計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第三章

1、計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第三章第三章 總線中斷與輸入輸出系統(tǒng)總線中斷與輸入輸出系統(tǒng)概 述本章著重講述輸入輸出系統(tǒng)基本概念；總線設(shè)計；中斷的分類與分級；中斷響應(yīng)次序；中斷處理次序；IO系統(tǒng)中的通道處理機(jī)工作原理和流量設(shè)計；本章的基本要求關(guān)于中斷系統(tǒng)的基本要求領(lǐng)會為什么要將中斷源分成不同的類和級；領(lǐng)會設(shè)置中斷級屏蔽位的作用；掌握中斷嵌套的基本原則。熟練掌握按所要求的中斷處理次序來設(shè)置各中斷處理程序中中斷級屏蔽位的狀態(tài)，并正確畫出發(fā)生多種中斷級請求時，CPU執(zhí)行程序時的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程示意圖。本章的基本要求關(guān)于通道處理機(jī)的基本要求了解采用通道處理機(jī)的目的。掌握字節(jié)多路、數(shù)組多路和選擇三類通道的工作原理；了解三種通

2、道各自的適用場合。熟練掌握通道處理機(jī)和IO系統(tǒng)的流量設(shè)計與分析。掌握字節(jié)多路通道流量的計算和通道工作周期的設(shè)計，能畫出通道處理機(jī)響應(yīng)和處理完各外設(shè)請求的時間空間示意圖。5本章的重點和難點本章的重點是：如何按中斷處理優(yōu)先次序的要求，設(shè)置各中斷處理程序中中斷級屏蔽位的狀態(tài)，正確畫出中斷處理過程的示意圖；通道的流量設(shè)計；畫出字節(jié)多路通道響應(yīng)和處理完各外部設(shè)備請求的時空圖。本章的難點是：無6一、中斷系統(tǒng)1 基本概念中斷：CPU中止正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)去處理隨機(jī)提出的請求，處理完，在返回剛才的程序繼續(xù)執(zhí)行，這個過程叫中斷。中斷系統(tǒng)：響應(yīng)和處理各種中斷的軟硬件總體。中斷源：引起中斷的各種事件。中斷請求：中斷

3、源向中斷系統(tǒng)發(fā)出請求中斷的申請。中斷響應(yīng)：允許CPU 中止正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)去處理引起中斷的各種事件。中斷處理是通過具體執(zhí)行中斷服務(wù)程序來對中斷源進(jìn)行處理的過程。7一、中斷系統(tǒng)2 中斷的分類和分級 一般的高性能系統(tǒng)，系統(tǒng)的中斷源個數(shù)可能多達(dá)數(shù)十甚至數(shù)百個，為簡化硬件的復(fù)雜度，宜將性質(zhì)接近的中斷源分成類。 不同類的中斷，就要根據(jù)中斷類的性質(zhì)、緊迫性、全局性、重要性及軟件處理的方便性等，再將它們分成不同的中斷響應(yīng)優(yōu)先級，讓級別高的中斷類能優(yōu)先得到響應(yīng)。8一、中斷系統(tǒng)2 中斷的分類和分級一般在安排中斷類響應(yīng)的優(yōu)先級時，采用如下方式：第1級：機(jī)器校驗類中斷；第2級：程序性中斷和管理程序調(diào)用類中斷；第3

4、級：外部中斷；第4級：輸入輸出類中斷；第5級：重新啟動中斷。優(yōu)先級最高優(yōu)先級最低9一、中斷系統(tǒng)3 中斷嵌套的原則中斷嵌套指的是新的中斷請求中斷了CPU正在執(zhí)行的中斷處理程序。中斷嵌套的原則：正在執(zhí)行的中斷處理程序，應(yīng)當(dāng)屏蔽與之同級或比之低級的中斷請求。用戶程序的級別最低，任何中斷請求都能中斷用戶程序的運行；中斷處理程序結(jié)束后，啟用“從哪里來回那里去”機(jī)制。10一、中斷系統(tǒng)4 中斷處理次序 為了能動態(tài)地調(diào)節(jié)中斷處理程序?qū)嶋H執(zhí)行完的次序，即中斷處理次序，在中斷級請求源與中斷響應(yīng)排隊器的入口端之間又加設(shè)了一個中斷級屏蔽位寄存器和相應(yīng)的控制門電路硬件。中斷源CPU中斷屏蔽位控制器排隊器12345100

5、102352 3 511一、中斷系統(tǒng)4 中斷處理次序 中斷級屏蔽字寄存器中的每一個中斷級屏蔽位可以控制讓相應(yīng)等級的中斷請求能否進(jìn)入中斷響應(yīng)排隊器去參加排隊。只要能進(jìn)入中斷響應(yīng)排隊器的中斷請求，總是讓其中級別相對高的優(yōu)先得到響應(yīng)。中斷源CPU中斷屏蔽位控制器排隊器12345100102352 3 5“0”表示屏蔽“1”表示開放。12一、中斷系統(tǒng)4 中斷處理次序 操作系統(tǒng)可以根據(jù)CPU正在執(zhí)行的程序來修改中斷級屏蔽位的狀況，來使中斷處理(完)的次序符合我們所希望的次序。設(shè)中斷處理次序為：5 2 3 1 4中斷源CPU中斷屏蔽位控制器排隊器12345100102352 3 513一、中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng)

6、的解題關(guān)鍵兩個次序一個原則一個錦囊14一、中斷系統(tǒng)5 中斷屏蔽位舉例中斷處理程序級別中斷級屏蔽位1級 2級 3級 4級第1級0000第2級1011第3級1001第4級1000“0”表示屏蔽“1”表示開放。處理次序：1-4-3-2 用戶程序 中斷處理程序 1 2 3 415一、中斷系統(tǒng)6 中斷系統(tǒng)應(yīng)用題1）機(jī)器有五級中斷，中斷響應(yīng)次序為1-2-3-4-5，現(xiàn)要求中斷處理次序為2-3-1-5-4 。設(shè)計各級中斷處理程序的中斷級屏蔽位，令“0”表示開放，“1”表示屏蔽；若在運行用戶程序時，同時發(fā)生1、3級中斷請求，而在1級中斷服務(wù)尚未完成時，又發(fā)生2、3、4、5級中斷，請畫出處理機(jī)執(zhí)行程序的全過程示

7、意圖。16一、中斷系統(tǒng)中斷處理程序級別中斷級屏蔽位1級 2級 3級 4級 5級第1級10011第2級11111第3級10111第4級00010第5級00011中斷處理程序級別中斷級屏蔽位1級2級3級4級5級第1級第2級第3級第4級第5級17一、中斷系統(tǒng)2）機(jī)器有五級中斷，中斷級屏蔽位“1”表示開放，“0”表示屏蔽；中斷響應(yīng)次序為1-2-3-4-5，各級中斷處理程序的中斷級屏蔽位設(shè)置如下表所示。中斷處理次序為什么？若在運行用戶程序時，同時發(fā)生4、5級中斷請求，而在5級中斷服務(wù)尚未完成時，又發(fā)生1、2、3級中斷，請畫出處理機(jī)執(zhí)行程序的全過程示意圖。中斷處理程序級別中斷級屏蔽位1級 2級 3級 4級

8、 5級第1級00000第2級10111第3級10000第4級10101第5級1010018一、中斷系統(tǒng)3）機(jī)器有五級中斷，中斷響應(yīng)次序為1-2-3-4-5，現(xiàn)要求中斷處理次序為3-5-2-4-1 。設(shè)計各級中斷處理程序的中斷級屏蔽位，令“1”表示開放，“0”表示屏蔽；若在運行用戶程序時，同時發(fā)生4、5級中斷請求，而在5級中斷服務(wù)尚未完成時，又發(fā)生1、2、3級中斷，請畫出處理機(jī)執(zhí)行程序的全過程示意圖。*第三章 總線中斷與輸入輸出系統(tǒng)19二、通道處理機(jī)1、通道處理機(jī)進(jìn)行輸入/輸出的過程 在多用戶應(yīng)用環(huán)境下，應(yīng)用程序要想進(jìn)行一次輸入/輸出，可在目態(tài)程序中安排要求進(jìn)行輸入/輸出的訪管指令，并帶上所用之

9、設(shè)備號、設(shè)備與主存要交換的字節(jié)數(shù)、與主存交換信息的起始地址等參數(shù)。 CPU執(zhí)行到訪管指令時，按其提供的入口地址，將管理程序調(diào)出來執(zhí)行。此管理程序的任務(wù)是利用所帶的參數(shù)來編制通道程序。 在通道程序編好且存入主存中某個通道緩沖區(qū)時，就置好相應(yīng)的通道地址字。當(dāng)管理程序執(zhí)行到“啟動I/O”的管態(tài)指令時，發(fā)出啟動命令。當(dāng)設(shè)備被成功啟動之后，CPU就退出管態(tài)，返回目態(tài)去執(zhí)行其它的用戶程序。此時，通道進(jìn)入了“通道數(shù)據(jù)傳送”期。 被啟動的通道開始執(zhí)行存放于通道緩沖區(qū)中的通道程序來具體組織I/O操作，完成了通道程序后，又向CPU發(fā)出I/O中斷請求。CPU在響應(yīng)I/O中斷請求后，第二次進(jìn)入管態(tài)，調(diào)出相應(yīng)的管理程序

10、，進(jìn)行善后登記和處理后，又重新返回目態(tài)。這樣，一次輸入/輸出的過程中，CPU只需要二次進(jìn)入管態(tài)，使之減少了輸入/輸出對目態(tài)程序的干擾，也使CPU和外部設(shè)備及多臺設(shè)備之間可以并行地工作。20二、通道處理機(jī)通道CPU目態(tài)（運行目態(tài)程序）管態(tài)（運行I/O管理程序）要求進(jìn)行輸入/輸出的訪管指令編制通道程序運行存放在主存中的通道程序組織I/O操作I/O操作結(jié)束后，向CPU發(fā)I/O中斷請求響應(yīng)I/O中斷請求啟動I/O指令時間軸21二、通道處理機(jī)2、通道的分類及相應(yīng)的數(shù)據(jù)寬度 在通道的數(shù)據(jù)傳送期內(nèi)，根據(jù)信息傳送所采取的方式不同，通道又可被分為字節(jié)多路、數(shù)組多路和選擇3類。 設(shè)通道所連接的p臺設(shè)備均已啟動，且

11、在數(shù)據(jù)傳送期內(nèi)，選擇使用當(dāng)前通道總線來傳送數(shù)據(jù)的設(shè)備所需要的時間為Ts，通道傳送一個字節(jié)數(shù)據(jù)所需要的時間為TD，則每臺設(shè)備都要傳送n個字節(jié)數(shù)據(jù)時的工作時間示意圖如下所示：22二、通道處理機(jī) 選中一臺設(shè)備后，設(shè)備只傳送1字節(jié)數(shù)據(jù)就釋放總線； 各設(shè)備輪流傳送； 設(shè)備要傳送n字節(jié)數(shù)據(jù)，需經(jīng)n次申請使用通道總線； t=np(Ts+TD) 適用于連接大量的低速設(shè)備； 通道的數(shù)據(jù)寬度為單字節(jié)。23二、通道處理機(jī)24二、通道處理機(jī) 選中一臺設(shè)備后，設(shè)備只傳送k字節(jié)成組數(shù)據(jù)，然后釋放總線； 各設(shè)備輪流傳送； 設(shè)備要傳送n字節(jié)數(shù)據(jù)，需經(jīng)n/k次申請使用通道總線； t=p(Ts+kTD)n/k 適用于連接多臺高速

12、設(shè)備，如磁盤，k=512B，一般地kn； 通道的數(shù)據(jù)寬度為k字節(jié)。25二、通道處理機(jī)26二、通道處理機(jī) 選中一臺設(shè)備后，設(shè)備獨占通道，傳送外所有數(shù)據(jù)后釋放才總線； 各設(shè)備輪流傳送； 設(shè)備要傳送n字節(jié)數(shù)據(jù)，只需1次申請使用通道總線； t=p(Ts+nTD) 適用于連接優(yōu)先級高的高速設(shè)備； 通道的數(shù)據(jù)寬度為n字節(jié)。27二、通道處理機(jī)28二、通道處理機(jī)3 通道的流量設(shè)計 通道流量是指通道在“通道數(shù)據(jù)傳送”期間，單位時間里傳送的字節(jié)數(shù)。 極限流量：通道所能達(dá)到的最大流量。 字節(jié)多路：fmax.bytel(Ts+TD) 數(shù)組多路: fmax.blockk/(Ts+kTD)=1(TsK+TD) 選擇: f

13、max.selectn/(Ts+nTD)=1(Tsn+TD)29二、通道處理機(jī)如果通道上所掛n臺設(shè)備都被啟動，則設(shè)備對通道要求的實際流量分別為：字節(jié)多路通道的流量應(yīng)當(dāng)是所掛各臺設(shè)備的速率之和，即fbyte=f1+f2+fn數(shù)組多路通道和選擇通道的流量都是所掛設(shè)備中速率最高者，即fblock= max（ f1，f2，fn） fselect =max（ f1，f2，fn） 30二、通道處理機(jī) 為使通道所掛外部設(shè)備在滿負(fù)荷工作時仍不丟失信息，應(yīng)使設(shè)備要求通道的實際最大流量不能超過通道的極限流量，即流量設(shè)計應(yīng)滿足的基本要求是： 字節(jié)多路：fbyte fmax.byte 數(shù)組多路：fblockfmax.

14、block 選擇： fselectfmax.select31二、通道處理機(jī)例1 某字節(jié)交叉多路通道連接6臺設(shè)備，其數(shù)據(jù)傳送速率如下表所示。 (1)在表中填出設(shè)備相應(yīng)二次請求傳送字節(jié)的間隔時間。 (2)當(dāng)所有設(shè)備同時要傳送數(shù)據(jù)時，求其對通道要求的總流量fbyte。 (3)讓通道以極限流量fmaxbyte fbyte 的工作周期工作，通道的工作周期是多少? (4)讓通道中所掛設(shè)備速率越高的，數(shù)據(jù)傳送請求被響應(yīng)的優(yōu)先級越高。畫出6臺設(shè)備同時發(fā)請求到下次同時發(fā)請求期間里，通道響應(yīng)和處理完各設(shè)備請求時刻的示意圖。哪個設(shè)備丟失了信息?提出一種不丟失信息的解決辦法。32二、通道處理機(jī)設(shè)備號123456工作速

15、率（B/ms）505040252510二次請求的間隔時間（s）設(shè)備號123456工作速率（B/ms）505040252510二次請求的間隔時間（s）202025404010033二、通道處理機(jī)例2 設(shè)通道在數(shù)據(jù)傳送期中，選擇設(shè)備需4.9s，傳送一個字節(jié)數(shù)據(jù)需0.1s。 (1)其低速設(shè)備每隔250s發(fā)出一個字節(jié)數(shù)據(jù)傳送請求，問最多可接多少臺這種設(shè)備? (2)若有AE共5種高速設(shè)備，要求字節(jié)傳送的間隔時間如下表所示，其時間單位為s。若一次通信傳送的字節(jié)數(shù)不少于1024個字節(jié)，問哪些設(shè)備可掛在此通道上?哪些則不能?設(shè) 備ABCDE間隔時間(s)0.130.10.110.20.334二、通道處理機(jī) 2

16、）有8臺外設(shè)，各設(shè)備要求傳送信息的工作速率分別如下表所示。設(shè)通道數(shù)據(jù)傳送其內(nèi)，選擇一次設(shè)備需1/s，每傳送一個字節(jié)數(shù)據(jù)也需要1/s?，F(xiàn)采用數(shù)組多路通道，定長塊大小為512B。 (1)通道工作時的極限流量是多少? (2)哪些設(shè)備可掛在此通道上?為什么? 設(shè)備號12345678工作速率（Kb/s）100048020015010080282035二、通道處理機(jī)3）有8臺外設(shè)，各設(shè)備要求傳送信息的工作速率分別如下表所示?，F(xiàn)設(shè)計的通道，在數(shù)據(jù)傳送期，每選擇一次設(shè)備需2/s，每傳送一個字節(jié)數(shù)據(jù)也需要2/s 。 (1)若用作字節(jié)多路通道，通道工作的最高流量是多少? (2)作字節(jié)多路通道用時，希望同時不少于4

17、臺設(shè)備掛在此通道上，最好多掛一些，且高速設(shè)備盡量多掛一些，請問應(yīng)選哪些設(shè)備掛在此通道上?為什么? (3)若用作數(shù)組多路通道，通道工作的最高流量是多少?設(shè)定長塊大小取成512B。 (4)作數(shù)組多路通道用時，應(yīng)選哪些設(shè)備掛在此通道上?為什么?設(shè)備號ABCDEFGH工作速率（kB/s）500240100755040141036三、外圍處理機(jī)1 通道處理機(jī)的局限性通道處理機(jī)實際上并不能看成是獨立的處理機(jī)，原因如下：通道指令系統(tǒng)簡單；沒有大容量的存儲器；每次I/O操作前后需中斷CPU的現(xiàn)行程序，調(diào)用OS的管理程序為I/O操作服務(wù)；當(dāng)外圍設(shè)備或通道處理機(jī)出現(xiàn)故障時，須通過中斷方式請求CPU來處理；對所傳數(shù)

18、據(jù)的格式轉(zhuǎn)換、碼制轉(zhuǎn)換、正確性校驗等工作仍需CPU完成；文件管理、設(shè)備管理等操作系統(tǒng)的工作需要CPU來實現(xiàn)； 37三、外圍處理機(jī)38三、外圍處理機(jī)2 外圍處理機(jī)的功能外圍處理機(jī)除了能夠完成通道處理機(jī)的全部功能外，還能完成如下功能：碼制轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)校驗和校正；故障處理；文件管理；診斷和顯示外圍設(shè)備的狀態(tài)；處理人機(jī)對話；連接網(wǎng)絡(luò)或遠(yuǎn)程終端。39三、外圍處理機(jī)3 外圍處理機(jī)的分類根據(jù)是否共享主存，可分為：共享主存的外圍處理機(jī)；不共享主存的外圍處理機(jī)。根據(jù)是否共享運算部件和指令控制部件，可分為：共享運算部件和指令控制部件的外圍處理機(jī)；不共享運算部件和指令控制部件的外圍處理機(jī)。40四、總線設(shè)計1 總線的分類按信息傳送的方向分為：單向總線和雙向總線； 按用途分，可以有專用總線和非專用總線兩類。專用總線只連接一對物理部件。采用專用