計算機系統(tǒng)結構(李學干)第3章

1、第3章 總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 第 3 章 總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 3.1 輸入輸出系統(tǒng)概述輸入輸出系統(tǒng)概述3.2 總線設計總線設計 3.3 中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng) 3.4 通道處理機通道處理機 3.5 外圍處理機外圍處理機 第3章 總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 3.1 輸入輸出系統(tǒng)概述輸入輸出系統(tǒng)概述 輸入輸出系統(tǒng)包括輸入輸出設備、 設備控制器及與輸入輸出操作有關的軟硬件。 輸入輸出系統(tǒng)的主要功能是對指定的外設進行輸入、 輸出操作， 同時也完成許多其他的管理和控制。它包括：給指定外設的信息編址，連接好主存與指定外設之間的信息通路，完成在指定外設編址區(qū)和由操作系統(tǒng)指定的主存空間之間進行所要求的信息傳

2、送(輸入時是將外設編址區(qū)域的信息送入主存，輸出時是將主存的信息送往外設編址區(qū))。有的輸入輸出系統(tǒng)還能對要傳送的信息進行格式變換，形成和產(chǎn)生有關輸入輸出操作是否完成或在執(zhí)行過程中是否有錯的狀態(tài)控制信息，經(jīng)中斷系統(tǒng)傳送給操作系統(tǒng)去分析和處理。 第3章 總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 輸入輸出系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了 3 個階段， 對應于 3 種方式， 即程序控制輸入輸出(包括全軟的、程序查詢狀態(tài)驅動的、 中斷驅動的幾種)、 直接存貯器訪問(DMA)和I/O處理機方式。 這 3 種方式可以分別用在不同的計算機系統(tǒng)上， 也可以用在同一個計算機系統(tǒng)上作為相互補充。 第3章 總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 3.2 總總 線線

3、 設設 計計 就允許信息傳送的方向來說，總線可以有單向傳輸和雙向傳輸兩種。 雙向傳輸又有半雙向和全雙向的不同。 前者雖可以沿相反的方向傳送，但同一時刻只能向其中的一個方向傳送。 后者允許同時在兩個方向傳送。 全雙向的速度快， 但造價高， 結構復雜。 總線按其用法可以分成專用的和非專用的。 第3章 總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 圖 3.1 所有部件之間用專用總線互連 第3章 總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 3.2.2 總線的控制方式總線的控制方式 當采用非專用總線時，由于可能發(fā)生多個設備或部件同時申請使用總線，就得有總線控制機構來按照某種優(yōu)先次序裁決，保證在同一時間內只能有一個高優(yōu)先級的申請者取得對總線的

4、使用權。 如果總線控制邏輯基本上集中放在一起，不論是放在連接到總線的一個部件中，還是放在單獨的硬件中，都稱為集中式控制。 而當總線控制邏輯分散于連到總線的各個部件中時，就稱為分布式總線控制。 這里只講集中式總線控制。 第3章 總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 圖 3.2 集中式串行鏈接 第3章 總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 圖 3.3 集中式定時查詢 第3章 總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 圖 3.4 集中式獨立請求 第3章 總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 3.2.3 總線的通信技術總線的通信技術 1. 同步通信同步通信 同步通信時，兩個部件之間的信息傳送是通過定寬、定距的系統(tǒng)時標進行同步的。這種方式的信息傳送速率高

5、，受總線的長度影響小，但會因時鐘在總線上的時滯而造成同步誤差， 且時鐘線上的干擾信號易引起誤同步。 第3章 總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 為了提高可靠性，要求目的部件對數(shù)據(jù)是否已被接收以及是否正確均能給以回答。如果同步時間片的寬度寬到能為每個字的傳送作出回答，則它必須按接到總線上的最低速的部件來考慮，這就會使同步通信的數(shù)據(jù)傳送速率低于后面講的異步通信。 一種解決辦法是在正常時，目的部件不作回答，源部件也不等待回答信號， 但如果發(fā)生錯誤， 則目的部件將在同步時間片過去之后，發(fā)回源部件一個出錯信號，這樣，就不會降低正常時總線的傳送速率。但是這種辦法中，源部件必須設置較大容量的緩沖器來保留已傳送， 但未

6、經(jīng)證實和回答過的所有數(shù)據(jù)，以備重發(fā)之用。 第3章 總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 2. 異步通信異步通信 由于I/O總線一般是為具有不同速度的許多I/O設備所共享，因此宜于采用異步通信。異步通信又可分為單向控制和雙向(請求/回答)控制兩種。 單向控制指的是通信過程只由目的或源部件中的一個控制。而雙向控制是由源和目的雙方共同控制。單向控制又有源控制和目的控制兩種。 第3章 總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 圖 3.5 異步單向控制通信 第3章 總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 圖 3.6 源控式異步雙向控制通信 第3章 總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 3.2.4 數(shù)據(jù)寬度與總線線數(shù)數(shù)據(jù)寬度與總線線數(shù) 1. 數(shù)據(jù)寬度數(shù)據(jù)寬度

7、 我們這里所講的“數(shù)據(jù)寬度”指的是I/O設備取得I/O總線使用權后所傳送數(shù)據(jù)的總量。傳送完后就釋放總線，重新開始分配總線。所以，它不同于前面講過的數(shù)據(jù)通路寬度。數(shù)據(jù)通路寬度指的是數(shù)據(jù)傳送的物理寬度，即一個時鐘周期所傳送的信息量， 它直接取決于數(shù)據(jù)總線的線數(shù)。二次分配總線之間所傳送的數(shù)據(jù)寬度可能要經(jīng)許多個時鐘周期的分次傳送來完成。采用何種數(shù)據(jù)寬度與總線上各設備的工作特點、所采用的總線控制方式和通信技術有關。數(shù)據(jù)寬度的種類有單字(或單字節(jié))、定長塊、 可變長塊、單字加定長塊和單字加可變長塊等。 第3章 總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 2. 總線的線數(shù)總線的線數(shù) 總線需要有發(fā)送電路、接收電路、傳輸導線或電

8、纜、轉接插頭和電源等，這部分比起邏輯線路的成本高得多，而且轉接器往往占系統(tǒng)物理空間的相當部分，是降低系統(tǒng)可靠性的主要部分。總線的線數(shù)越多，成本越高、干擾越大、可靠性越低、占用的空間也越大，當然傳送速度和流量也越高。 此外，總線的長度越長，成本越高，干擾越大，波形畸變越嚴重，可靠性越低。為此，越是長的總線，其線數(shù)就應盡可能減少。數(shù)據(jù)總線的寬度有一位、一個字節(jié)或一個全字等等。 第3章 總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 在滿足性能要求以及所用通信類型和速率適配的情況下， 應盡量減少總線的線數(shù)。通過采用線的組合、并/串串/并轉換和編碼可以減少總線的線數(shù)， 但這通常會降低總線的流量。 采用線的組合能減少只按功能

9、和傳送方向所需的線數(shù)。例如，性質相似、方向相反且不同時傳送的兩根單向線可用一根半雙向線代替。又例如，可通過對少數(shù)幾根多功能線進行編碼來代替每種功能都單獨用一根線完成的很多根單功能線等等。并/串串/并轉換是在總線兩端經(jīng)并/串、串/并轉換器轉換，以便使用較少的線數(shù)，經(jīng)多次傳送后再在端點轉換成完整的字。串/并的程度根據(jù)系統(tǒng)成本和性能的折衷權衡選取。一位串行傳送的總線只用于遠距離通信。 第3章 總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 3.3 中中 斷斷 系系 統(tǒng)統(tǒng)3.3.1 中斷的分類和分級中斷的分類和分級 引起中斷的各種事件稱為中斷源。中斷源向中斷系統(tǒng)發(fā)出請求中斷的申請，稱為中斷請求。同時可能有多個中斷請求，這時

10、中斷系統(tǒng)需要按事先確定的中斷響應優(yōu)先次序對優(yōu)先級高的中斷請求予以響應。所謂中斷響應就是允許其中斷CPU現(xiàn)行程序的運行，轉去對該請求進行預處理，包括保存好斷點現(xiàn)場，調出有關處理該中斷的中斷處理程序，準備運行。 這部分工作在大多數(shù)機器上都是采用交換新舊程序狀態(tài)字PSW的辦法實現(xiàn)的。 當然為了某種需要，中斷系統(tǒng)也可以對中斷請求進行屏蔽，使之暫時得不到響應。 第3章 總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 為處理一個中斷請求，必須調出相應的中斷處理程序。 如果中斷源比較少時， 通過中斷系統(tǒng)硬件就可以比較方便地對每個中斷源直接形成相應的中斷處理程序入口，進入相應的中斷處理程序。但對中、 大型多用途機器， 中斷源一般可

11、多達數(shù)十至數(shù)百個。 如果為每個中斷源單獨形成入口，不僅硬件難以實現(xiàn)， 代價也很大，就是在中斷處理上也沒有這種必要。因為不少中斷源的性質比較接近，可以將它們分別歸成幾類，對每一類給定一個中斷處理程序入口，再由軟件轉入對相應的中斷源進行處理， 這樣可以大大簡化中斷處理程序入口形成硬件。第3章 總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 以IBM 370為例，它把中斷分成機器校驗、 管理程序調用、 程序性、 外部、 輸入/輸出和重新啟動 6 類。 前 5 類中斷只發(fā)生在CPU處于運行狀態(tài)時，而重新啟動不論CPU是處于停止狀態(tài)還是處于運行狀態(tài)都可以發(fā)生。這 6 類中斷，它們的舊PSW和新PSW所在的存貯單元位置都是各不

12、相同的。每類的具體中斷原因可由舊PSW中的中斷碼進一步指明，或是由中斷期間放在指定存貯單元中的附加信息指明。 第3章 總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 機器校驗中斷告訴程序發(fā)生了設備故障?？捎?64 位機器校驗中斷碼以指明故障原因和嚴重性，更為詳細的中斷原因和故障位置可由機器校驗保存區(qū)的內容提供。這里包含有電源故障、運算電路的誤動作、主存出錯、 通道動作故障、 處理器的各種硬件故障等等。 訪管中斷是在用戶程序需要操作系統(tǒng)介入時，通過執(zhí)行“訪管”指令時發(fā)生的，訪管原因由“訪管指令”中的 8 位碼指明。 第3章 總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 程序性中斷是包括指令和數(shù)據(jù)的格式錯、程序執(zhí)行中出現(xiàn)異常(非法指令、

13、目態(tài)下使用管態(tài)指令、主存訪問方式保護、尋址超過主存容量、 各種溢出、 除數(shù)為“0”、 有效位為 0 等)以及程序的事件記錄、 監(jiān)督程序對事件的檢測引起的中斷等。 外中斷來自機器外部，它包括各種定時器中斷、外部信號中斷及中斷鍵中斷。各種定時器中斷用以計時、計費、控制等。 外部信號中斷主要用于與其他機器和系統(tǒng)的聯(lián)系。中斷鍵則用于操作員對機器的干預。這些外中斷又可再分成兩類：一類是若未被響應繼續(xù)保留， 另一類如不響應則不再保留。 第3章 總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 輸入/輸出中斷是CPU與I/O設備及通道聯(lián)系的工具，在輸入輸出操作完成、 I/O通道或設備產(chǎn)生故障時發(fā)出。程序性、 外部、 I/O這 3

14、類中斷的中斷碼均為 16 位。 重新啟動中斷是為操作員或另一臺CPU要啟動一個程序所用。 CPU不能禁止這種中斷。 第3章 總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 表 3.1 中斷級屏蔽位舉例 1 第3章 總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 圖 3.7 中斷處理次序為 1234 的例子 第3章 總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 表 3.2 中斷級屏蔽位舉例 2 第3章 總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 圖 3.8 中斷處理次序為 1432 的例子 第3章 總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 3.3.2 中斷系統(tǒng)的軟硬件功能分配中斷系統(tǒng)的軟硬件功能分配 中斷系統(tǒng)的功能包括中斷請求的保存和清除、 優(yōu)先級的確定、 中斷斷點及現(xiàn)場的保存、對中斷請求的

15、分析和處理以及中斷返回等，這些全是由中斷響應硬件和中斷處理程序共同完成的。因此，中斷系統(tǒng)的軟、硬件功能分配實質上就是中斷處理程序軟件和中斷響應硬件的功能分配。 第3章 總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 中斷現(xiàn)場包括軟件狀態(tài)(如作業(yè)名稱和級別，上、下界值， 各種軟件狀態(tài)和標志等)和硬件狀態(tài)(如現(xiàn)行指令地址，條件碼等狀態(tài)信息， 各種控制寄存器及通用寄存器內容)。通常采取把分散于CPU各部分的硬件狀態(tài)集合成程序狀態(tài)字，然后由中斷響應硬件通過將程序狀態(tài)字(處理器狀態(tài)字、換道區(qū))存到主存指定單元或區(qū)域的方式來完成保存。接著，再把新的程序或進程的程序狀態(tài)字(處理器狀態(tài)字、換道區(qū))從主存另一指定單元或區(qū)域把內容傳送

16、到有關寄存器和計數(shù)器中，建立起運行新的程序或進程的環(huán)境。 硬件狀態(tài)是全經(jīng)中斷響應硬件保存，還是部分經(jīng)它，部分經(jīng)中斷處理程序保存， 要視具體機器的規(guī)模和使用場合而作不同的選擇。 第3章 總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 從發(fā)出中斷請求到進入中斷處理程序的中斷響應時間是中斷系統(tǒng)的一個重要性能指標，它主要取決于交換程序狀態(tài)字的時間。以IBM 370 為例，程序狀態(tài)字為 64 位，等于它的長字， 因此交換程序狀態(tài)字只需經(jīng)寫長字和讀長字二次訪存即可。 然而，要經(jīng)中斷響應硬件保存的硬件狀態(tài)愈多，程序狀態(tài)字就愈長，所需的訪存次數(shù)和時間就愈長，響應速度就會愈低，尤其是不斷增大通用寄存器個數(shù)是當前計算機發(fā)展的趨勢，像C

17、RAY-1，需保存的向量、標量、地址寄存器的總位數(shù)可達 3 900 位。 第3章 總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 另一方面， 中斷系統(tǒng)還應具有較大的靈活性。實際上并不是所有的中斷處理都需要把通用寄存器的內容或是全部通用寄存器的內容都保存起來， 這是因為經(jīng)中斷進行的任務切換可以有兩種： 一種是整個任務的切換(如某道程序切換到另一道)， 這當然需要把整個通用寄存器的內容都保存起來；另一種是某道程序調用某個管理程序的切換， 這往往不需要保存或只需部分保存。 因此， 目前對于大多數(shù)一般的機器，各種通用寄存器的內容是由中斷處理程序按切換需要來保存的。這既提高了中斷響應的速度，又具有較大的靈活性。當然， 如果主

18、存寬度很寬， 一個主存周期又能訪問很多字，也有全部由中斷響應硬件來保存的。 第3章 總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 3.4 通通 道道 處處 理理 機機 3.4.1 工作原理工作原理 圖 3.9 通道處理機輸入輸出的主要過程 第3章 總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 圖 3.10 通道處理機輸入輸出主要過程的時間關系示意圖 第3章 總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 圖圖 3.11 “啟動啟動I/O”指令流程指令流程(注：注： 這里的結束，這里的結束， 表示釋放通道表示釋放通道)第3章 總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 圖 3.12 IBM 370 的I/O結構 第3章 總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 3.4.2 通道流量的分析通

19、道流量的分析 通道流量是指通道在數(shù)據(jù)傳送期內，單位時間內傳送的字節(jié)數(shù)。它能達到的最大流量稱通道極限流量。一個通道能達到的極限流量與其工作方式、數(shù)據(jù)傳送期內選擇一次設備的時間TS和傳送一個字節(jié)的時間TD的長短有關。由于字節(jié)多路通道每選 擇 一 臺 設 備 只 傳 送 一 個 字 節(jié) ， 故 其 通 道 極 限 流 量fmaxbyte=1/(TS+TD)。 數(shù)組多路通道每選擇一臺設備只傳送K個字節(jié)，如果要傳送N個字節(jié)，就得經(jīng)N/K次傳送才行，每次都要花去一個選擇設備的時間TS，所以，其通道極限流量fmaxblock=K/(TS+KTD)=1/（S/K+TD)。選擇通道每選擇一臺設備就 把 N 個

20、字 節(jié) 全 部 傳 送 完 ， 其 通 道 極 限 流 量fmaxselect=N/(TS+NTD)=1/(TS/N+TD)。顯然，若通道的TS、TD一定， 且NK時，字節(jié)多路方式工作時所能達到的極限流量最小，數(shù)組多路方式工作的居中， 選擇方式工作的最大。 第3章 總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 由通道工作原理可知，當掛上設備后，設備要求通道的實際最大流量， 對于采用字節(jié)交叉方式工作的字節(jié)多路通道應為該通道所接各設備的字節(jié)傳送速率之和， 即 jpijijbyteff1 而對于其他兩種類型的通道應為所接各設備的字節(jié)傳送速率中之最大的那個， 即 jipijselectjipijblockffffjj11

21、maxmax第3章 總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 式中，j為通道的編號，fij為第j通道上所掛的第i臺設備的字節(jié)傳送速率，pj為第j號通道中所接設備的臺數(shù)。 為了保證第j號通道上所掛的設備在滿負荷的最壞情況下都不丟失信息，必須滿足設備要求通道的實際最大流量不超過通道所能達到的極限流量這一流量設計的最基本原則，因此，對上述 3 種類型的通道應分別滿足關系式： jselectjselectjblockjblockjbytejbyteffffffmaxmaxmax第3章 總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 如果I/O系統(tǒng)有m個通道，其中1至m1為字節(jié)多路通道，m1+1至m2為數(shù)組多路通道，m2+1至m為選擇通道，

22、則該I/O系統(tǒng)工作時的極限流量將為 mmjjipimmjpijipijimjmmjjselectmmjjblockmjjbyteffffffffjjj111111max1max1max1maxmax22112211maxmax必然會滿足 第3章 總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 設有一字節(jié)多路通道，它有 3 個子通道：“0”號、“1”號高速印字機各占一個子通道；“0”號打印機、 “1”號打印機和“0”號光電輸入機合用一個子通道。假定數(shù)據(jù)傳送期內高速印字機每隔 25 s發(fā)一個字節(jié)請求，低速打印機每隔 150 s發(fā)一個字節(jié)請求，光電輸入機每隔 800 s發(fā)一個字節(jié)請求，則這 5 臺設備要求通道的流量為 sMBffijijbyte/095. 080011501150125125151第3章 總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 圖 3.13 字節(jié)多路通道響應和處理各設備請求的時間示意圖 第3章 總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 3.5 外外 圍圍 處處 理理 機機 圖圖 3.14 CYBER 170 的結構的結構 第3章 總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 外圍處理機子系統(tǒng)包括分時使用主存的 10 臺P