计算机设备管理之I、O通道PPT(21张)
合集下载
操作系统-设备管理
32
5.2 I/O控制方式
பைடு நூலகம்
I/O控制方式是随着计算机技术的发展而不断发展的。 在I/O控制方式的整个发展过程中，始终贯穿的宗旨是： 尽量减少主机对I/O控制的干预，把主机从反之的I/O控 制事物中解脱出来，以便更多地去完成数据处理任务。 早期采用程序控制I/O方式； 当在系统中引入中断机制后，便发展为中断驱动方式; 随着DMA控制器的出现，又使I/O方式在传输单位上发 生了变：即从以字节为单位的传输扩大到以数据块为 单位进行传输。从而改善了块设备的I/O性能； 通道的引入，又使对I/O操作的组织和数据的传送都能 独立进行而无需CPU干预。
设备分配和释放：使用设备前，需要分配设备和相 应的通道、控制器。 设备的访问和控制：包括并发访问和差错处理。 I/O缓冲和调度：目标是提高I/O访问效率（主要是 磁盘）。
6
7
8
9
10
11
5.1
• I/O系统的结构
I/O系统
12
A typical PC bus structure
13
图5-1 设备与控制器间的接口
控制信号线：作为设备控制器向 I/O设备发送控制信号时的通路。 数据信号线：用于在设备和设备控制器之间传送数据信号。输入设备：外界 状态信号线：用于传送指示设备当前状态的信号。 该信号规定了设备将要执行的操作： 输入的信号经转换器转换后形成的数据，通常先送入缓冲器中，当数据量达 设备的当前状态有： 读操作（指由设备向控制器传送数据） 到一定的比特数后，再从缓冲器通过一组数据信号线传送给设备控制器。输 正在读（写） 写操作（从控制器接收数据） 出设备：将从设备控制器经过数据信号线传送来的一批数据先暂存于缓冲器 设备已读（写）完成，并准备好新的数据传送。 中，经转换器作适当转换后，再逐个字符地输出。
5.2 I/O控制方式
பைடு நூலகம்
I/O控制方式是随着计算机技术的发展而不断发展的。 在I/O控制方式的整个发展过程中，始终贯穿的宗旨是： 尽量减少主机对I/O控制的干预，把主机从反之的I/O控 制事物中解脱出来，以便更多地去完成数据处理任务。 早期采用程序控制I/O方式； 当在系统中引入中断机制后，便发展为中断驱动方式; 随着DMA控制器的出现，又使I/O方式在传输单位上发 生了变：即从以字节为单位的传输扩大到以数据块为 单位进行传输。从而改善了块设备的I/O性能； 通道的引入，又使对I/O操作的组织和数据的传送都能 独立进行而无需CPU干预。
设备分配和释放：使用设备前，需要分配设备和相 应的通道、控制器。 设备的访问和控制：包括并发访问和差错处理。 I/O缓冲和调度：目标是提高I/O访问效率（主要是 磁盘）。
6
7
8
9
10
11
5.1
• I/O系统的结构
I/O系统
12
A typical PC bus structure
13
图5-1 设备与控制器间的接口
控制信号线：作为设备控制器向 I/O设备发送控制信号时的通路。 数据信号线：用于在设备和设备控制器之间传送数据信号。输入设备：外界 状态信号线：用于传送指示设备当前状态的信号。 该信号规定了设备将要执行的操作： 输入的信号经转换器转换后形成的数据，通常先送入缓冲器中，当数据量达 设备的当前状态有： 读操作（指由设备向控制器传送数据） 到一定的比特数后，再从缓冲器通过一组数据信号线传送给设备控制器。输 正在读（写） 写操作（从控制器接收数据） 出设备：将从设备控制器经过数据信号线传送来的一批数据先暂存于缓冲器 设备已读（写）完成，并准备好新的数据传送。 中，经转换器作适当转换后，再逐个字符地输出。
设备管理ppt课件
主要连接以字节为单位的低速I/O设备。如打印 机，终端。 以字节为单位交叉传输，当一台传送一个字节 后，立即转去为另一台传送字节
选择通道
选择通道是以成组方式工作的，即每次传送 一批数据，故传送速度很高。选择通道在一 段时间内只能执行一个通道程序，只允许一 台设备进行数据传输
当这台设备数据传输完成后，再选择与通道 连接的另一台设备，执行它的相应的通道程 序
总线的分类
CPU-内存总线
数据总线
I/O总线
地址总线
控制总线
微型计算机 总线的种类和发展
…...
SCSI总线 USB总线 1394总线 PCI总线
VESA总线 (?)
EISA总线
MCA总线 (?)
ISA总线
PC／XT总线 (过时)
6. USB技术
USB（Universal Serial Bus）通用串行总线，是一种连接 I/O串行设备的技术标准
用户设备
指在系统生成时，未登记在系统中的非 标准设备。对于这类设备的处理程序由 用户提供，并将其纳入系统，由系统代 替用户实施管理。
（4）按资源分配角度分
独占设备：在一段时间内只能有一个进程使用的设备， 一般为低速I/O设备（如打印机，磁带等）
共享设备： 在一段时间内可有多个进程共同使用的设 备，多个进程以交叉的方式来使用设备，其资源利用 率高（如硬盘）
➢ 资源对象统一命名。独立于设备的软件负责把设备 的符号名映射到正确的设备驱动上
➢ 设备保护。防止无权存取设备的用户存取设备 ➢ 不同磁盘可以采用不同的扇区尺寸。向较高层软件
掩盖这一事实并提供大小统一的块尺寸，这正是设 备独立软件的一个任务。它可将若干扇区合成一个 逻辑块。这样，较高层的软件只与抽象设备打交道， 独立于物理扇区的尺寸而使用等长的逻辑块 ➢ 缓冲技术 ➢ 设备分配 ➢ 出错处理
选择通道
选择通道是以成组方式工作的，即每次传送 一批数据，故传送速度很高。选择通道在一 段时间内只能执行一个通道程序，只允许一 台设备进行数据传输
当这台设备数据传输完成后，再选择与通道 连接的另一台设备，执行它的相应的通道程 序
总线的分类
CPU-内存总线
数据总线
I/O总线
地址总线
控制总线
微型计算机 总线的种类和发展
…...
SCSI总线 USB总线 1394总线 PCI总线
VESA总线 (?)
EISA总线
MCA总线 (?)
ISA总线
PC／XT总线 (过时)
6. USB技术
USB（Universal Serial Bus）通用串行总线，是一种连接 I/O串行设备的技术标准
用户设备
指在系统生成时，未登记在系统中的非 标准设备。对于这类设备的处理程序由 用户提供，并将其纳入系统，由系统代 替用户实施管理。
（4）按资源分配角度分
独占设备：在一段时间内只能有一个进程使用的设备， 一般为低速I/O设备（如打印机，磁带等）
共享设备： 在一段时间内可有多个进程共同使用的设 备，多个进程以交叉的方式来使用设备，其资源利用 率高（如硬盘）
➢ 资源对象统一命名。独立于设备的软件负责把设备 的符号名映射到正确的设备驱动上
➢ 设备保护。防止无权存取设备的用户存取设备 ➢ 不同磁盘可以采用不同的扇区尺寸。向较高层软件
掩盖这一事实并提供大小统一的块尺寸，这正是设 备独立软件的一个任务。它可将若干扇区合成一个 逻辑块。这样，较高层的软件只与抽象设备打交道， 独立于物理扇区的尺寸而使用等长的逻辑块 ➢ 缓冲技术 ➢ 设备分配 ➢ 出错处理
计算机操作系统课件完整版
分配算法
首次适应算法、最佳适应 算法、最坏适应算法等， 用于决定如何为进程分配 内存空间。
虚拟内存技术原理及应用
虚拟内存概念
通过硬件和软件的结合 ，将物理内存和外存结 合起来，为用户提供比 实际物理内存大得多的 逻辑内存空间面 置换功能，实现虚拟内 存。
分布式操作系统
这种操作系统能够管理分布在不同地点的 计算机资源，支持分布式计算和协同工作 ，适用于构建和管理分布式系统。
分时操作系统
这种操作系统允许多个用户同时使用计算 机，每个用户都感觉自己独占了整个系统 资源。
网络操作系统
这种操作系统能够管理网络资源，提供网 络服务和支持网络通信，适用于构建和管 理计算机网络。
分布式系统特点和挑战
分布式系统特点
分布式系统由多台计算机组成，每台计算机都拥有独立的处理能 力和存储空间，计算机之间通过网络进行通信和协作。
分布式系统挑战
分布式系统面临着诸多挑战，如数据一致性、并发控制、容错处理 、安全性等。
分布式系统应用
分布式系统广泛应用于云计算、大数据处理、物联网等领域。
典型分布式操作系统案例分析
• 优先级调度策略：优先级调度策略是根据设备请求的优先级进行资源分配。优先级高的请求可以优先获得资源 ，而优先级低的请求则需要等待。这种策略的优点是可以满足紧急或重要请求的需求，但缺点是可能导致低优 先级请求长时间得不到处理。
06
用户界面与交互设计
用户界面基本要素和原则
用户界面基本要素
包括窗口、菜单、图标、按钮等，这些 要素是用户与计算机进行交互的基础。
网络协议栈概述
网络协议栈是一组按照特定层次结构排列的网络协议集合，用于实 现不同计算机系统之间的通信。
计算机组成原理课件第08章
一、接口的功能和组成
1、总线连接方式的I/O接口电路 、总线连接方式的 接口电路 在总线结构的计算机系统中，每一台 I/O设备都是通过I/O接口挂到系统总线上 的。如图示：
数据线： 数据线：传送数据信息 ，其根数一般等于存储 字长的位数或字符的位 数。双向。 设备选择线： 设备选择线：传送设备 码，其根数取决于I/O指 令中设备码的位数。单 向。 命令线： 命令线：传输CPU向设 备发出的各种命令信号 ，其根数与命令信号多 少有关。单向总线。 状态线： 状态线：向主机报告I/O 设备状态的信号线。单 向总线。
CPU在任何瞬间只能接受一个中断源 CPU在任何瞬间只能接受一个中断源 的请求。 的请求。因此，当多个中断源提出中断请 求时，CPU必须对各中断源的请求进行排 队，且只能接受级别最高的中断源的请求 ，不允许级别低的中断源中断正在运行的 中断服务程序。此时，就可用MASK来改 变中断源的优先级别。 另外，CPU总是在统一的时间，即执 CPU总是在统一的时间， 总是在统一的时间 行每一条指令的最后时刻， 行每一条指令的最后时刻，查询所有设备 是否有中断请求。 是否有中断请求。 接口电路中D、INTR、MASK和中断 查询信号的关系如图示：
2、排队器 、 当多个中断源同时向CPU提出请求时，经 排队器的排队，只有优先级高的中断源排上 队，这样就能实现CPU按中断源优先级的高 低响应中断请求。 下图是设在各个接口电路中的排队电路— —链式排队器。
其中首尾相接的虚线部分组成的门电路是排 当各中断源均无中断请求时，各INTRi 为高电 队器的核心，由一个非门和一个与非门构成。 平，其INTP1 '、 INTP2' 、 INTP3 '……均为高电平 中断源优先级最高的是1号中断源。当多个中 。一旦某中断源提出中断请求,就迫使比其优先级 断源提出中断请求时，排队器输出端INTPi， 低的中断源之INTPi '变为低电平，封锁其发中断 只有一个为高电平，表示该中断源排上队。 请求。
计算机组成原理(本全)ppt课件
定点数的加减法实现
通过硬件电路实现定点数的加减法，包括加 法器、减法器等。
浮点数的加减运算
浮点数的表示方法
包括IEEE 754标准中浮点数的表示方法、规格化表示 和精度。
浮点数的加减法规则
包括阶码和尾数的运算规则、对阶操作、尾数加减运 算和结果规格化等。
浮点数的加减法实现
通过硬件电路实现浮点数的加减法，包括浮点加法器 、浮点减法器等。
指令的执行过程与周期
指令执行过程
取指、译码、执行、访存、写回等阶段 。
VS
指令周期
完成一条指令所需的时间，包括取指周期 、间址周期、执行周期等。
07
中央处理器（CPU）
CPU的功能与组成
控制器
负责指令的取指、译码和执行，控制 数据和指令在CPU内部的流动。
运算器
执行算术和逻辑运算，包括加、减、 乘、除、与、或、非等操作。
多核处理器与并行计算
多核处理器
将多个处理器核心集成在一个芯片上，每个核心可以独立执行指令，提高处理器的并行 处理能力。
并行计算
利用多核处理器或多个处理器同时处理多个任务或数据，加速计算过程，提高计算效率 。
08
输入输出系统
I/O接口与I/O设备
I/O接口的功能
实现主机与外设之间的信息交换，包括数据 缓冲、信号转换、设备选择等。
乘法与除法运算
浮点数的乘除法运算
包括浮点数的乘法、除法和平方根运算等。
定点数的乘除法运算
包括原码一位乘法、补码一位乘法、原码除 法和补码除法等。
乘除法运算的实现
通过硬件组成与设计
运算器的基本组成
包括算术逻辑单元（ALU）、寄存器组、数据总线等。
运算器的设计原则
操作系统PPT课件
分析在多用户与多任务环境下可能存在的安全风险，并介绍相应的安全
措施和策略。
07
安全性与可靠性保障
操作系统安全策略
访问控制
通过用户身份验证、权限 管理等手段，限制用户对 系统资源的访问，防止未 经授权的访问和操作。
加密技术
采用加密算法对敏感数据 进行加密存储和传输，确 保数据在传输和存储过程 中的安全性。
页面置换算法
虚拟内存的实现
当内存空间不足时，需要选择某个页面进 行置换，常见的置换算法有最优算法、先 进先出算法、最近最久未使用算法等。
需要硬件和软件的支持，如地址变换机构、 缺页中断机构、页面调度程序等。
页面置换算法
最优算法
选择未来最长时间不会被访问的页面 进行置换，需要预知未来的页面访问 情况，实际中难以实现。
命令行界面常用命令
列举并解释常见的命令行界面命令，如文件操作命令、网络命令、 系统管理命令等。
图形用户界面设计
01
图形用户界面（GUI ）概述
介绍图形用户界面的基本概念、 特点和优势。
02
图形用户界面设计 原则
讲解设计图形用户界面时需要遵 循的原则，如直观易用、美观大 方、符合用户习惯等。
03
图形用户界面常用 控件
文件概念
文件是操作系统中进行数据存储和管理的基本单位，通常是一段具有特定格式 和意义的二进制数据。
文件组织结构
常见的文件组织结构包括顺序结构、索引结构、链接结构和哈希结构。不同的 组织结构适用于不同的应用场景，如顺序结构适用于连续访问大量数据，而索 引结构则适用于随机访问。
文件访问权限控制
访问权限
设置通道控制器，负责管理和控制多 个I/O设备，进一步减轻CPU的负担 。
计算机组成原理第八章第5讲通道方式
8.5通道方式
多路通道
• 是一种简单的共享通道，在时间分割的基础上，服务于 多台低速和中速面向字符的外围设备。
8.5通道方式
数组多路通道
• 当某设备进行数据传送时，通道只为该设备服务； 当设备在执行寻址等控制性动作时，通道暂时断开 与这个设备的连接，挂起该设备的通道程序，去为 其他设备服务，即执行其他设备的通道程序。所以 数组多路通道很像一个多道程序的处理器。
本章小结
DMA技术的出现，使得外围设备可以通过DMA控 制器直接访问内存，与此同时，CPU可以继续程 序。DMA方式采用以下三种方法：①停止CPU访 内；②周期挪用；③DMA与CPU交替访内。DMA 控制器按其组成结构，分为选择型和多路型两类。
通道是一个特殊功能的处理器。它有自己的指令 和程序专门负责数据输入输出的传输控制，从而 使CPU将“传输控制”的功能下放给通道，CPU 只负责“数据处理”功能。这样，通道与CPU分 时使用内存，实现了CPU内部的数据处理与I/O设 备的平行工作。通道有两种类型：①选择通道； ②多路通道。
通道方式
8.5通道方式
通道的种类 选择通道
• 选择通道每次只能从所连接的设备中选择一台I／O 设备的通道程序，此刻该通道程序独占了整个通道。 连接在选择通道上的若干设备，只能依次使用通道 与主存传送数据
• 数据传送以成组（数据块）方式进行，每次传送一 个数据块，因此，传送速率很高。选择通道多适合 于快速设备（磁盘），这些设备相邻字之间的传送 空闲时间极短。
程序查询方式是CPU管理I/O设备的最简单方式， CPU定期执行设备服务程序，主动来了解设备的 工作状态。这种方式浪费CPU的宝贵资源。
本章小结
程序中断方式是各类计算机中广泛使用的一种数 据交换方式。当某一外设的数据准备就绪后，它 “主动”向CPU发出请求信号。CPU响应中断请 求后，暂停运行主程序，自动转移到该设备的中 断服务子程序，为该设备进行服务，结束时返回 主程序。中断处理过程可以嵌套进行，优先级高 的设备可以中断优先级低的中断服务程序。
计算机操作系统ppt
磁盘调度
操作 文件名 文件操作 函数
I/O 文件分配
自由空间 管理
用户访问控制
文件系统功能
1.统一管理文件的存储空间，实施存储空间的分配与 回收 2.实现文件的按名存取 名字空间 映射 存储空间 3.实现文件信息的共享，并提供文件的保护和保密措 施 4.向用户提供一个方便使用的接口（提供对文件系统 操作命令，以及提供对文件的操作命令：信息存取、 加工等） 5.系统维护及向用户提供有关信息 6.文件系统的执行效率 7.提供与I/O的统一接口
用户程序
堆 顺序 索引顺序 逻辑I/O 基本 I/O 管理器 基本文件系统 磁盘设备驱动器 磁带设备驱动器 索引 散列
基本I/O管理器(Basic I/O Supervisor)，负责所 有文件I/O的初始化和终止。
用户程序
堆 顺序 索引顺序 逻辑I/O 基本 I/O 管理器 基本文件系统 磁盘设备驱动器 磁带设备驱动器 索引 散列
用户通过文件系统所提供的系统调用实 施对文件的操作。
一.最基本的文件操作
1. 创建文件 2. 删除文件
3. 读文件
4. 写文件
5. 截断文件
6. 设置文件的读/写位置
1、创建文件： 2、删除文件：
使目录项成为空项，回收存储空间 。
分配外存空间，在目录中建立一个目录项：文件名称、位置等 。
3、读文件：
5. 按使用情况分类
临时文件：用于系统在工作过程中产生的中 间文件，一般有暂存的目录，正常工作情况 下，工作完毕会自动删除，一旦有异常情况 往往会残留不少临时文件 永久文件: 指一般受系统管理的各种系统和 用户文件，经过安装或编辑、编译生成的文 件，存放在软盘、硬盘或光盘等外存上 档案文件: 系统或一些实用工具软件包在工 作过程中记录在案的文挡资料文件，以便查 阅历史挡案
设备管理PPT课件
中断驱动方式可以成百倍地提高CPU的利用率。
2021/7/28
1313
分析
同前相比，CPU利用率大大提高。
缺点：每台设备每输入输出一个字节的数据都有一次中断。如 果设备较多时，中断次数会很多，使CPU的计算时间大大减 少。
为减少中断对CPU造成的负担，可采用DMA方式和通道方式。
2021/7/28
继续对该标志进行测试，转2，为0表示输入机已将输入数据 送入控制器的数据寄存器中，转3 3、 把数据从数据缓冲区中读走，并置busy为1。
所谓“程序循环测试”的数据传输方式，就是指用户进程使 用启动设备后，不断地执行测试指令，去测试所启动设备的 状态寄存器。只有在状态寄存器出现了所需要的状态后，才 停止测试工作，完成输入/输出。忙----0
在程序I/O方式中，由于CPU的高速性和I/O设备的低 速性， 致使CPU的绝大部分时间都处于等待I/O设备完成 数据I/O的循环测试中， 造成对CPU的极大浪费。在该方 式中，CPU之所以要不断地测试I/O设备的状态，就是因 为在CPU中无中断机构， 使I/O设备无法向CPU报告它已 完成了一个字符的输入操作。
2021/7/28
2121
2.I/O系统层次及功能
用户层软件 设备独立性软件 设备驱动程序 中断处理程序
实现与用户交互的接 口，产生I/O请求
负责实现与设备驱动器的统一接口、 设备命名，设备的保护，设备的分
配与释放，缓冲等。
与硬件直接相关，负责具体实现系 统对设备发出的操作指令，驱动
I/O设备工作的驱动程序
设备； ④ 缓冲管理，即对字符设备和块设备的缓冲区进行
有效的管理， 以提高I/O的效率；⑤ 差错控制。I/O操作中，
大多数错误都与设备有关，所以主要由设备驱动程序处理，
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
输出
下面通过数学方式说明单缓冲的作用。 对于块设备输入（出），设从磁盘把一块数据输入到缓冲 区（或从缓冲区把一块数据输出到磁盘）所需的时间为T，将 缓冲区的数据传送到用户区的时间为M，CPU计算数据的时间 为C，则系统对每整块数据的处理时间为：max(C,T)+M
(M<<T or C) 如果没有缓冲区，则系统对每整块数据的处理时间为：
T+C
用户进程
a)
处理(C) 工作区
传送(M)
缓冲区
输入(T)
I4
b)
M1
M2
M3
C1
C2
C3
t
用户进程
操作系统
用户区
传送
传送
缓冲区
输入 I/O设备
输出
对于字符设备输入（出），缓冲区是暂存用户 输入（出）的一行数据。
例：把一叠卡片读入并打印出来。设读卡机和打 印机的速度分别是600张/m、600行/m，则每读入并 打印出一张卡片上的记录需时为200ms。
请求生成通道程序放入内存（也可事先编好放入内存）， 并将该通道程序的首地址放入CAW中；之后执行“启动I/O” 指令，启动通道工作
通道：接收到“启动I/O”指令后，从CAW中取出通道 程序的首地址，并根据首地址取出第一条指令放入CCW中， 同时向CPU发回答信号，使CPU可继续执行其他程序，而 通道则开始执行通道程序，完成传输工作。
I／O通道
（通道的引入）
硬件连接结构
I／O通道
（通道的引入）
引入通道的主要目的：是使一些原来由 CPU处 理的I/O任务转由通道来承担，从而把CPU从繁杂的 I/O任务中解脱出来，以保证CPU有更多的时间去进 行数据的处理。
I/O通道的特点： I/O通道是一种特殊的处理机， 与一般的处理机的区别主要表现在：
址 通道命令字CCW：保存正在执行的通道指令 通道状态字CSW： 存放通道执行后的返回结果 通道数据字CDW：存放传输数据 通道和CPU共用内存，通过周期窃取方式取得
I／O通道控制方式
2) 通道命令及格式 通道程序是由一系列的通道指令(或称为通道
命令)所构成。 每条通道指令中应包含下列诸信息： (1)命令码：它规定了外围设备所执行的操作。
计算机
I/O通道1 I/O通道2
控制器1 控制器2 控制器3 控制器4
设备 设备
设备 设备
图 具有通道的I/O系统结构
返回
I／O通道控制方式
1. 引入
I/O通道方式是DMA方式的发展，它可进一步 减少CPU的干预。即把对一个数据块的读（写）为 单位的干预，减少为对一组数据块的读（写）及有 关的控制和管理为单位的干预，同时又可实现CPU、 通道和I/O设备三者的并行工作，从而更有效地提 高了整个系统的资源利用率。
用户进程 用户区
操作系统
传送
缓冲区1
传送
缓冲区2
输入 I/O设备
输出 I/O设备
输入 I/O设备1 输出 I/O设备2
5.3.4 缓冲池(Buffer Pool)
目前广泛流行的公用缓冲池，由于可供多个进程共享， 可提高缓冲区的利用率。 一、缓冲池(Buffer Pool)的组成
对于可用于I/O的缓冲池，包含的缓冲区类型有： ①空（闲）缓冲区； ②装满输入数据的缓冲区； ③装满输出数据的缓冲区。 对应的有以下三个缓冲队列： ①空缓冲队列emq。由空缓冲区所链成的队列 ②输入队列inq。由装满输入数据的缓冲区所链成的 队列 ③输出队列outq。由装满输出数据的缓冲区所链成的 队列
通道程序完成实际I/O，启动I/O设备，执行完毕后， 如果还有下一条指令，则继续执行, 否则表示传输完成，向 CPU发I/O中断，并且通道停止工作。CPU接收中断信号， 从CSW中取得有关信息，决定下一步做什么。
5.6 缓 冲 技术
1 缓冲的引入
在OS中，引入缓冲技术的主要原因有： 缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾 减少对CPU的中断频率，放宽对中断响应时间的限制 （见下页图） 提高CPU和I/O设备之间的并行性 所以，为了提高I/O速度和设备利用率，许多计算机系 统通过设置缓冲区采用了缓冲技术来实现。
通道：执行通道程序，向控制器发出命令，并
具有向CPU发中断信号的功能。 一旦CPU发出指
令，启动通道，则通道独立于CPU工作。由前面知，
一个通道可连接多个控制器，一个控制器可连接多
个设备，形成树形交叉连接。
返回
I／O通道控制方式
2. 通道程序 通道是通过执行通道程序，并与设备控制器一
起共同实现对I／O设备的控制。 1）通道运算控制部件 通道地址字CAW：记录通道程序在内存中的地
(1)它的指令类型单一。即：通道硬件简单，所 执行的指令主要局限于与I/O操作有关的指令。
(2)它没有自己的内存，通道所执行的通道程序 是存放在内存中的。即：通道与CPU共享内存。 返 回
主机I／O系统
由于主机所配置的I/O设备较多，为减轻CPU 和总线的负担，采用的是具有通道的I/O系统结构。 如图所示
除了上述外，缓冲池还具有如下的工作缓冲区： ①用于收容输入数据的工作缓冲区； ②用于提取输入数据的工作缓冲区； ③用于收容输出数据的工作缓冲区； ④用于提取输出数据的工作缓冲区；
(2)数据主存地址：标明数据送入内存(读)和从 内存取出(写)时的内存首址。或是控制信息；或是 转移地址
(3)传送字节个数：表示本条指令所要读(或写) 数据的字节数。
(5) 标志码R：
R=1表示本通道程序尚未结束 R=0表示通道程序的最后 一条指令，通道程序结束
返回
I／O通道控制方式
3) 工作原理 CPU：执行用户程序，当遇到I/O请求时，可根据该
缓冲管理的主要功能是：组织好缓冲区，并提供获得和 释放缓冲区的手段。
缓冲区设置分为
硬缓冲：在设备中设置缓冲区，由硬件实现
软缓冲：在内存中开辟一个空间，用作缓冲区
2 单缓冲和双缓冲
1. 单缓冲(Single Buffer)
是OS提供的最简单的一种缓冲形式。
用户进程
操作系统
用户区
传送
传送
缓冲区
输入 I/O设备
说明：由于只有一个缓冲区，读卡机和打印机是
串行工作的。即读卡机将数据读入缓冲区时，打印 机空闲，打印机工作时，读卡机空闲。
为了能让两者更好地工作，引入了双缓冲区。
2. 双缓冲(Double Buffer)
用户进程
操作系统
单
用户区
传送
缓冲区1 缓冲区2
机 缓 用户进程
操作系统
冲 系 统
用户区
传送
缓冲区1 缓冲区2
下面通过数学方式说明单缓冲的作用。 对于块设备输入（出），设从磁盘把一块数据输入到缓冲 区（或从缓冲区把一块数据输出到磁盘）所需的时间为T，将 缓冲区的数据传送到用户区的时间为M，CPU计算数据的时间 为C，则系统对每整块数据的处理时间为：max(C,T)+M
(M<<T or C) 如果没有缓冲区，则系统对每整块数据的处理时间为：
T+C
用户进程
a)
处理(C) 工作区
传送(M)
缓冲区
输入(T)
I4
b)
M1
M2
M3
C1
C2
C3
t
用户进程
操作系统
用户区
传送
传送
缓冲区
输入 I/O设备
输出
对于字符设备输入（出），缓冲区是暂存用户 输入（出）的一行数据。
例：把一叠卡片读入并打印出来。设读卡机和打 印机的速度分别是600张/m、600行/m，则每读入并 打印出一张卡片上的记录需时为200ms。
请求生成通道程序放入内存（也可事先编好放入内存）， 并将该通道程序的首地址放入CAW中；之后执行“启动I/O” 指令，启动通道工作
通道：接收到“启动I/O”指令后，从CAW中取出通道 程序的首地址，并根据首地址取出第一条指令放入CCW中， 同时向CPU发回答信号，使CPU可继续执行其他程序，而 通道则开始执行通道程序，完成传输工作。
I／O通道
（通道的引入）
硬件连接结构
I／O通道
（通道的引入）
引入通道的主要目的：是使一些原来由 CPU处 理的I/O任务转由通道来承担，从而把CPU从繁杂的 I/O任务中解脱出来，以保证CPU有更多的时间去进 行数据的处理。
I/O通道的特点： I/O通道是一种特殊的处理机， 与一般的处理机的区别主要表现在：
址 通道命令字CCW：保存正在执行的通道指令 通道状态字CSW： 存放通道执行后的返回结果 通道数据字CDW：存放传输数据 通道和CPU共用内存，通过周期窃取方式取得
I／O通道控制方式
2) 通道命令及格式 通道程序是由一系列的通道指令(或称为通道
命令)所构成。 每条通道指令中应包含下列诸信息： (1)命令码：它规定了外围设备所执行的操作。
计算机
I/O通道1 I/O通道2
控制器1 控制器2 控制器3 控制器4
设备 设备
设备 设备
图 具有通道的I/O系统结构
返回
I／O通道控制方式
1. 引入
I/O通道方式是DMA方式的发展，它可进一步 减少CPU的干预。即把对一个数据块的读（写）为 单位的干预，减少为对一组数据块的读（写）及有 关的控制和管理为单位的干预，同时又可实现CPU、 通道和I/O设备三者的并行工作，从而更有效地提 高了整个系统的资源利用率。
用户进程 用户区
操作系统
传送
缓冲区1
传送
缓冲区2
输入 I/O设备
输出 I/O设备
输入 I/O设备1 输出 I/O设备2
5.3.4 缓冲池(Buffer Pool)
目前广泛流行的公用缓冲池，由于可供多个进程共享， 可提高缓冲区的利用率。 一、缓冲池(Buffer Pool)的组成
对于可用于I/O的缓冲池，包含的缓冲区类型有： ①空（闲）缓冲区； ②装满输入数据的缓冲区； ③装满输出数据的缓冲区。 对应的有以下三个缓冲队列： ①空缓冲队列emq。由空缓冲区所链成的队列 ②输入队列inq。由装满输入数据的缓冲区所链成的 队列 ③输出队列outq。由装满输出数据的缓冲区所链成的 队列
通道程序完成实际I/O，启动I/O设备，执行完毕后， 如果还有下一条指令，则继续执行, 否则表示传输完成，向 CPU发I/O中断，并且通道停止工作。CPU接收中断信号， 从CSW中取得有关信息，决定下一步做什么。
5.6 缓 冲 技术
1 缓冲的引入
在OS中，引入缓冲技术的主要原因有： 缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾 减少对CPU的中断频率，放宽对中断响应时间的限制 （见下页图） 提高CPU和I/O设备之间的并行性 所以，为了提高I/O速度和设备利用率，许多计算机系 统通过设置缓冲区采用了缓冲技术来实现。
通道：执行通道程序，向控制器发出命令，并
具有向CPU发中断信号的功能。 一旦CPU发出指
令，启动通道，则通道独立于CPU工作。由前面知，
一个通道可连接多个控制器，一个控制器可连接多
个设备，形成树形交叉连接。
返回
I／O通道控制方式
2. 通道程序 通道是通过执行通道程序，并与设备控制器一
起共同实现对I／O设备的控制。 1）通道运算控制部件 通道地址字CAW：记录通道程序在内存中的地
(1)它的指令类型单一。即：通道硬件简单，所 执行的指令主要局限于与I/O操作有关的指令。
(2)它没有自己的内存，通道所执行的通道程序 是存放在内存中的。即：通道与CPU共享内存。 返 回
主机I／O系统
由于主机所配置的I/O设备较多，为减轻CPU 和总线的负担，采用的是具有通道的I/O系统结构。 如图所示
除了上述外，缓冲池还具有如下的工作缓冲区： ①用于收容输入数据的工作缓冲区； ②用于提取输入数据的工作缓冲区； ③用于收容输出数据的工作缓冲区； ④用于提取输出数据的工作缓冲区；
(2)数据主存地址：标明数据送入内存(读)和从 内存取出(写)时的内存首址。或是控制信息；或是 转移地址
(3)传送字节个数：表示本条指令所要读(或写) 数据的字节数。
(5) 标志码R：
R=1表示本通道程序尚未结束 R=0表示通道程序的最后 一条指令，通道程序结束
返回
I／O通道控制方式
3) 工作原理 CPU：执行用户程序，当遇到I/O请求时，可根据该
缓冲管理的主要功能是：组织好缓冲区，并提供获得和 释放缓冲区的手段。
缓冲区设置分为
硬缓冲：在设备中设置缓冲区，由硬件实现
软缓冲：在内存中开辟一个空间，用作缓冲区
2 单缓冲和双缓冲
1. 单缓冲(Single Buffer)
是OS提供的最简单的一种缓冲形式。
用户进程
操作系统
用户区
传送
传送
缓冲区
输入 I/O设备
说明：由于只有一个缓冲区，读卡机和打印机是
串行工作的。即读卡机将数据读入缓冲区时，打印 机空闲，打印机工作时，读卡机空闲。
为了能让两者更好地工作，引入了双缓冲区。
2. 双缓冲(Double Buffer)
用户进程
操作系统
单
用户区
传送
缓冲区1 缓冲区2
机 缓 用户进程
操作系统
冲 系 统
用户区
传送
缓冲区1 缓冲区2