第七章操作系统课件
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输入输出操作的控制方式一般有四种：
程序直接控制方式/查询方式 中断控制方式 直接内存存取方式 通道方式
它们的主要差别在于处理器和外设并行 工作的方式和程度的不同。
2013-7-20
10
5.2.1 程序直接控制方式/查询方式
控制思想：它采用程序查询的方式直接参 与数据的输入/输出。（注意：程序就是 CPU） 查询方式是最简单的I/O控制方式。
2013-7-20
29
通道工作过程
（1）当进程要求设备输入时，CPU发指令指明I/O操作、设 备号和对应通道。 （2）对应通道收到CPU发来的启动指令后，读出内存中的通 道指令程序、设置对应设备的控制状态寄存器的初值。 （3）设备按通道指令的要求，把数据送往内存指定区域。 （4）若传送结束，I/O控制器通过中断请求线发中断信号请 求CPU做中断处理。 （5）中断处理结束后，CPU返回到被中断进程处继续执行。 （6）当进程调度程序选中这个已得到数据的进程后，才能进 行加工处理。
2013-7-20
24
DMA方式有以下三个特点：
（1）它是高速外围设备与内存之间成批量的数据 传输，但是不对数据再做加工处理，I/O操作类 型简单； （ 2 ） 它 需 要 使 用 一 个 专 门 的 硬 件 DMA 控 制 器 （DMAC）。DMAC内有控制寄存器、状态寄存 器、传送字数计数器和内存地址寄存器以及数据 缓冲寄存器；
2013-7-20 6
7.1.3 通道
通道又称为I/O处理器，专门负责输入/输出工作的 处理机，它是大型计算机系统必备的为CPU减负 的设备。 通道具有执行I/O指令的能力，它有自己的指令系 统，该指令系统比较简单，一般只有数据传输指令、 设备控制指令等。 用通道指令编写的程序称通道程序，每次执行时， 通道从主存中依次取出并执行通道指令，从而控制 I/O设备完成复杂的I/O操作。 没有内存，和CPU共享内存。
2013-7-20
20
DMA（Direct Memory Access）方式
在外部设备和主存之间建立了直接数据通路， 即外设和主存之间可直接读写数据，且数据传 送的基本单位是数据块。 整块数据的传输在DMA控制器的控制下完成。 DMA数据传输期间不需CPU干预，仅在传送一 个或多个数据块的开始或结束时，才需CPU中 断的处理。 最后归还CPU的总线控制权。
引起中断发生的事件就称为中断源。
中断源向CPU发出的请求中断处理信号称为中断请求。
CPU收到中断请求后，中断正在运行的程序并转向相
应的事件处理程序称为中断响应。
相应的事件处理程序称为中断服务程序。
执行中断服务程序的过程称为中断处理。
2013-7-20
14
思想：
①
CPU发出启动I/O设备的命令后，不用查询设备是 否就绪，而是继续执行当前进程或调度其它进程 运行。 当设备完成I/O操作后，向CPU发出I/O中断请求 （主动向CPU报告），CPU响应后，中断当前进 程转至I/O中断处理程序执行。处理I/O中断，从 I/O接口中把数据取到内存。（以字（或字节）为 单位进行数据传输,每完成一个字的传输,控制器要 向CPU请求一次中断。） 在中断处理程序中，CPU全程参与数据传输操作。 中断处理程序结束后，返回中断处继续执行。
2013-7-20
4
用于识别每个设备 的地址，译码
外部设备 控 制 器 控 制 逻 辑
接收CPU发来的命令
控制寄存器
状态寄存器 数据寄存器
CPU
设备 执行 部件
记录设备的状态 （如设备就绪、 设备忙、操作错 误等）供CPU了解
实现控制器与CPU 之间、控制器和外 设之间的数据交换 图5-1 I/O控制结构示意图
程序直接控制方式只适用于那些 但是，它的管理简单，不需要更多的硬件 CPU执行速度较慢，而且外围设备 较少的系统。 支持，在要求不高的场合下常被采用。
2013-7-20
13
5.2.2 中断控制方式
中断：指某事件发生时，CPU终止现行程序的运行，转 去执行相应的事件处理程序，处理完毕返回断点继续执 行。
2013-7-20 8
2.通道的类型
CPU
字节多路通道
它用开关来控制 以字节为传输单位，可以分时 对高速外设的选 地执行多个通道程序。 择，在一段时间 这是一种简单的共享通道，主 内存 内单独为一台外 要为多台低速或中速的字符设 围设备服务，直 总线 备服务。 到该设备的数据 传输工作全部结 束。然后通道再 选择通道 数组多路通道 选择另一台外设 为其提供服务。
2013-7-20
21
CPU 数据线 主存 地址线 DMA 控制器 控制线 I/O 设备
图5-6 DMA控制方式
2013-7-20
22
DMA方式/直接内存存取控制方式的步骤:
① 当进程要求设备输入一批数据时，CPU将设备地址、设备存 放输入数据的内存始址以及要传送的字节数分别送入DMA控 制器；另外，启动设备开始进行数据输入并开中断。 ② 发出数据要求的进程进入等待状态，进程调度程序调度其他 进程占据CPU。
使用特性
数据传输率
数据传输单位
从属关系
设备共享属性
1）字符设备 2）块设备
2013-7-20
1）高速设备 2）中速设备 3）低速设备
3
7.1.2 设备控制器
是CPU与I/O设备的接口。 作用：它接收来自CPU发来的命令，去控制I/O 设备工作，使CPU从繁忙的设备控制事务中解脱 出来。 设备只有在设备控制器的控制下才能运行；
2013-7-20 5
设备控制器与 CPU接口
数据线
设备控制器与设备接口
数据 状态 控制
数据寄存器
设Fra Baidu bibliotek控制器与 设备接口1
控制/状态 寄存器
地址线 控制线
I/O 逻辑
设备控制器与 设备接口n
…
数据 状态 控制
…
它对CPU发送给控制器 的设备地址信号进行译 码。从而选中相应的设 备进行控制。
图5-2 设备控制器的组成框图
2013-7-20
19
5.2.3 DMA方式/直接存储器存取方式
中断控制方式只能以字(或字节)为单位进行数据 传输,每完成一个字的传输,控制器要向CPU请求 一次中断。对于高速的块设备不适合。 为了减少CPU对I/O的干预，目前在块设备（如 磁盘）的传输系统中，都普遍采用了直接存储器 存取方式，即DMA方式。
2013-7-20
28
通道控制方式与DMA方式类似，也是一种内存和设 备直接进行数据交换的方式。 与DMA方式不同的是，在通道控制方式中，数据传 送方向存放数据的内存始址及传送的数据块长度均 由一个专门负责输入/输出的硬件——通道来控制。 另外，DMA方式每台设备至少需要一个DMA控制 器，而通道控制方式中，一个通道可控制多台设备 与内存进行数据交换。
③ 输入设备将数据寄存器中的数据源源不断地写入内存，直到 所要求的字节全部传送完毕。 ④ DMA控制器在传送字节数完成时，通过中断请求线发出中断 信号，CPU收到中断信号后转中断处理程序，唤醒等待输入完 成的进程，并返回被中断的程序。 ⑤ 在以后的某个时刻，进程调度程序选中提出请求输入的进程， 该进程从指定的内存始址取出数据做进一步处理。
2013-7-20 23
CPU
发送启动设备命令 开中断，I/O初始化 当前进程等待 调度并执行其它进程
外设
接收命令启动设备 数据传输准备 DMA向内存 发出询问请求 访问内存进行读写 修改内存地址和计数
中断处理
否
数据块结束？
继续被中断进程
是（一批数据传送完毕）
设备控制器发出中断信号
图5-6 DMA方式工作流程图
2013-7-20 15
②
③ ④
中断输入/输出方式——以键盘输入为例
（1）开中断。CPU把启动位和中断允许位为1的控制字写入键 盘控制状态寄存器中，启动键盘。（当中断允许位为1时， 中断程序可以被调用。） （2）当前进程等待键盘输入完成（进入等待队列），由进程 调度程序调度其他就绪进程使用CPU。 （3）键盘启动后，当数据寄存器装满后，键盘控制器通过中 断请求线向CPU发出中断信号。 （4）CPU暂停正在进行的工作，转向执行中断处理程序。（取 出数据寄存器中的输入数据送到内存特定单元，并将等待输 入完成的进程唤醒。） （5）中断处理程序完毕，CPU返回断点继续执行。 （6）以后某个时刻，进程调度程序选中正处于就绪状态的那 个进程，该进程从特定内存单元中取出所需的数据继续工作。
2013-7-20 7
CPU可连接若 干通道并用I/O 指令控制通道
通道可连接若 干设备控制器 并用通道指令 控制它们
设备1 设备控制器1 设备2 设备控制器2 设备3 设备4
通道1 主机 通道2
设备控制器3
图5-3 系统中的三级控制示意图
设备控制器可连 接若干设备并发 出动作序列来控 制它们执行相应 的I/O操作
I/O 控制器 I/O 控制器
它分时地为多台外围设备服务， I/O 控制器 I/O 控制器 I/O 控制器 I/O 控制器 每个时间片传送一个数据块。 可以同时连接多台高速存储设 备，因此，它能够充分发挥高 I/O I/O I/O I/O 速通道的数据传输能力。
2013-7-20
I/O
I/O
9
5.2 I/O控制方式
2013-7-20 16
CPU
发送启动设备命令 开中断 当前进程等待 调度并执行其它进程
外设
接收命令启动设备 数据传输准备
设备准备好？
否
是
中断处理 继续被中断进程 设备控制器发中断信号
图5-5 中断控制方式工作流程图
2013-7-20 17
优点：
无需反复查询测试I/O的准备情况； 可实现 CPU 和I/O设备间的部分并行；
2013-7-20
25
（3）每传送一个数据并不产生中断，只有 DMAC中的传送字数计数器减1至0时，也 就是本次DMA传送的数据全部传送完毕时， 才产生中断，请求CPU进行结束处理。
2013-7-20
26
DMA方式只能完成简单的数据传送、 计数、内存地址加1或减1等操作，不 在大中型计算机系统中，普 遍采用的是由专用的I/O处理 能满足复杂的I/O操作要求。
CPU的利用率得到提高。
2013-7-20
18
缺点：
CPU在响应中断后，还需要时间来执行中断服
务程序。 每次中断都要保存现场信息，恢复现 场等，仍占用CPU时间。如果数据量大，需要 多次执行中断程序，CPU的效率仍然不高。
另外，此方式要求CPU与设备（ 或控制器）之 间有相应的中断请求线，设备控制器的控制寄 存器中要设置相应的中断允许位。
2013-7-20
11
CPU
发送启动设备命令
外设
接收命令启动设备
否
设备准备好？
数据传输准备
否
设备准备好？
是
执行传输数据命令
是
接收命令传输数据
图5-4 程序直接控制方式工作流程图
2013-7-20 12
分析：
由于CPU的速度远高于设备I/O的速度，使 得CPU绝大部分时间都处于等待I/O完成的 问题： 循环测试中。显然，这是对CPU的极大浪 CPU和外围设备只能串行工作； 费。 CPU等待时间长，系统并行性差
机来管理外设和内存之间的 信息交换，这就是通道技术。 可以把通道看成一个比 DMAC功能更强的接口设备。
2013-7-20
27
5.2.4 通道方式
通道的引入是为了建立独立的I/O操作。它不仅 要求数据传送独立于CPU，而且要求I/O操作的 组织、管理、结束等也尽量独立，以保证CPU有 更多的时间从事计算。这样就可以实现CPU计算 和I/O操作的并行工作。 通道有很强的I/O处理能力。它接受CPU的委托， 独立地执行自己的通道程序来实现内存与外设之 间的数据传输。 当CPU委托的I/O任务完成后，通道发出中断，请 求CPU进行结束处理。
第七章 设备管理
2013-7-20
1
第七章 设备管理
7.1 设备管理概述 7.2 I/O控制方式 7.3 设备管理技术 7.4 设备的分配
7.5 I/O软件
7.6 实用系统中的设备驱动程序
2013-7-20 2
7.1 设备管理概述
7.1.1 设备及其分类
1）存储设备 2）I/O设备 1）系统设备 2）用户设备 1）独占设备 2）共享设备 3）虚拟设备
2013-7-20
30
总结：
采用通道方式，CPU基本上摆脱了I/O传输工作， 大大增强了CPU和外设的并行处理能力，有效地 提高了整个系统的资源利用率。 大、中型计算机系统普遍用通道方式去控制设备 完成I/O操作，以提高CPU与外设，外设与外设 并行的程度。 一些小型机和绝大多数微型机都是以CPU直接控 制设备接口和设备控制器以查询、中断或DMA 方式完成I/O操作，以降低系统造价。
程序直接控制方式/查询方式 中断控制方式 直接内存存取方式 通道方式
它们的主要差别在于处理器和外设并行 工作的方式和程度的不同。
2013-7-20
10
5.2.1 程序直接控制方式/查询方式
控制思想：它采用程序查询的方式直接参 与数据的输入/输出。（注意：程序就是 CPU） 查询方式是最简单的I/O控制方式。
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通道工作过程
（1）当进程要求设备输入时，CPU发指令指明I/O操作、设 备号和对应通道。 （2）对应通道收到CPU发来的启动指令后，读出内存中的通 道指令程序、设置对应设备的控制状态寄存器的初值。 （3）设备按通道指令的要求，把数据送往内存指定区域。 （4）若传送结束，I/O控制器通过中断请求线发中断信号请 求CPU做中断处理。 （5）中断处理结束后，CPU返回到被中断进程处继续执行。 （6）当进程调度程序选中这个已得到数据的进程后，才能进 行加工处理。
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DMA方式有以下三个特点：
（1）它是高速外围设备与内存之间成批量的数据 传输，但是不对数据再做加工处理，I/O操作类 型简单； （ 2 ） 它 需 要 使 用 一 个 专 门 的 硬 件 DMA 控 制 器 （DMAC）。DMAC内有控制寄存器、状态寄存 器、传送字数计数器和内存地址寄存器以及数据 缓冲寄存器；
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7.1.3 通道
通道又称为I/O处理器，专门负责输入/输出工作的 处理机，它是大型计算机系统必备的为CPU减负 的设备。 通道具有执行I/O指令的能力，它有自己的指令系 统，该指令系统比较简单，一般只有数据传输指令、 设备控制指令等。 用通道指令编写的程序称通道程序，每次执行时， 通道从主存中依次取出并执行通道指令，从而控制 I/O设备完成复杂的I/O操作。 没有内存，和CPU共享内存。
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DMA（Direct Memory Access）方式
在外部设备和主存之间建立了直接数据通路， 即外设和主存之间可直接读写数据，且数据传 送的基本单位是数据块。 整块数据的传输在DMA控制器的控制下完成。 DMA数据传输期间不需CPU干预，仅在传送一 个或多个数据块的开始或结束时，才需CPU中 断的处理。 最后归还CPU的总线控制权。
引起中断发生的事件就称为中断源。
中断源向CPU发出的请求中断处理信号称为中断请求。
CPU收到中断请求后，中断正在运行的程序并转向相
应的事件处理程序称为中断响应。
相应的事件处理程序称为中断服务程序。
执行中断服务程序的过程称为中断处理。
2013-7-20
14
思想：
①
CPU发出启动I/O设备的命令后，不用查询设备是 否就绪，而是继续执行当前进程或调度其它进程 运行。 当设备完成I/O操作后，向CPU发出I/O中断请求 （主动向CPU报告），CPU响应后，中断当前进 程转至I/O中断处理程序执行。处理I/O中断，从 I/O接口中把数据取到内存。（以字（或字节）为 单位进行数据传输,每完成一个字的传输,控制器要 向CPU请求一次中断。） 在中断处理程序中，CPU全程参与数据传输操作。 中断处理程序结束后，返回中断处继续执行。
2013-7-20
4
用于识别每个设备 的地址，译码
外部设备 控 制 器 控 制 逻 辑
接收CPU发来的命令
控制寄存器
状态寄存器 数据寄存器
CPU
设备 执行 部件
记录设备的状态 （如设备就绪、 设备忙、操作错 误等）供CPU了解
实现控制器与CPU 之间、控制器和外 设之间的数据交换 图5-1 I/O控制结构示意图
程序直接控制方式只适用于那些 但是，它的管理简单，不需要更多的硬件 CPU执行速度较慢，而且外围设备 较少的系统。 支持，在要求不高的场合下常被采用。
2013-7-20
13
5.2.2 中断控制方式
中断：指某事件发生时，CPU终止现行程序的运行，转 去执行相应的事件处理程序，处理完毕返回断点继续执 行。
2013-7-20 8
2.通道的类型
CPU
字节多路通道
它用开关来控制 以字节为传输单位，可以分时 对高速外设的选 地执行多个通道程序。 择，在一段时间 这是一种简单的共享通道，主 内存 内单独为一台外 要为多台低速或中速的字符设 围设备服务，直 总线 备服务。 到该设备的数据 传输工作全部结 束。然后通道再 选择通道 数组多路通道 选择另一台外设 为其提供服务。
2013-7-20
21
CPU 数据线 主存 地址线 DMA 控制器 控制线 I/O 设备
图5-6 DMA控制方式
2013-7-20
22
DMA方式/直接内存存取控制方式的步骤:
① 当进程要求设备输入一批数据时，CPU将设备地址、设备存 放输入数据的内存始址以及要传送的字节数分别送入DMA控 制器；另外，启动设备开始进行数据输入并开中断。 ② 发出数据要求的进程进入等待状态，进程调度程序调度其他 进程占据CPU。
使用特性
数据传输率
数据传输单位
从属关系
设备共享属性
1）字符设备 2）块设备
2013-7-20
1）高速设备 2）中速设备 3）低速设备
3
7.1.2 设备控制器
是CPU与I/O设备的接口。 作用：它接收来自CPU发来的命令，去控制I/O 设备工作，使CPU从繁忙的设备控制事务中解脱 出来。 设备只有在设备控制器的控制下才能运行；
2013-7-20 5
设备控制器与 CPU接口
数据线
设备控制器与设备接口
数据 状态 控制
数据寄存器
设Fra Baidu bibliotek控制器与 设备接口1
控制/状态 寄存器
地址线 控制线
I/O 逻辑
设备控制器与 设备接口n
…
数据 状态 控制
…
它对CPU发送给控制器 的设备地址信号进行译 码。从而选中相应的设 备进行控制。
图5-2 设备控制器的组成框图
2013-7-20
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5.2.3 DMA方式/直接存储器存取方式
中断控制方式只能以字(或字节)为单位进行数据 传输,每完成一个字的传输,控制器要向CPU请求 一次中断。对于高速的块设备不适合。 为了减少CPU对I/O的干预，目前在块设备（如 磁盘）的传输系统中，都普遍采用了直接存储器 存取方式，即DMA方式。
2013-7-20
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通道控制方式与DMA方式类似，也是一种内存和设 备直接进行数据交换的方式。 与DMA方式不同的是，在通道控制方式中，数据传 送方向存放数据的内存始址及传送的数据块长度均 由一个专门负责输入/输出的硬件——通道来控制。 另外，DMA方式每台设备至少需要一个DMA控制 器，而通道控制方式中，一个通道可控制多台设备 与内存进行数据交换。
③ 输入设备将数据寄存器中的数据源源不断地写入内存，直到 所要求的字节全部传送完毕。 ④ DMA控制器在传送字节数完成时，通过中断请求线发出中断 信号，CPU收到中断信号后转中断处理程序，唤醒等待输入完 成的进程，并返回被中断的程序。 ⑤ 在以后的某个时刻，进程调度程序选中提出请求输入的进程， 该进程从指定的内存始址取出数据做进一步处理。
2013-7-20 23
CPU
发送启动设备命令 开中断，I/O初始化 当前进程等待 调度并执行其它进程
外设
接收命令启动设备 数据传输准备 DMA向内存 发出询问请求 访问内存进行读写 修改内存地址和计数
中断处理
否
数据块结束？
继续被中断进程
是（一批数据传送完毕）
设备控制器发出中断信号
图5-6 DMA方式工作流程图
2013-7-20 15
②
③ ④
中断输入/输出方式——以键盘输入为例
（1）开中断。CPU把启动位和中断允许位为1的控制字写入键 盘控制状态寄存器中，启动键盘。（当中断允许位为1时， 中断程序可以被调用。） （2）当前进程等待键盘输入完成（进入等待队列），由进程 调度程序调度其他就绪进程使用CPU。 （3）键盘启动后，当数据寄存器装满后，键盘控制器通过中 断请求线向CPU发出中断信号。 （4）CPU暂停正在进行的工作，转向执行中断处理程序。（取 出数据寄存器中的输入数据送到内存特定单元，并将等待输 入完成的进程唤醒。） （5）中断处理程序完毕，CPU返回断点继续执行。 （6）以后某个时刻，进程调度程序选中正处于就绪状态的那 个进程，该进程从特定内存单元中取出所需的数据继续工作。
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CPU可连接若 干通道并用I/O 指令控制通道
通道可连接若 干设备控制器 并用通道指令 控制它们
设备1 设备控制器1 设备2 设备控制器2 设备3 设备4
通道1 主机 通道2
设备控制器3
图5-3 系统中的三级控制示意图
设备控制器可连 接若干设备并发 出动作序列来控 制它们执行相应 的I/O操作
I/O 控制器 I/O 控制器
它分时地为多台外围设备服务， I/O 控制器 I/O 控制器 I/O 控制器 I/O 控制器 每个时间片传送一个数据块。 可以同时连接多台高速存储设 备，因此，它能够充分发挥高 I/O I/O I/O I/O 速通道的数据传输能力。
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I/O
I/O
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5.2 I/O控制方式
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CPU
发送启动设备命令 开中断 当前进程等待 调度并执行其它进程
外设
接收命令启动设备 数据传输准备
设备准备好？
否
是
中断处理 继续被中断进程 设备控制器发中断信号
图5-5 中断控制方式工作流程图
2013-7-20 17
优点：
无需反复查询测试I/O的准备情况； 可实现 CPU 和I/O设备间的部分并行；
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（3）每传送一个数据并不产生中断，只有 DMAC中的传送字数计数器减1至0时，也 就是本次DMA传送的数据全部传送完毕时， 才产生中断，请求CPU进行结束处理。
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DMA方式只能完成简单的数据传送、 计数、内存地址加1或减1等操作，不 在大中型计算机系统中，普 遍采用的是由专用的I/O处理 能满足复杂的I/O操作要求。
CPU的利用率得到提高。
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缺点：
CPU在响应中断后，还需要时间来执行中断服
务程序。 每次中断都要保存现场信息，恢复现 场等，仍占用CPU时间。如果数据量大，需要 多次执行中断程序，CPU的效率仍然不高。
另外，此方式要求CPU与设备（ 或控制器）之 间有相应的中断请求线，设备控制器的控制寄 存器中要设置相应的中断允许位。
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CPU
发送启动设备命令
外设
接收命令启动设备
否
设备准备好？
数据传输准备
否
设备准备好？
是
执行传输数据命令
是
接收命令传输数据
图5-4 程序直接控制方式工作流程图
2013-7-20 12
分析：
由于CPU的速度远高于设备I/O的速度，使 得CPU绝大部分时间都处于等待I/O完成的 问题： 循环测试中。显然，这是对CPU的极大浪 CPU和外围设备只能串行工作； 费。 CPU等待时间长，系统并行性差
机来管理外设和内存之间的 信息交换，这就是通道技术。 可以把通道看成一个比 DMAC功能更强的接口设备。
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5.2.4 通道方式
通道的引入是为了建立独立的I/O操作。它不仅 要求数据传送独立于CPU，而且要求I/O操作的 组织、管理、结束等也尽量独立，以保证CPU有 更多的时间从事计算。这样就可以实现CPU计算 和I/O操作的并行工作。 通道有很强的I/O处理能力。它接受CPU的委托， 独立地执行自己的通道程序来实现内存与外设之 间的数据传输。 当CPU委托的I/O任务完成后，通道发出中断，请 求CPU进行结束处理。
第七章 设备管理
2013-7-20
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第七章 设备管理
7.1 设备管理概述 7.2 I/O控制方式 7.3 设备管理技术 7.4 设备的分配
7.5 I/O软件
7.6 实用系统中的设备驱动程序
2013-7-20 2
7.1 设备管理概述
7.1.1 设备及其分类
1）存储设备 2）I/O设备 1）系统设备 2）用户设备 1）独占设备 2）共享设备 3）虚拟设备
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总结：
采用通道方式，CPU基本上摆脱了I/O传输工作， 大大增强了CPU和外设的并行处理能力，有效地 提高了整个系统的资源利用率。 大、中型计算机系统普遍用通道方式去控制设备 完成I/O操作，以提高CPU与外设，外设与外设 并行的程度。 一些小型机和绝大多数微型机都是以CPU直接控 制设备接口和设备控制器以查询、中断或DMA 方式完成I/O操作，以降低系统造价。