1、1 1/66/66第第6 6章章 輸入輸入/ /輸出系統輸出系統張偉功張偉功首都師范大學信息工程學院首都師范大學信息工程學院辦公室：辦公室：221221（周四下午）（周四下午）EMAILEMAIL：參考網站：參考網站：http:/ 2/66/666.16.1I/OI/O系統性能與系統性能與CPUCPU性能性能6.26.2I/OI/O系統的可靠性、可用性和可信性系統的可靠性、可用性和可信性6.46.4總線總線6.56.5通道處理機通道處理機6.66.6I/OI/O與操作系統與操作系統第6章 輸入/輸出系統3 3/66/666.1 I/O6.1 I/O系統性能與系統性能與CPUCPU性能性能1.1

2、. 輸入輸入/ /輸出系統簡稱輸出系統簡稱I/OI/O系統系統它包括：它包括：qI/OI/O設備設備qI/OI/O設備與處理機的連接設備與處理機的連接2.2. I/OI/O系統是計算機系統中的一個重要組成部分系統是計算機系統中的一個重要組成部分完成計算機與外界的信息交換完成計算機與外界的信息交換給計算機提供大容量的外部存儲器給計算機提供大容量的外部存儲器 3.3. 按照主要完成的工作進行分類：按照主要完成的工作進行分類：q存儲存儲I/OI/O系統系統q通信通信I/OI/O系統系統第6章 輸入/輸出系統4 4/66/666.1 I/O系統性能與CPU性能w人們對人們對I/OI/O系統的作用和性能

3、沒有給予足夠的重視系統的作用和性能沒有給予足夠的重視人們更多地關注：人們更多地關注：CPUCPU的性能的性能 許多人甚至認為許多人甚至認為CPUCPU的速度就是計算機的速度。的速度就是計算機的速度。I/OI/O設備通常被稱為設備通常被稱為外圍設備。外圍設備。 （外圍的就似乎沒那么重要了）（外圍的就似乎沒那么重要了） w系統的響應時間系統的響應時間( (衡量計算機系統的一個更好的指標衡量計算機系統的一個更好的指標) )從用戶輸入命令開始，到得到結果所花費的時間。從用戶輸入命令開始，到得到結果所花費的時間。由兩部分構成：由兩部分構成：qI/OI/O系統的響應時間系統的響應時間qCPUCPU的處理時

4、間的處理時間 5 5/66/666.1 I/O系統性能與CPU性能w誤區：誤區：使用多進程技術可以忽略使用多進程技術可以忽略I/OI/O性能對系統性能性能對系統性能的影響的影響多進程技術只能夠提高系統吞吐率，并不能夠減多進程技術只能夠提高系統吞吐率，并不能夠減 少系統響應時間。少系統響應時間。進程切換時可能需要增加進程切換時可能需要增加I/OI/O操作。操作?？汕袚Q的進程數量有限，當可切換的進程數量有限，當I/OI/O處理較慢時，仍處理較慢時，仍 然會導致然會導致CPUCPU處于空閑狀態。處于空閑狀態。 6 6/66/666.1 I/O系統性能與CPU性能 例例6.16.1 假設一臺計算機的假

5、設一臺計算機的I/OI/O處理時間占響應時間的處理時間占響應時間的10%10%，當，當I/OI/O性能保持不變，而對性能保持不變，而對CPUCPU的性能分別提高的性能分別提高1010倍和倍和100100倍時，該倍時，該計算機系統的總體性能會發生什么樣的變化？計算機系統的總體性能會發生什么樣的變化？ 解解 假設改進前程序的執行時間為假設改進前程序的執行時間為1 1個單位時間。個單位時間。 如果如果CPUCPU的性能提高的性能提高1010倍，程序的執行時間（包含倍，程序的執行時間（包含I/OI/O處理時處理時間）減少為：間）減少為： (1(1 10%) / 10 + 10% = 0.1910%)

6、/ 10 + 10% = 0.19 即整機性能只能提高到原來的約即整機性能只能提高到原來的約5 5倍，約倍，約50%50%的的CPUCPU性能被浪性能被浪費在費在I/OI/O處理上。處理上。7 7/66/666.1 I/O系統性能與CPU性能 如果如果CPUCPU的性能提高的性能提高100100倍，程序的執行時間減少為：倍，程序的執行時間減少為： (1 (1 10%) / 100 + 10% = 0.109 10%) / 100 + 10% = 0.109 這表示整機性能只能提高約這表示整機性能只能提高約1010倍，約倍，約90%90%的性能被浪費在的性能被浪費在沒有改進的沒有改進的I/OI/

7、O處理上。處理上。 8 8/66/666.1 I/O系統性能與CPU性能w評價評價I/OI/O系統性能的參數主要有：系統性能的參數主要有：連接特性連接特性（哪些（哪些I/OI/O設備可以和計算機系統相連接）設備可以和計算機系統相連接）I/OI/O系統的容量系統的容量（I/OI/O系統可以容納的系統可以容納的I/OI/O設備數）設備數）響應時間和吞吐率等響應時間和吞吐率等w另一種衡量另一種衡量I/OI/O系統性能的方法：系統性能的方法： 考慮考慮I/OI/O操作對操作對CPUCPU的打擾情況。的打擾情況。 即考查某個進程在執行時，由于其他進程的即考查某個進程在執行時，由于其他進程的I/OI/O操

8、操作，使得該進程的執行時間增加了多少。作，使得該進程的執行時間增加了多少。 9 9/66/661.1. 處理器性能已經很高，人們更加關注系統可靠性。處理器性能已經很高，人們更加關注系統可靠性。2.2. 反映外設可靠性能的參數有：反映外設可靠性能的參數有：可靠性可靠性（ReliabilityReliability）可用性可用性（AvailabilityAvailability）可信性可信性（DependabilityDependability）3.3. 系統的可靠性：系統的可靠性：系統從某個初始參考點開始一直連續系統從某個初始參考點開始一直連續提供服務的能力。提供服務的能力。用用平均無故障時間平

9、均無故障時間MTTFMTTF來衡量。來衡量。 （Mean Time To FailureMean Time To Failure） 6.2 I/O6.2 I/O系統的可靠性、可用性和可信性系統的可靠性、可用性和可信性第6章 輸入/輸出系統1010/66/666.2 I/O系統的可靠性、可用性和可信性MTTFMTTF的倒數就是的倒數就是系統的失效率。系統的失效率。如果系統中每個模塊的生存期服從指數分布，則如果系統中每個模塊的生存期服從指數分布，則系統整體系統整體的失效率是各部件的失效率之和。的失效率是各部件的失效率之和。w系統的可用性系統的可用性：系統正常工作的時間在連續兩次正常服務間隔系統正常

10、工作的時間在連續兩次正常服務間隔時間中所占的比率。時間中所占的比率。MTTF+MTTRMTTF+MTTR：平均失效間隔時間平均失效間隔時間MTBFMTBF （Mean Time Between FailureMean Time Between Failure）w系統的可信性：系統的可信性：服務的質量。即在多大程度上可以合理地認為服務的質量。即在多大程度上可以合理地認為服務是可靠的。服務是可靠的。 包括：可靠性、可用性、可維修性、可測性、安全性、保密性包括：可靠性、可用性、可維修性、可測性、安全性、保密性MTTRMTTFMTTF可用性1111/66/666.2 I/O系統的可靠性、可用性和可信性

11、 例例6.26.2 假設磁盤子系統的組成部件和它們的假設磁盤子系統的組成部件和它們的MTTFMTTF如下：如下：（1 1）磁盤子系統由）磁盤子系統由1010個磁盤構成，每個磁盤的個磁盤構成，每個磁盤的MTTFMTTF為為10000001000000小時；小時；（2 2）1 1個個SCSISCSI控制器，其控制器，其MTTFMTTF為為500000500000小時；小時；（3 3）1 1個不間斷電源，其個不間斷電源，其MTTFMTTF為為200000200000小時；小時；（4 4）1 1個風扇，其個風扇，其MTTFMTTF為為200000200000小時；小時；（5 5）1 1根根SCSISC

12、SI連線，其連線，其MTTFMTTF為為10000001000000小時。小時。 假定每個部件的生存期服從指數分布，同時假定各部件的假定每個部件的生存期服從指數分布，同時假定各部件的故障是相互獨立的，求整個系統的故障是相互獨立的，求整個系統的MTTFMTTF。1212/66/666.2 I/O系統的可靠性、可用性和可信性 解解 整個系統的失效率為：整個系統的失效率為： 系統的系統的MTTFMTTF為系統失效率的倒數，即：為系統失效率的倒數，即： 即將近即將近5 5年。年。 100000023100000012000001200000150000011000000110系統失效率小時435002

13、31000000MTTF1313/66/666.2 I/O系統的可靠性、可用性和可信性w提高系統組成部件可靠性的方法提高系統組成部件可靠性的方法 有效構建方法有效構建方法（Valid ConstructionValid Construction）（避錯）（避錯） 在構建系統的過程中消除故障隱患，這樣建立起來在構建系統的過程中消除故障隱患，這樣建立起來的系統就不會出現故障。的系統就不會出現故障。容錯方法容錯方法（Fault TolerantFault Tolerant） 在系統構建中采用一定的冗余措施，即使出現故障，在系統構建中采用一定的冗余措施，即使出現故障，也可以通過容錯信息保證系統正常工作

14、。也可以通過容錯信息保證系統正常工作。1414/66/66I/OI/O設備與設備與CPUCPU和存儲器的連接和存儲器的連接 1. 1. 通過接口將許多子系統連接起來通過接口將許多子系統連接起來2. 2. 接口使用得最多的就是總線接口使用得最多的就是總線3. 3. 輸入輸出方式輸入輸出方式 直接傳送直接傳送 程序查詢程序查詢 中斷中斷 DMA DMA 通道通道 第6章 輸入/輸出系統1515/66/66在計算機系統中，各子系統之間可以通過總線互相在計算機系統中，各子系統之間可以通過總線互相連接。連接。優點：優點：成本低、多樣性成本低、多樣性主要缺點：主要缺點：它是由不同的外設分時共享的，形成了它

15、是由不同的外設分時共享的，形成了信息交換的瓶頸，從而限制了系統中總的信息交換的瓶頸，從而限制了系統中總的I/OI/O吞吐吞吐量。量。6.4 6.4 總總 線線第6章 輸入/輸出系統1616/66/666.4 總 線1. 總線設計存在很多技術難點總線設計存在很多技術難點一個重要原因：一個重要原因：總線上信息傳送的速度極大地受總線上信息傳送的速度極大地受限于各種物理因素。限于各種物理因素。 如總線的長度、設備的數目、信號的強度等，這如總線的長度、設備的數目、信號的強度等，這些物理因素限制了總線性能的提高。些物理因素限制了總線性能的提高。另外，我們一方面要求另外，我們一方面要求I/OI/O操作響應快

16、，另一方操作響應快，另一方面又要求高吞吐量，這可能造成設計需求上的沖面又要求高吞吐量，這可能造成設計需求上的沖突。突。6.4.1 6.4.1 總線的設計總線的設計1717/66/666.4 總 線w設計總線時需要考慮的一些問題 特性特性 高性能高性能 低價格低價格 總線寬度總線寬度 獨立的地址和數據總線獨立的地址和數據總線 數據和地址分時數據和地址分時共用同一套總線共用同一套總線 數據總線寬度數據總線寬度 越寬越快（例如：越寬越快（例如：6464位）位） 越窄越便宜（例如：越窄越便宜（例如：8 8位）位） 傳輸塊大小傳輸塊大小 塊越大總線開銷越小塊越大總線開銷越小 單字傳送更簡單單字傳送更簡單

17、 總線主設備總線主設備 多個（需要仲裁）多個（需要仲裁） 單個（無需仲裁）單個（無需仲裁） 分離事務分離事務 采用采用分離的請求包和分離的請求包和回答包能提高總線帶寬回答包能提高總線帶寬 不采用不采用持續連接成本持續連接成本更低，而且延遲更小更低，而且延遲更小 定時方式定時方式 同步同步 異步異步 1818/66/666.4 總 線3. 3. 分離事務總線分離事務總線（又稱：（又稱：流水總線、懸掛總線、包交換總線流水總線、懸掛總線、包交換總線）在有多個主設備時，可以通過打包技術來提高總在有多個主設備時，可以通過打包技術來提高總線帶寬。線帶寬?；舅枷牖舅枷雚將總線事務分成請求和應答兩部分。將

18、總線事務分成請求和應答兩部分。q在請求和應答之間的空閑時間內，總線可以供其他的在請求和應答之間的空閑時間內，總線可以供其他的I/OI/O使用，這樣就不必在整個使用，這樣就不必在整個I/OI/O過程中都獨占總線。過程中都獨占總線。 工作過程的示意圖工作過程的示意圖 1919/66/666.4 總 線分離事務總線有較高的帶寬，但是它的數據傳送分離事務總線有較高的帶寬，但是它的數據傳送延遲通常比獨占總線方法大。延遲通常比獨占總線方法大。 2020/66/666.4 總 線4. 同步總線同步總線 包含一個供總線上所有設備使用的時鐘，并且這包含一個供總線上所有設備使用的時鐘，并且這些設備是基于該時鐘按照

19、一個固定的協議來發送些設備是基于該時鐘按照一個固定的協議來發送地址和數據的。地址和數據的。 優點：優點：速度快、成本低。速度快、成本低。 缺點：缺點：總線操作都必須以同樣的時鐘頻率進行?？偩€操作都必須以同樣的時鐘頻率進行。 5. 異步總線異步總線 沒有統一的參考時鐘，每個設備都有各自的定時沒有統一的參考時鐘，每個設備都有各自的定時方法。方法。采用握手協議采用握手協議 。2121/66/666.4 總 線1.1. I/OI/O總線標準總線標準：定義如何將設備與計算機進行連接的定義如何將設備與計算機進行連接的文檔。文檔。2.2. 常見常見I/OI/O總線的一些典型特征總線的一些典型特征 6.4.2

20、 6.4.2 總線標準和實例總線標準和實例IDE / Ultra ATA IDE / Ultra ATA SCSI SCSI PCI PCI PCI-X PCI-X 數據寬度（數據寬度（b b） 16 16 8/168/1632/6432/6432/6432/64時鐘頻率（時鐘頻率（MHzMHz） 1001001010（FastFast）2020（UltraUltra）4040（Ultra2Ultra2）8080（Ultra3Ultra3）160160（Ultra4Ultra4） 33/6633/6666/100/13366/100/133總線主設備數量總線主設備數量 1 1個個 多個多個 多

21、個多個 多個多個 峰值帶寬（峰值帶寬（MBpsMBps） 20020032032053353310661066同步方式同步方式 異步異步 異步異步 同步同步 同步同步 標準標準 無無 ANSI X3.131 ANSI X3.131 無無 無無 幾種常用并行幾種常用并行I/OI/O總線總線 2323/66/666.4 總 線在嵌入式系統中使用較多的在嵌入式系統中使用較多的4 4種串行種串行I/OI/O總線的一些典型特征總線的一些典型特征 I I2 2C C 1-wire 1-wire RS-232 RS-232 SPI SPI 數據寬度（數據寬度（b b） 1 11 12 21 1信號線數量信號

22、線數量 2 21 19/259/253 3時鐘頻率（時鐘頻率（MHzMHz） 0.40.410 10 異步異步 0.040.04或異步或異步 異步異步 總線主設備數量總線主設備數量 多個多個 多個多個 多個多個 多個多個 峰值帶寬（峰值帶寬（MbpsMbps） 3.4 0.014 0.014 0.192 0.192 1 1同步方式同步方式 異步異步 異步異步 異步異步 異步異步 標準標準 無無 無無 EIA, ITU-T V.21 EIA, ITU-T V.21 無無 2424/66/666.4 總 線在服務器系統中使用的在服務器系統中使用的CPU-CPU-存儲器互連系統存

23、儲器互連系統 HP HyperPlane HP HyperPlane Crossbar Crossbar IBM SP IBM SP SUN Gigaplane-SUN Gigaplane-XB XB 數據寬度（數據寬度（b b） 6464128128128128時鐘頻率（時鐘頻率（MHzMHz） 12012011111183.3 83.3 總線的主設備數總線的主設備數 多個多個 多個多個 多個多個 每端口峰值帶寬（每端口峰值帶寬（MBpsMBps） 9609601700170013001300總峰值帶寬（總峰值帶寬（MBpsMBps） 7680768014200142001066710667

24、同步方式同步方式 同步同步 同步同步 同步同步 標準標準 無無 無無 無無 2525/66/666.4 總 線1.1. I/OI/O總線的物理連接方式有兩種選擇總線的物理連接方式有兩種選擇連接到存儲器上連接到存儲器上 更常見更常見連接到連接到CacheCache上上2.2. I/OI/O總線連接到存儲器總線上的方式總線連接到存儲器總線上的方式一種典型的組織結構一種典型的組織結構 6.4.3 6.4.3 與與CPUCPU的連接的連接CPUCache主存主存I/O控制器控制器圖形輸出圖形輸出I/O 控制器控制器總線適配器總線適配器網絡網絡總線適配器總線適配器I/O控制器控制器I/O控制器控制器總線

25、適配器總線適配器磁盤磁盤磁盤磁盤CD2727/66/666.4 總 線wCPUCPU對對I/OI/O設備的編址有兩種方式設備的編址有兩種方式存儲器映射存儲器映射I/OI/O（也稱為統一編址）（也稱為統一編址）q將一部分存儲器地址空間分配給將一部分存儲器地址空間分配給I/OI/O設備，用設備，用loadload指指令和令和storestore指令對這些地址進行讀寫將引起指令對這些地址進行讀寫將引起I/OI/O設備的設備的數據傳輸。數據傳輸。q將一部分存儲空間留出用于設備控制，對這一部分地將一部分存儲空間留出用于設備控制，對這一部分地址空間進行讀寫就是向設備發出控制命令。址空間進行讀寫就是向設備發

26、出控制命令。給給I/OI/O設備設備獨立編址獨立編址q需要在需要在CPUCPU中設置專用的中設置專用的I/OI/O指令來訪問指令來訪問I/OI/O設備。設備。qCPUCPU需要發出一個標志信號來表示所訪問的地址是需要發出一個標志信號來表示所訪問的地址是I/OI/O設備的地址。設備的地址。2828/66/666.4 總 線wCPUCPU與外部設備進行輸入與外部設備進行輸入/ /輸出的方式可分為輸出的方式可分為4 4種種程序查詢程序查詢中斷中斷DMADMA通道通道 檢查狀態標記Ready?傳輸數據NY2929/66/666.4 總 線wCPUCPU與外部設備進行輸入與外部設備進行輸入/ /輸出的方

27、式可分為輸出的方式可分為4 4種種程序查詢程序查詢中斷中斷DMADMA通道通道 主程序響應中斷請求中斷服務程序返回主程序繼續執行主程序斷點3030/66/66wCPUCPU與外部設備進行輸入與外部設備進行輸入/ /輸出的方式可分為輸出的方式可分為4 4種種程序查詢程序查詢中斷中斷DMADMA通道通道 6.4 總 線3131/66/66wCPUCPU與外部設備進行輸入與外部設備進行輸入/ /輸出的方式可分為輸出的方式可分為4 4種種程序查詢程序查詢中斷中斷DMADMA通道通道 6.4 總 線CPU暫停方式暫停方式周期竊取方式周期竊取方式交替訪問方式交替訪問方式3232/66/66 程序控制、中斷

28、和程序控制、中斷和DMADMA方式管理外圍設備會引起兩個方式管理外圍設備會引起兩個問題：問題：所有外設的輸入所有外設的輸入/ /輸出工作均由輸出工作均由CPUCPU承擔，承擔，CPUCPU的的計算工作經常被打斷而去處理輸入計算工作經常被打斷而去處理輸入/ /輸出的事務，輸出的事務，不能充分發揮不能充分發揮CPUCPU的計算能力。的計算能力。 大型計算機系統的外設雖然很多，但同時工作的大型計算機系統的外設雖然很多，但同時工作的機會不是很多。機會不是很多。 解決上述問題的方法：解決上述問題的方法：采用通道處理機采用通道處理機 6.4 總 線3333/66/66通道處理機能夠負擔外圍設備的大部分通道

29、處理機能夠負擔外圍設備的大部分I/OI/O工作。工作。通道處理機通道處理機（簡稱通道）：專門負責整個計算機系（簡稱通道）：專門負責整個計算機系統的輸入統的輸入/ /輸出工作。通道處理機只能執行有限的一輸出工作。通道處理機只能執行有限的一組輸入組輸入/ /輸出指令。輸出指令。6.5 6.5 通道處理機通道處理機第6章 輸入/輸出系統3434/66/666.5 通道處理機1.1. 一個典型的一個典型的由由CPUCPU、通道、通道、設備控制器、設備控制器、外設構成的外設構成的4 4級層次結構級層次結構的輸入的輸入/ /輸出輸出系統。系統。CPU 選擇 通道 字節多 路通道 數組多 路通道 主存 磁盤

30、 控制器 磁盤 內部總線 磁盤 控制器 磁盤 磁盤 設備 控制器 設備 控制器 通道總線 設備 控制器 設備 控制器 設備 設備 設備 設備 設備 設備 通道總線 通道總線 3535/66/666.5 通道處理機w通道的功能通道的功能 接收接收CPUCPU發來的發來的I/OI/O指令，并根據指令要求選擇指指令，并根據指令要求選擇指定的外設與通道相連接。定的外設與通道相連接。執行通道程序執行通道程序 從主存中逐條取出通道指令，對通道指令進行譯從主存中逐條取出通道指令，對通道指令進行譯碼，并根據需要向被選中的設備控制器發出各種操作碼，并根據需要向被選中的設備控制器發出各種操作命令。命令。給出外設中

31、要進行讀給出外設中要進行讀/ /寫操作的數據所在的地址寫操作的數據所在的地址 如磁盤存儲器的柱面號、磁頭號、扇區號等。如磁盤存儲器的柱面號、磁頭號、扇區號等。 3636/66/666.5 通道處理機給出主存緩沖區的首地址給出主存緩沖區的首地址 該緩沖區存放從外設輸入的數據或者將要輸出到外設該緩沖區存放從外設輸入的數據或者將要輸出到外設中去的數據。中去的數據。控制外設與主存緩沖區之間的數據傳送的長度控制外設與主存緩沖區之間的數據傳送的長度對傳送的數據個數進行計數，并判斷數據傳送是否結束。對傳送的數據個數進行計數，并判斷數據傳送是否結束。指定傳送工作結束時要進行的操作指定傳送工作結束時要進行的操作

32、例如：例如：將外設的中斷請求及通道的中斷請求送往將外設的中斷請求及通道的中斷請求送往CPUCPU等。等。檢查外設的工作狀態是否正常，并將該狀態信息檢查外設的工作狀態是否正常，并將該狀態信息送往主存指定單元保存。送往主存指定單元保存。在數據傳輸過程中完成必要的格式變換在數據傳輸過程中完成必要的格式變換例如：例如：把字拆分為字節，或者把字節裝配成字等。把字拆分為字節，或者把字節裝配成字等。 3737/66/666.5 通道處理機w通道的主要硬件通道的主要硬件寄存器寄存器q數據緩沖寄存器數據緩沖寄存器q主存地址計數器主存地址計數器q傳輸字節數計數器傳輸字節數計數器q通道命令字寄存器通道命令字寄存器q

33、通道狀態字寄存器通道狀態字寄存器控制邏輯控制邏輯q分時控制分時控制q地址分配地址分配q數據傳送、裝配和拆分等數據傳送、裝配和拆分等3838/66/666.5 通道處理機w通道對外設的控制通過輸入通道對外設的控制通過輸入/ /輸出接口和設備控制器進輸出接口和設備控制器進行行通道與設備控制器之間一般采用標準的輸入通道與設備控制器之間一般采用標準的輸入/ /輸出輸出接口來連接。接口來連接。通道通過標準接口把操作命令送到設備控制器，設通道通過標準接口把操作命令送到設備控制器，設備控制器解釋并執行這些通道命令，完成命令指定備控制器解釋并執行這些通道命令，完成命令指定的操作。的操作。4.4.設備控制器能夠

34、記錄外設的狀態，并把狀態信息送設備控制器能夠記錄外設的狀態，并把狀態信息送往通道和往通道和CPUCPU。3939/66/66 6.5 通道處理機1. 通道完成一次數據輸入通道完成一次數據輸入/輸出的工作過程輸出的工作過程在用戶程序中使用在用戶程序中使用訪管指令訪管指令進入管理程序，由管進入管理程序，由管理程序生成一個通道程序，并啟動通道。理程序生成一個通道程序，并啟動通道。q用戶在目標程序中設置一條廣義指令，通過調用操作用戶在目標程序中設置一條廣義指令，通過調用操作系統的管理程序來實現。系統的管理程序來實現。q管理程序根據廣義指令提供的參數來編制通道程序。管理程序根據廣義指令提供的參數來編制通

35、道程序。 q啟動輸入啟動輸入/輸出設備指令輸出設備指令是一條主要的輸入是一條主要的輸入/輸出指令，輸出指令，屬于特權指令。屬于特權指令。n工作流程工作流程 6.5.2 6.5.2 通道的工作過程通道的工作過程4040/66/666.5 通道處理機訪管訪管 入口入口 OC 設備號設備號 交換長度交換長度 OC OC 主存起始地址主存起始地址 編寫通道程序編寫通道程序 入口入口 置通道地址字置通道地址字 啟動啟動 I/O 返回返回 斷開通道指令斷開通道指令 通道程序通道程序 中斷處理程序中斷處理程序 I/O 中斷請求中斷請求 I/O 中斷響應中斷響應 I/O 中斷返回中斷返回 管理程序管理程序 用

36、戶程序用戶程序 通道程序通道程序 廣義廣義 指令指令 參數參數 和和 啟動輸入輸出設備指令啟動輸入輸出設備指令 選取通道和子通道選取通道和子通道 斷開或忙斷開或忙? 形成條件碼，結束形成條件碼，結束 是是 取通道指令取通道指令 有錯有錯? 選擇控制器和設備選擇控制器和設備 斷開斷開? 發啟動命令發啟動命令 全“全“0”狀態？”狀態？ 通道結束通道結束？ 存在中斷存在中斷？ 形成條件碼，存通道狀態字，結束形成條件碼，存通道狀態字，結束 設備回答的狀態字節為全設備回答的狀態字節為全 0， 啟動成功， 形成條件碼， 啟動成功， 形成條件碼 設備回答的狀態字節為全設備回答的狀態字節為全 0， 啟動成功

37、， 形成條件碼， 啟動成功， 形成條件碼 雖然設備回答的狀態字節非全雖然設備回答的狀態字節非全 0， 但是通道指令是屬， 但是通道指令是屬于輔助性操作，亦為啟動成功，形成條件碼于輔助性操作，亦為啟動成功，形成條件碼 否否 是是 形成條件碼，結束形成條件碼，結束 是是 是是 是是 是是 否否 形成條件碼，啟動不成功，結束形成條件碼，啟動不成功，結束 否否 否否 否否 否否 4242/66/666.5 通道處理機通道處理機執行通道程序，完成指定的數據輸入通道處理機執行通道程序，完成指定的數據輸入/輸出工作。輸出工作。 通道處理機執行通道程序與通道處理機執行通道程序與CPUCPU執行用戶程序是并行的

38、。執行用戶程序是并行的。 通道程序結束后向通道程序結束后向CPUCPU發中斷請求。發中斷請求。2.2. CPUCPU執行程序和通道執行通道程序的時間關系執行程序和通道執行通道程序的時間關系 4343/66/666.5 通道處理機 CPUCPU 運行用戶程序運行用戶程序 時間時間 請求請求 I/OI/O 訪管指令訪管指令 響應響應 I/OI/O 中斷請求中斷請求 CPUCPU 運行運行 I/OI/O 管理程序管理程序 通道運行存放在主存中的通道程序通道運行存放在主存中的通道程序 編制通道程序編制通道程序 啟動啟動 I/OI/O 操作操作 組織組織 I/OI/O 操作操作 向向 CPUCPU 發中

39、斷請求發中斷請求 登記或處理登記或處理 4444/66/666.5 通道處理機根據信息傳送方式的不同，將通道分為根據信息傳送方式的不同，將通道分為三種類型三種類型q字節多路通道字節多路通道q選擇通道選擇通道q數組多路通道數組多路通道三種類型的通道與三種類型的通道與CPUCPU、設備控制器和外設的連、設備控制器和外設的連接關系接關系 6.5.3 通道的種類4545/66/666.5 通道處理機CPU 選擇 通道 字節多 路通道 數組多 路通道 主存 磁盤 控制器 磁盤 內部總線 磁盤 控制器 磁盤 磁盤 設備 控制器 設備 控制器 通道總線 設備 控制器 設備 控制器 設備 設備 設備 設備 設

40、備 設備 通道總線 通道總線 4646/66/666.5 通道處理機1. 字節多路通道字節多路通道 為多臺低速或中速的外設服務。為多臺低速或中速的外設服務。以字節交叉的方式分時輪流地為它們服務。以字節交叉的方式分時輪流地為它們服務。字節多路通道可以包含多個子通道，每個子通道字節多路通道可以包含多個子通道，每個子通道連接一臺設備控制器。連接一臺設備控制器。 2. 選擇通道選擇通道 為多臺高速外圍設備服務。為多臺高速外圍設備服務。 在一段時間內只為一臺高速外設獨占使用。在一段時間內只為一臺高速外設獨占使用。選擇通道的硬件選擇通道的硬件 4747/66/666.5 通道處理機q5 5個寄存器個寄存器

41、 數據緩沖寄存器、設備地址寄存器、主存地址數據緩沖寄存器、設備地址寄存器、主存地址計數器、交換字節數計數器、設備狀態計數器、交換字節數計數器、設備狀態/ /控制寄控制寄存器存器 q格式變換部件格式變換部件用于在主存和設備之間進行字與字節的拆分和裝配用于在主存和設備之間進行字與字節的拆分和裝配q通道控制部件通道控制部件 w數組多路通道數組多路通道 適用于高速設備。適用于高速設備。3.每次選擇一個高速設備后傳送一個數據塊，輪流每次選擇一個高速設備后傳送一個數據塊，輪流為多臺外圍設備服務。為多臺外圍設備服務。4848/66/666.5 通道處理機數組多路通道之所以能夠并行地為多臺高速設備數組多路通道

42、之所以能夠并行地為多臺高速設備服務，是因為雖然其所連設備的傳輸速率很高，服務，是因為雖然其所連設備的傳輸速率很高，但尋址等輔助操作時間很長。但尋址等輔助操作時間很長。 4949/66/666.5 通道處理機通道流量通道流量一個通道在數據傳送期間，單位時間內能夠傳送一個通道在數據傳送期間，單位時間內能夠傳送的數據量。所用單位一般為的數據量。所用單位一般為Bps。 又稱為又稱為通道吞吐率通道吞吐率、通道數據傳輸率通道數據傳輸率等。等。通道最大流量通道最大流量 一個通道在滿負荷工作狀態下的流量一個通道在滿負荷工作狀態下的流量 。6.5.4 6.5.4 通道中的數據傳送過程與流量分析通道中的數據傳送過

43、程與流量分析5050/66/666.5 通道處理機參數的定義參數的定義 qT TS S：設備選擇時間。從通道響應設備發出的數據傳送請設備選擇時間。從通道響應設備發出的數據傳送請求開始，到通道實際為這臺設備傳送數據所需要的時間。求開始，到通道實際為這臺設備傳送數據所需要的時間。qT TD D：傳送一個字節所用的時間。傳送一個字節所用的時間。qp p：在一個通道上連接的設備臺數，且這些設備同時都在一個通道上連接的設備臺數，且這些設備同時都在工作。在工作。qn n：每臺設備傳送的字節數，這里假設每臺設備傳送的每臺設備傳送的字節數，這里假設每臺設備傳送的字節數都相同。字節數都相同。qk k：數組多路通

44、道傳輸的一個數據塊中包含的字節數。數組多路通道傳輸的一個數據塊中包含的字節數。在一般情況下，在一般情況下，knkn。對于磁盤、磁帶等磁表面存儲器，。對于磁盤、磁帶等磁表面存儲器，通常通常k=512k=512。qT T：通道完成全部數據傳送工作所需要的時間。通道完成全部數據傳送工作所需要的時間。5151/66/666.5 通道處理機1. 字節多路通道字節多路通道 數據傳送過程數據傳送過程 通道每連接一臺個外設，只傳送一個字節，然后通道每連接一臺個外設，只傳送一個字節，然后又與另一臺設備連接，并傳送一個字節。又與另一臺設備連接，并傳送一個字節。p p臺設備每臺傳送臺設備每臺傳送n n個數據總共所需

45、的時間為個數據總共所需的時間為 TS TD TS TD TS TD TS TD D11 D21 Dij Dpn T np)T(TTDSBYTE5252/66/666.5 通道處理機最大流量最大流量實際流量實際流量是連接在這個通道上的所有設備的數據是連接在這個通道上的所有設備的數據傳輸率之和。傳輸率之和。qf fi i：第第i i臺設備的實際數據傳輸率臺設備的實際數據傳輸率 DSDSBYTE-MAXTT1)pnT(Tpnfp1iiBYTEff5353/66/666.5 通道處理機w選擇通道選擇通道 在一段時間內只能單獨為一臺高速外設服務，當在一段時間內只能單獨為一臺高速外設服務，當這臺設備的數據

46、傳送工作全部完成后，通道才能這臺設備的數據傳送工作全部完成后，通道才能為另一臺設備服務。為另一臺設備服務。 工作過程工作過程其中：其中：D Di i表示通道正在為第表示通道正在為第i i臺設備服務臺設備服務 T TD1D1 = T = TD2D2 = = = = T TDnDn = T = TD D TS TD1 TD2TDn D1 T TS TD1 TD2TDn D2 TS TD1 TD2TDn Dp 5454/66/666.5 通道處理機p p臺設備每臺傳送臺設備每臺傳送n n個數據總共所需的時間個數據總共所需的時間 最大流量最大流量 np)TnT(TDSSELECTDSDSSELECT-

47、MAXTnT1)pnTnT(pnf5555/66/666.5 通道處理機w數組多路通道數組多路通道 工作過程工作過程p p臺設備每臺傳送臺設備每臺傳送n n個數據總共所需的時間為：個數據總共所需的時間為： TS TD1 TD2TDk D1 T TS TD1 TD2TDk D2 TS TDk+1 TD2k D1 TS TDn-k TDn Dp np)TkT(TDSBLOCK5656/66/666.5 通道處理機最大流量最大流量選擇通道和數組多路通道的選擇通道和數組多路通道的實際流量實際流量就是連接在就是連接在這個通道上的所有設備中數據流量最大的那一個這個通道上的所有設備中數據流量最大的那一個 。

48、DSDSBLOCK-MAXTkT1)pnTkT(pnf5757/66/666.5 通道處理機各種通道的實際流量應該各種通道的實際流量應該不大于不大于通道的最大流量通道的最大流量q兩邊的差值越小，通道的利用率就越高。兩邊的差值越小，通道的利用率就越高。q當兩邊相等時，通道處于滿負荷工作狀態。當兩邊相等時，通道處于滿負荷工作狀態。 ip1iBLOCKfmaxfip1iSELECTfmaxfBYTEMAXBYTEffBLOCKMAXBLOCKffSELECTMAXSELECTff5858/66/66 設計設計I/OI/O系統需要注意操作系統的因素。系統需要注意操作系統的因素。在用硬件實現的在用硬件實

49、現的I/OI/O技術中，哪些會實際被采用，技術中，哪些會實際被采用，是由操作系統來決定的。是由操作系統來決定的。 I/OI/O操作主要是在外設和存儲器之間進行，所以操作主要是在外設和存儲器之間進行，所以操作系統必須保證這些操作系統必須保證這些I/OI/O操作的安全性。操作的安全性。 6.6 I/O6.6 I/O與操作系統與操作系統第6章 輸入/輸出系統5959/66/666.6 I/O與操作系統DMADMA是使用虛擬地址還是物理地址？是使用虛擬地址還是物理地址？1.1. 使用物理地址進行使用物理地址進行DMADMA傳輸，存在以下兩個問題：傳輸，存在以下兩個問題：對于超過一頁的數據緩沖區，由于緩

50、沖區使用的對于超過一頁的數據緩沖區，由于緩沖區使用的頁面在物理存儲器中不一定是連續的，所以傳輸頁面在物理存儲器中不一定是連續的，所以傳輸可能會發生問題。可能會發生問題。 如果如果DMADMA正在存儲器和緩沖區之間傳輸數據時，正在存儲器和緩沖區之間傳輸數據時，操作系統從存儲器中移出（或重定位）一些頁面，操作系統從存儲器中移出（或重定位）一些頁面，那么，那么，DMADMA將會在存儲器中錯誤的物理頁面上進將會在存儲器中錯誤的物理頁面上進行數據傳輸。行數據傳輸。 6.6.1 DMA6.6.1 DMA和虛擬存儲器和虛擬存儲器6060/66/666.6 I/O與操作系統w解決這些問題的方法解決這些問題的方

51、法 使操作系統在使操作系統在I/OI/O的傳輸過程中確保的傳輸過程中確保DMADMA設備所訪設備所訪問的頁面都位于物理存儲器中，這些頁面被稱為問的頁面都位于物理存儲器中，這些頁面被稱為是是釘在了主存中。釘在了主存中?！疤摂M虛擬DMA”DMA”技術技術 q允許允許DMADMA設備直接使用虛擬地址，并在設備直接使用虛擬地址，并在DMADMA期間由硬件期間由硬件將虛擬地址轉換為物理地址。將虛擬地址轉換為物理地址。 q在采用虛擬在采用虛擬DMADMA的情況下，如果進程在內存中被移動，的情況下，如果進程在內存中被移動，操作系統應該能夠及時地修改相應的操作系統應該能夠及時地修改相應的DMADMA地址表。地址表。 I/O控制器控制器圖形輸出圖形輸出網絡網絡I/O控制器控制器I/O控制器控制器磁盤磁盤磁盤磁盤虛擬虛擬DMADMA的的I