第6章 输入输出系统

计算机能通过网络与网络上的其它计算机进行通信或上网浏
览。
第五章 设 备 管 理 第六章 输入输出系统
6.2 设备和设备控制器
6.2.1 I/O设备
1、 I/O设备的类型 （1）按设备的使用特性分类 ①存储设备：用以存储信息的。 ②输入/输出设备： a. 输入设备（外设主机）
b. 输出设备（主机外设）
第五章 设 备 管 理 第六章 输入输出系统
第六章 输入输出系统
6.1 I/O系统的功能、模型和接口 6.2 I/O设备和设备控制器
6.3 中断机构的中断处理程序
6.4 设备驱动程序 6.5 与设备无关的I/O软件 6.6 用户层的I/O软件 6.7 缓冲管理 6.8磁盘存储器的性能和调度
第五章 设 备 管 理 第六章 输入输出系统
3) 数组多路通道(Block Multiplexor Channel) 数组多路通道是将字节多路通道能使各子通道(设备)分时
并行操作和数组选择通道传输速率高的优点相结合而形成的
一种新通道。 它先为一台设备执行一条通道指令，然后自动转接，为 另一台设备执行一条通道指令。这种通道既具有很高的数据 传输速率，又能获得令人满意的通道利用率。也正因此，才 使该通道能被广泛地用于连接多台高、中速的外围设备，其 数据传送是按数组方式进行的。
原有进程的执行，保护原有进程的CPU环境。 （4）转入相应的设备处理程序：判断中断来源并向发送 中断的设备发送确认中断信号，确认信号使得该设备 将中断信号恢复到一般状态。然后根据中断号查中断
向量表，将中断程序的入口地址装入程序计数器中。
第五章 设 备 管 理 第六章 输入输出系统
（5）中断处理：检查I/O相关的状态信息，判断本次中断是
第五章 设 备 管 理 第六章 输入输出系统
（3）按信息交换的单位分类 ①块设备(Block Device)，
典型的块设备是磁盘，每个盘块的大小为512 B~4 KB。
基本特征：传输速率较高，可寻址。 ②字符设备(Character Device)，用于数据的输入和输 出。 其基本单位是字符。
第五章 设 备 管 理 第六章 输入输出系统
第五章 设 备 管 理 第六章 输入输出系统
2. 内存映像I/O
不区分内存单元地址和设备控制器中的寄存器地址，都
采用k。当k值处于0～n-1范围时，被认为是内存地址，若k 大于等于n时，被认为是某个控制器的寄存器地址。 统一指令：Store cpu-reg,k
第五章 设 备 管 理 第六章 输入输出系统
主通道
„
控制器N
图 6-6字节多路通道的工作原理
第五章 设 备 管 理 第六章 输入输出系统
2) 数组选择通道(Block Selector Channel) 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，并执行其相应的通道程序。
第五章 设 备 管 理 第六章 输入输出系统
2.中断向量表和中断优先级 （1）中断向量表 记录每种设备的中断处理程序入口地址和 中断号。 （2）中断优先级 根据紧急程度，为多个中断信号源规定不 同的优先级。
第五章 设 备 管 理 第六章 输入输出系统
3.对多中断源的处理方式 当CPU正在处理一个中断时，有新的中 断请求，有两种处理方式： （1）屏蔽（禁止）中断 不理睬所有新的中断请求。 （2）嵌套中断 先响应高优先级的中断，高优先级中 断可抢占低优先级中断的处理机。
„
第五章 设 备 管 理 第六章 输入输出系统
6.2.3 内存映像I/O
驱动程序实现系统对I/O的操作并启动I/O设备的工作由 一下两种方法： 1. 利用特定的I/O指令 为实现CPU和设备控制器之间的通信，为每个控制寄存
器分配一个I/O端口（8位或16位的整数），另外还设置了一
些特定的I/O指令。 这些I/O指令访问内存和访问设备的指令 不同，如： 访问设备：io-store cpu-reg, dev-no, dev-reg 访问内存：Store cpu-reg,k
第五章 设 备 管 理 第六章 输入输出系统
2、提高CPU与I/O设备的利用率
（3）提高处理机和I/O设备的利用率
一方面要求处理机能快速响应用户的 I/O 请求， 使I/O设备尽快地运行起来；另一方面也应尽量减 少在每个I/O设备运行时处理机的干预时间。 （4）对I/O设备进行控制
对 I/O 设备进行控制是驱动程序的功能。① 采 用轮询的可编程 I/O 方式；② 采用中断的可编程 I/O方式；③ 直接存储器访问方式；④ I/O通道方 式。
第五章 设 备 管 理 第六章 输入输出系统
I/O通道是一种特殊的处理机。它具有执行I/O指
令的能力，并通过执行通道(I/O)程序来控制I/O操作
。但I/O通道又与一般的处理机不同，主要表现在以下 两个方面：
一是其指令类型单一，主要局限于与I/O操作有
关的指令； 二是通道没有自己的内存，通道与CPU共享内存 。
I/O操作正常结束还是I/O异常结束。若是前者，则做结束
处理。若是后者，根据异常的原因做相应处理。 （6）中断处理结束时，恢复CPU现场并退出中断。
思考：退出中断后是否返回到被中断的进程？
（1）若采用可屏蔽中断方式，则返回被中断进程。 （2）若采用中断嵌套方式，则无更高优先级中断请求， 则返回被中断进程，否则，返回处理更高优先级的 中断请求。
第五章 设 备 管 理 第六章 输入输出系统
第五章 设 备 管 理 第六章 输入输出系统
PSW 程序状态字 Y PC(N＋ 1) 程序计数器 R0 Rn 寄存器
开始
„
T＋ M
T 线指针
N N－ 1
PSW PC(N＋ 1) R0 Rn
用户程序
„ „
返回 中断服务子例程
中断栈
„
第五章 设 备 管 理 第六章 输入输出系统
6.4 设备驱动程序
设备驱动程序通常又称为设备处理程序，它是I/O进程 与设备控制器之间的通信程序，又由于它常以进程的形式 存在，故以后就简称之为设备驱动进程。 其主要任务是接收上层软件发来的抽象I/O要求，如 read或write命令，在把它转换为具体要求后，发送给设 备控制器，启动设备去执行；此外，它也将由设备控制器 发来的信号传送给上层软件。
1. I/O软件的层次结构 通常把I/O 软件组织成四个层次。
第五章 设 备 管 理 第六章 输入输出系统
2. I/O系统中各种模块之间的层次视图
第五章 设 备 管 理 第六章 输入输出系统
6.1.3 I/O系统接口
在I/O系统与高层之间的接口中，根据设备类型的不同， 又进一步分为若干个接口，其中包括块设备接口、流设备接 口和网络接口。 1. 块设备接口
6.2.4 I/O通道
1. I/O通道(I/O Channel)设备的引入 1). 引入通道的目的：为了使CPU从繁杂的I/O事务中解脱 出来，同时为了提高CPU与设备，设备与设备之间的并行工 作能力。 2).定义：通道是独立于CPU的专门负责数据输入/输出传输 工作的处理机，对外部设备实现统一管理，代替CPU对输入/ 输出操作进行控制，从而使输入，输出操作可与CPU并行操 作。
• CPU对系统发生的某个事件作出的一种反应 –设备发来的中断信号——中断（外中断） –CPU内部事件引起的——陷入（内中断）
• CPU暂停正在执行的程序，保留现场后自动转去执行相应 事件的处理程序，处理完成后返回断点，继续执行被打断 的程序。
第五章 设 备 管 理 第六章 输入输出系统
从用户角度看中断
第五章 设 备 管 理 第六章 输入输出系统
3. “瓶颈”问题
通道数量有限，若某台设备占有一通道和一控制器时， 其它设备就无法启动，造成“瓶颈”现象，且可靠性差。
控制器1 控制器2 存储器 控制器3 通道2 控制器4
图 6-7 单通路I/O系统
设备1 设备2 设备3 设备4 设备5 设备6 设备7
c. 交互式设备（输入输出型设备）
第五章 设 备 管 理 第六章 输入输出系统
（2）按传输速率分类 ①低速设备，每秒钟几个字节至数百个字节的一类设备。 属于低速设备的典型设备有键盘、 鼠标器、语音的输入和输出 等设备。 ②中速设备，每秒钟数千个字节至数十万个字节的一类设 备。典型的中速设备有行式打印机、激光打印机等。 ③高速设备， 这是指其传输速率在数十万个字节至千兆字 节的一类设备。 典型的高速设备有磁带机、 磁盘机、 光盘机 等。
第五章 设 备 管 理 第六章 输入输出系统
3、为用户在共享设备时提供共享
（5）确保对设备的正确共享
互斥访问独占设备、同时访问共享设备。 （6）错误处理 对临时性错误，通过重试操作纠正；对持久性 错误，需向上层报告。
第五章 设 备 管 理 第六章 输入输出系统
6.1.2 I/O系统的层次结构和模型
2、设备与控制器之间的接口
I/O设备 至设备 设 备 控制器 控 制 器 数据信号线 状态信号线 控制逻辑 控制信号线 缓冲 转换器 信号 数据
第五章 设 备 管 理 第六章 输入输出系统
6.2.2 设备控制器
1. 设备控制器的基本功能 1) 接收和识别命令 2) 数据交换 3) 标识和报告设备的状态 4) 地址识别 5) 数据缓冲
缺点：当某台设备占用了该通道后，在一段时间内便一
直由它独占， 即使是它无数据传送，通道被闲置，也不允 许其它设备使用该通道，直至该设备传送完毕释放该通道。 可见，这种通道的利用率很低。 数组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（主要连接磁盘，磁带等高速I/O设备
）。
第五章 设 备 管 理 第六章 输入输出系统
6.1 I/O 系 统的功能、模型和接口