第七章设备管理-1

第七章设备管理7.1I/O管理概述1、设备管理的主要功能：缓冲区管理设备分配设备处理虚拟设备实现设备独立性2、I/O系统实现信息输入、输出和存储的系统。包括：I/O设备总线设备控制器I/O通道

I/O处理机3、I/O设备的类型可以按照重要的性能指标分类：数据传输速率数据的传输单位设备共享属性（1）按传输速率分类低速设备每秒几字节至数百字节如：键盘、鼠标器、语音的输入和输出中速设备每秒数千字节至数万字节如：行式打印机、激光打印机高速设备每秒数百千字节以上如：磁带机、磁盘机、光盘机等。（2）按信息交换单位分类块设备字符设备块设备用于存储信息。属有结构类型。如：磁盘，盘块大小为512B~4KB。磁盘设备的基本特征是其传输速率较高，通常每秒钟为几兆位；可寻址，即对它可随机地读/写任一块；磁盘设备的I/O常采用DMA

(DirectMemoryAccess,直接内存存取)方式。字符设备用于数据的输入和输出。属无结构类型。种类多，如交互式终端、打印机等。基本特征是其传输速率较低，通常为几个字节至数千个字节；另一特征是不可寻址，即输入/输出时不能指定数据的输入源地址及输出的目标地址输入/输出时，常采用中断驱动方式。（3）按设备的共享属性分类独占设备共享设备虚拟设备独占设备

指在一段时间内只允许一个用户（进程）访问的设备，即临界资源。共享设备

指在一段时间内允许多个进程同时访问的设备，如：磁盘。4、设备与控制器接口在该接口中有三种类型的信号：数据信号。对输入是由设备发送给设备控制器的；对输出是由设备控制器所接收的比特流。控制信号。是设备控制器发送给设备的、用于规定设备执行、读或写操作的信号，状态信号。用于指示设备的当前状态。

设备控制器是CPU与I/O设备的接口分成两大类：用于控制字符设备的控制器；用于控制块设备的控制器。微型机和小型机中的控制器常做成印制电路卡形式，称接口卡。设备控制器的功能接收和识别命令数据交换标识并报告设备的状态地址识别数据缓冲差错控制设备控制器的组成1）设备控制器与处理机接口2)设备控制器与设备接口3)I/O逻辑（1）设备控制器与处理机接口三类信号线：

数据线、地址线、控制线两类寄存器：

数据寄存器、控制/状态寄存器（2）设备控制器与设备接口一个接口连接一台设备每个接口中含有数据、地址、控制信号。控制器的I/O逻辑根据处理机发的地址信号选择设备接口。（3）I/O逻辑通过一组控制线与处理机交互。处理机利用它向控制器发送I／O命令。I/O逻辑对收到的命令进行译码。图设备控制器的组成

5、I/O通道I/O通道是种特殊的处理机。它具有执行I/O指令的能力．并通过执行通道程序来控制I/O操作。与一般处理机不同．表现在两个方面：

指令类型单一、即由于通道硬件比较简单．其所能执行的指令,要为与I/O有关的指令；通道没有自己的内存。与CPU共享内存。通道类型根据信息交换方式分三种类型：字节多路通道数组选择通道数组多路通道字节多路通道含有非分配型子通道，其数量从几十到几百。每个子通道连接一台I/O设备。子通道按时间片轮转方式共享主通道。第一个子通道控制其I/O设备完成一个字节的交换后．便立即腾出字节多路通道(主通道)，让给第二个子通道使用，依此类推，所有通道轮转一周后重返回。只要扫描每个于通道的速度足够快，而连接到子通道上的设备的速率较小时，不丢数据。连接低速或中速设备时，便不丢失信息。图字节多路通道的工作原理

数组选择通道含有一个非分配型子通道可以连接多台高速设备一段时间内只能执行一道通道程序控制一台设备进行数据传送。利用率很低。数组多路通道含有多个非分配型子通道结合前两者的优点可以连接多台高速设备数据传送按数组进行。利用率很高。“瓶颈”问题由于通道价格昂贵，致使机器中所设置的通道数量势必较少，这往往又使它成了I/O的瓶颈，进而造成整个系统吞吐量的下降。例如，在图5中，假设设备1至设备4是四个磁盘，为了启动磁盘4，必须用通道1和控制器2；但若这两者已被其它设备占用，必然无法启动磁盘4。类似地，若要启动盘1和盘2，由于它们都要用到通道1，因而也不可能启动。这些就是由于通道不足所造成的“瓶颈”现象。

图单通路I/O系统

解决“瓶颈”问题的最有效的方法，便是增加设备到主机间的通路而不增加通道，如图所示。换言之，就是把一个设备连接到多个控制器上，而一个控制器又连接到多个通道上。图中的设备1、2、3和4，都有四条通往存储器的通路。例如，通过控制器1和通道1到存储器；也可通过控制器2和通道1到存储器。多通路方式不仅解决了“瓶颈”问题，而且提高了系统的可靠性，因为个别通道或控制器的故障不会使设备和存储器之间没有通路。

图多通路I/O系统

6、总线系统由图

可以看出，在计算机系统中的各部件，如CPU、存储器以及各种I/O设备之间的联系，都是通过总线来实现的。总线的性能是用总线的时钟频率、带宽和相应的总线传输速率等指标来衡量的。随着计算机中CPU和内存速率的提高，字长的增加，以及不断地引入新型设备，促使人们对总线的时钟频率、带宽和传输速率的要求也不断提高。这便推动了总线的不断发展，使之由早期的ISA总线发展为EISA总线、VESA总线，进而又演变成当前广为流行的PCI总线。

图总线型I/O系统结构

1．ISA和EISA总线

1)ISA(IndustryStandardArchitecture)总线这是为在1984年推出的80286型微机而设计的总线结构。其总线的带宽为8位，最高传输速率为2Mb/s。之后不久又推出了16位的(EISA)总线，其最高传输速率为8Mb/s，后又升至16Mb/s，能连接12台设备。

2)EISA(ExtendedISA)总线到20世纪80年代末期，ISA总线已难于满足带宽和传输速率的要求，于是人们又开发出扩展ISA(EISA)总线，其带宽为32位，总线的传输速率高达32Mb/s，同样可以连接12台外部设备。

2．局部总线(LocalBus)

多媒体技术的兴起，特别是全运动视频处理、高保真音响、高速LAN，以及高质量图形处理等技术，都要求总线具有更高的传输速率，这时的EISA总线已难于满足要求，于是，局部总线便应运而生。所谓局部总线，是指将多媒体卡、高速LAN网卡、高性能图形板等，从ISA总线上卸下来，再通过局部总线控制器直接接到CPU总线上，使之与高速CPU总线相匹配，而打印机、FAX/Modem、CDROM等仍挂在ISA总线上。在局部总线中较有影响的是VESA总线和PCI总线。

1)VESA(VideoElectronicStandardAssociation)总线该总线的设计思想是以低价位迅速占领市场。VESA总线的带宽为32位，最高传输速率为132Mb/s。它在20世纪90年代初被推出时，广泛应用于486微机中。但VESA总线仍存在较严重的缺点，比如，它所能连接的设备数仅为2～4台，在控制器中无缓冲，故难于适应处理器速度的不断提高，也不能支持后来出现的Pentium微机。

2)PCI(PeripheralComponentInterface)总线随着Pentium系列芯片的推出，Intel公司分别在1992年和1995年颁布了PCI总线的V1.0和V2.1规范，后者支持64位系统。PCI在CPU和外设间插入一复杂的管理层，用于协调数据传输和提供一致的接口。在管理层中配有数据缓冲，通过该缓冲可将线路的驱动能力放大，使PCI最多能支持10种外设，并使高时钟频率的CPU能很好地运行，最大传输速率可达132Mb/s。PCI既可连接ISA、EISA等传统型总线，又可支持Pentium的64位系统，是基于奔腾等新一代微处理器而发展的总线。

DMA控制方式●中断方式比程序I/O方式有效，但它是以字节为单位进行的，每传送一个字节，控制器便向CPU请求一次中断，如果将这种方式用于块设备的I/O，显然是低效的。例如要读1KB的数据块，需要中断1K次CPU。●为了减少CPU对I/O的干预，引入DMA方式。该方式的特点为：数据传输的基本单位是数据块。所传送的数据是从设备直接送入内存的。仅在传送一个或多个数据块的开始或结束时，才需CPU干预，整块数据的传送是在控制器的控制下完成的。DMA控制器的组成增加两类寄存器：内存地址寄存器MAR数据计数器DＣDMA工作过程●当CPU需要从磁盘读数据时，便向磁盘控制器DMA发命令，●该命令送命令寄存器CR，●将内存地址送内存地址寄存器MAR，●本次要读的字节数送数据寄存器DC。●启动DMA后，CPU干其他的事情，数据传送在DMA的控制下完成。通道方式DMA方式比中断方式、程序I/O方式以显著地减少了CPU的干预，即从字节为单位的干预减少到以数据块为单位的干预。I/O通道方式是DMA方式的发展，把以数据块为单位的干预，减少到对一组数据块为单位的干预。在DMA方式中，每发出一个I/O指令，能读（写）一个连续的数据块，当需要一次去读多个离散的数据块且将它们分别传送到不同的内存区域时，则需多条I/O指令和多次中断，而通道只需一次即可完成。通道有一系列通道指令构成。●通道指令的格式： ●操作码——规定了指令所要执行的操作，如读、写等。 ●计数——表示本条指令要读（写）数据的字节数。 ●内存地址——数据要送入的内存地址或从内存何