總線中斷與輸入輸出系統(tǒng)

關(guān)于總線中斷與輸入輸出系統(tǒng)第1頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三?本章重點(diǎn)：

非專用總線的總線控制方式；數(shù)據(jù)寬度及其分類；中斷為什么要分類和分級；中斷處理次序的安排和實(shí)現(xiàn)；通道流量的分析和設(shè)計(jì)。?本章難點(diǎn)：

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(jì)；畫出字節(jié)多路通道響應(yīng)和處理完外部設(shè)備請求的時空圖。第2頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三3.1

輸入輸出系統(tǒng)的基本概念1.輸入輸出系統(tǒng)包括內(nèi)容:

I/O設(shè)備、設(shè)備控制器及與I/O操作有關(guān)的軟硬件等。2.I/O系統(tǒng)的發(fā)展：

1)早期及目前低性能單用戶計(jì)算機(jī)的I/O操作由程序員直接安排。主要解決CPU、主存和I/O

設(shè)備之間的速度差距。第3頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

2)現(xiàn)在改由用戶向系統(tǒng)發(fā)出I/O請求，經(jīng)OS來分配調(diào)度設(shè)備并進(jìn)行具體的I/O處理。主要解決面向OS在OS與I/O系統(tǒng)間進(jìn)行合理的軟、硬件功能分配。3.I/O系統(tǒng)的功能

1)功能:對指定的外設(shè)進(jìn)行輸入、輸出操作，同時完成其它的管理和控制。

2)包括：

a)對指定外設(shè)的信息編址，連接好主存與指定外設(shè)的信息通路。第4頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

b)完成指定外設(shè)編址區(qū)和OS指定的主存空間之間的信息傳送。

?輸入：外設(shè)編址區(qū)信息主存

?輸出：主存信息外設(shè)編址區(qū)

c)對傳送信息的格式變換，產(chǎn)生有關(guān)I/O操作

是否完成或出錯的狀態(tài)信息，經(jīng)由中斷系統(tǒng)交給OS分析處理。

3)實(shí)現(xiàn)：

a)部分由I/O指令、I/O設(shè)備及其控制器完成

b)部分由OS完成第5頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

4.I/O系統(tǒng)的三種方式

1)程序控制I/Oa)全軟的

b)程序查詢狀態(tài)驅(qū)動的—鍵盤

c)中斷驅(qū)動的—中斷控制器8259A2)直接存貯器訪問(DMA)3)I/O處理機(jī)

a)通道方式(Channel)

有自己的指令和程序，功能簡單，使用面窄。

b)外圍處理機(jī)方式(PPU)

獨(dú)立性、通用性和功能較強(qiáng)。

第6頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三3.2

總線設(shè)計(jì)

I/O系統(tǒng)的總線既要能傳送數(shù)據(jù)信息、地址信息、控制信息，還要傳送狀態(tài)信息，并使多臺外設(shè)與CPU或主存交叉地經(jīng)這些總線傳送信息。所以其設(shè)計(jì)的好壞，對I/O系統(tǒng)的性能影響較大。第7頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三3.2.1總線的類型

1.按信息傳送方向分

1)單向傳輸

2)雙向傳輸

a)半雙向:

在同一時刻，信息只能向其中的一個方向傳送。

b)全雙向：在同一時刻，允許信息在兩個方向傳送。全雙向速度快，但是造價高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。第8頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

2.按用法分

1)專用總線

a)定義：只連接一對物理部件的總線。

b)優(yōu)點(diǎn)：

?多個部件可以同時發(fā)送和接受信息，幾乎不必爭用總線，系統(tǒng)流量高。

?控制簡單，不用指明信息源和目的。

?任何總線的失效只影響相連的兩個部件不能直接通信，但可以間接通信，系統(tǒng)可靠性高。第9頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

c)缺點(diǎn)：

?總線數(shù)目多，N個部件

全部互連需N(N-1)/2組

總線。

?難以小型化、集成電

路化，總線長時成本高。

?利用率低

?不利于模塊化，增加一個部件要增加許多新

的接口和連線。ABCDE

所有部件用專用總線互連第10頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

2)非專用總線

a)定義:可以被多種功能或多個部件分時共享，

同一時刻只有一對部件使用總線進(jìn)行通信。

b)優(yōu)點(diǎn)：

?總線少，造價低。

?接口標(biāo)準(zhǔn)化、模塊性強(qiáng)，易于簡化接口設(shè)計(jì)。

?擴(kuò)充能力強(qiáng)，多重總線提高帶寬和可靠性。

c)缺點(diǎn)：

?經(jīng)常出現(xiàn)總線爭用，系統(tǒng)流量小。

?可能成為系統(tǒng)速度瓶頸，導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。總線第11頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

3.2.2總線的控制方式

1.產(chǎn)生原因

采用非專用總線時，可能出現(xiàn)多個設(shè)備或部件同時使用總線而發(fā)生爭用，就得有總線控制機(jī)構(gòu)來按照某種方式裁決，保證同一時間只能有一個高優(yōu)先級的申請者取得總線使用權(quán)。

第12頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三2.控制方式

1)集中式控制

總線控制邏輯基本上集中放在一起，或者放在連接總線的一個部件中，或者是放在單獨(dú)的硬件中。我們主要講述這一控制方式。

2)分布式控制

總線控制邏輯分散于連到總線的各個部件中。

第13頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三3.優(yōu)先次序的三種確定方式

1)串行鏈接方式

部件

0部件

1部件

N-1總線控制器總線可用總線請求總線忙集中式串行鏈接第14頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

a)次序確定

完全由“總線可用”線所接部件的物理位置來

決定，離總線控制器越近的部件其優(yōu)先級越高。

b)優(yōu)點(diǎn)：

?算法簡單，線數(shù)少，且不取決于部件的數(shù)量。

?部件增加容易，可擴(kuò)充性好。

?邏輯簡單，容易通過重復(fù)設(shè)置來提高其可靠性。第15頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

c)缺點(diǎn)：

?對“總線可用”線敏感，一個部件不能正確傳送“總線可用”信號,其后部件都得不到使用權(quán)。

?優(yōu)先級固定，不可被程序更改，靈活性差。

?遙遠(yuǎn)部件難以獲得總線使用權(quán)。

?“總線可用”信號順序、脈動地通過每一部件,

限制了總線分配的速度。

?受總線長度影響，增、減及移動部件也受限。第16頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

2)定時查詢方式：

部件

0部件

1總線控制器總線請求總線忙部件

0部件

1部件

N-1總線控制器總線請求總線忙集中式定時查詢定時查詢計(jì)數(shù)……第17頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

a)次序確定

?總線分配前計(jì)數(shù)器清“0”,從“0”開始查詢，優(yōu)先級排序類似串行鏈接。

?總線分配前不清“0”，從中止點(diǎn)繼續(xù)查詢，是循環(huán)優(yōu)先級，部件使用總線機(jī)會均等。

?總線分配前將計(jì)數(shù)器設(shè)置初值，可以指定某個部件為最高優(yōu)先級。

?總線分配前將部件號重新設(shè)置，可以為各部件指定任意希望的優(yōu)先級。第18頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

b)優(yōu)點(diǎn)：

?優(yōu)先級可由程序控制，靈活性強(qiáng)。

?某一部件的失效不影響其它部件，可靠性高。

c)缺點(diǎn)：

?線數(shù)多，擴(kuò)展性差，控制復(fù)雜。

?速度取決于計(jì)數(shù)器信號的頻率和部件數(shù)，不是很高。第19頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

3)獨(dú)立請求方式：

部件

0總線控制器部件

0部件

N-1總線控制器總線請求0集中式獨(dú)立請求……總線準(zhǔn)許0總線請求N-1總線準(zhǔn)許N-1總線已被分配…第20頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

a)次序確定

總線控制器根據(jù)某種算法來仲裁。

b)優(yōu)點(diǎn)：

?總線分配速度快。

?可以靈活確定下一個使用總線的部件。

?可以方便的不響應(yīng)來自已知失效或可能失效的部件發(fā)出的總線請求。

c)缺點(diǎn)：

?控制線多，N個部件要2N+1根控制線。

?總線控制器復(fù)雜。第21頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三3.2.3總線的通訊技術(shù)

當(dāng)部件獲得了總線的使用權(quán)后，必須給出通訊的“源”或“目的”部件、傳送信息的類型和方向等信息，之后才能開始真正的數(shù)據(jù)信息的傳送。

1.同步通訊

1)同步：為了保證通信正常進(jìn)行，必須采用一定的方式讓接收端知道發(fā)送端什么時候開始發(fā)送，什么時候發(fā)送完畢。這個過程稱為總線通信的同步。按同步方式的不同，可分為“同步”和“異步”通訊方式。第22頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

2)方式：兩個部件之間的信息傳送是通過定寬、定距的系統(tǒng)時標(biāo)進(jìn)行同步的。

3)優(yōu)點(diǎn)：信息傳送速率高，受總線長度影響小。

4)缺點(diǎn)：

a)時鐘在總線上的時滯會導(dǎo)致誤同步

b)時鐘線上的干擾信號易引起誤同步

c)為了可靠性加寬時間片可能使數(shù)據(jù)傳送速率低于異步通信

5)解決辦法：只在數(shù)據(jù)出錯時目的部件才給源

部件返回信號，源部件必須設(shè)置緩沖池來保

留已發(fā)送但未經(jīng)證實(shí)的數(shù)據(jù)以備重發(fā)。第23頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

2.異步通訊

由于I/O總線一般是為具有不同速度的許多I/O

設(shè)備所共享，因此宜采用異步通訊。異步通訊可分為單向控制和雙向(請求/回答)控制。

1)異步單向控制

通訊過程中只由源或目的部件中的一個控制，分為單向源控制和單向目的控制兩種。

t1t2數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備(a)源控式td1td2數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)請求(b)目控式異步單向控制通訊(源)(源)(源)(目)第24頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

a)異步單向源控式通訊

?優(yōu)點(diǎn)：簡單、高速

?缺點(diǎn)：無目的部件的應(yīng)答信號，對不同速度的部件間通訊困難，需設(shè)置緩沖器來緩沖來不及處理的數(shù)據(jù)，對“數(shù)據(jù)準(zhǔn)備”線要求高。

b)異步單向目控式通訊

?出錯判斷:“出錯”信號代替下一次“請求”信號。

?優(yōu)點(diǎn):解決了傳送有效性校驗(yàn)。

?缺點(diǎn):傳送速率隨源、目距離增大而下降，

c)單向控制缺點(diǎn)：未能提供傳送完標(biāo)志，即不

能保證下一數(shù)據(jù)傳送前讓所有數(shù)據(jù)線和控制線的電平信號回到初始狀態(tài)。第25頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

2)異步雙向控制

t1td1td2td1t2td1t1td2td3td4(a)非互鎖方式(b)互鎖方式(源)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備數(shù)據(jù)準(zhǔn)備數(shù)據(jù)接受數(shù)據(jù)接受(源)(源)(源)(目)(目)源控式異步雙向通訊第26頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

a)目控式異步雙向通訊

b)源控式異步雙向通訊

?非互鎖方式

優(yōu)點(diǎn):提供出錯控制,便于不同速率部件通訊。缺點(diǎn):傳送速率低,容易丟失數(shù)據(jù)。

?互鎖方式

優(yōu)點(diǎn):保證數(shù)據(jù)高速、正確傳送,適合不同速率部件間通訊。

缺點(diǎn):增加了信號沿總線來回傳送的次數(shù),控制硬件復(fù)雜。

第27頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三3.2.4數(shù)據(jù)寬度與總線線數(shù)

1.數(shù)據(jù)寬度

1)基本概念

a)數(shù)據(jù)寬度：I/O設(shè)備取得總線使用權(quán)后所傳

送數(shù)據(jù)的總量,可能經(jīng)多個時鐘周期分時傳送。

b)數(shù)據(jù)通路寬度：指數(shù)據(jù)總線的物理寬度，如

16bit,32bit等,即一個時鐘周期傳送的信息量。

2)數(shù)據(jù)寬度種類

有單字(或單字節(jié))、定長塊、可變長塊、單字加定長塊及單字加可變長塊等。第28頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三a)單字(或單字節(jié))寬度

?適于輸入機(jī)、打印機(jī)等低速設(shè)備，每傳完一

個字(字節(jié))后等待時間長，期間釋放總線，為其它設(shè)備服務(wù)，提高總線利用率和系統(tǒng)效率。

?不適于磁盤、磁帶等快速設(shè)備，一旦開始傳送，速率很高，重新分配總線降低效率。

?優(yōu)點(diǎn):不指明信息長度，減少輔助開銷。

?缺點(diǎn):要求總想控制邏輯高速分配總線，防礙

總線采用更為合理的分配算法。第29頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

b)定長塊寬度

?優(yōu)點(diǎn):適于磁盤等高速設(shè)備，不指明傳送信息寬度，簡化控制，可按整個信息塊進(jìn)行校驗(yàn)。

?缺點(diǎn):塊大小固定，當(dāng)比所傳信息塊小時，仍多次分配總線；當(dāng)大于所傳信息塊時，就會浪費(fèi)總線的帶寬和緩沖器空間。

c)可變長塊寬度

?優(yōu)點(diǎn):適于高優(yōu)先級的中高速設(shè)備，可動態(tài)改變傳送塊的大小，有效利用總線的帶寬。

?缺點(diǎn):要增大緩沖器空間和增加信息塊大小的輔助開銷和控制。第30頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

d)單字加定長塊寬度

?優(yōu)點(diǎn):適于速度低而優(yōu)先級高的設(shè)備的總線。定長塊不必過大，超過部分可以用單字處理，減少總線帶寬、部件緩沖空間的浪費(fèi)。

?缺點(diǎn):信息塊小于定長塊少時，總線利用率低。

e)單字加可變長塊寬度

靈活有效，適應(yīng)掛有各種設(shè)備的總線，但代價大。第31頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

2.總線的線數(shù)

1)制約因素

a)總線線數(shù)越多，成本高，干擾大，可靠性低，占用空間大，但是傳送速度和流量大。

b)總線長度越長，成本高，干擾大，波形畸變嚴(yán)重，可靠性低。

2)原則:

a)總線越長，其線數(shù)應(yīng)盡可能減少。

b)在滿足性能要求及通信類型和速率的情況下，應(yīng)盡量減少總線的線數(shù)。

3)減少總線方法：

總線組合、并/串－串/并轉(zhuǎn)換和編碼

第32頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三4)流量問題

a)I/O總線所需的流量取決于該總線所接外設(shè)的數(shù)量、種類以及傳輸信息的方式和速率要求。

b)總線的價格一般正比于流量，當(dāng)流量超過某一范圍時，價格將會呈指數(shù)上升。

c)當(dāng)系統(tǒng)所要求流量過大時，采用多組總線合理調(diào)配，并限制總線長度和I/O設(shè)備數(shù)量。

d)為保證總線上各設(shè)備滿負(fù)荷工作時不丟失信息，總線的允許流量應(yīng)大于各臺外設(shè)平均流量的總和。第33頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三3.3中斷系統(tǒng)

中斷系統(tǒng)不只是I/O系統(tǒng)，也是整個計(jì)算機(jī)系統(tǒng)必不可少的重要組成部分。它對I/O處理、多道程序和分時處理、實(shí)時處理、人機(jī)聯(lián)系、事故處理、程序的監(jiān)視和跟蹤、目態(tài)程序和OS的聯(lián)系以及多處理系統(tǒng)中各機(jī)的聯(lián)系等方面都起著重要的作用。第34頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三3.3.1中斷的分類和分級

1.基本概念

1)中斷源:引起中斷的各種事件。

2)中斷請求:中斷源向中斷系統(tǒng)發(fā)出請求中斷的申請。同時可以有多個中斷請求，這時中斷系統(tǒng)要根據(jù)中斷響應(yīng)優(yōu)先次序?qū)?yōu)先級高的中斷請求予以相應(yīng)。

3)中斷響應(yīng):就是允許其中斷CPU現(xiàn)行程序的運(yùn)行而轉(zhuǎn)去對該請求進(jìn)行預(yù)處理，包括保存斷點(diǎn)現(xiàn)場，調(diào)出相應(yīng)中斷處理程序，準(zhǔn)備運(yùn)行。也可以屏蔽這一請求使其暫時得不到響應(yīng)。

第35頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

2.入口設(shè)置

1)當(dāng)中斷源較少時，通過中斷系統(tǒng)硬件對每個中斷源直接形成相應(yīng)的中斷處理程序入口，進(jìn)入相應(yīng)的中斷處理程序。

2)當(dāng)中斷源較多時，先將它們按性質(zhì)分類，對每一類給定一個中斷處理程序入口，再由軟件轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷源進(jìn)行處理。如IBM370把中斷分為以下六類：

第36頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

1)機(jī)器指令校驗(yàn)

故障

64位機(jī)器校驗(yàn)中斷碼

2)管理程序調(diào)用

OS執(zhí)行“訪管”指令

8

3)程序性中斷

出錯、出現(xiàn)異常

16

4)外部中斷

外部信號、定時器、鍵盤等

16

5)I/O中斷

I/O操作完成或出錯

16

6)重新啟動中斷

操作員或其它CPU啟動程序

其中重新啟動中斷是CPU不能禁止的。每類具體的中斷原因可由舊程序狀態(tài)字(PSW)進(jìn)一步指明，或是由中斷期間放置在指定存貯單元的附加信息指明。

第37頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

3.中斷分類

細(xì)分為中斷(Interrupt)和異常(Exception)。

1)中斷

專指那些于當(dāng)前進(jìn)程運(yùn)行無關(guān)的請求暫停的事件,如機(jī)器故障中斷請求、外設(shè)中斷請求、定時中斷請求等。中斷可以被屏蔽，暫時保存在中斷寄存器，屏蔽解除后繼續(xù)得到響應(yīng)和處理。

2)異常

由現(xiàn)行指令引起的暫停事件，如頁面失效、溢出等，一般不能屏蔽，立即得到響應(yīng)和處理。第38頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

異常可以分為自陷(Trap)、故障(Fault)、失敗(Abort)三種。

a)自陷

發(fā)生在引起異常的指令執(zhí)行的末尾，處理后返回原先正常程序的下一條指令繼續(xù)執(zhí)行。

b)故障

發(fā)生在執(zhí)行指令的過程中，處理后返回原先發(fā)生故障的那條指令出重復(fù)執(zhí)行。

c)失敗

也發(fā)生在指令執(zhí)行過程中，需強(qiáng)制干預(yù)或系統(tǒng)復(fù)位才可以使指令再正確執(zhí)行下去。第39頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

4.中斷級別

1)依據(jù)：根據(jù)中斷的性質(zhì)、緊迫性、重要性以及軟件處理的方便性把中斷源分級。優(yōu)先級高低的劃分，不同機(jī)器有所差異，一般把機(jī)器校驗(yàn)安排為第一級，程序性和管理程序調(diào)用為第二級，外部為第三級，I/O為第四級，重新啟動為最低級。

2)次序：由高到低依次為第一級、第二級

3)原則：局部性中斷優(yōu)先級低

……第40頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

以IBM370為例

緊急機(jī)器校驗(yàn)

1

全局，掉電，CPU地址錯等

管理程序調(diào)用

2

高于I/O與外部，防止混亂

可抑止機(jī)器校驗(yàn)

3

局部的

外部中斷

4

多機(jī)聯(lián)系、人機(jī)干預(yù)等

I/O中斷

5

局部性外設(shè)請求

重新啟動

6

時間不緊迫

第41頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三5.中斷響應(yīng)次序與處理次序

1)中斷響應(yīng)次序

同時發(fā)生多個中斷請求時，由中斷響應(yīng)硬件的排隊(duì)器所決定的響應(yīng)次序，次序是固定的。

2)中斷處理次序

一個中斷處理程序執(zhí)行前或中再有其它中斷產(chǎn)

生時中斷處理完的次序，可以不同于響應(yīng)次序。

3)處理原則

在處理某級中斷時,只有更高級的請求到來才轉(zhuǎn)去響應(yīng)和處理，完成后返回原中斷繼續(xù)處理。第42頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三6.中斷處理次序改變

1)方法：

a)設(shè)置中斷級屏蔽位寄存器硬件以決定是否讓

某級中斷請求進(jìn)入中斷響應(yīng)排隊(duì)器，只要進(jìn)入排隊(duì)器中斷請求，就讓級別高的優(yōu)先得到響應(yīng)。

b)OS對每類中斷處理程序的現(xiàn)行PSW中的中斷

級屏蔽位進(jìn)行設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)希望的處理次序。

2)優(yōu)點(diǎn)：

改變響應(yīng)次序中用排隊(duì)器硬件實(shí)現(xiàn)的固定次序?yàn)镺S軟件實(shí)現(xiàn)的靈活性。

第43頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

例:系統(tǒng)有4個中斷級,每級現(xiàn)行PSW有4位屏蔽位

“1”表示對該級的請求都開放,允許其進(jìn)入排隊(duì)

器。“0”表示屏蔽各個請求,不允許進(jìn)入排隊(duì)器，

現(xiàn)要求各級中斷處理次序和響應(yīng)次序都是1

2

3

4，請?jiān)O(shè)計(jì)屏蔽位狀態(tài)。中斷處理程序級別中斷級屏蔽位第1級第2級第3級第4級1級2級3級4級0000000000111111中斷級屏蔽位舉例1(1234)不高于本級的屏蔽掉即“0”第44頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

用戶程序中斷處理程序中斷請求t234211234中斷處理次序?yàn)?234的例子第45頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

中斷處理程序級別中斷級屏蔽位第1級第2級第3級第4級1級2級3級4級0000011010111000中斷級屏蔽位舉例2(1432)第46頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

用戶程序中斷處理程序中斷請求t34211234中斷處理次序?yàn)?432的例子第47頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三3.3.2中斷系統(tǒng)的軟硬件功能分配

1.中斷系統(tǒng)的功能

1)中斷請求的保存和清除

2)優(yōu)先級的確定

3)中斷斷點(diǎn)及現(xiàn)場的保存

4)對中斷請求的分析和處理

5)中斷返回

這些功能全是由中斷響應(yīng)硬件和中斷處理程序完成的，中斷系統(tǒng)的軟硬件功能分配實(shí)質(zhì)就是中斷響應(yīng)硬件和處理程序軟件的功能分配。第48頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三2.功能的實(shí)現(xiàn)

1)早期大部分功能是由軟件完成的，中斷響應(yīng)和中斷處理時間長。

2)后來中斷響應(yīng)及其次序由程序查詢軟件的方法改為中斷響應(yīng)排隊(duì)器硬件實(shí)現(xiàn)；中斷源的分析也由程序查詢改為硬件編碼，直接或經(jīng)中斷向量表形成入口地址，并把中斷源的狀況以中斷碼的方式經(jīng)舊PSW告知中斷處理程序。

第49頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三3.中斷現(xiàn)場

包括軟件狀態(tài)和硬件狀態(tài)兩種

1)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(biāo)志等。本來就在主存中，且數(shù)量隨OS的發(fā)展而擴(kuò)大，宜于經(jīng)中斷處理程序保存。

2)硬件狀態(tài)

如現(xiàn)行指令地址，條件碼，各種控制寄存器及通用寄存器內(nèi)容等。其保存方式分兩種：第50頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

a)經(jīng)中斷響應(yīng)硬件保存

把硬件狀態(tài)集合成PSW存到主存指定的單元或區(qū)域。然后再把新的程序的PSW從主存另一指定單元或區(qū)域把內(nèi)容傳送到相關(guān)寄存器或計(jì)數(shù)器中，建立運(yùn)行新程序的環(huán)境。但會降低速度。

b)經(jīng)中斷處理程序保存

會延緩轉(zhuǎn)入真正處理該中斷請求的時間，指令系統(tǒng)復(fù)雜。

實(shí)際中把兩者結(jié)合起來，并視具體情況而異。第51頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三4.中斷系統(tǒng)性能指標(biāo)

1)中斷響應(yīng)時間

發(fā)出中斷請求到進(jìn)入中斷處理程序的時間。主要取決于交換PSW的時間。

2)靈活性

各種通用寄存器的內(nèi)容是由中斷處理程序按切換需求來保存的，有利于提高中斷響應(yīng)的速度，又有很大靈活性。第52頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三3.4通道處理機(jī)3.4.1工作原理

1.原因

1)為了I/O與CPU、主存并行操作，以及讓多用戶或多道程序共同運(yùn)行。

2)防止用戶自行輸入而破壞其他用戶程序或系統(tǒng)程序及用戶竊取系統(tǒng)不該讓其讀出的內(nèi)容。

第53頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三2.工作過程……………目態(tài)程序管理程序通道程序中斷處理程序kk＋1k＋2k＋3k＋4k＋5OCOCOC訪管入口設(shè)備號交換長度主存起始地址置通道地址字啟動I/O無鏈通道指令入口訪管廣義指令和參數(shù)區(qū)返回I/O中斷返回I/O中斷響應(yīng)I/O中斷請求編制通道程序通道處理機(jī)I/O的主要過程第54頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

請求I/O訪管指令

響應(yīng)I/O中斷請求編制通道程序啟動I/O通道組織I/O操作登記或例外情況處理I/O操作結(jié)束向CPU發(fā)I/O

中斷請求運(yùn)行目態(tài)程序目態(tài)

運(yùn)行I/O管理程序管態(tài)CPUt通道處理機(jī)I/O主要過程的時間關(guān)系第55頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

選取通道

斷開?

忙？

選取子通道

斷開?

忙？

選取通道指令啟動“I/O”指令是形成條件碼，結(jié)束否是形成條件碼，結(jié)束否是是形成條件碼，結(jié)束否否形成條件碼，結(jié)束

有錯？是

形成條件碼存通道狀態(tài)字結(jié)束選控制器、設(shè)備否

斷開？是形成條件碼，結(jié)束

發(fā)啟動命令否全“0”狀態(tài)？通道結(jié)束？存放中斷？是

接受命令啟動成功形成條件碼否是

啟動成功形成條件碼否

形成條件碼清除中斷條件不成功，結(jié)束是否形成條件碼,啟動不成功,結(jié)束啟動I/O指令流程圖(結(jié)束表示釋放通道)第56頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

3.優(yōu)點(diǎn)：

1)完成一次I/O兩次訪管，減少對目態(tài)程序的干擾，提高了CPU運(yùn)算和外設(shè)操作的重疊度。

2)各個通道可以有自己的通道程序在運(yùn)行，使多種、多臺外設(shè)可以充分并行工作。

4.類型：

1)字節(jié)多路通道

適用于連接大量字符低速設(shè)備,傳送一個字符或字節(jié)占用時間短,但等待時間長。數(shù)據(jù)通路寬度為單字節(jié),采用字節(jié)交叉方式提高效率,或多個子通道獨(dú)立并行工作。第57頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

2)數(shù)組多路通道

適合于磁盤等高速設(shè)備,傳送速率高,但傳送前輔助操作時間長。數(shù)據(jù)寬度為定長塊,傳送K個字節(jié)后重選設(shè)備進(jìn)行下K個字節(jié)的傳送。多個子通道分時共享I/O通路,成組交叉并行傳送。

3)選擇通道

適合于優(yōu)先級高的高速設(shè)備，獨(dú)占通道，只能執(zhí)行一道通道程序。數(shù)據(jù)寬度為可變長塊，一次將N個字節(jié)全部傳送完畢，傳送期內(nèi)只選一次設(shè)備。第58頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三3.4.2通道流量的分析

1.通道流量

通道在數(shù)據(jù)傳送期內(nèi)，單位時間所傳送的字節(jié)數(shù)。它所能達(dá)到的最大流量稱為通道極限流量。

2.影響極限流量的因素

1)工作方式

2)數(shù)據(jù)傳送期內(nèi)選擇一次設(shè)備的時間TS

3)傳送一個字節(jié)的時間TD第59頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

3.極限流量

1)字節(jié)多路通道:每選一臺設(shè)備傳送一個字節(jié)。

fmax.byte=1/(TS+TD)

2)數(shù)組多路通道:每選一條設(shè)備傳送K個字節(jié)。

fmax.block=k/(TS+kTD)=1/(TS/k+TD)

3)選擇通道:每選一臺設(shè)備就把N個字節(jié)傳送完。

fmax.select=N/(TS+NTD)=1/(TS/N+TD)

若TS,TD一定，N>k，則：

fmax.select>fmax.block>fmax.byte第60頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

4.實(shí)際最大流量

1)字節(jié)多路通道:fbyte.j=Σfi.j

2)數(shù)組多路通道：

fblock.j=maxfi.j

3)選擇通道：

fselect.j=maxfi.ji=1pji=1pji=1pj工作于字節(jié)交叉方式，子通道獨(dú)立各設(shè)備的字節(jié)傳送率之和所接設(shè)備的字節(jié)傳送率最大的那個j——通道的號fi.j——通道上設(shè)備的字節(jié)傳送率pj——通道上所接的總設(shè)備數(shù)第61頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

5.設(shè)計(jì)原則

1)極限流量大于等于實(shí)際最大流量

2)極限流量與實(shí)際最大流量的差值越小越好

fmax.byte.j>=fbyte.jfmax.block.j>=fblock.jfmax.select.j>=fselect.j

如果I/O系統(tǒng)由m個通道，則：

fmax=Σfmax.byte.j+Σfmax.block.j+Σfmax.select.j

且:fmax>=ΣΣfi.j+Σmaxfi.j+Σmaxfi.jj=1m1m2j=1+m1mj=1+m2m1m2mj=1+m1j=1+m2j=1i=1pj第62頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

上述兩個基本原則只是保證宏觀上不丟失設(shè)備信息，并不能從微觀上保證每一個局部時刻都不丟失信息。因?yàn)楫?dāng)設(shè)備要求通道的實(shí)際最大流量非常接近于通道設(shè)計(jì)所能達(dá)到的極限流量時，速率高的設(shè)備頻繁發(fā)出請求而優(yōu)先得到響應(yīng)和處理，速率低的設(shè)備會因得不到通道而丟失信息。為此可在設(shè)備或設(shè)備控制器中設(shè)置一定容量的緩沖器以緩沖來不及處理的信息，或可動態(tài)改變設(shè)備響應(yīng)優(yōu)先級，使得低速設(shè)備也有機(jī)會得到通道而保證微觀上不丟失信息。當(dāng)然基本原則是一定要滿足的，否則無論采用什么辦法，設(shè)備總是要丟失信息的。第63頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

6.缺點(diǎn)：

1)并非獨(dú)立的處理機(jī)，指令簡單，無大容量存貯器。

2)I/O過程中需要CPU承擔(dān)很多工作。

3)流水等組成技術(shù)因I/O中斷而不能發(fā)揮作用，CPU速度嚴(yán)重下降。

4)訪管中斷轉(zhuǎn)入I/O管理程序妨礙CPU資源的合理利用。第64頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三3.5外圍處理機(jī)(PPU)

為了克服通道處理機(jī)的缺點(diǎn)，希望CPU進(jìn)一步擺脫數(shù)I/O操作的控制，以便更好地集中精力專注于自己的事情而發(fā)展了外圍處理機(jī)(PPU)。補(bǔ)充知識：第65頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三中央處理機(jī)主存主存與外圍處理機(jī)總線PPU0PPU1PPU2PPU9輸入輸出交叉開關(guān)網(wǎng)絡(luò)通道0通道1通道11通道i設(shè)備控制器設(shè)備控制器設(shè)備控制器設(shè)備控制器設(shè)備控制器設(shè)備設(shè)備設(shè)備設(shè)備設(shè)備設(shè)備CYBER179的結(jié)構(gòu)第66頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三1.外圍處理機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

1)更接近于一般的處理機(jī)，指令豐富，功能強(qiáng)。

2)獨(dú)立于主處理機(jī)異步工作。

3)可以與主處理機(jī)共享或不共享主存。

4)可以自由選擇通道和設(shè)備進(jìn)行靈活通信。2.缺點(diǎn)：

就硬件利用率和成本來講不如通道處理機(jī)好，但隨著器件技術(shù)不斷提高，成本在逐漸降低。第67頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

第3章小結(jié)1.I/O系統(tǒng)概念

1)I/O系統(tǒng):I/O設(shè)備、設(shè)備控制器及與I/O操作有關(guān)的軟硬件等的總和。

2)功能:對指定的外設(shè)進(jìn)行輸入、輸出操作，同時完成其它的管理和控制。

3)三種方式

a)程序控制I/Ob)DMAc)I/O處理機(jī)第68頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三2.總線設(shè)計(jì)

1)類型

a)按方向分

?單向傳輸

?雙向傳輸

半雙向全雙向

b)用法分

?專用

?非專用

第69頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三2)控制方式

a)產(chǎn)生原因:非專用總線的爭用問題

b)分類

?集中式

?分布式

c)優(yōu)先級確定

?串行鏈接

?定時查詢

?獨(dú)立請求第70頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三3)通信技術(shù)

a)同步通信

?概念：

?優(yōu)點(diǎn)：信息傳送速率高，受總線長度影響小。

?缺點(diǎn)：

時鐘在總線上的時滯會導(dǎo)致誤同步

時鐘線上的干擾信號易引起誤同步

為了可靠性加寬時間片可能使數(shù)據(jù)傳送速率低于異步通信第71頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

b)異步通信

源控式

目控式

源主動

目主動

4)數(shù)據(jù)寬度與總線線數(shù)

a)數(shù)據(jù)寬度:I/O設(shè)備取得總線使用權(quán)后所傳

送數(shù)據(jù)的總量,可能經(jīng)多個時鐘周期分時傳送。

b)數(shù)據(jù)通路寬度:指數(shù)據(jù)傳送的物理寬度，如

16bit,32bit等,即一個時鐘周期傳送的信息量。單項(xiàng)控制雙向控制互鎖非互鎖第72頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

c)寬度種類

?單字或單字節(jié)

?定長塊

?可變長塊

?單字加定長塊

?單字加可變長塊

d)總線

?制約因素

線數(shù)

干擾

流量

長度

干擾第73頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

?設(shè)計(jì)原則

能短則短

能少則少

?減少線數(shù)的方法

總線組合

串/并－并/