第四章输入输出系统

第四章输入输出系统上海大学计算机学院本章内容4.1输入输出原理4.2中断系统4.3通道处理机4.4输入输出处理机4.1输入输出原理处理机在运行过程中所需要的程序和数据要从外部输入，运算结果要输出到外部去外部：处理机以外的需要与处理机交换信息的人和物。包括：本地和远程用户、系统操作员、操作控制台、输入输出设备、辅助存储器、其他处理机、各种通信设备和虚拟现实系统等。人通过各种设备来访问处理机把人以外的各种设备统称为输入输出设备，或外围设备4.1输入输出原理通常把处理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出软件等。实际上，运算器、控制器、主存储器和总线等也要通过输入输出系统来管理4.1.1输入输出系统的特点4.1.2输入输出系统的组织方式4.1.3基本输入输出方式4.1.1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计算机系统中最具多样性和复杂性的部分输入输出设备的品种、功能、技术指标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输入输出系统最典型地反映了硬件和软件的相互结合处理机与外部的联系：输入输出系统的特点集中反映在异步性、实时性和与设备无关性三项基本要求上，它们对输入输出系统的组织产生决定性影响1.实时性处理机必须按照不同设备所要求的传送方式和传输速率及时为设备提供服务。对不同类型的设备，必须具有与设备相配合的多种工作方式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，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，甚至造成人身伤害对于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2.设备无关性独立于具体设备的标准接口。例如，串行接口、并行接口、SCSI(SmallComputerSystemInterface)外围设备选择其中的一种标准接口与处理机进行连接。连接到同一接口上的不同设备之间的差异由设备本身的控制器通过软件和硬件来填补处理机无需了解各种外围设备特定的具体工作细节，可以采用统一的硬件和软件对品种繁多的设备进行管理。计算机的使用者只需通过操作系统提供的高级命令或程序请求来使用各种外围设备某些计算机系统已经实现了即插即用技术3.异步性外围设备通常不使用统一的中央时钟，各个设备按照自己的时钟工作，但又要在某些时刻接受处理机的控制准备与处理机通信时，要向处理机提出申请。造成输入输出相对于处理机的异步性和时间上的任意性当一个处理机管理多个外围设备时，必须做到两次任意的处理机与外围设备通信之间，处理机仍能够全速运行它本身的程序，或者管理其它外围设备，从而保证处理机与外围设备之间，外围设备与外围设备之间能够并行工作，无需相互等待。必须引入中断输入输出方式和直接存储器存取(DMA)方式异步性体现了输入输出系统相对于处理机的独立自主关系实时性反映了按照不同设备的响应时间的不同要求，划分和实现输入输出系统内部不同功能之间的关系与设备无关性体现了输入输出系统标准化接口与非标准外围设备之间的关系针对异步性，采用自治控制的方法针对实时性，采用层次结构的方法针对与设备无关性，采用分类处理的方法4.1.2输入输出系统的组织方式1.自治控制输入输出系统是独立于处理机之外的自治系统。外围设备本身能够担负许多输入输出功能，只在某些必要时刻才要求处理机给予服务自治控制实际上是将外围设备所要完成的功能进行分配，最大限度的减少处理器的负担，尽量由设备控制器通过自身的硬件和软件完成2.层次结构在外围设备比较多的情况下，输入输出系统采用层次结构进行组织靠近处理机和主存储器的最高层是输入输出处理机或输入输出通道中间层是标准接口标准接口通过设备控制器与输入输出设备连接外围设备按照工作方式和速度进行分类，不同类型的设备连接到不同的输入输出处理机或通道上3.分类组织输入输出系统根据各种外围设备的不同性质分类进行组织按照工作速度分类：面向字符的设备：字符终端、打字机等面向数据块的设备：磁盘、磁带、光盘等4.1.3基本输入输出方式外围设备根据其工作速度、工作方式和工作性质的不同，采用不同的输入输出方式1.程序控制输入输出方式又称：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例：从键盘输入一个字符到处理机，再将字符输出到显示器上的工作过程DONE=1，键盘已经输入一个字符到设备缓冲寄存器READY=1，输出设备(显示器)缓冲寄存器为空，可以接收CPU送来的数据程序控制输入输出方式的4个特点：何时对何设备进行输入输出操作完全受CPU控制外围设备与CPU处于异步工作状态。CPU要通过指令对设备进行测试才能知道设备的工作状态，如空闲、准备就绪、忙碌等数据的输入和输出都要经过CPU。外围设备每发送或接收一个数据都要有CPU执行相应的指令才能完成用于连接低速外围设备，如终端、打印机等例4.1：一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，打印机的工作速度每秒100个字符，求处理机的利用率解：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4千万分之一一个处理机管理多台外部设备：每台外围设备设置数据缓冲寄存器、状态寄存器或控制寄存器外围设备并行工作，处理机采用轮流循环测试法，分时为各台外围设备服务只要处理机对所有设备测试一个循环花费的时间小于最快设备的工作周期，所有外围设备就能够正确地并行工作程序控制输入输出方式优点：灵活性好，容易改变各台外围设备的优先级缺点：在一般情况下不能实现处理机与外围设备并行工作2.中断输入输出方式当输入输出设备已经闲置或准备就绪时，主动向CPU发出服务请求；CPU每执行完一条指令后都要测试是否有外围设备的中断请求。定义：当出现来自系统外部、机器内部、甚至处理机本身的任何例外的，或者虽然事先安排的，但出现在现行程序的什么地方是事先不知道的事件时，CPU暂停执行现行程序，转去处理这些事件，等处理完成后再返回来继续执行原先的程序中断输入输出方式的特点:CPU与外围设备能够并行工作能够处理例外事件，如电源掉电、非法指令、数据溢出等数据的输入和输出都要经过CPU用于连接低速外围设备3.直接存储器访问方式DMA(DirectMemoryAccess)：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，行式打印机等必须在外围设备与主存储器之间建立直接数据通路DMA方式具有如下特点：外围设备的访问请求直接发往主存储器，数据的传送过程不需要CPU的干预全部用硬件实现，不需要做保存现场和恢复现场等工作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在DMA方式开始和结束时，需要CPU进行管理DMA输入设备的工作流程：从输入设备中读一个字节或字到DMA控制器中的数据缓冲寄存器BD中。如果输入设备是面向字符的，则要把读入的字节装配成字若一个字还未装满，则返回上面；若校验出错，则发中断申请；若一个字已经装满，则将BD中的数据送入主存数据寄存器把主存地址寄存器BA(在DMA控制器中)中的地址送入主存数据地址寄存器，并将BA中的主存地址增至下一个字地址把DMA控制器内的数据交换个数计数器BC的内容减1若BC中的值为0，则DMA数据传送过程结束，否则返回到最上面继续进行DMA输出设备的工作流程：把主存地址寄存器BA(在DMA控制器中)中的地址送入主存地址寄存器，并启动主存储器，同时将BA中的地址增至下一个字地址将主存数据寄存器中的数据送入DMA控制器的数据缓冲寄存器BD中。如果输出设备是面向字符的，则要把BD中的数据拆卸字符把BD中数据逐个字符或整个字写到输出介质上把DMA控制器内的数据交换个数计数器BC中的内容减1若 BC的计数值为0，则整个DMA数据传送过程全部结束，否则返回最上面继续进行目前使用的DMA方式有如下两种：1.周期窃取方式在每条指令执行结束时，CPU测试是否有DMA服务申请，如果有，CPU进入一个DMA周期借用CPU完成DMA工作流程，包括数据和主存地址传送，交换个数计数器减1，主存地址的增值及一些测试判断等主存储器可以不与外围设备直接连接，而与CPU连接不同点：不需要使用程序来完成数据的输入和输出，只是借用了一个CPU周期来完成DMA流程优点：硬件结构简单，容易实现缺点：在输入输出过程实际上占用了CPU时间2.直接存取方式真正的DMA工作方式DMA控制器的数据传送申请不是发往CPU，而是发往主存整个DMA工作过程全部由DMA控制器硬件完成直接存取方式的优缺点正好与周期窃取方式相反目前的多数计算机系统采用直接存取方式本章内容4.1输入输出原理4.2中断系统4.3通道处理机4.4输入输出处理机4.2中断系统4.2.1中断源的组织4.2.2中断系统的软硬件分配4.2.3中断现场的保存和恢复4.2.4中断屏蔽4.2.1中断源的组织中断系统需要硬件和软件共同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际上主要是由中断源的多样性引起的中断源本身可以来自系统外部，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断源分类、分级组织好，是中断系统的关键之一2.中断源的分类组织中断源分类组织的目的：在响应中断后处理机能尽快找到中断入口，及时为中断源提供服务根据中断事件的紧迫程度、中断源工作速度、中断源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，在进入这个入口之后，再通过软件找到具体的中断源3.中断优先级在中断源较多时，很可能同时发生多个终端请求，CPU必须安排一个响应和处理中断的优先顺序中断优先级由下列因素确定：中断源的紧迫性：最为紧迫的事件优先级最高设备的工作速度：快速设备的优先级较高数据恢复的难以程度：数据丢失后无法恢复的设备的优先级较高要求处理机提供的服务量：能够大部分时间内独立工作而较少需要CPU干预的事件的优先级较高中断优先级和中断服务顺序中断优先级由硬件的排队器实现。当多个中断源同时请求中断服务时，中断的响应次序是固定的处理机在执行某一级别的中断服务程序时，只有比它高级别的中断源的请求能够中断其服务程序通过软件设置中断屏蔽码能够改变中断服务顺序要求：响应速度快，灵活性好4.2.2中断系统的软硬件功能分配从中断源发出中断服务请求，到这个请求被处理机响应并全部处理完成，其过程非常复杂有些功能必须用硬件完成，有些功能必须用软件完成。而大部分功能既能用硬件完成，又能用软件完成恰当分配中断系统的软硬件功能，是中断系统最关键的问题中断系统中软硬件功能分配考虑2个因素：中断响应时间从某一个中断源发出中断服务请求到处理机响应这个中断源的中断服务请求，并开始执行这个中断源的中断服务程序所用的这一段时间中断响应时间是整个计算机系统的一个关键性指标灵活性用硬件实现速度快，灵活性差用软件实现速度慢，灵活性好“保存中断点”和“转向中断服务程序入口”必须由硬件完成“执行中断服务程序”和“返回中断点”必须由软件完成3.中断响应时间从一个中断源向处理机发出中断服务请求开始，到处理机实际开始执行这个中断源的中断服务程序为止影响中断响应时间的因素：1.最长指令执行时间：一般在指令执行期间不允许中断有些指令执行时间很长，甚至无法预测中断源的中断请求是随机的最坏情况是最长指令的执行时间2.在一条指令执行完成后，处理其它更紧急的任务所用的时间如采用周期窃取式工作的DMA服务请求3.从第一次“关CPU中断”到第一次“开CPU中断”所经历的时间中断系统的软件与硬件功能分配，主要就是考虑这一段内所要作的事情用硬件实现还是用软件实现4.通过软件找到中断服务程序入口所用时间4个影响中断响应时间的因素中，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，第3部分是中断系统设计时考虑的问题4.2.3中断现场的保存和恢复程序计数器PC，必须由硬件完成保存处理机状态字、堆栈指针、基值寄存器、中断屏蔽码

保存与恢复方法有：主存固定区域、压入系统堆栈、交换处理机状态字软件现场：在中断服务程序中被破坏的通用寄存器

一般采用软件保存和恢复现场，指令系统给予适当支持4.2.4中断屏蔽设置中断屏蔽有3个用处：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决定设备是否采用中断方式工作在多处理机系统中，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2种：

1.每级中断源设置一个中断屏蔽位，当中断屏蔽位为1，对应的中断源不能请求中断服务，为0则相反中断源中断优先级正常的中断屏蔽码D1D2D3D4D5改变后的中断屏蔽码D1D2D3D4D5D111111110000D220111101000D330011110100D440001111011D550000111101例4.4.

5个中断源D1,D2,D3,D4和D5，中断优先级从高到低依次是1级、2级、3级、4级和5级。这些中断源的中断优先级、正常情况下的中断屏蔽码和改变后的中断屏蔽码见下表：1.当使用正常的中断屏蔽码时，处理机响应各中断源的中断服务请求的先后次序是什么？实际的中断处理次序是什么？2.当使用改变后的中断屏蔽码时，处理机响应各中断源的中断服务请求的先后次序是什么？当5个中断源同时请求中断服务时，画出处理机实际运行中断服务程序过程的示意图3.假设从处理机响应中断源的中断服务请求开始，到运行中断服务程序中第一次开中断所用的时间为1个单位时间，处理机运行中断服务程序的其他部分所用的时间是4个单位时间。当处理机在执行主程序时，中断源D3,D4和D5同时发出中断服务请求，过3个单位之间之后，中断源D1和D2同时发出中断请求。采用改变后的中断屏蔽码，画出处理机响应各中断源的中断服务请求和实际运行中断服务程序过程的示意图例4.5.某处理机有4个中断源，分别是D1,D2,D3和D4。要求处理机响应中断源的中断服务请求的次序从高到低为D1,D2,D3,D4，而处理机实际为各中断源服务的先后次序为D3,D2,D4,D1。每个中断源有4为中断屏蔽码，其中“0”表示该中断源被屏蔽，“1”表示该中断源被开放1.请设计中断源的中断优先级和中断屏蔽码2.如果处理机在运行主程序时，同时有D1和D2两个中断源请求中断服务，而在运行中断源D2的中断服务程序的过程中，中断源D3和D4又同时请求中断服务，请画出处理机响应各中断源的中断服务请求和实际运行中断服务程序过程的示意图2.改变处理机优先级（不考）中断优先级→中断响应优先级→硬件优先级中断服务程序优先级→处理机优先级→软件优先级例4.6.一台处理机共有D1,D2,D3,D4和D5共5个中断源，它们的硬件优先级和在中断源的处理机状态字中由程序员设置的软件中断优先级见下表。处理机在运行主程序时，中断优先级最低为0级。中断源硬件中断优先级软件中断优先级D17（最高）4D265D357D446D5351.处理机状态字中的中断优先级码的位数？2.当处理机正在执行主程序时，5个中断源同时请求中断服务，画出处理机实际响应中断源的中断服务请求和运行中断服务程序过程的示意图。课堂作业：各级中断处理程序的中断屏蔽码如下。中断响应优先次序从高到低依次是：D1，D2，D3，D4。如果所有的中断处理都各需3个单位时间，中断响应和中断返回时间相对中断处理时间少得多。当机器正在运行用户程序时，同时发生第2、3级中断请求，过2个单位时间后，又同时发生第1、4级中断请求，试画出中断运行过程示意图中断源中断屏蔽码(0表示屏蔽，1表示开放)D1D2D3D4D10000D21011D31000D41010本章内容4.1输入输出原理4.2中断系统4.3通道处理机4.4输入输出处理机4.3通道处理机把外围设备的管理工作从CPU中分离出来主要用于IBM公司研制的机器中4.5.1通道的作用和功能4.5.2通道的工作过程4.5.3通道的种类4.5.4通道中的数据传送过程4.5.5通道流量分析处理机与外围设备的连接方式直接连接：外围设备较少时通道处理机输入输出处理机4.3.1通道的功能和作用4.3.2通道的工作过程4.3.3通道的种类1.字节多路通道为多台低速或中速的外围设备服务分时方式：依靠通道与CPU之间的高速数据通路分时为多台设备服务字节交叉方式：各个设备在它所分得的时间片(100微秒)内与通道在逻辑上建立不同的传输连接成组方式：设备与通道的连接可以根据需要维持到一组数据全部完成2.选择通道为高速外围设备服务一段时间内单独为一台外围设备服务可以认为是只有一个以成组方式工作的子通道，只有一套完整的硬件，逐个为几台高速外围设备服务3.数组多路通道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服务可以看成是：成组方式工作的高速多路通道从磁盘存储器读出文件的过程分为三步：定位、找扇区、读出数据数组多路通道在向一台外围设备发出定位命令后就立即从逻辑上与该设备断开，直到定位完成时再进行连接；同理，在发出找扇区命令后再一次断开，直到开始数据传送。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再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率大幅提高，控制硬件的复杂度也提高4.3.4通道中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数组多路通道的数据传送过程4.3.5通道的流量分析通道流量：通道数据传输率，通道吞吐率指一个通道在数据传送期间，单位时间内能够传送的最大数据量(字节)通道最大流量：一个通道在满负荷工作状态下的流量字节多路通道的实际流量是连接在通道上的所有设备传输速率之和选择通道和数组多路通道的实际流量是连接在通道上的所有设备中数据流量最大的那一设备的传输速率三种通道的最大流量公式：三种通道的最大流量公式：处理完设备D1的第一次请求的时刻为5微秒处理完设备D2的第一次请求的时刻为10微秒处理完设备D3的第一次请求的时刻为20微秒处理完设备D4的第一次请求的时刻为30微秒设备D5的第一次请求没有得到通道响应，直到第85微秒才开始响应设备D5的服务请求，此时，D5已经发出了两个传送数据的服务请求，因此，第一次传送的数据有可能丢失当字节多路通道的最大流量和所有设备的数据流量之和相等时，虽然能够在宏观上保证通道平衡，不丢失数据，但是由于传输速度高的设备频繁发出服务请求，且能优先得到通道的响应和服务，某些低速设备可能在比较长的一段时间内得不到通道的响应例4.6.一个字节多路通道连接有4台外围设备，每台设备发出输入输出服务请求的时间间隔，它们的服务优先级和发出第一次服务请求的时刻如下表：设备名称D1D2D3D4发服务请求间隔10微秒75微秒15微秒50微秒服务优先级1(最高)423发出第一次请求时刻0微秒70微秒10微秒20微秒(1)计算这个字节多路通道的实际流量和工作周期(2)在数据传送期间，如果通道选择一次设备的时间为3微秒，传送一个字节的时间为2微秒，画出这个字节多路通道响应各设备请求和为设备服务的时间关系图(3)从(2)的时间关系图中，计算通道处理完成各设备第一次服务请求的时刻(4)从(2)画出的时间关系图中看，这个字节多路通道能否正常工作(即不丢失数