网络工程师－操作系统之设备管理(第六天)

1、数据传输控制方式

 

（1）程序控制

　　最简单的I/O控制方式是处理机对I/O设备直接进行控制，采取程序I/O（Programmed I/O）方式或称为忙一等待方式。CPU首先向设备控制器的控制寄存器发出一条I/O指令启动I/O设备进行数据传输，硬件同时把状态寄存器中的忙/闲标志busy置为1，表示该I/O设备尚未输入完一个字(符)。接着CPU应重复读取状态寄存器忙/闲标志busy进行测试（cpu不能执行其他进程），直至busy=0，表示该I/O设备已将输入数据送入到I/O控制器的数据寄存器中，于是CPU将从数据寄存器中取出数据，送入内存的指定单元，接着，再启动去读下一个数据，并置busy=l。

　　在程序I/O方式中，由于CPU的速度远远高于I/O设备，导致CPU的绝大部分时间都处于等待I/O设备完成而循环测试之中，造成了CPU的极大浪费。但是它管理简单，在要求不高的场合可以被采用。

（2）中断控制

• 中断处理过程

 

 

（3）DMA控制

　　中断驱动I/O方式虽然大大提高了主机的利用率，但是它以字（节）为单位进行数据传送，每完成一个字（节）的传送，控制器便要向CPU请求一次中断（做保存现场信息，恢复现场等工作），仍然占用了CPU的许多时间。这种方式对于高速的块设备的I/O控制显然是不适合。为了进一步减少CPU对I/O的干预，引入了直接存储器访问DMA（Direct Memory Access）控制方式。

　　DMA方式是一种完全由硬件执行I／O数据交换的工作方式，它需要使用一个专门的DMA控制器（DMAC），内含于设备控制器，DMAC中有控制状态寄存器、传送字节计数器、内存地址寄存器和数据缓冲寄存器。在这种方式中，DMAC采用盗窃总线控制权的方法从CPU接管对总线的控制，成批的数据交换不经过CPU而直接在内存和I／O设备之间进行。

DMA方式下的数据传送过程可分为三个阶段：

• 1) 预处理阶段：当进程要求设备输入数据时，CPU把准备存放输入数据的内存起始地址以及要传送的字节数分别送入DMAC中的内存地址寄存器和传送字节计数器。另外，还把控制状态寄存器中的中断允许位和启动位置成1，从而启动设备，开始进行数据输入。

• 2) 数据传送阶段：发出数据传输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。DMAC不断地窃取CPU工作周期，执行数据传送的操作：向内存发出地址和控制信号，进行地址修改，对传送字的个数计数，直到所要求的字节全部传送完毕。   

• 3) 后处理阶段：DMAC在传送完所有字节时，通过中断请求线发出中断信号。CPU在接收到中断信号后，转入中断处理程序进行后续处理。中断处理结束后，CPU返回到被中断的进程中，或切换到新的进程上下文环境中，继续执行。

（4）通道控制方式

• ①I/O通道控制方式的引入

　　虽然 DMA方式比中断驱动方式已显著地减少了CPU的干预，即由以字（节）为单位的干预减少到以数据块为单位的干预。但是CPU每发出一条I/O指令，也只能去读（或写）一个连续的数据块。而当我们需要一次去读多个离散的数据块且将它们分别传送到不同的内存区域，或者相反时，则需由CPU分别发出多条I/O指令及进行多次中断处理，才能完成。

　　由于DMA每次只能执行一条I/O指令，不能满足复杂的I/O操作要求。在大、中型计算机系统中，普遍采用由专用的I/O处理机---具有执行I/O指令能力的通道来接受CPU的委托，与CPU并行独立执行自己的通道程序来实现I/O设备与内存之间的信息交换，这就是通道技术。通道技术可以进一步减少 CPU的干预，即把对一个数据块为单位的读（或写）的干预，减少到对一组数据块为单位的读（或写）的有关的控制和管理的干预。这样可实现 CPU、通道和I/O设备三者之间的并行工作，从而更有效地提高了整个系统的资源利用率和运行速度。

• ②通道程序

　　通道是通过执行通道程序，并与设备控制器来共同实现对I/O设备的控制。通道程序是由一系列的通道指令（或称为通道命令）所构成。通道指令与一般的机器指令不同，在每条指令中包含的信息较多，有操作码、内存地址、计数（读或写数据的字节数）、通道程序结束位P和记录结束标志R。通道程序是在cpu执行I/O命令时通过设备管理程序产生的，传递给通道。

• ③通道类型

（1）字节多路通道

在这种通道中，通常都含有较多个（8，16，32）非分配型子通道（一个通道连接多个逻辑设备），每一个子通道连接一台I/O设备。这些子通道按时间片轮转方式共享主通道。一个子通道完成一个字节的传送后，立即让出字节多路通道（主通道），给另一个子通道使用。它适用于连接低速或中速设备，如打印机、终端等。

字节多路通道主要用于连接大量的低速设备，如键盘、打印机等等。例如数据传输率是1000B/s，即传送1个字节的间隔是1ms，而通道从设备接收或发送一个字节只需要几百纳秒，因此通道在传送两个字节之间有很多空闲时间，字节多路通道正是利用这个空闲时间为其他设备服务。

（2）数组选择通道

这种通道虽然可以连接多台I/O设备，但是它只有一个分配型通道（连接多个物理设备，但是只能使用一个逻辑设备），在一段时间内只能执行一道通道程序、控制一台设备进行数据传送，其数据传送是按数组块方式进行。选择通道很像一个单道程序的处理器，在一段时间内只允许执行一个设备的通道程序。即当某台设备一旦占用了该通道，就被它独占，直至该设备传送完毕释放该通道为止。可见，它适于连接高速设备（如磁盘机、磁带机），但是这种通道的利用率较低。

（3）数组多路通道

　　数组选择通道虽然有很高的传输速率，但它每次只允许一个设备传输数据。数组多路通道是将数组选择通道的传输速率高和字节多路通道的分时并行操作的优点结合起来，形成的一种新的通道。当某设备进行数据传送时，通道只为该设备服务；当设备在执行寻址等控制性动作时，通道暂时断开与这个设备的连接，挂起该设备的通道程序，去为其他设备服务，即执行其他设备的通道程序。它含有多个非分配型子通道，可以连接多台高、中速的外围设备，其数据传送却是按数组方式进行。所以这种通道既具有很高的数据传输速率，又能获得令人满意的通道利用率。

3、虚设备和SPOOLING技术

 

 思考题：