6.1 I/O系统
一.设备
1.分类
（1）速度
1）低（鼠标、键盘）
2）中（打印机）
3）高（磁盘）
（2）传输单位
1）字符（低：键盘，鼠标（中断））
2）块（高：磁盘（DMA））
（3）属性
1）独占
2）共享
3）虚拟设备：独占->共享
（4）方式
1）I（鼠标键盘）
2）O（打印机）
3）I/O（磁盘）
2.接口
（1）数据信号线
（2）控制信号线
（3）状态信号线
二．控制器
- 功能
(1) 接收和识别命令。设备控制器能接收并识别处理机发来的多种命令。在控制器中 具有相应的控制寄存器，用来存放接收的命令和参数，并对所接收的命令进行译码。例如， 磁盘控制器可以接收CPU发来的read、write、format等丨5条不同的命令，而且有些命 令还带有参数。相应地，在磁盘控制器中有多个寄存器和命令译码器等。
(2) 数据交换。设备控制器可实现CPU与控制器之间、控制器与设备之间的数据交换。 对于前者，是通过数据总线，由CPU并行地把数据写入控制器，或从控制器中并行地读出 数据。对于后者，是设备将数据输入到控制器，或从控制器传送给设备。为此，在控制器 中须设置数据寄存器。
(3) 标识和报告设备的状态。控制器应记下设备的状态供CPU 了解。例如，仅当该设 备处于发送就绪状态时，CPU才能启动控制器从设备中读出数据。为此，在控制器中应设 状态寄存器，用其中的每一位反映设备的某一种状态。当CPU将该寄存器的内容读入 后，便可了解该设备的状态。
(4>地址识别。就像内存中的每一个单元都有一个地址一样，系统中的每一个设备也 都有一个地址。设备控制器必须能够识别其所控制的每个设备的地址。此外，为使CPU能 向(或从)寄存器中写入(或读出)数据，这些寄存器都应具有唯一的地址。控制器应能正确识 别这些地址。为此，在控制器中应配置地址译码器。
(5) 数据缓冲区。由于I/O设备的速率较低，而CPU和内存的速率却很高，故在控制 器中必须设置一缓冲区。在输出时，用此缓冲区暂存由主机高速传来的数据，然后才以与 I/O设备所匹配的速率将缓冲器中的数据传送给I/O设备。在输入时，缓冲区则用于暂存从 I/O设备送来的数据，待接收到一批数据后，再将缓冲区中的数据高速地传送给主机。
(6) 差错控制。对于由I/O设备传送来的数据，设备控制器还兼管进行差错检测。若发 现传送中出现了错误，通常是将差错检测码 S位，并向 CPU报告，于是 CPU将本次传送 来的数据作废，并重新进行一次传送。这样便可保证数据输入的正确性。
2.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，在该接口中共有三类信号线：数据线、地址线和控制线。数据线通常与两类寄存器相连接： ①第一类是数据寄存器，在控制器中可以有一个或多个数据寄存器，用于存放从设备送来 的数据(输入)，或从CPU送来的数据(输出)。②第二类是控制/状态寄存器，在控制器中可 以有一个或多个这类寄存器，用于存放从CPU送来的控制信息或设备的状态信息。
(2) 设备控制器与设备的接口。在一个设备控制器上，可以连接一个或多个设备。相 应的，在控制器中便有一个或多个设备接口。在每个接口中都存在数据、控制和状态三种 类型的信号。控制器中的I/O逻辑根据处理机发来的地址信号去选择一个设备接口。
(3) I/O逻辑。I/O逻辑用于实现对设备的控制。它通过一组控制线与处理机交互，处 理机利用该逻辑向控制器发送I/O命令。每当CPU要启动一个设备时，一方面将启动命令 发送给控制器，另一方面又同时通过地址线把地址发送给控制器，由控制器的I/O逻辑对 收到的地址进行译码，再根据所译出的命令对所选设备进行控制。
三. 通道
- 定义:外围处理机，I/O处理机
- CPU与通道关系
| 设备 |
CPU |
CH |
| 指令 |
复杂 |
单一 |
| 存储器 |
有M |
无M |
| 关系 |
CPU与CH并行工作，CH受控于CPU |
|
- 分类
（1）字节多路通道
这是一种按字节交叉方式工作的通道。它通常都含有许多非分配型子通道，其数最可 从几十到数百个，每一个子通道连接一台I/O设备，并控制该设备的I/O操作。这些子通 逍按时间片轮转方式共享主通道。当第一个子通道控制其I/O设备究成一个字节的交换后， 便立即腾出主通道，让给第二个子通道使用：当第二个子通道也完成一个字节的交换后， 同样也把主通道让给第三个通道：依此类推。当所有子通道轮转一周后，又返回来由 第一个子通道去使用字节多路主通道。这样，只要字节多路通道扫描每个子通道的速率足 够快，而连接到子通道上的设备的速率又不是太高，便不致丢失信息。
（2）数组选择通道
字节多路通道不适于连接高速设备，这推动了按数组方式进行数据传送的数组选择通 道的形成。这种通道虽然可以连接多台高速设备，但由于它只含有一个分配型子通道，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，致使当某台设备占用了 该通道后，便一贞由它独占，即使是它无数据传送，通道被闲置，也不允许其它设备使用该通道，直到该设备传送完毕释放该通道。这种通道的利用率很低。
（3）数组多路通道
数组选择通道虽有很高的传输速率，但它却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传输速率高和字节多路通道能使各子通道(设备)分时并行操作的优 点相结合而形成的一种新通道。它含有多个非分配型子通道，因而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。也正因此，才使该通道能被广泛地用于 连接多台高、中速的外围设备，其数据传送是按数组方式进行的。
6.2 对I/O的控制方式
一.轮询的可编程I/O方式
处理机对I/O设备的控制采取轮询的编程I/O方式，即在处理机向控制器发出一条 I/O指令，启动输入设备输入数据时，要同时把状态寄存器中的忙/闲标志busy置为1，然 后便不断地循环测试busy(称为轮询)。当busy=l时，表示输入机尚未输完一个字(符)，处 理机应继续对该标志进行测试.直至busy=0,表明输入机已将输入数据送入控制器的数据 寄存器中。于是处理机将数据寄存器中的数据取出，送入内存指定单元中，这样便完成了 -个字(符)的I/O。接着再去启动读下一个数据，并busy=1。
二. 使用中断的I/O可编程方式
当前，对I/O设备的控制，广泛采用中断的可编程I/O方式，即当某进程要启动某个 I/O设备工作时，便由CPU向相应的设备控制器发出一条I/O命令，然后立即返回继续执行原来的任务。设备控制器于是按照该命令的要求去控制指定I/O设备0此时，CPU与I/O 设备并行操作。例如，在输入时，当设备控制器收到CPU发来的读命令后，便去控制相 应的输入设备读数据。一旦数据进入数据寄存器，控制器便通过控制线向CPU发送一中 断信号，由CPU检査输入过程中是否出错，若无错，便向控制器发送取走数据的信号，然后再通过控制器及数据线，将数据写入内存指定单元中。
三. DMA（直接存储器访问方式）
- 特点
（1）数据传输的基本单位是数据块
（2）数据是从设备直接送入内存或相反
（3）仅在传输的开始和结束时CPU干预，其他时间控制器控制
2.控制器组成
（1）主机与DMA控制器的接口
（2）DMA控制器与设备块的接口
（3）I/O控制逻辑
控制器有4类寄存器
(1) 命令/状态寄存器CR，用于接收从CPU发来的I/O命令，或有关控制信息，或设 备的状态。
(2) 内存地址寄存器MAR,在输入时，它存放把数据从设备传送到内存的起始目标地 址，在输出时，它存放由内存到设备的内存源地址。
(3) 数据寄存器DR,用于暂存从设备到内存，或从内存到设备的数据。
(4) 数据计数器DC,存放本次 CPU要读或写的字(节)数。
3.工作过程
四. I/O通道控制方式
通道是通过执行通道程序并与设备控制器共同实现对I/O设备的控制的。通道程序是 由一系列通道指令(或称为通道命令)所构成的。通道指令与一般的机器指令不同，在它的每条指令中都包含下列诸信息：
(1) 操作码，它规定了指令所执行的操作，如读、写、控制等操作。
(2) 内存地址，标明字符送入内存(读操作)和从内存取出(写操作)时的内存首址。
(3) 计数，表示本条指令所要读(或写)数据的字节数。
(4) 通道程序结束位P，用于表示通道程序是否结束。P=1表示本条指令是通道程序的 最后一条指令。
(5) 记录结束标志R,R=0表示本通逍指令与F—条指令所处理的数据是同属于一个记 录：R=1表示这是处理某记录的最后一条指令。
下面示出了一个由六条通道指令所构成的简单的通道程序。该程序的功能是将内存中 不同地址的数据写成多个记录。其中，前三条指令是分别将813〜892单元中的80个字符 和1034〜1173单元中的140个字符及5830〜5889单元中的60个字符写成一个记录；第4 条指令是单独写一个具有300个字符的记录：第5、6条指令共写含300个字符的记录。
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设备分配的顺序，某进程申请K，申请时的顺序为
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