計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第三章

1、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第三章第三章 總線(xiàn)中斷與輸入輸出系統(tǒng)總線(xiàn)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(xiàn)設(shè)計(jì)；中斷的分類(lèi)與分級(jí)；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(jì)；本章的基本要求關(guān)于中斷系統(tǒng)的基本要求領(lǐng)會(huì)為什么要將中斷源分成不同的類(lèi)和級(jí)；領(lǐng)會(huì)設(shè)置中斷級(jí)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(lái)設(shè)置各中斷處理程序中中斷級(jí)屏蔽位的狀態(tài)，并正確畫(huà)出發(fā)生多種中斷級(jí)請(qǐng)求時(shí)，CPU執(zhí)行程序時(shí)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過(guò)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(lèi)通道的工作原理；了解三種通

2、道各自的適用場(chǎng)合。熟練掌握通道處理機(jī)和IO系統(tǒng)的流量設(shè)計(jì)與分析。掌握字節(jié)多路通道流量的計(jì)算和通道工作周期的設(shè)計(jì)，能畫(huà)出通道處理機(jī)響應(yīng)和處理完各外設(shè)請(qǐng)求的時(shí)間空間示意圖。5本章的重點(diǎn)和難點(diǎn)本章的重點(diǎn)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(jí)屏蔽位的狀態(tài)，正確畫(huà)出中斷處理過(guò)程的示意圖；通道的流量設(shè)計(jì)；畫(huà)出字節(jié)多路通道響應(yīng)和處理完各外部設(shè)備請(qǐng)求的時(shí)空?qǐng)D。本章的難點(diǎn)是：無(wú)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(qǐng)求，處理完，在返回剛才的程序繼續(xù)執(zhí)行，這個(gè)過(guò)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(qǐng)求：中斷

3、源向中斷系統(tǒng)發(fā)出請(qǐng)求中斷的申請(qǐng)。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(guò)具體執(zhí)行中斷服務(wù)程序來(lái)對(duì)中斷源進(jìn)行處理的過(guò)程。7一、中斷系統(tǒng)2 中斷的分類(lèi)和分級(jí) 一般的高性能系統(tǒng)，系統(tǒng)的中斷源個(gè)數(shù)可能多達(dá)數(shù)十甚至數(shù)百個(gè)，為簡(jiǎn)化硬件的復(fù)雜度，宜將性質(zhì)接近的中斷源分成類(lèi)。 不同類(lèi)的中斷，就要根據(jù)中斷類(lèi)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(jí)，讓級(jí)別高的中斷類(lèi)能優(yōu)先得到響應(yīng)。8一、中斷系統(tǒng)2 中斷的分類(lèi)和分級(jí)一般在安排中斷類(lèi)響應(yīng)的優(yōu)先級(jí)時(shí)，采用如下方式：第1級(jí)：機(jī)器校驗(yàn)類(lèi)中斷；第2級(jí)：程序性中斷和管理程序調(diào)用類(lèi)中斷；第3

4、級(jí)：外部中斷；第4級(jí)：輸入輸出類(lèi)中斷；第5級(jí)：重新啟動(dòng)中斷。優(yōu)先級(jí)最高優(yōu)先級(jí)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(qǐng)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(jí)或比之低級(jí)的中斷請(qǐng)求。用戶(hù)程序的級(jí)別最低，任何中斷請(qǐng)求都能中斷用戶(hù)程序的運(yùn)行；中斷處理程序結(jié)束后，啟用“從哪里來(lái)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(dòng)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(jí)請(qǐng)求源與中斷響應(yīng)排隊(duì)器的入口端之間又加設(shè)了一個(gè)中斷級(jí)屏蔽位寄存器和相應(yīng)的控制門(mén)電路硬件。中斷源CPU中斷屏蔽位控制器排隊(duì)器12345100

5、102352 3 511一、中斷系統(tǒng)4 中斷處理次序 中斷級(jí)屏蔽字寄存器中的每一個(gè)中斷級(jí)屏蔽位可以控制讓相應(yīng)等級(jí)的中斷請(qǐng)求能否進(jìn)入中斷響應(yīng)排隊(duì)器去參加排隊(duì)。只要能進(jìn)入中斷響應(yīng)排隊(duì)器的中斷請(qǐng)求，總是讓其中級(jí)別相對(duì)高的優(yōu)先得到響應(yīng)。中斷源CPU中斷屏蔽位控制器排隊(duì)器12345100102352 3 5“0”表示屏蔽“1”表示開(kāi)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(lái)修改中斷級(jí)屏蔽位的狀況，來(lái)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?yàn)椋? 2 3 1 4中斷源CPU中斷屏蔽位控制器排隊(duì)器12345100102352 3 513一、中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng)

6、的解題關(guān)鍵兩個(gè)次序一個(gè)原則一個(gè)錦囊14一、中斷系統(tǒng)5 中斷屏蔽位舉例中斷處理程序級(jí)別中斷級(jí)屏蔽位1級(jí) 2級(jí) 3級(jí) 4級(jí)第1級(jí)0000第2級(jí)1011第3級(jí)1001第4級(jí)1000“0”表示屏蔽“1”表示開(kāi)放。處理次序：1-4-3-2 用戶(hù)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(jí)中斷，中斷響應(yīng)次序?yàn)?-2-3-4-5，現(xiàn)要求中斷處理次序?yàn)?-3-1-5-4 。設(shè)計(jì)各級(jí)中斷處理程序的中斷級(jí)屏蔽位，令“0”表示開(kāi)放，“1”表示屏蔽；若在運(yùn)行用戶(hù)程序時(shí)，同時(shí)發(fā)生1、3級(jí)中斷請(qǐng)求，而在1級(jí)中斷服務(wù)尚未完成時(shí)，又發(fā)生2、3、4、5級(jí)中斷，請(qǐng)畫(huà)出處理機(jī)執(zhí)行程序的全過(guò)程示

7、意圖。16一、中斷系統(tǒng)中斷處理程序級(jí)別中斷級(jí)屏蔽位1級(jí) 2級(jí) 3級(jí) 4級(jí) 5級(jí)第1級(jí)10011第2級(jí)11111第3級(jí)10111第4級(jí)00010第5級(jí)00011中斷處理程序級(jí)別中斷級(jí)屏蔽位1級(jí)2級(jí)3級(jí)4級(jí)5級(jí)第1級(jí)第2級(jí)第3級(jí)第4級(jí)第5級(jí)17一、中斷系統(tǒng)2）機(jī)器有五級(jí)中斷，中斷級(jí)屏蔽位“1”表示開(kāi)放，“0”表示屏蔽；中斷響應(yīng)次序?yàn)?-2-3-4-5，各級(jí)中斷處理程序的中斷級(jí)屏蔽位設(shè)置如下表所示。中斷處理次序?yàn)槭裁?？若在運(yùn)行用戶(hù)程序時(shí)，同時(shí)發(fā)生4、5級(jí)中斷請(qǐng)求，而在5級(jí)中斷服務(wù)尚未完成時(shí)，又發(fā)生1、2、3級(jí)中斷，請(qǐng)畫(huà)出處理機(jī)執(zhí)行程序的全過(guò)程示意圖。中斷處理程序級(jí)別中斷級(jí)屏蔽位1級(jí) 2級(jí) 3級(jí) 4級(jí)

8、 5級(jí)第1級(jí)00000第2級(jí)10111第3級(jí)10000第4級(jí)10101第5級(jí)1010018一、中斷系統(tǒng)3）機(jī)器有五級(jí)中斷，中斷響應(yīng)次序?yàn)?-2-3-4-5，現(xiàn)要求中斷處理次序?yàn)?-5-2-4-1 。設(shè)計(jì)各級(jí)中斷處理程序的中斷級(jí)屏蔽位，令“1”表示開(kāi)放，“0”表示屏蔽；若在運(yùn)行用戶(hù)程序時(shí)，同時(shí)發(fā)生4、5級(jí)中斷請(qǐng)求，而在5級(jí)中斷服務(wù)尚未完成時(shí)，又發(fā)生1、2、3級(jí)中斷，請(qǐng)畫(huà)出處理機(jī)執(zhí)行程序的全過(guò)程示意圖。2022年3月15日19時(shí)10分第三章 總線(xiàn)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(guò)程 在多用戶(hù)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

9、/輸出的訪(fǎng)管指令，并帶上所用之設(shè)備號(hào)、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(fǎng)管指令時(shí)，按其提供的入口地址，將管理程序調(diào)出來(lái)執(zhí)行。此管理程序的任務(wù)是利用所帶的參數(shù)來(lái)編制通道程序。 在通道程序編好且存入主存中某個(gè)通道緩沖區(qū)時(shí)，就置好相應(yīng)的通道地址字。當(dāng)管理程序執(zhí)行到“啟動(dòng)I/O”的管態(tài)指令時(shí)，發(fā)出啟動(dòng)命令。當(dāng)設(shè)備被成功啟動(dòng)之后，CPU就退出管態(tài)，返回目態(tài)去執(zhí)行其它的用戶(hù)程序。此時(shí)，通道進(jìn)入了“通道數(shù)據(jù)傳送”期。 被啟動(dòng)的通道開(kāi)始執(zhí)行存放于通道緩沖區(qū)中的通道程序來(lái)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(qǐng)求。CPU在響應(yīng)I/O中斷請(qǐng)求后，第二

10、次進(jìn)入管態(tài)，調(diào)出相應(yīng)的管理程序，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(guò)程中，CPU只需要二次進(jìn)入管態(tài)，使之減少了輸入/輸出對(duì)目態(tài)程序的干擾，也使CPU和外部設(shè)備及多臺(tái)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(yùn)行目態(tài)程序）管態(tài)（運(yùn)行I/O管理程序）要求進(jìn)行輸入/輸出的訪(fǎng)管指令編制通道程序運(yùn)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(qǐng)求響應(yīng)I/O中斷請(qǐng)求啟動(dòng)I/O指令時(shí)間軸21二、通道處理機(jī)2、通道的分類(lèi)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(lèi)。 設(shè)通

11、道所連接的p臺(tái)設(shè)備均已啟動(dòng)，且在數(shù)據(jù)傳送期內(nèi)，選擇使用當(dāng)前通道總線(xiàn)來(lái)傳送數(shù)據(jù)的設(shè)備所需要的時(shí)間為T(mén)s，通道傳送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)所需要的時(shí)間為T(mén)D，則每臺(tái)設(shè)備都要傳送n個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)時(shí)的工作時(shí)間示意圖如下所示：22二、通道處理機(jī) 選中一臺(tái)設(shè)備后，設(shè)備只傳送1字節(jié)數(shù)據(jù)就釋放總線(xiàn)； 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(qǐng)使用通道總線(xiàn)； 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(tái)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(xiàn)； 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(qǐng)使用通道總線(xiàn)； t=p(Ts+kT

12、D)n/k 適用于連接多臺(tái)高速設(shè)備，如磁盤(pán)，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(tái)設(shè)備后，設(shè)備獨(dú)占通道，傳送外所有數(shù)據(jù)后釋放才總線(xiàn)； 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(qǐng)使用通道總線(xiàn)； t=p(Ts+nTD) 適用于連接優(yōu)先級(jí)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(jì) 通道流量是指通道在“通道數(shù)據(jù)傳送”期間，單位時(shí)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)=

13、1(TsK+TD) 選擇: fmax.selectn/(Ts+nTD)=1(Tsn+TD)29二、通道處理機(jī)如果通道上所掛n臺(tái)設(shè)備都被啟動(dòng)，則設(shè)備對(duì)通道要求的實(shí)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(tái)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(mǎn)負(fù)荷工作時(shí)仍不丟失信息，應(yīng)使設(shè)備要求通道的實(shí)際最大流量不能超過(guò)通道的極限流量，即流量設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足的基本要求是： 字節(jié)多路：fbyte fmax.byte 數(shù)

14、組多路：fblockfmax.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(tái)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(qǐng)求傳送字節(jié)的間隔時(shí)間。 (2)當(dāng)所有設(shè)備同時(shí)要傳送數(shù)據(jù)時(shí)，求其對(duì)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(qǐng)求被響應(yīng)的優(yōu)先級(jí)越高。畫(huà)出6臺(tái)設(shè)備同時(shí)發(fā)請(qǐng)求到下次同時(shí)發(fā)請(qǐng)求期間里，通道響應(yīng)和處理完各設(shè)備請(qǐng)求時(shí)刻的示意圖。哪個(gè)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

15、處理機(jī)設(shè)備號(hào)123456工作速率（B/ms）505040252510二次請(qǐng)求的間隔時(shí)間（s）設(shè)備號(hào)123456工作速率（B/ms）505040252510二次請(qǐng)求的間隔時(shí)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(gè)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(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)傳送請(qǐng)求，問(wèn)最多可接多少臺(tái)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(shí)間如下表所示，其時(shí)間單位為s。若一次通信傳送的字節(jié)數(shù)不少于1024個(gè)字節(jié)，問(wèn)哪些設(shè)備可掛在此通道上?哪些則不能?設(shè) 備ABCDE間隔時(shí)間(s)0.130.10.110.

16、20.334二、通道處理機(jī) 2）有8臺(tái)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(gè)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(zhǎng)塊大小為512B。 (1)通道工作時(shí)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(hào)12345678工作速率（Kb/s）100048020015010080282035二、通道處理機(jī)3）有8臺(tái)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(jì)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(gè)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)

17、多路通道用時(shí)，希望同時(shí)不少于4臺(tái)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(qǐng)問(wèn)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(zhǎng)塊大小取成512B。 (4)作數(shù)組多路通道用時(shí)，應(yīng)選哪些設(shè)備掛在此通道上?為什么?設(shè)備號(hào)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(shí)際上并不能看成是獨(dú)立的處理機(jī)，原因如下：通道指令系統(tǒng)簡(jiǎn)單；沒(méi)有大容量的存儲(chǔ)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?yàn)镮/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(shí)，須通過(guò)中斷

18、方式請(qǐng)求CPU來(lái)處理；對(duì)所傳數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換、碼制轉(zhuǎn)換、正確性校驗(yàn)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(lái)實(shí)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(yàn)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(duì)話(huà)；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(lèi)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(yùn)算部件和指令控制部件，可分為：共享運(yùn)算部件和指令控制部件的外圍處理機(jī)；不共享運(yùn)算部件和指令控制部件的外圍處理機(jī)。40四、總線(xiàn)設(shè)計(jì)1 總線(xiàn)的分類(lèi)按信息傳送的方向分為：?jiǎn)蜗蚩偩€(xiàn)和雙向總線(xiàn)； 按用途分，可以有專(zhuān)用總線(xiàn)和非專(zhuān)用總線(xiàn)兩類(lèi)。專(zhuān)用總線(xiàn)只連接一對(duì)物理部件。采用專(zhuān)