计算机系统结构03

1、计算机学院COMPUTER ARCHITECTURE1第第3章章 中断、总线与输入输出系统中断、总线与输入输出系统计算机学院COMPUTER ARCHITECTURE2（教材中第（教材中第1节将在第节将在第4章中讲授）章中讲授）计算机学院COMPUTER ARCHITECTURE3第第3 3章章 中断、总线与输入输出系统中断、总线与输入输出系统3.2 3.2 中断系统中断系统术语术语: :中断源中断源 中断请求中断请求 优先级优先级 新新/ /旧旧PSW(Program Status Word)PSW(Program Status Word) 中断处理程序中断处理程序中断处理程序入口中断处理程

2、序入口计算机学院COMPUTER ARCHITECTURE43.2.1 3.2.1 中断的分类和分级中断的分类和分级1.1.中断的分类中断的分类 必要性必要性: : 解决中断源数量过多和级别问题解决中断源数量过多和级别问题 CPUCPU的状态的状态: : 运行状态运行状态 停止状态停止状态 典型分类典型分类( (IBM 370): ): 机器校验机器校验(64) (64) 管理程序调用管理程序调用(8) (8) 程序性程序性(16)(16) 外部外部(16)(16) 输入输出输入输出(16) (16) 重新启动重新启动 PSWPSW的作用的作用: :中断码指明具体中断原因中断码指明具体中断原因

3、 PSWPSW的位置的位置: :当前当前PSWPSW在在CPUCPU的寄存器的寄存器, ,其他在主存其他在主存计算机学院COMPUTER ARCHITECTURE53.2 3.2 中断系统中断系统1.1.中断的分类中断的分类中断与异常中断与异常异常异常（Exception）: :由执行现行指令引起暂停事件由执行现行指令引起暂停事件, ,如运算异常、页面失效等。如运算异常、页面失效等。异常的分类异常的分类q 自陷（自陷（TrapTrap）从产生自陷的指令下一条开始）从产生自陷的指令下一条开始q 故障（故障（FaultFault）重复执行发生故障的指令）重复执行发生故障的指令（指令复执）（指令复执

4、）q 失败（失败（AbortAbort）需要强行干预）需要强行干预计算机学院COMPUTER ARCHITECTURE62.2.中断的分级中断的分级中断分级的原因：中断分级的原因：由于出现同时发生多个不同类由于出现同时发生多个不同类型的中断请求，需要根据中断的紧迫性、重要型的中断请求，需要根据中断的紧迫性、重要性以及软件的处理的方便性将其分为若干不同性以及软件的处理的方便性将其分为若干不同的级别。的级别。计算机学院COMPUTER ARCHITECTURE72.2.中断的分级中断的分级分级分级 第一级：机器校验第一级：机器校验 第二级：程序性与管理程序调用第二级：程序性与管理程序调用 第三级：

5、外部第三级：外部 第四级：输入输出第四级：输入输出 第五级：重新启动（具有特殊性）第五级：重新启动（具有特殊性） 第第0 0级：不可排除的故障级：不可排除的故障计算机学院COMPUTER ARCHITECTURE82.2.中断的分级中断的分级IBM370的中断分级的中断分级 紧急的机器校验紧急的机器校验 程序性与管理程序调用程序性与管理程序调用 可抑制的机器校验可抑制的机器校验 外部外部 输入输出输入输出 重新启动重新启动计算机学院COMPUTER ARCHITECTURE93.2.2 3.2.2 中断的响应与中断的响应与中断中断处理处理多级中断规则多级中断规则级别高的可以打断级别低的中断处理

6、级别高的可以打断级别低的中断处理中断响应次序及实现方式中断响应次序及实现方式决定进入中断排队电路的中断请求被响应的次序决定进入中断排队电路的中断请求被响应的次序实现方式实现方式软件查询、硬件电路或者向量中断方式软件查询、硬件电路或者向量中断方式举例（举例（硬件电路）硬件电路）计算机学院COMPUTER ARCHITECTURE10计算机学院COMPUTER ARCHITECTURE113.2.2 3.2.2 中断的响应与中断的响应与中断中断处理处理中断屏蔽字及其作用中断屏蔽字及其作用 用途：用途：决定是否让某级中断请求进入中断排队电决定是否让某级中断请求进入中断排队电路，以改变中断响应的优先级

7、别。路，以改变中断响应的优先级别。 位置位置：在：在PSWPSW中，当前中，当前PSWPSW在在CPUCPU的寄存器，其它程的寄存器，其它程序的序的PSWPSW在主存。在主存。 数量数量：每级各一个：每级各一个 位数位数：与设计的级别数量相同：与设计的级别数量相同 中断中断处理次序的改变处理次序的改变举例举例计算机学院COMPUTER ARCHITECTURE12表表 3-2 中断级屏蔽位中断级屏蔽位-例例1 计算机学院COMPUTER ARCHITECTURE13计算机学院COMPUTER ARCHITECTURE14表 3-3 中断级屏蔽位-例 2 计算机学院COMPUTER ARCHIT

8、ECTURE15计算机学院COMPUTER ARCHITECTURE16例3: 同时发出中断请求计算机学院COMPUTER ARCHITECTURE17计算机学院COMPUTER ARCHITECTURE18总结：中断硬件与软件在中断系统中的作用总结：中断硬件与软件在中断系统中的作用硬件硬件( (中断响应排队器中断响应排队器):): 可以加快响应和断点现场的保存可以加快响应和断点现场的保存软件软件( (中断级屏蔽位中断级屏蔽位):): 改变实际中断处理改变实际中断处理( (完完) )的次序的次序, ,提高系统灵提高系统灵活性活性计算机学院COMPUTER ARCHITECTURE193.2.3

9、 3.2.3 中断系统的软硬件功能分配中断系统的软硬件功能分配1. 1. 中断系统的功能中断系统的功能中断请求的优先级确定中断请求的优先级确定中断响应中断响应中断断点与现场的保存中断断点与现场的保存中断处理与返回中断处理与返回2. 2. 软、硬件功能分配的实质软、硬件功能分配的实质 中断中断处理程序和中断响应硬件的功能分配处理程序和中断响应硬件的功能分配计算机学院COMPUTER ARCHITECTURE203.2.3 3.2.3 中断系统的软硬件功能分配中断系统的软硬件功能分配3. 3. 中断现场分类及保存中断现场分类及保存q 软件状态软件状态 作业名称及级别，上下界，软件标志等作业名称及级

10、别，上下界，软件标志等 通常在主存中，数量不确定，与操作系统有关通常在主存中，数量不确定，与操作系统有关。q 硬件状态硬件状态 PCPC内容，条件码、各类控制寄存器及通用寄存器内容，条件码、各类控制寄存器及通用寄存器内容，内容， 以以PSWPSW的形式体现，类别比较确定的形式体现，类别比较确定计算机学院COMPUTER ARCHITECTURE213.2.3 3.2.3 中断系统的软硬件功能分配中断系统的软硬件功能分配3.3.中断现场分类及保存中断现场分类及保存q 保存方式：保存方式：软件状态由软件状态由中断中断处理程序，硬件状态处理程序，硬件状态可以由硬件实现，或由软件和硬件结合的方法实可以

11、由硬件实现，或由软件和硬件结合的方法实现现q PSWPSW的位数与机器的中断响应时间的关系的位数与机器的中断响应时间的关系q 通用寄存器内容的保存通用寄存器内容的保存硬件实现硬件实现中断中断处理程序实现处理程序实现成组传送指令的设置成组传送指令的设置重叠寄存器窗口技术重叠寄存器窗口技术计算机学院COMPUTER ARCHITECTURE223.3 3.3 总线系统总线系统3.3.1 3.3.1 总线的分类总线的分类1.1.专用总线专用总线 只连接一对物理部件的总线只连接一对物理部件的总线 优点优点: : 速度快速度快 控制简单控制简单 可靠性强可靠性强缺点缺点: : 总线数目多总线数目多 利用

12、率低利用率低2.2.非专用总线非专用总线 优点：优点：总线少，造价低；接口标准化高；扩展能力总线少，造价低；接口标准化高；扩展能力强；便于使用多重总线提高带宽强；便于使用多重总线提高带宽缺点：缺点：系统流量小；共享总线失效可能引起系统瘫系统流量小；共享总线失效可能引起系统瘫痪痪计算机学院COMPUTER ARCHITECTURE233.3 3.3 总线系统总线系统3.3.1 3.3.1 总线的分类总线的分类3.I/O3.I/O系统宜采用非专用总线系统宜采用非专用总线 计算机学院COMPUTER ARCHITECTURE24图 3-9 所有部件之间用专用总线互连 计算机学院COMPUTER AR

13、CHITECTURE253.3.2 3.3.2 总线的控制方式总线的控制方式1.1.类别类别集中式控制方式集中式控制方式: :总线的控制逻辑基本上集中放总线的控制逻辑基本上集中放在一起的方式在一起的方式. .分布式控制方式分布式控制方式: :总线的控制逻辑分散于连到总总线的控制逻辑分散于连到总线的各个部件中的方式线的各个部件中的方式. .计算机学院COMPUTER ARCHITECTURE263.3.2 3.3.2 总线的控制方式总线的控制方式2.2.集中式控制方式的种类集中式控制方式的种类q 集中式串行链接方式集中式串行链接方式q 集中式定时查询方式集中式定时查询方式q 集中式独立请求方式集

14、中式独立请求方式q 应用范围应用范围: :后两种用于巨、大、中型机后两种用于巨、大、中型机, ,第一第一种用于小、微型机，情况种用于小、微型机，情况已经已经发生变化。发生变化。计算机学院COMPUTER ARCHITECTURE27图 3-10 集中式串行链接 q 集中式串行链接方式集中式串行链接方式计算机学院COMPUTER ARCHITECTURE28图 3-11 集中式定时查询 q 集中式定时查询方式集中式定时查询方式计算机学院COMPUTER ARCHITECTURE29图 3-12 集中式独立请求 q 集中式独立请求方式集中式独立请求方式计算机学院COMPUTER ARCHITECT

15、URE303.3.3 3.3.3 总线的通信技术总线的通信技术通信类别通信类别: :同步方式同步方式 异步方式异步方式1.1.同步通信同步通信 两个部件之间的信息传送是通过定宽、定两个部件之间的信息传送是通过定宽、定距的系统时标进行同步的。距的系统时标进行同步的。 这种方式的信息传送速率高，受总线的长这种方式的信息传送速率高，受总线的长度影响小，但会因时钟在总线上的时滞而造成度影响小，但会因时钟在总线上的时滞而造成同步误差，同步误差， 且时钟线上的干扰信号易引起误且时钟线上的干扰信号易引起误同步。同步。计算机学院COMPUTER ARCHITECTURE313.3.3 3.3.3 总线的通信技

16、术总线的通信技术2.2.异步通信异步通信q单向控制方式单向控制方式源控式源控式 目控式目控式单向源控方式原理单向源控方式原理单向源控方式优点：单向源控方式优点：简单、高速简单、高速单向源控方式缺点：单向源控方式缺点：无有效应答；需要设置缓冲器无有效应答；需要设置缓冲器效率低，高速部件效能发挥差；效率低，高速部件效能发挥差；对对“数据准备数据准备”要求高要求高计算机学院COMPUTER ARCHITECTURE32图 3-13 异步单向控制通信 计算机学院COMPUTER ARCHITECTURE333.3.3 3.3.3 总线的通信技术总线的通信技术2.2.异步通信异步通信q 单向控制方式单向

17、控制方式目控式原理目控式原理目控式优点：可以解决有效性校验目控式优点：可以解决有效性校验目控式不足：传输率下降目控式不足：传输率下降q 单向控制方式的问题单向控制方式的问题电平恢复可能不及时，造成数据错误电平恢复可能不及时，造成数据错误计算机学院COMPUTER ARCHITECTURE343.3.3 3.3.3 总线的通信技术总线的通信技术2.2.异步通信异步通信q 双向控制方式双向控制方式非互锁方式非互锁方式互锁方式互锁方式优点：保证数据传输正确率，传输率高优点：保证数据传输正确率，传输率高缺点：控制硬件复杂缺点：控制硬件复杂3. 3. I/OI/O总线最常用的种类总线最常用的种类: :异

18、步异步双向互锁方式双向互锁方式计算机学院COMPUTER ARCHITECTURE35图 3-14 源控式异步双向控制通信 计算机学院COMPUTER ARCHITECTURE363.3.4 3.3.4 数据宽度与总线线数数据宽度与总线线数1.1.数据宽度数据宽度定义定义: :I/OI/O设备取得设备取得I/OI/O总线使用权后所传送数总线使用权后所传送数据的总量。据的总量。与数据通路宽度的区别：与数据通路宽度的区别：数据通路宽度指的是数据通路宽度指的是数据传送的物理宽度，即一个机器周期所传送数据传送的物理宽度，即一个机器周期所传送的信息量的信息量( (二进制位数二进制位数) )， 它直接取决

19、于数据它直接取决于数据总线的线数。总线的线数。 数据总线一次所能并行传送信息的位数，数据总线一次所能并行传送信息的位数，称为数据通路宽度。称为数据通路宽度。 计算机学院COMPUTER ARCHITECTURE373.3.4 3.3.4 数据宽度与总线线数数据宽度与总线线数1.1.数据宽度数据宽度数据宽度的种类数据宽度的种类q 单字单字/ /字节字节q 定长块定长块q 可变长块可变长块q 单字加定长块单字加定长块q 单字加可变长块单字加可变长块计算机学院COMPUTER ARCHITECTURE383.3.4 3.3.4 数据宽度与总线线数数据宽度与总线线数2.2.总线的线数总线的线数总线的构

20、成总线的构成: : 收收/ /发电路、传输导线发电路、传输导线/ /电缆、接插电缆、接插部件及电源。部件及电源。q 压缩总线线数的必要性压缩总线线数的必要性计算机学院COMPUTER ARCHITECTURE393.3.4 3.3.4 数据宽度与总线线数数据宽度与总线线数q 压缩总线的方法压缩总线的方法 线的组合方法：线的组合方法：一根半双向替代二根单一根半双向替代二根单向线向线 编码方法：编码方法：线数为：线数为：loglog2 2N N（向上取整）（向上取整） 并并/ /串串串串/ /并转换方法并转换方法 举例举例 总线的流量设计：总线的流量设计：外设数量、种类、传外设数量、种类、传输信息

21、方式与速率输信息方式与速率计算机学院COMPUTER ARCHITECTURE403.4 3.4 输入输出系统输入输出系统3.4.1 输入输出系统概述输入输出系统概述1. 系统设计及透明性系统设计及透明性组成组成：输入输出系统设备、设备控制器及相关输入输出系统设备、设备控制器及相关的软硬件的软硬件设计设计: : 软件软件 硬件两个方面硬件两个方面 面向操作系统面向操作系统透明性透明性: : 对于应用程序员透明对于应用程序员透明计算机学院COMPUTER ARCHITECTURE413.4 3.4 输入输出系统输入输出系统3.4.1 输入输出系统概述输入输出系统概述2. 输入输出系统的主要功能输

22、入输出系统的主要功能功能：功能：对指定的外设进行输入输出操作对指定的外设进行输入输出操作, , 并完成其他并完成其他管理和控制管理和控制: : 确定设备、主存存储区，建立连接，确定设备、主存存储区，建立连接，发送数据，格式转换，形成状态控制信息，通过中发送数据，格式转换，形成状态控制信息，通过中断系统传送给操作系统处理和分析断系统传送给操作系统处理和分析操作系统的操作系统的I/OI/O功能功能计算机学院COMPUTER ARCHITECTURE423.4 3.4 输入输出系统输入输出系统3.4.1 输入输出系统概述输入输出系统概述3. 输入输出系统的发展与分类输入输出系统的发展与分类 程序控制

23、程序控制无条件无条件 条件传送（程序查询）条件传送（程序查询）中断中断 存储器直接存取（存储器直接存取（DMA）方式）方式 I/O处理机方式处理机方式通道通道 处理机处理机 外围处理机外围处理机计算机学院COMPUTER ARCHITECTURE433.4 3.4 输入输出系统输入输出系统3.4.1 输入输出系统概述输入输出系统概述3. 输入输出系统的发展与分类输入输出系统的发展与分类 输入输入/输出设备及发展输出设备及发展普通传输设备普通传输设备 外存：软磁盘外存：软磁盘 硬盘（温盘，硬盘（温盘，Winchester Disc）磁盘阵列磁盘阵列 光盘光盘磁光盘（磁光盘（MO，Magnetic

24、 Optical）计算机学院COMPUTER ARCHITECTURE44磁鼓存储器磁鼓存储器 最初于1932年在奥地利创造出来，上世纪五六十年代广泛使用，通常作为内存，容量在10kB左右。计算机学院COMPUTER ARCHITECTURE45第一款硬盘驱动器是IBM Model 350 Disk File，于1956年制造，其中包含了50张24英寸盘片，而总容量不到5MB。 计算机学院COMPUTER ARCHITECTURE46IBM研制成功的新型硬盘IBM 3340 （14英寸 ） ，1973年计算机学院COMPUTER ARCHITECTURE47首个容量突破1GB的硬盘是IBM在1

25、980年制造的IBM 3380，总容量为2.52GB，重约250千克，售价从81000美元到142400美元不等。 计算机学院COMPUTER ARCHITECTURE483.4 3.4 输入输出系统输入输出系统3.4.2 3.4.2 通道处理机工作原理与流量分析通道处理机工作原理与流量分析通道处理机产生通道处理机产生:IBM 360/370:IBM 360/3701. 通道通道处理机处理机的工作过程的工作过程广义指令作用广义指令作用参数参数: 设备设备 主存储区主存储区 交换数据量交换数据量通道程序及作用通道程序及作用组成组成: 通道指令组成通道指令组成产生产生: 操作系统生成操作系统生成通

26、道程序地址字单元通道程序地址字单元: 通道程序入口地址通道程序入口地址通道缓冲区通道缓冲区: 存储通道程序存储通道程序计算机学院COMPUTER ARCHITECTURE493-15计算机学院COMPUTER ARCHITECTURE503-16计算机学院COMPUTER ARCHITECTURE51图图 3-17 “启动启动I/O”指令流程指令流程计算机学院COMPUTER ARCHITECTURE522. 通道的分类通道的分类 字节多路通道字节多路通道: 低速，并行低速，并行 数组多路通道数组多路通道: 高速高速, ,各子通道分时共享各子通道分时共享I/OI/O通道通道, ,成组交叉传送成

27、组交叉传送, , 数据宽度为定长块数据宽度为定长块 选择通道选择通道: 高速设备高速设备, ,具有独占性具有独占性, ,只能执行一道只能执行一道通道程序通道程序, ,数据宽度为可变长块数据宽度为可变长块 IBM 370 的通道系统（的通道系统（I/O结构）结构）计算机学院COMPUTER ARCHITECTURE53计算机学院COMPUTER ARCHITECTURE543.3.通道流量的分析通道流量的分析通道流量通道流量: 通道在数据传送期间内通道在数据传送期间内, ,单位时间单位时间传送的字节数传送的字节数通道极限流量通道极限流量: 通道能够达到的最大的流量通道能够达到的最大的流量通道的实际最大流量通道的实际最大流量流量设计的基本原则流量设计的基本原则实际最大流量不超过极限流量实际最大流量不超过极限流量流量利用率流量利用率计算机学院COMPUTER ARCHITECTURE55三种通道流量分析举例三种通道流量分析举例计算机学院COMPUTER ARCHITECTURE56字节多路通道极限流量字节多路通道极限流量:字节多路通道每选择一台设备只传送一个字节字节多路通道每选择一台设备只传送一个字节数组多路通道极限流量数组多路通道极限流量: :