第4章 華東理工大學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 計(jì)141阿金

1、第第4章章 輸入輸出系統(tǒng)輸入輸出系統(tǒng)4.1 輸入輸出原理輸入輸出原理4.2 中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng)4.3 通道處理機(jī)通道處理機(jī)4.4 輸入輸出處理機(jī)輸入輸出處理機(jī)4.1 4.1 輸入輸出原理輸入輸出原理通常把處理機(jī)與主存儲器之外的部分統(tǒng)稱為通常把處理機(jī)與主存儲器之外的部分統(tǒng)稱為輸輸入輸出系統(tǒng)入輸出系統(tǒng)，包括，包括輸入輸出設(shè)備、輸入輸出輸入輸出設(shè)備、輸入輸出接口和輸入輸出軟件接口和輸入輸出軟件等。等。實(shí)際上，運(yùn)算器、控制器、主存儲器和總線等實(shí)際上，運(yùn)算器、控制器、主存儲器和總線等也要通過輸入輸出系統(tǒng)來管理。也要通過輸入輸出系統(tǒng)來管理。4.1.1 4.1.1 輸入輸出系統(tǒng)的特點(diǎn)輸入輸出系統(tǒng)的特點(diǎn)4.1.

2、2 4.1.2 輸入輸出系統(tǒng)的組織方式輸入輸出系統(tǒng)的組織方式4.1.3 4.1.3 基本輸入輸出方式基本輸入輸出方式4.1.1 4.1.1 輸入輸出系統(tǒng)的特點(diǎn)輸入輸出系統(tǒng)的特點(diǎn)輸入輸出系統(tǒng)是處理機(jī)與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的輸入輸出系統(tǒng)是處理機(jī)與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的通道。通道。輸入輸出系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最具多樣性和復(fù)雜性的部分。輸入輸出系統(tǒng)涉及到機(jī)、光、電、磁、聲、自動控制等多種學(xué)科。輸入輸出系統(tǒng)最典型地反映著硬件與軟件的相互結(jié)合。輸入輸出系統(tǒng)的復(fù)雜性隱藏在系統(tǒng)軟件中，用戶無需了解輸入輸出設(shè)備的具體細(xì)節(jié)。處理機(jī)的外部世界包括：處理機(jī)的外部世界包括：處理機(jī)處理機(jī) 系統(tǒng)操作員系統(tǒng)操作員本地或遠(yuǎn)程用戶本地或遠(yuǎn)

3、程用戶實(shí)時輸入輸出實(shí)時輸入輸出輸入輸出設(shè)備輸入輸出設(shè)備虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)其它處理機(jī)其它處理機(jī)本身出錯處理本身出錯處理程序請求程序請求1.1.實(shí)時性實(shí)時性對于一般輸入輸出設(shè)備,如果處理機(jī)提供的服務(wù)不及時，可能丟失數(shù)據(jù)可能丟失數(shù)據(jù)，或造成外圍設(shè)備工作的錯誤。對于實(shí)時控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，如果處理機(jī)提供的服務(wù)不及時，可能造成巨大的損失可能造成巨大的損失，甚至造成人身傷害。對于處理機(jī)本身的硬件或軟件錯誤處理機(jī)本身的硬件或軟件錯誤：如電源故障、數(shù)據(jù)校驗(yàn)錯、頁面失效、非法指令、地址越界等，處理機(jī)必須及時處理。對不同類型的設(shè)備，必須具有與設(shè)備相配合的多種工作方式多種工作方式。2.2.與設(shè)備無關(guān)性與設(shè)備無關(guān)性

4、獨(dú)立于具體設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)接口獨(dú)立于具體設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)接口。例如，串行接口、并行接口、SCSI（Small Computer System Interface）接口等計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的使用者，在需要更換外圍設(shè)備時，各種不同型號，不同生產(chǎn)廠家的設(shè)備都可以直接通過標(biāo)準(zhǔn)接口通過標(biāo)準(zhǔn)接口與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接。處理機(jī)采用統(tǒng)一的硬件和軟件對品種繁多的設(shè)采用統(tǒng)一的硬件和軟件對品種繁多的設(shè)備進(jìn)行管理。備進(jìn)行管理。某些計(jì)算機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了即插即用技術(shù)即插即用技術(shù)。3.3.異步性異步性輸入輸出設(shè)備通常不使用統(tǒng)一的中央時鐘，各各個設(shè)備按照自己的時鐘工作個設(shè)備按照自己的時鐘工作，但又要在某些時刻接受處理機(jī)的控制。處理機(jī)與外圍設(shè)備之間，外

5、圍設(shè)備與外圍設(shè)備外圍設(shè)備與外圍設(shè)備之間能并行工作之間能并行工作針對實(shí)時性，采用針對實(shí)時性，采用層次結(jié)構(gòu)層次結(jié)構(gòu)的方法，的方法，針對與設(shè)備無關(guān)性，采用針對與設(shè)備無關(guān)性，采用分類處理分類處理的方法的方法針對異步性，采用針對異步性，采用自治控制自治控制的方法，的方法，4.1.2 4.1.2 輸入輸出系統(tǒng)的組織方式輸入輸出系統(tǒng)的組織方式1. 1. 自治控制自治控制輸入輸出系統(tǒng)是獨(dú)立于CPU之外的自治系統(tǒng)處理機(jī)與外圍設(shè)備之間要有恰當(dāng)?shù)姆止?. 2. 層次結(jié)構(gòu)層次結(jié)構(gòu)最內(nèi)層是輸入輸出處理機(jī)輸入輸出處理機(jī)、輸入輸出通道輸入輸出通道等中間層是標(biāo)準(zhǔn)接口標(biāo)準(zhǔn)接口。標(biāo)準(zhǔn)接口通過設(shè)備控制器與輸入輸出設(shè)備輸入輸出設(shè)備連

6、接3. 3. 分類組織分類組織面向字符的設(shè)備面向字符的設(shè)備，如字符終端、打字機(jī)等面向數(shù)據(jù)塊的設(shè)備面向數(shù)據(jù)塊的設(shè)備，如磁盤、磁帶、光盤等。處處理理機(jī)機(jī)( (C CP PU U) )主主存存儲儲器器( (M MM M) )存存儲儲器器總總線線I IO O 處處理理機(jī)機(jī)I IO O 處處理理機(jī)機(jī)I IO O 處處理理機(jī)機(jī)C CU UD DC CU UD DC CU UD DC CU UD DD DC CU UD DC CU UD DD D I IO O 總總線線C CU UD DD DC CU U 是是設(shè)設(shè)備備控控制制器器，D D 是是外外圍圍設(shè)設(shè)備備輸輸入入輸輸出出系系統(tǒng)統(tǒng)的的層層次次結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)4.

7、1.3 4.1.3 基本輸入輸出方式基本輸入輸出方式1. 1. 程序控制輸入輸出方式程序控制輸入輸出方式狀態(tài)驅(qū)動輸入輸出方式、應(yīng)答輸入輸出方式、查詢輸入輸出方式、條件驅(qū)動輸入輸出方式程序控制輸入輸出方式的4個特點(diǎn)：(1)何時對何設(shè)備進(jìn)行輸入輸出操作受何時對何設(shè)備進(jìn)行輸入輸出操作受CPU控制控制(2)CPU要通過指令對設(shè)備進(jìn)行測試才能知道設(shè)要通過指令對設(shè)備進(jìn)行測試才能知道設(shè)備的工作狀態(tài)。備的工作狀態(tài)?？臻e、準(zhǔn)備就緒、忙碌等(3)數(shù)據(jù)的輸入和輸出都要經(jīng)過CPU(4)用于連接低速外圍設(shè)備，如終端、打印機(jī)等例例4.14.1：一個處理機(jī)在一段時間內(nèi)只能管理一臺打印機(jī)。處理機(jī)執(zhí)行指令的速度為1GIPS，字

8、長32位，打印機(jī)每秒鐘100個字符。解：解：處理機(jī)用一條指令就能向打印機(jī)傳送4個字符。因此，處理機(jī)的實(shí)際利用率只有即4 4千萬分之一千萬分之一。 100/10940.2510-7輸輸入入設(shè)設(shè)備備I ID D處處理理機(jī)機(jī)C CP PU U主主存存儲儲器器M MM M輸輸出出設(shè)設(shè)備備O OD D程程序序控控制制方方式式的的數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)傳傳送送過過程程一個處理機(jī)管理多臺外圍設(shè)備。處理機(jī)采用輪流采用輪流循環(huán)測試方法循環(huán)測試方法，分時為各臺外圍設(shè)備服務(wù)。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 靈活性很好靈活性很好?？梢院苋菀椎馗淖兏髋_外圍設(shè)備的優(yōu)先級。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：不能實(shí)現(xiàn)處理機(jī)與外圍不能實(shí)現(xiàn)處理機(jī)與外圍設(shè)備之間并行工作。設(shè)備之間并行

9、工作。 在程序控制方式中一個處理機(jī)管在程序控制方式中一個處理機(jī)管理多臺外部設(shè)備的程序流程圖理多臺外部設(shè)備的程序流程圖 DONE1=1? 從設(shè)備緩沖寄存器讀一個字符從設(shè)備緩沖寄存器讀一個字符 到主存儲器或者從主存儲器傳到主存儲器或者從主存儲器傳 送一個字符到設(shè)備緩沖寄存器送一個字符到設(shè)備緩沖寄存器 DONE2=1? 從設(shè)備緩沖寄存器讀一個字符從設(shè)備緩沖寄存器讀一個字符 到主存儲器或者從主存儲器傳到主存儲器或者從主存儲器傳 送一個字符到設(shè)備緩沖寄存器送一個字符到設(shè)備緩沖寄存器 否否 否否 是是 是是 2.2.中斷輸入輸出方式中斷輸入輸出方式定義定義：當(dāng)出現(xiàn)來自系統(tǒng)外部，機(jī)器內(nèi)部，甚至當(dāng)出現(xiàn)來自系統(tǒng)

10、外部，機(jī)器內(nèi)部，甚至處理機(jī)本身的任何例外的處理機(jī)本身的任何例外的，或者雖然是事先，或者雖然是事先安排的，但出現(xiàn)在現(xiàn)行程序的什么地方是事安排的，但出現(xiàn)在現(xiàn)行程序的什么地方是事先不知道的先不知道的事件時，事件時，CPUCPU暫停執(zhí)行現(xiàn)行程序，暫停執(zhí)行現(xiàn)行程序，轉(zhuǎn)去處理這些事件，等處理完成后再返回來轉(zhuǎn)去處理這些事件，等處理完成后再返回來繼續(xù)執(zhí)行原先的程序。繼續(xù)執(zhí)行原先的程序。特點(diǎn)特點(diǎn)：(1)CPU與外圍設(shè)備能夠并行工作。與外圍設(shè)備能夠并行工作。(2)能夠處理例外事件。能夠處理例外事件。(3)數(shù)據(jù)的輸入和輸出都要經(jīng)過CPU。(4)用于連接低速外圍設(shè)備。3.3.直接存儲器訪問方式直接存儲器訪問方式直接存

11、儲器訪問方式(DMA：Direct Memory Access)，主要用來連接高速外圍設(shè)備。如磁盤存儲器，磁帶存儲器、光盤輔助存儲器，行式打印機(jī)等。輸輸入入設(shè)設(shè)備備I ID D主主存存儲儲器器M MM M存存儲儲器器總總線線處處理理機(jī)機(jī)C CP PU U輸輸出出設(shè)設(shè)備備O OD D I IO O 總總線線D DM MA A 方方式式的的數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)傳傳送送過過程程DMA方式具有如下特點(diǎn)方式具有如下特點(diǎn)：(1)外圍設(shè)備的訪問請求直接發(fā)往主存儲器，外圍設(shè)備的訪問請求直接發(fā)往主存儲器，數(shù)據(jù)的傳送過程不需要數(shù)據(jù)的傳送過程不需要CPUCPU的干預(yù)的干預(yù)。(2)全部用硬件實(shí)現(xiàn)，不需要做保存現(xiàn)場和恢全部用硬件實(shí)

12、現(xiàn)，不需要做保存現(xiàn)場和恢復(fù)現(xiàn)場等工作。復(fù)現(xiàn)場等工作。(3)DMA控制器復(fù)雜，需要設(shè)置數(shù)據(jù)寄存器、設(shè)備狀態(tài)控制寄存器、主存地址寄存器、設(shè)備地址寄存器和數(shù)據(jù)交換個數(shù)計(jì)數(shù)器及控制邏輯等。(4)在DMA方式開始和結(jié)束時，需要處理機(jī)進(jìn)行管理。 DMA DMA輸入設(shè)備輸入設(shè)備的工作流程如下：的工作流程如下：從設(shè)備讀一個字節(jié)到DMA控制器中的數(shù)據(jù)緩沖寄存器中。若一個字沒有裝配滿，則返回到上面；若校驗(yàn)出錯，則發(fā)中斷申請；若一個字已裝配滿，則將數(shù)據(jù)送主存數(shù)據(jù)寄存器。把主存地址送主存地址寄存器，并將主存地址增值。把DMA控制器內(nèi)的數(shù)據(jù)交換個數(shù)計(jì)數(shù)器減。若交換個數(shù)為0，則DMA數(shù)據(jù)傳送過程結(jié)束，否則回到上面。 DM

13、ADMA輸出設(shè)備輸出設(shè)備的工作流程如下：的工作流程如下：把主存地址送入主存地址寄存器，并啟動主存儲器，同時將主存地址增值。將主存數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)送DMA控制器的數(shù)據(jù)寄存器。把數(shù)據(jù)寫到輸出介質(zhì)上（可能要逐個字符輸出）。把DMA控制器內(nèi)的數(shù)據(jù)交換個數(shù)計(jì)數(shù)器中的內(nèi)容減。若交換個數(shù)為0，則DMA數(shù)據(jù)傳送過程結(jié)束，否則回到上面。 目前使用的目前使用的DMADMA方式實(shí)際上有如下三種：方式實(shí)際上有如下三種： (1)(1)周期竊取方式：周期竊取方式：在每一條指令執(zhí)行結(jié)束時，CPU測試有沒有DMA服務(wù)申請。借用CPU完成DMA工作流程。包括數(shù)據(jù)和主存地址的傳送，交換個數(shù)計(jì)數(shù)器減1，主存地址的增值及一些測試判

14、斷等。周期竊取方式的優(yōu)點(diǎn)是硬件結(jié)構(gòu)簡單，比較容易實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)是在數(shù)據(jù)輸入或輸出過程種實(shí)際上占用了CPU的時間。(2)(2)直接存取方式：直接存取方式：整個工作流程全部用硬件完成。優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)正好與周期竊取方式相反。(3)(3)數(shù)據(jù)塊傳送方式：數(shù)據(jù)塊傳送方式：在設(shè)備控制器中設(shè)置一個比較大的數(shù)據(jù)緩沖存儲器。設(shè)備控制器與主存儲器之間的數(shù)據(jù)交換以數(shù)據(jù)塊為單位，并采用程序中斷方式進(jìn)行。采用數(shù)據(jù)塊傳送方式的外圍設(shè)備有軟盤驅(qū)動器、行式打印機(jī)、激光打印機(jī)、卡片閱讀機(jī)、繪圖儀等。4.2 4.2 中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng)4.2.1 中斷源的組織中斷源的組織4.2.2 中斷系統(tǒng)的軟硬件分配中斷系統(tǒng)的軟硬件分配4.2.3 中斷源

15、的識別方法中斷源的識別方法4.2.4 中斷現(xiàn)場的保存和恢復(fù)中斷現(xiàn)場的保存和恢復(fù)4.2.5 中斷屏蔽中斷屏蔽4.2.1 4.2.1 中斷源的組織中斷源的組織中斷系統(tǒng)需要硬件和軟件共同來實(shí)現(xiàn)。引起中斷的各種事件稱為中斷源。引起中斷的各種事件稱為中斷源。中斷系統(tǒng)的復(fù)雜性實(shí)際上主要是由中斷源的多樣性引起的。中斷源可以來自系統(tǒng)外部，也可以來自機(jī)器內(nèi)部，甚至處理機(jī)本身。中斷可以是硬件引起的，也可以是軟件引起的。把各種各樣的中斷源分類、分級組織好，是中斷系統(tǒng)的關(guān)鍵之一。1.1.中斷源的種類中斷源的種類(1)(1)由外圍設(shè)備引起的中斷。由外圍設(shè)備引起的中斷。低速外圍設(shè)備每傳送一個字節(jié)申請一次中斷；高速外圍設(shè)備

16、的前、后處理。(2)(2)由處理機(jī)本身產(chǎn)生的中斷。由處理機(jī)本身產(chǎn)生的中斷。如算術(shù)溢出，除數(shù)為零，數(shù)據(jù)校驗(yàn)錯等。(3)(3)由存儲器產(chǎn)生的中斷。由存儲器產(chǎn)生的中斷。如地址越界、頁面失效、訪問存儲器超時等。(4)(4)由控制器產(chǎn)生的中斷。由控制器產(chǎn)生的中斷。如非法指令、堆棧溢出、時間片到、切換到特權(quán)態(tài)。(5)(5)由總線產(chǎn)生的中斷。由總線產(chǎn)生的中斷。輸入輸出總線出錯,存儲總線出錯等。(6)(6)實(shí)時過程控制產(chǎn)生的中斷。實(shí)時過程控制產(chǎn)生的中斷。(7)(7)實(shí)時鐘的定時中斷。實(shí)時鐘的定時中斷。(8)(8)多處理機(jī)系統(tǒng)中，從其它處理機(jī)發(fā)送來的多處理機(jī)系統(tǒng)中，從其它處理機(jī)發(fā)送來的中斷。中斷。(9)(9)程

17、序調(diào)試過程中，由斷點(diǎn)產(chǎn)生的中斷。程序調(diào)試過程中，由斷點(diǎn)產(chǎn)生的中斷。(10)(10)硬件故障中斷。硬件故障中斷。(11)(11)電源故障中斷。電源故障中斷。2.2.中斷源的分類組織中斷源的分類組織中斷源分類組織的目的：在響應(yīng)中斷后能盡快在響應(yīng)中斷后能盡快找到中斷入口找到中斷入口。根據(jù)中斷事件的緊迫程度，中斷源工作速度、性質(zhì)等進(jìn)行分類為每一類中斷源分配一個硬件的中斷入口為每一類中斷源分配一個硬件的中斷入口，在進(jìn)入這個入口之后，再通過軟件找到具體的中斷源?？善帘沃袛嗯c不可屏蔽中斷，可屏蔽中斷與不可屏蔽中斷，或稱一般中斷和異常中斷。3.3.中斷優(yōu)先級中斷優(yōu)先級安排中斷優(yōu)先順序主要由下列因素來決定：中斷

18、源的急迫性。中斷源的急迫性。設(shè)備的工作速度。設(shè)備的工作速度。數(shù)據(jù)恢復(fù)的難易程度。數(shù)據(jù)恢復(fù)的難易程度。要求處理機(jī)提供的服務(wù)量。要求處理機(jī)提供的服務(wù)量。中斷優(yōu)先級與中斷服務(wù)順序 要求：響應(yīng)速度快，靈活性好。響應(yīng)速度快，靈活性好。 做法：由硬件排隊(duì)器決定中斷優(yōu)先級， 通過軟件設(shè)置中斷屏蔽碼改變中斷服通過軟件設(shè)置中斷屏蔽碼改變中斷服務(wù)順序。務(wù)順序。例例4.2：某：某處理機(jī)共有4個中斷源，中斷優(yōu)先級從高到低分別是：1級、2級、3級和4級。當(dāng)處理機(jī)在執(zhí)行主程序時，同時有3級和2級兩個中斷源向處理機(jī)發(fā)出中斷服務(wù)請求。當(dāng)處理機(jī)為2級中斷源服務(wù)時又有4級中斷源發(fā)出中斷服務(wù)請求。當(dāng)處理機(jī)為級中斷源服務(wù)時又有級中斷

19、源發(fā)出中斷服務(wù)請求。 解：解： 處理機(jī)響應(yīng)各中斷源的中斷請求和執(zhí)行中斷服務(wù)程序的過程如下：中中斷斷請請求求 主主程程序序 中中斷斷服服務(wù)務(wù)程程序序 1 1 級級 2 2 級級 3 3 級級 4 4 級級 2 2、3 3 級級 4 4 級級 1 1 級級 時時間間 t t 按按照照中中斷斷優(yōu)優(yōu)先先級級響響應(yīng)應(yīng)中中斷斷請請求求的的例例子子 4.2.2 4.2.2 中斷系統(tǒng)的軟硬件分配中斷系統(tǒng)的軟硬件分配有些功能必須用硬件實(shí)現(xiàn)，有的功能必須用軟件實(shí)現(xiàn)，而大部分功能既可以用硬件實(shí)現(xiàn)，也可以用軟件實(shí)現(xiàn)。恰當(dāng)分配中斷系統(tǒng)的軟硬件功能，是中斷系統(tǒng)恰當(dāng)分配中斷系統(tǒng)的軟硬件功能，是中斷系統(tǒng)最關(guān)鍵問題最關(guān)鍵問題1

20、. 1. 主要考慮的兩個因素：主要考慮的兩個因素：中斷響應(yīng)時間：中斷響應(yīng)時間：中斷響應(yīng)時間是一個非常重要的指標(biāo)。靈活性：靈活性：硬件實(shí)現(xiàn)速度快，靈活性差；軟件實(shí)現(xiàn)正好相反2.2.中斷處理過程中斷處理過程表示一般用硬件實(shí)現(xiàn)表示一般用硬件實(shí)現(xiàn)表示一般用軟件實(shí)現(xiàn)表示一般用軟件實(shí)現(xiàn)表示可以用硬件實(shí)現(xiàn)，也可以用軟件實(shí)現(xiàn)表示可以用硬件實(shí)現(xiàn)，也可以用軟件實(shí)現(xiàn)) )現(xiàn)行指令結(jié)束，且沒有更緊急的服務(wù)請求現(xiàn)行指令結(jié)束，且沒有更緊急的服務(wù)請求關(guān)關(guān)CPUCPU中斷中斷保存斷點(diǎn)，主要保存保存斷點(diǎn)，主要保存PCPC中的內(nèi)容中的內(nèi)容撤消中斷源的中斷請求撤消中斷源的中斷請求保存硬件現(xiàn)場，主要是保存硬件現(xiàn)場，主要是PSWPSW

21、及及SPSP等等識別中斷源識別中斷源改變設(shè)備的屏蔽狀態(tài)改變設(shè)備的屏蔽狀態(tài)進(jìn)入中斷服務(wù)程序入口進(jìn)入中斷服務(wù)程序入口保存軟件現(xiàn)場，在中斷服務(wù)程序中使用的通用保存軟件現(xiàn)場，在中斷服務(wù)程序中使用的通用寄存器等寄存器等開開CPUCPU中斷，可以響應(yīng)更高級別的中斷請求中斷，可以響應(yīng)更高級別的中斷請求中斷服務(wù)，執(zhí)行中斷服務(wù)程序中斷服務(wù)，執(zhí)行中斷服務(wù)程序關(guān)關(guān)CPUCPU中斷中斷恢復(fù)軟件現(xiàn)場恢復(fù)軟件現(xiàn)場恢復(fù)屏蔽狀態(tài)恢復(fù)屏蔽狀態(tài)恢復(fù)硬件現(xiàn)場恢復(fù)硬件現(xiàn)場開開CPUCPU中斷中斷返回到中斷點(diǎn)返回到中斷點(diǎn)3.3.中斷響應(yīng)時間中斷響應(yīng)時間定義：定義：從中斷源向處理機(jī)發(fā)出中斷服務(wù)請求開始，到從中斷源向處理機(jī)發(fā)出中斷服務(wù)請求

22、開始，到處理機(jī)開始執(zhí)行這個中斷源的中斷服務(wù)程序時為止，處理機(jī)開始執(zhí)行這個中斷源的中斷服務(wù)程序時為止，這一段時間稱為中斷響應(yīng)時間。這一段時間稱為中斷響應(yīng)時間。影響中斷響應(yīng)時間的因素主要有影響中斷響應(yīng)時間的因素主要有4 4個：個： (前2個屬于處理機(jī)設(shè)計(jì)，后2個屬于中斷系統(tǒng))(1)(1)最長指令執(zhí)行時間最長指令執(zhí)行時間有些指令的執(zhí)行時間很長，甚至無法預(yù)測。(2)(2)處理其它更緊急的任務(wù)所用時間處理其它更緊急的任務(wù)所用時間 如處理DMA請求等。(3)(3)從第一次關(guān)從第一次關(guān)CPUCPU中斷到第一次開中斷到第一次開CPUCPU中斷所經(jīng)中斷所經(jīng)歷的時間歷的時間中斷系統(tǒng)的軟件與硬件功能分配，主要就是要

23、考慮這一段內(nèi)要所的事情用軟件來實(shí)現(xiàn)，還是用硬件來實(shí)現(xiàn)。(4)(4)通過軟件找到中斷服務(wù)程序入口所用時間通過軟件找到中斷服務(wù)程序入口所用時間主要是第1和第3兩部分。其中，第1部分是指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)時考慮的問題，在中斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，主要考慮第3部分。4.2.3 4.2.3 中斷源的識別方法中斷源的識別方法1. 1. 識別中斷源的查詢法識別中斷源的查詢法所有中斷源共用一條中斷請求線處理機(jī)響應(yīng)中斷后都進(jìn)入同一個程序入口用軟件找出申請中斷的中斷源主要優(yōu)點(diǎn)：靈活性好。主要優(yōu)點(diǎn)：靈活性好。主要缺點(diǎn)：速度慢。主要缺點(diǎn)：速度慢。中中斷斷源源1 1中中斷斷源源2 2中中斷斷源源n nC CP PU U或或I IO O

24、P P 中中斷斷請請求求 完完成成 或或 忙忙 查查詢詢線線識識別別中中斷斷源源的的詢詢問問法法2.2.軟件排隊(duì)鏈法軟件排隊(duì)鏈法設(shè)置一個中斷請求寄存器，每個中斷源在其中設(shè)置一個中斷請求寄存器，每個中斷源在其中中占據(jù)一位中占據(jù)一位，并且按照中斷的優(yōu)先級從高位到低的順序排列。所有中斷源使用同一條公共的中斷請求線，進(jìn)入公共中斷源服務(wù)程序入口，其過程與查詢法相同。在公共中斷服務(wù)程序入口，用一條特殊指令讀用一條特殊指令讀出中斷請求寄存器中的內(nèi)容，并根據(jù)讀出的出中斷請求寄存器中的內(nèi)容，并根據(jù)讀出的內(nèi)容直接進(jìn)入中斷服務(wù)程序內(nèi)容直接進(jìn)入中斷服務(wù)程序。 節(jié)省了用軟件逐個尋找中斷源的時間。節(jié)省了用軟件逐個尋找中斷

25、源的時間。3.3.硬件排隊(duì)鏈法硬件排隊(duì)鏈法用硬件排隊(duì)器和編碼器，在所有請求中斷服務(wù)用硬件排隊(duì)器和編碼器，在所有請求中斷服務(wù)的中斷源中，找出具有最高優(yōu)先級的中斷源的中斷源中，找出具有最高優(yōu)先級的中斷源。設(shè)置一個中斷請求寄存器，每個中斷源在其中中占據(jù)一位。所有中斷源使用同一條公共的中斷請求線，進(jìn)入公共中斷源服務(wù)程序入口。轉(zhuǎn)入公共的中斷服務(wù)程序后，用一條特殊指令直接讀到所有請求中斷服務(wù)的中斷源中，具有最高優(yōu)先級的中斷源編號特點(diǎn)：識別中斷源的速度更快識別中斷源的速度更快一個簡單的程序例子：一個簡單的程序例子：INTA R1 ;發(fā)出請求的最高級中斷源送R1JMP VTAB(R1);轉(zhuǎn)向中斷源的中斷服務(wù)程

26、序入口TAB: DEV1 ;最高級中斷服務(wù)程序入口地址DEV2 ;第二級中斷服務(wù)程序入口地址 DENn ;最低級中斷服務(wù)程序入口地址C CP PU U 中中斷斷響響應(yīng)應(yīng)中中斷斷源源1 1中中斷斷源源2 2中中斷斷源源n n或或I IO OP P 中中斷斷請請求求 設(shè)設(shè)備備號號或或中中斷斷向向量量號號識識別別中中斷斷源源的的串串行行排排隊(duì)隊(duì)鏈鏈法法4.4.中斷向量法中斷向量法在主存儲器的固定區(qū)域中開辟出一個專用的中中斷向量區(qū)。斷向量區(qū)。用硬件排隊(duì)器和編碼器在所有請求中斷服務(wù)的中斷源中，產(chǎn)生具有最高優(yōu)先級的中斷源編號。隱含執(zhí)行上面方法中的兩條識別中斷源的指令，直接通過硬件轉(zhuǎn)向這個中斷源的中斷服務(wù)程

27、序入口。上面的2、3、4三種識別中斷源的方法都屬于串行排隊(duì)鏈法。串行排隊(duì)鏈法的優(yōu)點(diǎn)：串行排隊(duì)鏈法的優(yōu)點(diǎn)：識別中斷源的速度比較快，識別中斷源的速度比較快，特別是中斷向量法。實(shí)現(xiàn)比較簡單，實(shí)現(xiàn)比較簡單，中斷源與處理機(jī)的連線很少串行排隊(duì)鏈法的缺點(diǎn)：串行排隊(duì)鏈法的缺點(diǎn)：靈活性比較差，靈活性比較差，中斷優(yōu)先級是由硬件固定?？煽啃员容^差可靠性比較差，由于排隊(duì)鏈串行分布在各個中斷源中。5.5.獨(dú)立請求法獨(dú)立請求法各個中斷源使用自己獨(dú)立的中斷請求線。各個中斷源使用自己獨(dú)立的中斷請求線。如果同時有多個中斷源請求中斷服務(wù)，通過仲裁線路立即選擇具有最高優(yōu)先級的中斷源，并向它發(fā)出中斷響應(yīng)信號INIT，處理機(jī)就可以立即

28、轉(zhuǎn)入這個中斷源的中斷服務(wù)程序。獨(dú)立請求法實(shí)際上是把分布在各個中斷源內(nèi)的串行排隊(duì)器都集中到處理機(jī)中，從而克服了從而克服了串行排隊(duì)鏈法可靠性差的缺點(diǎn)，但靈活性差串行排隊(duì)鏈法可靠性差的缺點(diǎn)，但靈活性差的缺點(diǎn)仍然存在。的缺點(diǎn)仍然存在。識別中斷源的獨(dú)立請求法識別中斷源的獨(dú)立請求法中中斷斷源源1 1中中斷斷源源2 2中中斷斷源源n nC CP PU U或或I IO OP P 中中斷斷請請求求I IN NI IR R1 1 中中斷斷響響應(yīng)應(yīng)I IN NI IT T1 1 中中斷斷請請求求I IN NI IR R2 2 中中斷斷響響應(yīng)應(yīng)I IN NI IT T2 2 中中斷斷請請求求I IN NI IR Rn

29、 n 中中斷斷響響應(yīng)應(yīng)I IN NI IT Tn n識別中斷源的獨(dú)立請求法識別中斷源的分組獨(dú)立請求法識別中斷源的分組獨(dú)立請求法把獨(dú)立請求法與串行排隊(duì)鏈法結(jié)合起來。把獨(dú)立請求法與串行排隊(duì)鏈法結(jié)合起來。中斷源分組：組內(nèi)采用串行排隊(duì)鏈法，中斷源分組：組內(nèi)采用串行排隊(duì)鏈法， 組間采用獨(dú)立請求法。組間采用獨(dú)立請求法。 中中斷斷響響應(yīng)應(yīng)中中斷斷源源1 11 1中中斷斷源源1 12 2中中斷斷源源1 1n nC CP PU U或或 中中斷斷請請求求 I IO OP P 中中斷斷響響應(yīng)應(yīng)中中斷斷源源P P1 1中中斷斷源源P P2 2中中斷斷源源P Pn n 中中斷斷請請求求識識別別中中斷斷源源的的分分組組獨(dú)

30、獨(dú)立立請請求求法法4.2.4 4.2.4 中斷現(xiàn)場的保存和恢復(fù)中斷現(xiàn)場的保存和恢復(fù)(1)程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器PC，必須由硬件來完成保存(2)處理機(jī)狀態(tài)字、堆棧指針、基址寄存器、中處理機(jī)狀態(tài)字、堆棧指針、基址寄存器、中斷屏蔽碼等斷屏蔽碼等 保存與恢復(fù)方法有：主存固定區(qū)域，壓入系統(tǒng)堆棧、交換處理機(jī)狀態(tài)字。也可以采用軟件在中斷服務(wù)程序中保存和恢復(fù)。(3)軟件現(xiàn)場：軟件現(xiàn)場：指在中斷服務(wù)程序中被破壞的通用寄存器。一般采用軟件來保存和恢復(fù)現(xiàn)場，指令系統(tǒng)給予適當(dāng)支持。也有些處理機(jī)采用硬件來保存軟件現(xiàn)場，如Sparc處理機(jī)。4.2.5 4.2.5 中斷屏蔽中斷屏蔽設(shè)置中斷屏蔽有三個用處：(1)在中斷優(yōu)先級由

31、硬件確定了的情況下，改在中斷優(yōu)先級由硬件確定了的情況下，改變中斷源的中斷服務(wù)順序。變中斷源的中斷服務(wù)順序。(2)決定設(shè)備是否采用中斷方式工作。(3)在多處理機(jī)系統(tǒng)中，把外圍設(shè)備的服務(wù)工作分配到不同的處理機(jī)中。中斷屏蔽的實(shí)現(xiàn)方法主要有兩種：方法一：每級中斷源設(shè)置一個中斷屏蔽位。方法一：每級中斷源設(shè)置一個中斷屏蔽位。方法二：改變處理機(jī)優(yōu)先級方法二：改變處理機(jī)優(yōu)先級例例4.34.3：有四個中斷源D1、D2、D3和D4，它們的中斷優(yōu)先級從高到低分別是1級、2級、3級和4級。這些中斷源的正常中斷屏蔽碼和改變后的中斷屏蔽碼見下表。每個中斷源一位，共4位屏蔽碼。中中斷斷源源名名稱稱中中斷斷優(yōu)優(yōu)先先級級正正常

32、常中中斷斷屏屏蔽蔽碼碼D1 D2 D3 D4改改變變后后的的中中斷斷屏屏蔽蔽碼碼D1 D2 D3 D4D D1 1D D2 2D D3 3D D4 41 12 23 34 41 1 1 1 1 1 1 10 0 1 1 1 1 1 10 0 0 0 1 1 1 10 0 0 0 0 0 1 11 1 0 0 0 0 0 01 1 1 1 0 0 0 01 1 1 1 1 1 0 01 1 1 1 1 1 1 1解：解：如果4個中斷源都使用正常的中斷屏蔽碼，處理機(jī)的中斷服務(wù)順序?qū)?yán)格按照中斷源的中斷優(yōu)先級進(jìn)行。如果改變中斷屏蔽碼，當(dāng)D1、D2、D3和D4這4個中斷源同時請求中斷服務(wù)時，處理機(jī)實(shí)際

33、為各個中斷源服務(wù)的先后次序就會改變。處理機(jī)響應(yīng)的順序是D1、D2、D3、D4實(shí)際服務(wù)的順序是實(shí)際服務(wù)的順序是D4、D3、D2、D1中中斷斷請請求求 主主程程序序 中中斷斷服服務(wù)務(wù)程程序序 D D1 1 D D2 2 D D3 3 D D4 4D D1 1, ,D D2 2, ,D D3 3, ,D D4 4時時間間 t t4.3 4.3 通道處理機(jī)通道處理機(jī)把外圍設(shè)備的管理工作從把外圍設(shè)備的管理工作從CPU中分離出來中分離出來主要用于主要用于IBM公司研制的機(jī)器中公司研制的機(jī)器中 4.3.1 通道的作用和功能通道的作用和功能 4.3.2 通道的工作過程通道的工作過程 4.3.3 通道的種類通道

34、的種類 4.3.4 通道中的數(shù)據(jù)傳送過程通道中的數(shù)據(jù)傳送過程 4.3.5 通道流量分析通道流量分析處理機(jī)與外部設(shè)備的連接方式處理機(jī)與外部設(shè)備的連接方式(1) 直接連接直接連接(2) (2) 通道處理機(jī)通道處理機(jī)(3) (3) 輸入輸出處理機(jī)輸入輸出處理機(jī) 處理機(jī)處理機(jī)設(shè)備設(shè)備設(shè)備設(shè)備設(shè)備設(shè)備處理機(jī)處理機(jī)設(shè)備設(shè)備通道通道設(shè)備設(shè)備通道通道設(shè)備設(shè)備設(shè)備設(shè)備4.3.1 4.3.1 通道的作用和功能通道的作用和功能1. 1. 三種基本輸入輸出方式存在的問題：三種基本輸入輸出方式存在的問題： CPU的輸入輸出負(fù)擔(dān)很重，不能專心用于用戶程序的的輸入輸出負(fù)擔(dān)很重，不能專心用于用戶程序的計(jì)算工作。計(jì)算工作。低速

35、外圍設(shè)備，每傳送每個字符都由CPU執(zhí)行一段程序來完成。高速外圍設(shè)備的初始化、前處理和后處理等工作需要CPU來完成。大型機(jī)中的外圍設(shè)備臺數(shù)很多，但一般并不同時工作。讓DMA控制器能被多臺設(shè)備共享，提高硬件的利用提高硬件的利用率率。2. 2. 通道的主要功能：通道的主要功能：接受CPU發(fā)來的指令，選擇一臺指定的外圍設(shè)備與通道相連接。執(zhí)行CPU為通道組織的通道程序。管理外圍設(shè)備的有關(guān)地址。管理主存緩沖區(qū)的地址。控制外圍設(shè)備與主存緩沖區(qū)之間數(shù)據(jù)交換的個數(shù)。指定傳送工作結(jié)束時要進(jìn)行的操作。檢查外圍設(shè)備的工作狀態(tài)，是正?；蚬收?。在數(shù)據(jù)傳輸過程中完成必要的格式變換。4.3.2 4.3.2 通道的工作過程通道

36、的工作過程通道完成一次數(shù)據(jù)輸入輸出的過程分為三步：在用戶程序中使用訪管指令進(jìn)入管理程序，由CPU通過管理程序組織一個通道程序，并啟動通道。通道處理機(jī)執(zhí)行通道程序，完成指定的數(shù)據(jù)輸入輸出工作。通道程序結(jié)束后再次調(diào)用管理程序進(jìn)行處理。每完成一次輸入輸出工作，CPU只需要兩次調(diào)用管理程序。通道的工作過程通道的工作過程 時時間間t 請請求求輸輸入入輸輸出出 響響應(yīng)應(yīng)I/O 訪訪管管指指令令 中中斷斷請請求求CPU運(yùn)運(yùn)行行用用戶戶程程序序CPU運(yùn)運(yùn)行行管管理理程程序序 編編制制通通道道程程序序 登登記記或或處處理理 啟啟動動I/O通通道道通通道道運(yùn)運(yùn)行行存存放放在在主主存存中中的的通通道道程程序序 組組

37、織織I/O操操作作 向向CPU發(fā)發(fā)中中斷斷請請求求通通道道程程序序、管管理理程程序序和和用用戶戶程程序序的的執(zhí)執(zhí)行行時時間間關(guān)關(guān)系系用用戶戶程程序序管管理理程程序序通通道道程程序序 入入口口 廣廣義義 訪訪管管入入口口通通道道程程序序 通通道道程程序序指指令令 OC設(shè)設(shè)備備號號 和和 OC交交換換長長度度 參參數(shù)數(shù) OC主主存存起起始始地地址址置置通通道道地地址址字字 返返回回啟啟動動I/O 斷斷開開通通道道指指令令中中斷斷處處理理程程序序 I/O中中斷斷請請求求I/O中中斷斷響響應(yīng)應(yīng)I/O中中斷斷返返回回通通道道完完成成一一次次數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)傳傳輸輸?shù)牡闹髦饕^過程程 啟啟動動輸輸入入輸輸出出設(shè)

38、設(shè)備備指指令令 選選取取通通道道 斷斷開開？ 形形成成條條件件碼碼，結(jié)結(jié)束束。 否否 忙忙？ 形形成成條條件件碼碼，結(jié)結(jié)束束。 否否 選選取取子子通通道道 斷斷開開？ 形形成成條條件件碼碼，結(jié)結(jié)束束。 否否 忙忙？ 形形成成條條件件碼碼，結(jié)結(jié)束束。 否否 是是是是是是是是4.3.3 4.3.3 通道種類通道種類 字字 節(jié)節(jié) 多多 路路 通通 道道 通通 道道 總總 線線 CPU 設(shè)設(shè) 備備 控控 制制 器器 設(shè)設(shè) 備備 控控 制制 器器 設(shè)設(shè) 備備 設(shè)設(shè) 備備 設(shè)設(shè) 備備 選選 擇擇 通通 道道 通通 道道 總總 線線 主主 存存 磁磁 盤盤 控控 制制 器器 磁磁 表表 面面 控控 制制 器

39、器 磁磁 盤盤 磁磁 盤盤 磁磁 帶帶 數(shù)數(shù) 組組 多多 路路 通通 道道 通通 道道 總總 線線 內(nèi)內(nèi) 部部 總總 線線 磁磁 盤盤 控控 制制 器器 磁磁 帶帶 控控 制制 器器 磁磁 盤盤 磁磁 盤盤 磁磁 帶帶 三三 種種 類類 型型 的的 通通 道道 與與 CPU、 設(shè)設(shè) 備備 控控 制制 器器 和和 外外 圍圍 設(shè)設(shè) 備備 的的 連連 接接 關(guān)關(guān) 系系 1. 1. 字節(jié)多路通道字節(jié)多路通道為多臺低中速的外圍設(shè)備服務(wù)為多臺低中速的外圍設(shè)備服務(wù)有多個子通道，每個子通道連接一個控制器至至主主存存儲儲器器字字節(jié)節(jié)多多路路通通道道數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)緩緩沖沖通通道道控控制制子子通通道道 1子子通通道道

40、2子子通通道道 3字字節(jié)節(jié)緩緩沖沖狀狀態(tài)態(tài)/控控制制固固定定地地址址字字節(jié)節(jié)多多路路通通道道的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)2. 2. 選擇通道選擇通道為高速外圍設(shè)備服務(wù)為高速外圍設(shè)備服務(wù)只有一個以成組方式工作的子通道只有一個以成組方式工作的子通道 至至主主存存儲儲器器通通道道控控制制部部分分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)據(jù)緩緩沖沖狀狀態(tài)態(tài)/控控制制 字字?jǐn)?shù)數(shù) 據(jù)據(jù)主主存存地地址址格格式式變變換換 字字節(jié)節(jié)字字節(jié)節(jié)計(jì)計(jì)數(shù)數(shù) 至至設(shè)設(shè)備備控控制制器器設(shè)設(shè)備備地地址址 選選擇擇通通道道的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)3. 3. 數(shù)組多路通道數(shù)組多路通道字節(jié)多路通道和選擇通道的結(jié)合。字節(jié)多路通道和選擇通道的結(jié)合。每次為一臺高速設(shè)備傳送一個數(shù)據(jù)塊，并輪流為多臺輪流

41、為多臺外圍設(shè)備服務(wù)外圍設(shè)備服務(wù)。從磁盤存儲器讀出文件的的過程分為三步：從磁盤存儲器讀出文件的的過程分為三步： 定位、找扇區(qū)、讀出數(shù)據(jù)數(shù)組多路通道的實(shí)際工作方式是：數(shù)組多路通道的實(shí)際工作方式是：在為一臺高速設(shè)備傳送數(shù)據(jù)的同時，有多臺高速設(shè)備可以在定位或者在找扇區(qū)。與選擇通道相比，數(shù)組多路通道的數(shù)據(jù)傳輸率和通道的硬件利用都很高，控制硬件的復(fù)雜度也高。4.3.4 4.3.4 通道中的數(shù)據(jù)傳送過程通道中的數(shù)據(jù)傳送過程一一個個字字節(jié)節(jié)多多路路通通道道連連接接P臺臺設(shè)設(shè)備備，每每臺臺設(shè)設(shè)備備都都傳傳送送n個個字字 節(jié)節(jié)TS TDTS TDTS TDTS TDD1 1D2 1Di jDp nT TS：設(shè)設(shè)備

42、備選選擇擇時時間間，TD：傳傳送送一一個個字字節(jié)節(jié)的的時時間間， Di j：第第i臺臺設(shè)設(shè)備備的的第第j個個數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)，其其中中有有：i1,2,p，j1,2,n總總共共所所需需要要的的時時間間：TBYTE（TSTD） Pn字節(jié)多路通道的數(shù)據(jù)傳送過程字節(jié)多路通道的數(shù)據(jù)傳送過程選選擇擇通通道道連連接接P臺臺設(shè)設(shè)備備，每每臺臺設(shè)設(shè)備備都都傳傳送送n個個字字節(jié)節(jié)TSTD1TD2TDnTSTD1TD2TDnTSTD1 TD2TDnD1D2DPTTS：設(shè)設(shè)備備選選擇擇時時間間，TDi：通通道道傳傳送送第第i個個數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)所所用用的的時時間間，其其中中有有：i1,2,nDi：通通道道正正在在為為第第i臺臺設(shè)設(shè)備

43、備服服務(wù)務(wù)，其其中中有有：i1,2,p 總總共共所所需需要要的的時時間間：TSELETE（TSn TD） Pn選擇通道的數(shù)據(jù)傳送過程選擇通道的數(shù)據(jù)傳送過程數(shù)數(shù) 組組 多多 路路 通通 道道 連連 接接P臺臺 設(shè)設(shè) 備備 ， 每每 臺臺 設(shè)設(shè) 備備 都都 傳傳 送送n個個 字字 節(jié)節(jié) TSTD1TD2 TDk TSTD1TD2 TDk TSTDk+1 TD2k TSTDn-k TDn D1 D2 D1 DP T TS： 設(shè)設(shè) 備備 選選 擇擇 時時 間間 ， k： 一一 個個 數(shù)數(shù) 據(jù)據(jù) 塊塊 中中 的的 字字 節(jié)節(jié) 個個 數(shù)數(shù) ， TDi： 通通 道道 傳傳 送送 第第i個個 數(shù)數(shù) 據(jù)據(jù) 所所 用用 的的 時時 間間 ， 其其 中中 有有 ： i 1,2, ,n Di： 通通 道道 正正 在在 為為 第第i臺臺 設(shè)設(shè) 備備 服服 務(wù)務(wù) ， 其其 中中 有有 ： i 1,2, ,p 總總 共共 所所 需需 要要 的的 時時 間間 ： TBLOCK （ TS k TD） P n 數(shù)組多路通道的數(shù)據(jù)傳送過程數(shù)組多路通道的數(shù)據(jù)傳送過程4.3.5 4.3.5 通道流量分析通道流量分析通道流量通道流量：單位時間內(nèi)能夠傳送的最大數(shù)據(jù)量。又稱通道吞吐率通道吞吐率，通道數(shù)據(jù)傳輸率通道數(shù)據(jù)傳輸率等。通道最大流量：通道最大流量：通道在滿負(fù)荷工作狀態(tài)下