dzz.cs.xynun.edu.cnnew1kejianio系統(tǒng)

1、第五章 設(shè)備管理,5.1　 I/O系統(tǒng),,顧名思義，I/O系統(tǒng)是用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入、輸出及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的系統(tǒng)。在I/O系統(tǒng)中，除了需要直接用于I/O和存儲(chǔ)信息的設(shè)備外，還需要有相應(yīng)的設(shè)備控制器和高速總線。,I/O設(shè)備,I/O設(shè)備的類型　　1)按設(shè)備的使用特性分類　　 按設(shè)備的使用特性，可將設(shè)備分為兩類。第一類是存儲(chǔ)設(shè)備，也稱外存或后備存儲(chǔ)器、輔助存儲(chǔ)器，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)用以存儲(chǔ)信息的主要設(shè)備。該類設(shè)備存取速度較內(nèi)存慢，但容量比內(nèi)存大

2、得多，相對(duì)價(jià)格也便宜。第二類就是輸入/輸出設(shè)備，又具體可分為輸入設(shè)備、輸出設(shè)備和交互式設(shè)備。,,2)按傳輸速率分類　　 按傳輸速度的高低，可將I/O設(shè)備分為三類。第一類是低速設(shè)備，這是指其傳輸速率僅為每秒鐘幾個(gè)字節(jié)至數(shù)百個(gè)字節(jié)的一類設(shè)備。屬于低速設(shè)備的典型設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)器、語音的輸入和輸出等設(shè)備。第二類是中速設(shè)備，這是指其傳輸速率在每秒鐘數(shù)千個(gè)字節(jié)至數(shù)十萬個(gè)字節(jié)的一類設(shè)備。典型的中速設(shè)備有行式打印機(jī)、 激光打印機(jī)等。第三類是高速設(shè)

3、備，這是指其傳輸速率在數(shù)百個(gè)千字節(jié)至千兆字節(jié)的一類設(shè)備。典型的高速設(shè)備有磁帶機(jī)、磁盤機(jī)、光盤機(jī)等。,,3)按信息交換的單位分類　　 按信息交換的單位，可將I/O設(shè)備分成兩類。第一類是塊設(shè)備，這類設(shè)備用于存儲(chǔ)信息。由于信息的存取總是以數(shù)據(jù)塊為單位，故而得名。它屬于有結(jié)構(gòu)設(shè)備。典型的塊設(shè)備是磁盤，每個(gè)盤塊的大小為512 B～4 KB。第二類是字符設(shè)備，用于數(shù)據(jù)的輸入和輸出。其基本單位是字符，故稱為字符設(shè)備。它屬于無結(jié)構(gòu)類型。字符設(shè)備的種

4、類繁多，如交互式終端、打印機(jī)等。,,4)按設(shè)備的共享屬性分類　　 這種分類方式可將I/O設(shè)備分為如下三類：　　 (1)獨(dú)占設(shè)備。這是指在一段時(shí)間內(nèi)只允許一個(gè)用戶(進(jìn)程)訪問的設(shè)備，即臨界資源。因而，對(duì)多個(gè)并發(fā)進(jìn)程而言，應(yīng)互斥地訪問這類設(shè)備。 (2)共享設(shè)備。這是指在一段時(shí)間內(nèi)允許多個(gè)進(jìn)程同時(shí)訪問的設(shè)備。當(dāng)然，對(duì)于每一時(shí)刻而言，該類設(shè)備仍然只允許一個(gè)進(jìn)程訪問。?！　?(3)虛擬設(shè)備。這是指通過虛擬技術(shù)將一臺(tái)獨(dú)占設(shè)備變

5、換為若干臺(tái)邏輯設(shè)備，供若干個(gè)用戶(進(jìn)程)同時(shí)使用。,,設(shè)備與控制器之間的接口　 　通常，設(shè)備并不是直接與CPU進(jìn)行通信，而是與設(shè)備控制器通信，因此，在I/O設(shè)備中應(yīng)含有與設(shè)備控制器間的接口，在該接口中有三種類型的信號(hào)，各對(duì)應(yīng)一條信號(hào)線。,圖5-1　設(shè)備與控制器間的接口,,1)數(shù)據(jù)信號(hào)線　　 這類信號(hào)線用于在設(shè)備和設(shè)備控制器之間傳送數(shù)據(jù)信號(hào)。對(duì)輸入設(shè)備而言，由外界輸入的信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后所形成的數(shù)據(jù)，通常先送入緩沖器中，當(dāng)數(shù)據(jù)量達(dá)

6、到一定的比特(字符)數(shù)后，再從緩沖器通過一組數(shù)據(jù)信號(hào)線傳送給設(shè)備控制器。對(duì)輸出設(shè)備而言，則是將從設(shè)備控制器經(jīng)過數(shù)據(jù)信號(hào)線傳送來的一批數(shù)據(jù)先暫存于緩沖器中，經(jīng)轉(zhuǎn)換器作適當(dāng)轉(zhuǎn)換后，再逐個(gè)字符地輸出。,,2)控制信號(hào)線　　 這是作為由設(shè)備控制器向I/O設(shè)備發(fā)送控制信號(hào)時(shí)的通路。該信號(hào)規(guī)定了設(shè)備將要執(zhí)行的操作，如讀操作(指由設(shè)備向控制器傳送數(shù)據(jù))或?qū)懖僮?從控制器接收數(shù)據(jù))，或執(zhí)行磁頭移動(dòng)等操作?！　?)狀態(tài)信號(hào)線　　 這類信號(hào)線用于

7、傳送指示設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)的信號(hào)。設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)有正在讀(或?qū)?；設(shè)備已讀(寫)完成，并準(zhǔn)備好新的數(shù)據(jù)傳送。,設(shè)備控制器,設(shè)備控制器是計(jì)算機(jī)中的一個(gè)實(shí)體，其主要職責(zé)是控制一個(gè)或多個(gè)I/O設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)I/O設(shè)備和計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。它是CPU與I/O設(shè)備之間的接口，它接收從CPU發(fā)來的命令，并去控制I/O設(shè)備工作，以使處理機(jī)從繁雜的設(shè)備控制事物中解脫出來。,,設(shè)備控制器的基本功能　　1)接收和識(shí)別命令　　 CPU可以向控制器發(fā)送多種不同

8、的命令，設(shè)備控制器應(yīng)能接收并識(shí)別這些命令。為此，在控制器中應(yīng)具有相應(yīng)的控制寄存器，用來存放接收的命令和參數(shù)，并對(duì)所接收的命令進(jìn)行譯碼?！?2)數(shù)據(jù)交換　　 這是指實(shí)現(xiàn)CPU與控制器之間、控制器與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。對(duì)于前者，是通過數(shù)據(jù)總線，由CPU并行地把數(shù)據(jù)寫入控制器，或從控制器中并行地讀出數(shù)據(jù)；對(duì)于后者，是設(shè)備將數(shù)據(jù)輸入到控制器，或從控制器傳送給設(shè)備。為此，在控制器中須設(shè)置數(shù)據(jù)寄存器。,,3)標(biāo)識(shí)和報(bào)告設(shè)備的狀態(tài)　　 控

9、制器應(yīng)記下設(shè)備的狀態(tài)供CPU了解。例如，僅當(dāng)該設(shè)備處于發(fā)送就緒狀態(tài)時(shí)，CPU才能啟動(dòng)控制器從設(shè)備中讀出數(shù)據(jù)。為此，在控制器中應(yīng)設(shè)置一狀態(tài)寄存器，用其中的每一位來反映設(shè)備的某一種狀態(tài)。當(dāng)CPU將該寄存器的內(nèi)容讀入后，便可了解該設(shè)備的狀態(tài)。 4)地址識(shí)別　　 就像內(nèi)存中的每一個(gè)單元都有一個(gè)地址一樣，系統(tǒng)中的每一個(gè)設(shè)備也都有一個(gè)地址，而設(shè)備控制器又必須能夠識(shí)別它所控制的每個(gè)設(shè)備的地址。此外，為使CPU能向(或從)寄存器中寫入(或

10、讀出)數(shù)據(jù)，這些寄存器都應(yīng)具有唯一的地址。,,5)數(shù)據(jù)緩沖　　 由于I/O設(shè)備的速率較低而CPU和內(nèi)存的速率卻很高，故在控制器中必須設(shè)置一緩沖器。在輸出時(shí)，用此緩沖器暫存由主機(jī)高速傳來的數(shù)據(jù)，然后才以I/O設(shè)備所具有的速率將緩沖器中的數(shù)據(jù)傳送給I/O設(shè)備；在輸入時(shí)，緩沖器則用于暫存從I/O設(shè)備送來的數(shù)據(jù)，待接收到一批數(shù)據(jù)后，再將緩沖器中的數(shù)據(jù)高速地傳送給主機(jī)。 6)差錯(cuò)控制　　 設(shè)備控制器還兼管對(duì)由I/O設(shè)備傳送來的數(shù)據(jù)

11、進(jìn)行差錯(cuò)檢測(cè)。若發(fā)現(xiàn)傳送中出現(xiàn)了錯(cuò)誤，通常是將差錯(cuò)檢測(cè)碼置位，并向CPU報(bào)告，于是CPU將本次傳送來的數(shù)據(jù)作廢，并重新進(jìn)行一次傳送。這樣便可保證數(shù)據(jù)輸入的正確性。,,設(shè)備控制器的組成　　1)設(shè)備控制器與處理機(jī)的接口　　 該接口用于實(shí)現(xiàn)CPU與設(shè)備控制器之間的通信。共有三類信號(hào)線: 數(shù)據(jù)線、地址線和控制線。數(shù)據(jù)線通常與兩類寄存器相連接，第一類是數(shù)據(jù)寄存器(在控制器中可以有一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)寄存器，用于存放從設(shè)備送來的數(shù)據(jù)(輸入)或從CP

12、U送來的數(shù)據(jù)(輸出))；第二類是控制/狀態(tài)寄存器(在控制器中可以有一個(gè)或多個(gè)這類寄存器，用于存放從CPU送來的控制信息或設(shè)備的狀態(tài)信息)。,,2)設(shè)備控制器與設(shè)備的接口　　 在一個(gè)設(shè)備控制器上，可以連接一個(gè)或多個(gè)設(shè)備。相應(yīng)地，在控制器中便有一個(gè)或多個(gè)設(shè)備接口，一個(gè)接口連接一臺(tái)設(shè)備。在每個(gè)接口中都存在數(shù)據(jù)、控制和狀態(tài)三種類型的信號(hào)?？刂破髦械腎/O邏輯根據(jù)處理機(jī)發(fā)來的地址信號(hào)去選擇一個(gè)設(shè)備接口。 3)I/O邏輯　　 在設(shè)備

13、控制器中的I/O邏輯用于實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制。它通過一組控制線與處理機(jī)交互，處理機(jī)利用該邏輯向控制器發(fā)送I/O命令；I/O邏輯對(duì)收到的命令進(jìn)行譯碼。每當(dāng)CPU要啟動(dòng)一個(gè)設(shè)備時(shí)，一方面將啟動(dòng)命令發(fā)送給控制器；另一方面又同時(shí)通過地址線把地址發(fā)送給控制器，由控制器的I/O邏輯對(duì)收到的地址進(jìn)行譯碼，再根據(jù)所譯出的命令對(duì)所選設(shè)備進(jìn)行控制。,,圖5-2　設(shè)備控制器的組成,I/O通道,I/O通道是一種特殊的處理機(jī)，它具有執(zhí)行I/O指令的能力，并通過執(zhí)行通

14、道(I/O)程序來控制I/O操作。但I(xiàn)/O通道又與一般的處理機(jī)不同，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面: 一是其指令類型單一，這是由于通道硬件比較簡(jiǎn)單，其所能執(zhí)行的命令主要局限于與I/O操作有關(guān)的指令；二是通道沒有自己的內(nèi)存，通道所執(zhí)行的通道程序是放在主機(jī)的內(nèi)存中的，換言之，是通道與CPU共享內(nèi)存。,,通道類型　　1)字節(jié)多路通道(Byte Multiplexor Channel)　　 這是一種按字節(jié)交叉方式工作的通道。它通常都含有許多非分配

15、型子通道，其數(shù)量可從幾十到數(shù)百個(gè)，每一個(gè)子通道連接一臺(tái)I/O設(shè)備，并控制該設(shè)備的I/O操作。這些子通道按時(shí)間片輪轉(zhuǎn)方式共享主通道。 2)數(shù)組選擇通道(Block Selector Channel)　　 字節(jié)多路通道不適于連接高速設(shè)備，該通道雖然可以連接多臺(tái)高速設(shè)備，但由于它只含有一個(gè)分配型子通道，在一段時(shí)間內(nèi)只能執(zhí)行一道通道程序，控制一臺(tái)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，致使當(dāng)某臺(tái)設(shè)備占用了該通道后，便一直由它獨(dú)占，即使是它無數(shù)據(jù)傳送，通道

16、被閑置，也不允許其它設(shè)備使用該通道，直至該設(shè)備傳送完畢釋放該通道?？梢?，這種通道的利用率很低。,,3)數(shù)組多路通道(Block Multiplexor Channel)　　 數(shù)組選擇通道雖有很高的傳輸速率，但它卻每次只允許一個(gè)設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)組多路通道是將數(shù)組選擇通道傳輸速率高和字節(jié)多路通道能使各子通道(設(shè)備)分時(shí)并行操作的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合而形成的一種新通道。它含有多個(gè)非分配型子通道，因而這種通道既具有很高的數(shù)據(jù)傳輸速率，又能獲得令人滿意

17、的通道利用率。也正因此，才使該通道能被廣泛地用于連接多臺(tái)高、中速的外圍設(shè)備，其數(shù)據(jù)傳送是按數(shù)組方式進(jìn)行的。,,“瓶頸”問題　　 由于通道價(jià)格昂貴，致使機(jī)器中所設(shè)置的通道數(shù)量勢(shì)必較少，這往往又使它成了I/O的瓶頸，進(jìn)而造成整個(gè)系統(tǒng)吞吐量的下降。 解決“瓶頸”問題的最有效的方法，便是增加設(shè)備到主機(jī)間的通路而不增加通道，如圖5-5所示。換言之，就是把一個(gè)設(shè)備連接到多個(gè)控制器上，而一個(gè)控制器又連接到多個(gè)通道上。 多通

18、路方式不僅解決了“瓶頸”問題，而且提高了系統(tǒng)的可靠性，因?yàn)閭€(gè)別通道或控制器的故障不會(huì)使設(shè)備和存儲(chǔ)器之間沒有通路。,總線系統(tǒng),在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的各部件，如CPU、存儲(chǔ)器以及各種I/O設(shè)備之間的聯(lián)系，都是通過總線來實(shí)現(xiàn)的。總線的性能是用總線的時(shí)鐘頻率、帶寬和相應(yīng)的總線傳輸速率等指標(biāo)來衡量的。隨著計(jì)算機(jī)中CPU和內(nèi)存速率的提高，字長(zhǎng)的增加，以及不斷地引入新型設(shè)備，促使人們對(duì)總線的時(shí)鐘頻率、帶寬和傳輸速率的要求也不斷提高。這便推動(dòng)了總線的不斷發(fā)展

19、，使之由早期的ISA總線發(fā)展為EISA總線、VESA總線，進(jìn)而又演變成當(dāng)前廣為流行的PCI總線。,,圖5-6　總線型I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu),,ISA和EISA總線　　1)ISA(Industry Standard Architecture)總線　　 這是為在1984年推出的80286型微機(jī)而設(shè)計(jì)的總線結(jié)構(gòu)。其總線的帶寬為8位，最高傳輸速率為2 Mb/s。之后不久又推出了16位的(EISA)總線，其最高傳輸速率為8 Mb/s，后又升至16

20、Mb/s，能連接12臺(tái)設(shè)備?！　?)EISA(Extended ISA)總線　　 到20世紀(jì)80年代末期，ISA總線已難于滿足帶寬和傳輸速率的要求，于是人們又開發(fā)出擴(kuò)展ISA(EISA)總線，其帶寬為32位，總線的傳輸速率高達(dá)32 Mb/s，同樣可以連接12臺(tái)外部設(shè)備。,,局部總線(Local Bus)　　 多媒體技術(shù)的興起，特別是全運(yùn)動(dòng)視頻處理、高保真音響、高速LAN，以及高質(zhì)量圖形處理等技術(shù)，都要求總線具有更高的傳輸速率，

21、這時(shí)的EISA總線已難于滿足要求，于是，局部總線便應(yīng)運(yùn)而生。所謂局部總線，是指將多媒體卡、高速LAN網(wǎng)卡、高性能圖形板等，從ISA總線上卸下來，再通過局部總線控制器直接接到CPU總線上，使之與高速CPU總線相匹配，而打印機(jī)、FAX/Modem、CDROM等仍掛在ISA總線上。在局部總線中較有影響的是VESA總線和PCI總線。,,1)VESA(Video Electronic Standard Association)總線　　 該總線

22、的設(shè)計(jì)思想是以低價(jià)位迅速占領(lǐng)市場(chǎng)。VESA總線的帶寬為32位，最高傳輸速率為132 Mb/s。它在20世紀(jì)90年代初被推出時(shí)，廣泛應(yīng)用于486微機(jī)中。但VESA總線仍存在較嚴(yán)重的缺點(diǎn)，比如，它所能連接的設(shè)備數(shù)僅為2～4臺(tái)，在控制器中無緩沖，故難于適應(yīng)處理器速度的不斷提高，也不能支持后來出現(xiàn)的Pentium微機(jī)。,,2)PCI(Peripheral Component Interface)總線　　 隨著Pentium系列芯片的推出，I

23、ntel公司分別在1992年和1995年頒布了PCI總線的V1.0和V2.1規(guī)范，后者支持64位系統(tǒng)。PCI在CPU和外設(shè)間插入一復(fù)雜的管理層，用于協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)傳輸和提供一致的接口。在管理層中配有數(shù)據(jù)緩沖，通過該緩沖可將線路的驅(qū)動(dòng)能力放大，使PCI最多能支持10種外設(shè)，并使高時(shí)鐘頻率的CPU能很好地運(yùn)行，最大傳輸速率可達(dá)132 Mb/s。PCI既可連接ISA、EISA等傳統(tǒng)型總線，又可支持Pentium的64位系統(tǒng)，是基于奔騰等新一代微處理