根據(jù)所譯出的命令對所選設備進行控制。,,圖5-2　設備控制器的組成,I/O通道,I/O通道是一種特殊的處理機，它具有執(zhí)行I/O指令的能力，并通過執(zhí)行通

14、道(I/O)程序來控制I/O操作。但I/O通道又與一般的處理機不同，主要表現(xiàn)在以下兩個方面: 一是其指令類型單一，這是由于通道硬件比較簡單，其所能執(zhí)行的命令主要局限于與I/O操作有關的指令；二是通道沒有自己的內存，通道所執(zhí)行的通道程序是放在主機的內存中的，換言之，是通道與CPU共享內存。,,通道類型　　1)字節(jié)多路通道(Byte Multiplexor Channel)　　 這是一種按字節(jié)交叉方式工作的通道。它通常都含有許多非分配

15、型子通道，其數(shù)量可從幾十到數(shù)百個，每一個子通道連接一臺I/O設備，并控制該設備的I/O操作。這些子通道按時間片輪轉方式共享主通道。 2)數(shù)組選擇通道(Block Selector Channel)　　 字節(jié)多路通道不適于連接高速設備，該通道雖然可以連接多臺高速設備，但由于它只含有一個分配型子通道，在一段時間內只能執(zhí)行一道通道程序，控制一臺設備進行數(shù)據(jù)傳送，致使當某臺設備占用了該通道后，便一直由它獨占，即使是它無數(shù)據(jù)傳送，通道

16、被閑置，也不允許其它設備使用該通道，直至該設備傳送完畢釋放該通道。可見，這種通道的利用率很低。,,3)數(shù)組多路通道(Block Multiplexor Channel)　　 數(shù)組選擇通道雖有很高的傳輸速率，但它卻每次只允許一個設備傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)組多路通道是將數(shù)組選擇通道傳輸速率高和字節(jié)多路通道能使各子通道(設備)分時并行操作的優(yōu)點相結合而形成的一種新通道。它含有多個非分配型子通道，因而這種通道既具有很高的數(shù)據(jù)傳輸速率，又能獲得令人滿意

17、的通道利用率。也正因此，才使該通道能被廣泛地用于連接多臺高、中速的外圍設備，其數(shù)據(jù)傳送是按數(shù)組方式進行的。,,“瓶頸”問題　　 由于通道價格昂貴，致使機器中所設置的通道數(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。 解決“瓶頸”問題的最有效的方法，便是增加設備到主機間的通路而不增加通道，如圖5-5所示。換言之，就是把一個設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。 多通

18、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備和存儲器之間沒有通路。,總線系統(tǒng),在計算機系統(tǒng)中的各部件，如CPU、存儲器以及各種I/O設備之間的聯(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、帶寬和相應的總線傳輸速率等指標來衡量的。隨著計算機中CPU和內存速率的提高，字長的增加，以及不斷地引入新型設備，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

19、，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5-6　總線型I/O系統(tǒng)結構,,ISA和EISA總線　　1)ISA(Industry Standard Architecture)總線　　 這是為在1984年推出的80286型微機而設計的總線結構。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

20、Mb/s，能連接12臺設備?！　?)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臺外部設備。,,局部總線(Local Bus)　　 多媒體技術的興起，特別是全運動視頻處理、高保真音響、高速LAN，以及高質量圖形處理等技術，都要求總線具有更高的傳輸速率，

21、這時的EISA總線已難于滿足要求，于是，局部總線便應運而生。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

22、的設計思想是以低價位迅速占領市場。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年代初被推出時，廣泛應用于486微機中。但VESA總線仍存在較嚴重的缺點，比如，它所能連接的設備數(shù)僅為2～4臺，在控制器中無緩沖，故難于適應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，I

23、ntel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和外設間插入一復雜的管理層，用于協(xié)調數(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動能力放大，使PCI最多能支持10種外設，并使高時鐘頻率的CPU能很好地運行，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