第4章输入输出系统ppt课件

1、第第4章章 输入输出系统输入输出系统4.1 输入输出原理输入输出原理4.2 中断系统中断系统4.3 通道处置机通道处置机4.4 输入输出处置机输入输出处置机4.1 4.1 输入输出原理输入输出原理通常把处置机与主存储器之外的部分统称为输入输出通常把处置机与主存储器之外的部分统称为输入输出系统，包括输入输出设备、输入输出接口和输入输系统，包括输入输出设备、输入输出接口和输入输出软件等。出软件等。实践上，运算器、控制器、主存储器和总线等也要经实践上，运算器、控制器、主存储器和总线等也要经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 输入输出系统的特点输入输出系统的特点4.1.

2、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 根本输入输出方式根本输入输出方式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置机与外界进展数据交换的通道。输入输出系统是处置机与外界进展数据交换的通道。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。的部分。输入输出系统涉及到机、光、电、磁、声、自动控输入输出系统涉及到机、光、电、磁、声、自动控制等多种学科。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输入输出系统最典型地反映着硬件与软件的相互结合。合。输入输出系统的复

3、杂性隐藏在系统软件中，用户无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详细细节。需了解输入输出设备的详细细节。处置机的外部世界包括：处置机的外部世界包括：处置机处置机 系统操作员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置机其它处置机本身出错处置本身出错处置程序恳求程序恳求1.1.实时性实时性对于普通输入输出设备对于普通输入输出设备, ,假设处置机提供的效力不及时，能够丧假设处置机提供的效力不及时，能够丧失数据，或呵斥外围设备任务的错误。失数据，或呵斥外围设备任务的错误。对于实时控制计算机系统，假设

4、处置机提供的效力不及时，能对于实时控制计算机系统，假设处置机提供的效力不及时，能够呵斥宏大的损失，甚至呵斥人身损伤。够呵斥宏大的损失，甚至呵斥人身损伤。对于处置机本身的硬件或软件错误：如电源缺点、数据校验错、对于处置机本身的硬件或软件错误：如电源缺点、数据校验错、页面失效、非法指令、地址越界等，处置机必需及时处置。页面失效、非法指令、地址越界等，处置机必需及时处置。对不同类型的设备，必需具有与设备相配合的多种任务方式。对不同类型的设备，必需具有与设备相配合的多种任务方式。2.2.与设备无关性与设备无关性独立于详细设备的规范接口。例如，串行接口、并行接口、独立于详细设备的规范接口。例如，串行接口

5、、并行接口、SCSISCSISmall Computer System InterfaceSmall Computer System Interface接口等接口等计算机系统的运用者，在需求改换外围设备时，各种不同型号，计算机系统的运用者，在需求改换外围设备时，各种不同型号，不同消费厂家的设备都可以直接经过规范接口与计算机系不同消费厂家的设备都可以直接经过规范接口与计算机系统衔接。统衔接。处置机采用一致的硬件和软件对种类繁多的设备进展管理。处置机采用一致的硬件和软件对种类繁多的设备进展管理。某些计算机系统曾经实现了即插即用技术。某些计算机系统曾经实现了即插即用技术。3.3.异步性异步性输入输出

6、设备通常不运用一致的中央时钟，各个设备按照本人输入输出设备通常不运用一致的中央时钟，各个设备按照本人的时钟任务，但又要在某些时辰接受处置机的控制。的时钟任务，但又要在某些时辰接受处置机的控制。处置机与外围设备之间，外围设备与外围设备之间能并行任务处置机与外围设备之间，外围设备与外围设备之间能并行任务针对实时性，采用层次构造的方法，针对实时性，采用层次构造的方法，针对与设备无关性，采用分类处置的方法针对与设备无关性，采用分类处置的方法针对异步性，采用自治控制的方法，针对异步性，采用自治控制的方法，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

7、输出系统是独立于输入输出系统是独立于CPUCPU之外的自治系统之外的自治系统处置机与外围设备之间要有恰当的分工处置机与外围设备之间要有恰当的分工2. 2. 层次构造层次构造最内层是输入输出处置机、输入输出通道等最内层是输入输出处置机、输入输出通道等中间层是规范接口。中间层是规范接口。规范接口经过设备控制器与输入输出设备衔接规范接口经过设备控制器与输入输出设备衔接3. 3. 分类组织分类组织面向字符的设备，如字符终端、打字机等面向字符的设备，如字符终端、打字机等面向数据块的设备，如磁盘、磁带、光盘等。面向数据块的设备，如磁盘、磁带、光盘等。处处理理机机( (C CP PU U) )主主存存储储器

8、器( (M MM M) )存存储储器器总总线线I IO O 处处理理机机I IO O 处处理理机机I IO O 处处理理机机C CU UD DC CU UD DC CU UD DC CU UD DD DC CU UD DC CU UD DD D I IO O 总总线线C CU UD DD DC CU U 是是设设备备控控制制器器，D D 是是外外围围设设备备输输入入输输出出系系统统的的层层次次结结构构4.1.3 4.1.3 根本输入输出方式根本输入输出方式1. 1. 程序控制输入输出方式程序控制输入输出方式形状驱动输入输出方式、应对输入输出方式、查询输入输出方形状驱动输入输出方式、应对输入输出

9、方式、查询输入输出方式、条件驱动输入输出方式式、条件驱动输入输出方式程序控制输入输出方式的程序控制输入输出方式的4 4个特点：个特点：(1)(1)何时对何设备进展输入输出操作受何时对何设备进展输入输出操作受CPUCPU控制控制(2)CPU(2)CPU要经过指令对设备进展测试才干知道设备的任务形状。要经过指令对设备进展测试才干知道设备的任务形状。空闲、预备就绪、忙碌等空闲、预备就绪、忙碌等(3)(3)数据的输入和输出都要经过数据的输入和输出都要经过CPUCPU(4)(4)用于衔接低速外围设备，如终端、打印机等用于衔接低速外围设备，如终端、打印机等例例4.14.1：一个处置机在一段时间内只能管理一

10、台打印：一个处置机在一段时间内只能管理一台打印机。处置机执行指令的速度为机。处置机执行指令的速度为1GIPS1GIPS，字长，字长3232位，位，打印机每秒钟打印机每秒钟100100个字符。个字符。解：处置机用一条指令就能向打印机传送解：处置机用一条指令就能向打印机传送4 4个字符。个字符。因此，处置机的实践利用率只需即因此，处置机的实践利用率只需即4 4千万分之一。千万分之一。 100/109 100/1094 40.250.2510-710-7输入设备输入设备 IDID处置机处置机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

11、送过程一个处置机管理多台外围设备。处置机采用轮番循环测试方法，分时为各台外围设备效力。优点： 灵敏性很好。可以很容易地改动各台外围设备的优先级。缺陷：不能实现处置机与外围设备之间并行任务。 在程序控制方式中一个处理机管在程序控制方式中一个处理机管理多台外部设备的程序流程图理多台外部设备的程序流程图 DONE1=1? 从设备缓冲寄存器读一个字符从设备缓冲寄存器读一个字符 到主存储器或者从主存储器传到主存储器或者从主存储器传 送一个字符到设备缓冲寄存器送一个字符到设备缓冲寄存器 DONE2=1? 从设备缓冲寄存器读一个字符从设备缓冲寄存器读一个字符 到主存储器或者从主存储器传到主存储器或者从主存储

12、器传 送一个字符到设备缓冲寄存器送一个字符到设备缓冲寄存器 否否 否否 是是 是是 2.2.中断输入输出方式中断输入输出方式定义：当出现来自系统外部，机器内部，甚至处置机本身的任定义：当出现来自系统外部，机器内部，甚至处置机本身的任何例外的，或者虽然是事先安排的，但出如今现行程序的什何例外的，或者虽然是事先安排的，但出如今现行程序的什么地方是事先不知道的事件时，么地方是事先不知道的事件时，CPUCPU暂停执行现行程序，转暂停执行现行程序，转去处置这些事件，等处置完成后再前往来继续执行原先的程去处置这些事件，等处置完成后再前往来继续执行原先的程序。序。特点：特点：(1)CPU(1)CPU与外围设

13、备可以并行任务。与外围设备可以并行任务。(2)(2)可以处置例外事件。可以处置例外事件。(3)(3)数据的输入和输出都要经过数据的输入和输出都要经过CPUCPU。(4)(4)用于衔接低速外围设备。用于衔接低速外围设备。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直接存储器访问方式(DMA(DMA：Direct Memory Access)Direct Memory Access)，主要用，主要用来衔接高速外围设备。如磁盘存储器，磁带存储器、光盘辅来衔接高速外围设备。如磁盘存储器，磁带存储器、光盘辅助存储器，行式打印机等。助存储器，行式打印机等。输入设备输入设备IDID主存储器

14、主存储器MMMM存储器总线存储器总线处置机处置机CPUCPU输出设备输出设备ODOD IO IO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：(1)外围设备的访问恳求直接发往主存储器，数据的外围设备的访问恳求直接发往主存储器，数据的传送过程不需求传送过程不需求CPU的干涉。的干涉。(2)全部用硬件实现，不需求做保管现场和恢复现场全部用硬件实现，不需求做保管现场和恢复现场等任务。等任务。(3)DMA控制器复杂，需求设置数据存放器、设备控制器复杂，需求设置数据存放器、设备形状控制存放器、主存地址存放器、设备地址存放形状控制存放器、主存地址存放器、

15、设备地址存放器和数据交换个数计数器及控制逻辑等。器和数据交换个数计数器及控制逻辑等。(4)在在DMA方式开场和终了时，需求处置机进展管方式开场和终了时，需求处置机进展管理。理。 DMA DMA输入设备的任务流程如下：输入设备的任务流程如下：从设备读一个字节到从设备读一个字节到DMADMA控制器中的数据缓冲存放器控制器中的数据缓冲存放器中。中。假设一个字没有装配满，那么前往到上面；假设校验假设一个字没有装配满，那么前往到上面；假设校验出错，那么发中断恳求；假设一个字已装配满，那出错，那么发中断恳求；假设一个字已装配满，那么将数据送主存数据存放器。么将数据送主存数据存放器。把主存地址送主存地址存放

16、器，并将主存地址增值。把主存地址送主存地址存放器，并将主存地址增值。把把DMADMA控制器内的数据交换个数计数器减。控制器内的数据交换个数计数器减。假设交换个数为假设交换个数为0 0，那么，那么DMADMA数据传送过程终了，否那数据传送过程终了，否那么回到上面。么回到上面。 DMA输出设备的任务流程如下：把主存地址送入主存地址存放器，并启动主存储器，同时将主存地址增值。将主存数据存放器中的数据送DMA控制器的数据存放器。把数据写到输出介质上能够要逐个字符输出。把DMA控制器内的数据交换个数计数器中的内容减。假设交换个数为0，那么DMA数据传送过程终了，否那么回到上面。 目前运用的目前运用的DM

17、ADMA方式实践上有如下三种：方式实践上有如下三种： (1) (1)周期窃取方式：周期窃取方式：在每一条指令执行终了时，在每一条指令执行终了时，CPUCPU测试有没有测试有没有DMADMA效力效力恳求。恳求。借用借用CPUCPU完成完成DMADMA任务流程。包括数据和主存地址的任务流程。包括数据和主存地址的传送，交换个数计数器减传送，交换个数计数器减1 1，主存地址的增值及一，主存地址的增值及一些测试判别等。些测试判别等。周期窃取方式的优点是硬件构造简单，比较容易实周期窃取方式的优点是硬件构造简单，比较容易实现。现。缺陷是在数据输入或输出过程种实践上占用了缺陷是在数据输入或输出过程种实践上占用

18、了CPUCPU的的时间。时间。(2)(2)直接存取方式：直接存取方式：整个任务流程全部用硬件完成。整个任务流程全部用硬件完成。优点与缺陷正好与周期窃取方式相反。优点与缺陷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。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展。为单位，并采用程序中断方式进展。采用数据块传送方式的外围设备有软盘驱动器、行采用数据块传送方式的外围设备有软盘驱动器、行式打印机、激光打印机、卡片阅读机、

19、绘图仪等。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 中断现场的保管和恢复中断现场的保管和恢复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求硬件和软件共同来实现。引起中断的各种事件称为中断源。中断系统的复杂性实践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，甚至处置机本身。中断可以是硬件引起的，也可以是软件引起的。把各种各样的中断源分类、分级组织好，

20、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。低速外围设备每传送一个字节恳由外围设备引起的中断。低速外围设备每传送一个字节恳求一次中断；高速外围设备的前、后处置。求一次中断；高速外围设备的前、后处置。(2)(2)由处置机本身产生的中断。如算术溢出，除数为零，数据由处置机本身产生的中断。如算术溢出，除数为零，数据校验错等。校验错等。(3)(3)由存储器产生的中断。如地址越界、页面失效、访问存储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。器超时等。(4)(4)由控制器产生的中断。如非法指令、堆栈溢出、时间片到、由控制器产生的中断。如非法指令

21、、堆栈溢出、时间片到、切换到特权态。切换到特权态。(5)(5)由总线产生的中断。输入输出总线出错由总线产生的中断。输入输出总线出错, ,存储总存储总线出错等。线出错等。(6)(6)实时过程控制产生的中断。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)多处置机系统中，从其它处置机发送来的中断。多处置机系统中，从其它处置机发送来的中断。(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)硬件缺点中断。硬件缺点中断。(11)(11)电源缺点中断。电源缺点中断。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

22、：在呼应中断后能尽快找到中断入口。中断源分类组织的目的：在呼应中断后能尽快找到中断入口。根据中断事件的紧迫程度，中断源任务速度、性质等进展分类根据中断事件的紧迫程度，中断源任务速度、性质等进展分类为每一类中断源分配一个硬件的中断入口，在进入这个入口之为每一类中断源分配一个硬件的中断入口，在进入这个入口之后，再经过软件找到详细的中断源。后，再经过软件找到详细的中断源。可屏蔽中断与不可屏蔽中断，或称普通中断和异常中断。可屏蔽中断与不可屏蔽中断，或称普通中断和异常中断。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) (1)机器检验出错中断。由硬件或软件缺点时产生。机器检

23、验出错中断。由硬件或软件缺点时产生。 (2) (2)程序性错误引起的中断。程序性错误引起的中断。 (3) (3)访问管理程序中断。当用户程序执行访管指令访问管理程序中断。当用户程序执行访管指令引起的中断。引起的中断。 (4) (4)可以抑制的机器检验错误引起的中断。可以抑制的机器检验错误引起的中断。 (5) (5)外部事件中断。外部事件中断。 (6) (6)输入输出中断。输入输出中断。 (7) (7)重新启动中断。处置机不能制止这类中断重新启动中断。处置机不能制止这类中断3.3.中断优先级中断优先级安排中断优先顺序主要由以下要素来决议：安排中断优先顺序主要由以下要素来决议：中断源的急迫性。中断

24、源的急迫性。设备的任务速度。设备的任务速度。数据恢复的难易程度。数据恢复的难易程度。要求处置机提供的效力量。要求处置机提供的效力量。中断优先级与中断效力顺序中断优先级与中断效力顺序 要求：呼应速度快，灵敏性好。要求：呼应速度快，灵敏性好。 做法：由硬件排队器决议中断优先级，做法：由硬件排队器决议中断优先级， 经过软件设置中断屏蔽码改动中断效力顺序。经过软件设置中断屏蔽码改动中断效力顺序。例如：在例如：在IBM 370IBM 370系列机中，系列机中， 把把7 7类中断分为类中断分为5 5个中断优先级，个中断优先级， 从高到低分别是：从高到低分别是：(1)(1)紧急的机器检验错误引起的中断紧急的

25、机器检验错误引起的中断(2)(2)调用管理程序，程序性错误，可以抑制的机器检调用管理程序，程序性错误，可以抑制的机器检验错误引起的中断。验错误引起的中断。(3)(3)外部事件引起的中断外部事件引起的中断(4)(4)外围设备的中断外围设备的中断(5)(5)重新启动引起的中断重新启动引起的中断例如：例如：DECDEC公司的机器，公司的机器， 其优先级从高到低分别是：其优先级从高到低分别是：(1)(1)总线错误引起的中断总线错误引起的中断(2)(2)主存刷新中断主存刷新中断(3)(3)指令错误引起的中断指令错误引起的中断(4)(4)程序跟踪中断程序跟踪中断(5)(5)电源掉电中断电源掉电中断(6)(

26、6)在线停机中断在线停机中断(7)(7)在线事件中断在线事件中断( (照实时钟等照实时钟等) )(8)(8)外围设备中断外围设备中断(9)(9)用户程序中断用户程序中断例例4.2：某处置机共有：某处置机共有4个中断源，中断优先级从高到个中断源，中断优先级从高到低分别是：低分别是：1级、级、2级、级、3级和级和4级。当处置机在执行级。当处置机在执行主程序时，同时有主程序时，同时有3级和级和2级两个中断源向处置机发级两个中断源向处置机发出中断效力恳求。当处置机为出中断效力恳求。当处置机为2级中断源效力时又有级中断源效力时又有4级中断源发出中断效力恳求。当处置机为级中断级中断源发出中断效力恳求。当处

27、置机为级中断源效力时又有级中断源发出中断效力恳求。源效力时又有级中断源发出中断效力恳求。 解：解： 处置机呼应各中断源的中断恳求和执行中断效力程处置机呼应各中断源的中断恳求和执行中断效力程序的过程如下：序的过程如下：中中断断请请求求 主主程程序序 中中断断服服务务程程序序 1 1 级级 2 2 级级 3 3 级级 4 4 级级 2 2、3 3 级级 4 4 级级 1 1 级级 时时间间 t t 按按照照中中断断优优先先级级响响应应中中断断请请求求的的例例子子 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需用硬件实现，有的功能必需用软件实现，而大部分功能既可以用硬件

28、实现，也可以用软件实现。恰当分配中断系统的软硬件功能，是中断系统最关键问题1. 主要思索的两个要素：中断呼应时间：中断呼应时间是一个非常重要的目的。灵敏性：硬件实现速度快，灵敏性差；软件实现正好相反2.2.中断处置过程中断处置过程P222P222必需用硬件实现的有：必需用硬件实现的有： 保管中断点和进入中断效力程序入口。保管中断点和进入中断效力程序入口。这两个功能相当于执行一条转子程序指令，由于中断发生在这两个功能相当于执行一条转子程序指令，由于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。现行程序的什么地方是不确定的，不能由程序员来安排。必需用软件实现的有：必需用软件实现的有：

29、 中断效力和前往到中断点。中断效力和前往到中断点。前往到中断点，经过执行一条中断前往指令来实现，前往到中断点，经过执行一条中断前往指令来实现，中断效力必需用软件实现，由于是中断效力必需用软件实现，由于是“程序中断方式。程序中断方式。3.3.中断呼应时间中断呼应时间定义：从中断源向处置机发出中断效力恳求开场，四处置机开场执行这个中定义：从中断源向处置机发出中断效力恳求开场，四处置机开场执行这个中断源的中断效力程序时为止，这一段时间称为中断呼应时间。断源的中断效力程序时为止，这一段时间称为中断呼应时间。影响中断呼应时间的要素主要有影响中断呼应时间的要素主要有4 4个：个： ( (前前2 2个属于处

30、置机设计，后个属于处置机设计，后2 2个属于中断系统个属于中断系统) )(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很长，甚至无法预测。有些指令的执行时间很长，甚至无法预测。(2)(2)处置其它更紧急的义务所用时间处置其它更紧急的义务所用时间 如处置如处置DMADMA恳求等。恳求等。(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中断所阅历的时中断所阅历的时间间中断系统的软件与硬件功能分配，主要就是要思索中断系统的软件与硬件功能分配，主要就是要思索这一段内要所的事情用软件来实现，还是用硬件来这一段内要所的事情用软件来实现，还是用硬件来实现。

31、实现。(4)(4)经过软件找到中断效力程序入口所用时间经过软件找到中断效力程序入口所用时间主要是第主要是第1 1和第和第3 3两部分。其中，第两部分。其中，第1 1部分是指令系统部分是指令系统设计时思索的问题，在中断系统的设计中，主要思设计时思索的问题，在中断系统的设计中，主要思索第索第3 3部分。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的查询法一切中断源共用一条中断恳求线一切中断源共用一条中断恳求线处置机呼应中断后都进入同一个程序入口处置机呼应中断后都进入同一个程序入口用软件找出恳求中断的中断源用软件找出恳求中断的中断源主要优点：

32、灵敏性好。主要优点：灵敏性好。主要缺陷：速度慢。主要缺陷：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 中断恳求中断恳求 完成完成 或或 忙忙 查询线查询线识别中断源的讯问法识别中断源的讯问法例如：打印机、键盘和显示器三个中断源寻觅中断入口的过程：例如：打印机、键盘和显示器三个中断源寻觅中断入口的过程：INTR:INTR:SKIP DZ, PRN SKIP DZ, PRN ；假设打印机；假设打印机DONEDONE0 0，跳过下一条指令，跳过下一条指令JMP PRINT JMP PRINT ；转入打印机的中断效力程序入口；转入打印机的中断效力程

33、序入口PRINTPRINTSKIP DZ, KEY SKIP DZ, KEY ；测试键盘的；测试键盘的DONEDONE0 0？JMP KEYBORD JMP KEYBORD ；转入键盘的中断效力程序入口；转入键盘的中断效力程序入口KEYBORDKEYBORDSKIP DN, MNT SKIP DN, MNT ；测试显示器的；测试显示器的DONEDONE1 1？JMP ERROR JMP ERROR ；一切中断源均没有恳求中断效力；一切中断源均没有恳求中断效力JMP MONITOR JMP MONITOR ；转显示器的中断效力程序入口；转显示器的中断效力程序入口MONITORMONITORPRI

34、NT: PRINT: ；打印机中断效力程序；打印机中断效力程序RNTI RNTI ；前往到中断点；前往到中断点KEYBORD: KEYBORD: ；键盘输入的中断效力程序；键盘输入的中断效力程序RNTI RNTI ；前往到中断点；前往到中断点MONITOR: MONITOR: ；显示器输出的中断效力程序；显示器输出的中断效力程序RNTI RNTI ；前往到中断点；前往到中断点ERROR: ERROR: ；出错处置程序；出错处置程序RNTI RNTI ；前往到中断点；前往到中断点 2.2.软件排队链法软件排队链法设置一个中断恳求存放器，每个中断源在其中中占据一位，并设置一个中断恳求存放器，每个中

35、断源在其中中占据一位，并且按照中断的优先级从高位到低的顺序陈列。且按照中断的优先级从高位到低的顺序陈列。一切中断源运用同一条公共的中断恳求线，进入公共中断源效一切中断源运用同一条公共的中断恳求线，进入公共中断源效力程序入口，其过程与查询法一样。力程序入口，其过程与查询法一样。在公共中断效力程序入口，用一条特殊指令读出中断恳求存放在公共中断效力程序入口，用一条特殊指令读出中断恳求存放器中的内容，并根据读出的内容直接进入中断效力程序。器中的内容，并根据读出的内容直接进入中断效力程序。 节省了用软件逐个寻觅中断源的时间。节省了用软件逐个寻觅中断源的时间。一个简单的程序例子：一个简单的程序例子： IN

36、TA R1 ; INTA R1 ;中断恳求存放器中的内容读入中断恳求存放器中的内容读入R1R1 SBT R1 SBT R1，R2 ;R2 ;找到发出恳求的最高级中断源找到发出恳求的最高级中断源 JMP TAB(R2) ; JMP TAB(R2) ;转向中断效力程序入口转向中断效力程序入口TAB: DEV1 ;TAB: DEV1 ;最高级中断效力程序入口地址最高级中断效力程序入口地址DEV2 ;DEV2 ;第二级中断效力程序入口地址第二级中断效力程序入口地址DENn ;DENn ;最低级中断效力程序入口地址最低级中断效力程序入口地址3.3.硬件排队链法硬件排队链法用硬件排队器和编码器，在一切恳求

37、中断效力的中断源中，找用硬件排队器和编码器，在一切恳求中断效力的中断源中，找出具有最高优先级的中断源。出具有最高优先级的中断源。设置一个中断恳求存放器，每个中断源在其中中占据一位。设置一个中断恳求存放器，每个中断源在其中中占据一位。一切中断源运用同一条公共的中断恳求线，进入公共中断源效一切中断源运用同一条公共的中断恳求线，进入公共中断源效力程序入口。力程序入口。转入公共的中断效力程序后，用一条特殊指令直接读到一切恳转入公共的中断效力程序后，用一条特殊指令直接读到一切恳求中断效力的中断源中，具有最高优先级的中断源编号求中断效力的中断源中，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特点：

38、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 ;INTA R1 ;发出恳求的最高级中断源送发出恳求的最高级中断源送R1R1JMP VTAB(R1);JMP VTAB(R1);转向中断源的中断效力程序入口转向中断源的中断效力程序入口TAB:TAB: DEV1 ;DEV1 ;最高级中断效力程序入口地址最高级中断效力程序入口地址DEV2 ;DEV2 ;第二级中断效力程序入口地址第二级中断效力程序入口地址 DENn ;DENn ;最低级中断效力程序入口地址最低级中断效力程序入口地址CPUCPU 中断呼应中断呼应中断源中断源1 1中断源中断源2 2中断源中断源n n或或IO

39、PIOP 中断恳求中断恳求 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41 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的中断恳求的中断恳求D1D1的中断恳求的中断恳求D0D0 的排队器的排队器D1D1 的排队器的排队器D2D2 的排队器的排队器 D3 D3 的排队器的排队器中断呼应中断呼应 中断源中断源 D0D0 的恳求的恳求中断源中断源 D1D1 的恳求的恳求中断源中断源 D2D2 的恳求的恳求中断源中断源 D3D3 的恳求的恳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4.4.中断向量法中断向

40、量法在主存储器的固定区域中开辟出一个公用的中断向量区。在主存储器的固定区域中开辟出一个公用的中断向量区。用硬件排队器和编码器在一切恳求中断效力的中断源中，产生用硬件排队器和编码器在一切恳求中断效力的中断源中，产生具有最高优先级的中断源编号。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，直接经过硬件隐含执行上面方法中的两条识别中断源的指令，直接经过硬件转向这个中断源的中断效力程序入口。转向这个中断源的中断效力程序入口。上面的2、3、4三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：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，中断源与处置机的连线很少

41、串行排队链法的缺陷：灵敏性比较差，中断优先级是由硬件固定。可靠性比较差，由于排队链串行分布在各个中断源中。5.5.独立恳求法独立恳求法各个中断源运用本人独立的中断恳求线。各个中断源运用本人独立的中断恳求线。假好像时有多个中断源恳求中断效力，经过仲裁线路立刻选择假好像时有多个中断源恳求中断效力，经过仲裁线路立刻选择具有最高优先级的中断源，并向它发出中断呼应信号具有最高优先级的中断源，并向它发出中断呼应信号INITINIT，处置机就可以立刻转入这个中断源的中断效力程序。处置机就可以立刻转入这个中断源的中断效力程序。独立恳求法实践上是把分布在各个中断源内的串行排队器都集独立恳求法实践上是把分布在各个

42、中断源内的串行排队器都集中四处置机中，从而抑制了串行排队链法可靠性差的缺陷，中四处置机中，从而抑制了串行排队链法可靠性差的缺陷，但灵敏性差的缺陷依然存在。但灵敏性差的缺陷依然存在。识别中断源的独立恳求法识别中断源的独立恳求法中断源中断源1 1中断源中断源2 2中断源中断源n nCPUCPU或或IOPIOP 中断恳求中断恳求INIR1INIR1 中断呼应中断呼应INIT1INIT1 中断恳求中断恳求INIR2INIR2 中断呼应中断呼应INIT2INIT2 中断恳求中断恳求INIRnINIRn 中断呼应中断呼应INITnINITn识别中断源的独立恳求法识别中断源的分组独立恳求法识别中断源的分组独

43、立恳求法把独立恳求法与串行排队链法结合起来。把独立恳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， 组间采用独立恳求法。组间采用独立恳求法。 中断呼应中断呼应中断源中断源1111中断源中断源1212中断源中断源1n1nCPUCPU或或 中断恳求中断恳求 IOPIOP 中断呼应中断呼应中断源中断源P1P1中断源中断源P2P2中断源中断源PnPn 中断恳求中断恳求识别中断源的分组独立恳求法识别中断源的分组独立恳求法4.2.4 4.2.4 中断现场的保管和恢复中断现场的保管和恢复(1)程序计数器程序计数器PC，必需由硬件来完成保管，必需由硬件来完成保

44、管(2)处置机形状字、堆栈指针、基址存放器、中断屏蔽处置机形状字、堆栈指针、基址存放器、中断屏蔽码等码等 保管与恢复方法有：主存固定区域，压入系统堆栈、保管与恢复方法有：主存固定区域，压入系统堆栈、交换处置机形状字。也可以采用软件在中断效力程交换处置机形状字。也可以采用软件在中断效力程序中保管和恢复。序中保管和恢复。(3)软件现场：指在中断效力程序中被破坏的通用存放软件现场：指在中断效力程序中被破坏的通用存放器。普通采用软件来保管和恢复现场，指令系统给器。普通采用软件来保管和恢复现场，指令系统给予适当支持。也有些处置机采用硬件来保管软件现予适当支持。也有些处置机采用硬件来保管软件现场，如场，如

45、Sparc处置机。处置机。4.2.5 4.2.5 中断屏蔽中断屏蔽设置中断屏蔽有三个用途：(1)在中断优先级由硬件确定了的情况下，改动中断源的中断效力顺序。(2)决议设备能否采用中断方式任务。(3)在多处置机系统中，把外围设备的效力任务分配到不同的处置机中。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。方法二：改动处置机优先级例例4.34.3：有四个中断源：有四个中断源D1D1、D2D2、D3D3和和D4D4，它们的中断，它们的中断优先级从高到低分别是优先级从高到低分别是1 1级、级、2 2级、级、3 3级和级和4 4级。这些级。这些中断源的正常中断屏蔽码和改动后的中断屏

46、蔽码见中断源的正常中断屏蔽码和改动后的中断屏蔽码见下表。每个中断源一位，共下表。每个中断源一位，共4 4位屏蔽码。位屏蔽码。中断源称号中断源称号 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改动后的中断屏蔽码改动后的中断屏蔽码D1 D2 D3 D4D1D1D2D2D3D3D4D41 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：假设假设4 4个中断源都运用正常的中断

47、屏蔽码，处置机的个中断源都运用正常的中断屏蔽码，处置机的中断效力顺序将严厉按照中断源的中断优先级进展。中断效力顺序将严厉按照中断源的中断优先级进展。假设改动中断屏蔽码，当假设改动中断屏蔽码，当D1D1、D2D2、D3D3和和D4D4这这4 4个中断个中断源同时恳求中断效力时，处置机实践为各个中断源源同时恳求中断效力时，处置机实践为各个中断源效力的先后次序就会改动。效力的先后次序就会改动。处置机呼应的顺序是处置机呼应的顺序是D1D1、D2D2、D3D3、D4D4实践效力的顺序是实践效力的顺序是D4D4、D3D3、D2D2、D1D1中中断断请请求求 主主程程序序 中中断断服服务务程程序序 D D1

48、 1 D D2 2 D D3 3 D D4 4D D1 1, ,D D2 2, ,D D3 3, ,D D4 4时时间间 t t方法二：改动处置机优先级方法二：改动处置机优先级例例4.44.4：某处置机共有：某处置机共有4 4个中断源个中断源D1D1、D2D2、D3D3和和D4D4，它，它们的硬件中断优先级从低到高分别为们的硬件中断优先级从低到高分别为1 1级、级、2 2级、级、3 3级级和和4 4级。处置机本身的优先级最低，为级。处置机本身的优先级最低，为0 0级。在中断级。在中断源源D1D1、D2D2、D3D3、D4D4的中断向量中，程序员为它们设的中断向量中，程序员为它们设置的优先级分别

49、为置的优先级分别为4 4级、级、3 3级、级、2 2级、级、1 1级。级。解：在处置机形状字中设置解：在处置机形状字中设置3 3个中断屏蔽位。个中断屏蔽位。 000 000为处置机本身的优先级，为处置机本身的优先级， 001 001100100分别表示分别表示4 4个中断源的中断优先级。个中断源的中断优先级。 当当4 4个中断源同时恳求中断效力时，个中断源同时恳求中断效力时，解：处置机实践完成中断效力的过程解：处置机实践完成中断效力的过程 是是 D3、D2、D4、D1 中断恳求中断恳求 主程序主程序 中断效力程序中断效力程序 D D4 4 D D3 3 D D2 2 D D1 1 D1 D1

50、,D2,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)两者运用的概念不同。两者运用的概念不同。 前者运用中断屏蔽，前者运用中断屏蔽， 后者运用中断优先级。后者运用中断优先级。(2)(2)需求屏蔽码的位数不同。需求屏蔽码的位数不同。 前者所需求的屏蔽位数比较多，前者所需求的屏蔽位数比较多， n n：log2nlog2n(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。 前者可以恣意屏蔽掉一个或几个中断源，前者可以恣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。后者只能屏蔽掉比某一个优先级低的中断源。4.3

51、4.3 通道处置机通道处置机把外围设备的管理任务从把外围设备的管理任务从CPU中分别出来中分别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 通道的作用和功能通道的作用和功能 4.3.2 通道的任务过程通道的任务过程 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置机与外部设备的衔接方式处置机与外部设备的衔接方式(1) (1) 直接衔接直接衔接(2) (2) 通道处置机通道处置机(3) (3) 输入输出处置机输入输出处置机 处置机处置机设备设备设备设备设备设备处置机处置机设备设备通道通道设备

52、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. 三种根本输入输出方式存在的问题：三种根本输入输出方式存在的问题： CPU CPU的输入输出负担很重，不能专心用于用户程序的计算任务。的输入输出负担很重，不能专心用于用户程序的计算任务。低速外围设备，每传送每个字符都由低速外围设备，每传送每个字符都由CPUCPU执行一段程序来完成。执行一段程序来完成。高速外围设备的初始化、前处置和后处置等任务需求高速外围设备的初始化、前处置和后处置等任务需求CPUCPU来完来完成。成。大型机中的外围设备台数很多，但普通并不同时任务。让大型机中的外围设备台数很多，但普通

53、并不同时任务。让DMADMA控制器能被多台设备共享，提高硬件的利用率。控制器能被多台设备共享，提高硬件的利用率。2. 2. 通道的主要功能：通道的主要功能：接受接受CPUCPU发来的指令，选择一台指定的外围设备与通道相衔接。发来的指令，选择一台指定的外围设备与通道相衔接。执行执行CPUCPU为通道组织的通道程序。为通道组织的通道程序。管理外围设备的有关地址。管理外围设备的有关地址。管理主存缓冲区的地址。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。控制外围设备与主存缓冲区之间数据交换的个数。指定传送任务终了时要进展的操作。指定传送任务终了时要进展的操作。检查外围设备的任务形

54、状，是正常或缺点。检查外围设备的任务形状，是正常或缺点。在数据传输过程中完成必要的格式变换。在数据传输过程中完成必要的格式变换。4.3.2 4.3.2 通道的任务过程通道的任务过程通道完成一次数据输入输出的过程分为三步：在用户程序中运用访管指令进入管理程序，由CPU经过管理程序组织一个通道程序，并启动通道。通道处置机执行通道程序，完成指定的数据输入输出任务。通道程序终了后再次调用管理程序进展处置。每完成一次输入输出任务，CPU只需求两次调用管理程序。通道的任务过程通道的任务过程 时时间间t 请请求求输输入入输输出出 响响应应I/O 访访管管指指令令 中中断断请请求求CPU运运行行用用户户程程序

55、序CPU运运行行管管理理程程序序 编编制制通通道道程程序序 登登记记或或处处理理 启启动动I/O通通道道通通道道运运行行存存放放在在主主存存中中的的通通道道程程序序 组组织织I/O操操作作 向向CPU发发中中断断请请求求通通道道程程序序、管管理理程程序序和和用用户户程程序序的的执执行行时时间间关关系系用用户户程程序序管管理理程程序序通通道道程程序序 入入口口 广广义义 访访管管入入口口通通道道程程序序 通通道道程程序序指指令令 OC设设备备号号 和和 OC交交换换长长度度 参参数数 OC主主存存起起始始地地址址置置通通道道地地址址字字 返返回回启启动动I/O 断断开开通通道道指指令令中中断断处

56、处理理程程序序 I/O中中断断请请求求I/O中中断断响响应应I/O中中断断返返回回通通道道完完成成一一次次数数据据传传输输的的主主要要过过程程 启启动动输输入入输输出出设设备备指指令令 选选取取通通道道 断断开开？ 形形成成条条件件码码，结结束束。 否否 忙忙？ 形形成成条条件件码码，结结束束。 否否 选选取取子子通通道道 断断开开？ 形形成成条条件件码码，结结束束。 否否 忙忙？ 形形成成条条件件码码，结结束束。 否否 是是是是是是是是选选取取通通道道指指令令 有有错错？ 形形成成条条件件码码，存存通通道道状状态态字字，结结束束。 否否 选选择择控控制制器器设设备备 断断开开？ 形形成成条条

57、件件码码，结结束束。 否否 发发启启动动命命令令 全全 0 0 状状态态？ 设设备备回回答答的的状状态态字字节节为为全全 0 0，启启动动成成功功，形形成成条条件件码码。 否否 通通道道结结束束？ 虽虽然然设设备备回回答答的的状状态态字字节节非非全全 0 0，但但是是通通道道指指令令是是 属属于于辅辅助助性性操操作作，亦亦为为启启动动成成功功。形形成成条条件件码码。 存存在在中中断断？ 设设备备回回答答的的状状态态字字节节为为全全 0 0，启启动动成成功功，形形成成条条件件码码。 否否 形形成成条条件件码码, ,启启动动不不成成功功，结结束束。 是 是 是 是 是 4.3.3 4.3.3 通道

58、种类通道种类 字字 节节 多多 路路 通通 道道 通通 道道 总总 线线 CPU 设设 备备 控控 制制 器器 设设 备备 控控 制制 器器 设设 备备 设设 备备 设设 备备 选选 择择 通通 道道 通通 道道 总总 线线 主主 存存 磁磁 盘盘 控控 制制 器器 磁磁 表表 面面 控控 制制 器器 磁磁 盘盘 磁磁 盘盘 磁磁 带带 数数 组组 多多 路路 通通 道道 通通 道道 总总 线线 内内 部部 总总 线线 磁磁 盘盘 控控 制制 器器 磁磁 带带 控控 制制 器器 磁磁 盘盘 磁磁 盘盘 磁磁 带带 三三 种种 类类 型型 的的 通通 道道 与与 CPU、 设设 备备 控控 制制

59、 器器 和和 外外 围围 设设 备备 的的 连连 接接 关关 系系 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效力为多台低中速的外围设备效力有多个子通道，每个子通道衔接一个控制器有多个子通道，每个子通道衔接一个控制器至至主主存存储储器器字字节节多多路路通通道道数数据据缓缓冲冲通通道道控控制制子子通通道道 1子子通通道道 2子子通通道道 3字字节节缓缓冲冲状状态态/控控制制固固定定地地址址字字节节多多路路通通道道的的结结构构2. 2. 选择通道选择通道为高速外围设备效力为高速外围设备效力只需一个以成组方式任务的子通道只需一个以成组方式任务的子通道 至至主主存存储储器器通通道道控控

60、制制部部分分数数据据缓缓冲冲状状态态/控控制制 字字数数 据据主主存存地地址址格格式式变变换换 字字节节字字节节计计数数 至至设设备备控控制制器器设设备备地地址址 选选择择通通道道的的结结构构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，并轮番为多台外围设备每次为一台高速设备传送一个数据块，并轮番为多台外围设备效力。效力。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、读出数据定位、找扇区、读出数据数组多路通道的实践任务方式是：数组多路通道的实践任务方式是：在为一台高