1、第第3 3章章 存儲、中斷、總線與存儲、中斷、總線與I/OI/O系系 統統 3.1 3.1 存儲系統的基本要求和存儲系統的基本要求和 并行主存系統并行主存系統 3.2 3.2 中斷系統中斷系統 3.3 3.3 總線設計總線設計 3.4 3.4 輸入輸入/ /輸出系統輸出系統 本章重點：本章重點： 非專用總線的總線控制方式；中斷為什么要分非專用總線的總線控制方式；中斷為什么要分 類和分級；中斷處理次序的安排和實現；通道流量類和分級；中斷處理次序的安排和實現；通道流量 的計算。的計算。 本章難點：本章難點： 如何按中斷處理優先次序的要求，設置各中斷如何按中斷處理優先次序的要求，設置各中斷 處理程序

2、中中斷級屏蔽位的狀態，正確畫出中斷處處理程序中中斷級屏蔽位的狀態，正確畫出中斷處 理過程的示意圖；通道為各外設分時服務的時間關理過程的示意圖；通道為各外設分時服務的時間關 系圖。系圖。 3.1存儲系統的基本要求和并行主存系統存儲系統的基本要求和并行主存系統 3.1.1 存儲系統的基本要求存儲系統的基本要求 1.1.存儲系統的基本要求存儲系統的基本要求 高速度、大容量、低價格。高速度、大容量、低價格。 （1 1）容量：）容量： S SM M= =W Wl lm m （2 2）速度：訪問時間）速度：訪問時間TATA、存貯周期、存貯周期TMTM、頻寬、頻寬BMBM； （3 3）價格：）價格：c=C/

3、Sc=C/SM M; ; 2.2.矛盾的解決矛盾的解決： （1 1）改進存貯器件的工藝；）改進存貯器件的工藝； （2 2）發展存貯器系統；）發展存貯器系統； （3 3）發展并行主存系統及存貯體系；）發展并行主存系統及存貯體系； 3.1.2 并行主存系統并行主存系統 圖圖 3.1 單體單字存貯器單體單字存貯器 1.并行主存系統并行主存系統 圖圖 3.2 單體多字單體多字(m=4)存貯器存貯器 圖圖 3.3 多體多體(m=4)交叉存貯器交叉存貯器 設設p(k)表示申請序列長度為表示申請序列長度為k的概率密度函數，其中的概率密度函數，其中k=1, 2, ， m。 即即p(1)是是k=1的概率，的概率

4、，p(2)是是k=2的概率，的概率，p(m)是是 k=m的概率。的概率。 k的平均值用的平均值用B表示，則表示，則 m k kpkB 1 )( 它實際上就是每個主存周期所能訪問到的平均字數，正它實際上就是每個主存周期所能訪問到的平均字數，正 比于主存實際頻寬比于主存實際頻寬(只差一個常數比值只差一個常數比值TM/W)。p(k)與程序的狀與程序的狀 態密切相關，如果訪存申請隊都是指令的話，那么影響最大的態密切相關，如果訪存申請隊都是指令的話，那么影響最大的 是轉移概率是轉移概率，它定義為給定指令的下條指令地址為非順序地，它定義為給定指令的下條指令地址為非順序地 址的概率。址的概率。 2.并行主存

5、系統的實際頻寬并行主存系統的實際頻寬 申請隊中如果第一條就是轉移指令且轉移成功，與第一條申請隊中如果第一條就是轉移指令且轉移成功，與第一條 指令并行讀出的其他指令并行讀出的其他m-1條指令就是沒用的，相當于條指令就是沒用的，相當于k=1，所，所 以以p(1)=(1-)0；k=2的概率自然是第一條沒有轉移的概率自然是第一條沒有轉移(其概率其概率 為為1-)，第二條是轉移指令且轉移成功的情況，所以，第二條是轉移指令且轉移成功的情況，所以， p(2)=(1-p(1)=(1-)1；同理，；同理，p(3)=(1-p(1)-p(2)=(1- )2。如此類推，。如此類推，p(k)=(1-)k-1，其中，其中

6、1km。如果前。如果前m- 1條均不轉移，則不管第條均不轉移，則不管第m條是否轉移，條是否轉移，k都等于都等于m，故，故 p(m)=(1-)m-1。 這樣，這樣， 1 22 1 )1 ( )1)(1()1 (3 )1 (21)( m m m k m m kpkB 經數學歸納法化簡可得經數學歸納法化簡可得 1 0 )1 ( m i i B 這是一個等比級數，這是一個等比級數， 因此因此 m B )1 (1 圖圖 3.5 m個分體并行存取的個分體并行存取的B=f()曲線曲線 3.2.13.2.1中斷的分類和分級中斷的分類和分級 1.1.基本概念基本概念 1)1)中斷源中斷源: :引起中斷的各種事件

7、。引起中斷的各種事件。 2)2)中斷請求中斷請求: :中斷源向中斷系統發出請求中斷的中斷源向中斷系統發出請求中斷的申請申請 。同時可以有多個中斷請求，這時中斷系統要根據中。同時可以有多個中斷請求，這時中斷系統要根據中 斷響應優先次序對優先級高的中斷請求予以相應。斷響應優先次序對優先級高的中斷請求予以相應。 3)3)中斷響應中斷響應: :就是允許其中斷就是允許其中斷CPUCPU現行程序的運行現行程序的運行而而 轉去對該請求進行預處理，包括保存斷點現場，調出轉去對該請求進行預處理，包括保存斷點現場，調出 相應中斷處理程序，準備運行。也可以屏蔽這一請求相應中斷處理程序，準備運行。也可以屏蔽這一請求

8、使其暫時得不到響應。使其暫時得不到響應。 3.2 中斷系統中斷系統 2.2.中斷分類中斷分類 細分為中斷細分為中斷(Interrupt)(Interrupt)和異常和異常(Exception)(Exception)。 1)1)中斷中斷 專指那些與當前進程運行無關的請求暫停的專指那些與當前進程運行無關的請求暫停的 事件事件, ,如機器故障中斷請求、外設中斷請求、定如機器故障中斷請求、外設中斷請求、定 時中斷請求等。中斷可以被屏蔽，暫時保存在時中斷請求等。中斷可以被屏蔽，暫時保存在 中斷寄存器，屏蔽解除后繼續得到響應和處理。中斷寄存器，屏蔽解除后繼續得到響應和處理。 2)2)異常異常 由現行指令引

9、起的暫停事件，如頁面失效、由現行指令引起的暫停事件，如頁面失效、 溢出等，一般不能屏蔽，立即得到響應和處理。溢出等，一般不能屏蔽，立即得到響應和處理。 異常可以分為自陷異常可以分為自陷(Trap)(Trap)、故障、故障(Fault)(Fault)、失敗、失敗 (Abort)(Abort)三種。三種。 a)a)自陷自陷 發生在引起異常的指令執行的末尾，處理后返回發生在引起異常的指令執行的末尾，處理后返回 原先正常程序的下一條指令繼續執行。原先正常程序的下一條指令繼續執行。 b)b)故障故障 發生在執行指令的過程中，處理后返回原先發生發生在執行指令的過程中，處理后返回原先發生 故障的那條指令處重

10、復執行。故障的那條指令處重復執行。 c)c)失敗失敗 也發生在指令執行過程中，需強制干預或系統也發生在指令執行過程中，需強制干預或系統 復位才可以使指令再正確執行下去。復位才可以使指令再正確執行下去。 3.3.中斷分級中斷分級 1)1)依據：根據中斷的性質、緊迫性、重要性以及軟依據：根據中斷的性質、緊迫性、重要性以及軟 件處理的方便性把中斷源分級。件處理的方便性把中斷源分級。 2)2)次序：中斷系統按照中斷源的級別高低來響應。次序：中斷系統按照中斷源的級別高低來響應。 優先級高低的劃分，不同機器有所差異，優先級高低的劃分，不同機器有所差異，IBM370IBM370中中 機器校驗安排為第一級，程

11、序性和管理程序調用為機器校驗安排為第一級，程序性和管理程序調用為 第二級，外部為第三級，第二級，外部為第三級，I/OI/O為第四級，重新啟動為為第四級，重新啟動為 最低級。最低級。 3)3)原則：局部性中斷優先級低原則：局部性中斷優先級低 以以IBM370IBM370為例為例 緊急機器校驗緊急機器校驗 1 1 全局，掉電，全局，掉電，CPUCPU地址錯等地址錯等 管理程序調用管理程序調用 2 2 OSOS執行執行“訪管訪管”指令指令 程序性中斷程序性中斷 3 3 高于高于I/OI/O與外部，防止混亂與外部，防止混亂 出錯、出現異常出錯、出現異常 外部中斷外部中斷 4 4 多機聯系、人機干預等多

12、機聯系、人機干預等 I/OI/O中斷中斷 5 5 局部性外設請求局部性外設請求 重新啟動重新啟動 6 6 時間不緊迫時間不緊迫 3.2.2.3.2.2.中斷響應次序與處理次序中斷響應次序與處理次序 1.1.中斷響應次序與處理次序中斷響應次序與處理次序 1)1)中斷響應次序中斷響應次序 同時發生多個中斷請求時，由中斷響應硬件的排隊同時發生多個中斷請求時，由中斷響應硬件的排隊 器所決定的響應次序，次序是器所決定的響應次序，次序是固定固定的。的。 2)2)中斷處理次序中斷處理次序 一個中斷處理程序執行前或中再有其它中斷產生時一個中斷處理程序執行前或中再有其它中斷產生時 中斷處理完的次序，可以不同于響

13、應次序中斷處理完的次序，可以不同于響應次序。 3)3)處理原則處理原則 在處理某級中斷時在處理某級中斷時, ,只有更高級的請求到來才轉去只有更高級的請求到來才轉去 響應和處理，完成后返回原中斷繼續處理響應和處理，完成后返回原中斷繼續處理。 2.2.中斷處理次序改變中斷處理次序改變 1)1)方法：方法： a)a)設置設置中斷級屏蔽位寄存器中斷級屏蔽位寄存器硬件以決定是否讓硬件以決定是否讓 某級中斷請求進入中斷響應排隊器，某級中斷請求進入中斷響應排隊器，只要進入只要進入 排隊器中斷請求，就讓級別高的優先得到響應排隊器中斷請求，就讓級別高的優先得到響應。 b)OSb)OS對每類中斷處理程序的現行對每

14、類中斷處理程序的現行PSWPSW中的中斷中的中斷 級屏蔽位進行設置，可以實現希望的處理次序。級屏蔽位進行設置，可以實現希望的處理次序。 2)2)優點：優點： 改變響應次序中用排隊器硬件實現的固定次序改變響應次序中用排隊器硬件實現的固定次序 為為OSOS軟件實現的靈活性。軟件實現的靈活性。 例例1:1:系統有系統有4 4個中斷級個中斷級, ,每級現行每級現行PSWPSW有有4 4位屏蔽位位屏蔽位 “1 1” 表示對該級的請求都開放表示對該級的請求都開放, ,允許其進入排隊器。允許其進入排隊器。“0 0” 表示屏蔽各個請求表示屏蔽各個請求, ,不允許進入排隊器，不允許進入排隊器， 現要求各級現要求

15、各級 中斷處理次序和響應次序都是中斷處理次序和響應次序都是1 1 2 2 3 3 4 4，請設計屏，請設計屏 蔽位狀態。蔽位狀態。 中斷處理中斷處理 程序級別程序級別 中斷級屏蔽位中斷級屏蔽位 第第1級級 第第2級級 第第3級級 第第4級級 1級級2級級3級級4級級 0000 000 00 0 1 1 1 1 11 中斷級屏蔽位舉例中斷級屏蔽位舉例1 1(1 2 3 4) 不高于不高于 本級的本級的 屏蔽掉屏蔽掉 即即“0 0” 用戶程序用戶程序中中 斷斷 處處 理理 程程 序序 中斷中斷 請求請求 t 23 4 2 1 1234 中斷處理次序為中斷處理次序為1 2 3 4的例子的例子 注：注

16、： 表示第表示第i級中級中 斷源發的中斷請求斷源發的中斷請求 短橫線為交換短橫線為交換PSW 的時間段的時間段 i 中斷處理中斷處理 程序級別程序級別 中斷級屏蔽位中斷級屏蔽位 第第1級級 第第2級級 第第3級級 第第4級級 1級級2級級3級級4級級 0000 011 01 0 1 1 1 0 00 中斷級屏蔽位舉例中斷級屏蔽位舉例2 2(1 4 3 2) 響應次序和處理次序不一樣響應次序和處理次序不一樣 用戶程序用戶程序中中 斷斷 處處 理理 程程 序序 中斷中斷 請求請求 t 3 4 2 1 1234 中斷處理次序為中斷處理次序為1 4 3 2的例子的例子 2 用戶程序用戶程序中中 斷斷

17、處處 理理 程程 序序 中斷中斷 請求請求 t 3 421 1234 中斷處理次序為中斷處理次序為1 4 3 2的例子的例子 機器有機器有5級中斷，中斷響應次序為級中斷，中斷響應次序為1 2 3 4 5，現要，現要 求中斷處理次序為求中斷處理次序為3 5 2 4 1。 (1)設計各級中斷處理程序的中斷級屏蔽位的狀態，設計各級中斷處理程序的中斷級屏蔽位的狀態， 令令“0”表示屏蔽，表示屏蔽，“1”表示開放。表示開放。 (2)若在運行用戶程序時，同時發生第若在運行用戶程序時，同時發生第4、5級中斷級中斷 請求，而在第請求，而在第5級中斷未完成時，又發生級中斷未完成時，又發生1、2、3級級 中斷，請

18、畫出處理機執行程序的全過程示意圖中斷，請畫出處理機執行程序的全過程示意圖(標標 出交換出交換PSW的時間的時間)。 3.2.3 3.2.3 中斷系統的軟硬件功能分配中斷系統的軟硬件功能分配 1 1）中斷系統的功能）中斷系統的功能 （1 1）中斷請求的保存和清除）中斷請求的保存和清除 （2 2）優先級的確定）優先級的確定 （3 3）中斷斷點及現場的保存）中斷斷點及現場的保存 （4 4）對中斷請求的分析和處理）對中斷請求的分析和處理 （5 5）中斷返回）中斷返回 中斷系統的軟硬件功能分配實質就是中斷響應硬中斷系統的軟硬件功能分配實質就是中斷響應硬 件和處理程序軟件的功能分配。件和處理程序軟件的功能

19、分配。 2 2）功能的實現）功能的實現 （1 1）早期大部分功能是由軟件完成的，中斷）早期大部分功能是由軟件完成的，中斷 響應響應和中斷處理時間長和中斷處理時間長。 （2 2）后來中斷響應及其次序由程序查詢軟件的）后來中斷響應及其次序由程序查詢軟件的 方法改為方法改為中斷響應排隊器中斷響應排隊器硬件實現；中斷源的分硬件實現；中斷源的分 析也由程序查詢改為析也由程序查詢改為硬件編碼硬件編碼，直接或經中斷向，直接或經中斷向 量表形成入口地址，并把中斷源的狀況以中斷碼量表形成入口地址，并把中斷源的狀況以中斷碼 的方式經舊的方式經舊PSWPSW告知中斷處理程序。告知中斷處理程序。 3.3 總線設計總線

20、設計 總線是計算機中連接各個功能部件的紐帶。總線是計算機中連接各個功能部件的紐帶。 3.3.13.3.1總線的分類總線的分類 1. 1.按信息傳送方向分按信息傳送方向分 1) 1)單向傳輸單向傳輸 2) 2)雙向傳輸雙向傳輸 a) a)半雙向半雙向: : 在同一時刻，信息只能向其中的一個方向在同一時刻，信息只能向其中的一個方向 傳送。傳送。 b) b)全雙向：全雙向： 在同一時刻，允許信息在兩個方向傳送。在同一時刻，允許信息在兩個方向傳送。 全雙向全雙向 速度快，但是造價高，結構復雜。速度快，但是造價高，結構復雜。 2. 2.按用途分按用途分 1) 1)專用總線專用總線 a) a)定義：只連接

21、一對物理部件的總線。定義：只連接一對物理部件的總線。 A B C D E 所有部件用所有部件用 專用總線互連專用總線互連 b)b)優點：優點： 多個部件可以同時發送和接收信息，幾乎不多個部件可以同時發送和接收信息，幾乎不 必爭用總線，系統流量高。必爭用總線，系統流量高。 控制簡單，不用指明信息源和目的。控制簡單，不用指明信息源和目的。 任何總線的失效只影響相連的兩個部件不能直接任何總線的失效只影響相連的兩個部件不能直接 通信，但可以間接通信，系統可靠性高。通信，但可以間接通信，系統可靠性高。 c)c)缺點：缺點： 總線數目多，總線數目多，N N個部件全部互連需個部件全部互連需N(N-1)/2N

22、(N-1)/2組組 總線。總線。 難以小型化、集成電路化，總線長時成本高。難以小型化、集成電路化，總線長時成本高。 時間利用率低時間利用率低 不利于模塊化，增加一個部件要增加許多新不利于模塊化，增加一個部件要增加許多新 的接口和連線。的接口和連線。 2)2)非專用總線非專用總線 a)a)定義定義: :可以被多種功能或多個部件分時共享可以被多種功能或多個部件分時共享， 同一時刻只有一對部件使用總線進行通信。同一時刻只有一對部件使用總線進行通信。 b)b)優點：優點： 總線少，造價低。總線少，造價低。 接口標準化、模塊性強，易于簡化接口設計。接口標準化、模塊性強，易于簡化接口設計。 擴充能力強，多

23、重總線提高帶寬和可靠性。擴充能力強，多重總線提高帶寬和可靠性。 c)c)缺點：缺點： 系統流量小，經常出現總線爭用。系統流量小，經常出現總線爭用。 可能成為系統速度瓶頸，導致系統癱瘓。可能成為系統速度瓶頸，導致系統癱瘓。 I/OI/O系統中，系統中，I/OI/O總線宜采用總線宜采用非專用總線非專用總線； 總線總線 3.3.23.3.2總線的控制方式總線的控制方式 1.1.產生原因產生原因 采用非專用總線時，可能出現多個設備或部件同時采用非專用總線時，可能出現多個設備或部件同時 使用總線而發生爭用，就得有總線控制機構來按照某使用總線而發生爭用，就得有總線控制機構來按照某 種方式裁決，種方式裁決，

24、保證同一時間只能有一個高優先級的申保證同一時間只能有一個高優先級的申 請者取得總線使用權。請者取得總線使用權。 2.2.控制方式控制方式 1)1)集中式控制集中式控制 總線控制邏輯基本上集中放在一起，或者放在連總線控制邏輯基本上集中放在一起，或者放在連 接總線的一個部件中，或者是放在單獨的接總線的一個部件中，或者是放在單獨的硬件中。硬件中。我我 們主要講述這一控制方式們主要講述這一控制方式 。 2)2)分布式控制分布式控制 總線控制邏輯分散于連到總線的各個部件中。總線控制邏輯分散于連到總線的各個部件中。 3.3.優先次序的三種確定方式優先次序的三種確定方式 1)1)集中式串行鏈接方式：集中式串

25、行鏈接方式： 部件部件 0 部件部件 1 部件部件 N-1 總線控制器總線控制器 總線可用總線可用 總線請求總線請求 總線忙總線忙 集中式串行鏈接集中式串行鏈接 a)a)電路特點：電路特點： 并聯總線請求，串聯總線響應，并聯總線狀態。并聯總線請求，串聯總線響應，并聯總線狀態。 b)b)次序確定次序確定 完全由完全由“總線可用總線可用”線所接部件的物理位置來決定，離總線所接部件的物理位置來決定，離總 線控制器越近的部件其優先級越高。線控制器越近的部件其優先級越高。 C C）優點：）優點： 算法簡單，線數少，且不取決于部件的數量。算法簡單，線數少，且不取決于部件的數量。 部件增加容易，可擴充性好。

26、部件增加容易，可擴充性好。 邏輯簡單，容易通過重復設置來提高其可靠性。邏輯簡單，容易通過重復設置來提高其可靠性。 d)d)缺點：缺點： 對對“總線可用總線可用”線敏感。線敏感。 優先級固定，不可被程序更改，靈活性差。優先級固定，不可被程序更改，靈活性差。 遙遠部件難以獲得總線使用權。遙遠部件難以獲得總線使用權。 “總線可用總線可用”信號順序、脈動地通過每一部件信號順序、脈動地通過每一部件, ,限制了總限制了總 線分配的速度。線分配的速度。 受總線長度影響，增、減及移動部件也受限。受總線長度影響，增、減及移動部件也受限。 2)2)集中式定時查詢方式：集中式定時查詢方式： 部件部件 0 部件部件

27、1 總線控制器總線控制器 總線請求總線請求 總線忙總線忙 部件部件 0 部件部件 1 部件部件 N-1 總線控制器總線控制器 總線請求總線請求 總線忙總線忙 集中式定時查詢集中式定時查詢 定時查詢計數定時查詢計數 a a）總線分配過程：）總線分配過程： 部件發送請求。部件發送請求。 總線不忙時，總線控制器的查詢計數器開始記數。總線不忙時，總線控制器的查詢計數器開始記數。 定時查詢各部件。定時查詢各部件。 部件接收計數值，并判斷，若與部件號一致，則部件接收計數值，并判斷，若與部件號一致，則 發總線忙，撤消請求，開始占用總線。發總線忙，撤消請求，開始占用總線。 總線控制器收到總線忙，停止計數，停止

28、查詢。總線控制器收到總線忙，停止計數，停止查詢。 傳送結束撤消總線忙傳送結束撤消總線忙 b)b)次序確定次序確定 總線分配前計數器清總線分配前計數器清“0 0”, ,從從“0 0”開始查詢，開始查詢， 優先級排序類似串行鏈接。優先級排序類似串行鏈接。 總線分配前不清總線分配前不清“0 0”，從中止點繼續查詢，是，從中止點繼續查詢，是 循環優先級，部件使用總線機會均等。循環優先級，部件使用總線機會均等。 總線分配前將計數器設置初值，可以指定某個部總線分配前將計數器設置初值，可以指定某個部 件為最高優先級。件為最高優先級。 總線分配前將部件號重新設置，可以為各部件指總線分配前將部件號重新設置，可以

29、為各部件指 定任意希望的優先級。定任意希望的優先級。 c)c)優點：優點： 優先級可由程序控制，靈活性強。優先級可由程序控制，靈活性強。 某一部件的失效不影響其它部件，可靠某一部件的失效不影響其它部件，可靠 性高。性高。 d)d)缺點：缺點： 線數多，擴展性差，控制復雜。線數多，擴展性差，控制復雜。 速度取決于計數器信號的頻率和部件數，速度取決于計數器信號的頻率和部件數， 不是很高。不是很高。 3)3)集中式獨立請求方式：集中式獨立請求方式： 部件部件 0 總線控制器總線控制器 部件部件 0 部件部件 N-1 總線控制器總線控制器 總線請求總線請求0 0 集中式獨立請求集中式獨立請求 總線準許

30、總線準許0 0 總線請求總線請求N-1 N-1 總線準許總線準許N-1 N-1 總線已被分配總線已被分配 a)a)次序確定次序確定 總線控制器根據某種算法來仲裁。總線控制器根據某種算法來仲裁。 b)b)優點：優點： 總線分配速度快。總線分配速度快。 可以靈活確定下一個使用總線的部件。可以靈活確定下一個使用總線的部件。 可以方便的隔離失效的部件發出的總線請求。可以方便的隔離失效的部件發出的總線請求。 c)c)缺點：缺點： 控制線多，控制線多，N N個部件要個部件要2N+12N+1根控制線。根控制線。 總線控制器復雜。總線控制器復雜。 1.1.包括內容包括內容: : I/O I/O設備、設備控制器

31、及與設備、設備控制器及與I/OI/O操作有關的軟硬件等。操作有關的軟硬件等。 2.I/O2.I/O系統的發展：系統的發展： 1) 1)早期及目前低性能單用戶計算機的早期及目前低性能單用戶計算機的I/OI/O操作由程序員操作由程序員 直接安排。主要解決直接安排。主要解決CPUCPU、主存和、主存和I/OI/O設備之間的速度差距。設備之間的速度差距。 2) 2)現在改由用戶向系統發出現在改由用戶向系統發出I/OI/O請求，經請求，經OSOS來分配調度來分配調度 設備并進行具體的設備并進行具體的I/OI/O處理。主要解決面向處理。主要解決面向OSOS，在，在OSOS與與I/OI/O系系 統間進行合理

32、的軟、硬件功能分配。統間進行合理的軟、硬件功能分配。 3.I/O3.I/O的三種方式的三種方式 3.4 輸入輸入/輸出系統輸出系統 3.4.1 輸入輸入/輸出系統概述輸出系統概述 1) 1)程序控制程序控制I/OI/O a) a)全軟的全軟的 b) b)程序查詢狀態驅動的程序查詢狀態驅動的 c) c)中斷驅動的中斷驅動的 2)2)直接存貯器訪問直接存貯器訪問(DMA)(DMA) 3)I/O 3)I/O處理機處理機 a) a)通道方式通道方式(Channel)(Channel) 可看作是可看作是“處理機處理機”，有自己的指令系統（通道，有自己的指令系統（通道 指令）和程序（通道程序），通道與指令

33、）和程序（通道程序），通道與CPUCPU并行工作。并行工作。 通道指令功能簡單，使用面窄。通道不是獨立處理機。通道指令功能簡單，使用面窄。通道不是獨立處理機。 b)b)外圍處理機方式外圍處理機方式(PPU)(PPU) 獨立性、通用性和功能較強。獨立性、通用性和功能較強。 1.1.目的目的 1)1)防止用戶自行輸入而破壞其他用戶程序或系統防止用戶自行輸入而破壞其他用戶程序或系統程程 序及用戶竊取系統不該讓其讀出的內容。序及用戶竊取系統不該讓其讀出的內容。 2 2）將）將CPUCPU進一步從進一步從I/OI/O事務中脫離出來，使之具有更事務中脫離出來，使之具有更 多的時間從事計算工作多的時間從事計

34、算工作 2.2.通道處理機的作用通道處理機的作用 1）通道處理機將負擔外圍設備的大部分）通道處理機將負擔外圍設備的大部分I/O工作工作 2）是一臺同時能夠被多臺外圍設備共享的小型）是一臺同時能夠被多臺外圍設備共享的小型DMA 處理機處理機 3.4.2 通道處理機的工作原理和流量設計通道處理機的工作原理和流量設計 3.3.通道的工作原理通道的工作原理 管態指令管態指令是中央處理機用來控制外部設備操作用的輸入輸出指是中央處理機用來控制外部設備操作用的輸入輸出指 令。令。目態指令（訪管指令）目態指令（訪管指令）是用戶態應用程序的指令。是用戶態應用程序的指令。 廣義指令廣義指令是由訪管指令和若干參數組

35、成，它的操作碼實質上是是由訪管指令和若干參數組成，它的操作碼實質上是 對應于此廣義指令的管理程序入口。對應于此廣義指令的管理程序入口。 在一般用戶程序中，通過調用通道來完成一次在一般用戶程序中，通過調用通道來完成一次I/O的過程主的過程主 要有四個階段，如圖所示要有四個階段，如圖所示 。 1）通道程序編制期）通道程序編制期 2）通道開始選擇設備期）通道開始選擇設備期 3）通道數據傳送期）通道數據傳送期 4）通道數據傳送結束期）通道數據傳送結束期 4.4.通道的種類：通道的種類： 1)1)字節多路通道字節多路通道 目的：為多臺低速或中速的外圍設備服務；目的：為多臺低速或中速的外圍設備服務；如鍵盤

36、、如鍵盤、 打印機等等打印機等等 工作方式：分時機制。工作方式：分時機制。 字節交叉方式（字節交叉方式（byte-interleave mode)byte-interleave mode)： ， 多個子通道獨立并行工作。多個子通道獨立并行工作。 2 2）選擇通道）選擇通道 目的：針對高速外圍設備，設置專門通道在一目的：針對高速外圍設備，設置專門通道在一 段時間內單獨為一臺外圍設備服務，在不同的段時間內單獨為一臺外圍設備服務，在不同的 時間內仍可以選擇其它設備；時間內仍可以選擇其它設備； 工作方式：一旦選中某設備，就一直到數據工作方式：一旦選中某設備，就一直到數據 傳輸結束為止。傳輸結束為止。

37、選擇通道主要用于連接高速外圍設備，如磁選擇通道主要用于連接高速外圍設備，如磁 盤、磁帶等，信息以成組方式高速傳輸。盤、磁帶等，信息以成組方式高速傳輸。 3)3)數組多路通道數組多路通道 目的：前兩種方式的結合，并發地為多臺高目的：前兩種方式的結合，并發地為多臺高 速設備服務；速設備服務； 工作方式：成組交叉方式工作，每次選擇一工作方式：成組交叉方式工作，每次選擇一 個高速設備，輪流為多臺個高速設備，輪流為多臺I/OI/O設備服務；設備服務； 5 通道中的數據傳送過程通道中的數據傳送過程 Ts, Td D11 D21 Di,j Ts, Td Ts, Td Ts, Td Dp, n TsTs：設備

38、選擇時間，即：從通道響應設備發出數：設備選擇時間，即：從通道響應設備發出數 據傳送請求開始，到通道實際為這臺設備傳送數據據傳送請求開始，到通道實際為這臺設備傳送數據 所需的時間。所需的時間。 TdTd：傳送一個字節所需要的時間；：傳送一個字節所需要的時間； P P：在一個通道上連接的設備臺數：在一個通道上連接的設備臺數 n n：每一個設備傳送的字節數，這里，假設每一臺：每一個設備傳送的字節數，這里，假設每一臺 設備的傳輸字節數都一樣。設備的傳輸字節數都一樣。 D Dij ij：連接在通道上的第 ：連接在通道上的第i i臺設備傳輸的第臺設備傳輸的第j j個數據，個數據， i=i=1p1p， j=

39、1n j=1n； T T：通道完成全部數據傳輸工作所需要的時間。：通道完成全部數據傳輸工作所需要的時間。 1 1）字節多路通道）字節多路通道 當一個字節多路通道上連接有當一個字節多路通道上連接有p p臺外圍設備，每一臺外圍設備，每一 臺外圍設備都傳輸臺外圍設備都傳輸n n個字節時，總共需要的時間個字節時，總共需要的時間T T為：為： T T byte byte = = （Ts + TdTs + Td）* * P P * * n n 2 2）選擇通道）選擇通道: : 在選擇通道之中，通道每連接一個外圍設備，在選擇通道之中，通道每連接一個外圍設備， 就把這個設備的就把這個設備的n n個字節全部傳送

40、完畢，然后再與個字節全部傳送完畢，然后再與 下一個設備連接。下一個設備連接。 當一個字節多路通道上連接有當一個字節多路通道上連接有p p臺外圍設備，臺外圍設備， 每一臺外圍設備都傳輸每一臺外圍設備都傳輸n n個字節時，總共需要的時個字節時，總共需要的時 間間T T為：為： T T selector selector = = （Ts/n + TdTs/n + Td）* * P P * * n n 3 3）數組通道）數組通道: : 數組通道在一段時間內只能為一臺外圍設備傳數組通道在一段時間內只能為一臺外圍設備傳 送數據，但同時有多臺設備在尋址。送數據，但同時有多臺設備在尋址。 當一個字節多路通道上

41、連接有當一個字節多路通道上連接有p p臺外圍設備，臺外圍設備， 數據塊長度為數據塊長度為k k個字節。每一臺外圍設備都傳輸個字節。每一臺外圍設備都傳輸n n個個 字節時，總共需要的時間字節時，總共需要的時間T T為：為： T T selector selector = = （Ts/k + TdTs/k + Td）* * P P * * n n 秒秒字節字節 秒秒字節字節 / / 1 )/( / 1 )( . . DSDS DSDS TnTnpTnT np f TTnpTT np f SELETEMAX BYTEMAX 通道流量通道流量與連接在這個通道上的所有設備的與連接在這個通道上的所有設備的

42、數數 據傳輸率據傳輸率的關系如下：的關系如下： 為了保證通道能夠正常工作，不丟失數據，各為了保證通道能夠正常工作，不丟失數據，各 種通道實際流量應該不大于通道最大流量，即種通道實際流量應該不大于通道最大流量，即 滿足下列不等式關系：滿足下列不等式關系： f fBYTE BYTE f fMAXMAXBYTEBYTE f fSELETE SELETE f fMAXMAXSELETESELETE, , f fBLOCK BLOCK f fMAXMAXBLOCKBLOCK 秒字節/ / 1 )/( . DSDS BLOCKMAX TkTnpTkT np f i p i i p i p i i f Ma

43、x ff Max fff BLOCKSELETEBYTE 111 一個字節多路通道連接一個字節多路通道連接D1D1、D2D2、D3D3、D4D4、D5D5共共5 5臺臺 設備，這些設備分別每設備，這些設備分別每10us10us、30us30us、30us30us、50us50us和和 75us75us向通道發出一次數據傳送的服務請求，請回答下向通道發出一次數據傳送的服務請求，請回答下 列問題：列問題： (1) (1) 計算這個字節多路通道的實際流量和工作周期。計算這個字節多路通道的實際流量和工作周期。 （2 2）畫出通道分時為各個設備服務的時間關系圖。）畫出通道分時為各個設備服務的時間關系圖。

44、 （高速設備請求的響應優先級高）（高速設備請求的響應優先級高） （3 3）從時間關系圖上發現什么問題？如何解決？）從時間關系圖上發現什么問題？如何解決？ 解：解：（1 1）該通道的實際流量為：）該通道的實際流量為： sMB sMBf byte /2.0 / 75 1 50 1 30 1 30 1 10 1 ）（ 該通道的工作周期為：該通道的工作周期為： byteus f t byte byte /5 1 通道處理完各設備這個第一次請求的時間如下：通道處理完各設備這個第一次請求的時間如下： D1: 5us;D1: 5us;D2: 10us;D2: 10us; D3: 20us;D3: 20us; D4: 30usD4: 30us 設備設備D5D5的第一次請求沒有得到響應，數據丟失，直到的第一次請求沒有得到響應，數據丟失，直到 85us85us才對設備才對設備D5D5的服務請求進行響應的服務請求進行響應 。 010203040506070 D1 D2 D3 D4 D5 （2） （3 3）問題分析：）問題分析： 當字節多路通道的最大流量與實際很接近時，雖當字節多路通道的最大流量與實際很接近時，雖 然在宏觀上保證通道流量平衡，不會丟失數據，但然在宏觀上保證通道流量平衡，不會丟失數據，但 傳輸速度高的設備將因頻繁發出請求而影響低速設傳輸速度高的設備將因頻繁發出請求而影響低速設 備的請求服務