1、第3章 總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 3.1簡(jiǎn)要舉出集中式串行鏈接，定時(shí)查詢和獨(dú)立請(qǐng)求3種總線控制方式的優(yōu)缺點(diǎn)。同時(shí)分析硬件產(chǎn)生故障時(shí)通訊的可靠性。 答：集中式串行鏈連接方式。其過程為： 所有部件都經(jīng)公共的“總線請(qǐng)求”線向總線控制器發(fā)使用總線申請(qǐng)。 當(dāng)“總線忙”信號(hào)未建立時(shí)，“總線請(qǐng)求”才被總線控制器響應(yīng)，送出“總線可用”信號(hào)，它串行地通過每個(gè)部件。 如果某部件未發(fā)過“總線請(qǐng)求”，則它將“總線可用”信號(hào)往下一部件轉(zhuǎn)，如果某部件發(fā)過“總線請(qǐng)求”，則停止“總線可用”信號(hào)的傳送。 該部件建立“總線忙”，并除去“總線請(qǐng)求”，此時(shí)該部件獲得總線使用權(quán)，準(zhǔn)備傳送數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)傳送期間，“總線忙”維持“總線可用”

2、的建立。 傳送完成后，該部件去除“總線忙”信號(hào)和“總線可用”信號(hào)。 當(dāng)“總線請(qǐng)求”再次建立時(shí)，就開始新的總線分配過程。 優(yōu)點(diǎn)：選擇算法簡(jiǎn)單；控制總線數(shù)少；可擴(kuò)充性好；可靠性高。 缺點(diǎn)：對(duì)“總線可用”線及其有關(guān)電路失效敏感，不靈活；總線中信號(hào)傳送速度慢。 集中式定時(shí)查詢方式，過程： 總線上每個(gè)部件通過“總線請(qǐng)求”發(fā)請(qǐng)求。 若“總線忙”信號(hào)未建立，則計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，定時(shí)查詢個(gè)部件，以確定是誰發(fā)的請(qǐng)求。 當(dāng)查詢線上的計(jì)數(shù)值與發(fā)出請(qǐng)求的部件號(hào)一致時(shí)，該部件建立“總線忙”，計(jì)數(shù)停止，查詢也停止。除去“總線請(qǐng)求”，該部件獲得總線使用權(quán)。 “總線忙”維持到數(shù)據(jù)傳送完畢。 數(shù)據(jù)傳送完，去除“總線忙”。 當(dāng)“總

3、線請(qǐng)求”線上有新的請(qǐng)求，就開始下一個(gè)總線分配過程。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)先次序靈活性強(qiáng)；可靠性高。 缺點(diǎn)：控制線數(shù)較多；擴(kuò)展性較差；控制較為復(fù)雜；總線分配受限于計(jì)數(shù)信號(hào)，不能很高。 集中式獨(dú)立請(qǐng)求方式，過程： 每個(gè)部件有一對(duì)“總線請(qǐng)求”和“總線準(zhǔn)許”線。 每個(gè)部件使用“總線請(qǐng)求”發(fā)中請(qǐng)，當(dāng)“總線已分配”無信號(hào)時(shí)，總線控制器根據(jù)某種算法對(duì)同時(shí)送來的多個(gè)請(qǐng)求進(jìn)行仲裁，以確定哪個(gè)部件使用總線，信號(hào)從“總線準(zhǔn)許”送回該部件，去除該部件的“總線請(qǐng)求”，建立總線已分配”。 獲得總線使用權(quán)的部件傳送數(shù)據(jù)，直至完畢。 數(shù)據(jù)傳送完畢后，除去總線已分配”和“總線準(zhǔn)許”，開始新的總線分配。 優(yōu)點(diǎn)：總線分配速度快；靈活；能方便隔

4、離失效部件的請(qǐng)求。 缺點(diǎn)：控制線數(shù)多；復(fù)雜。硬件產(chǎn)生故障時(shí)，通信的可靠性分析：串行鏈接對(duì)通信的可靠性，主要表現(xiàn)在“總線可用”線及其有關(guān)電路的失效會(huì)造成系統(tǒng)整體癱瘓的問題。一旦“總線可用”線出現(xiàn)斷路或碰地，其高電平不能順鏈往下傳送，就會(huì)使后面的部件在要求使用總線時(shí)，其請(qǐng)求無法得到響應(yīng)。為了提高可靠性，可對(duì)“總線可用”線及其相關(guān)電路，采取重復(fù)設(shè)置兩套或多套來解決。定時(shí)查詢對(duì)通信的可靠性要求比串行鏈接的高。因?yàn)榭偩€控制器通過計(jì)數(shù)，查詢到某個(gè)出故障的部件時(shí)，故障部件不會(huì)給出“總線忙”信號(hào)，這樣，不會(huì)影響控制器繼續(xù)計(jì)數(shù)，去查詢下一個(gè)部件，所以整個(gè)總線系統(tǒng)的工作不會(huì)癱瘓。獨(dú)立請(qǐng)求對(duì)通信的可靠性要求同樣比串

5、行鏈接的高。因?yàn)槟硞€(gè)部件在發(fā)生故障時(shí)，不發(fā)總線請(qǐng)求，即使發(fā)出總線請(qǐng)求，總線控制器也可以通過軟件或硬件的措施，將發(fā)生故障的部件送來的請(qǐng)求予以屏蔽掉，不讓其參與總線的分配。所以，某個(gè)部件的故障不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的工作處于癱瘓狀態(tài)。 3.2. 設(shè)中斷級(jí)屏蔽位“1”對(duì)應(yīng)于開放，“0”對(duì)應(yīng)于屏蔽，各級(jí)中斷處理程序的中斷級(jí)屏蔽位設(shè)置如下： （見課本） (1)當(dāng)中斷響應(yīng)優(yōu)先次序?yàn)?234時(shí)，其中斷處理次序是什么? 答：(1)1342 中斷處理程序 (2)如果所有的中斷處理都各需3個(gè)單位時(shí)間，中斷響應(yīng)和中斷返回時(shí)間相對(duì)中斷處理時(shí)間少得多。當(dāng)機(jī)器正在運(yùn)行用戶程序時(shí)，同時(shí)發(fā)生第2，3級(jí)中斷請(qǐng)求，過兩個(gè)單位時(shí)間，又同

6、時(shí)發(fā)生第1，4級(jí)中斷請(qǐng)求，試畫出程序運(yùn)行過程示意圖。 答： 南京大學(xué)出版社李學(xué)干主編的輔導(dǎo)書 對(duì)本題的分析：為了領(lǐng)會(huì)中斷響應(yīng)排隊(duì)器對(duì)中斷響應(yīng)優(yōu)先次序是用硬件固定的，以及通過由操作系統(tǒng)給各中斷級(jí)服務(wù)程序現(xiàn)行程序狀態(tài)字中的中斷級(jí)屏蔽位設(shè)置不同的狀態(tài)，可以改變中斷處理(完)的次序這兩個(gè)要點(diǎn)，下圖給出了一個(gè)中斷響應(yīng)硬件部分的簡(jiǎn)單邏輯原理示意圖。圖中略去了某些實(shí)現(xiàn)上的具體細(xì)節(jié)，因?yàn)檫@些已不是本課程要討論的內(nèi)容。中斷級(jí)屏蔽位是程序狀態(tài)字中的一個(gè)組成部分。程序狀態(tài)字是將散布于系統(tǒng)各部分，反映程序工作時(shí)某些關(guān)鍵性硬件的狀態(tài)，組合在一起所構(gòu)成的字，有的計(jì)算機(jī)也稱其為處理器狀態(tài)字或程序換道區(qū)。每類程序均在主存中指

7、定一個(gè)區(qū)域來放置其程序狀態(tài)字。運(yùn)行一個(gè)程序或進(jìn)程時(shí)，就會(huì)將其程序狀態(tài)字從主存指定單元或區(qū)域取出送到分散于系統(tǒng)各部分的寄存器或計(jì)數(shù)器中，建立起運(yùn)行此程序或進(jìn)程的環(huán)境。一個(gè)程序或進(jìn)程在退出運(yùn)行時(shí)，也會(huì)將反映該程序狀態(tài)的這些寄存器或計(jì)數(shù)器內(nèi)容組拼成程序狀態(tài)字，存回該程序或進(jìn)程在主存中的指定單元或區(qū)域里。因此，程序或進(jìn)程的切換，只需要通過硬件啟動(dòng)的交換新舊程序狀態(tài)字的內(nèi)容即可快速完成。例如，在IBM370系列機(jī)上，程序狀態(tài)字為64位，等于它的長(zhǎng)字，交換程序狀態(tài)字只需硬件啟動(dòng)寫長(zhǎng)字和讀長(zhǎng)字兩次訪存即可完成。盡管中斷請(qǐng)求是隨機(jī)發(fā)出的，為了便于精確保存中斷的斷點(diǎn)以及在中斷處理完后又能返回到原中斷處，中斷響應(yīng)

8、排隊(duì)器總是在每條指令執(zhí)行到最后一個(gè)機(jī)器周期的最后一個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)，對(duì)目前到達(dá)中斷響應(yīng)排隊(duì)器入口的所有中斷請(qǐng)求排一次隊(duì)，擇優(yōu)進(jìn)行響應(yīng)。在中斷響應(yīng)排隊(duì)器相應(yīng)的輸出端產(chǎn)生出響應(yīng)信號(hào)。此信號(hào)經(jīng)中斷級(jí)服務(wù)程序入口地址形成硬件，生成出該級(jí)中斷服務(wù)程序的程序狀態(tài)字在內(nèi)存區(qū)中所存放的地址。同時(shí)，經(jīng)中斷響應(yīng)控制信號(hào)啟動(dòng)，進(jìn)行新舊程序狀態(tài)字的交換，完成程序的切換。被中斷的程序的斷點(diǎn)地址(即程序計(jì)數(shù)器的內(nèi)容)，由硬件自動(dòng)壓入返回地址堆棧，予以保存。系統(tǒng)切換到新的程序或進(jìn)程后，繼續(xù)運(yùn)行下去。如果新的程序或進(jìn)程是一個(gè)中斷服務(wù)程序，在運(yùn)行結(jié)束，執(zhí)行到中斷返回指令時(shí)，就會(huì)從堆棧中彈出所保存的返回地址，再次交換程序狀態(tài)字，系統(tǒng)

9、又重新返回到原被中斷的程序，恢復(fù)運(yùn)行。當(dāng)然，低級(jí)的中斷服務(wù)程序在處理過程中又遇到了比其更高級(jí)的中斷請(qǐng)求時(shí)，應(yīng)允許其被中斷，以實(shí)現(xiàn)多級(jí)中斷的嵌套。利用返回地址堆棧的后進(jìn)先出工作方式，就可以完成中斷嵌套時(shí)的正確返回?？梢钥闯?，只要某道程序運(yùn)行時(shí)，由操作系統(tǒng)在現(xiàn)行程序的程序狀態(tài)字中，根據(jù)對(duì)各中斷級(jí)的中斷請(qǐng)求是否屏蔽，設(shè)置好中斷級(jí)屏蔽位的狀態(tài)，就可以控制這些級(jí)別的中斷請(qǐng)求是否進(jìn)入中斷響應(yīng)排隊(duì)器去參加排隊(duì)。只有能進(jìn)入中斷響應(yīng)排隊(duì)器的中斷級(jí)請(qǐng)求，才有機(jī)會(huì)得到響應(yīng)，從而就可改變中斷實(shí)際處理完的次序。應(yīng)當(dāng)注意的是，用戶程序是不能屏蔽任何中斷的。因此，用戶程序的現(xiàn)行程序狀態(tài)字中，對(duì)各中斷級(jí)的屏蔽位均應(yīng)讓其處于“

10、開放”狀態(tài)。根據(jù)本題中所給出的各級(jí)中斷處理程序?qū)χ袛嗉?jí)屏蔽位設(shè)置的狀況，很容易得出其中斷處理(完)的次序應(yīng)當(dāng)是1342。因?yàn)檎幚?級(jí)的中斷處理程序時(shí)，現(xiàn)行程序狀態(tài)字中的中斷級(jí)屏蔽位為0000，在其執(zhí)行期間，任何新的同級(jí)和低級(jí)的中斷請(qǐng)求都不可能進(jìn)入中斷響應(yīng)排隊(duì)器進(jìn)行排隊(duì)，所以，1級(jí)中斷處理程序一定會(huì)先處理完。當(dāng)執(zhí)行3級(jí)中斷服務(wù)程序時(shí)，由于現(xiàn)行程序狀態(tài)字中的中斷級(jí)屏蔽位為1000，即對(duì)1級(jí)中斷請(qǐng)求是“開放”的，而對(duì)其他各級(jí)中斷請(qǐng)求則處于“屏蔽”狀態(tài)。所以，只要此時(shí)發(fā)生1級(jí)中斷請(qǐng)求，它就能進(jìn)入中斷響應(yīng)排隊(duì)器去排隊(duì)。從而在中斷請(qǐng)求排隊(duì)的微操作發(fā)出時(shí)，就可打斷3級(jí)中斷服務(wù)程序的執(zhí)行，交換程序狀態(tài)字，轉(zhuǎn)

11、去執(zhí)行1級(jí)中斷處理程序，使之被優(yōu)先處理完。而在執(zhí)行3級(jí)中斷服務(wù)程序時(shí)，由于現(xiàn)行程序狀態(tài)字對(duì)2、3、4級(jí)的中斷請(qǐng)求處于被“屏蔽”的狀態(tài)，所以，它們都不能打斷正在執(zhí)行的3級(jí)中斷處理程序。其他的情況可以依此類推得到。3.3.若機(jī)器共有5級(jí)中斷,中斷響應(yīng)優(yōu)先次序?yàn)?2345,現(xiàn)要求其實(shí)際的中斷處理次求序14523。 (1)設(shè)計(jì)各級(jí)中斷處理程序的中斷級(jí)屏蔽位(令“1”對(duì)應(yīng)于開放，“0”對(duì)應(yīng)于屏蔽); 略(2)若在運(yùn)行用戶程序時(shí)，同時(shí)出現(xiàn)第4，2級(jí)中斷請(qǐng)求，而在處理第2級(jí)中斷未完成時(shí)，又同時(shí)出現(xiàn)第1，3，5級(jí)中斷請(qǐng)求，請(qǐng)畫出此程序運(yùn)行過程示意圖。 答：( 選自老版主的答案） 1）五個(gè)級(jí)別的中斷屏蔽位分別為

12、（1開放；0屏蔽）：1：00000 2：10011 3：11011 4：10000 5：100102）中斷過程示意圖：如圖a. 2、4中斷同時(shí)出現(xiàn)，進(jìn)行排隊(duì)器；b. 按中斷響應(yīng)優(yōu)先次序，2響應(yīng)；c. 此時(shí)屏蔽字為10011，所以；d. 響應(yīng)4，中斷4運(yùn)行結(jié)束，回2；e. 1、3、5進(jìn)入排隊(duì)器，此時(shí)屏蔽字為10011，且1優(yōu)先級(jí)最高，所以；f. 響應(yīng)1，1運(yùn)行結(jié)束，回2，根據(jù)屏蔽字，所以；g. 5響應(yīng)，5運(yùn)行結(jié)束，回2；h. 根據(jù)屏蔽字，不響應(yīng)3，所以2運(yùn)行結(jié)束；回用戶程序；i. 3還在排隊(duì)器，響應(yīng)3，運(yùn)行直到結(jié)束，回用戶程序3.4簡(jiǎn)述字節(jié)多路，數(shù)組多路和選擇通道的數(shù)據(jù)傳送方式。 答：字節(jié)多路通

13、道適用于連接大量的字符類低速設(shè)備。它以字節(jié)交叉方式輪流為多臺(tái)設(shè)備服務(wù)，它可有多個(gè)子通道，它們分時(shí)進(jìn)入通道。數(shù)組多路通道適合于連接多臺(tái)高速設(shè)備，每傳送一個(gè)定長(zhǎng)塊就選擇一次設(shè)備，多臺(tái)設(shè)備以成組交叉方式工作。它可有多個(gè)子通道。它們分時(shí)進(jìn)入通道。選擇通道方式適合于優(yōu)先級(jí)高的高速設(shè)備，讓它獨(dú)占通道，數(shù)據(jù)傳送以不定長(zhǎng)方式進(jìn)行，在數(shù)據(jù)傳送期只選擇一次設(shè)備。3.5 如果通道在數(shù)據(jù)傳送期中，選擇設(shè)備需9.8s，傳送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)需0.2s。某低速設(shè)備每隔500s發(fā)出一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)傳送請(qǐng)求，問至多可接幾臺(tái)這種低速設(shè)備?對(duì)于如下AF6種高速設(shè)備，一次通訊傳送的字節(jié)數(shù)不少于1024個(gè)字節(jié)，問哪些設(shè)備可以掛在此通道上?哪些

14、則不能?其中AF設(shè)備每發(fā)出一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)傳送請(qǐng)求的時(shí)間間隔分別為(單位為s)： 設(shè)備 A B C D E F 發(fā)申請(qǐng)間隔 0.2 0.25 0.5 0.19 0.4 0.21 答： (1)選擇設(shè)備需9.8s，傳送一個(gè)字節(jié)需0.2s該通道完成一個(gè)字節(jié)的傳送需9.8+0.21s某低速設(shè)備每隔500s發(fā)出一字節(jié)數(shù)據(jù)請(qǐng)求，為使數(shù)據(jù)不丟失，該通道可連設(shè)備數(shù)至多為500s/1s500臺(tái)。 (2)對(duì)于高速設(shè)備，由于一次傳送字節(jié)數(shù)不少于1024byte該通道一次傳送數(shù)據(jù)的時(shí)間為9.8s+10240.2s214.6s由表中可得出每臺(tái)設(shè)備發(fā)送1024字節(jié)的時(shí)間間隔分別為A B C D E F 單位s 204.8 2

15、56 512 194.56 409.6 215.04 為使數(shù)據(jù)不丟失，B、C、E、F可掛在該通道上。A、D不能。 3.6 某字節(jié)多路通道連接6臺(tái)外設(shè)，某數(shù)據(jù)傳送速率分別如表中所列。 設(shè)備 1 2 3 4 5 6 傳送速率（KB/s） 50 15 100 25 40 20 (1)計(jì)算所有設(shè)備都工作時(shí)的通道實(shí)際最大流量： 答：實(shí)際最大流量50+15+l00+25+40+20250KB/S。 (2)如果設(shè)計(jì)的通道工作周期使通道極限流量恰好與通道最大流量相等，以滿足流量設(shè)計(jì)的基本要求，同時(shí)讓速率越高的設(shè)備被響應(yīng)的優(yōu)先級(jí)越高。當(dāng)6臺(tái)設(shè)備同時(shí)發(fā)出請(qǐng)求開始，畫出此通道在數(shù)據(jù)傳送期內(nèi)響應(yīng)和處理各外設(shè)請(qǐng)求的時(shí)間

16、示意圖。由此你發(fā)現(xiàn)了什么問題? 答：由表可解各設(shè)備連續(xù)發(fā)送兩個(gè)字節(jié)的時(shí)間間隔分別為：1 2 3 4 5 6 20s 67s 10s 40s 25s 50s KB=1024B,s=106s ,設(shè)備1的時(shí)間間隔為106/(50*1024)20s ，其他如同1。為簡(jiǎn)化計(jì)算，可視1024為1000由此發(fā)現(xiàn)由于高速設(shè)備的響應(yīng)優(yōu)先級(jí)高，使低速設(shè)備6和設(shè)備2造成數(shù)據(jù)丟失。 (3)在(2)的基礎(chǔ)上，在哪臺(tái)設(shè)備內(nèi)設(shè)置多少個(gè)字節(jié)的緩沖器就可以避免設(shè)備信息丟失?那么，這是否說書中關(guān)于流量設(shè)計(jì)的基本要求是沒有必要的了呢?為什么? 答：在設(shè)備6和2中各設(shè)兩個(gè)字節(jié)的緩沖區(qū)即可。這并不說明流量設(shè)計(jì)的基本條件是不必要的，因?yàn)槿艋緱l件不滿足，無論設(shè)備優(yōu)先級(jí)如何確定總有設(shè)備的信息會(huì)丟失。 阿利：這是我畫的通道處理設(shè)備請(qǐng)求的示意圖。（請(qǐng)點(diǎn)擊看全圖）由圖中可看出，6號(hào)設(shè)備有丟失信息現(xiàn)象，解決的辦法是在6號(hào)設(shè)備內(nèi)設(shè)置2個(gè)字節(jié)的緩沖器。3.7 通道型I/O系統(tǒng)由一個(gè)字節(jié)多路通道A(其中包括兩個(gè)子通道Al和A2)，兩個(gè)數(shù)組多路通道B1和B2及一個(gè)選擇通道C構(gòu)成，各通道所接設(shè)備和設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送速率如表所示。 （見課本）(1)分別求出各通道應(yīng)具有多大設(shè)計(jì)流量才不會(huì)丟失信息； 答：子通道Al的最大實(shí)際流量50+35+20+20+50+35+20+20250KB/S