第四章輸入輸出系統(tǒng)

第四章輸入輸出系統(tǒng)上海大學計算機學院本章內容4.1輸入輸出原理4.2中斷系統(tǒng)4.3通道處理機4.4輸入輸出處理機4.1輸入輸出原理處理機在運行過程中所需要的程序和數據要從外部輸入，運算結果要輸出到外部去外部：處理機以外的需要與處理機交換信息的人和物。包括：本地和遠程用戶、系統(tǒng)操作員、操作控制臺、輸入輸出設備、輔助存儲器、其他處理機、各種通信設備和虛擬現實系統(tǒng)等。人通過各種設備來訪問處理機把人以外的各種設備統(tǒng)稱為輸入輸出設備，或外圍設備4.1輸入輸出原理通常把處理機與主存儲器之外的部分統(tǒng)稱為輸入輸出系統(tǒng)，包括：輸入輸出設備、輸入輸出接口和輸入輸出軟件等。實際上，運算器、控制器、主存儲器和總線等也要通過輸入輸出系統(tǒng)來管理4.1.1輸入輸出系統(tǒng)的特點4.1.2輸入輸出系統(tǒng)的組織方式4.1.3基本輸入輸出方式4.1.1輸入輸出系統(tǒng)的特點輸入輸出系統(tǒng)是處理機與外界進行數據交換的通道輸入輸出系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)中最具多樣性和復雜性的部分輸入輸出設備的品種、功能、技術指標輸入輸出系統(tǒng)涉及到機、光、電、磁、聲、自動控制等多種學科輸入輸出系統(tǒng)的復雜性隱藏在系統(tǒng)軟件中，用戶無需了解輸入輸出設備的具體細節(jié)輸入輸出系統(tǒng)最典型地反映了硬件和軟件的相互結合處理機與外部的聯(lián)系：輸入輸出系統(tǒng)的特點集中反映在異步性、實時性和與設備無關性三項基本要求上，它們對輸入輸出系統(tǒng)的組織產生決定性影響1.實時性處理機必須按照不同設備所要求的傳送方式和傳輸速率及時為設備提供服務。對不同類型的設備，必須具有與設備相配合的多種工作方式對于一般輸入輸出設備，如果處理機提供的服務不及時，可能丟失數據，或造成外圍設備工作的錯誤對于實時控制計算機系統(tǒng)，如果處理機提供的服務不及時，可能造成巨大的損失，甚至造成人身傷害對于處理機本身的硬件或軟件錯誤：如電源故障、數據校驗錯、頁面失效、非法指令、地址越界等，處理機必須及時處理2.設備無關性獨立于具體設備的標準接口。例如，串行接口、并行接口、SCSI(SmallComputerSystemInterface)外圍設備選擇其中的一種標準接口與處理機進行連接。連接到同一接口上的不同設備之間的差異由設備本身的控制器通過軟件和硬件來填補處理機無需了解各種外圍設備特定的具體工作細節(jié)，可以采用統(tǒng)一的硬件和軟件對品種繁多的設備進行管理。計算機的使用者只需通過操作系統(tǒng)提供的高級命令或程序請求來使用各種外圍設備某些計算機系統(tǒng)已經實現了即插即用技術3.異步性外圍設備通常不使用統(tǒng)一的中央時鐘，各個設備按照自己的時鐘工作，但又要在某些時刻接受處理機的控制準備與處理機通信時，要向處理機提出申請。造成輸入輸出相對于處理機的異步性和時間上的任意性當一個處理機管理多個外圍設備時，必須做到兩次任意的處理機與外圍設備通信之間，處理機仍能夠全速運行它本身的程序，或者管理其它外圍設備，從而保證處理機與外圍設備之間，外圍設備與外圍設備之間能夠并行工作，無需相互等待。必須引入中斷輸入輸出方式和直接存儲器存取(DMA)方式異步性體現了輸入輸出系統(tǒng)相對于處理機的獨立自主關系實時性反映了按照不同設備的響應時間的不同要求，劃分和實現輸入輸出系統(tǒng)內部不同功能之間的關系與設備無關性體現了輸入輸出系統(tǒng)標準化接口與非標準外圍設備之間的關系針對異步性，采用自治控制的方法針對實時性，采用層次結構的方法針對與設備無關性，采用分類處理的方法4.1.2輸入輸出系統(tǒng)的組織方式1.自治控制輸入輸出系統(tǒng)是獨立于處理機之外的自治系統(tǒng)。外圍設備本身能夠擔負許多輸入輸出功能，只在某些必要時刻才要求處理機給予服務自治控制實際上是將外圍設備所要完成的功能進行分配，最大限度的減少處理器的負擔，盡量由設備控制器通過自身的硬件和軟件完成2.層次結構在外圍設備比較多的情況下，輸入輸出系統(tǒng)采用層次結構進行組織靠近處理機和主存儲器的最高層是輸入輸出處理機或輸入輸出通道中間層是標準接口標準接口通過設備控制器與輸入輸出設備連接外圍設備按照工作方式和速度進行分類，不同類型的設備連接到不同的輸入輸出處理機或通道上3.分類組織輸入輸出系統(tǒng)根據各種外圍設備的不同性質分類進行組織按照工作速度分類：面向字符的設備：字符終端、打字機等面向數據塊的設備：磁盤、磁帶、光盤等4.1.3基本輸入輸出方式外圍設備根據其工作速度、工作方式和工作性質的不同，采用不同的輸入輸出方式1.程序控制輸入輸出方式又稱：狀態(tài)驅動輸入輸出方式、應答輸入輸出方式、查詢輸入輸出方式、條件驅動輸入輸出方式例：從鍵盤輸入一個字符到處理機，再將字符輸出到顯示器上的工作過程DONE=1，鍵盤已經輸入一個字符到設備緩沖寄存器READY=1，輸出設備(顯示器)緩沖寄存器為空，可以接收CPU送來的數據程序控制輸入輸出方式的4個特點：何時對何設備進行輸入輸出操作完全受CPU控制外圍設備與CPU處于異步工作狀態(tài)。CPU要通過指令對設備進行測試才能知道設備的工作狀態(tài)，如空閑、準備就緒、忙碌等數據的輸入和輸出都要經過CPU。外圍設備每發(fā)送或接收一個數據都要有CPU執(zhí)行相應的指令才能完成用于連接低速外圍設備，如終端、打印機等例4.1：一個處理機在一段時間內只能管理一臺打印機。處理機執(zhí)行指令的速度為1GIPS，字長32位，打印機的工作速度每秒100個字符，求處理機的利用率解：處理機用一條指令就能向打印機傳送4個字符因此，處理機的實際利用率只有4千萬分之一一個處理機管理多臺外部設備：每臺外圍設備設置數據緩沖寄存器、狀態(tài)寄存器或控制寄存器外圍設備并行工作，處理機采用輪流循環(huán)測試法，分時為各臺外圍設備服務只要處理機對所有設備測試一個循環(huán)花費的時間小于最快設備的工作周期，所有外圍設備就能夠正確地并行工作程序控制輸入輸出方式優(yōu)點：靈活性好，容易改變各臺外圍設備的優(yōu)先級缺點：在一般情況下不能實現處理機與外圍設備并行工作2.中斷輸入輸出方式當輸入輸出設備已經閑置或準備就緒時，主動向CPU發(fā)出服務請求；CPU每執(zhí)行完一條指令后都要測試是否有外圍設備的中斷請求。定義：當出現來自系統(tǒng)外部、機器內部、甚至處理機本身的任何例外的，或者雖然事先安排的，但出現在現行程序的什么地方是事先不知道的事件時，CPU暫停執(zhí)行現行程序，轉去處理這些事件，等處理完成后再返回來繼續(xù)執(zhí)行原先的程序中斷輸入輸出方式的特點:CPU與外圍設備能夠并行工作能夠處理例外事件，如電源掉電、非法指令、數據溢出等數據的輸入和輸出都要經過CPU用于連接低速外圍設備3.直接存儲器訪問方式DMA(DirectMemoryAccess)：主要用來連接高速外圍設備，如磁盤存儲器，磁帶存儲器，光盤輔助存儲器，行式打印機等必須在外圍設備與主存儲器之間建立直接數據通路DMA方式具有如下特點：外圍設備的訪問請求直接發(fā)往主存儲器，數據的傳送過程不需要CPU的干預全部用硬件實現，不需要做保存現場和恢復現場等工作DMA控制器復雜，需要設置數據寄存器、設備狀態(tài)控制寄存器、主存地址寄存器、設備地址寄存器和數據交換個數計數器及控制邏輯等在DMA方式開始和結束時，需要CPU進行管理DMA輸入設備的工作流程：從輸入設備中讀一個字節(jié)或字到DMA控制器中的數據緩沖寄存器BD中。如果輸入設備是面向字符的，則要把讀入的字節(jié)裝配成字若一個字還未裝滿，則返回上面；若校驗出錯，則發(fā)中斷申請；若一個字已經裝滿，則將BD中的數據送入主存數據寄存器把主存地址寄存器BA(在DMA控制器中)中的地址送入主存數據地址寄存器，并將BA中的主存地址增至下一個字地址把DMA控制器內的數據交換個數計數器BC的內容減1若BC中的值為0，則DMA數據傳送過程結束，否則返回到最上面繼續(xù)進行DMA輸出設備的工作流程：把主存地址寄存器BA(在DMA控制器中)中的地址送入主存地址寄存器，并啟動主存儲器，同時將BA中的地址增至下一個字地址將主存數據寄存器中的數據送入DMA控制器的數據緩沖寄存器BD中。如果輸出設備是面向字符的，則要把BD中的數據拆卸字符把BD中數據逐個字符或整個字寫到輸出介質上把DMA控制器內的數據交換個數計數器BC中的內容減1若 BC的計數值為0，則整個DMA數據傳送過程全部結束，否則返回最上面繼續(xù)進行目前使用的DMA方式有如下兩種：1.周期竊取方式在每條指令執(zhí)行結束時，CPU測試是否有DMA服務申請，如果有，CPU進入一個DMA周期借用CPU完成DMA工作流程，包括數據和主存地址傳送，交換個數計數器減1，主存地址的增值及一些測試判斷等主存儲器可以不與外圍設備直接連接，而與CPU連接不同點：不需要使用程序來完成數據的輸入和輸出，只是借用了一個CPU周期來完成DMA流程優(yōu)點：硬件結構簡單，容易實現缺點：在輸入輸出過程實際上占用了CPU時間2.直接存取方式真正的DMA工作方式DMA控制器的數據傳送申請不是發(fā)往CPU，而是發(fā)往主存整個DMA工作過程全部由DMA控制器硬件完成直接存取方式的優(yōu)缺點正好與周期竊取方式相反目前的多數計算機系統(tǒng)采用直接存取方式本章內容4.1輸入輸出原理4.2中斷系統(tǒng)4.3通道處理機4.4輸入輸出處理機4.2中斷系統(tǒng)4.2.1中斷源的組織4.2.2中斷系統(tǒng)的軟硬件分配4.2.3中斷現場的保存和恢復4.2.4中斷屏蔽4.2.1中斷源的組織中斷系統(tǒng)需要硬件和軟件共同實現引起中斷的各種事件稱為中斷源中斷系統(tǒng)的復雜性實際上主要是由中斷源的多樣性引起的中斷源本身可以來自系統(tǒng)外部，也可以來自機器內部，甚至處理機本身中斷可以是硬件引起的，也可以是軟件引起的把各種各樣的中斷源分類、分級組織好，是中斷系統(tǒng)的關鍵之一2.中斷源的分類組織中斷源分類組織的目的：在響應中斷后處理機能盡快找到中斷入口，及時為中斷源提供服務根據中斷事件的緊迫程度、中斷源工作速度、中斷源性質等進行分類為每一類中斷源分配一個硬件的中斷入口，在進入這個入口之后，再通過軟件找到具體的中斷源3.中斷優(yōu)先級在中斷源較多時，很可能同時發(fā)生多個終端請求，CPU必須安排一個響應和處理中斷的優(yōu)先順序中斷優(yōu)先級由下列因素確定：中斷源的緊迫性：最為緊迫的事件優(yōu)先級最高設備的工作速度：快速設備的優(yōu)先級較高數據恢復的難以程度：數據丟失后無法恢復的設備的優(yōu)先級較高要求處理機提供的服務量：能夠大部分時間內獨立工作而較少需要CPU干預的事件的優(yōu)先級較高中斷優(yōu)先級和中斷服務順序中斷優(yōu)先級由硬件的排隊器實現。當多個中斷源同時請求中斷服務時，中斷的響應次序是固定的處理機在執(zhí)行某一級別的中斷服務程序時，只有比它高級別的中斷源的請求能夠中斷其服務程序通過軟件設置中斷屏蔽碼能夠改變中斷服務順序要求：響應速度快，靈活性好4.2.2中斷系統(tǒng)的軟硬件功能分配從中斷源發(fā)出中斷服務請求，到這個請求被處理機響應并全部處理完成，其過程非常復雜有些功能必須用硬件完成，有些功能必須用軟件完成。而大部分功能既能用硬件完成，又能用軟件完成恰當分配中斷系統(tǒng)的軟硬件功能，是中斷系統(tǒng)最關鍵的問題中斷系統(tǒng)中軟硬件功能分配考慮2個因素：中斷響應時間從某一個中斷源發(fā)出中斷服務請求到處理機響應這個中斷源的中斷服務請求，并開始執(zhí)行這個中斷源的中斷服務程序所用的這一段時間中斷響應時間是整個計算機系統(tǒng)的一個關鍵性指標靈活性用硬件實現速度快，靈活性差用軟件實現速度慢，靈活性好“保存中斷點”和“轉向中斷服務程序入口”必須由硬件完成“執(zhí)行中斷服務程序”和“返回中斷點”必須由軟件完成3.中斷響應時間從一個中斷源向處理機發(fā)出中斷服務請求開始，到處理機實際開始執(zhí)行這個中斷源的中斷服務程序為止影響中斷響應時間的因素：1.最長指令執(zhí)行時間：一般在指令執(zhí)行期間不允許中斷有些指令執(zhí)行時間很長，甚至無法預測中斷源的中斷請求是隨機的最壞情況是最長指令的執(zhí)行時間2.在一條指令執(zhí)行完成后，處理其它更緊急的任務所用的時間如采用周期竊取式工作的DMA服務請求3.從第一次“關CPU中斷”到第一次“開CPU中斷”所經歷的時間中斷系統(tǒng)的軟件與硬件功能分配，主要就是考慮這一段內所要作的事情用硬件實現還是用軟件實現4.通過軟件找到中斷服務程序入口所用時間4個影響中斷響應時間的因素中，主要是第1和第3兩部分。其中，第1部分是指令系統(tǒng)設計時考慮的問題，第3部分是中斷系統(tǒng)設計時考慮的問題4.2.3中斷現場的保存和恢復程序計數器PC，必須由硬件完成保存處理機狀態(tài)字、堆棧指針、基值寄存器、中斷屏蔽碼

保存與恢復方法有：主存固定區(qū)域、壓入系統(tǒng)堆棧、交換處理機狀態(tài)字軟件現場：在中斷服務程序中被破壞的通用寄存器

一般采用軟件保存和恢復現場，指令系統(tǒng)給予適當支持4.2.4中斷屏蔽設置中斷屏蔽有3個用處：在中斷優(yōu)先級由硬件確定了的情況下，改變中斷源的中斷服務順序決定設備是否采用中斷方式工作在多處理機系統(tǒng)中，把外圍設備的服務工作分配到不同的處理機中中斷屏蔽的實現方法主要有2種：

1.每級中斷源設置一個中斷屏蔽位，當中斷屏蔽位為1，對應的中斷源不能請求中斷服務，為0則相反中斷源中斷優(yōu)先級正常的中斷屏蔽碼D1D2D3D4D5改變后的中斷屏蔽碼D1D2D3D4D5D111111110000D220111101000D330011110100D440001111011D550000111101例4.4.

5個中斷源D1,D2,D3,D4和D5，中斷優(yōu)先級從高到低依次是1級、2級、3級、4級和5級。這些中斷源的中斷優(yōu)先級、正常情況下的中斷屏蔽碼和改變后的中斷屏蔽碼見下表：1.當使用正常的中斷屏蔽碼時，處理機響應各中斷源的中斷服務請求的先后次序是什么？實際的中斷處理次序是什么？2.當使用改變后的中斷屏蔽碼時，處理機響應各中斷源的中斷服務請求的先后次序是什么？當5個中斷源同時請求中斷服務時，畫出處理機實際運行中斷服務程序過程的示意圖3.假設從處理機響應中斷源的中斷服務請求開始，到運行中斷服務程序中第一次開中斷所用的時間為1個單位時間，處理機運行中斷服務程序的其他部分所用的時間是4個單位時間。當處理機在執(zhí)行主程序時，中斷源D3,D4和D5同時發(fā)出中斷服務請求，過3個單位之間之后，中斷源D1和D2同時發(fā)出中斷請求。采用改變后的中斷屏蔽碼，畫出處理機響應各中斷源的中斷服務請求和實際運行中斷服務程序過程的示意圖例4.5.某處理機有4個中斷源，分別是D1,D2,D3和D4。要求處理機響應中斷源的中斷服務請求的次序從高到低為D1,D2,D3,D4，而處理機實際為各中斷源服務的先后次序為D3,D2,D4,D1。每個中斷源有4為中斷屏蔽碼，其中“0”表示該中斷源被屏蔽，“1”表示該中斷源被開放1.請設計中斷源的中斷優(yōu)先級和中斷屏蔽碼2.如果處理機在運行主程序時，同時有D1和D2兩個中斷源請求中斷服務，而在運行中斷源D2的中斷服務程序的過程中，中斷源D3和D4又同時請求中斷服務，請畫出處理機響應各中斷源的中斷服務請求和實際運行中斷服務程序過程的示意圖2.改變處理機優(yōu)先級（不考）中斷優(yōu)先級→中斷響應優(yōu)先級→硬件優(yōu)先級中斷服務程序優(yōu)先級→處理機優(yōu)先級→軟件優(yōu)先級例4.6.一臺處理機共有D1,D2,D3,D4和D5共5個中斷源，它們的硬件優(yōu)先級和在中斷源的處理機狀態(tài)字中由程序員設置的軟件中斷優(yōu)先級見下表。處理機在運行主程序時，中斷優(yōu)先級最低為0級。中斷源硬件中斷優(yōu)先級軟件中斷優(yōu)先級D17（最高）4D265D357D446D5351.處理機狀態(tài)字中的中斷優(yōu)先級碼的位數？2.當處理機正在執(zhí)行主程序時，5個中斷源同時請求中斷服務，畫出處理機實際響應中斷源的中斷服務請求和運行中斷服務程序過程的示意圖。課堂作業(yè)：各級中斷處理程序的中斷屏蔽碼如下。中斷響應優(yōu)先次序從高到低依次是：D1，D2，D3，D4。如果所有的中斷處理都各需3個單位時間，中斷響應和中斷返回時間相對中斷處理時間少得多。當機器正在運行用戶程序時，同時發(fā)生第2、3級中斷請求，過2個單位時間后，又同時發(fā)生第1、4級中斷請求，試畫出中斷運行過程示意圖中斷源中斷屏蔽碼(0表示屏蔽，1表示開放)D1D2D3D4D10000D21011D31000D41010本章內容4.1輸入輸出原理4.2中斷系統(tǒng)4.3通道處理機4.4輸入輸出處理機4.3通道處理機把外圍設備的管理工作從CPU中分離出來主要用于IBM公司研制的機器中4.5.1通道的作用和功能4.5.2通道的工作過程4.5.3通道的種類4.5.4通道中的數據傳送過程4.5.5通道流量分析處理機與外圍設備的連接方式直接連接：外圍設備較少時通道處理機輸入輸出處理機4.3.1通道的功能和作用4.3.2通道的工作過程4.3.3通道的種類1.字節(jié)多路通道為多臺低速或中速的外圍設備服務分時方式：依靠通道與CPU之間的高速數據通路分時為多臺設備服務字節(jié)交叉方式：各個設備在它所分得的時間片(100微秒)內與通道在邏輯上建立不同的傳輸連接成組方式：設備與通道的連接可以根據需要維持到一組數據全部完成2.選擇通道為高速外圍設備服務一段時間內單獨為一臺外圍設備服務可以認為是只有一個以成組方式工作的子通道，只有一套完整的硬件，逐個為幾臺高速外圍設備服務3.數組多路通道字節(jié)多路通道和選擇通道的結合每次為一臺高速設備傳送一個數據塊，并輪流為多臺外圍設備服務可以看成是：成組方式工作的高速多路通道從磁盤存儲器讀出文件的過程分為三步：定位、找扇區(qū)、讀出數據數組多路通道在向一臺外圍設備發(fā)出定位命令后就立即從邏輯上與該設備斷開，直到定位完成時再進行連接；同理，在發(fā)出找扇區(qū)命令后再一次斷開，直到開始數據傳送。數組多路通道的實際工作方式是：在為一臺高速設備傳送數據的同時，有多臺高速設備可以再定位或者在找扇區(qū)與選擇通道相比，數組多路通道的數據傳輸率和通道的硬件利用率大幅提高，控制硬件的復雜度也提高4.3.4通道中的數據傳送過程字節(jié)多路通道的數據傳送過程選擇通道的數據傳送過程數組多路通道的數據傳送過程4.3.5通道的流量分析通道流量：通道數據傳輸率，通道吞吐率指一個通道在數據傳送期間，單位時間內能夠傳送的最大數據量(字節(jié))通道最大流量：一個通道在滿負荷工作狀態(tài)下的流量字節(jié)多路通道的實際流量是連接在通道上的所有設備傳輸速率之和選擇通道和數組多路通道的實際流量是連接在通道上的所有設備中數據流量最大的那一設備的傳輸速率三種通道的最大流量公式：三種通道的最大流量公式：處理完設備D1的第一次請求的時刻為5微秒處理完設備D2的第一次請求的時刻為10微秒處理完設備D3的第一次請求的時刻為20微秒處理完設備D4的第一次請求的時刻為30微秒設備D5的第一次請求沒有得到通道響應，直到第85微秒才開始響應設備D5的服務請求，此時，D5已經發(fā)出了兩個傳送數據的服務請求，因此，第一次傳送的數據有可能丟失當字節(jié)多路通道的最大流量和所有設備的數據流量之和相等時，雖然能夠在宏觀上保證通道平衡，不丟失數據，但是由于傳輸速度高的設備頻繁發(fā)出服務請求，且能優(yōu)先得到通道的響應和服務，某些低速設備可能在比較長的一段時間內得不到通道的響應例4.6.一個字節(jié)多路通道連接有4臺外圍設備，每臺設備發(fā)出輸入輸出服務請求的時間間隔，它們的服務優(yōu)先級和發(fā)出第一次服務請求的時刻如下表：設備名稱D1D2D3D4發(fā)服務請求間隔10微秒75微秒15微秒50微秒服務優(yōu)先級1(最高)423發(fā)出第一次請求時刻0微秒70微秒10微秒20微秒(1)計算這個字節(jié)多路通道的實際流量和工作周期(2)在數據傳送期間，如果通道選擇一次設備的時間為3微秒，傳送一個字節(jié)的時間為2微秒，畫出這個字節(jié)多路通道響應各設備請求和為設備服務的時間關系圖(3)從(2)的時間關系圖中，計算通道處理完成各設備第一次服務請求的時刻(4)從(2)畫出的時間關系圖中看，這個字節(jié)多路通道能否正常工作(即不丟失數