計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-第4章-輸入輸出系統(tǒng)

第4章輸入輸出系統(tǒng)4.1輸入輸出原理4.2中斷系統(tǒng)4.3通道處理機(jī)4.4輸入輸出處理機(jī)3/8/20231計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)4.1輸入輸出原理通常把處理機(jī)與主存儲(chǔ)器之外的部分統(tǒng)稱為輸入輸出系統(tǒng)，包括輸入輸出設(shè)備、輸入輸出接口和輸入輸出軟件等。事實(shí)上，運(yùn)算器、限制器、主存儲(chǔ)器和總線等也要通過(guò)輸入輸出系統(tǒng)來(lái)管理。 4.1.1輸入輸出系統(tǒng)的特點(diǎn) 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3/8/20232計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)4.1.1輸入輸出系統(tǒng)的特點(diǎn)輸入輸出系統(tǒng)是處理機(jī)與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的通道。輸入輸出系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最具多樣性和困難性的部分。輸入輸出系統(tǒng)涉及到機(jī)、光、電、磁、聲、自動(dòng)限制等多種學(xué)科。輸入輸出系統(tǒng)最典型地反映著硬件與軟件的相互結(jié)合。輸入輸出系統(tǒng)的困難性隱藏在系統(tǒng)軟件中，用戶無(wú)需了解輸入輸出設(shè)備的具體細(xì)微環(huán)節(jié)。3/8/20233計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)處理機(jī)的外部世界包括：3/8/20234計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)1.實(shí)時(shí)性對(duì)于一般輸入輸出設(shè)備,假如處理機(jī)供應(yīng)的服務(wù)不剛好，可能丟失數(shù)據(jù)，或造成外圍設(shè)備工作的錯(cuò)誤。對(duì)于實(shí)時(shí)限制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，假如處理機(jī)供應(yīng)的服務(wù)不剛好，可能造成巨大的損失，甚至造成人身?yè)p害。對(duì)于處理機(jī)本身的硬件或軟件錯(cuò)誤：如電源故障、數(shù)據(jù)校驗(yàn)錯(cuò)、頁(yè)面失效、非法指令、地址越界等，處理機(jī)必需剛好處理。對(duì)不同類型的設(shè)備，必需具有與設(shè)備相協(xié)作的多種工作方式。3/8/20235計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)2.與設(shè)備無(wú)關(guān)性獨(dú)立于具體設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)接口。例如，串行接口、并行接口、SCSI（SmallComputerSystemInterface）接口等計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)用者，在須要更換外圍設(shè)備時(shí)，各種不同型號(hào)，不同生產(chǎn)廠家的設(shè)備都可以干脆通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接。處理機(jī)接受統(tǒng)一的硬件和軟件對(duì)品種繁多的設(shè)備進(jìn)行管理。某些計(jì)算機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了即插即用技術(shù)。3/8/20236計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)3.異步性輸入輸出設(shè)備通常不運(yùn)用統(tǒng)一的中心時(shí)鐘，各個(gè)設(shè)備依據(jù)自己的時(shí)鐘工作，但又要在某些時(shí)刻接受處理機(jī)的限制。處理機(jī)與外圍設(shè)備之間，外圍設(shè)備與外圍設(shè)備之間能并行工作針對(duì)實(shí)時(shí)性，接受層次結(jié)構(gòu)的方法，針對(duì)與設(shè)備無(wú)關(guān)性，接受分類處理的方法針對(duì)異步性，接受自治限制的方法，3/8/20237計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)4.1.2輸入輸出系統(tǒng)的組織方式1.自治限制輸入輸出系統(tǒng)是獨(dú)立于CPU之外的自治系統(tǒng)處理機(jī)與外圍設(shè)備之間要有恰當(dāng)?shù)姆止?.層次結(jié)構(gòu)最內(nèi)層是輸入輸出處理機(jī)、輸入輸出通道等中間層是標(biāo)準(zhǔn)接口。標(biāo)準(zhǔn)接口通過(guò)設(shè)備限制器與輸入輸出設(shè)備連接3.分類組織面對(duì)字符的設(shè)備，如字符終端、打字機(jī)等面對(duì)數(shù)據(jù)塊的設(shè)備，如磁盤、磁帶、光盤等。3/8/20238計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)3/8/20239計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)4.1.3基本輸入輸出方式1.程序限制輸入輸出方式狀態(tài)驅(qū)動(dòng)輸入輸出方式、應(yīng)答輸入輸出方式、查詢輸入輸出方式、條件驅(qū)動(dòng)輸入輸出方式程序限制輸入輸出方式的4個(gè)特點(diǎn)：(1)何時(shí)對(duì)何設(shè)備進(jìn)行輸入輸出操作受CPU限制(2)CPU要通過(guò)指令對(duì)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試才能知道設(shè)備的工作狀態(tài)?？臻e、準(zhǔn)備就緒、勞碌等(3)數(shù)據(jù)的輸入和輸出都要經(jīng)過(guò)CPU(4)用于連接低速外圍設(shè)備，如終端、打印機(jī)等3/8/202310計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)例4.1：一個(gè)處理機(jī)在一段時(shí)間內(nèi)只能管理一臺(tái)打印機(jī)。處理機(jī)執(zhí)行指令的速度為1GIPS，字長(zhǎng)32位，打印機(jī)每秒鐘100個(gè)字符。解：處理機(jī)用一條指令就能向打印機(jī)傳送4個(gè)字符。因此，處理機(jī)的實(shí)際利用率只有即4千萬(wàn)分之一。100/1094＝0.2510-73/8/202311計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)一個(gè)處理機(jī)管理多臺(tái)外圍設(shè)備。處理機(jī)接受輪番循環(huán)測(cè)試方法，分時(shí)為各臺(tái)外圍設(shè)備服務(wù)。優(yōu)點(diǎn)：敏捷性很好?？梢院芎?jiǎn)潔地變更各臺(tái)外圍設(shè)備的優(yōu)先級(jí)。缺點(diǎn)： 不能實(shí)現(xiàn)處理機(jī)與外圍設(shè)備之間并行工作。3/8/202312計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)2.中斷輸入輸出方式定義：當(dāng)出現(xiàn)來(lái)自系統(tǒng)外部，機(jī)器內(nèi)部，甚至處理機(jī)本身的任何例外的，或者雖然是事先支配的，但出現(xiàn)在現(xiàn)行程序的什么地方是事先不知道的事務(wù)時(shí)，CPU暫停執(zhí)行現(xiàn)行程序，轉(zhuǎn)去處理這些事務(wù)，等處理完成后再返回來(lái)接著執(zhí)行原先的程序。特點(diǎn)：(1)CPU與外圍設(shè)備能夠并行工作。(2)能夠處理例外事務(wù)。(3)數(shù)據(jù)的輸入和輸出都要經(jīng)過(guò)CPU。(4)用于連接低速外圍設(shè)備。3/8/202313計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)3.干脆存儲(chǔ)器訪問(wèn)方式干脆存儲(chǔ)器訪問(wèn)方式(DMA：DirectMemoryAccess)，主要用來(lái)連接高速外圍設(shè)備。如磁盤存儲(chǔ)器，磁帶存儲(chǔ)器、光盤協(xié)助存儲(chǔ)器，行式打印機(jī)等。3/8/202314計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)DMA方式具有如下特點(diǎn)： (1)外圍設(shè)備的訪問(wèn)懇求干脆發(fā)往主存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)的傳送過(guò)程不須要CPU的干預(yù)。 (2)全部用硬件實(shí)現(xiàn)，不須要做保存現(xiàn)場(chǎng)和復(fù)原現(xiàn)場(chǎng)等工作。 (3)DMA限制器困難，須要設(shè)置數(shù)據(jù)寄存器、設(shè)備狀態(tài)限制寄存器、主存地址寄存器、設(shè)備地址寄存器和數(shù)據(jù)交換個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)器及限制邏輯等。 (4)在DMA方式起先和結(jié)束時(shí)，須要處理機(jī)進(jìn)行管理。3/8/202315計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)DMA輸入設(shè)備的工作流程如下：從設(shè)備讀一個(gè)字節(jié)到DMA限制器中的數(shù)據(jù)緩沖寄存器中。若一個(gè)字沒(méi)有裝配滿，則返回到上面；若校驗(yàn)出錯(cuò)，則發(fā)中斷申請(qǐng)；若一個(gè)字已裝配滿，則將數(shù)據(jù)送主存數(shù)據(jù)寄存器。把主存地址送主存地址寄存器，并將主存地址增值。把DMA限制器內(nèi)的數(shù)據(jù)交換個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)器減１。若交換個(gè)數(shù)為0，則DMA數(shù)據(jù)傳送過(guò)程結(jié)束，否則回到上面。3/8/202316計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)DMA輸出設(shè)備的工作流程如下：把主存地址送入主存地址寄存器，并啟動(dòng)主存儲(chǔ)器，同時(shí)將主存地址增值。將主存數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)送DMA限制器的數(shù)據(jù)寄存器。把數(shù)據(jù)寫到輸出介質(zhì)上（可能要逐個(gè)字符輸出）。把DMA限制器內(nèi)的數(shù)據(jù)交換個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)器中的內(nèi)容減１。若交換個(gè)數(shù)為0，則DMA數(shù)據(jù)傳送過(guò)程結(jié)束，否則回到上面。3/8/202317計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)目前運(yùn)用的DMA方式事實(shí)上有如下三種：(1)周期竊取方式：在每一條指令執(zhí)行結(jié)束時(shí)，CPU測(cè)試有沒(méi)有DMA服務(wù)申請(qǐng)。借用CPU完成DMA工作流程。包括數(shù)據(jù)和主存地址的傳送，交換個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)器減1，主存地址的增值及一些測(cè)試推斷等。周期竊取方式的優(yōu)點(diǎn)是硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，比較簡(jiǎn)潔實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)是在數(shù)據(jù)輸入或輸出過(guò)程種事實(shí)上占用了CPU的時(shí)間。3/8/202318計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)(2)干脆存取方式：整個(gè)工作流程全部用硬件完成。優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)正好與周期竊取方式相反。(3)數(shù)據(jù)塊傳送方式：在設(shè)備限制器中設(shè)置一個(gè)比較大的數(shù)據(jù)緩沖存儲(chǔ)器。設(shè)備限制器與主存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)交換以數(shù)據(jù)塊為單位，并接受程序中斷方式進(jìn)行。接受數(shù)據(jù)塊傳送方式的外圍設(shè)備有軟盤驅(qū)動(dòng)器、行式打印機(jī)、激光打印機(jī)、卡片閱讀機(jī)、繪圖儀等。3/8/202319計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)4.2中斷系統(tǒng)4.2.1中斷源的組織4.2.2中斷系統(tǒng)的軟硬件安排4.2.3中斷源的識(shí)別方法4.2.4中斷現(xiàn)場(chǎng)的保存和復(fù)原4.2.5中斷屏蔽3/8/202320計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)4.2.1中斷源的組織中斷系統(tǒng)須要硬件和軟件共同來(lái)實(shí)現(xiàn)。引起中斷的各種事務(wù)稱為中斷源。中斷系統(tǒng)的困難性事實(shí)上主要是由中斷源的多樣性引起的。中斷源可以來(lái)自系統(tǒng)外部，也可以來(lái)自機(jī)器內(nèi)部，甚至處理機(jī)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(jí)組織好，是中斷系統(tǒng)的關(guān)鍵之一。3/8/202321計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)1.中斷源的種類(1)由外圍設(shè)備引起的中斷。低速外圍設(shè)備每傳送一個(gè)字節(jié)申請(qǐng)一次中斷；高速外圍設(shè)備的前、后處理。(2)由處理機(jī)本身產(chǎn)生的中斷。如算術(shù)溢出，除數(shù)為零，數(shù)據(jù)校驗(yàn)錯(cuò)等。(3)由存儲(chǔ)器產(chǎn)生的中斷。如地址越界、頁(yè)面失效、訪問(wèn)存儲(chǔ)器超時(shí)等。(4)由限制器產(chǎn)生的中斷。如非法指令、堆棧溢出、時(shí)間片到、切換到特權(quán)態(tài)。3/8/202322計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)(5)由總線產(chǎn)生的中斷。輸入輸出總線出錯(cuò),存儲(chǔ)總線出錯(cuò)等。(6)實(shí)時(shí)過(guò)程限制產(chǎn)生的中斷。(7)實(shí)時(shí)鐘的定時(shí)中斷。(8)多處理機(jī)系統(tǒng)中，從其它處理機(jī)發(fā)送來(lái)的中斷。(9)程序調(diào)試過(guò)程中，由斷點(diǎn)產(chǎn)生的中斷。(10)硬件故障中斷。(11)電源故障中斷。3/8/202323計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)2.中斷源的分類組織中斷源分類組織的目的：在響應(yīng)中斷后能盡快找到中斷入口。依據(jù)中斷事務(wù)的緊迫程度，中斷源工作速度、性質(zhì)等進(jìn)行分類為每一類中斷源安排一個(gè)硬件的中斷入口，在進(jìn)入這個(gè)入口之后，再通過(guò)軟件找到具體的中斷源?？善帘沃袛嗯c不行屏蔽中斷，或稱一般中斷和異樣中斷。3/8/202324計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)IBM公司的機(jī)器，把中斷源分為７類：(1)機(jī)器檢驗(yàn)出錯(cuò)中斷。由硬件或軟件故障時(shí)產(chǎn)生。(2)程序性錯(cuò)誤引起的中斷。(3)訪問(wèn)管理程序中斷。當(dāng)用戶程序執(zhí)行訪管指令引起的中斷。(4)可以抑制的機(jī)器檢驗(yàn)錯(cuò)誤引起的中斷。(5)外部事務(wù)中斷。(6)輸入輸出中斷。(7)重新啟動(dòng)中斷。處理機(jī)不能禁止這類中斷3/8/202325計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)3.中斷優(yōu)先級(jí)支配中斷優(yōu)先依次主要由下列因素來(lái)確定：中斷源的急迫性。設(shè)備的工作速度。數(shù)據(jù)復(fù)原的難易程度。要求處理機(jī)供應(yīng)的服務(wù)量。中斷優(yōu)先級(jí)與中斷服務(wù)依次要求：響應(yīng)速度快，敏捷性好。做法：由硬件排隊(duì)器確定中斷優(yōu)先級(jí)，通過(guò)軟件設(shè)置中斷屏蔽碼變更中斷服務(wù)依次。3/8/202326計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)例如：在IBM370系列機(jī)中，把7類中斷分為5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，從高到低分別是：(1)緊急的機(jī)器檢驗(yàn)錯(cuò)誤引起的中斷(2)調(diào)用管理程序，程序性錯(cuò)誤，可以抑制的機(jī)器檢驗(yàn)錯(cuò)誤引起的中斷。(3)外部事務(wù)引起的中斷(4)外圍設(shè)備的中斷(5)重新啟動(dòng)引起的中斷3/8/202327計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)例如：DEC公司的機(jī)器，其優(yōu)先級(jí)從高到低分別是：(1)總線錯(cuò)誤引起的中斷(2)主存刷新中斷(3)指令錯(cuò)誤引起的中斷(4)程序跟蹤中斷(5)電源掉電中斷(6)在線停機(jī)中斷(7)在線事務(wù)中斷(照實(shí)時(shí)鐘等)(8)外圍設(shè)備中斷(9)用戶程序中斷3/8/202328計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)例4.2：某處理機(jī)共有4個(gè)中斷源，中斷優(yōu)先級(jí)從高到低分別是：1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)和4級(jí)。當(dāng)處理機(jī)在執(zhí)行主程序時(shí)，同時(shí)有3級(jí)和2級(jí)兩個(gè)中斷源向處理機(jī)發(fā)出中斷服務(wù)懇求。當(dāng)處理機(jī)為2級(jí)中斷源服務(wù)時(shí)又有4級(jí)中斷源發(fā)出中斷服務(wù)懇求。當(dāng)處理機(jī)為４級(jí)中斷源服務(wù)時(shí)又有１級(jí)中斷源發(fā)出中斷服務(wù)懇求。解：處理機(jī)響應(yīng)各中斷源的中斷懇求和執(zhí)行中斷服務(wù)程序的過(guò)程如下：3/8/202329計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)3/8/202330計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)4.2.2中斷系統(tǒng)的軟硬件安排有些功能必需用硬件實(shí)現(xiàn)，有的功能必需用軟件實(shí)現(xiàn)，而大部分功能既可以用硬件實(shí)現(xiàn)，也可以用軟件實(shí)現(xiàn)。恰當(dāng)安排中斷系統(tǒng)的軟硬件功能，是中斷系統(tǒng)最關(guān)鍵問(wèn)題1.主要考慮的兩個(gè)因素：中斷響應(yīng)時(shí)間：中斷響應(yīng)時(shí)間是一個(gè)特別重要的指標(biāo)。敏捷性：硬件實(shí)現(xiàn)速度快，敏捷性差；軟件實(shí)現(xiàn)正好相反3/8/202331計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)2.中斷處理過(guò)程表示一般用硬件實(shí)現(xiàn)表示一般用軟件實(shí)現(xiàn)表示可以用硬件實(shí)現(xiàn)，也可以用軟件實(shí)現(xiàn))現(xiàn)行指令結(jié)束，且沒(méi)有更緊急的服務(wù)懇求關(guān)CPU中斷保存斷點(diǎn)，主要保存PC中的內(nèi)容撤消中斷源的中斷懇求保存硬件現(xiàn)場(chǎng)，主要是PSW及SP等識(shí)別中斷源變更設(shè)備的屏蔽狀態(tài)進(jìn)入中斷服務(wù)程序入口3/8/202332計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)保存軟件現(xiàn)場(chǎng)，在中斷服務(wù)程序中運(yùn)用的通用寄存器等開(kāi)CPU中斷，可以響應(yīng)更高級(jí)別的中斷懇求中斷服務(wù)，執(zhí)行中斷服務(wù)程序關(guān)CPU中斷復(fù)原軟件現(xiàn)場(chǎng)復(fù)原屏蔽狀態(tài)復(fù)原硬件現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)CPU中斷返回到中斷點(diǎn)3/8/202333計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)必需用硬件實(shí)現(xiàn)的有：保存中斷點(diǎn)和進(jìn)入中斷服務(wù)程序入口。 這兩個(gè)功能相當(dāng)于執(zhí)行一條轉(zhuǎn)子程序指令，因?yàn)橹袛喟l(fā)生在現(xiàn)行程序的什么地方是不確定的，不能由程序員來(lái)支配。必需用軟件實(shí)現(xiàn)的有：中斷服務(wù)和返回到中斷點(diǎn)。 返回到中斷點(diǎn)，通過(guò)執(zhí)行一條中斷返回指令來(lái)實(shí)現(xiàn)， 中斷服務(wù)必需用軟件實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槭恰俺绦蛑袛喾绞健薄?/8/202334計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)3.中斷響應(yīng)時(shí)間定義：從中斷源向處理機(jī)發(fā)出中斷服務(wù)懇求起先，到處理機(jī)起先執(zhí)行這個(gè)中斷源的中斷服務(wù)程序時(shí)為止，這一段時(shí)間稱為中斷響應(yīng)時(shí)間。影響中斷響應(yīng)時(shí)間的因素主要有4個(gè)：(前2個(gè)屬于處理機(jī)設(shè)計(jì)，后2個(gè)屬于中斷系統(tǒng))(1)最長(zhǎng)指令執(zhí)行時(shí)間 有些指令的執(zhí)行時(shí)間很長(zhǎng)，甚至無(wú)法預(yù)料。(2)處理其它更緊急的任務(wù)所用時(shí)間如處理DMA懇求等。3/8/202335計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)(3)從第一次關(guān)CPU中斷到第一次開(kāi)CPU中斷所經(jīng)驗(yàn)的時(shí)間 中斷系統(tǒng)的軟件與硬件功能安排，主要就是要考慮這一段內(nèi)要所的事情用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，還是用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)。(4)通過(guò)軟件找到中斷服務(wù)程序入口所用時(shí)間 主要是第1和第3兩部分。其中，第1部分是指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮的問(wèn)題，在中斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，主要考慮第3部分。3/8/202336計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)4.2.3中斷源的識(shí)別方法1.識(shí)別中斷源的查詢法全部中斷源共用一條中斷懇求線處理機(jī)響應(yīng)中斷后都進(jìn)入同一個(gè)程序入口用軟件找出申請(qǐng)中斷的中斷源主要優(yōu)點(diǎn)：敏捷性好。主要缺點(diǎn)：速度慢。3/8/202337計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)例如：打印機(jī)、鍵盤和顯示器三個(gè)中斷源找尋中斷入口的過(guò)程：INTR: SKIPDZ,PRN；假如打印機(jī)DONE＝0，跳過(guò)下一條指令JMPPRINT；轉(zhuǎn)入打印機(jī)的中斷服務(wù)程序入口PRINTSKIPDZ,KEY；測(cè)試鍵盤的DONE＝0？JMPKEYBORD；轉(zhuǎn)入鍵盤的中斷服務(wù)程序入口KEYBORDSKIPDN,MNT；測(cè)試顯示器的DONE＝1？JMPERROR；全部中斷源均沒(méi)有懇求中斷服務(wù)JMPMONITOR；轉(zhuǎn)顯示器的中斷服務(wù)程序入口MONITORPRINT:……；打印機(jī)中斷服務(wù)程序RNTI；返回到中斷點(diǎn)KEYBORD:……；鍵盤輸入的中斷服務(wù)程序RNTI；返回到中斷點(diǎn)MONITOR:……；顯示器輸出的中斷服務(wù)程序RNTI；返回到中斷點(diǎn)ERROR:……；出錯(cuò)處理程序RNTI；返回到中斷點(diǎn)3/8/202338計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)2.軟件排隊(duì)鏈法設(shè)置一個(gè)中斷懇求寄存器，每個(gè)中斷源在其中中占據(jù)一位，并且依據(jù)中斷的優(yōu)先級(jí)從高位到低的依次排列。全部中斷源運(yùn)用同一條公共的中斷懇求線，進(jìn)入公共中斷源服務(wù)程序入口，其過(guò)程與查詢法相同。在公共中斷服務(wù)程序入口，用一條特殊指令讀出中斷懇求寄存器中的內(nèi)容，并依據(jù)讀出的內(nèi)容干脆進(jìn)入中斷服務(wù)程序。節(jié)約了用軟件逐個(gè)找尋中斷源的時(shí)間。3/8/202339計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)一個(gè)簡(jiǎn)潔的程序例子：INTAR1;中斷懇求寄存器中的內(nèi)容讀入R1SBTR1，R2;找到發(fā)出懇求的最高級(jí)中斷源JMP@TAB(R2);轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序入口TAB:DEV1;最高級(jí)中斷服務(wù)程序入口地址DEV2;其次級(jí)中斷服務(wù)程序入口地址……DENn;最低級(jí)中斷服務(wù)程序入口地址3/8/202340計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)3.硬件排隊(duì)鏈法用硬件排隊(duì)器和編碼器，在全部懇求中斷服務(wù)的中斷源中，找出具有最高優(yōu)先級(jí)的中斷源。設(shè)置一個(gè)中斷懇求寄存器，每個(gè)中斷源在其中中占據(jù)一位。全部中斷源運(yùn)用同一條公共的中斷懇求線，進(jìn)入公共中斷源服務(wù)程序入口。轉(zhuǎn)入公共的中斷服務(wù)程序后，用一條特殊指令干脆讀到全部懇求中斷服務(wù)的中斷源中，具有最高優(yōu)先級(jí)的中斷源編號(hào)特點(diǎn)：識(shí)別中斷源的速度更快3/8/202341計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)一個(gè)簡(jiǎn)潔的程序例子：INTAR1;發(fā)出懇求的最高級(jí)中斷源送R1JMP@VTAB(R1);轉(zhuǎn)向中斷源的中斷服務(wù)程序入口TAB: DEV1;最高級(jí)中斷服務(wù)程序入口地址DEV2;其次級(jí)中斷服務(wù)程序入口地址……DENn;最低級(jí)中斷服務(wù)程序入口地址3/8/202342計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)硬件排隊(duì)器和編碼器3/8/202343計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)4.中斷向量法在主存儲(chǔ)器的固定區(qū)域中開(kāi)拓出一個(gè)專用的中斷向量區(qū)。用硬件排隊(duì)器和編碼器在全部懇求中斷服務(wù)的中斷源中，產(chǎn)生具有最高優(yōu)先級(jí)的中斷源編號(hào)。隱含執(zhí)行上面方法中的兩條識(shí)別中斷源的指令，干脆通過(guò)硬件轉(zhuǎn)向這個(gè)中斷源的中斷服務(wù)程序入口。3/8/202344計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)上面的2、3、4三種識(shí)別中斷源的方法都屬于串行排隊(duì)鏈法。串行排隊(duì)鏈法的優(yōu)點(diǎn)：識(shí)別中斷源的速度比較快，特殊是中斷向量法。實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)潔，中斷源與處理機(jī)的連線很少串行排隊(duì)鏈法的缺點(diǎn)：敏捷性比較差，中斷優(yōu)先級(jí)是由硬件固定。牢靠性比較差，由于排隊(duì)鏈串行分布在各個(gè)中斷源中。3/8/202345計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)5.獨(dú)立懇求法各個(gè)中斷源運(yùn)用自己獨(dú)立的中斷懇求線。假猶如時(shí)有多個(gè)中斷源懇求中斷服務(wù)，通過(guò)仲裁線路馬上選擇具有最高優(yōu)先級(jí)的中斷源，并向它發(fā)出中斷響應(yīng)信號(hào)INIT，處理機(jī)就可以馬上轉(zhuǎn)入這個(gè)中斷源的中斷服務(wù)程序。獨(dú)立懇求法事實(shí)上是把分布在各個(gè)中斷源內(nèi)的串行排隊(duì)器都集中到處理機(jī)中，從而克服了串行排隊(duì)鏈法牢靠性差的缺點(diǎn)，但敏捷性差的缺點(diǎn)仍舊存在。3/8/202346計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)識(shí)別中斷源的獨(dú)立懇求法3/8/202347計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)識(shí)別中斷源的分組獨(dú)立懇求法 把獨(dú)立懇求法與串行排隊(duì)鏈法結(jié)合起來(lái)。 中斷源分組：組內(nèi)接受串行排隊(duì)鏈法，組間接受獨(dú)立懇求法。3/8/202348計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)4.2.4中斷現(xiàn)場(chǎng)的保存和復(fù)原(1)程序計(jì)數(shù)器PC，必需由硬件來(lái)完成保存(2)處理機(jī)狀態(tài)字、堆棧指針、基址寄存器、中斷屏蔽碼等保存與復(fù)原方法有：主存固定區(qū)域，壓入系統(tǒng)堆棧、交換處理機(jī)狀態(tài)字。也可以接受軟件在中斷服務(wù)程序中保存和復(fù)原。(3)軟件現(xiàn)場(chǎng)：指在中斷服務(wù)程序中被破壞的通用寄存器。一般接受軟件來(lái)保存和復(fù)原現(xiàn)場(chǎng)，指令系統(tǒng)賜予適當(dāng)支持。也有些處理機(jī)接受硬件來(lái)保存軟件現(xiàn)場(chǎng)，如Sparc處理機(jī)。3/8/202349計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)4.2.5中斷屏蔽設(shè)置中斷屏蔽有三個(gè)用處：(1)在中斷優(yōu)先級(jí)由硬件確定了的狀況下，變更中斷源的中斷服務(wù)依次。(2)確定設(shè)備是否接受中斷方式工作。(3)在多處理機(jī)系統(tǒng)中，把外圍設(shè)備的服務(wù)工作安排到不同的處理機(jī)中。中斷屏蔽的實(shí)現(xiàn)方法主要有兩種：方法一：每級(jí)中斷源設(shè)置一個(gè)中斷屏蔽位。方法二：變更處理機(jī)優(yōu)先級(jí)3/8/202350計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)例4.3：有四個(gè)中斷源D1、D2、D3和D4，它們的中斷優(yōu)先級(jí)從高到低分別是1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)和4級(jí)。這些中斷源的正常中斷屏蔽碼和變更后的中斷屏蔽碼見(jiàn)下表。每個(gè)中斷源一位，共4位屏蔽碼。3/8/202351計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)解：假如4個(gè)中斷源都運(yùn)用正常的中斷屏蔽碼，處理機(jī)的中斷服務(wù)依次將嚴(yán)格依據(jù)中斷源的中斷優(yōu)先級(jí)進(jìn)行。假如變更中斷屏蔽碼，當(dāng)D1、D2、D3和D4這4個(gè)中斷源同時(shí)懇求中斷服務(wù)時(shí)，處理機(jī)實(shí)際為各個(gè)中斷源服務(wù)的先后次序就會(huì)變更。處理機(jī)響應(yīng)的依次是D1、D2、D3、D4實(shí)際服務(wù)的依次是D4、D3、D2、D13/8/202352計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)3/8/202353計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)方法二：變更處理機(jī)優(yōu)先級(jí)例4.4：某處理機(jī)共有4個(gè)中斷源D1、D2、D3和D4，它們的硬件中斷優(yōu)先級(jí)從低到高分別為1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)和4級(jí)。處理機(jī)本身的優(yōu)先級(jí)最低，為0級(jí)。在中斷源D1、D2、D3、D4的中斷向量中，程序員為它們?cè)O(shè)置的優(yōu)先級(jí)分別為4級(jí)、3級(jí)、2級(jí)、1級(jí)。解：在處理機(jī)狀態(tài)字中設(shè)置3個(gè)中斷屏蔽位。000為處理機(jī)本身的優(yōu)先級(jí)，001～100分別表示4個(gè)中斷源的中斷優(yōu)先級(jí)。當(dāng)4個(gè)中斷源同時(shí)懇求中斷服務(wù)時(shí)，3/8/202354計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)解：處理機(jī)實(shí)際完成中斷服務(wù)的過(guò)程

是D3、D2、D4、D1兩種方法的差別有：(1)兩者運(yùn)用的概念不同。前者運(yùn)用中斷屏蔽，后者運(yùn)用中斷優(yōu)先級(jí)。(2)須要屏蔽碼的位數(shù)不同。前者所須要的屏蔽位數(shù)比較多，n：log2n(3)可屏蔽的中斷源數(shù)量和種類不同。前者可以隨意屏蔽掉一個(gè)或幾個(gè)中斷源，后者只能屏蔽掉比某一個(gè)優(yōu)先級(jí)低的中斷源。3/8/202356計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)4.3通道處理機(jī)把外圍設(shè)備的管理工作從CPU中分別出來(lái)主要用于IBM公司研制的機(jī)器中4.3.1通道的作用和功能4.3.2通道的工作過(guò)程4.3.3通道的種類4.3.4通道中的數(shù)據(jù)傳送過(guò)程4.3.5通道流量分析3/8/202357計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)處理機(jī)與外部設(shè)備的連接方式 (1)干脆連接 (2)通道處理機(jī) (3)輸入輸出處理機(jī)3/8/202358計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)4.3.1通道的作用和功能1.三種基本輸入輸出方式存在的問(wèn)題：CPU的輸入輸出負(fù)擔(dān)很重，不能專心用于用戶程序的計(jì)算工作。低速外圍設(shè)備，每傳送每個(gè)字符都由CPU執(zhí)行一段程序來(lái)完成。高速外圍設(shè)備的初始化、前處理和后處理等工作須要CPU來(lái)完成。大型機(jī)中的外圍設(shè)備臺(tái)數(shù)很多，但一般并不同時(shí)工作。讓DMA限制器能被多臺(tái)設(shè)備共享，提高硬件的利用率。3/8/202359計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)2.通道的主要功能：接受CPU發(fā)來(lái)的指令，選擇一臺(tái)指定的外圍設(shè)備與通道相連接。執(zhí)行CPU為通道組織的通道程序。管理外圍設(shè)備的有關(guān)地址。管理主存緩沖區(qū)的地址。限制外圍設(shè)備與主存緩沖區(qū)之間數(shù)據(jù)交換的個(gè)數(shù)。指定傳送工作結(jié)束時(shí)要進(jìn)行的操作。檢查外圍設(shè)備的工作狀態(tài)，是正常或故障。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中完成必要的格式變換。3/8/202360計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)4.3.2通道的工作過(guò)程通道完成一次數(shù)據(jù)輸入輸出的過(guò)程分為三步：在用戶程序中運(yùn)用訪管指令進(jìn)入管理程序，由CPU通過(guò)管理程序組織一個(gè)通道程序，并啟動(dòng)通道。通道處理機(jī)執(zhí)行通道程序，完成指定的數(shù)據(jù)輸入輸出工作。通道程序結(jié)束后再次調(diào)用管理程序進(jìn)行處理。每完成一次輸入輸出工作，CPU只須要兩次調(diào)用管理程序。3/8/202361計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)通道的工作過(guò)程3/8/202362計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)4.3.3通道種類1.字節(jié)多路通道為多臺(tái)低中速的外圍設(shè)備服務(wù)有多個(gè)子通道，每個(gè)子通道連接一個(gè)限制器2.選擇通道為高速外圍設(shè)備服務(wù)只有一個(gè)以成組方式工作的子通道3.數(shù)組多路通道字節(jié)多路通道和選擇通道的結(jié)合。每次為一臺(tái)高速設(shè)備傳送一個(gè)數(shù)據(jù)塊，并輪番為多臺(tái)外圍設(shè)備服務(wù)。從磁盤存儲(chǔ)器讀出文件的的過(guò)程分為三步： 定位、找扇區(qū)、讀出數(shù)據(jù)數(shù)組多路通道的實(shí)際工作方式是： 在為一臺(tái)高速設(shè)備傳送數(shù)據(jù)的同時(shí)，有多臺(tái)高速設(shè)備可以在定位或者在找扇區(qū)。與選擇通道相比，數(shù)組多路通道的數(shù)據(jù)傳輸率和通道的硬件利用都很高，限制硬件的困難度也高。3/8/202369計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)4.3.4通道中的數(shù)據(jù)傳送過(guò)程字節(jié)多路通道的數(shù)據(jù)傳送過(guò)程3/8/202370計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)選擇通道的數(shù)據(jù)傳送過(guò)程3/8/202371計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)數(shù)組多路通道的數(shù)據(jù)傳送過(guò)程3/8/202372計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)4.3.5通道流量分析通道流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)能夠傳送的最大數(shù)據(jù)量。又稱通道吞吐率，通道數(shù)據(jù)傳輸率等。通道最大流量：通道在滿負(fù)荷工作狀態(tài)下的流量。通道流量與連接在通道上的設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸率的關(guān)系如下：3/8/202373計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)三種通道的最大流量計(jì)算公式：為保證通道不丟失數(shù)據(jù)，通道的實(shí)際流量應(yīng)不大于通道最大流量：fBYTE

≤fMAX·BYTE

fSELETE≤fMAX·SELETE

fBLOCK≤fMAX·BLOCK3/8/202374計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)例4.5：一個(gè)字節(jié)多路通道連接D1、D2、D3、D4、D5共5臺(tái)設(shè)備，這些設(shè)備分別每10us、30us、30us、50us和75us發(fā)出一次數(shù)據(jù)傳送懇求。 (1)計(jì)算這個(gè)通道的實(shí)際流量和工作周期。 (2)假如這個(gè)字節(jié)多路通道的最大流量正好等于通道實(shí)際流量，并假設(shè)數(shù)據(jù)傳輸率高的設(shè)備，其優(yōu)先級(jí)也高。5臺(tái)設(shè)備在0時(shí)刻同時(shí)向通道發(fā)出第一次傳送數(shù)據(jù)的懇求，并在以后的時(shí)間里依據(jù)各自的數(shù)據(jù)傳輸率連續(xù)工作。畫出通道分時(shí)為各臺(tái)設(shè)備服務(wù)的時(shí)間圖，并計(jì)算處理完各設(shè)備的第一次懇求的時(shí)刻。3/8/202375計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng) (3)從時(shí)間圖中發(fā)覺(jué)什么問(wèn)題？如何解決？解：(1)通道的實(shí)際流量為：fBYTE＝(1/10+1/30+1/30+1/50+1/75)MB/S＝0.2MB/S 通道的工作周期為：t＝1/fBYTE＝5us3/8/202376計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)通道處理完各設(shè)備這個(gè)第一次懇求的時(shí)間：3/8/202377計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)(2)處理完各設(shè)備這個(gè)第一次懇求的時(shí)間： D1：5us；D2：10us；D3：20us；D4：30us。 D5的第一次懇求沒(méi)有響應(yīng)，數(shù)據(jù)丟失。(3)D5的第一次懇求沒(méi)有得到響應(yīng)的緣由分析對(duì)全部設(shè)備的懇求時(shí)間間隔取最小公倍數(shù)，在這一段時(shí)間內(nèi)通道的流量是平衡的。3/8/202378計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)可以實(shí)行下列方法：方法一：增加通道的最大工作流量。例如，把通道的工作流量增加到0.25MB/S（工作周期為4us）。方法二：動(dòng)態(tài)變更設(shè)備的優(yōu)先級(jí)。例如，在30us至70us之間臨時(shí)提高設(shè)備D5的優(yōu)先級(jí)。方法三：增加緩沖存儲(chǔ)器。例如，只要為設(shè)備D5增加一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖寄存器，它的第一次懇求可以在第85us處得到響應(yīng)，其次次懇求可以在第145us處得到響應(yīng)。3/8/202379計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)4.4輸入輸出處理機(jī)能夠獨(dú)立擔(dān)當(dāng)輸入輸出工作的專用處理機(jī) 4.4.1輸入輸出處理機(jī)的作用 4.4.2輸入輸出處理機(jī)的種類 4.4.3輸入輸出處理機(jī)實(shí)例3/8/202380計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章輸入輸出系統(tǒng)4.4.1輸入輸出處理機(jī)的作用通道處理機(jī)存在的問(wèn)題：(1)每完成一次輸入輸出操作要兩次中斷CPU的現(xiàn)行程序。(2)通道處理機(jī)不能處理自身及輸入輸出設(shè)備的故障。(3)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、碼制轉(zhuǎn)換、數(shù)