计算机操作系统--设备管理
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• I/O通道控制方式的引入
– 进一步减少CPU对I/O操作的干预； – 以多个数据块为单位进行数据传送； – 一次传送多组数据到多个不同的内存区域。
• 通道程序
– 由一系列通道指令（通道命令）构成； – 每条指令都包含：
• 操作码、内存地址、计数、通道程序结束位P、记录结束标志 R
操作 Write Write Write Write Write Write
中断驱动I/O方式
• 中断I/O驱动过程
– 启动：由CPU根据进程的I/O请求发出一条I/O命令；此后 CPU继续执行其它进程，即CPU与外设并行工作。
– I/O设备完成操作后，由控制器通过控制线向CPU发送一 中断信号，由CPU检查I/O操作是否正确，……
• 中断驱动方式带来的优缺点
– 管理灵活、简单，系统效率高（CPU、I/O设备）。 – 设备与CPU（内存）之间的数据交换仍以字（节）为单
– EISA（Extended ISA），1989年，带宽： 32位，最 高传输速率：32Mbps，能连接12台设备。
• 局部总线（Local Bus）
– 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，在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。
– VESA（Video Electronic Standard Association）， 1991年，带宽：32位，最高传输速率：132Mbps，能连 接2~4台设备，控制器中无缓冲；
– 与一般处理的区别 1）指令类型单一，主要局限于与I/O操作 相关的指令
2）通道程序放在内存，即与CPU共享内 存空间。
• 通道的类型
– 字节多路通道：多路分时复用 一个主通道，多个子通道，子通道按时间片轮转 法使用主通道，信息按字节传输
– 数组选择通道： 只有一个子通道，由某台设备独占， 数据成组（块）传送；
• DMA控制器的组成
– 命令/状态寄存器CR – 内存地址寄存器MAR – 数据寄存器DR – 数据计数器DC
• DMA工作过程（以磁盘数据读入为例）
– CPU向磁盘控制器发送一条读命令到CR中，目 标起始地址到MAR中，数据字节数到DC中，磁 盘中的源地址到控制器的控制逻辑上；
– 启动DMA控制器进行数据传送（窃用总线周期）， 此后，CPU可以执行其它任务；
– 接口芯片、接口（电路）板（卡） – 信号线：数据、控制、状态信号线
设备控制器
• 基本功能
– 接收和识别来自CPU的各种命令 – 实现CPU与设备控制器、设备控制器与设备之
间的数据交换 – 记录设备的状态供CPU查询 – 识别所控制的各个设备的地址
• 组成
– 设备控制器与处理机的接口 – 设备控制器与设备的接口 – I/O逻辑
P
R
计数 内存地址
0
0
80
813
0
0
140
1034
0
1
60
5830
0
1
300
2000
0
0
250
1650
1
1
500
2720
通道程序实例
第三节 缓冲管理
位。
DMA控制方式
• DMA（Direct Memory Access）引入
– 在外围设备和内存之间开辟直接的数据交换通路。在 该种控制方式中，设备控制器具有更强的功能，在它 的控制下，设备和内存之间可以成批地进行数据交换， 不用CPU的干预。减轻了CPU的负担，同时数据传输 以块为单位，提高了数据传送速度。
总线系统
• 系统总线
– 连接CPU、存储器、I/O设备（接口）等的纽带； – 总线的性能评价：时钟频率、带宽、传输速率。
• ISA和EISA总线
– ISA（Industry Standard Architecture），1984年， 带宽：8位 16位，最高传输速率：2~16Mbps，能 连接12台设备。
将CPU从繁忙的I/O操作中解脱出来
程序I/O方式
• 忙——等待方式
– CPU向控制器发指令，启动I/O设备，同时把状 态寄存器中的状态标志置1，busy=1；
– 然后不断地循环检测状态标志。
• 如果busy=1，说明I/O设备忙，CPU再进行下一轮 检测；
• 如果busy=0，说明I/O操作结束，CPU执行下一条 指令。
– PCI（Peripheral Component Interface），1992年和 1995年，V2.1支持带宽：64位，最高传输速率： 500Mbps，能支持10种外设，有一个复杂的管理层，管 理层中配有数据缓冲。
第二节 输入输出控制方式
• 程序I/O方式 • 中断驱动I/O方式 • DMA控制方式 • I/O通道控制方式
– DMA控制器按照命令每传送一个字节，修改并检 查DC和MAR中的数值（分别做-1和+1操作）；
– 若DC中的值不为0，则继续传送下一个字节；为 0，则发出一个中断请求。
DMA与中断控制方式的区别
• 中断控制方式在每个数据传送完后都发中 断
• DMA是在所要求传送的一批数据都传送完 后才发中断
I/O通道控制方式
计算机操作系统--设备管理
路漫漫其悠远
少壮不努力，老大徒悲伤
第一节 输入输出系统
• I/O设备 • 设备控制器 • I/O通道 • 总线系统
I/O设备
• I/O设备的类型
– 按传输速率分类：低速、中速、高速设备 – 按信息交换单位分类：块、字符设备 – 按设备的共享属性：独占、共享、虚拟设备
• 设备与控制器之间的接口
设备控制器
CPU与控制器接口
数据线
数据寄存器
地址线 控制线
控制/状态 寄存器
控制器与设备接口
地控址制识器别 数与据设缓备冲
差错接控口制1
数据 状态 控制
…… …
I/O 逻辑
控制器 与设备 接口n
数据 状态 控制
I/O通道
• 通道的引入
– 建立独立的I/O操作，进一步减轻CPU的负 担
– I/O处理机 ，通过执行通道程序来控制I/O 操作
– 数组多路通道：<上述两种技术的结合> 多个子通道，按数组方式传送数据 具有较高的数据 传输速率和通道利用率
• “瓶颈”问题
– 通道资源有限，系统需要同时启动的设 备可能较多；
– 解决方法：增加设备到主机间的通路。
I/O通道
CPU 存储器
通道1wk.baidu.com通道2
控制器1 控制器2
I/O设备1 I/O设备2 I/O设备3 I/O设备4
– 进一步减少CPU对I/O操作的干预； – 以多个数据块为单位进行数据传送； – 一次传送多组数据到多个不同的内存区域。
• 通道程序
– 由一系列通道指令（通道命令）构成； – 每条指令都包含：
• 操作码、内存地址、计数、通道程序结束位P、记录结束标志 R
操作 Write Write Write Write Write Write
中断驱动I/O方式
• 中断I/O驱动过程
– 启动：由CPU根据进程的I/O请求发出一条I/O命令；此后 CPU继续执行其它进程，即CPU与外设并行工作。
– I/O设备完成操作后，由控制器通过控制线向CPU发送一 中断信号，由CPU检查I/O操作是否正确，……
• 中断驱动方式带来的优缺点
– 管理灵活、简单，系统效率高（CPU、I/O设备）。 – 设备与CPU（内存）之间的数据交换仍以字（节）为单
– EISA（Extended ISA），1989年，带宽： 32位，最 高传输速率：32Mbps，能连接12台设备。
• 局部总线（Local Bus）
– 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，在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。
– VESA（Video Electronic Standard Association）， 1991年，带宽：32位，最高传输速率：132Mbps，能连 接2~4台设备，控制器中无缓冲；
– 与一般处理的区别 1）指令类型单一，主要局限于与I/O操作 相关的指令
2）通道程序放在内存，即与CPU共享内 存空间。
• 通道的类型
– 字节多路通道：多路分时复用 一个主通道，多个子通道，子通道按时间片轮转 法使用主通道，信息按字节传输
– 数组选择通道： 只有一个子通道，由某台设备独占， 数据成组（块）传送；
• DMA控制器的组成
– 命令/状态寄存器CR – 内存地址寄存器MAR – 数据寄存器DR – 数据计数器DC
• DMA工作过程（以磁盘数据读入为例）
– CPU向磁盘控制器发送一条读命令到CR中，目 标起始地址到MAR中，数据字节数到DC中，磁 盘中的源地址到控制器的控制逻辑上；
– 启动DMA控制器进行数据传送（窃用总线周期）， 此后，CPU可以执行其它任务；
– 接口芯片、接口（电路）板（卡） – 信号线：数据、控制、状态信号线
设备控制器
• 基本功能
– 接收和识别来自CPU的各种命令 – 实现CPU与设备控制器、设备控制器与设备之
间的数据交换 – 记录设备的状态供CPU查询 – 识别所控制的各个设备的地址
• 组成
– 设备控制器与处理机的接口 – 设备控制器与设备的接口 – I/O逻辑
P
R
计数 内存地址
0
0
80
813
0
0
140
1034
0
1
60
5830
0
1
300
2000
0
0
250
1650
1
1
500
2720
通道程序实例
第三节 缓冲管理
位。
DMA控制方式
• DMA（Direct Memory Access）引入
– 在外围设备和内存之间开辟直接的数据交换通路。在 该种控制方式中，设备控制器具有更强的功能，在它 的控制下，设备和内存之间可以成批地进行数据交换， 不用CPU的干预。减轻了CPU的负担，同时数据传输 以块为单位，提高了数据传送速度。
总线系统
• 系统总线
– 连接CPU、存储器、I/O设备（接口）等的纽带； – 总线的性能评价：时钟频率、带宽、传输速率。
• ISA和EISA总线
– ISA（Industry Standard Architecture），1984年， 带宽：8位 16位，最高传输速率：2~16Mbps，能 连接12台设备。
将CPU从繁忙的I/O操作中解脱出来
程序I/O方式
• 忙——等待方式
– CPU向控制器发指令，启动I/O设备，同时把状 态寄存器中的状态标志置1，busy=1；
– 然后不断地循环检测状态标志。
• 如果busy=1，说明I/O设备忙，CPU再进行下一轮 检测；
• 如果busy=0，说明I/O操作结束，CPU执行下一条 指令。
– PCI（Peripheral Component Interface），1992年和 1995年，V2.1支持带宽：64位，最高传输速率： 500Mbps，能支持10种外设，有一个复杂的管理层，管 理层中配有数据缓冲。
第二节 输入输出控制方式
• 程序I/O方式 • 中断驱动I/O方式 • DMA控制方式 • I/O通道控制方式
– DMA控制器按照命令每传送一个字节，修改并检 查DC和MAR中的数值（分别做-1和+1操作）；
– 若DC中的值不为0，则继续传送下一个字节；为 0，则发出一个中断请求。
DMA与中断控制方式的区别
• 中断控制方式在每个数据传送完后都发中 断
• DMA是在所要求传送的一批数据都传送完 后才发中断
I/O通道控制方式
计算机操作系统--设备管理
路漫漫其悠远
少壮不努力，老大徒悲伤
第一节 输入输出系统
• I/O设备 • 设备控制器 • I/O通道 • 总线系统
I/O设备
• I/O设备的类型
– 按传输速率分类：低速、中速、高速设备 – 按信息交换单位分类：块、字符设备 – 按设备的共享属性：独占、共享、虚拟设备
• 设备与控制器之间的接口
设备控制器
CPU与控制器接口
数据线
数据寄存器
地址线 控制线
控制/状态 寄存器
控制器与设备接口
地控址制识器别 数与据设缓备冲
差错接控口制1
数据 状态 控制
…… …
I/O 逻辑
控制器 与设备 接口n
数据 状态 控制
I/O通道
• 通道的引入
– 建立独立的I/O操作，进一步减轻CPU的负 担
– I/O处理机 ，通过执行通道程序来控制I/O 操作
– 数组多路通道：<上述两种技术的结合> 多个子通道，按数组方式传送数据 具有较高的数据 传输速率和通道利用率
• “瓶颈”问题
– 通道资源有限，系统需要同时启动的设 备可能较多；
– 解决方法：增加设备到主机间的通路。
I/O通道
CPU 存储器
通道1wk.baidu.com通道2
控制器1 控制器2
I/O设备1 I/O设备2 I/O设备3 I/O设备4