第4章输入输出系统.ppt

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1、第4章输入输出系统 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望4.1 4.1 输入输出原理输入输出原理通通常常把把处处理理机机与与主主存存储储器器之之外外的的部部分分统统称称为为输输入入输输出出系系统统，包包括括输输入入输输出出设设备备、输输入入输输出出接接口口和和输输入入输输出软件出软件等。等。实实际际上上，运运算算器器、控控制制器器、主主存存储储器器和和总总线线等等也也要要通通过输入输出系统来管理。过输入输出系统来管理。4.1.1 4.1.1 输入输出系统

2、的特点输入输出系统的特点4.1.2 4.1.2 输入输出系统的组织方式输入输出系统的组织方式4.1.3 4.1.3 基本输入输出方式基本输入输出方式4.1.1 4.1.1 输入输出系统的特点输入输出系统的特点输入输出系统是处理机与外界进行数据交换的通道。输入输出系统是处理机与外界进行数据交换的通道。输入输出系统是计算机系统中最具多样性和复杂性的部分。输入输出系统涉及到机、光、电、磁、声、自动控制等多种学科。输入输出系统最典型地反映着硬件与软件的相互结合。输入输出系统的复杂性隐藏在系统软件中，用户无需了解输入输出设备的具体细节。处理机的外部世界包括：处理机的外部世界包括：处理机处理机 系统操作员

3、系统操作员本地或远程用户本地或远程用户实时输入输出实时输入输出输入输出设备输入输出设备虚拟现实系统虚拟现实系统其它处理机其它处理机本身出错处理本身出错处理程序请求程序请求1.1.实时性实时性对于一般输入输出设备,如果处理机提供的服务不及时，可能丢失数据可能丢失数据，或造成外围设备工作的错误。对于实时控制计算机系统，如果处理机提供的服务不及时，可能造成巨大的损失可能造成巨大的损失，甚至造成人身伤害。对于处理机本身的硬件或软件错误处理机本身的硬件或软件错误：如电源故障、数据校验错、页面失效、非法指令、地址越界等，处理机必须及时处理。对不同类型的设备，必须具有与设备相配合的多种工多种工作方式作方式。

4、2.2.与设备无关性与设备无关性独立于具体设备的标准接口独立于具体设备的标准接口。例如，串行接口、并行接口、SCSI（Small Computer System Interface）接口等计算机系统的使用者，在需要更换外围设备时，各种不同型号，不同生产厂家的设备都可以直接通过标通过标准接口准接口与计算机系统连接。处理机采用统一的硬件和软件对品种繁多的设备进行采用统一的硬件和软件对品种繁多的设备进行管理。管理。某些计算机系统已经实现了即插即用技术即插即用技术。3.3.异步性异步性输入输出设备通常不使用统一的中央时钟，各个设备各个设备按照自己的时钟工作按照自己的时钟工作，但又要在某些时刻接受处理机

5、的控制。处理机与外围设备之间，外围设备与外围设备之间能外围设备与外围设备之间能并行工作并行工作针对实时性，采用针对实时性，采用层次结构层次结构的方法，的方法，针对与设备无关性，采用针对与设备无关性，采用分类处理分类处理的方法的方法针对异步性，采用针对异步性，采用自治控制自治控制的方法，的方法，4.1.2 4.1.2 输入输出系统的组织方式输入输出系统的组织方式1.1.自治控制自治控制输入输出系统是独立于CPU之外的自治系统处理机与外围设备之间要有恰当的分工2.2.层次结构层次结构最内层是输入输出处理机输入输出处理机、输入输出通道输入输出通道等中间层是标准接口标准接口。标准接口通过设备控制器与输

6、入输出设备输入输出设备连接3.3.分类组织分类组织面向字符的设备面向字符的设备，如字符终端、打字机等面向数据块的设备面向数据块的设备，如磁盘、磁带、光盘等。4.1.3 4.1.3 基本输入输出方式基本输入输出方式1.1.程序控制输入输出方式程序控制输入输出方式状态驱动输入输出方式、应答输入输出方式、查询输入输出方式、条件驱动输入输出方式程序控制输入输出方式的4个特点：(1)何时对何设备进行输入输出操作受何时对何设备进行输入输出操作受CPU控制控制(2)CPU要通过指令对设备进行测试才能知道设备的工要通过指令对设备进行测试才能知道设备的工作状态。作状态。空闲、准备就绪、忙碌等(3)数据的输入和输

7、出都要经过CPU(4)用于连接低速外围设备，如终端、打印机等例例4.14.1：一个处理机在一段时间内只能管理一台打印机。处理机执行指令的速度为1GIPS，字长32位，打印机每秒钟100个字符。解：解：处理机用一条指令就能向打印机传送4个字符。因此，处理机的实际利用率只有即4 4千万分之一千万分之一。100/10940.2510-7输入设备输入设备 IDID处理机处理机CPUCPU主存储器主存储器 MMMM输出设备输出设备 ODOD程序控制方式的数据传送过程程序控制方式的数据传送过程一个处理机管理多台外围设备。处理机采采用用轮轮流流循循环环测测试试方方法法，分时为各台外围设备服务。优点：优点：灵

8、灵活活性性很很好好。可以很容易地改变各台外围设备的优先级。缺点：缺点：不不能能实实现现处处理理机机与与外外围围设设备备之间并行工作。之间并行工作。2.2.中断输入输出方式中断输入输出方式定定义义：当当出出现现来来自自系系统统外外部部，机机器器内内部部，甚甚至至处处理理机机本本身身的的任任何何例例外外的的，或或者者虽虽然然是是事事先先安安排排的的，但但出出现现在在现现行行程程序序的的什什么么地地方方是是事事先先不不知知道道的的事事件件时时，CPUCPU暂暂停停执执行行现现行行程程序序，转转去去处处理理这这些些事事件件，等等处处理理完成后再返回来继续执行原先的程序。完成后再返回来继续执行原先的程序

9、。特点特点：(1)CPU与外围设备能够并行工作。与外围设备能够并行工作。(2)能够处理例外事件。能够处理例外事件。(3)数据的输入和输出都要经过CPU。(4)用于连接低速外围设备。3.3.直接存储器访问方式直接存储器访问方式直接存储器访问方式(DMA：Direct Memory Access)，主要用来连接高速外围设备。如磁盘存储器，磁带存储器、光盘辅助存储器，行式打印机等。输入设备输入设备IDID主存储器主存储器MMMM存储器总线存储器总线处理机处理机CPUCPU输出设备输出设备ODOD IOIO总线总线DMADMA方式的数据传送过程方式的数据传送过程DMA方式具有如下特点方式具有如下特点：

10、(1)外外围围设设备备的的访访问问请请求求直直接接发发往往主主存存储储器器，数数据据的的传送过程不需要传送过程不需要CPUCPU的干预的干预。(2)全全部部用用硬硬件件实实现现，不不需需要要做做保保存存现现场场和和恢恢复复现现场场等工作。等工作。(3)DMA控制器复杂，需要设置数据寄存器、设备状态控制寄存器、主存地址寄存器、设备地址寄存器和数据交换个数计数器及控制逻辑等。(4)在DMA方式开始和结束时，需要处理机进行管理。DMADMA输入设备输入设备的工作流程如下：的工作流程如下：从设备读一个字节到DMA控制器中的数据缓冲寄存器中。若一个字没有装配满，则返回到上面；若校验出错，则发中断申请；若

11、一个字已装配满，则将数据送主存数据寄存器。把主存地址送主存地址寄存器，并将主存地址增值。把DMA控制器内的数据交换个数计数器减。若交换个数为0，则DMA数据传送过程结束，否则回到上面。DMADMA输出设备输出设备的工作流程如下：的工作流程如下：把主存地址送入主存地址寄存器，并启动主存储器，同时将主存地址增值。将主存数据寄存器中的数据送DMA控制器的数据寄存器。把数据写到输出介质上（可能要逐个字符输出）。把DMA控制器内的数据交换个数计数器中的内容减。若交换个数为0，则DMA数据传送过程结束，否则回到上面。目前使用的目前使用的DMADMA方式实际上有如下三种：方式实际上有如下三种：(1)(1)周

12、期窃取方式：周期窃取方式：在每一条指令执行结束时，CPU测试有没有DMA服务申请。借用CPU完成DMA工作流程。包括数据和主存地址的传送，交换个数计数器减1，主存地址的增值及一些测试判断等。周期窃取方式的优点是硬件结构简单，比较容易实现。缺点是在数据输入或输出过程种实际上占用了CPU的时间。(2)(2)直接存取方式：直接存取方式：整个工作流程全部用硬件完成。优点与缺点正好与周期窃取方式相反。(3)(3)数据块传送方式：数据块传送方式：在设备控制器中设置一个比较大的数据缓冲存储器。设备控制器与主存储器之间的数据交换以数据块为单位，并采用程序中断方式进行。采用数据块传送方式的外围设备有软盘驱动器、

13、行式打印机、激光打印机、卡片阅读机、绘图仪等。4.2 4.2 中断系统中断系统4.2.1 中断源的组织中断源的组织4.2.2 中断系统的软硬件分配中断系统的软硬件分配4.2.3 中断源的识别方法中断源的识别方法4.2.4 中断现场的保存和恢复中断现场的保存和恢复4.2.5 中断屏蔽中断屏蔽4.2.1 4.2.1 中断源的组织中断源的组织中断系统需要硬件和软件共同来实现。引起中断的各种事件称为中断源。引起中断的各种事件称为中断源。中断系统的复杂性实际上主要是由中断源的多样性引起的。中断源可以来自系统外部，也可以来自机器内部，甚至处理机本身。中断可以是硬件引起的，也可以是软件引起的。把各种各样的中

14、断源分类、分级组织好，是中断系统的关键之一。1.1.中断源的种类中断源的种类(1)(1)由外围设备引起的中断。由外围设备引起的中断。低速外围设备每传送一个字节申请一次中断；高速外围设备的前、后处理。(2)(2)由处理机本身产生的中断。由处理机本身产生的中断。如算术溢出，除数为零，数据校验错等。(3)(3)由存储器产生的中断。由存储器产生的中断。如地址越界、页面失效、访问存储器超时等。(4)(4)由控制器产生的中断。由控制器产生的中断。如非法指令、堆栈溢出、时间片到、切换到特权态。(5)(5)由总线产生的中断。由总线产生的中断。输入输出总线出错,存储总线出错等。(6)(6)实时过程控制产生的中断

15、。实时过程控制产生的中断。(7)(7)实时钟的定时中断。实时钟的定时中断。(8)(8)多处理机系统中，从其它处理机发送来的中断。多处理机系统中，从其它处理机发送来的中断。(9)(9)程序调试过程中，由断点产生的中断。程序调试过程中，由断点产生的中断。(10)(10)硬件故障中断。硬件故障中断。(11)(11)电源故障中断。电源故障中断。2.2.中断源的分类组织中断源的分类组织中断源分类组织的目的：在响应中断后能尽快找到中在响应中断后能尽快找到中断入口断入口。根据中断事件的紧迫程度，中断源工作速度、性质等进行分类为每一类中断源分配一个硬件的中断入口为每一类中断源分配一个硬件的中断入口，在进入这个

16、入口之后，再通过软件找到具体的中断源。可屏蔽中断与不可屏蔽中断，可屏蔽中断与不可屏蔽中断，或称一般中断和异常中断。IBMIBM公司的机器，把中断源分为类：公司的机器，把中断源分为类：(1)机器检验出错中断。由硬件或软件故障时产生。(2)程序性错误引起的中断。(3)访问管理程序中断。当用户程序执行访管指令引起的中断。(4)可以抑制的机器检验错误引起的中断。(5)外部事件中断。(6)输入输出中断。(7)重新启动中断。处理机不能禁止这类中断3.3.中断优先级中断优先级安排中断优先顺序主要由下列因素来决定：中断源的急迫性。中断源的急迫性。设备的工作速度。设备的工作速度。数据恢复的难易程度。数据恢复的难

17、易程度。要求处理机提供的服务量。要求处理机提供的服务量。中断优先级与中断服务顺序 要求：响应速度快，灵活性好。响应速度快，灵活性好。做法：由硬件排队器决定中断优先级，通过软件设置中断屏蔽码改变中断服务顺序。通过软件设置中断屏蔽码改变中断服务顺序。例如：例如：在IBM 370系列机中，把7类中断分为5个中断优先级，从高到低分别是：(1)紧急的机器检验错误引起的中断(2)调用管理程序，程序性错误，可以抑制的机器检验错误引起的中断。(3)外部事件引起的中断(4)外围设备的中断(5)重新启动引起的中断例如：例如：DEC公司的机器，其优先级从高到低分别是：(1)总线错误引起的中断(2)主存刷新中断(3)

18、指令错误引起的中断(4)程序跟踪中断(5)电源掉电中断(6)在线停机中断(7)在线事件中断(如实时钟等)(8)外围设备中断(9)用户程序中断例例4.2：某：某处理机共有4个中断源，中断优先级从高到低分别是：1级、2级、3级和4级。当处理机在执行主程序时，同时有3级和2级两个中断源向处理机发出中断服务请求。当处理机为2级中断源服务时又有4级中断源发出中断服务请求。当处理机为级中断源服务时又有级中断源发出中断服务请求。解：解：处理机响应各中断源的中断请求和执行中断服务程序的过程如下：4.2.2 4.2.2 中断系统的软硬件分配中断系统的软硬件分配有些功能必须用硬件实现，有的功能必须用软件实现，而大

19、部分功能既可以用硬件实现，也可以用软件实现。恰当分配中断系统的软硬件功能，是中断系统最关键恰当分配中断系统的软硬件功能，是中断系统最关键问题问题1.1.主要考虑的两个因素：主要考虑的两个因素：中断响应时间：中断响应时间：中断响应时间是一个非常重要的指标。灵活性：灵活性：硬件实现速度快，灵活性差；软件实现正好相反2.2.中断处理过程中断处理过程P222P222必须用硬件实现的有：必须用硬件实现的有：保存中断点和进入中断服务程序入口。保存中断点和进入中断服务程序入口。这两个功能相当于执行一条转子程序指令，因为中断发生在现行程序的什么地方是不确定的，不能由程序员来安排。必须用软件实现的有：必须用软件

20、实现的有：中断服务和返回到中断点。中断服务和返回到中断点。返回到中断点，通过执行一条中断返回指令来实现，中断服务必须用软件实现，因为是“程序中断方式”。3.3.中断响应时间中断响应时间定义：定义：从中断源向处理机发出中断服务请求开始，到处理机开从中断源向处理机发出中断服务请求开始，到处理机开始执行这个中断源的中断服务程序时为止，这一段时间称为始执行这个中断源的中断服务程序时为止，这一段时间称为中断响应时间。中断响应时间。影响中断响应时间的因素主要有影响中断响应时间的因素主要有4 4个：个：(前2个属于处理机设计，后2个属于中断系统)(1)(1)最长指令执行时间最长指令执行时间有些指令的执行时间

21、很长，甚至无法预测。(2)(2)处理其它更紧急的任务所用时间处理其它更紧急的任务所用时间 如处理DMA请求等。(3)(3)从第一次关从第一次关CPUCPU中断到第一次开中断到第一次开CPUCPU中断所经历的时中断所经历的时间间中断系统的软件与硬件功能分配，主要就是要考虑这一段内要所的事情用软件来实现，还是用硬件来实现。(4)(4)通过软件找到中断服务程序入口所用时间通过软件找到中断服务程序入口所用时间主要是第1和第3两部分。其中，第1部分是指令系统设计时考虑的问题，在中断系统的设计中，主要考虑第3部分。4.2.3 4.2.3 中断源的识别方法中断源的识别方法1.1.识别中断源的查询法识别中断源

22、的查询法所有中断源共用一条中断请求线处理机响应中断后都进入同一个程序入口用软件找出申请中断的中断源主要优点：灵活性好。主要优点：灵活性好。主要缺点：速度慢。主要缺点：速度慢。中断源中断源 1 1中断源中断源 2 2中断源中断源 n nCPUCPU或或IOPIOP 中断请求中断请求 完成完成 或或 忙忙 查询线查询线识别中断源的询问法识别中断源的询问法例如：例如：打印机、键盘和显示器三个中断源寻找中断入口的过程：INTR:SKIP DZ,PRN ；如果打印机DONE0，跳过下一条指令JMP PRINT ；转入打印机的中断服务程序入口PRINTSKIP DZ,KEY ；测试键盘的DONE0？JMP

23、 KEYBORD ；转入键盘的中断服务程序入口KEYBORDSKIP DN,MNT ；测试显示器的DONE1？JMP ERROR ；所有中断源均没有请求中断服务JMP MONITOR ；转显示器的中断服务程序入口MONITORPRINT:；打印机中断服务程序RNTI ；返回到中断点KEYBORD:；键盘输入的中断服务程序RNTI ；返回到中断点MONITOR:；显示器输出的中断服务程序RNTI ；返回到中断点ERROR:；出错处理程序RNTI ；返回到中断点 2.2.软件排队链法软件排队链法设置一个中断请求寄存器，每个中断源在其中中占据设置一个中断请求寄存器，每个中断源在其中中占据一位一位，并

24、且按照中断的优先级从高位到低的顺序排列。所有中断源使用同一条公共的中断请求线，进入公共中断源服务程序入口，其过程与查询法相同。在公共中断服务程序入口，用一条特殊指令读出中断用一条特殊指令读出中断请求寄存器中的内容，并根据读出的内容直接进入请求寄存器中的内容，并根据读出的内容直接进入中断服务程序中断服务程序。节省了用软件逐个寻找中断源的时间。节省了用软件逐个寻找中断源的时间。一个简单的程序例子：一个简单的程序例子：INTA R1 ;中断请求寄存器中的内容读入R1 SBT R1，R2 ;找到发出请求的最高级中断源 JMP TAB(R2);转向中断服务程序入口TAB:DEV1 ;最高级中断服务程序入

25、口地址DEV2 ;第二级中断服务程序入口地址DENn ;最低级中断服务程序入口地址3.3.硬件排队链法硬件排队链法用硬件排队器和编码器，在所有请求中断服务的中断用硬件排队器和编码器，在所有请求中断服务的中断源中，找出具有最高优先级的中断源源中，找出具有最高优先级的中断源。设置一个中断请求寄存器，每个中断源在其中中占据一位。所有中断源使用同一条公共的中断请求线，进入公共中断源服务程序入口。转入公共的中断服务程序后，用一条特殊指令直接读到所有请求中断服务的中断源中，具有最高优先级的中断源编号特点：识别中断源的速度更快识别中断源的速度更快一个简单的程序例子：一个简单的程序例子：INTA R1 ;发出

26、请求的最高级中断源送R1JMP VTAB(R1);转向中断源的中断服务程序入口TAB:DEV1 ;最高级中断服务程序入口地址DEV2 ;第二级中断服务程序入口地址 DENn ;最低级中断服务程序入口地址CPUCPU 中断响应中断响应中断源中断源1 1中断源中断源2 2中断源中断源n n或或IOPIOP 中断请求中断请求 设备号或中断向量号设备号或中断向量号识别中断源的串行排队链法识别中断源的串行排队链法 硬件排队器和编码器硬件排队器和编码器 I1 I0中断源编码器中断源编码器D0D0的中断请求的中断请求D1D1的中断请求的中断请求D0D0 的排队器的排队器D1D1 的排队器的排队器D2D2 的

27、排队器的排队器 D3D3 的排队器的排队器中断响应中断响应 中断源中断源 D0D0 的请求的请求中断源中断源 D1D1 的请求的请求中断源中断源 D2D2 的请求的请求中断源中断源 D3D3的请求的请求四个中断源的中断排队器和编码器四个中断源的中断排队器和编码器11/14/202241计算机系统结构 第四章 输入输出系统4.4.中断向量法中断向量法在主存储器的固定区域中开辟出一个专用的中中断断向向量量区。区。用硬件排队器和编码器在所有请求中断服务的中断源中，产生具有最高优先级的中断源编号。隐含执行上面方法中的两条识别中断源的指令，直接通过硬件转向这个中断源的中断服务程序入口。上面的2、3、4三

28、种识别中断源的方法都属于串行排队链法。串行排队链法的优点：串行排队链法的优点：识别中断源的速度比较快，识别中断源的速度比较快，特别是中断向量法。实现比较简单，实现比较简单，中断源与处理机的连线很少串行排队链法的缺点：串行排队链法的缺点：灵活性比较差，灵活性比较差，中断优先级是由硬件固定。可靠性比较差可靠性比较差，由于排队链串行分布在各个中断源中。5.5.独立请求法独立请求法各个中断源使用自己独立的中断请求线。各个中断源使用自己独立的中断请求线。如果同时有多个中断源请求中断服务，通过仲裁线路立即选择具有最高优先级的中断源，并向它发出中断响应信号INIT，处理机就可以立即转入这个中断源的中断服务程

29、序。独立请求法实际上是把分布在各个中断源内的串行排队器都集中到处理机中，从从而而克克服服了了串串行行排排队队链链法法可靠性差的缺点，但灵活性差的缺点仍然存在。可靠性差的缺点，但灵活性差的缺点仍然存在。识别中断源的独立请求法识别中断源的独立请求法中断源中断源1 1中断源中断源2 2中断源中断源n nCPUCPU或或IOPIOP 中断请求中断请求INIR1INIR1 中断响应中断响应INIT1INIT1 中断请求中断请求INIR2INIR2 中断响应中断响应INIT2INIT2 中断请求中断请求INIRnINIRn 中断响应中断响应INITnINITn识别中断源的独立请求法识别中断源的分组独立请求

30、法识别中断源的分组独立请求法把独立请求法与串行排队链法结合起来。把独立请求法与串行排队链法结合起来。中断源分组：组内采用串行排队链法，中断源分组：组内采用串行排队链法，组间采用独立请求法。组间采用独立请求法。中断响应中断响应中断源中断源1111中断源中断源1212中断源中断源1n1nCPUCPU或或 中断请求中断请求 IOPIOP 中断响应中断响应中断源中断源P1P1中断源中断源P2P2中断源中断源PnPn 中断请求中断请求识别中断源的分组独立请求法识别中断源的分组独立请求法4.2.4 4.2.4 中断现场的保存和恢复中断现场的保存和恢复(1)程序计数器程序计数器PC，必须由硬件来完成保存(2

31、)处理机状态字、堆栈指针、基址寄存器、中断屏蔽处理机状态字、堆栈指针、基址寄存器、中断屏蔽码等码等 保存与恢复方法有：主存固定区域，压入系统堆栈、交换处理机状态字。也可以采用软件在中断服务程序中保存和恢复。(3)软件现场：软件现场：指在中断服务程序中被破坏的通用寄存器。一般采用软件来保存和恢复现场，指令系统给予适当支持。也有些处理机采用硬件来保存软件现场，如Sparc处理机。4.2.5 4.2.5 中断屏蔽中断屏蔽设置中断屏蔽有三个用处：(1)在中断优先级由硬件确定了的情况下，改变中断在中断优先级由硬件确定了的情况下，改变中断源的中断服务顺序。源的中断服务顺序。(2)决定设备是否采用中断方式工

32、作。(3)在多处理机系统中，把外围设备的服务工作分配到不同的处理机中。中断屏蔽的实现方法主要有两种：方法一：每级中断源设置一个中断屏蔽位。方法一：每级中断源设置一个中断屏蔽位。方法二：改变处理机优先级方法二：改变处理机优先级例例4.34.3：有四个中断源D1、D2、D3和D4，它们的中断优先级从高到低分别是1级、2级、3级和4级。这些中断源的正常中断屏蔽码和改变后的中断屏蔽码见下表。每个中断源一位，共4位屏蔽码。中断源名称中断源名称中断优先级中断优先级正常中断屏蔽码正常中断屏蔽码D1 D2 D3 D4改变后的中断屏蔽码改变后的中断屏蔽码D1 D2 D3 D4D1D1D2D2D3D3D4D41

33、12 23 34 41 1 1 11 1 1 10 1 1 10 1 1 10 0 1 10 0 1 10 0 0 10 0 0 11 0 0 01 0 0 01 1 0 01 1 0 01 1 1 01 1 1 01 1 1 11 1 1 1解：解：如果4个中断源都使用正常的中断屏蔽码，处理机的中断服务顺序将严格按照中断源的中断优先级进行。如果改变中断屏蔽码，当D1、D2、D3和D4这4个中断源同时请求中断服务时，处理机实际为各个中断源服务的先后次序就会改变。处理机响应的顺序是D1、D2、D3、D4实际服务的顺序是实际服务的顺序是D4、D3、D2、D1方法二：改变处理机优先级方法二：改变处理

34、机优先级例例4.4：某处理机共有4个中断源D1、D2、D3和D4，它们的硬件中断优先级从低到高分别为1级、2级、3级和4级。处理机本身的优先级最低，为0级。在中断源D1、D2、D3、D4的中断向量中，程序员为它们设置的优先级分别为4级、3级、2级、1级。解：解：在处理机状态字中设置3个中断屏蔽位。000为处理机本身的优先级，001100分别表示4个中断源的中断优先级。当4个中断源同时请求中断服务时，解：解：处理机实际完成中断服务的过程 是是 D3、D2、D4、D1 中断请求中断请求 主程序主程序 中断服务程序中断服务程序 D D4 4 D D3 3 D D2 2 D D1 1 D1D1,D2,

35、D3,D4,D2,D3,D4 时间时间t t两种方法的差别有：两种方法的差别有：(1)(1)两者使用的概念不同。两者使用的概念不同。前者使用中断屏蔽，后者使用中断优先级。(2)(2)需要屏蔽码的位数不同。需要屏蔽码的位数不同。前者所需要的屏蔽位数比较多，n：log2n(3)(3)可屏蔽的中断源数量和种类不同。可屏蔽的中断源数量和种类不同。前者可以任意屏蔽掉一个或几个中断源，后者只能屏蔽掉比某一个优先级低的中断源。4.3 4.3 通道处理机通道处理机把外围设备的管理工作从把外围设备的管理工作从CPU中分离出来中分离出来主要用于主要用于IBM公司研制的机器中公司研制的机器中 4.3.1 通道的作用

36、和功能通道的作用和功能 4.3.2 通道的工作过程通道的工作过程 4.3.3 通道的种类通道的种类 4.3.4 通道中的数据传送过程通道中的数据传送过程 4.3.5 通道流量分析通道流量分析处理机与外部设备的连接方式处理机与外部设备的连接方式(1)直接连接直接连接(2)(2)通道处理机通道处理机(3)(3)输入输出处理机输入输出处理机 处理机处理机设备设备设备设备设备设备处理机处理机设备设备通道通道设备设备通道通道设备设备设备设备4.3.1 4.3.1 通道的作用和功能通道的作用和功能1.1.三种基本输入输出方式存在的问题：三种基本输入输出方式存在的问题：CPU的输入输出负担很重，不能专心用于

37、用户程序的计算工作。的输入输出负担很重，不能专心用于用户程序的计算工作。低速外围设备，每传送每个字符都由CPU执行一段程序来完成。高速外围设备的初始化、前处理和后处理等工作需要CPU来完成。大型机中的外围设备台数很多，但一般并不同时工作。让DMA控制器能被多台设备共享，提高硬件的利用率提高硬件的利用率。2.2.通道的主要功能：通道的主要功能：接受CPU发来的指令，选择一台指定的外围设备与通道相连接。执行CPU为通道组织的通道程序。管理外围设备的有关地址。管理主存缓冲区的地址。控制外围设备与主存缓冲区之间数据交换的个数。指定传送工作结束时要进行的操作。检查外围设备的工作状态，是正常或故障。在数据

38、传输过程中完成必要的格式变换。4.3.2 4.3.2 通道的工作过程通道的工作过程通道完成一次数据输入输出的过程分为三步：在用户程序中使用访管指令进入管理程序，由CPU通过管理程序组织一个通道程序，并启动通道。通道处理机执行通道程序，完成指定的数据输入输出工作。通道程序结束后再次调用管理程序进行处理。每完成一次输入输出工作，CPU只需要两次调用管理程序。通道的工作过程通道的工作过程4.3.3 4.3.3 通道种类通道种类1.1.字节多路通道字节多路通道为多台低中速的外围设备服务为多台低中速的外围设备服务有多个子通道，每个子通道连接一个控制器2.2.选择通道选择通道为高速外围设备服务为高速外围设

39、备服务只有一个以成组方式工作的子通道只有一个以成组方式工作的子通道3.3.数组多路通道数组多路通道字节多路通道和选择通道的结合。字节多路通道和选择通道的结合。每次为一台高速设备传送一个数据块，并轮流为多台外围设备轮流为多台外围设备服务服务。从磁盘存储器读出文件的的过程分为三步：从磁盘存储器读出文件的的过程分为三步：定位、找扇区、读出数据数组多路通道的实际工作方式是：数组多路通道的实际工作方式是：在为一台高速设备传送数据的同时，有多台高速设备可以在定位或者在找扇区。与选择通道相比，数组多路通道的数据传输率和通道的硬件利用都很高，控制硬件的复杂度也高。4.3.4 4.3.4 通道中的数据传送过程通

40、道中的数据传送过程字节多路通道的数据传送过程字节多路通道的数据传送过程选择通道的数据传送过程选择通道的数据传送过程数组多路通道的数据传送过程数组多路通道的数据传送过程4.3.5 4.3.5 通道流量分析通道流量分析通道流量通道流量：单位时间内能够传送的最大数据量。又称通道吞吐率通道吞吐率，通道数据传输率通道数据传输率等。通道最大流量：通道最大流量：通道在满负荷工作状态下的流量。通道流量与连接在通道上的设备的数据传输率的关系如下：三种通道的最大流量计算公式：三种通道的最大流量计算公式：为保证通道不丢失数据，为保证通道不丢失数据，通道的实际流量应通道的实际流量应不大于通道最大流量不大于通道最大流量

41、：fBYTEfMAXBYTEfSELETEfMAXSELETEfBLOCKfMAXBLOCK例例4.5：一个字节多路通道连接D1、D2、D3、D4、D5共5台设备，这些设备分别每10us、30us、30us、50us和75us发出一次数据传送请求。(1)计算这个通道的实际流量和工作周期。(2)如果这个字节多路通道的最最大大流流量量正正好好等等于于通通道道实实际际流流量量，并假设数据传输率高的设备，其优先级也高。5台设备在0时刻同时向通道发出第一次传送数据的请求，并在以后的时间里按照各自的数据传输率连续工作。画出通道分时为各台设备服务的时间图，并计算处理完各设备的第一次请求的时刻。(3)从时间图

42、中发现什么问题？如何解决？解解：(1)通道的实际流量为：fBYTE(1/10+1/30+1/30+1/50+1/75)MB/S 0.2MB/S 通道的工作周期为：t1/fBYTE 5us通道处理完各设备这个第一次请求的时间：通道处理完各设备这个第一次请求的时间：(2)处理完各设备这个第一次请求的时间：D1：5us；D2：10us；D3：20us；D4：30us。D5的第一次请求没有响应，数据丢失。的第一次请求没有响应，数据丢失。(3)D5的第一次请求没有得到响应的原因分析的第一次请求没有得到响应的原因分析 对所有设备的请求时间间隔取最小公倍数，对所有设备的请求时间间隔取最小公倍数，在这一段时间

43、内通道的流量是平衡的。在这一段时间内通道的流量是平衡的。可以采取下列方法：可以采取下列方法：方法一：增加通道的最大工作流量。方法一：增加通道的最大工作流量。例如，把通道的工作流量增加到0.25MB/S（工作周期为4us）。方法二：动态改变设备的优先级。方法二：动态改变设备的优先级。例如，在30us至70us之间临时提高设备D5的优先级。方法三：增加缓冲存储器。方法三：增加缓冲存储器。例如，只要为设备D5增加一个数据缓冲寄存器，它的第一次请求可以在第85us处得到响应，第二次请求可以在第145us处得到响应。4.4 4.4 输入输出处理机输入输出处理机能够独立承担输入输出工作的专用处理机能够独立

44、承担输入输出工作的专用处理机4.4.1 输入输出处理机的作用输入输出处理机的作用4.4.2 输入输出处理机的种类输入输出处理机的种类4.4.3 输入输出处理机实例输入输出处理机实例4.4.1 4.4.1 输入输出处理机的作用输入输出处理机的作用通道处理机存在的问题：通道处理机存在的问题：(1)每完成一次输入输出操作要两次中断CPU的现行程序。(2)通道处理机不能处理自身及输入输出设备的故障。(3)数据格式转换、码制转换、数据块检验等工作要CPU完成。(4)文件管理、设备管理等工作，通道处理机本身无能为力。典型的输入输出处理机典型的输入输出处理机 CPU CPU CPU 主存主存 主存主存 内部

45、总线内部总线 I/O处理机处理机 I/O处理机处理机 设设 备备 控制器控制器 设设 备备 控制器控制器 设设 备备 控制器控制器 设设 备备 控制器控制器 设设 备备 控制器控制器 设备设备 设备设备 设备设备 设备设备 设备设备 设备设备 设备设备 设备设备 输输入入输输出出处处理理机机除除了了能能够够完完成成通通道道处处理理机机的的全全部部功功能能之外，还具有如下功能：之外，还具有如下功能：(1)码制转换。(2)数据校验和校正。(3)故障处理。(4)文件管理。(5)诊断和显示系统状态。(6)处理人机对话。(7)连接网络或远程终端。输入输出处理机还可以根据需要完成分配给它的其它任务，如数据

46、库管理等。除了具有数据的输入输出功能之外，还具有运算功能和程序控制等功能。不仅能够执行输入输出指令，还能够执行算术逻辑指令和程序控制指令等，就象一般的处理机那样。4.4.2 4.4.2 输入输出处理机的种类输入输出处理机的种类根据是否共享主存储器分为：根据是否共享主存储器分为：(1)共享主存储器的输入输出处理机。CDC公司的CYBER，Texas公司的ASC，(2)不共享主存储器的输入输出处理机。STAT-100巨型机根据运算部件和指令控制部件是否共享分为：根据运算部件和指令控制部件是否共享分为：(1)合用同一个运算部件和指令控制部件。造价低，控制复杂。如CDC-CYBER和ASC(2)独立运

47、算部件和指令控制部件。独立运算部件和指令控制部件已经成为主流。如B-6700大型机和STAT-100巨型机等。输入输出处理机的多种组织方式：输入输出处理机的多种组织方式：(1)多个输入输出处理机从功能上分工。(2)以输入输出处理机作为主处理机。(3)采用与主处理机相同型号的处理机作为输入输出处理机。(4)采用廉价的微处理机来专门承担输入输出任务。4.4.3 4.4.3 输入输出处理机实例输入输出处理机实例 CYBER1700大型机的输入输出处理机PPU0PPU9通过总线分时共享主存储器，并通过交叉开关网络共享12个输入输出通道每个PPU有一个容量4K13位的局部存储器每台PPU有66种指令，包

48、括算逻指令、访存指令，输入输出指令及程序控制指令等。当用户程序需要进行输入输出操作时，由中央处理机发出请求调用输入输出处理机，由输入输出处理机管理外围设备完成全部输入输出工作。本章重点：本章重点：1.1.了解三种基本输入输出方式的原理及特点了解三种基本输入输出方式的原理及特点2.2.中断系统中的软硬件功能分配中断系统中的软硬件功能分配3.3.中断优先级和中断屏蔽的原理及方法中断优先级和中断屏蔽的原理及方法4.4.通道中的数据传送过程与流量分析通道中的数据传送过程与流量分析5.5.输入输出处理机的作用及种类输入输出处理机的作用及种类 练习题：练习题：习题四：习题四：4.4 4.5 4.6 4.8

49、修改：修改：4.4 和和 4.5 题的第题的第 3、4 行修改：行修改：其中，其中，“1”表示该中断源被屏蔽，表示该中断源被屏蔽，“0”表示该表示该中断源开放。中断源开放。n有4个中断处理程序，相应的中断请求优先级从高到低为1,2,3,4.各级中断处理程序的中断屏蔽码如表所示。nCPU中断响应的优先次序是什么？n如果4个级别的中断请求同时发生，请说明4个中断处理程序被执行完的次序。n假设所有的中断处理都需3t，中断响应和中断返回所需时间相对于中断处理时间少得多。当CPU正在运行用户程序时，同时发生第2,3级中断请求，经过2t同时发生1,4级中断请求。画出程序运行过程示意图，说明中断处理程序被执行完的次序。n设某个字节多路通道的设备选择时间Ts=9.8us，传送1个字节的数据传送时间Td=0.2us。若某种低速外设每隔500us发出一次传送请求，那么，该通道最多可连接多少台这种外设？n有8台外设的数据传输率如表所示，设计一种通道，Ts=2us，Td=2us。n按字节多路通道设计，通道的最大流量是多少？若希望从8台外设中至少选择4台外设同时连接到该通道上，而且尽量多连接传输速率高的外设，那么，应选择哪些外设连接到该通道上？n按数组多路通道设计，且通道一次传送定长数据块的大小为k512B，通道的最大流量是多少？从8台外设中应选择哪些外设连接到该通道上？