1、2022-5-1第三章 總線中斷與輸入輸出系統1計算機系統結構第三章第三章 總線中斷與輸入輸出系統總線中斷與輸入輸出系統2022-5-1第三章 總線中斷與輸入輸出系統2概 述本章著重講述輸入輸出系統基本概念；總線設計；中斷的分類與分級；中斷響應次序；中斷處理次序；IO系統中的通道處理機工作原理和流量設計；2022-5-1第三章 總線中斷與輸入輸出系統3本章的基本要求關于中斷系統的基本要求領會為什么要將中斷源分成不同的類和級；領會設置中斷級屏蔽位的作用；掌握中斷嵌套的基本原則。熟練掌握按所要求的中斷處理次序來設置各中斷處理程序中中斷級屏蔽位的狀態，并正確畫出發生多種中斷級請求時，CPU執行程序時

2、的狀態轉移過程示意圖。2022-5-1第三章 總線中斷與輸入輸出系統4本章的基本要求關于通道處理機的基本要求了解采用通道處理機的目的。掌握字節多路、數組多路和選擇三類通道的工作原理；了解三種通道各自的適用場合。熟練掌握通道處理機和IO系統的流量設計與分析。掌握字節多路通道流量的計算和通道工作周期的設計，能畫出通道處理機響應和處理完各外設請求的時間空間示意圖。2022-5-1第三章 總線中斷與輸入輸出系統5本章的重點和難點本章的重點是：如何按中斷處理優先次序的要求，設置各中斷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；通道的流量設計；畫出字節多路通道響應和處理完各外部設備請求的時

3、空圖。本章的難點是：無2022-5-1第三章 總線中斷與輸入輸出系統6一、中斷系統1 基本概念中斷：CPU中止正在執行的程序，轉去處理隨機提出的請求，處理完，在返回剛才的程序繼續執行，這個過程叫中斷。中斷系統：響應和處理各種中斷的軟硬件總體。中斷源：引起中斷的各種事件。中斷請求：中斷源向中斷系統發出請求中斷的申請。中斷響應：允許CPU 中止正在執行的程序，轉去處理引起中斷的各種事件。中斷處理是通過具體執行中斷服務程序來對中斷源進行處理的過程。2022-5-1第三章 總線中斷與輸入輸出系統7一、中斷系統2 中斷的分類和分級 一般的高性能系統，系統的中斷源個數可能多達數十甚至數百個，為簡化硬件的復

4、雜度，宜將性質接近的中斷源分成類。 不同類的中斷，就要根據中斷類的性質、緊迫性、全局性、重要性及軟件處理的方便性等，再將它們分成不同的中斷響應優先級，讓級別高的中斷類能優先得到響應。2022-5-1第三章 總線中斷與輸入輸出系統8一、中斷系統2 中斷的分類和分級一般在安排中斷類響應的優先級時，采用如下方式：第1級：機器校驗類中斷；第2級：程序性中斷和管理程序調用類中斷；第3級：外部中斷；第4級：輸入輸出類中斷；第5級：重新啟動中斷。優先級最高優先級最低2022-5-1第三章 總線中斷與輸入輸出系統9一、中斷系統3 中斷嵌套的原則中斷嵌套指的是新的中斷請求中斷了CPU正在執行的中斷處理程序。中斷

5、嵌套的原則：正在執行的中斷處理程序，應當屏蔽與之同級或比之低級的中斷請求。用戶程序的級別最低，任何中斷請求都能中斷用戶程序的運行；中斷處理程序結束后，啟用“從哪里來回那里去”機制。2022-5-1第三章 總線中斷與輸入輸出系統10一、中斷系統4 中斷處理次序 為了能動態地調節中斷處理程序實際執行完的次序，即中斷處理次序，在中斷級請求源與中斷響應排隊器的入口端之間又加設了一個中斷級屏蔽位寄存器和相應的控制門電路硬件。中斷源CPU中斷屏蔽位控制器排隊器12345100102352 3 52022-5-1第三章 總線中斷與輸入輸出系統11一、中斷系統4 中斷處理次序 中斷級屏蔽字寄存器中的每一個中斷

6、級屏蔽位可以控制讓相應等級的中斷請求能否進入中斷響應排隊器去參加排隊。只要能進入中斷響應排隊器的中斷請求，總是讓其中級別相對高的優先得到響應。中斷源CPU中斷屏蔽位控制器排隊器12345100102352 3 5“0”表示屏蔽“1”表示開放。2022-5-1第三章 總線中斷與輸入輸出系統12一、中斷系統4 中斷處理次序 操作系統可以根據CPU正在執行的程序來修改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。設中斷處理次序為：5 2 3 1 4中斷源CPU中斷屏蔽位控制器排隊器12345100102352 3 52022-5-1第三章 總線中斷與輸入輸出系統13一、中斷系統中

7、斷系統的解題關鍵兩個次序一個原則一個錦囊2022-5-1第三章 總線中斷與輸入輸出系統14一、中斷系統5 中斷屏蔽位舉例中斷處理程序級別中斷級屏蔽位1級 2級 3級 4級第1級0000第2級1011第3級1001第4級1000“0”表示屏蔽“1”表示開放。處理次序：1-4-3-2 用戶程序 中斷處理程序 1 2 3 42022-5-1第三章 總線中斷與輸入輸出系統15一、中斷系統6 中斷系統應用題1）機器有五級中斷，中斷響應次序為1-2-3-4-5，現要求中斷處理次序為2-3-1-5-4 。設計各級中斷處理程序的中斷級屏蔽位，令“0”表示開放，“1”表示屏蔽；若在運行用戶程序時，同時發生1、3

8、級中斷請求，而在1級中斷服務尚未完成時，又發生2、3、4、5級中斷，請畫出處理機執行程序的全過程示意圖。2022-5-1第三章 總線中斷與輸入輸出系統16一、中斷系統中斷處理程序級別中斷級屏蔽位1級 2級 3級 4級 5級第1級10011第2級11111第3級10111第4級00010第5級00011中斷處理程序級別中斷級屏蔽位1級2級3級4級5級第1級第2級第3級第4級第5級2022-5-1第三章 總線中斷與輸入輸出系統17一、中斷系統2）機器有五級中斷，中斷級屏蔽位“1”表示開放，“0”表示屏蔽；中斷響應次序為1-2-3-4-5，各級中斷處理程序的中斷級屏蔽位設置如下表所示。中斷處理次序為

9、什么？若在運行用戶程序時，同時發生4、5級中斷請求，而在5級中斷服務尚未完成時，又發生1、2、3級中斷，請畫出處理機執行程序的全過程示意圖。中斷處理程序級別中斷級屏蔽位1級 2級 3級 4級 5級第1級00000第2級10111第3級10000第4級10101第5級101002022-5-1第三章 總線中斷與輸入輸出系統18一、中斷系統3）機器有五級中斷，中斷響應次序為1-2-3-4-5，現要求中斷處理次序為3-5-2-4-1 。設計各級中斷處理程序的中斷級屏蔽位，令“1”表示開放，“0”表示屏蔽；若在運行用戶程序時，同時發生4、5級中斷請求，而在5級中斷服務尚未完成時，又發生1、2、3級中斷

10、，請畫出處理機執行程序的全過程示意圖。2022-5-1第三章 總線中斷與輸入輸出系統19二、通道處理機1、通道處理機進行輸入/輸出的過程 在多用戶應用環境下，應用程序要想進行一次輸入/輸出，可在目態程序中安排要求進行輸入/輸出的訪管指令，并帶上所用之設備號、設備與主存要交換的字節數、與主存交換信息的起始地址等參數。 CPU執行到訪管指令時，按其提供的入口地址，將管理程序調出來執行。此管理程序的任務是利用所帶的參數來編制通道程序。 在通道程序編好且存入主存中某個通道緩沖區時，就置好相應的通道地址字。當管理程序執行到“啟動I/O”的管態指令時，發出啟動命令。當設備被成功啟動之后，CPU就退出管態，

11、返回目態去執行其它的用戶程序。此時，通道進入了“通道數據傳送”期。 被啟動的通道開始執行存放于通道緩沖區中的通道程序來具體組織I/O操作，完成了通道程序后，又向CPU發出I/O中斷請求。CPU在響應I/O中斷請求后，第二次進入管態，調出相應的管理程序，進行善后登記和處理后，又重新返回目態。這樣，一次輸入/輸出的過程中，CPU只需要二次進入管態，使之減少了輸入/輸出對目態程序的干擾，也使CPU和外部設備及多臺設備之間可以并行地工作。2022-5-1第三章 總線中斷與輸入輸出系統20二、通道處理機通道CPU目態（運行目態程序）管態（運行I/O管理程序）要求進行輸入/輸出的訪管指令編制通道程序運行存

12、放在主存中的通道程序組織I/O操作I/O操作結束后，向CPU發I/O中斷請求響應I/O中斷請求啟動I/O指令時間軸2022-5-1第三章 總線中斷與輸入輸出系統21二、通道處理機2、通道的分類及相應的數據寬度 在通道的數據傳送期內，根據信息傳送所采取的方式不同，通道又可被分為字節多路、數組多路和選擇3類。 設通道所連接的p臺設備均已啟動，且在數據傳送期內，選擇使用當前通道總線來傳送數據的設備所需要的時間為Ts，通道傳送一個字節數據所需要的時間為TD，則每臺設備都要傳送n個字節數據時的工作時間示意圖如下所示：2022-5-1第三章 總線中斷與輸入輸出系統22二、通道處理機 選中一臺設備后，設備只

13、傳送1字節數據就釋放總線； 各設備輪流傳送； 設備要傳送n字節數據，需經n次申請使用通道總線； t=np(Ts+TD) 適用于連接大量的低速設備； 通道的數據寬度為單字節。2022-5-1第三章 總線中斷與輸入輸出系統23二、通道處理機2022-5-1第三章 總線中斷與輸入輸出系統24二、通道處理機 選中一臺設備后，設備只傳送k字節成組數據，然后釋放總線； 各設備輪流傳送； 設備要傳送n字節數據，需經n/k次申請使用通道總線； t=p(Ts+kTD)n/k 適用于連接多臺高速設備，如磁盤，k=512B，一般地kn； 通道的數據寬度為k字節。2022-5-1第三章 總線中斷與輸入輸出系統25二、

14、通道處理機2022-5-1第三章 總線中斷與輸入輸出系統26二、通道處理機 選中一臺設備后，設備獨占通道，傳送外所有數據后釋放才總線； 各設備輪流傳送； 設備要傳送n字節數據，只需1次申請使用通道總線； t=p(Ts+nTD) 適用于連接優先級高的高速設備； 通道的數據寬度為n字節。2022-5-1第三章 總線中斷與輸入輸出系統27二、通道處理機2022-5-1第三章 總線中斷與輸入輸出系統28二、通道處理機3 通道的流量設計 通道流量是指通道在“通道數據傳送”期間，單位時間里傳送的字節數。 極限流量：通道所能達到的最大流量。 字節多路：fmax.bytel(Ts+TD) 數組多路: fmax

15、.blockk/(Ts+kTD)=1(TsK+TD) 選擇: fmax.selectn/(Ts+nTD)=1(Tsn+TD)2022-5-1第三章 總線中斷與輸入輸出系統29二、通道處理機如果通道上所掛n臺設備都被啟動，則設備對通道要求的實際流量分別為：字節多路通道的流量應當是所掛各臺設備的速率之和，即fbyte=f1+f2+fn數組多路通道和選擇通道的流量都是所掛設備中速率最高者，即fblock= max（ f1，f2，fn） fselect =max（ f1，f2，fn） 2022-5-1第三章 總線中斷與輸入輸出系統30二、通道處理機 為使通道所掛外部設備在滿負荷工作時仍不丟失信息，應使

16、設備要求通道的實際最大流量不能超過通道的極限流量，即流量設計應滿足的基本要求是： 字節多路：fbyte fmax.byte 數組多路：fblockfmax.block 選擇： fselectfmax.select2022-5-1第三章 總線中斷與輸入輸出系統31二、通道處理機例1 某字節交叉多路通道連接6臺設備，其數據傳送速率如下表所示。 (1)在表中填出設備相應二次請求傳送字節的間隔時間。 (2)當所有設備同時要傳送數據時，求其對通道要求的總流量fbyte。 (3)讓通道以極限流量fmaxbyte fbyte 的工作周期工作，通道的工作周期是多少? (4)讓通道中所掛設備速率越高的，數據傳送

17、請求被響應的優先級越高。畫出6臺設備同時發請求到下次同時發請求期間里，通道響應和處理完各設備請求時刻的示意圖。哪個設備丟失了信息?提出一種不丟失信息的解決辦法。2022-5-1第三章 總線中斷與輸入輸出系統32二、通道處理機設備號123456工作速率（B/ms）505040252510二次請求的間隔時間（s）設備號123456工作速率（B/ms）505040252510二次請求的間隔時間（s）20202540401002022-5-1第三章 總線中斷與輸入輸出系統33二、通道處理機例2 設通道在數據傳送期中，選擇設備需4.9s，傳送一個字節數據需0.1s。 (1)其低速設備每隔250s發出一個

18、字節數據傳送請求，問最多可接多少臺這種設備? (2)若有AE共5種高速設備，要求字節傳送的間隔時間如下表所示，其時間單位為s。若一次通信傳送的字節數不少于1024個字節，問哪些設備可掛在此通道上?哪些則不能?設 備ABCDE間隔時間(s)0.130.10.110.20.32022-5-1第三章 總線中斷與輸入輸出系統34二、通道處理機 2）有8臺外設，各設備要求傳送信息的工作速率分別如下表所示。設通道數據傳送其內，選擇一次設備需1/s，每傳送一個字節數據也需要1/s。現采用數組多路通道，定長塊大小為512B。 (1)通道工作時的極限流量是多少? (2)哪些設備可掛在此通道上?為什么? 設備號1

19、2345678工作速率（Kb/s）10004802001501008028202022-5-1第三章 總線中斷與輸入輸出系統35二、通道處理機3）有8臺外設，各設備要求傳送信息的工作速率分別如下表所示。現設計的通道，在數據傳送期，每選擇一次設備需2/s，每傳送一個字節數據也需要2/s 。 (1)若用作字節多路通道，通道工作的最高流量是多少? (2)作字節多路通道用時，希望同時不少于4臺設備掛在此通道上，最好多掛一些，且高速設備盡量多掛一些，請問應選哪些設備掛在此通道上?為什么? (3)若用作數組多路通道，通道工作的最高流量是多少?設定長塊大小取成512B。 (4)作數組多路通道用時，應選哪些設

20、備掛在此通道上?為什么?設備號ABCDEFGH工作速率（kB/s）50024010075504014102022-5-1第三章 總線中斷與輸入輸出系統36三、外圍處理機1 通道處理機的局限性通道處理機實際上并不能看成是獨立的處理機，原因如下：通道指令系統簡單；沒有大容量的存儲器；每次I/O操作前后需中斷CPU的現行程序，調用OS的管理程序為I/O操作服務；當外圍設備或通道處理機出現故障時，須通過中斷方式請求CPU來處理；對所傳數據的格式轉換、碼制轉換、正確性校驗等工作仍需CPU完成；文件管理、設備管理等操作系統的工作需要CPU來實現； 2022-5-1第三章 總線中斷與輸入輸出系統37三、外圍處理機2022-5-1第三章 總線中斷與輸入輸出系統38三、外圍處