計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第3章存儲、總線、中斷

1、第第3 3章章 存儲、中斷、總線與存儲、中斷、總線與I/OI/O系系統(tǒng)統(tǒng)3.1 3.1 存儲系統(tǒng)的基本要求和存儲系統(tǒng)的基本要求和并行主存系統(tǒng)并行主存系統(tǒng)3.2 3.2 中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng)3.3 3.3 總線設(shè)計總線設(shè)計3.4 3.4 輸入輸入/ /輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng)本章重點：本章重點： 非專用總線的總線控制方式；中斷為什么要分非專用總線的總線控制方式；中斷為什么要分類和分級；中斷處理次序的安排和實現(xiàn)；通道流量類和分級；中斷處理次序的安排和實現(xiàn)；通道流量的計算。的計算。本章難點：本章難點： 如何按中斷處理優(yōu)先次序的要求，設(shè)置各中斷如何按中斷處理優(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)，

2、正確畫出中斷處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；通道為各外設(shè)分時服務(wù)的時間關(guān)理過程的示意圖；通道為各外設(shè)分時服務(wù)的時間關(guān)系圖。系圖。3.1存儲系統(tǒng)的基本要求和并行主存系統(tǒng)存儲系統(tǒng)的基本要求和并行主存系統(tǒng)3.1.1 存儲系統(tǒng)的基本要求存儲系統(tǒng)的基本要求 1.1.存儲系統(tǒng)的基本要求存儲系統(tǒng)的基本要求高速度、大容量、低價格。高速度、大容量、低價格。 （1 1）容量：）容量： S SM M= =W Wl lm m （2 2）速度：訪問時間）速度：訪問時間TATA、存貯周期、存貯周期TMTM、頻寬、頻寬BMBM；（3 3）價格：）價格：c=C/Sc=C/SM M; ;2.2.矛

3、盾的解決矛盾的解決：（1 1）改進(jìn)存貯器件的工藝；）改進(jìn)存貯器件的工藝；（2 2）發(fā)展存貯器系統(tǒng)；）發(fā)展存貯器系統(tǒng)；（3 3）發(fā)展并行主存系統(tǒng)及存貯體系；）發(fā)展并行主存系統(tǒng)及存貯體系；3.1.2 并行主存系統(tǒng)并行主存系統(tǒng)圖圖 3.1 單體單字存貯器單體單字存貯器 1.并行主存系統(tǒng)并行主存系統(tǒng)圖圖 3.2 單體多字單體多字(m=4)存貯器存貯器 圖圖 3.3 多體多體(m=4)交叉存貯器交叉存貯器 設(shè)設(shè)p(k)表示申請序列長度為表示申請序列長度為k的概率密度函數(shù)，其中的概率密度函數(shù)，其中k=1, 2, ， m。 即即p(1)是是k=1的概率，的概率，p(2)是是k=2的概率，的概率，p(m)是是

4、k=m的概率。的概率。 k的平均值用的平均值用B表示，則表示，則 mkkpkB1)( 它實際上就是每個主存周期所能訪問到的平均字?jǐn)?shù)，正它實際上就是每個主存周期所能訪問到的平均字?jǐn)?shù)，正比于主存實際頻寬比于主存實際頻寬(只差一個常數(shù)比值只差一個常數(shù)比值TM/W)。p(k)與程序的狀與程序的狀態(tài)密切相關(guān)，如果訪存申請隊都是指令的話，那么影響最大的態(tài)密切相關(guān)，如果訪存申請隊都是指令的話，那么影響最大的是轉(zhuǎn)移概率是轉(zhuǎn)移概率，它定義為給定指令的下條指令地址為非順序地，它定義為給定指令的下條指令地址為非順序地址的概率。址的概率。 2.并行主存系統(tǒng)的實際頻寬并行主存系統(tǒng)的實際頻寬 申請隊中如果第一條就是轉(zhuǎn)移指

5、令且轉(zhuǎn)移成功，與第一條申請隊中如果第一條就是轉(zhuǎn)移指令且轉(zhuǎn)移成功，與第一條指令并行讀出的其他指令并行讀出的其他m-1條指令就是沒用的，相當(dāng)于條指令就是沒用的，相當(dāng)于k=1，所，所以以p(1)=(1-)0；k=2的概率自然是第一條沒有轉(zhuǎn)移的概率自然是第一條沒有轉(zhuǎn)移(其概率其概率為為1-)，第二條是轉(zhuǎn)移指令且轉(zhuǎn)移成功的情況，所以，第二條是轉(zhuǎn)移指令且轉(zhuǎn)移成功的情況，所以，p(2)=(1-p(1)=(1-)1；同理，；同理，p(3)=(1-p(1)-p(2)=(1-)2。如此類推，。如此類推，p(k)=(1-)k-1，其中，其中1km。如果前。如果前m-1條均不轉(zhuǎn)移，則不管第條均不轉(zhuǎn)移，則不管第m條是否

6、轉(zhuǎn)移，條是否轉(zhuǎn)移，k都等于都等于m，故，故p(m)=(1-)m-1。 這樣，這樣， 1221)1 ()1)(1()1 (3)1 (21)(mmmkmmkpkB經(jīng)數(shù)學(xué)歸納法化簡可得經(jīng)數(shù)學(xué)歸納法化簡可得 10)1 (miiB這是一個等比級數(shù)，這是一個等比級數(shù)， 因此因此 mB)1 (1圖圖 3.5 m個分體并行存取的個分體并行存取的B=f()曲線曲線 3.2.13.2.1中斷的分類和分級中斷的分類和分級 1.1.基本概念基本概念 1)1)中斷源中斷源: :引起中斷的各種事件。引起中斷的各種事件。 2)2)中斷請求中斷請求: :中斷源向中斷系統(tǒng)發(fā)出請求中斷的中斷源向中斷系統(tǒng)發(fā)出請求中斷的申請申請。同

7、時可以有多個中斷請求，這時中斷系統(tǒng)要根據(jù)中。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)。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)3)中斷響應(yīng)中斷響應(yīng): :就是允許其中斷就是允許其中斷CPUCPU現(xiàn)行程序的運(yùn)行現(xiàn)行程序的運(yùn)行而而轉(zhuǎn)去對該請求進(jìn)行預(yù)處理，包括保存斷點現(xiàn)場，調(diào)出轉(zhuǎn)去對該請求進(jìn)行預(yù)處理，包括保存斷點現(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)。使其暫時得不到響應(yīng)。 3.2 中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng) 2.2.中斷分類中斷分類 細(xì)分為中斷細(xì)分為中斷(Interrupt)

8、(Interrupt)和異常和異常(Exception)(Exception)。 1)1)中斷中斷 專指那些與當(dāng)前進(jìn)程運(yùn)行無關(guān)的請求暫停的專指那些與當(dāng)前進(jìn)程運(yùn)行無關(guān)的請求暫停的 事件事件, ,如機(jī)器故障中斷請求、外設(shè)中斷請求、定如機(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。中斷寄存器，屏蔽解除后繼續(xù)得到響應(yīng)和處理。 2)2)異常異常 由現(xiàn)行指令引起的暫停事件，如頁面失效、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。溢出等，一般不能屏蔽，立即得

9、到響應(yīng)和處理。 異?？梢苑譃樽韵莓惓？梢苑譃樽韵?Trap)(Trap)、故障、故障(Fault)(Fault)、失敗、失敗(Abort)(Abort)三種。三種。 a)a)自陷自陷 發(fā)生在引起異常的指令執(zhí)行的末尾，處理后返回發(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。原先正常程序的下一條指令繼續(xù)執(zhí)行。 b)b)故障故障 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)生故障的那條指令處重復(fù)執(zhí)行。故障的那條指令處重復(fù)執(zhí)行。 c)c)失敗失敗 也發(fā)生在指令執(zhí)行過程中，需強(qiáng)制干預(yù)或系統(tǒng)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

10、以使指令再正確執(zhí)行下去。復(fù)位才可以使指令再正確執(zhí)行下去。 3.3.中斷分級中斷分級 1)1)依據(jù)：根據(jù)中斷的性質(zhì)、緊迫性、重要性以及軟依據(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。件處理的方便性把中斷源分級。 2)2)次序：中斷系統(tǒng)按照中斷源的級別高低來響應(yīng)。次序：中斷系統(tǒng)按照中斷源的級別高低來響應(yīng)。優(yōu)先級高低的劃分，不同機(jī)器有所差異，優(yōu)先級高低的劃分，不同機(jī)器有所差異，IBM370IBM370中中機(jī)器校驗安排為第一級，程序性和管理程序調(diào)用為機(jī)器校驗安排為第一級，程序性和管理程序調(diào)用為第二級，外部為第三級，第二級，外部為第三級，I/OI/O為第四級，重新啟動為為第四級，

11、重新啟動為最低級。最低級。3)3)原則：局部性中斷優(yōu)先級低原則：局部性中斷優(yōu)先級低 以以IBM370IBM370為例為例 緊急機(jī)器校驗緊急機(jī)器校驗 1 1 全局，掉電，全局，掉電，CPUCPU地址錯等地址錯等 管理程序調(diào)用管理程序調(diào)用 2 2 OSOS執(zhí)行執(zhí)行“訪管訪管”指令指令 程序性中斷程序性中斷 3 3 高于高于I/OI/O與外部，防止混亂與外部，防止混亂 出錯、出現(xiàn)異常出錯、出現(xiàn)異常 外部中斷外部中斷 4 4 多機(jī)聯(lián)系、人機(jī)干預(yù)等多機(jī)聯(lián)系、人機(jī)干預(yù)等 I/OI/O中斷中斷 5 5 局部性外設(shè)請求局部性外設(shè)請求 重新啟動重新啟動 6 6 時間不緊迫時間不緊迫 3.2.2.3.2.2.中斷

12、響應(yīng)次序與處理次序中斷響應(yīng)次序與處理次序1.1.中斷響應(yīng)次序與處理次序中斷響應(yīng)次序與處理次序 1)1)中斷響應(yīng)次序中斷響應(yīng)次序 同時發(fā)生多個中斷請求時，由中斷響應(yīng)硬件的排隊同時發(fā)生多個中斷請求時，由中斷響應(yīng)硬件的排隊器所決定的響應(yīng)次序，次序是器所決定的響應(yīng)次序，次序是固定固定的。的。 2)2)中斷處理次序中斷處理次序 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)次序中斷處理完的次序，可以不同于響應(yīng)次序。 3)3)處理原則處理原則 在處理某級中斷時在處理某級中斷時, ,只有更高級的請求到來才轉(zhuǎn)去只有更高級的請求到來才轉(zhuǎn)去

13、響應(yīng)和處理，完成后返回原中斷繼續(xù)處理響應(yīng)和處理，完成后返回原中斷繼續(xù)處理。2.2.中斷處理次序改變中斷處理次序改變 1)1)方法：方法： a)a)設(shè)置設(shè)置中斷級屏蔽位寄存器中斷級屏蔽位寄存器硬件以決定是否讓硬件以決定是否讓 某級中斷請求進(jìn)入中斷響應(yīng)排隊器，某級中斷請求進(jìn)入中斷響應(yīng)排隊器，只要進(jìn)入只要進(jìn)入 排隊器中斷請求，就讓級別高的優(yōu)先得到響應(yīng)排隊器中斷請求，就讓級別高的優(yōu)先得到響應(yīng)。 b)OSb)OS對每類中斷處理程序的現(xiàn)行對每類中斷處理程序的現(xiàn)行PSWPSW中的中斷中的中斷 級屏蔽位進(jìn)行設(shè)置，可以實現(xiàn)希望的處理次序。級屏蔽位進(jìn)行設(shè)置，可以實現(xiàn)希望的處理次序。 2)2)優(yōu)點：優(yōu)點： 改變響應(yīng)

14、次序中用排隊器硬件實現(xiàn)的固定次序改變響應(yīng)次序中用排隊器硬件實現(xiàn)的固定次序為為OSOS軟件實現(xiàn)的靈活性。軟件實現(xiàn)的靈活性。 例例1:1:系統(tǒng)有系統(tǒng)有4 4個中斷級個中斷級, ,每級現(xiàn)行每級現(xiàn)行PSWPSW有有4 4位屏蔽位位屏蔽位 “1 1”表示對該級的請求都開放表示對該級的請求都開放, ,允許其進(jìn)入排隊器。允許其進(jìn)入排隊器?！? 0”表示屏蔽各個請求表示屏蔽各個請求, ,不允許進(jìn)入排隊器，不允許進(jìn)入排隊器， 現(xiàn)要求各級現(xiàn)要求各級中斷處理次序和響應(yīng)次序都是中斷處理次序和響應(yīng)次序都是1 1 2 2 3 3 4 4，請設(shè)計屏，請設(shè)計屏蔽位狀態(tài)。蔽位狀態(tài)。中斷處理中斷處理程序級別程序級別中斷級屏蔽位中

15、斷級屏蔽位第第1級級第第2級級第第3級級第第4級級1級級2級級3級級4級級0000000000111111中斷級屏蔽位舉例中斷級屏蔽位舉例1 1(1 2 3 4)不高于不高于本級的本級的屏蔽掉屏蔽掉 即即“0 0” 用戶程序用戶程序中中 斷斷 處處 理理 程程 序序中斷中斷請求請求t234211234中斷處理次序為中斷處理次序為1 2 3 4的例子的例子注：注： 表示第表示第i級中級中斷源發(fā)的中斷請求斷源發(fā)的中斷請求短橫線為交換短橫線為交換PSW的時間段的時間段i中斷處理中斷處理程序級別程序級別中斷級屏蔽位中斷級屏蔽位第第1級級第第2級級第第3級級第第4級級1級級2級級3級級4級級000001

16、1010111000中斷級屏蔽位舉例中斷級屏蔽位舉例2 2(1 4 3 2)響應(yīng)次序和處理次序不一樣響應(yīng)次序和處理次序不一樣 用戶程序用戶程序中中 斷斷 處處 理理 程程 序序中斷中斷請求請求t34211234中斷處理次序為中斷處理次序為1 4 3 2的例子的例子2 用戶程序用戶程序中中 斷斷 處處 理理 程程 序序中斷中斷請求請求t3 4211234中斷處理次序為中斷處理次序為1 4 3 2的例子的例子機(jī)器有機(jī)器有5級中斷，中斷響應(yīng)次序為級中斷，中斷響應(yīng)次序為1 2 3 4 5，現(xiàn)要，現(xiàn)要求中斷處理次序為求中斷處理次序為3 5 2 4 1。 (1)設(shè)計各級中斷處理程序的中斷級屏蔽位的狀態(tài)，設(shè)

17、計各級中斷處理程序的中斷級屏蔽位的狀態(tài)，令令“0”表示屏蔽，表示屏蔽，“1”表示開放。表示開放。 (2)若在運(yùn)行用戶程序時，同時發(fā)生第若在運(yùn)行用戶程序時，同時發(fā)生第4、5級中斷級中斷請求，而在第請求，而在第5級中斷未完成時，又發(fā)生級中斷未完成時，又發(fā)生1、2、3級級中斷，請畫出處理機(jī)執(zhí)行程序的全過程示意圖中斷，請畫出處理機(jī)執(zhí)行程序的全過程示意圖(標(biāo)標(biāo)出交換出交換PSW的時間的時間)。3.2.3 3.2.3 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 1 1）中斷系統(tǒng)的功能）中斷系統(tǒng)的功能 （1 1）中斷請求的保存和清除）中斷請求的保存和清除 （2 2）優(yōu)先級的確定）優(yōu)先級的確定 （3 3

18、）中斷斷點及現(xiàn)場的保存）中斷斷點及現(xiàn)場的保存 （4 4）對中斷請求的分析和處理）對中斷請求的分析和處理 （5 5）中斷返回）中斷返回 中斷系統(tǒng)的軟硬件功能分配實質(zhì)就是中斷響應(yīng)硬中斷系統(tǒng)的軟硬件功能分配實質(zhì)就是中斷響應(yīng)硬件和處理程序軟件的功能分配。件和處理程序軟件的功能分配。2 2）功能的實現(xiàn)）功能的實現(xiàn) （1 1）早期大部分功能是由軟件完成的，中斷）早期大部分功能是由軟件完成的，中斷響應(yīng)響應(yīng)和中斷處理時間長和中斷處理時間長。 （2 2）后來中斷響應(yīng)及其次序由程序查詢軟件的）后來中斷響應(yīng)及其次序由程序查詢軟件的方法改為方法改為中斷響應(yīng)排隊器中斷響應(yīng)排隊器硬件實現(xiàn)；中斷源的分硬件實現(xiàn)；中斷源的分析

19、也由程序查詢改為析也由程序查詢改為硬件編碼硬件編碼，直接或經(jīng)中斷向，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)舊的方式經(jīng)舊PSWPSW告知中斷處理程序。告知中斷處理程序。 3.3 總線設(shè)計總線設(shè)計 總線是計算機(jī)中連接各個功能部件的紐帶?？偩€是計算機(jī)中連接各個功能部件的紐帶。3.3.13.3.1總線的分類總線的分類 1. 1.按信息傳送方向分按信息傳送方向分 1) 1)單向傳輸單向傳輸 2) 2)雙向傳輸雙向傳輸 a) a)半雙向半雙向: : 在同一時刻，信息只能向其中的一個方向在同一時刻，信息只能向其中的一個方向傳送。傳送。 b)

20、 b)全雙向：全雙向： 在同一時刻，允許信息在兩個方向傳送。在同一時刻，允許信息在兩個方向傳送。全雙向全雙向速度快，但是造價高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。速度快，但是造價高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 2. 2.按用途分按用途分 1) 1)專用總線專用總線 a) a)定義：只連接一對物理部件的總線。定義：只連接一對物理部件的總線。ABCDE 所有部件用所有部件用專用總線互連專用總線互連b)b)優(yōu)點：優(yōu)點： 多個部件可以同時發(fā)送和接收信息，幾乎不多個部件可以同時發(fā)送和接收信息，幾乎不必爭用總線，系統(tǒng)流量高。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。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

21、部件不能直接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。通信，但可以間接通信，系統(tǒng)可靠性高。c)c)缺點：缺點： 總線數(shù)目多，總線數(shù)目多，N N個部件全部互連需個部件全部互連需N(N-1)/2N(N-1)/2組組 總線。總線。 難以小型化、集成電路化，總線長時成本高。難以小型化、集成電路化，總線長時成本高。 時間利用率低時間利用率低 不利于模塊化，增加一個部件要增加許多新不利于模塊化，增加一個部件要增加許多新 的接口和連線。的接口和連線。 2)2)非專用總線非專用總線 a)a)定義定義: :可以被多種功能或多個部件分時共享可以被多種功能或多個部件分時共享，

22、同一時刻只有一對部件使用總線進(jìn)行通信。同一時刻只有一對部件使用總線進(jìn)行通信。 b)b)優(yōu)點：優(yōu)點： 總線少，造價低?？偩€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。接口標(biāo)準(zhǔn)化、模塊性強(qiáng)，易于簡化接口設(shè)計。 擴(kuò)充能力強(qiáng)，多重總線提高帶寬和可靠性。擴(kuò)充能力強(qiáng)，多重總線提高帶寬和可靠性。 c)c)缺點：缺點： 系統(tǒng)流量小，經(jīng)常出現(xiàn)總線爭用。系統(tǒng)流量小，經(jīng)常出現(xiàn)總線爭用。 可能成為系統(tǒng)速度瓶頸，導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓?？赡艹蔀橄到y(tǒng)速度瓶頸，導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。 I/OI/O系統(tǒng)中，系統(tǒng)中，I/OI/O總線宜采用總線宜采用非專用總線非專用總線；總線總線 3.3.23.3.2總線的控制方式總線的控制方式 1.1

23、.產(chǎn)生原因產(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，種方式裁決，保證同一時間只能有一個高優(yōu)先級的申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)。請者取得總線使用權(quán)。 2.2.控制方式控制方式 1)1)集中式控制集中式控制 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，或者是放在單獨的接總線的一個部件中，或者是放在單獨的硬件中。硬件中。我我們主要講述這一控制方式們主要講述這

24、一控制方式 。 2)2)分布式控制分布式控制 總線控制邏輯分散于連到總線的各個部件中?？偩€控制邏輯分散于連到總線的各個部件中。3.3.優(yōu)先次序的三種確定方式優(yōu)先次序的三種確定方式 1)1)集中式串行鏈接方式：集中式串行鏈接方式： 部件部件 0部件部件 1部件部件 N-1總線控制器總線控制器總線可用總線可用總線請求總線請求總線忙總線忙集中式串行鏈接集中式串行鏈接a)a)電路特點：電路特點：并聯(lián)總線請求，串聯(lián)總線響應(yīng)，并聯(lián)總線狀態(tài)。并聯(lián)總線請求，串聯(lián)總線響應(yīng)，并聯(lián)總線狀態(tài)。b)b)次序確定次序確定 完全由完全由“總線可用總線可用”線所接部件的物理位置來決定，離總線所接部件的物理位置來決定，離總線控

25、制器越近的部件其優(yōu)先級越高。線控制器越近的部件其優(yōu)先級越高。C C）優(yōu)點：）優(yōu)點： 算法簡單，線數(shù)少，且不取決于部件的數(shù)量。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。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。邏輯簡單，容易通過重復(fù)設(shè)置來提高其可靠性。d)d)缺點：缺點： 對對“總線可用總線可用”線敏感。線敏感。 優(yōu)先級固定，不可被程序更改，靈活性差。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)。遙遠(yuǎn)部件難以獲得總線使用權(quán)。 “總線可用總線可用”信號順序、脈動地通過每一部件信號順序、脈動地通過每一部件, ,限制了總限制了

26、總線分配的速度。線分配的速度。 受總線長度影響，增、減及移動部件也受限。受總線長度影響，增、減及移動部件也受限。 2)2)集中式定時查詢方式：集中式定時查詢方式： 部件部件 0部件部件 1總線控制器總線控制器總線請求總線請求總線忙總線忙部件部件 0部件部件 1部件部件 N-1總線控制器總線控制器總線請求總線請求總線忙總線忙集中式定時查詢集中式定時查詢定時查詢計數(shù)定時查詢計數(shù)a a）總線分配過程：）總線分配過程：部件發(fā)送請求。部件發(fā)送請求。總線不忙時，總線控制器的查詢計數(shù)器開始記數(shù)?？偩€不忙時，總線控制器的查詢計數(shù)器開始記數(shù)。定時查詢各部件。定時查詢各部件。部件接收計數(shù)值，并判斷，若與部件號一致

27、，則部件接收計數(shù)值，并判斷，若與部件號一致，則發(fā)總線忙，撤消請求，開始占用總線。發(fā)總線忙，撤消請求，開始占用總線?？偩€控制器收到總線忙，停止計數(shù)，停止查詢?？偩€控制器收到總線忙，停止計數(shù)，停止查詢。傳送結(jié)束撤消總線忙傳送結(jié)束撤消總線忙 b)b)次序確定次序確定 總線分配前計數(shù)器清總線分配前計數(shù)器清“0 0”, ,從從“0 0”開始查詢，開始查詢，優(yōu)先級排序類似串行鏈接。優(yōu)先級排序類似串行鏈接。 總線分配前不清總線分配前不清“0 0”，從中止點繼續(xù)查詢，是，從中止點繼續(xù)查詢，是循環(huán)優(yōu)先級，部件使用總線機(jī)會均等。循環(huán)優(yōu)先級，部件使用總線機(jī)會均等。 總線分配前將計數(shù)器設(shè)置初值，可以指定某個部總線分配

28、前將計數(shù)器設(shè)置初值，可以指定某個部件為最高優(yōu)先級。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。定任意希望的優(yōu)先級。c)c)優(yōu)點：優(yōu)點： 優(yōu)先級可由程序控制，靈活性強(qiáng)。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，可靠某一部件的失效不影響其它部件，可靠性高。性高。d)d)缺點：缺點： 線數(shù)多，擴(kuò)展性差，控制復(fù)雜。線數(shù)多，擴(kuò)展性差，控制復(fù)雜。 速度取決于計數(shù)器信號的頻率和部件數(shù)，速度取決于計數(shù)器信號的頻率和部件數(shù)，不是很高。不是很高。 3)3)集中式獨立請求方式：集中式獨立請求方式： 部件部件 0總線控制

29、器總線控制器部件部件 0部件部件 N-1總線控制器總線控制器總線請求總線請求0 0集中式獨立請求集中式獨立請求總線準(zhǔn)許總線準(zhǔn)許0 0總線請求總線請求N-1N-1總線準(zhǔn)許總線準(zhǔn)許N-1N-1總線已被分配總線已被分配a)a)次序確定次序確定 總線控制器根據(jù)某種算法來仲裁?？偩€控制器根據(jù)某種算法來仲裁。b)b)優(yōu)點：優(yōu)點： 總線分配速度快?？偩€分配速度快。 可以靈活確定下一個使用總線的部件?？梢造`活確定下一個使用總線的部件。 可以方便的隔離失效的部件發(fā)出的總線請求?？梢苑奖愕母綦x失效的部件發(fā)出的總線請求。c)c)缺點：缺點： 控制線多，控制線多，N N個部件要個部件要2N+12N+1根控制線。根控制

30、線。 總線控制器復(fù)雜。總線控制器復(fù)雜。1.1.包括內(nèi)容包括內(nèi)容: : I/O I/O設(shè)備、設(shè)備控制器及與設(shè)備、設(shè)備控制器及與I/OI/O操作有關(guān)的軟硬件等。操作有關(guān)的軟硬件等。2.I/O2.I/O系統(tǒng)的發(fā)展：系統(tǒng)的發(fā)展： 1) 1)早期及目前低性能單用戶計算機(jī)的早期及目前低性能單用戶計算機(jī)的I/OI/O操作由程序員操作由程序員直接安排。主要解決直接安排。主要解決CPUCPU、主存和、主存和I/OI/O設(shè)備之間的速度差距。設(shè)備之間的速度差距。 2) 2)現(xiàn)在改由用戶向系統(tǒng)發(fā)出現(xiàn)在改由用戶向系統(tǒng)發(fā)出I/OI/O請求，經(jīng)請求，經(jīng)OSOS來分配調(diào)度來分配調(diào)度設(shè)備并進(jìn)行具體的設(shè)備并進(jìn)行具體的I/OI/O

31、處理。主要解決面向處理。主要解決面向OSOS，在，在OSOS與與I/OI/O系系統(tǒng)間進(jìn)行合理的軟、硬件功能分配。統(tǒng)間進(jìn)行合理的軟、硬件功能分配。3.I/O3.I/O的三種方式的三種方式3.4 輸入輸入/輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng)3.4.1 輸入輸入/輸出系統(tǒng)概述輸出系統(tǒng)概述 1) 1)程序控制程序控制I/OI/O a) a)全軟的全軟的 b) b)程序查詢狀態(tài)驅(qū)動的程序查詢狀態(tài)驅(qū)動的 c) c)中斷驅(qū)動的中斷驅(qū)動的 2)2)直接存貯器訪問直接存貯器訪問(DMA)(DMA) 3)I/O 3)I/O處理機(jī)處理機(jī) a) a)通道方式通道方式(Channel)(Channel) 可看作是可看作是“處理機(jī)處理機(jī)”

32、，有自己的指令系統(tǒng)（通道，有自己的指令系統(tǒng)（通道指令）和程序（通道程序），通道與指令）和程序（通道程序），通道與CPUCPU并行工作。并行工作。通道指令功能簡單，使用面窄。通道不是獨立處理機(jī)。通道指令功能簡單，使用面窄。通道不是獨立處理機(jī)。 b)b)外圍處理機(jī)方式外圍處理機(jī)方式(PPU)(PPU) 獨立性、通用性和功能較強(qiáng)。獨立性、通用性和功能較強(qiáng)。 1.1.目的目的 1)1)防止用戶自行輸入而破壞其他用戶程序或系統(tǒng)防止用戶自行輸入而破壞其他用戶程序或系統(tǒng)程程序及用戶竊取系統(tǒng)不該讓其讀出的內(nèi)容。序及用戶竊取系統(tǒng)不該讓其讀出的內(nèi)容。 2 2）將）將CPUCPU進(jìn)一步從進(jìn)一步從I/OI/O事務(wù)中脫

33、離出來，使之具有更事務(wù)中脫離出來，使之具有更多的時間從事計算工作多的時間從事計算工作2.2.通道處理機(jī)的作用通道處理機(jī)的作用1）通道處理機(jī)將負(fù)擔(dān)外圍設(shè)備的大部分）通道處理機(jī)將負(fù)擔(dān)外圍設(shè)備的大部分I/O工作工作2）是一臺同時能夠被多臺外圍設(shè)備共享的小型）是一臺同時能夠被多臺外圍設(shè)備共享的小型DMA處理機(jī)處理機(jī)3.4.2 通道處理機(jī)的工作原理和流量設(shè)計通道處理機(jī)的工作原理和流量設(shè)計3.3.通道的工作原理通道的工作原理管態(tài)指令管態(tài)指令是中央處理機(jī)用來控制外部設(shè)備操作用的輸入輸出指是中央處理機(jī)用來控制外部設(shè)備操作用的輸入輸出指令。令。目態(tài)指令（訪管指令）目態(tài)指令（訪管指令）是用戶態(tài)應(yīng)用程序的指令。是用

34、戶態(tài)應(yīng)用程序的指令。廣義指令廣義指令是由訪管指令和若干參數(shù)組成，它的操作碼實質(zhì)上是是由訪管指令和若干參數(shù)組成，它的操作碼實質(zhì)上是對應(yīng)于此廣義指令的管理程序入口。對應(yīng)于此廣義指令的管理程序入口。 在一般用戶程序中，通過調(diào)用通道來完成一次在一般用戶程序中，通過調(diào)用通道來完成一次I/O的過程主的過程主要有四個階段，如圖所示要有四個階段，如圖所示 。1）通道程序編制期）通道程序編制期 2）通道開始選擇設(shè)備期）通道開始選擇設(shè)備期3）通道數(shù)據(jù)傳送期）通道數(shù)據(jù)傳送期4）通道數(shù)據(jù)傳送結(jié)束期）通道數(shù)據(jù)傳送結(jié)束期 4.4.通道的種類：通道的種類：1)1)字節(jié)多路通道字節(jié)多路通道目的：為多臺低速或中速的外圍設(shè)備服務(wù)

35、；目的：為多臺低速或中速的外圍設(shè)備服務(wù)；如鍵盤、如鍵盤、打印機(jī)等等打印機(jī)等等工作方式：分時機(jī)制。工作方式：分時機(jī)制。字節(jié)交叉方式（字節(jié)交叉方式（byte-interleave mode)byte-interleave mode)：，多個子通道獨立并行工作。多個子通道獨立并行工作。2 2）選擇通道）選擇通道目的：針對高速外圍設(shè)備，設(shè)置專門通道在一目的：針對高速外圍設(shè)備，設(shè)置專門通道在一段時間內(nèi)單獨為一臺外圍設(shè)備服務(wù)，在不同的段時間內(nèi)單獨為一臺外圍設(shè)備服務(wù)，在不同的時間內(nèi)仍可以選擇其它設(shè)備；時間內(nèi)仍可以選擇其它設(shè)備； 工作方式：一旦選中某設(shè)備，就一直到數(shù)據(jù)工作方式：一旦選中某設(shè)備，就一直到數(shù)據(jù)傳輸

36、結(jié)束為止。傳輸結(jié)束為止。 選擇通道主要用于連接高速外圍設(shè)備，如磁選擇通道主要用于連接高速外圍設(shè)備，如磁盤、磁帶等，信息以成組方式高速傳輸。盤、磁帶等，信息以成組方式高速傳輸。3)3)數(shù)組多路通道數(shù)組多路通道目的：前兩種方式的結(jié)合，并發(fā)地為多臺高目的：前兩種方式的結(jié)合，并發(fā)地為多臺高速設(shè)備服務(wù)；速設(shè)備服務(wù)； 工作方式：成組交叉方式工作，每次選擇一工作方式：成組交叉方式工作，每次選擇一個高速設(shè)備，輪流為多臺個高速設(shè)備，輪流為多臺I/OI/O設(shè)備服務(wù)；設(shè)備服務(wù)；5 通道中的數(shù)據(jù)傳送過程通道中的數(shù)據(jù)傳送過程Ts, TdD11D21Di,jTs, TdTs, TdTs, TdDp, nTsTs：設(shè)備選擇

37、時間，即：從通道響應(yīng)設(shè)備發(fā)出數(shù)：設(shè)備選擇時間，即：從通道響應(yīng)設(shè)備發(fā)出數(shù)據(jù)傳送請求開始，到通道實際為這臺設(shè)備傳送數(shù)據(jù)據(jù)傳送請求開始，到通道實際為這臺設(shè)備傳送數(shù)據(jù)所需的時間。所需的時間。TdTd：傳送一個字節(jié)所需要的時間；：傳送一個字節(jié)所需要的時間；P P：在一個通道上連接的設(shè)備臺數(shù)：在一個通道上連接的設(shè)備臺數(shù)n n：每一個設(shè)備傳送的字節(jié)數(shù)，這里，假設(shè)每一臺：每一個設(shè)備傳送的字節(jié)數(shù)，這里，假設(shè)每一臺設(shè)備的傳輸字節(jié)數(shù)都一樣。設(shè)備的傳輸字節(jié)數(shù)都一樣。D Dijij：連接在通道上的第：連接在通道上的第i i臺設(shè)備傳輸?shù)牡谂_設(shè)備傳輸?shù)牡趈 j個數(shù)據(jù)，個數(shù)據(jù)，i=i=1p1p， j=1n j=1n；T T：

38、通道完成全部數(shù)據(jù)傳輸工作所需要的時間。：通道完成全部數(shù)據(jù)傳輸工作所需要的時間。1 1）字節(jié)多路通道）字節(jié)多路通道當(dāng)一個字節(jié)多路通道上連接有當(dāng)一個字節(jié)多路通道上連接有p p臺外圍設(shè)備，每一臺外圍設(shè)備，每一臺外圍設(shè)備都傳輸臺外圍設(shè)備都傳輸n n個字節(jié)時，總共需要的時間個字節(jié)時，總共需要的時間T T為：為： T T bytebyte = = （Ts + TdTs + Td）* * P P * * n n2 2）選擇通道）選擇通道: : 在選擇通道之中，通道每連接一個外圍設(shè)備，在選擇通道之中，通道每連接一個外圍設(shè)備，就把這個設(shè)備的就把這個設(shè)備的n n個字節(jié)全部傳送完畢，然后再與個字節(jié)全部傳送完畢，然后

39、再與下一個設(shè)備連接。下一個設(shè)備連接。 當(dāng)一個字節(jié)多路通道上連接有當(dāng)一個字節(jié)多路通道上連接有p p臺外圍設(shè)備，臺外圍設(shè)備，每一臺外圍設(shè)備都傳輸每一臺外圍設(shè)備都傳輸n n個字節(jié)時，總共需要的時個字節(jié)時，總共需要的時間間T T為：為： T T selectorselector = = （Ts/n + TdTs/n + Td）* * P P * * n n3 3）數(shù)組通道）數(shù)組通道: : 數(shù)組通道在一段時間內(nèi)只能為一臺外圍設(shè)備傳數(shù)組通道在一段時間內(nèi)只能為一臺外圍設(shè)備傳送數(shù)據(jù)，但同時有多臺設(shè)備在尋址。送數(shù)據(jù)，但同時有多臺設(shè)備在尋址。 當(dāng)一個字節(jié)多路通道上連接有當(dāng)一個字節(jié)多路通道上連接有p p臺外圍設(shè)備，

40、臺外圍設(shè)備，數(shù)據(jù)塊長度為數(shù)據(jù)塊長度為k k個字節(jié)。每一臺外圍設(shè)備都傳輸個字節(jié)。每一臺外圍設(shè)備都傳輸n n個個字節(jié)時，總共需要的時間字節(jié)時，總共需要的時間T T為：為： T T selectorselector = = （Ts/k + TdTs/k + Td）* * P P * * n n秒秒字字節(jié)節(jié)秒秒字字節(jié)節(jié)/1)/(/1)(.DSDSDSDSTnTnpTnTnpfTTnpTTnpfSELETEMAXBYTEMAX 通道流量通道流量與連接在這個通道上的所有設(shè)備的與連接在這個通道上的所有設(shè)備的數(shù)數(shù)據(jù)傳輸率據(jù)傳輸率的關(guān)系如下：的關(guān)系如下： 為了保證通道能夠正常工作，不丟失數(shù)據(jù)，各為了保證通道能夠

41、正常工作，不丟失數(shù)據(jù)，各種通道實際流量應(yīng)該不大于通道最大流量，即種通道實際流量應(yīng)該不大于通道最大流量，即滿足下列不等式關(guān)系：滿足下列不等式關(guān)系： f fBYTEBYTE f fMAXMAXBYTEBYTE f fSELETE SELETE f fMAXMAXSELETESELETE, , f fBLOCK BLOCK f fMAXMAXBLOCKBLOCK秒字節(jié)/1)/(.DSDSBLOCKMAXTkTnpTkTnpfipiipipiifMaxffMaxfffBLOCKSELETEBYTE111一個字節(jié)多路通道連接一個字節(jié)多路通道連接D1D1、D2D2、D3D3、D4D4、D5D5共共5 5臺

42、臺設(shè)備，這些設(shè)備分別每設(shè)備，這些設(shè)備分別每10us10us、30us30us、30us30us、50us50us和和75us75us向通道發(fā)出一次數(shù)據(jù)傳送的服務(wù)請求，請回答下向通道發(fā)出一次數(shù)據(jù)傳送的服務(wù)請求，請回答下列問題：列問題： (1) (1) 計算這個字節(jié)多路通道的實際流量和工作周期。計算這個字節(jié)多路通道的實際流量和工作周期。（2 2）畫出通道分時為各個設(shè)備服務(wù)的時間關(guān)系圖。）畫出通道分時為各個設(shè)備服務(wù)的時間關(guān)系圖。 （高速設(shè)備請求的響應(yīng)優(yōu)先級高）（高速設(shè)備請求的響應(yīng)優(yōu)先級高）（3 3）從時間關(guān)系圖上發(fā)現(xiàn)什么問題？如何解決？）從時間關(guān)系圖上發(fā)現(xiàn)什么問題？如何解決？解：解：（1 1）該通道

43、的實際流量為：）該通道的實際流量為：sMBsMBfbyte/2.0/751501301301101）（該通道的工作周期為：該通道的工作周期為：byteusftbytebyte/51通道處理完各設(shè)備這個第一次請求的時間如下：通道處理完各設(shè)備這個第一次請求的時間如下：D1: 5us;D1: 5us;D2: 10us;D2: 10us;D3: 20us;D3: 20us; D4: 30usD4: 30us設(shè)備設(shè)備D5D5的第一次請求沒有得到響應(yīng)，數(shù)據(jù)丟失，直到的第一次請求沒有得到響應(yīng)，數(shù)據(jù)丟失，直到85us85us才對設(shè)備才對設(shè)備D5D5的服務(wù)請求進(jìn)行響應(yīng)的服務(wù)請求進(jìn)行響應(yīng) 。01020304050

44、6070D1D2D3D4D5（2）（3 3）問題分析：）問題分析：當(dāng)字節(jié)多路通道的最大流量與實際很接近時，雖當(dāng)字節(jié)多路通道的最大流量與實際很接近時，雖然在宏觀上保證通道流量平衡，不會丟失數(shù)據(jù)，但然在宏觀上保證通道流量平衡，不會丟失數(shù)據(jù)，但傳輸速度高的設(shè)備將因頻繁發(fā)出請求而影響低速設(shè)傳輸速度高的設(shè)備將因頻繁發(fā)出請求而影響低速設(shè)備的請求服務(wù)。如：備的請求服務(wù)。如：D5D5設(shè)備。設(shè)備。 原則上，如果對所有設(shè)備的請求時間間隔取最原則上，如果對所有設(shè)備的請求時間間隔取最小公倍數(shù)，則在這段時間內(nèi)，通道的流量是平衡的，小公倍數(shù)，則在這段時間內(nèi)，通道的流量是平衡的，即：所有設(shè)備的請求都能得到一次響應(yīng)服務(wù)。但是，即：所有設(shè)備的請求都能得到一次響應(yīng)服務(wù)。但是，這并不能保證在