第3章中斷與輸入輸出系統(tǒng)

中斷是一種在發(fā)生了一個外部的事件(一個急需處理的事件、異常情況或者特殊請求)時調(diào)用相應(yīng)的處理程序的過程。中斷處理過程流程圖。中斷系統(tǒng)

中斷的分類和分級中斷的響應(yīng)和中斷的處理中斷嵌套的原則中斷響應(yīng)次序和中斷處理次序中斷系統(tǒng)的軟硬件功能分配1、中斷和子程序調(diào)用的主要區(qū)別：中斷服務(wù)程序與中斷時CPU正在運(yùn)行的程序是相互獨(dú)立的，它們之間沒有確定的關(guān)系；而子程序調(diào)用時轉(zhuǎn)入的子程序和正在執(zhí)行的程序段是同一個程序的兩部分。中斷和中斷地址一般是由硬件形成的；而子程序的調(diào)用和子程序地址的形成都是由轉(zhuǎn)移指令決定的。中斷過程要保存所有的內(nèi)部狀態(tài)信息（現(xiàn)場）；子程序調(diào)用時可以只保存PC的值。中斷程序調(diào)用的過程比子程序調(diào)用復(fù)雜得多。2、中斷為什么要分類？若系統(tǒng)的中斷源個數(shù)很少時，可以用硬件來為每一個中斷源直接形成各中斷服務(wù)程序的入口地址，以便轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序。但一般的高性能大型多用戶系統(tǒng)，系統(tǒng)的中斷源個數(shù)可能多達(dá)數(shù)十甚至數(shù)百個，這時，宜將性質(zhì)接近的中斷源分成類，每一類都各自用硬件形成其中斷服務(wù)程序的總?cè)肟?。在響?yīng)了該類中斷后，再由軟件查詢其中斷類的中斷字寄存器的內(nèi)容來分支轉(zhuǎn)入某個具體的中斷源處理分支程序進(jìn)行處理。因此，中斷源的分類主要是為減少中斷處理程序入口地址的形成的硬件數(shù)量。機(jī)器校驗(yàn)類中斷；管理程序調(diào)用類總斷；程序性中斷；外部中斷；輸入/輸出中斷；重新啟動中斷機(jī)器校驗(yàn)中斷是告訴程序發(fā)生了設(shè)備故障；管理程序調(diào)用中斷是用戶程序需要操作系統(tǒng)介入時，通過執(zhí)行“訪管”指令時發(fā)生的；程序性中斷是包括指令和數(shù)據(jù)的格式錯、程序執(zhí)行中出現(xiàn)異常（非法指令、目態(tài)下使用管態(tài)指令、主存訪問方式保護(hù)、尋址超過主存容量、各種溢出、除數(shù)為“0”、有效位為“0”等）以及程序的事件記錄、監(jiān)督程序?qū)κ录谋O(jiān)測引起的中斷等；外部中斷是來自機(jī)器外部，它包括各種定時器中斷、外部信號中斷及中斷鍵中斷；外部中斷主要用于與其它機(jī)器和系統(tǒng)的聯(lián)系；輸入/輸出中斷在輸入輸出操作完成，I/O通道或設(shè)備發(fā)出故障時發(fā)出，它是CPU與I/O設(shè)備及通道聯(lián)系的工具；重新啟動中斷是為操作員或另一臺CPU要啟動一個程序所用，CPU不能禁止這種中斷3、中斷為什么要分級？ 在中斷源分成類之后，對于不同類的中斷，就要根據(jù)中斷類的性質(zhì)、緊迫性、全局性、重要性和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，讓級別高的中斷類能優(yōu)先得到響應(yīng)。一般在安排中斷類響應(yīng)的優(yōu)先級時，將機(jī)器校驗(yàn)類中斷列為第1級，即具有最高的優(yōu)先級；程序性中斷和管理程序調(diào)用類中斷列為第2級，其后依次是外部中斷，輸入輸出中斷，重新啟動中斷。4、中斷的響應(yīng)和中斷的處理中斷響應(yīng)是允許中斷源能夠中斷CPU現(xiàn)行程序的運(yùn)行，轉(zhuǎn)去對該中斷請求進(jìn)行預(yù)處理，包括保存好斷點(diǎn)和關(guān)鍵性的斷點(diǎn)現(xiàn)場，調(diào)出相應(yīng)的中斷處理程序，準(zhǔn)備對其執(zhí)行。在大多數(shù)機(jī)器中，中斷響應(yīng)是通過采用交換新舊程序狀態(tài)字的辦法來完成的。中斷處理是通過具體執(zhí)行中斷服務(wù)程序來對中斷源進(jìn)行處理的過程。中斷服務(wù)程序內(nèi)部根據(jù)情況還需要保存其它一些斷點(diǎn)現(xiàn)場，并在返回中斷點(diǎn)前加以現(xiàn)場恢復(fù)。5、當(dāng)CPU正在處理一個中斷時，是否還響應(yīng)其他設(shè)備發(fā)出的中斷請求？單重中斷處理方式是中斷結(jié)構(gòu)中最基本的形式，在處理一個中斷請求期間不允許被其它中斷請求打斷。如果在處理一個中斷請求期間允許被其它更為緊急的中斷請求打斷，則構(gòu)成多重中斷處理方式。6、中斷嵌套的原則

由于中斷請求是隨機(jī)發(fā)生的，完全有可能在處理某個中斷服務(wù)程序的過程中，又出現(xiàn)新的中斷請求，這時就可能出現(xiàn)中斷的嵌套。在中斷嵌套時，應(yīng)遵循的原則是：在處理某級中的某個中斷請求時，應(yīng)當(dāng)屏蔽與之同級或低級的中斷請求，只有比其高級的中斷請求才可中斷正在處理的中斷服務(wù)程序。在發(fā)生中斷嵌套時，為保證正確地返回到原中斷點(diǎn)，系統(tǒng)中都采用在中斷時，將斷點(diǎn)地址用硬件的方法自動壓進(jìn)堆棧來保存。等中斷返回時，再用硬件的方法將保存的返回地址自動彈出堆棧到程序計數(shù)器中。利用堆棧的后進(jìn)先出工作方式就可實(shí)現(xiàn)從哪兒來回哪兒去。7、中斷的響應(yīng)次序和中斷的處理次序中斷響應(yīng)次序：是靠用中斷響應(yīng)的硬件排隊器事先固定好的。它總是對進(jìn)入了中斷響應(yīng)排隊器的中斷級請求按由高到低的次序響應(yīng)其中一個高優(yōu)先級的中斷級請求，除非某些中斷級請求未進(jìn)入中斷響應(yīng)排隊器排隊。中斷處理次序：中斷處理程序?qū)嶋H執(zhí)行完的次序。為了能動態(tài)地調(diào)節(jié)中斷處理次序，在中斷級請求源與中斷響應(yīng)排隊器的入口端之間又加設(shè)了一個中斷級屏蔽字寄存器和相應(yīng)的電路硬件。中斷級屏蔽字寄存器中的每一個中斷級屏蔽位可以控制讓相應(yīng)等級的中斷請求能否進(jìn)入中斷響應(yīng)排隊器去參加排隊。只有能進(jìn)入中斷響應(yīng)排隊器的中斷請求，總是讓其中級別相對高的優(yōu)先級得到相應(yīng)。注：

操作系統(tǒng)可以通過修改各中斷級處理程序的中斷級屏蔽位的狀況，來使中斷處理（完）的次序符合我們所希望的次序。用戶程序（目態(tài)程序）是不能屏蔽任何中斷的。就是說，用戶程序的現(xiàn)行狀態(tài)字中，中斷級屏蔽位應(yīng)對各級中斷都是開放的。

假設(shè)系統(tǒng)共有4個中斷級，相應(yīng)的每一級中斷處理程序的現(xiàn)行程序狀態(tài)字中都設(shè)有4個中斷級屏蔽位。如果中斷級屏蔽位為“1”，表示對該級的各個中斷請求都開放，允許其進(jìn)入中斷響應(yīng)排隊器排隊；若為“0”，則表示對該級的各個中斷請求都屏蔽，不讓其進(jìn)入中斷響應(yīng)排隊器排隊。各級中斷處理次序和各級中斷響應(yīng)次序都是1→2→3→4各級中斷處理次序?yàn)?→4→3→2中斷處理程序級別中斷級屏蔽位1級2級3級4級1級00002級10003級11004級1110中斷處理程序級別中斷級屏蔽位1級2級3級4級1級00002級10113級10014級1000中斷請求用戶程序中斷處理程序1 2 3 4 各級中斷處理次序?yàn)?→2→3→43、2421中斷請求用戶程序中斷處理程序1 2 3 4 各級中斷處理次序?yàn)?→4→3→23、2421例題1：機(jī)器有4級中斷，中斷響應(yīng)先后次序?yàn)?—2—3—4，現(xiàn)要求中斷處理次序?yàn)?—3—4—2。如果所有的中斷處理都各需3個單位時間，中斷響應(yīng)和中斷返回時間相對中斷處理時間少的很多，當(dāng)機(jī)器正在運(yùn)行用戶程序時，同時發(fā)生第2、3級中斷請求，過兩個單位時間，又同時發(fā)生第1、4級中斷請求，試畫出程序運(yùn)行過程示意圖。中斷請求用戶程序中斷處理程序1 2 3 4 2、31、42、41、3、5中斷請求用戶程序中斷處理程序1 2 3 4 5 例題2：機(jī)器有5級中斷，中斷響應(yīng)次序?yàn)?—2—3—4—5，現(xiàn)要求中斷處理次序?yàn)?—4—5—2—3。若在運(yùn)行用戶程序時，同時發(fā)生4、2級中斷請求，而在2級中斷服務(wù)未完成時，又發(fā)生1、3、5級中斷，請畫出處理機(jī)執(zhí)行程序的全過程示意圖。（標(biāo)出交換PSW的時間）8、中斷系統(tǒng)的軟硬件功能中斷系統(tǒng)的軟硬件功能分配實(shí)際上就是在中斷處理程序軟件和中斷響應(yīng)硬件之間的功能分配。為了加快中斷的響應(yīng)和處理，在滿足性能價格比的前提下，可以在硬件的快速性和軟件的靈活性上進(jìn)行綜合權(quán)衡，可以通過適當(dāng)增加一些硬件或新的指令來加快中斷斷點(diǎn)現(xiàn)場的保存、恢復(fù)和中斷的具體處理。一、通道處理機(jī)進(jìn)行輸入輸出的過程在多用戶應(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/輸出的訪管指令，并帶上所用之設(shè)備號、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)行到訪管指令時，按其提供的入口地址，將管理程序調(diào)出來執(zhí)行。此管理程序的任務(wù)是利用所帶的參數(shù)來編制通道程序。這樣，一次輸入/輸出的過程中，CPU只需要兩次進(jìn)入管態(tài)，使之減少了輸入/輸出對目態(tài)程序的干擾，也使CPU和外部設(shè)備及多臺設(shè)備之間可以并行的工作。3.3輸入/輸出系統(tǒng)

在通道程序編好且存入主存中某個通道緩存區(qū)時，就置好相應(yīng)的通道地址字。當(dāng)管理程序執(zhí)行到“啟動I/O”的管態(tài)指令時，就進(jìn)入了“通道開始選擇設(shè)備”期。在“通道開始選擇設(shè)備”期內(nèi)，CPU選擇指定的通道、子通道、設(shè)備控制器和設(shè)備后，發(fā)出啟動命令。當(dāng)設(shè)備被成功啟動之后，CPU就退出管態(tài)，返回目態(tài)去執(zhí)行其它的用戶程序。此時，通道進(jìn)入了“通道數(shù)據(jù)傳送”期。被啟動的通道開始執(zhí)行存放于通道緩存區(qū)中的通道程序來具體組織I/O操作，直至執(zhí)行到無鏈通道指令，完成了通道程序后，又向CPU發(fā)出I/O中斷請求。通道進(jìn)入“通道數(shù)據(jù)傳送結(jié)束”期。CPU在響應(yīng)I/O中斷請求后，第二次進(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)。二、通道的分類及相應(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，通道又可被分成字節(jié)多路、數(shù)組多路和選擇通道三種。假設(shè)通道所接p臺設(shè)備都已經(jīng)被啟動，每一臺設(shè)備都要傳送n個字節(jié)的數(shù)據(jù)字節(jié)多路通道適宜掛大量字符類低速設(shè)備，通道的“數(shù)據(jù)寬度”為單字節(jié)。字節(jié)多路通道每選擇好一臺設(shè)備后，設(shè)備與通道只傳送一個字節(jié)就釋放總線，通道以字節(jié)交叉的方式輪流為多臺低速設(shè)備服務(wù)。每臺設(shè)備要想傳送n個字節(jié)，就需要經(jīng)n次申請使用通道總線才行?！璗sTd設(shè)備1TsTd設(shè)備2TsTd設(shè)備p各設(shè)備第n個字節(jié)……TsTd設(shè)備1TsTd設(shè)備2TsTd設(shè)備p各設(shè)備第1個字節(jié)np（Ts+Td）數(shù)組多路通道適宜掛多臺高速的磁盤存儲器，通道的“數(shù)據(jù)寬度”為定長塊。數(shù)組多路通道在每選擇好一臺設(shè)備后，要連續(xù)傳送固定k個字節(jié)的成組數(shù)據(jù)后，才釋放總線，通道再去選擇下一臺設(shè)備，再傳送該設(shè)備的k個字節(jié)。如此，以成組方式輪流交叉的為多臺高速設(shè)備服務(wù)。某臺設(shè)備要想傳送n個字節(jié)，就需要先后經(jīng)「n/k」次申請使用通道總線才行。TsTd…TdK個設(shè)備1TsTd…TdK個設(shè)備p各設(shè)備第1個定長塊TsTd…TdK個設(shè)備1TsTd…TdK個設(shè)備p各設(shè)備第「n/k」個定長塊「n/k」pk（Ts/k+Td）選擇通道適宜接高優(yōu)先級的高速磁盤設(shè)備，通道的“數(shù)據(jù)寬度”為不定長塊。選擇通道每選擇一臺設(shè)備，就讓該設(shè)備獨(dú)占通道，經(jīng)n個字節(jié)全部傳送完后，才釋放通道總線，又去選擇下一臺設(shè)備，再傳送它的全部字節(jié)數(shù)據(jù)。因此，每臺設(shè)備為傳送n個字節(jié)數(shù)據(jù)只需一次申請使用通道總線。P（Ts+nTd）TsTd…Tdn個設(shè)備1TsTd…Tdn個設(shè)備p三、通道的流量設(shè)計通道流量是指通道在“通道數(shù)據(jù)傳送”期間，單位時間里傳送的字節(jié)數(shù)。假設(shè)所設(shè)計的通道每選擇一次設(shè)備的時間為Ts，每傳送一個字節(jié)的時間為Td，數(shù)組多路通道的定長塊塊的大小為K個字節(jié)，選擇通道一次傳送n個字節(jié)。這樣，通道工作時的極限流量分別是：字節(jié)多路通道：fmax.byte=1/(Ts+Td)數(shù)組多路通道：fmax.block=1/(Ts/k+Td)選擇通道： fmax.select=1/(Ts/n+Td)如果通道上所掛p臺設(shè)備都被啟動，則設(shè)備對通道要求的實(shí)際流量分別是：字節(jié)多路通道：所掛p臺設(shè)備的速率之和數(shù)組多路通道：所掛p臺設(shè)備中速率最高者選擇通路：所掛p臺設(shè)備中速率最高者為使通道所掛外部設(shè)備在滿負(fù)荷工作時仍不丟失信息，應(yīng)使設(shè)備要求通道的實(shí)際最大流量不能超過通道的極限流量。因?yàn)樵贗/O系統(tǒng)中，各個通道是并行工作的，所以I/O系統(tǒng)的極限流量應(yīng)當(dāng)是各通道的極限流量之和。通道內(nèi)的多個子通道之間也是可以并行工作的，因此，通道的極限流量應(yīng)當(dāng)?shù)扔诟髯油ǖ赖臉O限流量之和。在考慮通道對設(shè)備所發(fā)出的傳送字節(jié)數(shù)據(jù)請求優(yōu)先響應(yīng)誰的問題時，一般都采取讓設(shè)備速率越高的，其響應(yīng)和處理的優(yōu)先級越高；同一速率的各個設(shè)備，則可由系統(tǒng)指定一個優(yōu)先級，例如，讓設(shè)備號越小的，其響應(yīng)和處理的優(yōu)先級越高。流量設(shè)計的基本要求只能保證通道在宏觀上不丟失設(shè)備的信息。如果設(shè)備要求通道的實(shí)際流量最高值非常接近于通道設(shè)計時所能達(dá)到的極限流量時，通道在工作時的某個局部時刻還有可能丟失信息。由于高速設(shè)備在頻繁地發(fā)出要求傳送數(shù)據(jù)的請求時，總是被優(yōu)先得到響應(yīng)和處理，就