第四章輸入輸出系統(tǒng)上海大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院本章內(nèi)容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)4.1輸入輸出原理處理機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中所需要的程序和數(shù)據(jù)要從外部輸入，運(yùn)算結(jié)果要輸出到外部去外部：處理機(jī)以外的需要與處理機(jī)交換信息的人和物。包括：本地和遠(yuǎn)程用戶、系統(tǒng)操作員、操作控制臺(tái)、輸入輸出設(shè)備、輔助存儲(chǔ)器、其他處理機(jī)、各種通信設(shè)備和虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)等。人通過(guò)各種設(shè)備來(lái)訪問(wèn)處理機(jī)把人以外的各種設(shè)備統(tǒng)稱為輸入輸出設(shè)備，或外圍設(shè)備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。實(shí)際上，運(yùn)算器、控制器、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)中最具多樣性和復(fù)雜性的部分輸入輸出設(shè)備的品種、功能、技術(shù)指標(biāo)輸入輸出系統(tǒng)涉及到機(jī)、光、電、磁、聲、自動(dòng)控制等多種學(xué)科輸入輸出系統(tǒng)的復(fù)雜性隱藏在系統(tǒng)軟件中，用戶無(wú)需了解輸入輸出設(shè)備的具體細(xì)節(jié)輸入輸出系統(tǒng)最典型地反映了硬件和軟件的相互結(jié)合處理機(jī)與外部的聯(lián)系：輸入輸出系統(tǒng)的特點(diǎn)集中反映在異步性、實(shí)時(shí)性和與設(shè)備無(wú)關(guān)性三項(xiàng)基本要求上，它們對(duì)輸入輸出系統(tǒng)的組織產(chǎn)生決定性影響1.實(shí)時(shí)性處理機(jī)必須按照不同設(shè)備所要求的傳送方式和傳輸速率及時(shí)為設(shè)備提供服務(wù)。對(duì)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對(duì)于一般輸入輸出設(shè)備，如果處理機(jī)提供的服務(wù)不及時(shí)，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)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，如果處理機(jī)提供的服務(wù)不及時(shí)，可能造成巨大的損失，甚至造成人身傷害對(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)必須及時(shí)處理2.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)外圍設(shè)備選擇其中的一種標(biāo)準(zhǔn)接口與處理機(jī)進(jìn)行連接。連接到同一接口上的不同設(shè)備之間的差異由設(shè)備本身的控制器通過(guò)軟件和硬件來(lái)填補(bǔ)處理機(jī)無(wú)需了解各種外圍設(shè)備特定的具體工作細(xì)節(jié)，可以采用統(tǒng)一的硬件和軟件對(duì)品種繁多的設(shè)備進(jìn)行管理。計(jì)算機(jī)的使用者只需通過(guò)操作系統(tǒng)提供的高級(jí)命令或程序請(qǐng)求來(lái)使用各種外圍設(shè)備某些計(jì)算機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了即插即用技術(shù)3.異步性外圍設(shè)備通常不使用統(tǒng)一的中央時(shí)鐘，各個(gè)設(shè)備按照自己的時(shí)鐘工作，但又要在某些時(shí)刻接受處理機(jī)的控制準(zhǔn)備與處理機(jī)通信時(shí)，要向處理機(jī)提出申請(qǐng)。造成輸入輸出相對(duì)于處理機(jī)的異步性和時(shí)間上的任意性當(dāng)一個(gè)處理機(jī)管理多個(gè)外圍設(shè)備時(shí)，必須做到兩次任意的處理機(jī)與外圍設(shè)備通信之間，處理機(jī)仍能夠全速運(yùn)行它本身的程序，或者管理其它外圍設(shè)備，從而保證處理機(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，無(wú)需相互等待。必須引入中斷輸入輸出方式和直接存儲(chǔ)器存取(DMA)方式異步性體現(xiàn)了輸入輸出系統(tǒng)相對(duì)于處理機(jī)的獨(dú)立自主關(guān)系實(shí)時(shí)性反映了按照不同設(shè)備的響應(yīng)時(shí)間的不同要求，劃分和實(shí)現(xiàn)輸入輸出系統(tǒng)內(nèi)部不同功能之間的關(guān)系與設(shè)備無(wú)關(guān)性體現(xiàn)了輸入輸出系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化接口與非標(biāo)準(zhǔn)外圍設(shè)備之間的關(guān)系針對(duì)異步性，采用自治控制的方法針對(duì)實(shí)時(shí)性，采用層次結(jié)構(gòu)的方法針對(duì)與設(shè)備無(wú)關(guān)性，采用分類處理的方法4.1.2輸入輸出系統(tǒng)的組織方式1.自治控制輸入輸出系統(tǒng)是獨(dú)立于處理機(jī)之外的自治系統(tǒng)。外圍設(shè)備本身能夠擔(dān)負(fù)許多輸入輸出功能，只在某些必要時(shí)刻才要求處理機(jī)給予服務(wù)自治控制實(shí)際上是將外圍設(shè)備所要完成的功能進(jìn)行分配，最大限度的減少處理器的負(fù)擔(dān)，盡量由設(shè)備控制器通過(guò)自身的硬件和軟件完成2.層次結(jié)構(gòu)在外圍設(shè)備比較多的情況下，輸入輸出系統(tǒng)采用層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行組織靠近處理機(jī)和主存儲(chǔ)器的最高層是輸入輸出處理機(jī)或輸入輸出通道中間層是標(biāo)準(zhǔn)接口標(biāo)準(zhǔn)接口通過(guò)設(shè)備控制器與輸入輸出設(shè)備連接外圍設(shè)備按照工作方式和速度進(jìn)行分類，不同類型的設(shè)備連接到不同的輸入輸出處理機(jī)或通道上3.分類組織輸入輸出系統(tǒng)根據(jù)各種外圍設(shè)備的不同性質(zhì)分類進(jìn)行組織按照工作速度分類：面向字符的設(shè)備：字符終端、打字機(jī)等面向數(shù)據(jù)塊的設(shè)備：磁盤、磁帶、光盤等4.1.3基本輸入輸出方式外圍設(shè)備根據(jù)其工作速度、工作方式和工作性質(zhì)的不同，采用不同的輸入輸出方式1.程序控制輸入輸出方式又稱：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)輸入輸出方式例：從鍵盤輸入一個(gè)字符到處理機(jī)，再將字符輸出到顯示器上的工作過(guò)程DONE=1，鍵盤已經(jīng)輸入一個(gè)字符到設(shè)備緩沖寄存器READY=1，輸出設(shè)備(顯示器)緩沖寄存器為空，可以接收CPU送來(lái)的數(shù)據(jù)程序控制輸入輸出方式的4個(gè)特點(diǎn)：何時(shí)對(duì)何設(shè)備進(jìn)行輸入輸出操作完全受CPU控制外圍設(shè)備與CPU處于異步工作狀態(tài)。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)，如空閑、準(zhǔn)備就緒、忙碌等數(shù)據(jù)的輸入和輸出都要經(jīng)過(guò)CPU。外圍設(shè)備每發(fā)送或接收一個(gè)數(shù)據(jù)都要有CPU執(zhí)行相應(yīng)的指令才能完成用于連接低速外圍設(shè)備，如終端、打印機(jī)等例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)的工作速度每秒100個(gè)字符，求處理機(jī)的利用率解：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4千萬(wàn)分之一一個(gè)處理機(jī)管理多臺(tái)外部設(shè)備：每臺(tái)外圍設(shè)備設(shè)置數(shù)據(jù)緩沖寄存器、狀態(tài)寄存器或控制寄存器外圍設(shè)備并行工作，處理機(jī)采用輪流循環(huán)測(cè)試法，分時(shí)為各臺(tái)外圍設(shè)備服務(wù)只要處理機(jī)對(duì)所有設(shè)備測(cè)試一個(gè)循環(huán)花費(fèi)的時(shí)間小于最快設(shè)備的工作周期，所有外圍設(shè)備就能夠正確地并行工作程序控制輸入輸出方式優(yōu)點(diǎn)：靈活性好，容易改變各臺(tái)外圍設(shè)備的優(yōu)先級(jí)缺點(diǎn)：在一般情況下不能實(shí)現(xiàn)處理機(jī)與外圍設(shè)備并行工作2.中斷輸入輸出方式當(dāng)輸入輸出設(shè)備已經(jīng)閑置或準(zhǔn)備就緒時(shí)，主動(dòng)向CPU發(fā)出服務(wù)請(qǐng)求；CPU每執(zhí)行完一條指令后都要測(cè)試是否有外圍設(shè)備的中斷請(qǐng)求。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，或者雖然事先安排的，但出現(xiàn)在現(xiàn)行程序的什么地方是事先不知道的事件時(shí)，CPU暫停執(zhí)行現(xiàn)行程序，轉(zhuǎn)去處理這些事件，等處理完成后再返回來(lái)繼續(xù)執(zhí)行原先的程序中斷輸入輸出方式的特點(diǎn):CPU與外圍設(shè)備能夠并行工作能夠處理例外事件，如電源掉電、非法指令、數(shù)據(jù)溢出等數(shù)據(jù)的輸入和輸出都要經(jīng)過(guò)CPU用于連接低速外圍設(shè)備3.直接存儲(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，光盤輔助存儲(chǔ)器，行式打印機(jī)等必須在外圍設(shè)備與主存儲(chǔ)器之間建立直接數(shù)據(jù)通路DMA方式具有如下特點(diǎn)：外圍設(shè)備的訪問(wèn)請(qǐng)求直接發(fā)往主存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)的傳送過(guò)程不需要CPU的干預(yù)全部用硬件實(shí)現(xiàn)，不需要做保存現(xiàn)場(chǎng)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)等工作DMA控制器復(fù)雜，需要設(shè)置數(shù)據(jù)寄存器、設(shè)備狀態(tài)控制寄存器、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)器及控制邏輯等在DMA方式開始和結(jié)束時(shí)，需要CPU進(jìn)行管理DMA輸入設(shè)備的工作流程：從輸入設(shè)備中讀一個(gè)字節(jié)或字到DMA控制器中的數(shù)據(jù)緩沖寄存器BD中。如果輸入設(shè)備是面向字符的，則要把讀入的字節(jié)裝配成字若一個(gè)字還未裝滿，則返回上面；若校驗(yàn)出錯(cuò)，則發(fā)中斷申請(qǐng)；若一個(gè)字已經(jīng)裝滿，則將BD中的數(shù)據(jù)送入主存數(shù)據(jù)寄存器把主存地址寄存器BA(在DMA控制器中)中的地址送入主存數(shù)據(jù)地址寄存器，并將BA中的主存地址增至下一個(gè)字地址把DMA控制器內(nèi)的數(shù)據(jù)交換個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)器BC的內(nèi)容減1若BC中的值為0，則DMA數(shù)據(jù)傳送過(guò)程結(jié)束，否則返回到最上面繼續(xù)進(jìn)行DMA輸出設(shè)備的工作流程：把主存地址寄存器BA(在DMA控制器中)中的地址送入主存地址寄存器，并啟動(dòng)主存儲(chǔ)器，同時(shí)將BA中的地址增至下一個(gè)字地址將主存數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)送入DMA控制器的數(shù)據(jù)緩沖寄存器BD中。如果輸出設(shè)備是面向字符的，則要把BD中的數(shù)據(jù)拆卸字符把BD中數(shù)據(jù)逐個(gè)字符或整個(gè)字寫到輸出介質(zhì)上把DMA控制器內(nèi)的數(shù)據(jù)交換個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)器BC中的內(nèi)容減1若 BC的計(jì)數(shù)值為0，則整個(gè)DMA數(shù)據(jù)傳送過(guò)程全部結(jié)束，否則返回最上面繼續(xù)進(jìn)行目前使用的DMA方式有如下兩種：1.周期竊取方式在每條指令執(zhí)行結(jié)束時(shí)，CPU測(cè)試是否有DMA服務(wù)申請(qǐng)，如果有，CPU進(jìn)入一個(gè)DMA周期借用CPU完成DMA工作流程，包括數(shù)據(jù)和主存地址傳送，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)試判斷等主存儲(chǔ)器可以不與外圍設(shè)備直接連接，而與CPU連接不同點(diǎn)：不需要使用程序來(lái)完成數(shù)據(jù)的輸入和輸出，只是借用了一個(gè)CPU周期來(lái)完成DMA流程優(yōu)點(diǎn)：硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)缺點(diǎn)：在輸入輸出過(guò)程實(shí)際上占用了CPU時(shí)間2.直接存取方式真正的DMA工作方式DMA控制器的數(shù)據(jù)傳送申請(qǐng)不是發(fā)往CPU，而是發(fā)往主存整個(gè)DMA工作過(guò)程全部由DMA控制器硬件完成直接存取方式的優(yōu)缺點(diǎn)正好與周期竊取方式相反目前的多數(shù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用直接存取方式本章內(nèi)容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)4.2中斷系統(tǒng)4.2.1中斷源的組織4.2.2中斷系統(tǒng)的軟硬件分配4.2.3中斷現(xiàn)場(chǎng)的保存和恢復(fù)4.2.4中斷屏蔽4.2.1中斷源的組織中斷系統(tǒng)需要硬件和軟件共同實(shí)現(xiàn)引起中斷的各種事件稱為中斷源中斷系統(tǒng)的復(fù)雜性實(shí)際上主要是由中斷源的多樣性引起的中斷源本身可以來(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)中斷后處理機(jī)能盡快找到中斷入口，及時(shí)為中斷源提供服務(wù)根據(jù)中斷事件的緊迫程度、中斷源工作速度、中斷源性質(zhì)等進(jìn)行分類為每一類中斷源分配一個(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3.中斷優(yōu)先級(jí)在中斷源較多時(shí)，很可能同時(shí)發(fā)生多個(gè)終端請(qǐng)求，CPU必須安排一個(gè)響應(yīng)和處理中斷的優(yōu)先順序中斷優(yōu)先級(jí)由下列因素確定：中斷源的緊迫性：最為緊迫的事件優(yōu)先級(jí)最高設(shè)備的工作速度：快速設(shè)備的優(yōu)先級(jí)較高數(shù)據(jù)恢復(fù)的難以程度：數(shù)據(jù)丟失后無(wú)法恢復(fù)的設(shè)備的優(yōu)先級(jí)較高要求處理機(jī)提供的服務(wù)量：能夠大部分時(shí)間內(nèi)獨(dú)立工作而較少需要CPU干預(yù)的事件的優(yōu)先級(jí)較高中斷優(yōu)先級(jí)和中斷服務(wù)順序中斷優(yōu)先級(jí)由硬件的排隊(duì)器實(shí)現(xiàn)。當(dāng)多個(gè)中斷源同時(shí)請(qǐng)求中斷服務(wù)時(shí)，中斷的響應(yīng)次序是固定的處理機(jī)在執(zhí)行某一級(jí)別的中斷服務(wù)程序時(shí)，只有比它高級(jí)別的中斷源的請(qǐng)求能夠中斷其服務(wù)程序通過(guò)軟件設(shè)置中斷屏蔽碼能夠改變中斷服務(wù)順序要求：響應(yīng)速度快，靈活性好4.2.2中斷系統(tǒng)的軟硬件功能分配從中斷源發(fā)出中斷服務(wù)請(qǐng)求，到這個(gè)請(qǐng)求被處理機(jī)響應(yīng)并全部處理完成，其過(guò)程非常復(fù)雜有些功能必須用硬件完成，有些功能必須用軟件完成。而大部分功能既能用硬件完成，又能用軟件完成恰當(dāng)分配中斷系統(tǒng)的軟硬件功能，是中斷系統(tǒng)最關(guān)鍵的問(wèn)題中斷系統(tǒng)中軟硬件功能分配考慮2個(gè)因素：中斷響應(yīng)時(shí)間從某一個(gè)中斷源發(fā)出中斷服務(wù)請(qǐng)求到處理機(jī)響應(yīng)這個(gè)中斷源的中斷服務(wù)請(qǐng)求，并開始執(zhí)行這個(gè)中斷源的中斷服務(wù)程序所用的這一段時(shí)間中斷響應(yīng)時(shí)間是整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵性指標(biāo)靈活性用硬件實(shí)現(xiàn)速度快，靈活性差用軟件實(shí)現(xiàn)速度慢，靈活性好“保存中斷點(diǎn)”和“轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序入口”必須由硬件完成“執(zhí)行中斷服務(wù)程序”和“返回中斷點(diǎn)”必須由軟件完成3.中斷響應(yīng)時(shí)間從一個(gè)中斷源向處理機(jī)發(fā)出中斷服務(wù)請(qǐng)求開始，到處理機(jī)實(shí)際開始執(zhí)行這個(gè)中斷源的中斷服務(wù)程序?yàn)橹褂绊懼袛囗憫?yīng)時(shí)間的因素：1.最長(zhǎng)指令執(zhí)行時(shí)間：一般在指令執(zhí)行期間不允許中斷有些指令執(zhí)行時(shí)間很長(zhǎng)，甚至無(wú)法預(yù)測(cè)中斷源的中斷請(qǐng)求是隨機(jī)的最壞情況是最長(zhǎng)指令的執(zhí)行時(shí)間2.在一條指令執(zhí)行完成后，處理其它更緊急的任務(wù)所用的時(shí)間如采用周期竊取式工作的DMA服務(wù)請(qǐng)求3.從第一次“關(guān)CPU中斷”到第一次“開CPU中斷”所經(jīng)歷的時(shí)間中斷系統(tǒng)的軟件與硬件功能分配，主要就是考慮這一段內(nèi)所要作的事情用硬件實(shí)現(xiàn)還是用軟件實(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4個(gè)影響中斷響應(yīng)時(shí)間的因素中，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，第3部分是中斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮的問(wèn)題4.2.3中斷現(xiàn)場(chǎng)的保存和恢復(fù)程序計(jì)數(shù)器PC，必須由硬件完成保存處理機(jī)狀態(tài)字、堆棧指針、基值寄存器、中斷屏蔽碼

保存與恢復(fù)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)字軟件現(xiàn)場(chǎng)：在中斷服務(wù)程序中被破壞的通用寄存器

一般采用軟件保存和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，指令系統(tǒng)給予適當(dāng)支持4.2.4中斷屏蔽設(shè)置中斷屏蔽有3個(gè)用處：在中斷優(yōu)先級(jí)由硬件確定了的情況下，改變中斷源的中斷服務(wù)順序決定設(shè)備是否采用中斷方式工作在多處理機(jī)系統(tǒng)中，把外圍設(shè)備的服務(wù)工作分配到不同的處理機(jī)中中斷屏蔽的實(shí)現(xiàn)方法主要有2種：

1.每級(jí)中斷源設(shè)置一個(gè)中斷屏蔽位，當(dāng)中斷屏蔽位為1，對(duì)應(yīng)的中斷源不能請(qǐng)求中斷服務(wù)，為0則相反中斷源中斷優(yōu)先級(jí)正常的中斷屏蔽碼D1D2D3D4D5改變后的中斷屏蔽碼D1D2D3D4D5D111111110000D220111101000D330011110100D440001111011D550000111101例4.4.

5個(gè)中斷源D1,D2,D3,D4和D5，中斷優(yōu)先級(jí)從高到低依次是1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)、4級(jí)和5級(jí)。這些中斷源的中斷優(yōu)先級(jí)、正常情況下的中斷屏蔽碼和改變后的中斷屏蔽碼見下表：1.當(dāng)使用正常的中斷屏蔽碼時(shí)，處理機(jī)響應(yīng)各中斷源的中斷服務(wù)請(qǐng)求的先后次序是什么？實(shí)際的中斷處理次序是什么？2.當(dāng)使用改變后的中斷屏蔽碼時(shí)，處理機(jī)響應(yīng)各中斷源的中斷服務(wù)請(qǐng)求的先后次序是什么？當(dāng)5個(gè)中斷源同時(shí)請(qǐng)求中斷服務(wù)時(shí)，畫出處理機(jī)實(shí)際運(yùn)行中斷服務(wù)程序過(guò)程的示意圖3.假設(shè)從處理機(jī)響應(yīng)中斷源的中斷服務(wù)請(qǐng)求開始，到運(yùn)行中斷服務(wù)程序中第一次開中斷所用的時(shí)間為1個(gè)單位時(shí)間，處理機(jī)運(yùn)行中斷服務(wù)程序的其他部分所用的時(shí)間是4個(gè)單位時(shí)間。當(dāng)處理機(jī)在執(zhí)行主程序時(shí)，中斷源D3,D4和D5同時(shí)發(fā)出中斷服務(wù)請(qǐng)求，過(guò)3個(gè)單位之間之后，中斷源D1和D2同時(shí)發(fā)出中斷請(qǐng)求。采用改變后的中斷屏蔽碼，畫出處理機(jī)響應(yīng)各中斷源的中斷服務(wù)請(qǐng)求和實(shí)際運(yùn)行中斷服務(wù)程序過(guò)程的示意圖例4.5.某處理機(jī)有4個(gè)中斷源，分別是D1,D2,D3和D4。要求處理機(jī)響應(yīng)中斷源的中斷服務(wù)請(qǐng)求的次序從高到低為D1,D2,D3,D4，而處理機(jī)實(shí)際為各中斷源服務(wù)的先后次序?yàn)镈3,D2,D4,D1。每個(gè)中斷源有4為中斷屏蔽碼，其中“0”表示該中斷源被屏蔽，“1”表示該中斷源被開放1.請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)中斷源的中斷優(yōu)先級(jí)和中斷屏蔽碼2.如果處理機(jī)在運(yùn)行主程序時(shí)，同時(shí)有D1和D2兩個(gè)中斷源請(qǐng)求中斷服務(wù)，而在運(yùn)行中斷源D2的中斷服務(wù)程序的過(guò)程中，中斷源D3和D4又同時(shí)請(qǐng)求中斷服務(wù)，請(qǐng)畫出處理機(jī)響應(yīng)各中斷源的中斷服務(wù)請(qǐng)求和實(shí)際運(yùn)行中斷服務(wù)程序過(guò)程的示意圖2.改變處理機(jī)優(yōu)先級(jí)（不考）中斷優(yōu)先級(jí)→中斷響應(yīng)優(yōu)先級(jí)→硬件優(yōu)先級(jí)中斷服務(wù)程序優(yōu)先級(jí)→處理機(jī)優(yōu)先級(jí)→軟件優(yōu)先級(jí)例4.6.一臺(tái)處理機(jī)共有D1,D2,D3,D4和D5共5個(gè)中斷源，它們的硬件優(yōu)先級(jí)和在中斷源的處理機(jī)狀態(tài)字中由程序員設(shè)置的軟件中斷優(yōu)先級(jí)見下表。處理機(jī)在運(yùn)行主程序時(shí)，中斷優(yōu)先級(jí)最低為0級(jí)。中斷源硬件中斷優(yōu)先級(jí)軟件中斷優(yōu)先級(jí)D17（最高）4D265D357D446D5351.處理機(jī)狀態(tài)字中的中斷優(yōu)先級(jí)碼的位數(shù)？2.當(dāng)處理機(jī)正在執(zhí)行主程序時(shí)，5個(gè)中斷源同時(shí)請(qǐng)求中斷服務(wù)，畫出處理機(jī)實(shí)際響應(yīng)中斷源的中斷服務(wù)請(qǐng)求和運(yùn)行中斷服務(wù)程序過(guò)程的示意圖。課堂作業(yè)：各級(jí)中斷處理程序的中斷屏蔽碼如下。中斷響應(yīng)優(yōu)先次序從高到低依次是：D1，D2，D3，D4。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(guò)2個(gè)單位時(shí)間后，又同時(shí)發(fā)生第1、4級(jí)中斷請(qǐng)求，試畫出中斷運(yùn)行過(guò)程示意圖中斷源中斷屏蔽碼(0表示屏蔽，1表示開放)D1D2D3D4D10000D21011D31000D41010本章內(nèi)容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)4.3通道處理機(jī)把外圍設(shè)備的管理工作從CPU中分離出來(lái)主要用于IBM公司研制的機(jī)器中4.5.1通道的作用和功能4.5.2通道的工作過(guò)程4.5.3通道的種類4.5.4通道中的數(shù)據(jù)傳送過(guò)程4.5.5通道流量分析處理機(jī)與外圍設(shè)備的連接方式直接連接：外圍設(shè)備較少時(shí)通道處理機(jī)輸入輸出處理機(jī)4.3.1通道的功能和作用4.3.2通道的工作過(guò)程4.3.3通道的種類1.字節(jié)多路通道為多臺(tái)低速或中速的外圍設(shè)備服務(wù)分時(shí)方式：依靠通道與CPU之間的高速數(shù)據(jù)通路分時(shí)為多臺(tái)設(shè)備服務(wù)字節(jié)交叉方式：各個(gè)設(shè)備在它所分得的時(shí)間片(100微秒)內(nèi)與通道在邏輯上建立不同的傳輸連接成組方式：設(shè)備與通道的連接可以根據(jù)需要維持到一組數(shù)據(jù)全部完成2.選擇通道為高速外圍設(shè)備服務(wù)一段時(shí)間內(nèi)單獨(dú)為一臺(tái)外圍設(shè)備服務(wù)可以認(rèn)為是只有一個(gè)以成組方式工作的子通道，只有一套完整的硬件，逐個(gè)為幾臺(tái)高速外圍設(shè)備服務(wù)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，并輪流為多臺(tái)外圍設(shè)備服務(wù)可以看成是：成組方式工作的高速多路通道從磁盤存儲(chǔ)器讀出文件的過(guò)程分為三步：定位、找扇區(qū)、讀出數(shù)據(jù)數(shù)組多路通道在向一臺(tái)外圍設(shè)備發(fā)出定位命令后就立即從邏輯上與該設(shè)備斷開，直到定位完成時(shí)再進(jìn)行連接；同理，在發(fā)出找扇區(qū)命令后再一次斷開，直到開始數(shù)據(jù)傳送。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)備可以再定位或者在找扇區(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率大幅提高，控制硬件的復(fù)雜度也提高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)程選擇通道的數(shù)據(jù)傳送過(guò)程數(shù)組多路通道的數(shù)據(jù)傳送過(guò)程4.3.5通道的流量分析通道流量：通道數(shù)據(jù)傳輸率，通道吞吐率指一個(gè)通道在數(shù)據(jù)傳送期間，單位時(shí)間內(nèi)能夠傳送的最大數(shù)據(jù)量(字節(jié))通道最大流量：一個(gè)通道在滿負(fù)荷工作狀態(tài)下的流量字節(jié)多路通道的實(shí)際流量是連接在通道上的所有設(shè)備傳輸速率之和選擇通道和數(shù)組多路通道的實(shí)際流量是連接在通道上的所有設(shè)備中數(shù)據(jù)流量最大的那一設(shè)備的傳輸速率三種通道的最大流量公式：三種通道的最大流量公式：處理完設(shè)備D1的第一次請(qǐng)求的時(shí)刻為5微秒處理完設(shè)備D2的第一次請(qǐng)求的時(shí)刻為10微秒處理完設(shè)備D3的第一次請(qǐng)求的時(shí)刻為20微秒處理完設(shè)備D4的第一次請(qǐng)求的時(shí)刻為30微秒設(shè)備D5的第一次請(qǐng)求沒有得到通道響應(yīng)，直到第85微秒才開始響應(yīng)設(shè)備D5的服務(wù)請(qǐng)求，此時(shí)，D5已經(jīng)發(fā)出了兩個(gè)傳送數(shù)據(jù)的服務(wù)請(qǐng)求，因此，第一次傳送的數(shù)據(jù)有可能丟失當(dāng)字節(jié)多路通道的最大流量和所有設(shè)備的數(shù)據(jù)流量之和相等時(shí)，雖然能夠在宏觀上保證通道平衡，不丟失數(shù)據(jù)，但是由于傳輸速度高的設(shè)備頻繁發(fā)出服務(wù)請(qǐng)求，且能優(yōu)先得到通道的響應(yīng)和服務(wù)，某些低速設(shè)備可能在比較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)得不到通道的響應(yīng)例4.6.一個(gè)字節(jié)多路通道連接有4臺(tái)外圍設(shè)備，每臺(tái)設(shè)備發(fā)出輸入輸出服務(wù)請(qǐng)求的時(shí)間間隔，它們的服務(wù)優(yōu)先級(jí)和發(fā)出第一次服務(wù)請(qǐng)求的時(shí)刻如下表：設(shè)備名稱D1D2D3D4發(fā)服務(wù)請(qǐng)求間隔10微秒75微秒15微秒50微秒服務(wù)優(yōu)先級(jí)1(最高)423發(fā)出第一次請(qǐng)求時(shí)刻0微秒70微秒10微秒20微秒(1)計(jì)算這個(gè)字節(jié)多路通道的實(shí)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(shí)間為3微秒，傳送一個(gè)字節(jié)的時(shí)間為2微秒，畫出這個(gè)字節(jié)多路通道響應(yīng)各設(shè)備請(qǐng)求和為設(shè)備服務(wù)的時(shí)間關(guān)系圖(3)從(2)的時(shí)間關(guān)系圖中，計(jì)算通道處理完成各設(shè)備第一次服務(wù)請(qǐng)求的時(shí)刻(4)從(2)畫出的時(shí)間關(guān)系圖中看，這個(gè)字節(jié)多路通道能否正常工作(即不丟失數(shù)