第19讲 设备管理之IO系统

第十九讲 设备管理之I/O系统

设备管理的对象主要是I/O设备。设备管理的基本任务是完成用户提出的I/O请求，提高I/O速率以及改善I/O设备的利用率。设备管理的主要功能有缓冲区管理、设备分配、设备处理、虚拟设备及设备独立性等。

1 I/O系统

I/O系统：用于实现数据输入、输出及数据存储的系统。

在I/O系统中除了需要直接用于I/O和存储信息的设备外，还需要有相应的设备控制器和高速总线。在有的大、中型计算机系统中，还配置了I/O通道和I/O处理机。因此，我们在I/O系统中，主要了解I/O设备、设备控制器、I/O通道、总线系统。 I/O设备 I/O设备类型

1．按设备的从属关系分类

(1) 系统设备 (2) 用户设备

系统设备：在OS生成时就已登记在系统中的标准设备，如键盘、显示器、打印机等。 用户设备：在OS生成时未登记在系统中的非标准设备，如鼠标、绘图仪、扫描仪等。 2．按信息交换的单位分类

(1) 字符设备 (2) 块设备

块设备：信息交换的基本单位为字符块，属于有结构设备，块大小一般为512B---4KB，典型的有：磁盘、磁带等。

字符设备：信息交换的基本单位为字符，典型的有：键盘、打印机和显示器等 3．按设备的共享属性分类

(1) 独占设备 (2) 共享设备 (3) 虚拟设备

独享/独占设备：在一段时间只允许一个用户进程访问的设备。多数低速设备属此类，打印机就典型的独享设备。

共享设备：在一段时间只允许多个用户进程同时访问的设备。磁盘就典型的共享设备。 虚拟设备：指通过虚拟技术将一台独占设备变换为若干台逻辑设备，供若干个用户进程同时使用，通常把这种经过虚拟技术处理后的设备称为虚拟设备。 4．按设备的传输速率分类

(1) 低速设备 (2) 中速设备 (3) 高速设备

低速设备：传输速率仅为每秒钟几个字节至数百个字节的设备。典型的有：键盘、鼠标、语音的输入/输出等。

中速设备：传输速率仅为每秒钟数千个字节至数数万个字节的设备。有：打印机等。 高速设备：传输速率仅为每秒钟数百千个字节至数十兆字节的设备。典型的有：磁盘机、磁带机、光盘机等。 设备与控制器之间的接口

三种信号线：数据信号线、控制信号线、状态信号线。

（1）数据信号：双向，有缓存。在设备和设备控制器之间传送数据信号。 （2）控制信号：控制器发给设备；要求其完成相关操作。传送控制信号。

（3）状态信号：设备发给控制器，传送指示设备当前状态信号。如：正在读/写。 设备控制器 概念及其作用

概念：是处于CPU与I/O设备之间的接口，接收CPU发来的命令，并控制I /O设备工作，是一个可编址设备。

作用：职责是控制一个或多个I/O设备。使处理机从繁重的设备控制事务中解脱出来。 当仅控制一个设备时，只有一个唯一的设备地址；当连接多个设备时，则有多个设备地址，每个设备地址对应一个设备。

设备控制器基本功能 看课本P146 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 6 差错控制

1.2.3 设备控制器组成

1. 设备控制器与处理机的接口

该接口用于实现CPU与设备控制器之间的通信。共有三类信号线：数据线、地址线和控制线。

2. 设备控制器与设备的接口

在控制器中有一个或多个设备接口，一个接口连接一个设备。在每个接口中都存在数据、控制和状态三种类型的信号。 3. I/O逻辑

用于实现对设备的控制。I/O逻辑对来自CPU的命令和地址进行译码，之后根据所译出的命令对所选的设备进行控制。 设备控制器组成如下图：

控制器与设备接口

数据 状态 控制

1.3 I/O通道 1.3.1 引入

1 为什么引入I/O通道？

尽管有了设备控制器，已能大大减少CPU对I/O的干预，但当主机的外设很多时，CPU的负担仍然很重。为此又在CPU和设备控制器之间增设了通道。其主要目的是为了建立独立的

I/O操作，去解放CPU。在设置通道后，CPU只需向通道发送一条I/O指令。通道完成任务后向CPU发中断信号。

解脱CPU对I/O外部设备的工作负担。CPU只需发送I/O命令给通道，通道通过调用内存中的相应通道程序完成任务。操作，去解放CPU。 2 概念

I/O通道是一种特殊的处理机。与一般处理机不同于两方面：

指令类型只限于I/O操作；

通道没有内存，它与CPU共享内存。 硬件连接如下图：

1.3.2 通道类型

1 字节多路通道（Byte Multiplexor Channel）

各子通道以时间片轮转方式共享通道，以字节方式传送数据。适用于低、中速设备。 1)有一个主通道。

2)含有多个子通道A、B、C……

3)每子通道通过一控制器与一台中/低速的I/O设备相连，可同时并行向主通道传数据。 4)各子通道以时间片轮转方式按字节交叉使用主通道。

2 数组选择通道（Block Selector Channel）

数据传送是按成组方式进行工作，每次传输一批数据。主要用于连接高速I/O设备。 某时间由某设备独占，适于高速设备。 但通道未共享，利用率低。 按数组方式进行数据传递。

3 数组多路通道（Block Multiplexor Channel） 数据传送仍是按数组方式工作。 工作原理（结合两者：并行+数组） 1)有一个主通道

2)含有多个子通道A、B、C……

3)每子通道通过一控制器与一台高/中速的I/O设备相连，可同时并行向主通道传数据。 4)各子通道以时间片轮转方式按数组方式使用主通道。

优点：可连多台高/中速设备；能分时并行操作，传输率较高。 1.3.3 瓶颈问题 1 问题提出

由于通道价格昂贵，因此机器中所设置的通道数量少，这往往使得它又成为I/O的瓶颈。 例：如下图

2 解决方案

增加设备到主机间的通路而不增加通道。如下图

1.4 总线类型 总线型系统结构 见课本p150图5－6 总线类型：

PC/AT总线: 总线宽度16位，寻址能力16MB； PC总线与AT总线后来经过标准化，称为ISA总线Industry Standard Architecture——工业标准体系结构

ISA总线 Pentium机使用该总线与低速 1／O设备连接。 EISA总线 针对 386、486，总线宽度32位，寻址能力4GB

VESA总线 针对 486，Video Electronic Standard Association——视频电子标准协会。 VESA总线也称为VL-bus(VESA Local Bus) 总线时钟频率33MHz，总线宽度32位，寻址能力4GB

PCI总钱 PCI:Peripheral Component——外部设备互连，针对 Pentium以上处理器， 用于连接高速的 1／O设备模块，如图形显示器适配器、网络接口控制器、硬盘控制器等。

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