计算机系统结构第三章

1、2022-5-1第三章 总线中断与输入输出系统1计算机系统结构第三章第三章 总线中断与输入输出系统总线中断与输入输出系统2022-5-1第三章 总线中断与输入输出系统2概 述本章着重讲述输入输出系统基本概念；总线设计；中断的分类与分级；中断响应次序；中断处理次序；IO系统中的通道处理机工作原理和流量设计；2022-5-1第三章 总线中断与输入输出系统3本章的基本要求关于中断系统的基本要求领会为什么要将中断源分成不同的类和级；领会设置中断级屏蔽位的作用；掌握中断嵌套的基本原则。熟练掌握按所要求的中断处理次序来设置各中断处理程序中中断级屏蔽位的状态，并正确画出发生多种中断级请求时，CPU执行程序时

2、的状态转移过程示意图。2022-5-1第三章 总线中断与输入输出系统4本章的基本要求关于通道处理机的基本要求了解采用通道处理机的目的。掌握字节多路、数组多路和选择三类通道的工作原理；了解三种通道各自的适用场合。熟练掌握通道处理机和IO系统的流量设计与分析。掌握字节多路通道流量的计算和通道工作周期的设计，能画出通道处理机响应和处理完各外设请求的时间空间示意图。2022-5-1第三章 总线中断与输入输出系统5本章的重点和难点本章的重点是：如何按中断处理优先次序的要求，设置各中断处理程序中中断级屏蔽位的状态，正确画出中断处理过程的示意图；通道的流量设计；画出字节多路通道响应和处理完各外部设备请求的时

3、空图。本章的难点是：无2022-5-1第三章 总线中断与输入输出系统6一、中断系统1 基本概念中断：CPU中止正在执行的程序，转去处理随机提出的请求，处理完，在返回刚才的程序继续执行，这个过程叫中断。中断系统：响应和处理各种中断的软硬件总体。中断源：引起中断的各种事件。中断请求：中断源向中断系统发出请求中断的申请。中断响应：允许CPU 中止正在执行的程序，转去处理引起中断的各种事件。中断处理是通过具体执行中断服务程序来对中断源进行处理的过程。2022-5-1第三章 总线中断与输入输出系统7一、中断系统2 中断的分类和分级 一般的高性能系统，系统的中断源个数可能多达数十甚至数百个，为简化硬件的复

4、杂度，宜将性质接近的中断源分成类。 不同类的中断，就要根据中断类的性质、紧迫性、全局性、重要性及软件处理的方便性等，再将它们分成不同的中断响应优先级，让级别高的中断类能优先得到响应。2022-5-1第三章 总线中断与输入输出系统8一、中断系统2 中断的分类和分级一般在安排中断类响应的优先级时，采用如下方式：第1级：机器校验类中断；第2级：程序性中断和管理程序调用类中断；第3级：外部中断；第4级：输入输出类中断；第5级：重新启动中断。优先级最高优先级最低2022-5-1第三章 总线中断与输入输出系统9一、中断系统3 中断嵌套的原则中断嵌套指的是新的中断请求中断了CPU正在执行的中断处理程序。中断

5、嵌套的原则：正在执行的中断处理程序，应当屏蔽与之同级或比之低级的中断请求。用户程序的级别最低，任何中断请求都能中断用户程序的运行；中断处理程序结束后，启用“从哪里来回那里去”机制。2022-5-1第三章 总线中断与输入输出系统10一、中断系统4 中断处理次序 为了能动态地调节中断处理程序实际执行完的次序，即中断处理次序，在中断级请求源与中断响应排队器的入口端之间又加设了一个中断级屏蔽位寄存器和相应的控制门电路硬件。中断源CPU中断屏蔽位控制器排队器12345100102352 3 52022-5-1第三章 总线中断与输入输出系统11一、中断系统4 中断处理次序 中断级屏蔽字寄存器中的每一个中断

6、级屏蔽位可以控制让相应等级的中断请求能否进入中断响应排队器去参加排队。只要能进入中断响应排队器的中断请求，总是让其中级别相对高的优先得到响应。中断源CPU中断屏蔽位控制器排队器12345100102352 3 5“0”表示屏蔽“1”表示开放。2022-5-1第三章 总线中断与输入输出系统12一、中断系统4 中断处理次序 操作系统可以根据CPU正在执行的程序来修改中断级屏蔽位的状况，来使中断处理(完)的次序符合我们所希望的次序。设中断处理次序为：5 2 3 1 4中断源CPU中断屏蔽位控制器排队器12345100102352 3 52022-5-1第三章 总线中断与输入输出系统13一、中断系统中

7、断系统的解题关键两个次序一个原则一个锦囊2022-5-1第三章 总线中断与输入输出系统14一、中断系统5 中断屏蔽位举例中断处理程序级别中断级屏蔽位1级 2级 3级 4级第1级0000第2级1011第3级1001第4级1000“0”表示屏蔽“1”表示开放。处理次序：1-4-3-2 用户程序 中断处理程序 1 2 3 42022-5-1第三章 总线中断与输入输出系统15一、中断系统6 中断系统应用题1）机器有五级中断，中断响应次序为1-2-3-4-5，现要求中断处理次序为2-3-1-5-4 。设计各级中断处理程序的中断级屏蔽位，令“0”表示开放，“1”表示屏蔽；若在运行用户程序时，同时发生1、3

8、级中断请求，而在1级中断服务尚未完成时，又发生2、3、4、5级中断，请画出处理机执行程序的全过程示意图。2022-5-1第三章 总线中断与输入输出系统16一、中断系统中断处理程序级别中断级屏蔽位1级 2级 3级 4级 5级第1级10011第2级11111第3级10111第4级00010第5级00011中断处理程序级别中断级屏蔽位1级2级3级4级5级第1级第2级第3级第4级第5级2022-5-1第三章 总线中断与输入输出系统17一、中断系统2）机器有五级中断，中断级屏蔽位“1”表示开放，“0”表示屏蔽；中断响应次序为1-2-3-4-5，各级中断处理程序的中断级屏蔽位设置如下表所示。中断处理次序为

9、什么？若在运行用户程序时，同时发生4、5级中断请求，而在5级中断服务尚未完成时，又发生1、2、3级中断，请画出处理机执行程序的全过程示意图。中断处理程序级别中断级屏蔽位1级 2级 3级 4级 5级第1级00000第2级10111第3级10000第4级10101第5级101002022-5-1第三章 总线中断与输入输出系统18一、中断系统3）机器有五级中断，中断响应次序为1-2-3-4-5，现要求中断处理次序为3-5-2-4-1 。设计各级中断处理程序的中断级屏蔽位，令“1”表示开放，“0”表示屏蔽；若在运行用户程序时，同时发生4、5级中断请求，而在5级中断服务尚未完成时，又发生1、2、3级中断

10、，请画出处理机执行程序的全过程示意图。2022-5-1第三章 总线中断与输入输出系统19二、通道处理机1、通道处理机进行输入/输出的过程 在多用户应用环境下，应用程序要想进行一次输入/输出，可在目态程序中安排要求进行输入/输出的访管指令，并带上所用之设备号、设备与主存要交换的字节数、与主存交换信息的起始地址等参数。 CPU执行到访管指令时，按其提供的入口地址，将管理程序调出来执行。此管理程序的任务是利用所带的参数来编制通道程序。 在通道程序编好且存入主存中某个通道缓冲区时，就置好相应的通道地址字。当管理程序执行到“启动I/O”的管态指令时，发出启动命令。当设备被成功启动之后，CPU就退出管态，

11、返回目态去执行其它的用户程序。此时，通道进入了“通道数据传送”期。 被启动的通道开始执行存放于通道缓冲区中的通道程序来具体组织I/O操作，完成了通道程序后，又向CPU发出I/O中断请求。CPU在响应I/O中断请求后，第二次进入管态，调出相应的管理程序，进行善后登记和处理后，又重新返回目态。这样，一次输入/输出的过程中，CPU只需要二次进入管态，使之减少了输入/输出对目态程序的干扰，也使CPU和外部设备及多台设备之间可以并行地工作。2022-5-1第三章 总线中断与输入输出系统20二、通道处理机通道CPU目态（运行目态程序）管态（运行I/O管理程序）要求进行输入/输出的访管指令编制通道程序运行存

12、放在主存中的通道程序组织I/O操作I/O操作结束后，向CPU发I/O中断请求响应I/O中断请求启动I/O指令时间轴2022-5-1第三章 总线中断与输入输出系统21二、通道处理机2、通道的分类及相应的数据宽度 在通道的数据传送期内，根据信息传送所采取的方式不同，通道又可被分为字节多路、数组多路和选择3类。 设通道所连接的p台设备均已启动，且在数据传送期内，选择使用当前通道总线来传送数据的设备所需要的时间为Ts，通道传送一个字节数据所需要的时间为TD，则每台设备都要传送n个字节数据时的工作时间示意图如下所示：2022-5-1第三章 总线中断与输入输出系统22二、通道处理机 选中一台设备后，设备只

13、传送1字节数据就释放总线； 各设备轮流传送； 设备要传送n字节数据，需经n次申请使用通道总线； t=np(Ts+TD) 适用于连接大量的低速设备； 通道的数据宽度为单字节。2022-5-1第三章 总线中断与输入输出系统23二、通道处理机2022-5-1第三章 总线中断与输入输出系统24二、通道处理机 选中一台设备后，设备只传送k字节成组数据，然后释放总线； 各设备轮流传送； 设备要传送n字节数据，需经n/k次申请使用通道总线； t=p(Ts+kTD)n/k 适用于连接多台高速设备，如磁盘，k=512B，一般地kn； 通道的数据宽度为k字节。2022-5-1第三章 总线中断与输入输出系统25二、

14、通道处理机2022-5-1第三章 总线中断与输入输出系统26二、通道处理机 选中一台设备后，设备独占通道，传送外所有数据后释放才总线； 各设备轮流传送； 设备要传送n字节数据，只需1次申请使用通道总线； t=p(Ts+nTD) 适用于连接优先级高的高速设备； 通道的数据宽度为n字节。2022-5-1第三章 总线中断与输入输出系统27二、通道处理机2022-5-1第三章 总线中断与输入输出系统28二、通道处理机3 通道的流量设计 通道流量是指通道在“通道数据传送”期间，单位时间里传送的字节数。 极限流量：通道所能达到的最大流量。 字节多路：fmax.bytel(Ts+TD) 数组多路: fmax

15、.blockk/(Ts+kTD)=1(TsK+TD) 选择: fmax.selectn/(Ts+nTD)=1(Tsn+TD)2022-5-1第三章 总线中断与输入输出系统29二、通道处理机如果通道上所挂n台设备都被启动，则设备对通道要求的实际流量分别为：字节多路通道的流量应当是所挂各台设备的速率之和，即fbyte=f1+f2+fn数组多路通道和选择通道的流量都是所挂设备中速率最高者，即fblock= max（ f1，f2，fn） fselect =max（ f1，f2，fn） 2022-5-1第三章 总线中断与输入输出系统30二、通道处理机 为使通道所挂外部设备在满负荷工作时仍不丢失信息，应使

16、设备要求通道的实际最大流量不能超过通道的极限流量，即流量设计应满足的基本要求是： 字节多路：fbyte fmax.byte 数组多路：fblockfmax.block 选择： fselectfmax.select2022-5-1第三章 总线中断与输入输出系统31二、通道处理机例1 某字节交叉多路通道连接6台设备，其数据传送速率如下表所示。 (1)在表中填出设备相应二次请求传送字节的间隔时间。 (2)当所有设备同时要传送数据时，求其对通道要求的总流量fbyte。 (3)让通道以极限流量fmaxbyte fbyte 的工作周期工作，通道的工作周期是多少? (4)让通道中所挂设备速率越高的，数据传送

17、请求被响应的优先级越高。画出6台设备同时发请求到下次同时发请求期间里，通道响应和处理完各设备请求时刻的示意图。哪个设备丢失了信息?提出一种不丢失信息的解决办法。2022-5-1第三章 总线中断与输入输出系统32二、通道处理机设备号123456工作速率（B/ms）505040252510二次请求的间隔时间（s）设备号123456工作速率（B/ms）505040252510二次请求的间隔时间（s）20202540401002022-5-1第三章 总线中断与输入输出系统33二、通道处理机例2 设通道在数据传送期中，选择设备需4.9s，传送一个字节数据需0.1s。 (1)其低速设备每隔250s发出一个

18、字节数据传送请求，问最多可接多少台这种设备? (2)若有AE共5种高速设备，要求字节传送的间隔时间如下表所示，其时间单位为s。若一次通信传送的字节数不少于1024个字节，问哪些设备可挂在此通道上?哪些则不能?设 备ABCDE间隔时间(s)0.130.10.110.20.32022-5-1第三章 总线中断与输入输出系统34二、通道处理机 2）有8台外设，各设备要求传送信息的工作速率分别如下表所示。设通道数据传送其内，选择一次设备需1/s，每传送一个字节数据也需要1/s。现采用数组多路通道，定长块大小为512B。 (1)通道工作时的极限流量是多少? (2)哪些设备可挂在此通道上?为什么? 设备号1

19、2345678工作速率（Kb/s）10004802001501008028202022-5-1第三章 总线中断与输入输出系统35二、通道处理机3）有8台外设，各设备要求传送信息的工作速率分别如下表所示。现设计的通道，在数据传送期，每选择一次设备需2/s，每传送一个字节数据也需要2/s 。 (1)若用作字节多路通道，通道工作的最高流量是多少? (2)作字节多路通道用时，希望同时不少于4台设备挂在此通道上，最好多挂一些，且高速设备尽量多挂一些，请问应选哪些设备挂在此通道上?为什么? (3)若用作数组多路通道，通道工作的最高流量是多少?设定长块大小取成512B。 (4)作数组多路通道用时，应选哪些设

20、备挂在此通道上?为什么?设备号ABCDEFGH工作速率（kB/s）50024010075504014102022-5-1第三章 总线中断与输入输出系统36三、外围处理机1 通道处理机的局限性通道处理机实际上并不能看成是独立的处理机，原因如下：通道指令系统简单；没有大容量的存储器；每次I/O操作前后需中断CPU的现行程序，调用OS的管理程序为I/O操作服务；当外围设备或通道处理机出现故障时，须通过中断方式请求CPU来处理；对所传数据的格式转换、码制转换、正确性校验等工作仍需CPU完成；文件管理、设备管理等操作系统的工作需要CPU来实现； 2022-5-1第三章 总线中断与输入输出系统37三、外围处理机2022-5-1第三章 总线中断与输入输出系统38三、外围处