計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)03

第3章中斷、總線與輸入輸出系統(tǒng)

計算機學(xué)院COMPUTERARCHITECTURE1

（教材中第1節(jié)將在第4章中講授）

計算機學(xué)院COMPUTERARCHITECTURE2

第3章中斷、總線與輸入輸出系統(tǒng)

3.2中斷系統(tǒng)

術(shù)語：中斷源中斷請求優(yōu)先級&

新/舊PSW(ProgramStatusWord)

中斷處理程序中斷處理程序入口

計算機學(xué)院COMPUTERARCHITECTURE3

3.2.1中斷的分類和分級

1.中斷的分類

>必要性：解決中斷源數(shù)量過多和級別問題

>CPU的狀態(tài)：運行狀態(tài)停止?fàn)顟B(tài)

>典型分類(IBM370):

機器校驗(64)管理程序調(diào)用(8)程序性'(16)

外部(16)輸入輸出(16)重新啟動、

>PSW的作用：中斷碼指明具體中斷原因

>PSW的位置：當(dāng)前PSW在CPU的寄存器，其他在主存

計算機學(xué)院COMPUTERARCHITECTURE4

3.2中斷系統(tǒng)

1.中斷的分類

中斷與異常

異常（Exception）:由執(zhí)行現(xiàn)行指令引起暫停事件，

如運算異常、頁面失效等。

異常的分類

口自陷（Trap）從產(chǎn)生自陷的指令下一條開始

□故障（Fault）重復(fù)執(zhí)行發(fā)生故障的指令（指令復(fù)執(zhí)）

□失敗（Abort）需要強行干預(yù)

計算機學(xué)院COMPUTERARCHITECTURE5

2.中斷的分級

中斷分級的原因：由于出現(xiàn)同時發(fā)生多個不同類

型的中斷請求，需要根據(jù)中斷的緊迫性、重要

性以及軟件的處理的方便性將其分為空干不同

的級別。

計算機學(xué)院COMPUTERARCHITECTURE6

2.中斷的分級

分級

A第一'級：機器校驗

＞第二級：程序性與管理程序調(diào)用

＞第三級：外部

＞第四級：輸入輸出

＞第五級：重新啟動（具有特殊性）

＞第。級：不可排除的故障

計算機學(xué)院COMPUTERARCHITECTURE7

2.中斷的分級

IBM370的中斷分級

I＞緊急的機器校驗

＞程序性與管理程序調(diào)用

?可抑制的機器校驗

＞外部

A輸入輸出

＞重新啟動

計算機學(xué)院COMPUTERARCHITECTURE8

中斷入口地址主存

中斷持求

級中斷響應(yīng)

博隊做命令1

2級中斷響應(yīng)

3級中斷響應(yīng)

4級中斷響應(yīng)

134中斷響應(yīng)

排隊器人I」

9QQ中斷繳屏蔽位

01010101(wr一開放］

“0”一屏蔽

1級2級3級4級

中斷用求中斷請求中斷話求中斷請求

圖3—6中斷響應(yīng)硬件部分原理簡圖

計算機學(xué)院COMPUTERARCHITECTURE9

3.2.2中斷的響應(yīng)與中斷處理

中斷屏蔽字及其作用

A用途：決定是否讓某級中原請求進入中斷排隊電

路，以改變中斷響應(yīng)的優(yōu)先級別。

A位置：在PSW中，當(dāng)前PSW在CPU的寄存器，其它程

序的PSW在主存。

＞數(shù)量：每級各一個

＞位數(shù)：與設(shè)計的級別數(shù)量相同

＞中斷處理次序的改變

舉例

計算機學(xué)院COMPUTERARCHITECTURE10

表3-2中斷級屏蔽位舉例

中斷處理中斷級屏蔽位

程序級別1級2級3級4級

第1級；011雪

第2級?I000

第3級1100

；i

第4級?110

計算機學(xué)院COMPUTERARCHITECTURE11

圖3.7中斷處理次序為If2f3f4的例子

12

表3-3中斷級屏蔽位舉例2

中斷處理中斷級屏蔽位

程序級別

1級2級3級4級

第1級0000

第2級1011

第3級.1001

第4級100,0

計算機學(xué)院COMPUTERARCHITECTURE13

中斷用戶程序中斷處理程序

圖3-8中斷處理次序為1—43f2的例子

現(xiàn)假設(shè)在運行用戶程序過程中同時發(fā)生了①②③④級中斷請求，不難得出有如圖3.8

那樣的程序執(zhí)行過程?？梢钥闯觯藭r各級中斷處理完的先后順序變成了If4f3f2。所

以，只要操作系統(tǒng)根據(jù)需要用軟的方法隨時改變某個階段各級中斷處理程序的中斷級屏蔽

位狀態(tài)，就可以改變實際的中斷處理先后順序。這就是中斷系統(tǒng)采用軟硬結(jié)合帶來的一個

好處。中斷響應(yīng)用排隊器硬件實現(xiàn)可以加快響應(yīng)和斷點現(xiàn)場的保存，中斷處理采用軟的技

來實現(xiàn)可以提供相當(dāng)大的靈活性。

計算機學(xué)院COMPUTERARCHITECTURE16

中斷硬件與軟件在中斷系統(tǒng)中的作用

硬件（中斷響應(yīng)排隊器）：

可以加快響應(yīng)和斷點現(xiàn)場的保存

軟件（中斷級屏蔽位）：

改變實際中斷處理（完）的次序,提高系統(tǒng)靈

活性

計算機學(xué)院COMPUTERARCHITECTURE17

3.2.3中斷系統(tǒng)的軟硬件功能分配

1.中斷系統(tǒng)的功能

中斷請求的優(yōu)先級確定

中斷響應(yīng)

中斷斷點與現(xiàn)場的保存，

中斷處理與返回

2.軟、硬件功能分配的實質(zhì)

中斷處理程序和中斷響應(yīng)硬件的功能分配

計算機學(xué)院COMPUTERARCHITECTURE18

3.2.3中斷系統(tǒng)的軟硬件功能分配

3.中斷現(xiàn)場分類及保存

□軟件狀態(tài)

作業(yè)名稱及級別，上下界，軟件標(biāo)志

通常在主存中，數(shù)量不確定，與操作系統(tǒng)有關(guān)。

□硬件狀態(tài)

PC內(nèi)容，條件碼、各類控制寄存器及通用寄存器

內(nèi)容，

以PSW的形式體現(xiàn)，類別比較確定

計算機學(xué)院COMPUTERARCHITECTURE19

3.2.3中斷系統(tǒng)的軟硬件功能分配

3.中斷現(xiàn)場分類及保存

口保存方式：軟件狀態(tài)由中Q處理程序，硬件狀態(tài)

可以由硬件實現(xiàn)，或由軟件和硬件結(jié)合的方法實

□PSW的位數(shù)與機器的中斷響應(yīng)時間的關(guān)系

口通用寄存器內(nèi)容的保存

硬件實現(xiàn)

中斷處理程序?qū)崿F(xiàn)

成組傳送指令的設(shè)置

重疊寄存器窗口技術(shù)■

計算機學(xué)院COMPUTERARCHITECTURE20

3.3總線系統(tǒng)

3.3.1總線的分類

1.專用總線只連接一對物理部件的總線

優(yōu)點：速度快控制簡單可靠性弓?

缺點：總線數(shù)目多利用率低

2.非專用總線

優(yōu)點：總線少，造價低；接口標(biāo)準(zhǔn)化高；擴展能力

強；便于使用多重總線提高帶寬

缺點：系統(tǒng)流量?。还蚕砜偩€失效可能引起系統(tǒng)癱

瘓

計算機學(xué)院COMPUTERARCHITECTURE21

3.3總線系統(tǒng)

3.3.1總線的分類

3.I/O系統(tǒng)宜采用非專用總線

計算機學(xué)院COMPUTERARCHITECTURE22

圖3-9所有部件之間用專用總線互連

計算機學(xué)院COMPUTERARCHITECTURE23

3.3.2總線的控制方式

1.類別

集中式控制方式:總線的控制邏輯基本上集中放

在一'起的方式.

分布式控制方式:總線的控制邏輯分散于連到總

線的各個部件中的方式.

計算機學(xué)院COMPUTERARCHITECTURE24

3.3.2總線的控制方式

2.集中式控制方式的種類

口集中式串行鏈接方式

□集中式定時查詢方式

口集中式獨立請求方式

口應(yīng)用范圍：后兩種用于巨、大、中型機，第一

種用于小、微型機，情況已經(jīng)發(fā)生變化。

計算機學(xué)院COMPUTERARCHITECTURE25

口集中式串行鏈接方式

總線可用

總部件部件

線0

控1

制總線請求

器

總線忙

圖3-10集中式串行鏈接

計算機學(xué)院COMPUTERARCHITECTURE26

□集中式定時查詢方式

總部件部件部件

線01N—1

控

制■總線請求

器一總線忙

圖3-n集中式定時查詢

計算機學(xué)院COMPUTERARCHITECTURE27

口集中式獨立請求方式

部件部件

0N—1

總線請求°

總總線準(zhǔn)許°

線

控

總線請求建_]

制

器總線準(zhǔn)許WT

總線已被分配

圖3-12集中式獨立請求

計算機學(xué)院COMPUTERARCHITECTURE28

3.3.3總線的通信技術(shù)

通信類別：同步方式異步方式

1.同步通信\

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)進行同步的。

這種方式的信息傳送速率高，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。

計算機學(xué)院COMPUTERARCHITECTURE29

3.3.3總線的通信技術(shù)

2.異步通信

口單向控制方式

源控式目控式

單向源控方式原理

單向源控方式優(yōu)點：簡單、高速

單向源控方式缺點：無有效應(yīng)答；需要設(shè)置緩沖器

效率低，高速部件效能發(fā)揮差；\

對“數(shù)據(jù)準(zhǔn)備”要求高

計算機學(xué)院COMPUTERARCHITECTURE30

數(shù)據(jù)L

數(shù)據(jù)?數(shù)據(jù)

準(zhǔn)備T請求

Q）源控式”）目革式

圖3-13異步單向控制通信

計算機學(xué)院COMPUTERARCHITECTURE31

3.3.3總線的通信技術(shù)

2.異步通信

□單向控制方式

目控式原理

目控式優(yōu)點：可以解決有效性校驗

目控式不足：傳輸率下降、

□單向控制方式的問題

電平恢復(fù)可能不及時，造成數(shù)據(jù)錯誤

計算機學(xué)院COMPUTERARCHITECTURE32

3.3.3總線的通信技術(shù)

2.異步通信

□雙向控制方式

非互鎖方式

互鎖方式\

優(yōu)點：保證數(shù)據(jù)傳輸正確率，傳輸率高

缺點：控制硬件復(fù)雜I1

3.I/O總線最常用的種類:異步雙向互鎖方式

計算機學(xué)院COMPUTERARCHITECTURE33

數(shù)據(jù)（源端」

數(shù)據(jù)（源端）

露攀源端）

勰（源端）

督卻目的端）L

目的端）」

一H

14f?4]td,

g）非互鎖方式1W

S互鎖方式

圖3-14源控式異步雙向控制通信

計算機學(xué)院COMPUTERARCHITECTURE34

3.3.4數(shù)據(jù)寬度與總線線數(shù)

1.數(shù)據(jù)寬度

定義：I/0設(shè)備取得I/0總線使用權(quán)后所傳送數(shù)

據(jù)的總量。

與數(shù)據(jù)通路寬度的區(qū)別：數(shù)據(jù)通路寬度指的是

數(shù)據(jù)傳送的物理寬度，即一個機器周期所傳送

的信息量（二進制位數(shù)），它直接取決于數(shù)據(jù)

總線的線數(shù)。

數(shù)據(jù)總線一次所能并行傳送信息的位數(shù)』

稱為數(shù)據(jù)通路寬度。

計算機學(xué)院COMPUTERARCHITECTURE35

3.3.4數(shù)據(jù)寬度與總線線數(shù)

1.數(shù)據(jù)寬度

數(shù)據(jù)寬度的種類

□單字/字節(jié)

□定長塊

□可變長塊

□單字加定長塊

□單字加可變長塊

計算機學(xué)院COMPUTERARCHITECTURE36

3.3.4數(shù)據(jù)寬度與總線線數(shù)

2.總線的線數(shù)

總線的構(gòu)成：收/發(fā)電路、傳輸導(dǎo)線/電纜、聿插

部件及電源。

□壓縮總線線數(shù)的必要性

計算機學(xué)院COMPUTERARCHITECTURE37

3.3.4數(shù)據(jù)寬度與總線線數(shù)

□壓縮總線的方法

＞線的組合方法：一根半雙向替代二根單

向線

＞編碼方法：線數(shù)為：logzN（向X取整）

＞并/串-串/并轉(zhuǎn)換方法

＞舉例W

＞總線的流量設(shè)計：外設(shè)數(shù)量、種類、傳

輸信息方式與速率]

計算機學(xué)院COMPUTERARCHITECTURE38

3.4輸入輸出系統(tǒng)

3.4.1輸入輸出系統(tǒng)概述

1.系統(tǒng)設(shè)計及透明性

組成：輸入輸出系統(tǒng)設(shè)備、設(shè)備控制器及相關(guān)

的軟硬件\\

設(shè)計：軟件硬件兩個方面面向操作系統(tǒng)

透明性：對于應(yīng)用程序員透明

計算機學(xué)院COMPUTERARCHITECTURE39

3.4輸入輸出系統(tǒng)

3.4.1輸入輸出系統(tǒng)概述

2.輸入輸出系統(tǒng)的主要功能

功能：對指定的外設(shè)進行輸入輸出操作'并完成其他

管理和控制：確定設(shè)備、主存存儲區(qū)，建立連接

發(fā)送數(shù)據(jù)，格式轉(zhuǎn)換，形成狀態(tài)控制信息"i過中

斷系統(tǒng)傳送給操作系統(tǒng)處理和分析\

操作系統(tǒng)的I/O功能

計算機學(xué)院COMPUTERARCHITECTURE40

3.4輸入輸出系統(tǒng)

3.4.1輸入輸出系統(tǒng)概述

3.輸入輸出系統(tǒng)的發(fā)展與分類

＞程序控制

無條件條件傳送（程序查詢）中斷

＞存儲器直接存?。―MA）方式\

＞I/O處理機方式

通道［處理機］

外圍處理機

計算機學(xué)院COMPUTERARCHITECTURE41

3.4輸入輸出系統(tǒng)

3.4.1輸入輸出系統(tǒng)概述

3.輸入輸出系統(tǒng)的發(fā)展與分類

＞輸入/輸出設(shè)備及發(fā)展

普通傳輸設(shè)備

外存：軟磁盤硬盤(溫盤，WinchesterDisc)

磁盤陣列

光盤

磁光盤(MO,MagneticOptical)

計算機學(xué)院COMPUTERARCHITECTURE42

磁鼓存儲器

最初于1932年在奧地利創(chuàng)造出來，上世紀(jì)五六十年代廣

泛使用，通常作為內(nèi)存，容量在10kB左右。

第一款硬盤驅(qū)動器是IBMModel350DiskFile,于1956年

制造，其中包含了50張24英寸盤片，而總?cè)萘坎恢罸5MB。

計算機學(xué)院COMPUTERARCHITECTURE44

IBM研制成功的新型硬盤IBM3340（14英寸），1973年

計算機學(xué)院COMPUTERARCHITECTURE45

首個容量突破1GB的硬盤是IBM在1980年制造的IBM

3380,總?cè)萘繛?.52GB,重約250千克，售價從81000

美元到142400美元不等。

3.4輸入輸出系統(tǒng)

3.4.2通道處理機工作原理與流量分析

通道處理機產(chǎn)生:脩760/370

L通道處理機的工作過程

廣義指令作用

參數(shù)：設(shè)備主存儲區(qū)交換數(shù)據(jù)4

\

通道程序及作用\

組成：通道指令組成

產(chǎn)生:操作系統(tǒng)生成

通道程序地址字單元:通道程序入口地址

通道緩沖區(qū):存儲通道程序

計算機學(xué)院COMPUTERARCHITECTURE47

計至48

圖3-15通道處理機輸入輸出的主要過程

計算機學(xué)院COMPUTERARCHITECTURE49

“?動"0"指令

儂取通道

&

斷開？形成條件碼.結(jié)束.

否足

忙？形成條件碼.結(jié)束.

否

選取子通道

&

斷開？———形成條件碼.結(jié)束.

否是

f廣？形成條件碼.結(jié)束?

否

選取通道押令

是

仃他？形成條件碼.存通道狀態(tài)字.結(jié)束.

選取控制器、設(shè)各

是

斷開?形成條件碼.結(jié)束.

否

發(fā)后動命令

足-設(shè)備回答的狀態(tài)字節(jié)為全“0”?

全-0-狀態(tài)?~電動取功,形成條件碼.

否

是用設(shè)備回答的狀方字節(jié)非全“0”，但通道指令是

通道結(jié)束?

屬于輔助性操作,亦為痼動成功.形成條件碼.

否

足_形成條件碼,清除中斷條件.

存放中斷?-結(jié)束.后動不成功.

否

計算機學(xué)院圖3-17“啟動I/O”指令流程50

膨成條件碼，處動不成功.結(jié)束.

判定與分配

選擇通道總線

通道

磁盤

控制器

字節(jié)多路通道總線

通道

設(shè)備設(shè)備

控制器控制器

設(shè)備設(shè)備

數(shù)組多路通道總線

通道

設(shè)備

圖3-18IBM370的I/O結(jié)構(gòu)51

2.通道的分類

A字節(jié)多路通道：低速，并行

＞數(shù)組多路通道：高速，各子通道分時共享I/O通道,

成組交叉?zhèn)魉?，?shù)據(jù)寬度為定長塊

＞選擇通道：高速設(shè)備,具有獨占性,只能執(zhí)行一道

通道程序，數(shù)據(jù)寬度為可變長塊

＞IBM370的通道系統(tǒng)（I/O結(jié)構(gòu)）

計算機學(xué)院COMPUTERARCHITECTURE52

利定與分配

通遒總線

磔擇

通道

內(nèi)

部

字節(jié)多路

故通道

屋據(jù)

圖3-18IBM370的1/()結(jié)構(gòu)

計算機學(xué)院COMPUTERARCHITECTURE53

3.通道流量的分析

通道流量：通道在數(shù)據(jù)傳送期間內(nèi)，單位時間

傳送的字節(jié)數(shù)

通道極限流量:通道能夠達到的最大的流量

通道的實際最大流量

流量設(shè)計的基本原則\

實際最大流量不超過極限流量』

流量利用率

計算機學(xué)院COMPUTERARCHITECTURE54

三種通道流量分析舉例

計算機學(xué)院COMPUTERARCHITECTURE55

字節(jié)多路通道極限流量：

字節(jié)多路通道每選擇一臺設(shè)備只傳送一個字節(jié)

1

/S+7D

數(shù)組多路通道極限流量：

數(shù)組多路通道每選擇一臺設(shè)備只傳送《個字節(jié)

計算機學(xué)院COMPUTERARCHITECTURE56

選擇多路通道極限流量:1

選擇通道每選擇一'臺設(shè)備就把必字節(jié)全部傳送完

Ts一一數(shù)據(jù)傳送期內(nèi)選擇一次設(shè)備的時間

TD--傳送一個字節(jié)的時間

若通道的小、"一定，且N>K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。

計算機學(xué)院COMPUTERARCHITECTURE57

現(xiàn)假設(shè)：

j-----通道的編號

A--第j號通道上連接的第i臺設(shè)備的字節(jié)傳送速率

PJ--第j號通道中所連接設(shè)備的數(shù)量

計算機學(xué)院COMPUTERARCHITECTURE58

由通道工作原理可知，當(dāng)掛上設(shè)備后，設(shè)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(yīng)為該通道所接各設(shè)備的字節(jié)傳送速率之和，即

Pj

fbytbj-

z=l

而對于其他兩種類型的通道應(yīng)為所接各設(shè)備的字節(jié)傳送

速率中之最大的那個，即

Pj

Jblock-j=max

E=1

Pj

Cf=

計算機學(xué)院COMPUTERARCHITECTURE59

為了保證第7號通道上所掛的設(shè)備在滿負荷的最壞情況下

都不丟失信息，必須滿足設(shè)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(shè)計的最基本原則,因此，

對上述3種類型的通道應(yīng)分別滿足關(guān)系式：

兀ax力小

。<f

block-j—Jmax-block']

c<f

select-j—Jmnxselect-j

計算機學(xué)院COMPUTERARCHITECTURE60

如果I/O系統(tǒng)有機個通道，其中1至嗎為字節(jié)多路通道，

%+1至“為數(shù)組多路通道，”+1至次為選擇通道，則該I/O系

統(tǒng)工作時的極限流量將為

mm

七人nax-〉:/nax'byte-j+-block-j+-select'j

j=l片加1+1/=啊+1

必然會滿足

叫Pj加2PjmPj

/max2￡E兀+Emax兀+Z1噂兀

j=l2=1