计算机体系结构第3章

1、第3章 存储、中断、总线与输入输出系统 第 3 章 存储、中断、总线与I/O系统 3.1 存储系统的基本要求和并行系统存储系统的基本要求和并行系统3.2 中断系统中断系统 3.3 总线系统总线系统 3.4 输入输入/输出系统输出系统 第3章 存储、中断、总线与输入输出系统 3.2 中中 断断 系系 统统3.2.1 3.2.1 中断的中断的分类和分级分类和分级 引起中断的各种事件称为引起中断的各种事件称为中断源中断源。中断源向中断系统发出。中断源向中断系统发出请求中断的申请，称为请求中断的申请，称为中断请求中断请求。同时可能有多个中断请求，。同时可能有多个中断请求，这时中断系统需要按事先确定的中

2、断响应优先次序对优先级高这时中断系统需要按事先确定的中断响应优先次序对优先级高的中断请求予以响应。所谓的中断请求予以响应。所谓中断响应中断响应就是允许其中断就是允许其中断CPUCPU现行现行程序的运行，转去对该请求进行预处理，包括保存好断点现场，程序的运行，转去对该请求进行预处理，包括保存好断点现场，调出有关处理该中断的中断处理程序，准备运行。调出有关处理该中断的中断处理程序，准备运行。 这部分工这部分工作在大多数机器上都是采用交换新旧程序状态字作在大多数机器上都是采用交换新旧程序状态字PSWPSW的办法实的办法实现的。现的。 当然为了某种需要，中断系统也可以对中断请求进行当然为了某种需要，中

3、断系统也可以对中断请求进行屏蔽，使之暂时得不到响应。屏蔽，使之暂时得不到响应。 第3章 存储、中断、总线与输入输出系统 为处理一个中断请求，必须调出相应的中断处理程序。如为处理一个中断请求，必须调出相应的中断处理程序。如果中断源比较少时，果中断源比较少时， 通过中断系统硬件就可以比较方便地对通过中断系统硬件就可以比较方便地对每个中断源直接形成相应的中断处理程序入口，进入相应的中每个中断源直接形成相应的中断处理程序入口，进入相应的中断处理程序。但对中、大型多用途机器，中断源一般可多达数断处理程序。但对中、大型多用途机器，中断源一般可多达数十至数百个。如果为每个中断源单独形成入口，不仅硬件难以十至

4、数百个。如果为每个中断源单独形成入口，不仅硬件难以实现，代价也很大，就是在中断处理上也没有这种必要。因为实现，代价也很大，就是在中断处理上也没有这种必要。因为不少中断源的性质比较接近，可以将它们分别不少中断源的性质比较接近，可以将它们分别归成几类归成几类，对每，对每一类一类给定给定一个一个中断处理程序中断处理程序入口入口，再由软件转入对相应的中断，再由软件转入对相应的中断源进行处理，这样可以大大简化中断处理程序入口形成硬件。源进行处理，这样可以大大简化中断处理程序入口形成硬件。第3章 存储、中断、总线与输入输出系统 以以IBM 370IBM 370为例，它把中断分成为例，它把中断分成机器校验、

5、管理程序调用、机器校验、管理程序调用、 程序性、外部、输入程序性、外部、输入/ /输出和重新启动输出和重新启动 6 6 类类。前。前5 5类中断只类中断只发生在发生在CPUCPU处于运行状态时，而重新启动不论处于运行状态时，而重新启动不论CPUCPU是处于停止是处于停止状态还是处于运行状态都可以发生。这状态还是处于运行状态都可以发生。这6 6类中断，它们的旧类中断，它们的旧PSWPSW和新和新PSWPSW所在的存贮单元位置都是各不相同的。每类的具所在的存贮单元位置都是各不相同的。每类的具体中断原因可由旧体中断原因可由旧PSWPSW中的中断码进一步指明，或是由中断中的中断码进一步指明，或是由中断

6、期间放在指定存贮单元中的附加信息指明。期间放在指定存贮单元中的附加信息指明。 第3章 存储、中断、总线与输入输出系统 机器校验中断机器校验中断告诉程序发生了设备故障。可用告诉程序发生了设备故障。可用 64 64 位机位机器校验中断码以指明故障原因和严重性，更为详细的中断原器校验中断码以指明故障原因和严重性，更为详细的中断原因和故障位置可由机器校验保存区的内容提供。这里包含有因和故障位置可由机器校验保存区的内容提供。这里包含有电源故障、运算电路的误动作、主存出错、电源故障、运算电路的误动作、主存出错、 通道动作故障、通道动作故障、处理器的各种硬件故障等等。处理器的各种硬件故障等等。 访管中断访管

7、中断是在用户程序需要操作系统介入时，通过执行是在用户程序需要操作系统介入时，通过执行“访管访管”指令时发生的，访管原因由指令时发生的，访管原因由“访管指令访管指令”中的中的 8 8 位码指明。位码指明。 第3章 存储、中断、总线与输入输出系统 程序性中断程序性中断是包括指令和数据的格式错、程序执行中出现是包括指令和数据的格式错、程序执行中出现异常异常( (非法指令、非法指令、 目态下使用管态指令、主存访问方式保护、目态下使用管态指令、主存访问方式保护、寻址超过主存容量、寻址超过主存容量、 各种溢出、各种溢出、 除数为除数为“0 0”、 有效位为有效位为 0 0 等等) )以及程序的事件记录、以

8、及程序的事件记录、 监督程序对事件的检测引起的中断监督程序对事件的检测引起的中断等。等。 外中断外中断来自机器外部，它包括各种定时器中断、外部信号来自机器外部，它包括各种定时器中断、外部信号中断及中断键中断。各种定时器中断用以计时、计费、控制等。中断及中断键中断。各种定时器中断用以计时、计费、控制等。 外部信号中断主要用于与其他机器和系统的联系。中断键则用外部信号中断主要用于与其他机器和系统的联系。中断键则用于操作员对机器的干预。这些外中断又可再分成两类：一类是于操作员对机器的干预。这些外中断又可再分成两类：一类是若未被响应继续保留，若未被响应继续保留， 另一类如不响应则不再保留。另一类如不响

9、应则不再保留。 第3章 存储、中断、总线与输入输出系统 输入输入/ /输出中断输出中断是是CPUCPU与与I/OI/O设备及通道联系的工具，在输设备及通道联系的工具，在输入输出操作完成、入输出操作完成、 I/OI/O通道或设备产生故障时发出。通道或设备产生故障时发出。程序性、程序性、 外部、外部、 I/OI/O这这 3 3 类中断的中断码均为类中断的中断码均为 16 16 位。位。 重新启动中断重新启动中断是为操作员或另一台是为操作员或另一台CPUCPU要启动一个程序所要启动一个程序所用。用。 CPUCPU不能禁止这种中断。不能禁止这种中断。 第3章 存储、中断、总线与输入输出系统 表表 3.

10、2 3.2 中断级屏蔽位举例中断级屏蔽位举例3.2.2 中断的响应次序与处理次序中断的响应次序与处理次序 第3章 存储、中断、总线与输入输出系统 图图 3.7 中断处理次序为中断处理次序为 1234 的例子的例子 第3章 存储、中断、总线与输入输出系统 表表 3.3 3.3 中断级屏蔽位举例中断级屏蔽位举例第3章 存储、中断、总线与输入输出系统 图图 3.8 中断处理次序为中断处理次序为 1432 的例子的例子 第3章 存储、中断、总线与输入输出系统 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 中断系统的功能包括中断系统的功能包括中断请求的保存和清除、中断请求的保存和清除、

11、优先级的优先级的确定、确定、 中断断点及现场的保存、对中断请求的分析和处理以中断断点及现场的保存、对中断请求的分析和处理以及中断返回及中断返回等，这些全是由中断响应硬件和中断处理程序共等，这些全是由中断响应硬件和中断处理程序共同完成的。因此，中断系统的软、硬件功能分配实质上就是同完成的。因此，中断系统的软、硬件功能分配实质上就是中断处理程序软件和中断响应硬件的功能分配中断处理程序软件和中断响应硬件的功能分配。 第3章 存储、中断、总线与输入输出系统 中断现场包括中断现场包括软件状态软件状态( (如作业名称和级别，上、下界值，如作业名称和级别，上、下界值， 各种软件状态和标志等各种软件状态和标志

12、等) )和和硬件状态硬件状态( (如现行指令地址，条件如现行指令地址，条件码等状态信息，各种控制寄存器及通用寄存器内容码等状态信息，各种控制寄存器及通用寄存器内容) )。通常采。通常采取把分散于取把分散于CPUCPU各部分的硬件状态集合成各部分的硬件状态集合成程序状态字程序状态字，然后由，然后由中断响应硬件通过将程序状态字中断响应硬件通过将程序状态字( (处理器状态字、换道区处理器状态字、换道区) )存存到主存指定单元或区域的方式来完成保存。接着，再把新的到主存指定单元或区域的方式来完成保存。接着，再把新的程序或进程的程序状态字程序或进程的程序状态字( (处理器状态字、换道区处理器状态字、换道

13、区) )从主存另从主存另一指定单元或区域把内容传送到有关寄存器和计数器中，建一指定单元或区域把内容传送到有关寄存器和计数器中，建立起运行新的程序或进程的环境。硬件状态是全部经中断响立起运行新的程序或进程的环境。硬件状态是全部经中断响应硬件保存，还是部分经它，部分经中断处理程序保存，应硬件保存，还是部分经它，部分经中断处理程序保存， 要要视具体机器的规模和使用场合而作不同的选择。视具体机器的规模和使用场合而作不同的选择。 第3章 存储、中断、总线与输入输出系统 从发出中断请求到进入中断处理程序的从发出中断请求到进入中断处理程序的中断响应时间中断响应时间是是中断系统的一个重要性能指标，它主要取决于

14、中断系统的一个重要性能指标，它主要取决于交换程序状态交换程序状态字的时间字的时间。以。以IBM 370 IBM 370 为例，程序状态字为为例，程序状态字为 64 64 位，等于它位，等于它的长字，的长字， 因此交换程序状态字只需经写长字和读长字二次访因此交换程序状态字只需经写长字和读长字二次访存即可。存即可。 然而，要经中断响应硬件保存的硬件状态愈多，程然而，要经中断响应硬件保存的硬件状态愈多，程序状态字就愈长，所需的访存次数和时间就愈长，响应速度序状态字就愈长，所需的访存次数和时间就愈长，响应速度就会愈低，尤其是不断增大通用寄存器个数是当前计算机发就会愈低，尤其是不断增大通用寄存器个数是当

15、前计算机发展的趋势，像展的趋势，像CRAY-1CRAY-1，需保存的向量、标量、地址寄存器的，需保存的向量、标量、地址寄存器的总位数可达总位数可达 3900 3900 位。位。 第3章 存储、中断、总线与输入输出系统 另一方面，另一方面，中断系统还应具有较大的灵活性中断系统还应具有较大的灵活性。实际上并不是。实际上并不是所有的中断处理都需要把通用寄存器的内容或是全部通用寄所有的中断处理都需要把通用寄存器的内容或是全部通用寄存器的内容都保存起来，存器的内容都保存起来， 这是因为经中断进行的任务切换可这是因为经中断进行的任务切换可以有两种：以有两种：一种是整个任务的切换一种是整个任务的切换( (如

16、某道程序切换到另一如某道程序切换到另一道道) )，这当然需要把整个通用寄存器的内容都保存起来；另一，这当然需要把整个通用寄存器的内容都保存起来；另一种是某种是某道程序调用某个管理程序的切换道程序调用某个管理程序的切换， 这往往不需要保存这往往不需要保存或只需部分保存。或只需部分保存。 因此，目前对于大多数一般的机器，各种因此，目前对于大多数一般的机器，各种通用寄存器的内容是由中断处理程序按切换需要来保存的。通用寄存器的内容是由中断处理程序按切换需要来保存的。这既提高了中断响应的速度，又具有较大的灵活性。当然，这既提高了中断响应的速度，又具有较大的灵活性。当然，如果主存宽度很宽，一个主存周期又能

17、访问很多字，也有全如果主存宽度很宽，一个主存周期又能访问很多字，也有全部由中断响应硬件来保存的。部由中断响应硬件来保存的。 第3章 存储、中断、总线与输入输出系统 例例 假设一台计算机的假设一台计算机的I/OI/O处理占处理占1010，当其，当其CPUCPU性能改进，而性能改进，而I/OI/O性能保持不变时，系统总体性能会性能保持不变时，系统总体性能会出现什么变化？出现什么变化？ 解：假设原来的程序执行时间为解：假设原来的程序执行时间为1 1个单位时间。个单位时间。如果如果CPUCPU的性能提高的性能提高1010倍，程序的计算（包含倍，程序的计算（包含I/OI/O处处理）时间为：理）时间为：

18、(1 - 10%)/10 + 10% = 0.19(1 - 10%)/10 + 10% = 0.19 如果如果CPUCPU的性能提高的性能提高1010倍倍 如果如果CPUCPU的性能提高的性能提高100100倍倍第3章 存储、中断、总线与输入输出系统 即整机性能只能提高约即整机性能只能提高约5 5倍，差不多有倍，差不多有5050的的CPUCPU性能浪费在性能浪费在I/OI/O上。上。 如果如果CPUCPU性能提高性能提高100100倍，程序的计算时间为：倍，程序的计算时间为： (1 - 10%)/100 + 10% = 0.109(1 - 10%)/100 + 10% = 0.109而整机性能

19、只能提高约而整机性能只能提高约1010倍，表示有倍，表示有9090的性能的性能浪费在没有改进的浪费在没有改进的I/OI/O上了。上了。 第3章 存储、中断、总线与输入输出系统 3.3 总总 线线 系系 统统 3.3.1 3.3.1 总线的分类总线的分类 就允许信息传送的方向来说，总线可以有就允许信息传送的方向来说，总线可以有单向传输和双单向传输和双向传输向传输两种。双向传输又有半双向和全双向的不同。前者虽两种。双向传输又有半双向和全双向的不同。前者虽可以沿相反的方向传送，但同一时刻只能向其中的一个方向可以沿相反的方向传送，但同一时刻只能向其中的一个方向传送。后者允许同时在两个方向传送。全双向的

20、速度快，但传送。后者允许同时在两个方向传送。全双向的速度快，但造价高，结构复杂。造价高，结构复杂。按在系统中的位置分：芯片级，板级和系统级。按在系统中的位置分：芯片级，板级和系统级。 第3章 存储、中断、总线与输入输出系统 按设备定时方式分类按设备定时方式分类 (1) (1) 同步总线同步总线 同步总线上所有设备通过统一的总线系统同步总线上所有设备通过统一的总线系统 时钟进行同步。时钟进行同步。 优点：成本低，因为它不需要设备之间互相确优点：成本低，因为它不需要设备之间互相确 定时序的逻辑。定时序的逻辑。 缺点：总线操作必须以相同的速度运行。缺点：总线操作必须以相同的速度运行。 (2) (2)

21、 异步总线异步总线 异步总线上的设备之间没有统一的系统时异步总线上的设备之间没有统一的系统时 钟，设备自己内部定时。钟，设备自己内部定时。 总线按其用法可以分成专用的和非专用的。总线按其用法可以分成专用的和非专用的。 i/oi/o系统适于使用非专用系统。系统适于使用非专用系统。第3章 存储、中断、总线与输入输出系统 图 3.9 所有部件之间用专用总线互连 第3章 存储、中断、总线与输入输出系统 3.3.2 总线的控制方式总线的控制方式 当采用非专用总线时，由于可能发生多个设备或部件同时当采用非专用总线时，由于可能发生多个设备或部件同时申请使用总线，就得有总线控制机构来按照某种优先次序裁决，申请

22、使用总线，就得有总线控制机构来按照某种优先次序裁决，保证在同一时间内只能有一个高优先级的申请者取得对总线的保证在同一时间内只能有一个高优先级的申请者取得对总线的使用权。使用权。 如果总线控制逻辑基本上集中放在一起，不论是放在连接如果总线控制逻辑基本上集中放在一起，不论是放在连接到总线的一个部件中，还是放在单独的硬件中，都称为到总线的一个部件中，还是放在单独的硬件中，都称为集中式集中式控制控制。 而当总线控制逻辑分散于连到总线的各个部件中时，就而当总线控制逻辑分散于连到总线的各个部件中时，就称为称为分布式总线控制分布式总线控制。 这里只讲集中式总线控制。这里只讲集中式总线控制。 第3章 存储、中

23、断、总线与输入输出系统 图 3.10 集中式串行链接 第3章 存储、中断、总线与输入输出系统 图 3.11 集中式定时查询 第3章 存储、中断、总线与输入输出系统 图 3.12 集中式独立请求 第3章 存储、中断、总线与输入输出系统 3.3.3 总线的通信技术总线的通信技术 1. 1. 同步通信同步通信 同步通信时，两个部件之间的信息传送是通过定宽、定同步通信时，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。这种方式的信息传送速率高，受距的系统时标进行同步的。这种方式的信息传送速率高，受总线的长度影响小，但会因时钟在总线上的时滞而造成同步总线的长度影响小，但会因时钟在总线上的时滞

24、而造成同步误差，误差， 且时钟线上的干扰信号易引起误同步。且时钟线上的干扰信号易引起误同步。 第3章 存储、中断、总线与输入输出系统 为了提高可靠性，要求目的部件对数据是否已被接收以为了提高可靠性，要求目的部件对数据是否已被接收以及是否正确均能给以回答。如果同步时间片的宽度宽到能为及是否正确均能给以回答。如果同步时间片的宽度宽到能为每个字的传送作出回答，则它必须按接到总线上的每个字的传送作出回答，则它必须按接到总线上的最低速最低速的的部件来考虑，这就会使同步通信的数据传送速率低于后面讲部件来考虑，这就会使同步通信的数据传送速率低于后面讲的异步通信。的异步通信。 一种解决办法是在正常时，目的部件

25、不作回答，一种解决办法是在正常时，目的部件不作回答，源部件也不等待回答信号，但如果发生错误，则目的部件将源部件也不等待回答信号，但如果发生错误，则目的部件将在同步时间片过去之后，发回源部件一个出错信号，这样，在同步时间片过去之后，发回源部件一个出错信号，这样，就不会降低正常时总线的传送速率。但是这种办法中，源部就不会降低正常时总线的传送速率。但是这种办法中，源部件必须设置较大容量的缓冲器来保留已传送，但未经证实和件必须设置较大容量的缓冲器来保留已传送，但未经证实和回答过的所有数据，以备重发之用。回答过的所有数据，以备重发之用。 第3章 存储、中断、总线与输入输出系统 2. 2. 异步通信异步通

26、信 由于由于I/OI/O总线一般是为具有不同速度的许多总线一般是为具有不同速度的许多I/OI/O设备所设备所共享，因此宜于采用异步通信。共享，因此宜于采用异步通信。异步通信又可分为单向控制异步通信又可分为单向控制和双向和双向( (请求请求/ /回答回答) )控制两种控制两种。 单向控制指的是通信过程只由目的或源部件中的一个单向控制指的是通信过程只由目的或源部件中的一个控制。而双向控制是由源和目的双方共同控制。单向控制又控制。而双向控制是由源和目的双方共同控制。单向控制又有源控制和目的控制两种。有源控制和目的控制两种。 第3章 存储、中断、总线与输入输出系统 图 3.13 异步单向控制通信 不能

27、保证下一数据传送之前让所有数据线和控制线不能保证下一数据传送之前让所有数据线和控制线电平信号回到初始状态。电平信号回到初始状态。第3章 存储、中断、总线与输入输出系统 图图 3.14 源控式源控式异步双向控制通信异步双向控制通信 第3章 存储、中断、总线与输入输出系统 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 我们这里所讲的我们这里所讲的“数据宽度数据宽度”指的指的是是I/OI/O设备取得设备取得I/OI/O总线使总线使用权后所传送数据的总量用权后所传送数据的总量。传送完后就释放总线，重新开始分。传送完后就释放总线，重新开始分配总线。所以，它不同于前面讲过

28、的数据通路宽度。配总线。所以，它不同于前面讲过的数据通路宽度。数据通路数据通路宽度宽度指的是数据传送的物理宽度指的是数据传送的物理宽度，即一个时钟周期所传送的信即一个时钟周期所传送的信息量息量， 它直接取决于数据总线的线数。二次分配总线之间所传它直接取决于数据总线的线数。二次分配总线之间所传送的数据宽度可能要经许多个时钟周期的分次传送来完成。采送的数据宽度可能要经许多个时钟周期的分次传送来完成。采用何种数据宽度与总线上各设备的工作特点、所采用的总线控用何种数据宽度与总线上各设备的工作特点、所采用的总线控制方式和通信技术有关。制方式和通信技术有关。数据宽度数据宽度的种类有单字的种类有单字( (或

29、单字节或单字节) )、定长块、定长块、 可变长块、单字加定长块和单字加可变长块等。可变长块、单字加定长块和单字加可变长块等。 第3章 存储、中断、总线与输入输出系统 单字（或单字节）宽度适合于输入机、单字（或单字节）宽度适合于输入机、打印机等低速设备。打印机等低速设备。 采用定长块宽度适合于磁盘等高速设备，采用定长块宽度适合于磁盘等高速设备，可以充分利用总线可提供的带宽。可以充分利用总线可提供的带宽。 可变长块宽度适合于高优先级的中高速可变长块宽度适合于高优先级的中高速磁带、磁盘。磁带、磁盘。第3章 存储、中断、总线与输入输出系统 2. 总线的线数总线的线数 总线需要有发送电路、接收电路、传输

30、导线或电缆、转总线需要有发送电路、接收电路、传输导线或电缆、转接插头和电源等，这部分比起逻辑线路的成本高得多，而且接插头和电源等，这部分比起逻辑线路的成本高得多，而且转接器往往占系统物理空间的相当部分，是降低系统可靠性转接器往往占系统物理空间的相当部分，是降低系统可靠性的主要部分。总线的的主要部分。总线的线数越多，成本越高、干扰越大、可靠线数越多，成本越高、干扰越大、可靠性越低、占用的空间也越大，当然传送速度和流量也越高性越低、占用的空间也越大，当然传送速度和流量也越高。 此外，此外，总线的长度越长，成本越高，干扰越大，波形畸变越总线的长度越长，成本越高，干扰越大，波形畸变越严重，可靠性越低严

31、重，可靠性越低。为此，。为此，越是长的总线，其线数就应尽可越是长的总线，其线数就应尽可能减少能减少。数据总线的宽度有位、字节。数据总线的宽度有位、字节 字或双字等。字或双字等。 第3章 存储、中断、总线与输入输出系统 在在满足性能要求满足性能要求以及所用通信类型和速率适配的情况下，以及所用通信类型和速率适配的情况下， 应应尽量减少总线的线数尽量减少总线的线数。通过采用线的组合、并。通过采用线的组合、并/ /串串串串/ /并转并转换和编码可以减少总线的线数，换和编码可以减少总线的线数， 但这通常会降低总线的流量。但这通常会降低总线的流量。 采用线的组合能减少只按功能和传送方向所需的线数。例采用线

32、的组合能减少只按功能和传送方向所需的线数。例如，性质相似、方向相反且不同时传送的两根单向线可用一根如，性质相似、方向相反且不同时传送的两根单向线可用一根半双向线代替。又例如，可通过对少数几根多功能线进行编码半双向线代替。又例如，可通过对少数几根多功能线进行编码来代替每种功能都单独用一根线完成的很多根单功能线等等。来代替每种功能都单独用一根线完成的很多根单功能线等等。并并/ /串串串串/ /并转换是在总线两端经并并转换是在总线两端经并/ /串、串串、串/ /并转换器转换，并转换器转换，以便使用较少的线数，经多次传送后再在端点转换成完整的字。以便使用较少的线数，经多次传送后再在端点转换成完整的字。

33、串串/ /并的程度根据系统成本和性能的折衷权衡选取。一位串行并的程度根据系统成本和性能的折衷权衡选取。一位串行传送的总线只用于远距离通信。传送的总线只用于远距离通信。 第3章 存储、中断、总线与输入输出系统 总线标准和实例1. PCI(Peripheral Component Interconnect)1. PCI(Peripheral Component Interconnect) 即外围器件互连即外围器件互连，是一种为是一种为CPUCPU和外设之间和外设之间 提供高性能数据通道的总线。提供高性能数据通道的总线。特点：特点： 数据线和地址线采用多路复用结构，减少了引脚数；数据线和地址线采用多

34、路复用结构，减少了引脚数； PCIPCI总线定义了两种电信号标准环境：总线定义了两种电信号标准环境：5V5V和和3.3V3.3V； 总线信号与处理器无关，可以支持多系列的处理器；总线信号与处理器无关，可以支持多系列的处理器； 透明的透明的32/6432/64位总线，允许位总线，允许3232位和位和6464位总线设备相互位总线设备相互 操作；操作； PCIPCI支持总线扩展和设备的自动配置。支持总线扩展和设备的自动配置。第3章 存储、中断、总线与输入输出系统 2. USB2. USB（Universal Serial BusUniversal Serial Bus） 通用串行总线端口通用串行总线

35、端口 试图取代串口、并口和试图取代串口、并口和PS/2PS/2的连接。的连接。 提供这种端口的目的提供这种端口的目的 提供设备快速的热插拔和即插即用的能力。提供设备快速的热插拔和即插即用的能力。3. FireWire3. FireWire 适用于磁盘和视频图像系统等高速设备。适用于磁盘和视频图像系统等高速设备。 可以实现即插即用，具有更高的数据传输速率。可以实现即插即用，具有更高的数据传输速率。 ( (高达高达100Mbps100Mbps200Mbps200Mbps，USBUSB为为12Mbps) 12Mbps) 第3章 存储、中断、总线与输入输出系统 S总线总线PCIIPISCSI-2数据宽

36、度数据宽度32位位32或或64位位16位位8到到16位位时钟频率时钟频率16到到25MHz33MHz异步异步10MHz或异步或异步总线的总线的主设备数主设备数多个多个多个多个一个一个多个多个读读32位的位的带宽带宽33 MB/s33MB/s25MB/s20MB/s或或6MB/s峰值带宽峰值带宽89 MB/s111MB/s25MB/s20MB/s或或6MB/s标准标准无无2.0ANSI X3.129ANSI X3.131 几种常用总线几种常用总线 第3章 存储、中断、总线与输入输出系统 HP SummitSGI ChallengeSUN XDBus数据宽度数据宽度128位位256位位144位位时

37、钟频率时钟频率60 MHz48 MHz66 MHz总线的总线的主设备数主设备数多个多个多个多个多个多个峰值带宽峰值带宽960MB/sec1200MB/sec1056MB/sec标准标准无无无无无无几种几种CPU-CPU-存储器总线存储器总线 第3章 存储、中断、总线与输入输出系统 I/O I/O 总线设计在满足系统功能和性能要求下，进行全总线设计在满足系统功能和性能要求下，进行全面权衡设计。面权衡设计。 I/O I/O 总线所需的流量取决于该总线所接的外设数量、总线所需的流量取决于该总线所接的外设数量、种类以及传输信息方式和速率要求。种类以及传输信息方式和速率要求。总线的主要可选特性总线的主要

38、可选特性选择选择高性能高性能低价格低价格总线宽度总线宽度独立的地址和数据总线独立的地址和数据总线分时复用数据和地址总线分时复用数据和地址总线数据总线宽度数据总线宽度越宽越快越宽越快(64/128位位)越窄越便宜越窄越便宜传输块大小传输块大小块越大总线开销越小块越大总线开销越小每次传送单字每次传送单字总线主设备总线主设备多个多个(需要仲裁需要仲裁)单个单个(无需仲裁无需仲裁)分离处理分离处理采用采用不用不用定时方式定时方式同步同步异步异步第3章 存储、中断、总线与输入输出系统 3.4 输入输出系统概述输入输出系统概述 输入输出系统包括输入输出系统包括输入输入/ /输出设备输出设备、 设备控制器设

39、备控制器及及与输入与输入/ /输出操作有关的软硬件输出操作有关的软硬件。 输入输入/ /输出系统的主要功能是输出系统的主要功能是对指定的外设进行输入、对指定的外设进行输入、 输输出操作，同时也完成许多其他的管理和控制出操作，同时也完成许多其他的管理和控制。它包括：。它包括：给指定给指定外设的信息编址，连接好主存与指定外设之间的信息通路，完外设的信息编址，连接好主存与指定外设之间的信息通路，完成在指定外设编址区和由操作系统指定的主存空间之间进行所成在指定外设编址区和由操作系统指定的主存空间之间进行所要求的信息传送要求的信息传送( (输入时是将外设编址区域的信息送入主存，输输入时是将外设编址区域的

40、信息送入主存，输出时是将主存的信息送往外设编址区出时是将主存的信息送往外设编址区) )。有的输入输出系统还能。有的输入输出系统还能对要传送的信息进行格式变换，形成和产生有关输入输出操作对要传送的信息进行格式变换，形成和产生有关输入输出操作是否完成或在执行过程中是否有错的状态控制信息，经中断系是否完成或在执行过程中是否有错的状态控制信息，经中断系统传送给操作系统去分析和处理。统传送给操作系统去分析和处理。 第3章 存储、中断、总线与输入输出系统 输入输出系统的发展经历了输入输出系统的发展经历了 3 3 个阶段，个阶段， 对应于对应于 3 3 种种方式，方式， 即即程序控制输入输出程序控制输入输出

41、( (包括全软的、程序查询状态驱包括全软的、程序查询状态驱动的、动的、 中断驱动的几种中断驱动的几种) )、 直接存贮器访问直接存贮器访问(DMA)(DMA)和和I/OI/O处处理机方式理机方式。 这这3 3种方式可以分别用在不同的计算机系统上，种方式可以分别用在不同的计算机系统上， 也可以用在同一个计算机系统上作为相互补充。也可以用在同一个计算机系统上作为相互补充。I/O处理机方式处理机方式又有又有通道方式通道方式和和外围处理机外围处理机方式：方式：外围处理机是一种独立的处理性、通用性和功能都较强的处外围处理机是一种独立的处理性、通用性和功能都较强的处理机。理机。 第3章 存储、中断、总线与

42、输入输出系统 通通 道道 处处 理理 机工作原理和流量设计机工作原理和流量设计 图 3.15 通道处理机输入输出的主要过程 第3章 存储、中断、总线与输入输出系统 图 3.16 通道处理机输入输出主要过程的时间关系示意图 第3章 存储、中断、总线与输入输出系统 图图 3.17 “启动启动I/O”指令流程指令流程(注：注： 这里的结束，这里的结束， 表示释放通道表示释放通道)第3章 存储、中断、总线与输入输出系统 图 3.18 IBM 370 的I/O结构 第3章 存储、中断、总线与输入输出系统 1.1. 字节多路通道字节多路通道 (1)(1) 字节多路通道主要为多台低速或中速的外围字节多路通道

43、主要为多台低速或中速的外围 设备服务。设备服务。 (2)(2) 采用分时方式工作，依靠它与采用分时方式工作，依靠它与CPUCPU之间的高之间的高 速数据通路分时为多台设备服务。速数据通路分时为多台设备服务。 (3)(3) 工作方式工作方式 字节交叉方式字节交叉方式 连接在通道上的各个设备轮流占用一连接在通道上的各个设备轮流占用一 个很短的时间片（通常小于个很短的时间片（通常小于100100微秒微秒）传）传 输一个字节。输一个字节。第3章 存储、中断、总线与输入输出系统 成组方式成组方式 一个设备一次占用通道比较长的时间传输一个设备一次占用通道比较长的时间传输 一组数据，或者说，设备与通道的连接

44、可以根一组数据，或者说，设备与通道的连接可以根 据需要维持到一组数据全部传送完成。据需要维持到一组数据全部传送完成。2.2. 数组多路通道数组多路通道 (1)(1) 数组多路通道适于为高速设备服务。数组多路通道适于为高速设备服务。 (2)(2) 每次选择一个高速设备后传送一个数据块，每次选择一个高速设备后传送一个数据块， 并轮流为多台外围设备服务。并轮流为多台外围设备服务。 (3)(3) 数组多路通道之所以能够并行地为多个高速数组多路通道之所以能够并行地为多个高速 外围设备服务，是因为这些高速外围设备并外围设备服务，是因为这些高速外围设备并 不能在整个数据输入输出时间内单独利用通不能在整个数据

45、输入输出时间内单独利用通 道的全部传输能力。道的全部传输能力。第3章 存储、中断、总线与输入输出系统 3.3. 选择通道选择通道 (1)(1) 选择通道也是为多高速外围设备服务的。选择通道也是为多高速外围设备服务的。 (2)(2) 在传送数据期间，该通道只能为一台高速在传送数据期间，该通道只能为一台高速 外围设备服务，但在不同的时间内可以选外围设备服务，但在不同的时间内可以选 择不同的设备。择不同的设备。第3章 存储、中断、总线与输入输出系统 通道流量的设计通道流量的设计 通道流量是指通道在数据传送期内，单位时间内传送的字通道流量是指通道在数据传送期内，单位时间内传送的字节数。它能达到的最大流

46、量称通道极限流量。一个通道能达到节数。它能达到的最大流量称通道极限流量。一个通道能达到的极限流量与其的极限流量与其工作方式工作方式、数据传送期内、数据传送期内选择一次设备的时间选择一次设备的时间T TS S和和传送一个字节的时间传送一个字节的时间T TD D的长短有关。由于字节多路通道每的长短有关。由于字节多路通道每选 择 一 台 设 备 只 传 送 一 个 字 节 ， 故 其 通 道 极 限 流 量选 择 一 台 设 备 只 传 送 一 个 字 节 ， 故 其 通 道 极 限 流 量f fmaxmaxbytebyte=1/(=1/(T TS S+ +T TD D) )。 TS TD D11

47、TS TD D21 TS TD Dij . TS TD Dpn T 第3章 存储、中断、总线与输入输出系统 数组多路通道每选择一台设备只传送数组多路通道每选择一台设备只传送K K个字个字节，如果要传送节，如果要传送N N个字节，就得经个字节，就得经N/KN/K次次传送才行，每次都要花去一个选择设备的时传送才行，每次都要花去一个选择设备的时间间T TS S，所以，其通道极限流量，所以，其通道极限流量f fmaxmaxblock=block=K/(TK/(TS S+KT+KTD D)=1/)=1/（S S/ /K K+ +T TD D) )。 TS TD1 TD2 . . . TDk D1 T T

48、S TD1 TD2 . . . TDk D2 TS TDn-k TD2 . . . TDn Dp TS TDk+1 TD2 . . . TD2k D1 第3章 存储、中断、总线与输入输出系统 选择通道每选择一台设备就把选择通道每选择一台设备就把N N个字节全部传个字节全部传送完，其通道极限流量送完，其通道极限流量f fmaxmaxselect=select=N/N/( (T TS S+NT+NTD D) )=1/(T=1/(TS S/N+T/N+TD D) )。 显然，若通道的显然，若通道的T TS S、T TD D一定，一定， 且且NKNK时，字节多时，字节多路方式工作时所能达到的极限流量最

49、小，数组多路方式工作时所能达到的极限流量最小，数组多路方式工作的居中，路方式工作的居中， 选择方式工作的最大。选择方式工作的最大。 TS TD1 TD2 . . . TDn D1 T TS TD1 TD2 . . . TDn D2 TS TD1 TD2 . . . TDn Dp 第3章 存储、中断、总线与输入输出系统 由通道工作原理可知，当挂上设备后，设备要求通道的由通道工作原理可知，当挂上设备后，设备要求通道的实际最大流量，实际最大流量， 对于采用字节交叉方式工作的字节多路通道对于采用字节交叉方式工作的字节多路通道应为该通道所接各设备的字节传送速率之和，应为该通道所接各设备的字节传送速率之和

50、， 即即 jpijijbyteff1 而对于其他两种类型的通道应为所接各设备的字节传送而对于其他两种类型的通道应为所接各设备的字节传送速率中最大的那个，速率中最大的那个， 即即 jipijselectjipijblockffffjj11maxmax第3章 存储、中断、总线与输入输出系统 式中，式中，j j为通道的编号，为通道的编号，f fi ij j为第为第j j通道上所挂的第通道上所挂的第i i台设备的台设备的字节传送速率，字节传送速率，p pj j为第为第j j号通道中所接设备的台数。号通道中所接设备的台数。 为了保证第为了保证第j j号通道上所挂的设备在满负荷的最坏情况下号通道上所挂的设

51、备在满负荷的最坏情况下都不丢失信息，必须满足设备要求通道的实际最大流量不超过都不丢失信息，必须满足设备要求通道的实际最大流量不超过通道所能达到的极限流量这一流量设计的最基本原则，因此，通道所能达到的极限流量这一流量设计的最基本原则，因此，对上述对上述 3 3 种类型的通道应分别满足关系式：种类型的通道应分别满足关系式： jselectjselectjblockjblockjbytejbyteffffffmaxmaxmax第3章 存储、中断、总线与输入输出系统 如果如果I/O系统有系统有m个通道，其中个通道，其中1至至m1为字节多路通道，为字节多路通道，m1+1至至m2为数组多路通道，为数组多路

52、通道，m2+1至至m为选择通道，则该为选择通道，则该I/O系系统工作时的极限流量将为统工作时的极限流量将为 mmjjipimmjpijipijimjmmjjselectmmjjblockmjjbyteffffffffjjj111111max1max1max1maxmax22112211maxmax必然会满足必然会满足 第3章 存储、中断、总线与输入输出系统 例例 设有一字节多路通道，它有设有一字节多路通道，它有 3 3 个子通道：个子通道：“0 0”号、号、“1 1”号高速印字机各占一个子通道；号高速印字机各占一个子通道；“0 0”号打印机、号打印机、 “1 1”号打印号打印机和机和“0 0”号光电输入机合用一个子通道。假定数据传送期内高号光电输