總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)1.2012.5總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)1.2012.5第3章總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)3.1輸入輸出系統(tǒng)概述3.2總線設(shè)計3.3中斷系統(tǒng)3.4通道處理機(jī)2.2012.5第3章總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)3.1輸入輸出系

輸入輸出系統(tǒng)包括輸入輸出設(shè)備、設(shè)備控制器及與輸入輸出操作有關(guān)的軟硬件。輸入輸出系統(tǒng)的主要功能是對指定的外設(shè)進(jìn)行輸入、輸出操作，同時也完成許多其他的管理和控制。有的輸入輸出系統(tǒng)還能對要傳送的信息進(jìn)行格式變換，形成和產(chǎn)生有關(guān)輸入輸出操作是否完成或在執(zhí)行過程中是否有錯的狀態(tài)控制信息，經(jīng)中斷系統(tǒng)傳送給操作系統(tǒng)去分析和處理。3.1輸入輸出系統(tǒng)概述3.2012.5輸入輸出系統(tǒng)包括輸入輸出設(shè)備、設(shè)備控制器及與

輸入輸出系統(tǒng)的特點(diǎn)輸入輸出系統(tǒng)涉及到機(jī)、光、電、磁、聲、自動控制等多種學(xué)科。用戶無需了解輸入輸出系統(tǒng)和輸入輸出設(shè)備的具體細(xì)節(jié)就能使用輸入輸出設(shè)備。處理機(jī)的外部世界包括：本地和遠(yuǎn)程用戶、系統(tǒng)操作員、操作控制臺、輸入輸出設(shè)備、輔助存儲器、其它處理機(jī)、各種通信設(shè)備和虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)等。3.1輸入輸出系統(tǒng)概述4.2012.5輸入輸出系統(tǒng)的特點(diǎn)3.1輸入輸出系統(tǒng)概述4.2012.5系統(tǒng)操作員處理機(jī)本地或遠(yuǎn)程用戶實時輸入輸出輸入輸出設(shè)備虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)其它處理機(jī)本身出錯處理程序請求3.1輸入輸出系統(tǒng)概述5.2012.5系統(tǒng)操作員處理機(jī)本地或遠(yuǎn)程用戶實時輸入輸出輸入輸出設(shè)備虛擬現(xiàn)1、異步性輸入輸出設(shè)備通常不使用統(tǒng)一的中央時鐘，各個設(shè)備按照自己的時鐘工作，但又要在某些時刻接受處理機(jī)的控制。處理機(jī)與外圍設(shè)備之間，外圍設(shè)備與外圍設(shè)備之間能夠并行工作。2、實時性對于一般外部設(shè)備：可能丟失數(shù)據(jù)，或造成外圍設(shè)備工作的錯誤。對于實時控制計算機(jī)系統(tǒng)，如果處理機(jī)提供的服務(wù)不及時，可能造成巨大的損失，甚至造成人身傷害。3.1輸入輸出系統(tǒng)概述6.2012.51、異步性3.1輸入輸出系統(tǒng)概述6.2012.5

對于處理機(jī)本身的硬件或軟件錯誤：如電源故障、數(shù)據(jù)校驗錯、頁面失效、非法指令、地址越界等，處理機(jī)須及時處理。對不同類型的設(shè)備，必須具有與設(shè)備相配合的多種工作方式。3、與設(shè)備無關(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。3.1輸入輸出系統(tǒng)概述7.2012.5對于處理機(jī)本身的硬件或軟件錯誤：如電

計算機(jī)系統(tǒng)的使用者，在需要更換外圍設(shè)備時，各種不同型號，不同生產(chǎn)廠家的設(shè)備都可以直接通過標(biāo)準(zhǔn)接口與計算機(jī)系統(tǒng)連接。處理機(jī)采用統(tǒng)一的硬件和軟件對品種繁多的設(shè)備進(jìn)行管理。某些計算機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了即插即用技術(shù)。3.1輸入輸出系統(tǒng)概述8.2012.5計算機(jī)系統(tǒng)的使用者，在需要更換外圍設(shè)輸入輸出系統(tǒng)的組織方式

針對異步性，采用自治控制的方法。針對實時性，采用層次結(jié)構(gòu)的方法。針對與設(shè)備無關(guān)性，采用分類處理方法。1、自治控制輸入輸出系統(tǒng)是一個獨(dú)立于處理機(jī)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)姆止ぁ?.1輸入輸出系統(tǒng)概述9.2012.5輸入輸出系統(tǒng)的組織方式3.1輸入輸出系統(tǒng)概述9.2012.2、層次結(jié)構(gòu)最靠近處理機(jī)的是輸入輸出處理機(jī)、輸入輸出通道等。中間層是標(biāo)準(zhǔn)接口。標(biāo)準(zhǔn)接口通過設(shè)備控制器與輸入輸出設(shè)備相連接。設(shè)備控制器控制外圍設(shè)備工作。3.1輸入輸出系統(tǒng)概述10.2012.52、層次結(jié)構(gòu)3.1輸入輸出系統(tǒng)概述10.2012.53、分類處理為面向字符的設(shè)備（character-orienteddevice）；指工作速度比較低的機(jī)電類設(shè)備。例如，字符終端、打字機(jī)等。面向數(shù)據(jù)塊的設(shè)備主要指工作速度比較 高的外圍設(shè)備；例如，磁盤、磁帶、光盤的輔助存儲器，行式打印機(jī)等。3.1輸入輸出系統(tǒng)概述11.2012.53、分類處理3.1輸入輸出系統(tǒng)概述11.2012.5

輸入輸出系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了3個階段，對應(yīng)于3種方式，即程序控制輸入輸出(包括全軟的、程序查詢狀態(tài)驅(qū)動的、中斷驅(qū)動的幾種)、直接存儲器訪問(DMA)和I/O處理機(jī)方式。這3種方式可以分別用在不同的計算機(jī)系統(tǒng)上，也可以用在同一個計算機(jī)系統(tǒng)上作為相互補(bǔ)充。3.1輸入輸出系統(tǒng)概述12.2012.5輸入輸出系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了3個階段，對應(yīng)于

就允許信息傳送的方向來說，總線可以有單向傳輸和雙向傳輸兩種。雙向傳輸又有半雙向和全雙向的不同。前者雖可以沿相反的方向傳送，但同一時刻只能向其中的一個方向傳送。后者允許同時在兩個方向傳送。全雙向的速度快，但造價高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜?？偩€按其用法可以分成專用的和非專用的。3.2.1總線的類型3.2總線設(shè)計13.2012.5就允許信息傳送的方向來說，總線可以有單向傳圖3.1所有部件之間用專用總線互連

3.2總線設(shè)計14.2012.5圖3.1所有部件之間用專用總線互連3.2總線設(shè)計13.2.2總線的控制方式

當(dāng)采用非專用總線時，由于可能發(fā)生多個設(shè)備或部件同時申請使用總線，就得有總線控制機(jī)構(gòu)來按照某種優(yōu)先次序裁決，保證在同一時間內(nèi)只能有一個高優(yōu)先級的申請者取得對總線的使用權(quán)。如果總線控制邏輯基本上集中放在一起，不論是放在連接到總線的一個部件中，還是放在單獨(dú)的硬件中，都稱為集中式控制。而當(dāng)總線控制邏輯分散于連到總線的各個部件中時，就稱為分布式總線控制。這里只講集中式總線控制。3.2總線設(shè)計15.2012.53.2.2總線的控制方式當(dāng)采用非專用總(1)鏈?zhǔn)讲樵兎绞芥準(zhǔn)讲樵兎绞降目偩€控制器使用三根控制線與所有部件和設(shè)備相連：總線請求（BR）：該線有效，表示至少有一個部件或設(shè)備要求使用總線?？偩€忙（BS）：該線有效，表示總線正在被某部件或設(shè)備使用?？偩€批準(zhǔn)（BG）：該線有效，表示總線控制器響應(yīng)總線請求。3.2總線設(shè)計16.2012.5(1)鏈?zhǔn)讲樵兎绞?.2總線設(shè)計16.2012.5圖3.2集中式串行鏈接

3.2總線設(shè)計17.2012.5圖3.2集中式串行鏈接3.2總線設(shè)計17.2012

鏈?zhǔn)讲樵兊膬?yōu)點(diǎn)是只用3根線就能按一定的優(yōu)先次序來實現(xiàn)總線控制，并很容易擴(kuò)充。缺點(diǎn)是對查詢鏈的故障很敏感，如果第i個部件中的查詢鏈電路有故障，那么第i個以后的部件都不能工作。另外，因為查詢的優(yōu)先級是固定的，所以當(dāng)優(yōu)先級較高的部件出現(xiàn)頻繁的總線請求時，優(yōu)先級較低的部件就可能會難以得到響應(yīng)。

3.2總線設(shè)計18.2012.5 鏈?zhǔn)讲樵兊膬?yōu)點(diǎn)是只用3根線就能按一定的優(yōu)先次序來實現(xiàn)總線(2)計數(shù)器定時查詢方式計數(shù)定時查詢方式的總線上的每個部件可以通過公共的BR線發(fā)出請求，總線控制器收到請求之后，在BS為“0”的情況下，讓計數(shù)器開始計數(shù)，定時地查詢各個部件以確定是誰發(fā)出的請求。當(dāng)查詢線上的計數(shù)值與發(fā)出請求的部件號一致時，該部件就使BS線置“1”，獲得了總線使用權(quán)，并中止計數(shù)查詢，直至該部件完成數(shù)據(jù)傳送之后，撤消BS信號。3.2總線設(shè)計19.2012.5(2)計數(shù)器定時查詢方式3.2總線設(shè)計1圖3.3集中式定時查詢

3.2總線設(shè)計20.2012.5圖3.3集中式定時查詢3.2總線設(shè)計20.2012

這種計數(shù)可以從“0”開始，也可以從中止點(diǎn)開始。如果從“0”開始，各部件的優(yōu)先次序和鏈?zhǔn)讲樵兎绞较嗤?，?yōu)先級的次序是固定的。如果從中止點(diǎn)開始，即為循環(huán)優(yōu)先級，各個部件使用總線的級別將相等。計數(shù)器的初始值還可以由程序來設(shè)置，這就可以方便地改變優(yōu)先次序，增加系統(tǒng)的靈活性。定時查詢方式的控制線數(shù)較多，對于n個部件，共需2＋根線。

3.2總線設(shè)計21.2012.5 這種計數(shù)可以從“0”開始，也可以從中止點(diǎn)開始。如果從“0(3)獨(dú)立請求方式在獨(dú)立請求方式中，每一個共享總線的部件均有一對控制線：總線請求BRi和總線批準(zhǔn)BGi。當(dāng)某個部件請求使用總線時，便發(fā)出BRi，總線控制器中有一排隊電路，根據(jù)一定的優(yōu)先次序決定首先響應(yīng)哪個部件的請求BRi，然后給該部件送回批準(zhǔn)信號BGi。獨(dú)立請求方式的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)時間快，然而這是以增加控制線數(shù)和硬件電路為代價的。對于n個部件，控制線的數(shù)目將達(dá)2n＋1根。此方式對優(yōu)先次序的控制也是相當(dāng)靈活的，它可以預(yù)先固定，也可以通過程序來改變優(yōu)先次序。3.2總線設(shè)計22.2012.5(3)獨(dú)立請求方式3.2總線設(shè)計22.2012.5圖3.4集中式獨(dú)立請求

3.2總線設(shè)計23.2012.5圖3.4集中式獨(dú)立請求3.2總線設(shè)計23.2012

分布仲裁方式不需要中央仲裁器，即總線控制邏輯分散在連接于總線上的各個部件或設(shè)備中。連接到總線上的主方可以啟動一個總線周期，而從方只能響應(yīng)主方的請求。每次總線操作，只能有一個主方占用總線控制權(quán)，但同一時間里可以有一個或多個從方。對多個主設(shè)備提出的占用總線請求，一般采用優(yōu)先級或公平策略進(jìn)行仲裁。3.2總線設(shè)計24.2012.5 分布仲裁方式不需要中央仲裁器，即總線控制邏輯分散在連接于3.2.3總線的通信技術(shù)1.同步通信同步通信時，兩個部件之間的信息傳送是通過定寬、定距的系統(tǒng)時標(biāo)進(jìn)行同步的。這種方式的信息傳送速率高，受總線的長度影響小，但會因時鐘在總線上的時滯而造成同步誤差，且時鐘線上的干擾信號易引起誤同步。3.2總線設(shè)計25.2012.53.2.3總線的通信技術(shù)1.同步通信3

為了提高可靠性，要求目的部件對數(shù)據(jù)是否已被接收以及是否正確均能給以回答。如果同步時間片的寬度寬到能為每個字的傳送作出回答，則它必須按接到總線上的最低速的部件來考慮，這就會使同步通信的數(shù)據(jù)傳送速率低于后面講的異步通信。一種解決辦法是在正常時，目的部件不作回答，源部件也不等待回答信號，但如果發(fā)生錯誤，則目的部件將在同步時間片過去之后，發(fā)回源部件一個出錯信號，這樣，就不會降低正常時總線的傳送速率。但是這種辦法中，源部件必須設(shè)置較大容量的緩沖器來保留已傳送，但未經(jīng)證實和回答過的所有數(shù)據(jù)，以備重發(fā)之用。3.2總線設(shè)計26.2012.5為了提高可靠性，要求目的部件對數(shù)據(jù)是否已被接2.異步通信由于I/O總線一般是為具有不同速度的許多I/O設(shè)備所共享，因此宜于采用異步通信。異步通信又可分為單向控制和雙向(請求/回答)控制兩種。單向控制指的是通信過程只由目的或源部件中的一個控制。而雙向控制是由源和目的雙方共同控制。單向控制又有源控制和目的控制兩種。3.2總線設(shè)計27.2012.52.異步通信3.2總線設(shè)計27.20圖3.5異步單向控制通信

3.2總線設(shè)計28.2012.5圖3.5異步單向控制通信3.2總線設(shè)計28.201圖3.6源控式異步雙向控制通信

3.2總線設(shè)計29.2012.5圖3.6源控式異步雙向控制通信3.2總線設(shè)計29.3.2.4數(shù)據(jù)寬度與總線線數(shù)1.數(shù)據(jù)寬度我們這里所講的“數(shù)據(jù)寬度”指的是I/O設(shè)備取得I/O總線使用權(quán)后所傳送數(shù)據(jù)的總量。傳送完后就釋放總線，重新開始分配總線。所以，它不同于前面講過的數(shù)據(jù)通路寬度。數(shù)據(jù)通路寬度指的是數(shù)據(jù)傳送的物理寬度，即一個時鐘周期所傳送的信息量，它直接取決于數(shù)據(jù)總線的線數(shù)。二次分配總線之間所傳送的數(shù)據(jù)寬度可能要經(jīng)許多個時鐘周期的分次傳送來完成。采用何種數(shù)據(jù)寬度與總線上各設(shè)備的工作特點(diǎn)、所采用的總線控制方式和通信技術(shù)有關(guān)。數(shù)據(jù)寬度的種類有單字(或單字節(jié))、定長塊、可變長塊、單字加定長塊和單字加可變長塊等。3.2總線設(shè)計30.2012.53.2.4數(shù)據(jù)寬度與總線線數(shù)1.數(shù)據(jù)寬度2.總線的線數(shù)總線需要有發(fā)送電路、接收電路、傳輸導(dǎo)線或電纜、轉(zhuǎn)接插頭和電源等，這部分比起邏輯線路的成本高得多，而且轉(zhuǎn)接器往往占系統(tǒng)物理空間的相當(dāng)部分，是降低系統(tǒng)可靠性的主要部分?？偩€的線數(shù)越多，成本越高、干擾越大、可靠性越低、占用的空間也越大，當(dāng)然傳送速度和流量也越高。此外，總線的長度越長，成本越高，干擾越大，波形畸變越嚴(yán)重，可靠性越低。為此，越是長的總線，其線數(shù)就應(yīng)盡可能減少。數(shù)據(jù)總線的寬度有一位、一個字節(jié)或一個全字等等。3.2總線設(shè)計31.2012.52.總線的線數(shù)3.2總線設(shè)計31.20

在滿足性能要求以及所用通信類型和速率適配的情況下，應(yīng)盡量減少總線的線數(shù)。通過采用線的組合、并/串—串/并轉(zhuǎn)換和編碼可以減少總線的線數(shù)，但這通常會降低總線的流量。3.2總線設(shè)計32.2012.5在滿足性能要求以及所用通信類型和速率適配的情（1）總線寬度 總線寬度指的是總線的線數(shù)，它決定了總線所占的物理空間和成本。對總線寬度最直接的影響是地址線和數(shù)據(jù)線的數(shù)量。主存空間和I/O空間的擴(kuò)充使地址線數(shù)量的增加，并行傳輸要求有足夠的數(shù)據(jù)線。如64位數(shù)據(jù)線和64位地址線在高檔微機(jī)中已較為普遍，在大型高性能計算機(jī)中數(shù)據(jù)線和地址線更多。 例1：使用ISA總線（20位地址線）允許尋址的主存空間有多大？使用PCI總線（32位地址線）允許尋址的主存空間又有多大？ 解：ISA總線的主存空間=220個主存單元=1M個主存單元

PCI總線的主存空間=232個主存單元=4G個主存單元3.2.5總線的性能指標(biāo)3.2總線設(shè)計33.2012.5（1）總線寬度3.2.5總線的性能指標(biāo)3.2總線設(shè)計3（2）總線帶寬 總線帶寬定義為總線的最大數(shù)據(jù)傳輸速率，即每秒傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)。在同步通信中，總線的帶寬與總線時鐘密不可分，總線時鐘頻率的高低決定了總線帶寬的大小。 總線帶寬=總線寬度×總線頻率 總線的實際帶寬還會受到總線長度（總線延遲）、總線負(fù)載、總線收發(fā)器性能等多方面因素的影響。 例2：PCI總線的時鐘頻率為33MHz/66MHz，當(dāng)該總線進(jìn)行32/64位數(shù)據(jù)傳送時，總線帶寬各是多少？解：假設(shè)一個總線時鐘周期T完成一個數(shù)據(jù)的傳送，時鐘頻率為f，數(shù)據(jù)位為n，總線帶寬用Dr表示，則Dr==。 假設(shè)f=33MHz=33×106/s，n=32位，根據(jù)定義可得Dr=4×33×106/s=132MB/s3.2總線設(shè)計34.2012.5（2）總線帶寬3.2總線設(shè)計34.2012.5

例3：假設(shè)某系統(tǒng)總線在一個總線周期中并行傳輸4字節(jié)信息，一個總線周期占用2個時鐘周期，總線時鐘頻率為10MHz，求總線帶寬。 解：因為一個總線周期占用2個時鐘周期，完成一個32位數(shù)據(jù)的傳送?？偩€時鐘頻率f=10MHz，時鐘周期T=1/f=0.1μs，總線周期=2T=0.2μs。一個總線周期中并行傳輸4字節(jié)信息，則總線帶寬是4÷0.2=20MB/s。

3.2總線設(shè)計35.2012.5 例3：假設(shè)某系統(tǒng)總線在一個總線周期中并行傳輸4字節(jié)信息，一（3）總線負(fù)載 總線負(fù)載是指連接在總線上的最大設(shè)備數(shù)量。大多數(shù)總線的負(fù)載能力是有限的。（4）總線復(fù)用 總線分時復(fù)用是指在不同時段利用總線上同一個信號線傳送不同信號，例如地址總線和數(shù)據(jù)總線共用一組信號線。采用這種方式的目的是減少總線數(shù)量，提高總線的利用率。（5）總線猝發(fā)傳輸 猝發(fā)式數(shù)據(jù)傳輸是一種總線傳輸方式，即在一個總線周期中可以傳輸存儲地址連續(xù)的多個數(shù)據(jù)。3.2總線設(shè)計36.2012.5（3）總線負(fù)載3.2總線設(shè)計36.2012.53.3.1中斷的分類和分級引起中斷的各種事件稱為中斷源。中斷源向中斷系統(tǒng)發(fā)出請求中斷的申請，稱為中斷請求。同時可能有多個中斷請求，這時中斷系統(tǒng)需要按事先確定的中斷響應(yīng)優(yōu)先次序?qū)?yōu)先級高的中斷請求予以響應(yīng)。所謂中斷響應(yīng)就是允許其中斷CPU現(xiàn)行程序的運(yùn)行，轉(zhuǎn)去對該請求進(jìn)行預(yù)處理，包括保存好斷點(diǎn)現(xiàn)場，調(diào)出有關(guān)處理該中斷的中斷處理程序，準(zhǔn)備運(yùn)行。這部分工作在大多數(shù)機(jī)器上都是采用交換新舊程序狀態(tài)字PSW的辦法實現(xiàn)的。當(dāng)然為了某種需要，中斷系統(tǒng)也可以對中斷請求進(jìn)行屏蔽，使之暫時得不到響應(yīng)。3.3中斷系統(tǒng)37.2012.53.3.1中斷的分類和分級3.3中斷系統(tǒng)37.201

為處理一個中斷請求，必須調(diào)出相應(yīng)的中斷處理程序。如果中斷源比較少時，通過中斷系統(tǒng)硬件就可以比較方便地對每個中斷源直接形成相應(yīng)的中斷處理程序入口，進(jìn)入相應(yīng)的中斷處理程序。但對中、大型多用途機(jī)器，中斷源一般可多達(dá)數(shù)十至數(shù)百個。如果為每個中斷源單獨(dú)形成入口，不僅硬件難以實現(xiàn)，代價也很大，就是在中斷處理上也沒有這種必要。因為不少中斷源的性質(zhì)比較接近，可以將它們分別歸成幾類，對每一類給定一個中斷處理程序入口，再由軟件轉(zhuǎn)入對相應(yīng)的中斷源進(jìn)行處理，這樣可以大大簡化中斷處理程序入口形成硬件。3.3中斷系統(tǒng)38.2012.5為處理一個中斷請求，必須調(diào)出相應(yīng)的中斷處理程3.3.2中斷系統(tǒng)的軟硬件功能分配

中斷系統(tǒng)的功能包括中斷請求的保存和清除、優(yōu)先級的確定、中斷斷點(diǎn)及現(xiàn)場的保存、對中斷請求的分析和處理以及中斷返回等，這些全是由中斷響應(yīng)硬件和中斷處理程序共同完成的。因此，中斷系統(tǒng)的軟、硬件功能分配實質(zhì)上就是中斷處理程序軟件和中斷響應(yīng)硬件的功能分配。3.3中斷系統(tǒng)39.2012.53.3.2中斷系統(tǒng)的軟硬件功能分配中斷系

中斷現(xiàn)場包括軟件狀態(tài)(如作業(yè)名稱和級別，上、下界值，各種軟件狀態(tài)和標(biāo)志等)和硬件狀態(tài)(如現(xiàn)行指令地址，條件碼等狀態(tài)信息，各種控制寄存器及通用寄存器內(nèi)容)。通常采取把分散于CPU各部分的硬件狀態(tài)集合成程序狀態(tài)字，然后由中斷響應(yīng)硬件通過將程序狀態(tài)字(處理器狀態(tài)字、換道區(qū))存到主存指定單元或區(qū)域的方式來完成保存。接著，再把新的程序或進(jìn)程的程序狀態(tài)字(處理器狀態(tài)字、換道區(qū))從主存另一指定單元或區(qū)域把內(nèi)容傳送到有關(guān)寄存器和計數(shù)器中，建立起運(yùn)行新的程序或進(jìn)程的環(huán)境。硬件狀態(tài)是全經(jīng)中斷響應(yīng)硬件保存，還是部分經(jīng)它，部分經(jīng)中斷處理程序保存，要視具體機(jī)器的規(guī)模和使用場合而作不同的選擇。3.3中斷系統(tǒng)40.2012.5中斷現(xiàn)場包括軟件狀態(tài)(如作業(yè)名稱和級別，上、3.4.1工作原理

把對外圍設(shè)備的管理工作從CPU分離出來。從IBM360系列機(jī)開始，普遍采用通道處理機(jī)技術(shù)。3.4通道處理機(jī)41.2012.53.4.1工作原理把對外圍設(shè)備的管理工作從處理機(jī)與外部設(shè)備的連接方式

(1)直接連接

(2)通道處理機(jī)

(3)輸入輸出處理機(jī)3.4通道處理機(jī)42.2012.5處理機(jī)與外部設(shè)備的連接方式3.4通道處理機(jī)42.20123.4通道處理機(jī)43.2012.53.4通道處理機(jī)43.2012.5通道的作用和功能1、三種基本輸入輸出方式存在的問題：（1）CPU的輸入輸出負(fù)擔(dān)很重，不能專心于用戶程序的計算工作。

低速外部設(shè)備，每傳送每個字符都由CPU執(zhí)行一段程序來完成。

高速外圍設(shè)備的初始化、前處理和后處理等工作需要CPU來完成。（2）大型機(jī)中的外圍設(shè)備臺數(shù)很多，但一般并不同時工作。讓DMA控制器能被多臺設(shè)備共享，提高硬件的利用率。3.4通道處理機(jī)44.2012.5通道的作用和功能3.4通道處理機(jī)44.2012.52、通道的主要功能：接受CPU發(fā)來的指令，選擇一臺指定的外圍設(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?？刂仆鈬O(shè)備與主存緩沖區(qū)間數(shù)據(jù)交換的個數(shù)。指定傳送工作結(jié)束時要進(jìn)行的操作。檢查外圍設(shè)備的工作狀態(tài)，是正?；蚬收稀Ｔ跀?shù)據(jù)傳輸過程中完成必要的格式的變換。3.4通道處理機(jī)45.2012.52、通道的主要功能：3.4通道處理機(jī)45.2012.5圖3.10通道處理機(jī)輸入輸出的主要過程3.4通道處理機(jī)46.2012.5圖3.10通道處理機(jī)輸入輸出的主要過程3.4通道處理通道完成一次數(shù)據(jù)輸入輸出的過程需三步：

(1)在用戶程序中使用訪管指令進(jìn)入管理程序，由CPU通過管理程序組織一個通道程序，并啟動通道。

(2)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。

(3)通道程序結(jié)束后第二次調(diào)用管理程序?qū)斎胼敵稣埱筮M(jìn)行處理。

每完成一次輸入輸出工作，CPU只需要兩次調(diào)用管理程序，大大減少了對用戶程序的打擾。3.4通道處理機(jī)47.2012.5通道完成一次數(shù)據(jù)輸入輸出的過程需三步：

(1)在用戶程序中圖3.11通道處理機(jī)輸入輸出主要過程的時間關(guān)系示意圖3.4通道處理機(jī)48.2012.5圖3.11通道處理機(jī)輸入輸出主要過程的時間關(guān)系示意圖3訪管入口OC設(shè)備號OC交換長度OC主存起址通道程序置通道地址字啟動I/O通道程序斷開通道指令入

口返回I/O中

斷響應(yīng)I/O中

斷返回I/O中斷請求3.4通道處理機(jī)49.2012.5訪管入口OC設(shè)備號OC交換長度OC主存起址通道程序置通道地址圖3.12“啟動I/O”指令流程(注：這里的結(jié)束，表示釋放通道)3.4通道處理機(jī)50.2012.5圖3.12“啟動I/O”指令流程(注：這里的結(jié)束，表

通道分為三種類型：字節(jié)多路通道、選擇通道和數(shù)組多路通道。(1)字節(jié)多路通道字節(jié)多路通道是一種簡單的共享通道，用于連接與管理多臺低速設(shè)備，以字節(jié)交叉方式傳送信息。字節(jié)多路通道包含有多個子通道，每個子通道連接一個設(shè)備控制器。3.4通道處理機(jī)51.2012.5通道分為三種類型：字節(jié)多路通道、選擇通

通道不間斷地、輪流地啟動每個設(shè)備控制器，當(dāng)通道為一個設(shè)備傳送完一個字節(jié)后，就轉(zhuǎn)去為另一個設(shè)備服務(wù)。當(dāng)通道為某一設(shè)備的傳送時，其它設(shè)備可以并行地工作，準(zhǔn)備需要傳送的數(shù)據(jù)字節(jié)或處理收到的數(shù)據(jù)字節(jié)，以準(zhǔn)備接收新的數(shù)據(jù)字節(jié)。這種輪流服務(wù)是建立在主機(jī)的速度比外設(shè)的速度高得多的基礎(chǔ)之上，它可以提高系統(tǒng)的工作效率。…A1A1A2A2B2B2B1B1C1C1C2C2通道………A1A1A2A2B1B1B2B2C1C2C1C23.4通道處理機(jī)52.2012.5通道不間斷地、輪流地啟動每個設(shè)備控制字節(jié)緩沖狀態(tài)/控制固定地址子通道1子通道2子通道3數(shù)據(jù)緩沖通道控制字節(jié)多路通道至主存儲器字節(jié)多路通道的結(jié)構(gòu)3.4通道處理機(jī)53.2012.5字節(jié)緩沖狀態(tài)/控制固定地址子通道1子通道2子通道3數(shù)據(jù)緩沖通(2)選擇通道選擇通道又稱高速通道，在物理上它也可以連接多個設(shè)備，但這些設(shè)備不能同時工作，在一段時間內(nèi)通道只能選擇一臺設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，此時該設(shè)備能獨(dú)占整個通道。因此，選擇通道一次只能執(zhí)行一個通道程序，只有當(dāng)它與主存交換完信息后，才能再選擇另一臺外部設(shè)備并執(zhí)行該設(shè)備的通道程序，為其服務(wù)。A1A1A2A2B2B2B1B1C1C1C2C2通道…………………A1A2B1B2C1C2A1A2B1B2C1C23.4通道處理機(jī)54.2012.5(2)選擇通道A1A1A2A2B2B2B1B1C1C1C2C

每個選擇通道只有一個以成組方式工作的子通道，逐個為多臺高速外圍設(shè)備服務(wù)。3.4通道處理機(jī)55.2012.5每個選擇通道只有一個以成組方式工作的子通道控制部分狀態(tài)/控制主存地址至主存儲器選擇通道的結(jié)構(gòu)字節(jié)計數(shù)設(shè)備地址數(shù)據(jù)緩沖數(shù)據(jù)格

式變換字字節(jié)至設(shè)備控制器3.4通道處理機(jī)56.2012.5通道控制部分狀態(tài)/控制主存地址至主存儲器選擇通道的結(jié)構(gòu)字節(jié)計(3)數(shù)組多路通道數(shù)組多路通道是把字節(jié)多路通道和選擇通道的特點(diǎn)結(jié)合起來的一種通道結(jié)構(gòu)。它的基本思想是：當(dāng)某設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時，通道只為該設(shè)備服務(wù)；當(dāng)設(shè)備在執(zhí)行輔助操作（如磁頭移動等）時，通道暫時斷開與這個設(shè)備的連接，掛起該設(shè)備的通道程序，去為其他設(shè)備服務(wù)。數(shù)組多路通道有多個子通道，既可以執(zhí)行多路通道程序，像字節(jié)多路通道那樣，所有子通道分時共享總通道；又可以用選擇通道那樣的方式成組傳送數(shù)據(jù)。既具有多路并行操作的能力；又具有很高的數(shù)據(jù)傳送速率，使通道的效率充分得到發(fā)揮。3.4通道處理機(jī)57.2012.5(3)數(shù)組多路通道3.4通道處理機(jī)57.2012.5

從磁盤存儲器讀出一個文件的的過程分為三步：定位、找扇區(qū)、讀出數(shù)據(jù)，前兩步為輔助操作。數(shù)組多路通道的實際工作方式是：在為一臺高速設(shè)備傳送數(shù)據(jù)的同時，有多臺高速設(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，控制硬件的復(fù)雜度也高。3.4通道處理機(jī)58.2012.5 從磁盤存儲器讀出一個文件的的過程分為三步：定圖3.13IBM370的I/O結(jié)構(gòu)3.4通道處理機(jī)59.2012.5圖3.13IBM370的I/O結(jié)構(gòu)3.4通3.4.2通道流量的分析

通道流量：單位時間內(nèi)能夠傳送的最大數(shù)據(jù)量。又稱為通道吞吐率，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。3.4通道處理機(jī)60.2012.53.4.2通道流量的分析3.4通道處理機(jī)60.201

一個通道能達(dá)到的極限流量與其工作方式、數(shù)據(jù)傳送期內(nèi)選擇一次設(shè)備的時間TS和傳送一個字節(jié)的時間TD的長短有關(guān)。由于字節(jié)多路通道每選擇一臺設(shè)備只傳送一個字節(jié)，故其通道極限流量

fmax·byte=1/(TS+TD)。3.4通道處理機(jī)61.2012.5一個通道能達(dá)到的極限流量與其工作方式、數(shù)據(jù)傳

選擇通道每選擇一臺設(shè)備就把N個字節(jié)全部傳送完，其通道極限流量

fmax·select=N/(TS+NTD)=1/(TS/N+TD)。

數(shù)組多路通道每選擇一臺設(shè)備只傳送K個字節(jié)，如果要傳送N個字節(jié)，就得經(jīng)［N/K］次傳送才行，每次都要花去一個選擇設(shè)備的時間TS，所以，其通道極限流量

fmax·block=K/(TS+KTD)=1/(ＴS/K+TD)。3.4通道處理機(jī)62.2012.5選擇通道每選擇一臺設(shè)備就把N個字節(jié)全部傳送完

顯然，若通道的TS、TD一定，且N>K時，字節(jié)多路方式時所能達(dá)到的極限流量最小，數(shù)組多路方式時的極限流量居中，選擇方式時的極限流量最大。3.4通道處理機(jī)63.2012.5顯然，若通道的TS、TD一定，且N>K時，三種通道的最大流量計算公式如下：3.4通道處理機(jī)64.2012.5三種通道的最大流量計算公式如下：3.4通道處理機(jī)64.2

對于采用字節(jié)交叉方式工作的字節(jié)多路通道應(yīng)為該通道所接各設(shè)備的字節(jié)傳送速率之和，即

而對于其他兩種類型的通道應(yīng)為所接各設(shè)備的字節(jié)傳送速率中之最大的那個，即3.4通道處理機(jī)65.2012.5對于采用字節(jié)交叉方式工作的字節(jié)多路通道應(yīng)為該

為了保證通道能夠正常工作，不丟失數(shù)據(jù)，必須滿足設(shè)備要求通道的實際最大流量不超過通道所能達(dá)到的極限流量這一流量設(shè)計的最基本原則，因此，對上述3種類型的通道應(yīng)分別滿足關(guān)系式：3.4通道處理機(jī)66.2012.5為了保證通道能夠正常工作，不丟失數(shù)據(jù)，必須滿

如果I/O系統(tǒng)有m個通道，其中1至m1為字節(jié)多路通道，m1+1至m2為數(shù)組多路通道，m2+1至m為選擇通道，則該I/O系統(tǒng)工作時的極限流量將為必然會滿足

3.4通道處理機(jī)67.2012.5如果I/O系統(tǒng)有m個通道，其中1至m1為字

設(shè)有一字節(jié)多路通道，它有3個子通道：“0”號、“1”號高速印字機(jī)各占一個子通道；“0”號打印機(jī)、“1”號打印機(jī)和“0”號光電輸入機(jī)合用一個子通道。假定數(shù)據(jù)傳送期內(nèi)高速印字機(jī)每隔25μs發(fā)一個字節(jié)請求，低速打印機(jī)每隔150μs發(fā)一個字節(jié)請求，光電輸入機(jī)每隔800μs發(fā)一個字節(jié)請求，則這5臺設(shè)備要求通道的流量為3.4通道處理機(jī)68.2012.5設(shè)有一字節(jié)多路通道，它有3個子通道：“0圖3.14字節(jié)多路通道響應(yīng)和處理各設(shè)備請求的時間示意圖

3.4通道處理機(jī)69.2012.5圖3.14字節(jié)多路通道響應(yīng)和處理各設(shè)備請求的時間示意圖加例：

一個字節(jié)多路通道連接D1、D2、D3、D4、D5共5臺設(shè)備，這些設(shè)備分別每10s、30s、30s、50s和75s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：

(1)計算這個字節(jié)多路通道的實際流量和工作周期。3.4通道處理機(jī)70.2012.5加例：

一個字節(jié)多路通道連接D1、D2、D3 (2)如果設(shè)計字節(jié)多路通道的最大流量正好等于通道實際流量，并假設(shè)數(shù)據(jù)傳輸率高的設(shè)備，通道響應(yīng)它的數(shù)據(jù)傳送請求的優(yōu)先級也高。5臺設(shè)備在0時刻同時向通道發(fā)出第一次傳送數(shù)據(jù)的請求，并在以后的時間里按照各自的數(shù)據(jù)傳輸率連續(xù)工作。畫出通道分時為各臺設(shè)備服務(wù)的時間關(guān)系圖，并計算這個字節(jié)多路通道處理完各臺設(shè)備的第一次數(shù)據(jù)傳送請求的時刻。3.4通道處理機(jī)71.2012.5 (2)如果設(shè)計字節(jié)多路通道的最大流量正好等于通道實際流量 (3)從時間關(guān)系圖上發(fā)現(xiàn)什么問題？如何解決這個問題？解：

通道的實際流量為：

通道的工作周期為：t＝1/fBYTE＝5s/byte3.4通道處理機(jī)72.2012.5 (3)從時間關(guān)系圖上發(fā)現(xiàn)什么問題？如何解決這個問題？3

通道處理完各設(shè)備這個第一次請求的時間如下：

D1:5s; D2:10s;

D3:20s; D4:30s

設(shè)備D5的第一次請求沒有得到響應(yīng)，數(shù)據(jù)丟失。

設(shè)備D5第一

次請求未

得到響應(yīng)

的原因分

析：D1D2D3D4D5ttttt3.4通道處理機(jī)73.2012.5 通道處理完各設(shè)備這個第一次請求的時間如下：

D1:5

對所有設(shè)備的請求時間間隔取最小公倍數(shù)，在這一段時間內(nèi)通道的流量是平衡的，但是，在任意設(shè)備的任意兩次傳送請求之間并不能保證都能得到通道的響應(yīng)。為了保證字節(jié)多路通道能夠正常工作，可以采取下列幾種方法：

方法一：增加通道的最大流量。保證連接在通道上的所有設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送請求能夠及時得到通道的響應(yīng)。

方法二：動態(tài)改變設(shè)備的優(yōu)先級。例如，在30s至70s之間臨時提高設(shè)備D5的優(yōu)先級。3.4通道處理機(jī)74.2012.5對所有設(shè)備的請求時間間隔取最小公倍數(shù)，在這一

方法三：增加緩沖存儲器。特別是對優(yōu)先級比較低的設(shè)備。例如，只要為設(shè)備D5增加一個數(shù)據(jù)緩沖寄存器，它的第一次請求可以在第85s處得到響應(yīng)，第二次請求可以在第145s處得到響應(yīng)。3.4通道處理機(jī)75.2012.5方法三：增加緩沖存儲器。特別是對優(yōu)先級比較低本章重點(diǎn)輸入輸出系統(tǒng)總線的控制方式通道工作原理通道類型通道流量的分析本章重點(diǎn)76.2012.5本章重點(diǎn)本章重點(diǎn)76.2012.53.1一個字節(jié)多路通道連接有5臺設(shè)備，它們的數(shù)據(jù)傳輸率如下表：設(shè)備名稱D1D2D3D4D5數(shù)據(jù)傳輸速率（KB/S）10033.333.32010服務(wù)優(yōu)先級12345補(bǔ)充習(xí)題本章重點(diǎn)77.2012.53.1一個字節(jié)多路通道連接有5臺設(shè)備，它們的數(shù)據(jù)傳輸率如下（1）計算這個字節(jié)多路通道的實際工作流量。（2）為了使通道能夠正常工作，請設(shè)計通道的最大流量和工作周期。（3）當(dāng)這個字節(jié)多路通道工作在最大流量時，5臺設(shè)備都在0時刻同時向通道發(fā)出第一次傳送數(shù)據(jù)的請求，并在以后的時間里按照各自的數(shù)據(jù)傳輸速率連續(xù)工作。畫出通道分時為各臺設(shè)備服務(wù)的時間關(guān)系圖，并計算這個字節(jié)多路通道處理完各臺設(shè)備的第一次數(shù)據(jù)服務(wù)請求的時刻。本章重點(diǎn)78.2012.5（1）計算這個字節(jié)多路通道的實際工作流量。本章重點(diǎn)78.203.2一個字節(jié)多路通道連接有4臺設(shè)備，每臺設(shè)備發(fā)出輸入輸出服務(wù)請求的時間間隔、它們的服務(wù)優(yōu)先級和發(fā)出第一次服務(wù)請求的時刻如下表：設(shè)備名稱D1D2D3D4發(fā)服務(wù)請求間隔10μs75μs15μs50μs服務(wù)優(yōu)先級1423發(fā)出第一次請求時間0μs70μs10μs20μs本章重點(diǎn)79.2012.53.2一個字節(jié)多路通道連接有4臺設(shè)備，每臺設(shè)備發(fā)出輸入輸出（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(shù)據(jù)傳送期間，如果通道選擇一次設(shè)備的時間為3μs，傳送一個字節(jié)的時間為2μs，畫出這個字節(jié)多路通道響應(yīng)各設(shè)備請求和為設(shè)備服務(wù)的時間關(guān)系圖。（3）從（2）時間關(guān)系圖中，計算通道處理完成各設(shè)備第一次服務(wù)請求的時刻。（4）從（2）時間關(guān)系圖中看，這個字節(jié)多路通道能否正常工作？（5）在設(shè)計一個字節(jié)多路通道的工作流量時，可以采用哪些措施來保證通道能夠正常工作？本章重點(diǎn)80.2012.5（1）計算這個字節(jié)多路通道的實際流量和工作周期。本章重點(diǎn)80總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)81.2012.5總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)1.2012.5第3章總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)3.1輸入輸出系統(tǒng)概述3.2總線設(shè)計3.3中斷系統(tǒng)3.4通道處理機(jī)82.2012.5第3章總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)3.1輸入輸出系

輸入輸出系統(tǒng)包括輸入輸出設(shè)備、設(shè)備控制器及與輸入輸出操作有關(guān)的軟硬件。輸入輸出系統(tǒng)的主要功能是對指定的外設(shè)進(jìn)行輸入、輸出操作，同時也完成許多其他的管理和控制。有的輸入輸出系統(tǒng)還能對要傳送的信息進(jìn)行格式變換，形成和產(chǎn)生有關(guān)輸入輸出操作是否完成或在執(zhí)行過程中是否有錯的狀態(tài)控制信息，經(jīng)中斷系統(tǒng)傳送給操作系統(tǒng)去分析和處理。3.1輸入輸出系統(tǒng)概述83.2012.5輸入輸出系統(tǒng)包括輸入輸出設(shè)備、設(shè)備控制器及與

輸入輸出系統(tǒng)的特點(diǎn)輸入輸出系統(tǒng)涉及到機(jī)、光、電、磁、聲、自動控制等多種學(xué)科。用戶無需了解輸入輸出系統(tǒng)和輸入輸出設(shè)備的具體細(xì)節(jié)就能使用輸入輸出設(shè)備。處理機(jī)的外部世界包括：本地和遠(yuǎn)程用戶、系統(tǒng)操作員、操作控制臺、輸入輸出設(shè)備、輔助存儲器、其它處理機(jī)、各種通信設(shè)備和虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)等。3.1輸入輸出系統(tǒng)概述84.2012.5輸入輸出系統(tǒng)的特點(diǎn)3.1輸入輸出系統(tǒng)概述4.2012.5系統(tǒng)操作員處理機(jī)本地或遠(yuǎn)程用戶實時輸入輸出輸入輸出設(shè)備虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)其它處理機(jī)本身出錯處理程序請求3.1輸入輸出系統(tǒng)概述85.2012.5系統(tǒng)操作員處理機(jī)本地或遠(yuǎn)程用戶實時輸入輸出輸入輸出設(shè)備虛擬現(xiàn)1、異步性輸入輸出設(shè)備通常不使用統(tǒng)一的中央時鐘，各個設(shè)備按照自己的時鐘工作，但又要在某些時刻接受處理機(jī)的控制。處理機(jī)與外圍設(shè)備之間，外圍設(shè)備與外圍設(shè)備之間能夠并行工作。2、實時性對于一般外部設(shè)備：可能丟失數(shù)據(jù)，或造成外圍設(shè)備工作的錯誤。對于實時控制計算機(jī)系統(tǒng)，如果處理機(jī)提供的服務(wù)不及時，可能造成巨大的損失，甚至造成人身傷害。3.1輸入輸出系統(tǒng)概述86.2012.51、異步性3.1輸入輸出系統(tǒng)概述6.2012.5

對于處理機(jī)本身的硬件或軟件錯誤：如電源故障、數(shù)據(jù)校驗錯、頁面失效、非法指令、地址越界等，處理機(jī)須及時處理。對不同類型的設(shè)備，必須具有與設(shè)備相配合的多種工作方式。3、與設(shè)備無關(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。3.1輸入輸出系統(tǒng)概述87.2012.5對于處理機(jī)本身的硬件或軟件錯誤：如電

計算機(jī)系統(tǒng)的使用者，在需要更換外圍設(shè)備時，各種不同型號，不同生產(chǎn)廠家的設(shè)備都可以直接通過標(biāo)準(zhǔn)接口與計算機(jī)系統(tǒng)連接。處理機(jī)采用統(tǒng)一的硬件和軟件對品種繁多的設(shè)備進(jìn)行管理。某些計算機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了即插即用技術(shù)。3.1輸入輸出系統(tǒng)概述88.2012.5計算機(jī)系統(tǒng)的使用者，在需要更換外圍設(shè)輸入輸出系統(tǒng)的組織方式

針對異步性，采用自治控制的方法。針對實時性，采用層次結(jié)構(gòu)的方法。針對與設(shè)備無關(guān)性，采用分類處理方法。1、自治控制輸入輸出系統(tǒng)是一個獨(dú)立于處理機(jī)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)姆止ぁ?.1輸入輸出系統(tǒng)概述89.2012.5輸入輸出系統(tǒng)的組織方式3.1輸入輸出系統(tǒng)概述9.2012.2、層次結(jié)構(gòu)最靠近處理機(jī)的是輸入輸出處理機(jī)、輸入輸出通道等。中間層是標(biāo)準(zhǔn)接口。標(biāo)準(zhǔn)接口通過設(shè)備控制器與輸入輸出設(shè)備相連接。設(shè)備控制器控制外圍設(shè)備工作。3.1輸入輸出系統(tǒng)概述90.2012.52、層次結(jié)構(gòu)3.1輸入輸出系統(tǒng)概述10.2012.53、分類處理為面向字符的設(shè)備（character-orienteddevice）；指工作速度比較低的機(jī)電類設(shè)備。例如，字符終端、打字機(jī)等。面向數(shù)據(jù)塊的設(shè)備主要指工作速度比較 高的外圍設(shè)備；例如，磁盤、磁帶、光盤的輔助存儲器，行式打印機(jī)等。3.1輸入輸出系統(tǒng)概述91.2012.53、分類處理3.1輸入輸出系統(tǒng)概述11.2012.5

輸入輸出系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了3個階段，對應(yīng)于3種方式，即程序控制輸入輸出(包括全軟的、程序查詢狀態(tài)驅(qū)動的、中斷驅(qū)動的幾種)、直接存儲器訪問(DMA)和I/O處理機(jī)方式。這3種方式可以分別用在不同的計算機(jī)系統(tǒng)上，也可以用在同一個計算機(jī)系統(tǒng)上作為相互補(bǔ)充。3.1輸入輸出系統(tǒng)概述92.2012.5輸入輸出系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了3個階段，對應(yīng)于

就允許信息傳送的方向來說，總線可以有單向傳輸和雙向傳輸兩種。雙向傳輸又有半雙向和全雙向的不同。前者雖可以沿相反的方向傳送，但同一時刻只能向其中的一個方向傳送。后者允許同時在兩個方向傳送。全雙向的速度快，但造價高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜?？偩€按其用法可以分成專用的和非專用的。3.2.1總線的類型3.2總線設(shè)計93.2012.5就允許信息傳送的方向來說，總線可以有單向傳圖3.1所有部件之間用專用總線互連

3.2總線設(shè)計94.2012.5圖3.1所有部件之間用專用總線互連3.2總線設(shè)計13.2.2總線的控制方式

當(dāng)采用非專用總線時，由于可能發(fā)生多個設(shè)備或部件同時申請使用總線，就得有總線控制機(jī)構(gòu)來按照某種優(yōu)先次序裁決，保證在同一時間內(nèi)只能有一個高優(yōu)先級的申請者取得對總線的使用權(quán)。如果總線控制邏輯基本上集中放在一起，不論是放在連接到總線的一個部件中，還是放在單獨(dú)的硬件中，都稱為集中式控制。而當(dāng)總線控制邏輯分散于連到總線的各個部件中時，就稱為分布式總線控制。這里只講集中式總線控制。3.2總線設(shè)計95.2012.53.2.2總線的控制方式當(dāng)采用非專用總(1)鏈?zhǔn)讲樵兎绞芥準(zhǔn)讲樵兎绞降目偩€控制器使用三根控制線與所有部件和設(shè)備相連：總線請求（BR）：該線有效，表示至少有一個部件或設(shè)備要求使用總線?？偩€忙（BS）：該線有效，表示總線正在被某部件或設(shè)備使用?？偩€批準(zhǔn)（BG）：該線有效，表示總線控制器響應(yīng)總線請求。3.2總線設(shè)計96.2012.5(1)鏈?zhǔn)讲樵兎绞?.2總線設(shè)計16.2012.5圖3.2集中式串行鏈接

3.2總線設(shè)計97.2012.5圖3.2集中式串行鏈接3.2總線設(shè)計17.2012

鏈?zhǔn)讲樵兊膬?yōu)點(diǎn)是只用3根線就能按一定的優(yōu)先次序來實現(xiàn)總線控制，并很容易擴(kuò)充。缺點(diǎn)是對查詢鏈的故障很敏感，如果第i個部件中的查詢鏈電路有故障，那么第i個以后的部件都不能工作。另外，因為查詢的優(yōu)先級是固定的，所以當(dāng)優(yōu)先級較高的部件出現(xiàn)頻繁的總線請求時，優(yōu)先級較低的部件就可能會難以得到響應(yīng)。

3.2總線設(shè)計98.2012.5 鏈?zhǔn)讲樵兊膬?yōu)點(diǎn)是只用3根線就能按一定的優(yōu)先次序來實現(xiàn)總線(2)計數(shù)器定時查詢方式計數(shù)定時查詢方式的總線上的每個部件可以通過公共的BR線發(fā)出請求，總線控制器收到請求之后，在BS為“0”的情況下，讓計數(shù)器開始計數(shù)，定時地查詢各個部件以確定是誰發(fā)出的請求。當(dāng)查詢線上的計數(shù)值與發(fā)出請求的部件號一致時，該部件就使BS線置“1”，獲得了總線使用權(quán)，并中止計數(shù)查詢，直至該部件完成數(shù)據(jù)傳送之后，撤消BS信號。3.2總線設(shè)計99.2012.5(2)計數(shù)器定時查詢方式3.2總線設(shè)計1圖3.3集中式定時查詢

3.2總線設(shè)計100.2012.5圖3.3集中式定時查詢3.2總線設(shè)計20.2012

這種計數(shù)可以從“0”開始，也可以從中止點(diǎn)開始。如果從“0”開始，各部件的優(yōu)先次序和鏈?zhǔn)讲樵兎绞较嗤?，?yōu)先級的次序是固定的。如果從中止點(diǎn)開始，即為循環(huán)優(yōu)先級，各個部件使用總線的級別將相等。計數(shù)器的初始值還可以由程序來設(shè)置，這就可以方便地改變優(yōu)先次序，增加系統(tǒng)的靈活性。定時查詢方式的控制線數(shù)較多，對于n個部件，共需2＋根線。

3.2總線設(shè)計101.2012.5 這種計數(shù)可以從“0”開始，也可以從中止點(diǎn)開始。如果從“0(3)獨(dú)立請求方式在獨(dú)立請求方式中，每一個共享總線的部件均有一對控制線：總線請求BRi和總線批準(zhǔn)BGi。當(dāng)某個部件請求使用總線時，便發(fā)出BRi，總線控制器中有一排隊電路，根據(jù)一定的優(yōu)先次序決定首先響應(yīng)哪個部件的請求BRi，然后給該部件送回批準(zhǔn)信號BGi。獨(dú)立請求方式的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)時間快，然而這是以增加控制線數(shù)和硬件電路為代價的。對于n個部件，控制線的數(shù)目將達(dá)2n＋1根。此方式對優(yōu)先次序的控制也是相當(dāng)靈活的，它可以預(yù)先固定，也可以通過程序來改變優(yōu)先次序。3.2總線設(shè)計102.2012.5(3)獨(dú)立請求方式3.2總線設(shè)計22.2012.5圖3.4集中式獨(dú)立請求

3.2總線設(shè)計103.2012.5圖3.4集中式獨(dú)立請求3.2總線設(shè)計23.2012

分布仲裁方式不需要中央仲裁器，即總線控制邏輯分散在連接于總線上的各個部件或設(shè)備中。連接到總線上的主方可以啟動一個總線周期，而從方只能響應(yīng)主方的請求。每次總線操作，只能有一個主方占用總線控制權(quán)，但同一時間里可以有一個或多個從方。對多個主設(shè)備提出的占用總線請求，一般采用優(yōu)先級或公平策略進(jìn)行仲裁。3.2總線設(shè)計104.2012.5 分布仲裁方式不需要中央仲裁器，即總線控制邏輯分散在連接于3.2.3總線的通信技術(shù)1.同步通信同步通信時，兩個部件之間的信息傳送是通過定寬、定距的系統(tǒng)時標(biāo)進(jìn)行同步的。這種方式的信息傳送速率高，受總線的長度影響小，但會因時鐘在總線上的時滯而造成同步誤差，且時鐘線上的干擾信號易引起誤同步。3.2總線設(shè)計105.2012.53.2.3總線的通信技術(shù)1.同步通信3

為了提高可靠性，要求目的部件對數(shù)據(jù)是否已被接收以及是否正確均能給以回答。如果同步時間片的寬度寬到能為每個字的傳送作出回答，則它必須按接到總線上的最低速的部件來考慮，這就會使同步通信的數(shù)據(jù)傳送速率低于后面講的異步通信。一種解決辦法是在正常時，目的部件不作回答，源部件也不等待回答信號，但如果發(fā)生錯誤，則目的部件將在同步時間片過去之后，發(fā)回源部件一個出錯信號，這樣，就不會降低正常時總線的傳送速率。但是這種辦法中，源部件必須設(shè)置較大容量的緩沖器來保留已傳送，但未經(jīng)證實和回答過的所有數(shù)據(jù)，以備重發(fā)之用。3.2總線設(shè)計106.2012.5為了提高可靠性，要求目的部件對數(shù)據(jù)是否已被接2.異步通信由于I/O總線一般是為具有不同速度的許多I/O設(shè)備所共享，因此宜于采用異步通信。異步通信又可分為單向控制和雙向(請求/回答)控制兩種。單向控制指的是通信過程只由目的或源部件中的一個控制。而雙向控制是由源和目的雙方共同控制。單向控制又有源控制和目的控制兩種。3.2總線設(shè)計107.2012.52.異步通信3.2總線設(shè)計27.20圖3.5異步單向控制通信

3.2總線設(shè)計108.2012.5圖3.5異步單向控制通信3.2總線設(shè)計28.201圖3.6源控式異步雙向控制通信

3.2總線設(shè)計109.2012.5圖3.6源控式異步雙向控制通信3.2總線設(shè)計29.3.2.4數(shù)據(jù)寬度與總線線數(shù)1.數(shù)據(jù)寬度我們這里所講的“數(shù)據(jù)寬度”指的是I/O設(shè)備取得I/O總線使用權(quán)后所傳送數(shù)據(jù)的總量。傳送完后就釋放總線，重新開始分配總線。所以，它不同于前面講過的數(shù)據(jù)通路寬度。數(shù)據(jù)通路寬度指的是數(shù)據(jù)傳送的物理寬度，即一個時鐘周期所傳送的信息量，它直接取決于數(shù)據(jù)總線的線數(shù)。二次分配總線之間所傳送的數(shù)據(jù)寬度可能要經(jīng)許多個時鐘周期的分次傳送來完成。采用何種數(shù)據(jù)寬度與總線上各設(shè)備的工作特點(diǎn)、所采用的總線控制方式和通信技術(shù)有關(guān)。數(shù)據(jù)寬度的種類有單字(或單字節(jié))、定長塊、可變長塊、單字加定長塊和單字加可變長塊等。3.2總線設(shè)計110.2012.53.2.4數(shù)據(jù)寬度與總線線數(shù)1.數(shù)據(jù)寬度2.總線的線數(shù)總線需要有發(fā)送電路、接收電路、傳輸導(dǎo)線或電纜、轉(zhuǎn)接插頭和電源等，這部分比起邏輯線路的成本高得多，而且轉(zhuǎn)接器往往占系統(tǒng)物理空間的相當(dāng)部分，是降低系統(tǒng)可靠性的主要部分?？偩€的線數(shù)越多，成本越高、干擾越大、可靠性越低、占用的空間也越大，當(dāng)然傳送速度和流量也越高。此外，總線的長度越長，成本越高，干擾越大，波形畸變越嚴(yán)重，可靠性越低。為此，越是長的總線，其線數(shù)就應(yīng)盡可能減少。數(shù)據(jù)總線的寬度有一位、一個字節(jié)或一個全字等等。3.2總線設(shè)計111.2012.52.總線的線數(shù)3.2總線設(shè)計31.20

在滿足性能要求以及所用通信類型和速率適配的情況下，應(yīng)盡量減少總線的線數(shù)。通過采用線的組合、并/串—串/并轉(zhuǎn)換和編碼可以減少總線的線數(shù)，但這通常會降低總線的流量。3.2總線設(shè)計112.2012.5在滿足性能要求以及所用通信類型和速率適配的情（1）總線寬度 總線寬度指的是總線的線數(shù)，它決定了總線所占的物理空間和成本。對總線寬度最直接的影響是地址線和數(shù)據(jù)線的數(shù)量。主存空間和I/O空間的擴(kuò)充使地址線數(shù)量的增加，并行傳輸要求有足夠的數(shù)據(jù)線。如64位數(shù)據(jù)線和64位地址線在高檔微機(jī)中已較為普遍，在大型高性能計算機(jī)中數(shù)據(jù)線和地址線更多。 例1：使用ISA總線（20位地址線）允許尋址的主存空間有多大？使用PCI總線（32位地址線）允許尋址的主存空間又有多大？ 解：ISA總線的主存空間=220個主存單元=1M個主存單元

PCI總線的主存空間=232個主存單元=4G個主存單元3.2.5總線的性能指標(biāo)3.2總線設(shè)計113.2012.5（1）總線寬度3.2.5總線的性能指標(biāo)3.2總線設(shè)計3（2）總線帶寬 總線帶寬定義為總線的最大數(shù)據(jù)傳輸速率，即每秒傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)。在同步通信中，總線的帶寬與總線時鐘密不可分，總線時鐘頻率的高低決定了總線帶寬的大小。 總線帶寬=總線寬度×總線頻率 總線的實際帶寬還會受到總線長度（總線延遲）、總線負(fù)載、總線收發(fā)器性能等多方面因素的影響。 例2：PCI總線的時鐘頻率為33MHz/66MHz，當(dāng)該總線進(jìn)行32/64位數(shù)據(jù)傳送時，總線帶寬各是多少？解：假設(shè)一個總線時鐘周期T完成一個數(shù)據(jù)的傳送，時鐘頻率為f，數(shù)據(jù)位為n，總線帶寬用Dr表示，則Dr==。 假設(shè)f=33MHz=33×106/s，n=32位，根據(jù)定義可得Dr=4×33×106/s=132MB/s3.2總線設(shè)計114.2012.5（2）總線帶寬3.2總線設(shè)計34.2012.5

例3：假設(shè)某系統(tǒng)總線在一個總線周期中并行傳輸4字節(jié)信息，一個總線周期占用2個時鐘周期，總線時鐘頻率為10MHz，求總線帶寬。 解：因為一個總線周期占用2個時鐘周期，完成一個32位數(shù)據(jù)的傳送?？偩€時鐘頻率f=10MHz，時鐘周期T=1/f=0.1μs，總線周期=2T=0.2μs。一個總線周期中并行傳輸4字節(jié)信息，則總線帶寬是4÷0.2=20MB/s。

3.2總線設(shè)計115.2012.5 例3：假設(shè)某系統(tǒng)總線在一個總線周期中并行傳輸4字節(jié)信息，一（3）總線負(fù)載 總線負(fù)載是指連接在總線上的最大設(shè)備數(shù)量。大多數(shù)總線的負(fù)載能力是有限的。（4）總線復(fù)用 總線分時復(fù)用是指在不同時段利用總線上同一個信號線傳送不同信號，例如地址總線和數(shù)據(jù)總線共用一組信號線。采用這種方式的目的是減少總線數(shù)量，提高總線的利用率。（5）總線猝發(fā)傳輸 猝發(fā)式數(shù)據(jù)傳輸是一種總線傳輸方式，即在一個總線周期中可以傳輸存儲地址連續(xù)的多個數(shù)據(jù)。3.2總線設(shè)計116.2012.5（3）總線負(fù)載3.2總線設(shè)計36.2012.53.3.1中斷的分類和分級引起中斷的各種事件稱為中斷源。中斷源向中斷系統(tǒng)發(fā)出請求中斷的申請，稱為中斷請求。同時可能有多個中斷請求，這時中斷系統(tǒng)需要按事先確定的中斷響應(yīng)優(yōu)先次序?qū)?yōu)先級高的中斷請求予以響應(yīng)。所謂中斷響應(yīng)就是允許其中斷CPU現(xiàn)行程序的運(yùn)行，轉(zhuǎn)去對該請求進(jìn)行預(yù)處理，包括保存好斷點(diǎn)現(xiàn)場，調(diào)出有關(guān)處理該中斷的中斷處理程序，準(zhǔn)備運(yùn)行。這部分工作在大多數(shù)機(jī)器上都是采用交換新舊程序狀態(tài)字PSW的辦法實現(xiàn)的。當(dāng)然為了某種需要，中斷系統(tǒng)也可以對中斷請求進(jìn)行屏蔽，使之暫時得不到響應(yīng)。3.3中斷系統(tǒng)117.2012.53.3.1中斷的分類和分級3.3中斷系統(tǒng)37.201

為處理一個中斷請求，必須調(diào)出相應(yīng)的中斷處理程序。如果中斷源比較少時，通過中斷系統(tǒng)硬件就可以比較方便地對每個中斷源直接形成相應(yīng)的中斷處理程序入口，進(jìn)入相應(yīng)的中斷處理程序。但對中、大型多用途機(jī)器，中斷源一般可多達(dá)數(shù)十至數(shù)百個。如果為每個中斷源單獨(dú)形成入口，不僅硬件難以實現(xiàn)，代價也很大，就是在中斷處理上也沒有這種必要。因為不少中斷源的性質(zhì)比較接近，可以將它們分別歸成幾類，對每一類給定一個中斷處理程序入口，再由軟件轉(zhuǎn)入對相應(yīng)的中斷源進(jìn)行處理，這樣可以大大簡化中斷處理程序入口形成硬件。3.3中斷系統(tǒng)118.2012.5為處理一個中斷請求，必須調(diào)出相應(yīng)的中斷處理程3.3.2中斷系統(tǒng)的軟硬件功能分配

中斷系統(tǒng)的功能包括中斷請求的保存和清除、優(yōu)先級的確定、中斷斷點(diǎn)及現(xiàn)場的保存、對中斷請求的分析和處理以及中斷返回等，這些全是由中斷響應(yīng)硬件和中斷處理程序共同完成的。因此，中斷系統(tǒng)的軟、硬件功能分配實質(zhì)上就是中斷處理程序軟件和中斷響應(yīng)硬件的功能分配。3.3中斷系統(tǒng)119.2012.53.3.2中斷系統(tǒng)的軟硬件功能分配中斷系

中斷現(xiàn)場包括軟件狀態(tài)(如作業(yè)名稱和級別，上、下界值，各種軟件狀態(tài)和標(biāo)志等)和硬件狀態(tài)(如現(xiàn)行指令地址，條件碼等狀態(tài)信息，各種控制寄存器及通用寄存器內(nèi)容)。通常采取把分散于CPU各部分的硬件狀態(tài)集合成程序狀態(tài)字，然后由中斷響應(yīng)硬件通過將程序狀態(tài)字(處理器狀態(tài)字、換道區(qū))存到主存指定單元或區(qū)域的方式來完成保存。接著，再把新的程序或進(jìn)程的程序狀態(tài)字(處理器狀態(tài)字、換道區(qū))從主存另一指定單元或區(qū)域把內(nèi)容傳送到有關(guān)寄存器和計數(shù)器中，建立起運(yùn)行新的程序或進(jìn)程的環(huán)境。硬件狀態(tài)是全經(jīng)中斷響應(yīng)硬件保存，還是部分經(jīng)它，部分經(jīng)中斷處理程序保存，要視具體機(jī)器的規(guī)模和使用場合而作不同的選擇。3.3中斷系統(tǒng)120.2012.5中斷現(xiàn)場包括軟件狀態(tài)(如作業(yè)名稱和級別，上、3.4.1工作原理

把對外圍設(shè)備的管理工作從CPU分離出來。從IBM360系列機(jī)開始，普遍采用通道處理機(jī)技術(shù)。3.4通道處理機(jī)121.2012.53.4.1工作原理把對外圍設(shè)備的管理工作從處理機(jī)與外部設(shè)備的連接方式

(1)直接連接

(2)通道處理機(jī)

(3)輸入輸出處理機(jī)3.4通道處理機(jī)122.2012.5處理機(jī)與外部設(shè)備的連接方式3.4通道處理機(jī)42.20123.4通道處理機(jī)123.2012.53.4通道處理機(jī)43.2012.5通道的作用和功能1、三種基本輸入輸出方式存在的問題：（1）CPU的輸入輸出負(fù)擔(dān)很重，不能專心于用戶程序的計算工作。

低速外部設(shè)備，每傳送每個字符都由CPU執(zhí)行一段程序來完成。

高速外圍設(shè)備的初始化、前處理和后處理等工作需要CPU來完成。（2）大型機(jī)中的外圍設(shè)備臺數(shù)很多，但一般并不同時工作。讓DMA控制器能被多臺設(shè)備共享，提高硬件的利用率。3.4通道處理機(jī)124.2012.5通道的作用和功能3.4通道處理機(jī)44.2012.52、通道的主要功能：接受CPU發(fā)來的指令，選擇一臺指定的外圍設(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?？刂仆鈬O(shè)備與主存緩沖區(qū)間數(shù)據(jù)交換的個數(shù)。指定傳送工作結(jié)束時要進(jìn)行的操作。檢查外圍設(shè)備的工作狀態(tài)，是正?；蚬收稀Ｔ跀?shù)據(jù)傳輸過程中完成必要的格式的變換。3.4通道處理機(jī)125.2012.52、通道的主要功能：3.4通道處理機(jī)45.2012.5圖3.10通道處理機(jī)輸入輸出的主要過程3.4通道處理機(jī)126.2012.5圖3.10通道處理機(jī)輸入輸出的主要過程3.4通道處理通道完成一次數(shù)據(jù)輸入輸出的過程需三步：

(1)在用戶程序中使用訪管指令進(jìn)入管理程序，由CPU通過管理程序組織一個通道程序，并啟動通道。

(2)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。

(3)通道程序結(jié)束后第二次調(diào)用管理程序?qū)斎胼敵稣埱筮M(jìn)行處理。

每完成一次輸入輸出工作，CPU只需要兩次調(diào)用管理程序，大大減少了對用戶程序的打擾。3.4通道處理機(jī)127.2012.5通道完成一次數(shù)據(jù)輸入輸出的過程需三步：

(1)在用戶程序中圖3.11通道處理機(jī)輸入輸出主要過程的時間關(guān)系示意圖3.4通道處理機(jī)128.2012.5圖3.11通道處理機(jī)輸入輸出主要過程的時間關(guān)系示意圖3訪管入口OC設(shè)備號OC交換長度OC主存起址通道程序置通道地址字啟動I/O通道程序斷開通道指令入

口返回I/O中

斷響應(yīng)I/O中

斷返回I/O中斷請求3.4通道處理機(jī)129.2012.5訪管入口OC設(shè)備號OC交換長度OC主存起址通道程序置通道地址圖3.12“啟動I/O”指令流程(注：這里的結(jié)束，表示釋放通道)3.4通道處理機(jī)130.2012.5圖3.12“啟動I/O”指令流程(注：這里的結(jié)束，表

通道分為三種類型：字節(jié)多路通道、選擇通道和數(shù)組多路通道。(1)字節(jié)多路通道字節(jié)多路通道是一種簡單的共享通道，用于連接與管理多臺低速設(shè)備，以字節(jié)交叉方式傳送信息。字節(jié)多路通道包含有多個子通道，每個子通道連接一個設(shè)備控制器。3.4通道處理機(jī)131.2012.5通道分為三種類型：字節(jié)多路通道、選擇通

通道不間斷地、輪流地啟動每個設(shè)備控制器，當(dāng)通道為一個設(shè)備傳送完一個字節(jié)后，就轉(zhuǎn)去為另一個設(shè)備服務(wù)。當(dāng)通道為某一設(shè)備的傳送時，其它設(shè)備可以并行地工作，準(zhǔn)備需要傳送的數(shù)據(jù)字節(jié)或處理收到的數(shù)據(jù)字節(jié)，以準(zhǔn)備接收新的數(shù)據(jù)字節(jié)。這種輪流服務(wù)是建立在主機(jī)的速度比外設(shè)的速度高得多的基礎(chǔ)之上，它可以提高系統(tǒng)的工作效率?！瑼1A1A2A2B2B2B1B1C1C1C2C2通道………A1A1A2A2B1B1B2B2C1C2C1C23.4通道處理機(jī)132.2012.5通道不間斷地、輪流地啟動每個設(shè)備控制字節(jié)緩沖狀態(tài)/控制固定地址子通道1子通道2子通道3數(shù)據(jù)緩沖通道控制字節(jié)多路通道至主存儲器字節(jié)多路通道的結(jié)構(gòu)3.4通道處理機(jī)133.2012.5字節(jié)緩沖狀態(tài)/控制固定地址子通道1子通道2子通道3數(shù)據(jù)緩沖通(2)選擇通道選擇通道又稱高速通道，在物理上它也可以連接多個設(shè)備，但這些設(shè)備不能同時工作，在一段時間內(nèi)通道只能選擇一臺設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，此時該設(shè)備能獨(dú)占整個通道。因此，選擇通道一次只能執(zhí)行一個通道程序，只有當(dāng)它與主存交換完信息后，才能再選擇另一臺外部設(shè)備并執(zhí)行該設(shè)備的通道程序，為其服務(wù)。A1A1A2A2B2B2B1B1C1C1C