I-O系统的硬件

1.５ I/O控制方式
通道控制(Channel Control)方式是DMA方式的发 展，也是一种以内存为中心，实现设备与内存直接交 换数据的控制方式。与DMA方式相比，它可进一步减 少CPU的干预。同时，可以做到一个通道控制多台设 备，从而进一步减轻了CPU的负担，更有效地提高了 整个系统资源的利用率。
1.５ I/O控制方式
ＤＭＡ控制方式工作过程: 1、当进程要求输入时，把要求传送的内存始址（M） 和要传的字节数送入DMA的内存地址寄存器和传送 字数寄存器 2、把启动位置1。设备开始工作。进程（A）挂起。 调度另一进程（B） 3、一批数据输入完成后，DMA中断B，转向中断处 理程序。 4、中断处理程序唤醒A，返回B的断点继续执行。 5、以后OS调度A运行时，A从M处取数据处理。
按照I/O控制器功能的强弱，以及和CPU之间联系方式 的不同，可把I/O设备的控制方式分为四类，它们的主要差 别在于中央处理器和外围设备并行工作的方式不同，并行 工作的程度不同。
1．查询方式
查询方式又称程序直接控制方式，是由用户程序通过 输入输出指令或查询指令测试一台设备的忙闲标志位，以 决定主存储器和外围设备是否交换一个字符或一个字。
通道程序是由通道指令组成,一个通道可以分时的方式 执行几道程序。每道程序控制一台外部设备，因此每道通 道程序称为子通道。
1.４通道
2. 通道的类型
按信息交换方式可将通道分为字节多路通道、数组 选择通道、数组多路通道等三种类型。图5-4 所示三 种类型通道与内存和设备之间的连接。
1.５ I/O控制方式
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）
虚设备: 在一类设备上模拟另一类设备，常用共享设备 模拟独占设备，用高速设备模拟低速设备，被模拟 的设备称为虚设备将慢速的独占设备改造成多个用 户可共享的设备，提高设备的利用率）
（为了提高资源利用率，如SPOOLing技术就使用了虚设 备技术——用硬盘模拟输入输出设备。）
操作系统
Hale Waihona Puke 1.４通道1．通道的概念
为使中央处理机从繁忙的I/O处理中摆脱出来,现代大、 中型计算机系统中设置了专门的处理I/O操作的处理机,并 把这种处理机称为通道。通道在CPU的控制下独立地执行通 道程序,对外部设备的I/O操作进行控制,以实现内存与外设 之间成批的数据交换。
通道=I/O处理机 当完成CPU交给的任务后,向CPU发出中断信号,请求CPU 的处理。这样就使得CPU基本上摆脱了I/O操作的处理工作, 提高了CPU与设备之间的并行程度,从而提高了整个计算机 系统的效率。
1．控制器的功能
⑴ 接收和识别命令。
⑵ 实现CPU与控制器、控制器与设备间的数据交换。 ⑶ 随时让CPU了解设备的状态。 ⑷ 识别设备地址。
1.3 设备控制器
２．设备控制器的组成
由于设备控制器处于CPU和设备之间，它既要与CPU 通信，又要与设备通信，所以还应具有按照CPU 所发来的命令去控制设备操作的功能。如图5-3 所示，大多数的设备控制器由以下三部分组成：
1.５ I/O控制方式
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。
1.５ I/O控制方式
３．ＤＭＡ控制方式 控制器功能更强，除有中断功能外，还有一个DMA控制机 构。在DMA控制器的控制下，设备同主存之间可成批交换 数据，不用CPU干预。
1.５ I/O控制方式
2．中断控制方式
I/O控制器能发中断 工作过程： 1、把启动位置1，本进程（A）变为等待状态，转 进程调度，调度另一进程B。 2、输入完成时，控制器发出中断，中断B，通过中 断进入中断处理程序。 3、在中断处理程序中把数据缓冲寄存器中的数取 走，放入内存特定位置M，唤醒等待进程A，中断返 回到B的断点继续执行。 4、在以后的某个时刻OS调度要求输入的进程A。A 从M取数处理。
1.2 设备的类型
４.按使用特性分
存储型设备 包括磁带机、磁盘机、光盘机等 输入型设备（外设主机） 输出型设备（主机外设） 输入输出型设备
输入输出型设备一般包括人-机交互的设备和机机通信设备，前者包括键盘、扫描仪、打印机、绘 图仪、数码像机等 ，后者主要有如网卡、Modem 等．
1.3 设备控制器
采用通道控制方式时，输入输出的过程是：中央 处理机在执行主程序时遇到输入输出请求，则它启动 指定通道上的外围设备，一旦启动成功，通道开始控 制外围设备进行操作。这时中央处理器就可执行其它 任务并与通道并行工作，直到输入输出操作完成。通 道发出操作结束中断时，中央处理器才停止当前工作， 转向处理输入输出操作结束事件。
1.2 设备的类型
1.按传输速率分 低速设备：每秒几个到数百字节。如Modem 中速设备：每秒数千到数万字节。如打印机 高速设备：每秒数百K到数兆。如磁盘、磁带
2.按数据组织分 块设备:以数据块为单位存储、传输信息 字符设备:以字符为单位存储、传输信息
1.2 设备的类型
３. 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）
操作系统
I/O系统的硬件
1.1 I/O系统的结构 不同规模的计算机系统其I/O系统的结构是 不同的，一般来说微机与小型机多采用总线 结构，而大型主机则采用通道结构。
１.总线结构 微机与小型计算机结构比较简单，其I/O系
统多采用总线结构，如图5-1所示
1.1 I/O管理的重要性
２．通道结构
主机系统一般配备有较多的高速设备，采用 总线结构会使总线和CPU的负担过重，因此， 一般采用具有通道的I/O系统结构，即增加一 级I/O通道，用以替代处理器与各设备控制器 进行通信，实现对它们的控制。图5-2为具有 通道的I/O系统结构。
操作系统一般不直接与设备打交道，而是把指令 直接发到设备控制器中。设备控制器是CPU与I/O设备 之间的接口，它接收从CPU发来的命令，并去控制I/O 设备工作，使处理机从繁杂的设备控制事务中解脱出 来。设备控制器是一个可编址设备，当它仅控制一个 设备时，只有一个惟一的设备地址；若连接多个设备 时，则就具有多个设备地址，使每一个地址对应一个 设备。