第3章总线、中断与I

第3章总线、中断与I/O系统3.1输入输出系统概述3.2总线设计3.3中断系统3.4通道处理机3.5外围处理机•本章重点：

非专用总线的总线控制方式；数据宽度及其分类；中断为什么要分类和分级；中断处理次序的安排和实现；通道流量的分析和设计。•本章难点：

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外部设备请求的时空图。3.1I/O系统概述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。处理机通常还要与其他处理机发生关系，甚至处理机必须在人的操作下才能完成人们所希望做的工作。

3.1I/O系统概述

输入输出系统是处理机与外部世界进行交往或通信的手段，计算机用户通过输入输出设备来访问处理机。包括内容:I/O设备、设备控制器及与I/O操作有关的软硬件等。输入输出系统：在计算机系统中，通常把处理机和主存储器之外的部分统称为输入输出系统，它包括输入输出设备、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I/O系统来管理。3.1I/O系统概述外部世界：指处理机以外的需要与处理机交换信息的人和物。

3.1I/O系统概述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系统涉及到机、光、电、磁、声、自动控制等多种学科从计算机学科来看，输入输出系统最典型地反映着硬件与软件的相互结合。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异步性输入输出设备的工作在很大程度上独立于处理机之外，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。为了能够实现一个处理机与多台外围设备并行工作，必须采用中断输入输出方式或直接存储器存取（DMA）方式工作。

实时性由于设备的类型不同，它们的工作步调是很不相同的，信息传输的速率也相差悬殊，传送方式极不统一。对于用作实时控制的计算机系统，例如，工业过程控制，导弹、卫星等的控制，对时间性的要求非常强，如果处理机提供的服务不及时，很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的错误，例如，电源故障、数据校验错、页面失效、非法指令、地址越界等，处理机也必须及时地给予处理。与设备无关性外围设备复杂多样，因此，设备与处理机的连接方式也很不相同。计算机系统为了能够适应各种外围设备的不同要求，规定了一些独立于具体设备的标准接口。（串行接口、并行接口、IDE、SCSI、PCMCIA、USB）等。即插即用技术2.I/O系统的发展：早期及目前低性能单用户计算机的I/O操作由程序员直接安排。主要解决CPU、主存和I/O设备之间的速度差距。现在改由用户向系统发出I/O请求，经OS来分配调度设备并进行具体的I/O处理。主要解决面向OS在OS与I/O系统间进行合理的软、硬件功能分配。3.I/O系统的功能

1)功能:对指定的外设进行输入、输出操作，同时完成其它的管理和控制。

2)包括：

a)对指定外设的信息编址，连接好主存与指定外设的信息通路。

b)完成指定外设编址区和OS指定的主存空间之间的信息传送。

•输入：外设编址区信息主存

•输出：主存信息外设编址区

c)对传送信息的格式变换，产生有关I/O操作

是否完成或出错的状态信息，经由中断系统交给OS分析处理。

3)实现：

a)部分由I/O指令、I/O设备及其控制器完成

b)部分由OS完成

4.I/O系统的三种方式

1)程序控制I/Oa)全软的

b)程序查询状态驱动的—键盘

c)中断驱动的—中断控制器8259A2)直接存贮器访问(DMA)

3)I/O处理机

a)通道方式(Channel)

有自己的指令和程序，功能简单，使用面窄。

b)外围处理机方式(PPU)

独立性、通用性和功能较强。3.2总线设计

I/O系统的总线既要能传送数据信息、地址信息、控制信息，还要传送状态信息，并使多台外设与CPU或主存交叉地经这些总线传送信息。所以其设计的好坏，对I/O系统的性能影响较大。3.2.1总线的类型

1.按信息传送方向分

1)单向传输

2)双向传输

a)半双向:

在同一时刻，信息只能向其中的一个方向传送。

b)全双向：在同一时刻，允许信息在两个方向传送。全双向速度快，但是造价高，结构复杂。

2.按用法分

1)专用总线

a)定义：只连接一对物理部件的总线。

b)优点：

•多个部件可以同时发送和接受信息，几乎不必争用总线，系统流量高。

•控制简单，不用指明信息源和目的。

•任何总线的失效只影响相连的两个部件不能直接通信，但可以间接通信，系统可靠性高。

c)缺点：

•总线数目多，N个部件

全部互连需N(N-1)/2组

总线。

•难以小型化、集成电

路化，总线长时成本高。

•利用率低

•不利于模块化，增加一个部件要增加许多新

的接口和连线。ABCDE

所有部件用专用总线互连

2)非专用总线

a)定义:可以被多种功能或多个部件分时共享，

同一时刻只有一对部件使用总线进行通信。

b)优点：

•总线少，造价低。

•接口标准化、模块性强，易于简化接口设计。

•扩充能力强，多重总线提高带宽和可靠性。

c)缺点：

•经常出现总线争用，系统流量小。

•可能成为系统速度瓶颈，导致系统瘫痪。总线

3.2.2总线的控制方式

1.产生原因

采用非专用总线时，可能出现多个设备或部件同时使用总线而发生争用，就得有总线控制机构来按照某种方式裁决，保证同一时间只能有一个高优先级的申请者取得总线使用权。

2.控制方式

1)集中式控制

总线控制逻辑基本上集中放在一起，或者放

在连接总线的一个部件中，或者是放在单独的硬件中。我们主要讲述这一控制方式。

2)分布式控制

总线控制逻辑分散于连到总线的各个部件中。

3.优先次序的三种确定方式

1)串行链接方式

部件

0部件

1部件

N-1总线控制器总线可用总线请求总线忙集中式串行链接

a)次序确定

完全由“总线可用”线所接部件的物理位置来

决定，离总线控制器越近的部件其优先级越高。

b)优点：

•算法简单，线数少，且不取决于部件的数量。

•部件增加容易，可扩充性好。

•逻辑简单，容易通过重复设置来提高其可靠性。

c)缺点：

•对“总线可用”线敏感，一个部件不能正确传送“总线可用”信号,其后部件都得不到使用权。

•优先级固定，不可被程序更改，灵活性差。

•遥远部件难以获得总线使用权。

•“总线可用”信号顺序、脉动地通过每一部件,

限制了总线分配的速度。

•受总线长度影响，增、减及移动部件也受限。

2)定时查询方式：

部件

0部件

1总线控制器总线请求总线忙部件

0部件

1部件

N-1总线控制器总线请求总线忙集中式定时查询定时查询计数……

a)次序确定

•总线分配前计数器清“0”,从“0”开始查询，优先级排序类似串行链接。

•总线分配前不清“0”，从中止点继续查询，是循环优先级，部件使用总线机会均等。

•总线分配前将计数器设置初值，可以指定某个部件为最高优先级。

•总线分配前将部件号重新设置，可以为各部件指定任意希望的优先级。

b)优点：

•优先级可由程序控制，灵活性强。

•某一部件的失效不影响其它部件，可靠性高。

c)缺点：

•线数多，扩展性差，控制复杂。

•速度取决于计数器信号的频率和部件数，不是很高。

3)独立请求方式：

部件

0总线控制器部件

0部件

N-1总线控制器总线请求0集中式独立请求……总线准许0总线请求N-1总线准许N-1总线已被分配…

a)次序确定

总线控制器根据某种算法来仲裁。

b)优点：

•总线分配速度快。

•可以灵活确定下一个使用总线的部件。

•可以方便的不响应来自已知失效或可能失效的部件发出的总线请求。

c)缺点：

•控制线多，N个部件要2N+1根控制线。

•总线控制器复杂。3.2.3总线的通信技术

当部件获得了总线的使用权后，必须给出通信的“源”或“目的”部件、传送信息的类型和方向等信息，之后才能开始真正的数据信息的传送。

1.同步通信

1)同步：为了保证通信正常进行，必须采用一定的方式让接收端知道发送端什么时候开始发送，什么时候发送完毕。这个过程称为总线通信的同步。按同步方式的不同，可分为“同步”和“异步”通信方式。

2)方式：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。

3)优点：信息传送速率高，受总线长度影响小。

4)缺点：

a)时钟在总线上的时滞会导致误同步

b)时钟线上的干扰信号易引起误同步

c)为了可靠性加宽时间片可能使数据传送速率低于异步通信

5)解决办法：只在数据出错时目的部件才给源

部件返回信号，源部件必须设置缓冲池来保

留已发送但未经证实的数据以备重发。

2.异步通信

由于I/O总线一般是为具有不同速度的许多I/O

设备所共享，因此宜采用异步通信。异步通信可分为单向控制和双向(请求/回答)控制。

1)异步单向控制

通信过程中只由源或目的部件中的一个控制，分为单向源控制和单向目的控制两种。

t1t2数据数据准备(a)源控式td1td2数据数据请求(b)目控式异步单向控制通信(源)(源)(源)(目)

a)异步单向源控式通信

•优点：简单、高速

•缺点：无目的部件的应答信号，对不同速度的部件间通信困难，需设置缓冲器来缓冲来不及处理的数据，对“数据准备”线要求高。

b)异步单向目控式通信

•出错判断:“出错”信号代替下一次“请求”信号。

•优点:解决了传送有效性校验。

•缺点:传送速率随源、目距离增大而下降，

c)单向控制缺点：未能提供传送完标志，即不

能保证下一数据传送前让所有数据线和控制线的电平信号回到初始状态。

2)异步双向控制

t1td1td2td1t2td1t1td2td3td4(a)非互锁方式(b)互锁方式(源)数据数据数据准备数据准备数据接受数据接受(源)(源)(源)(目)(目)源控式异步双向通信

a)目控式异步双向通信

b)源控式异步双向通信

•非互锁方式

优点:提供出错控制,便于不同速率部件通信。缺点:传送速率低,容易丢失数据。

•互锁方式

优点:保证数据高速、正确传送,适合不同速率部件间通信。

缺点:增加了信号沿总线来回传送的次数,控制硬件复杂。

3.2.4数据宽度与总线线数

1.数据宽度

1)基本概念

a)数据宽度：I/O设备取得总线使用权后所传

送数据的总量,可能经多个时钟周期分时传送。

b)数据通路宽度：指数据传送的物理宽度，如

16bit,32bit等,即一个时钟周期传送的信息量。

2)数据宽度种类

有单字(或单字节)、定长块、可变长块、单字加定长块及单字加可变长块等。a)单字(或单字节)宽度

•适于输入机、打印机等低速设备，每传完一

个字(字节)后等待时间长，期间释放总线，为其它设备服务，提高总线利用率和系统效率。

•不适于磁盘、磁带等快速设备，一旦开始传送，速率很高，重新分配总线降低效率。

•优点:不指明信息长度，减少辅助开销。

•缺点:要求总想控制逻辑高速分配总线，防碍

总线采用更为合理的分配算法。

b)定长块宽度

•优点:适于磁盘等高速设备，不指明传送信息宽度，简化控制，可按整个信息块进行校验。

•缺点:块大小固定，当比所传信息块小时，仍多次分配总线；当大于所传信息块时，就会浪费总线的带宽和缓冲器空间。

c)可变长块宽度

•优点:适于高优先级的中高速设备，可动态改变传送块的大小，有效利用总线的带宽。

•缺点:要增大缓冲器空间和增加信息块大小的辅助开销和控制。

d)单字加定长块宽度

•优点:适于速度低而优先级高的设备的总线。定长块不必过大，超过部分可以用单字处理，减少总线带宽、部件缓冲空间的浪费。

•缺点:信息块小于定长块少时，总线利用率低。

e)单字加可变长块宽度

灵活有效，适应挂有各种设备的总线，但代价大。

2.总线的线数

1)制约因素

a)总线线数越多，成本高，干扰大，可靠性低，占用空间大，但是传送速度和流量大。

b)总线长度越长，成本高，干扰大，波形畸变严重，可靠性低。

2)原则:

a)总线越长，其线数应尽可能减少。

b)在满足性能要求及通信类型和速率的情况下，应尽量减少总线的线数。

3)减少总线方法：

总线组合、并/串－串/并转换和编码

4)流量问题

a)I/O总线所需的流量取决于该总线所接外设的数量、种类以及传输信息的方式和速率要求。

b)总线的价格一般正比于流量，当流量超过某一范围时，价格将会呈指数上升。

c)当系统所要求流量过大时，采用多组总线合理调配，并限制总线长度和I/O设备数量。

d)为保证总线上各设备满负荷工作时不丢失信息，总线的允许流量应大于各台外设平均流量的总和。3.3中断系统

中断系统不只是I/O系统，也是整个计算机系统必不可少的重要组成部分。它对I/O处理、多道程序和分时处理、实时处理、人机联系、事故处理、程序的监视和跟踪、目态程序和OS的联系以及多处理系统中各机的联系等方面都起着重要的作用。3.3.1中断的分类和分级

1.基本概念

1)中断源:引起中断的各种事件。由外围设备引起的中断。

通常包括：低速外围设备的数据缓冲寄存器已经准备好接收或发送数据，高速外围设备采用DMA方式完成一个数据块传送之后的处理工作，外围设备的启动和停止，完成对外围设备的控制（如磁盘和磁带存储器的定位等），输入输出过程种任意一个环节出现错误等。由处理机产生的中断。

如算术运算操作溢出，除数为零，数据校验错，非法数据格式等。响应中断后进入监控程序，处理机处于动态停机状态，等待操作员给予处理。或者返回到用户程序，等待用户修改程序或数据由存储器产生的中断。

如非法地址（包括地址越界、地址不存在、写ROM地址），动态随机存储器（DRAM）刷新，主存储器页面失效，数据或地址校验错，访问主存储器超时错等。由控制器产生的中断。

如非法指令，未定义的操作码，用户程序执行了特权指令，堆栈溢出，分时系统中时间片到，操作系统用户态与特权态的切换等。由总线产生的中断。

包括输入输出总线出错，存储器总线出错等。实时过程控制产生的中断。

如实时检测设备的采样中断。实时钟的定时中断。多处理机系统中，从其它处理机发送来的中断。程序调试过程中，执行到一个实现事先设置的断点时，通过中断进入监控程序，以便对被调试程序进行跟踪或监测。硬件故障中断。通过监控程序调用诊断程序对机器各个部分进行诊断，如果诊断没有错误则重新引导机器，否则停机。电源故障中断。这时必须停止其它一切工作，保存处理机全部状态信息和挥发性存储器中的内容。2)中断请求:中断源向中断系统发出请求中断的申请。同时可以有多个中断请求，这时中断系统要根据中断响应优先次序对优先级高的中断请求予以相应。

3)中断响应:就是允许其中断CPU现行程序的运行而转去对该请求进行预处理，包括保存断点现场，调出相应中断处理程序，准备运行。也可以屏蔽这一请求使其暂时得不到响应。

2.入口设置

1)当中断源较少时，通过中断系统硬件对每个中断源直接形成相应的中断处理程序入口，进入相应的中断处理程序。

2)当中断源较多时，先将它们按性质分类，对每一类给定一个中断处理程序入口，再由软件转入相应的中断源进行处理。如IBM370把中断分为以下六类：

1)机器指令校验

故障

64位机器校验中断码

2)管理程序调用

OS执行“访管”指令

8

3)程序性中断

出错、出现异常

16

4)外部中断

外部信号、定时器、键盘等

16

5)I/O中断

I/O操作完成或出错

16

6)重新启动中断

操作员或其它CPU启动程序

其中重新启动中断是CPU不能禁止的。每类具体的中断原因可由旧程序状态字(PSW)进一步指明，或是由中断期间放置在指定存贮单元的附加信息指明。

3.中断分类

细分为中断(Interrupt)和异常(Exception)。

1)中断

专指那些于当前进程运行无关的请求暂停的事件,如机器故障中断请求、外设中断请求、定时中断请求等。中断可以被屏蔽，暂时保存在中断寄存器，屏蔽解除后继续得到响应和处理。

2)异常

由现行指令引起的暂停事件，如页面失效、溢出等，一般不能屏蔽，立即得到响应和处理。

异常可以分为自陷(Trap)、故障(Fault)、失败(Abort)三种。

a)自陷

发生在引起异常的指令执行的末尾，处理后返回原先正常程序的下一条指令继续执行。

b)故障

发生在执行指令的过程中，处理后返回原先发生故障的那条指令出重复执行。

c)失败

也发生在指令执行过程中，需强制干预或系统复位才可以使指令再正确执行下去。

4.中断级别

1)依据：1、中断源的急迫性。2、设备的工作速度。

3、数据恢复的难易程度。

4、要求处理机提供的服务量。

不同机器有所差异，一般把机器校验安排为第一级，程序性和管理程序调用为第二级，外部为第三级，I/O为第四级，重新启动为最低级。

2)次序：由高到低依次为（零级）第一级、第二级

3)原则：局部性中断优先级低

……

以IBM370为例紧急机器校验1全局，掉电，CPU地址错等管理程序调用2高于I/O与外部，防止混乱可抑止机器校验3局部的外部中断4多机联系、人机干预等

I/O中断5部性外设请求重新启动6时间不紧迫

DEC公司的机器，其优先级从高到低分别是：

总线错误引起的中断

主存刷新中断

指令错误引起的中断

程序跟踪中断

电源掉电中断

在线停机中断

在线事件中断，如实时钟等

外围设备的中断

用户程序中断

5.中断响应次序与处理次序

1)中断响应次序

同时发生多个中断请求时，由中断响应硬件的排队器所决定的响应次序，次序是固定的。

2)中断处理次序

一个中断处理程序执行前或中再有其它中断产

生时中断处理完的次序，可以不同于响应次序。

3)处理原则

在处理某级中断时,只有更高级的请求到来才转去响应和处理，完成后返回原中断继续处理。6.中断处理次序改变

1)方法：

a)设置中断级屏蔽位寄存器硬件以决定是否让

某级中断请求进入中断响应排队器，只要进入排队器中断请求，就让级别高的优先得到响应。

b)OS对每类中断处理程序的现行PSW中的中断

级屏蔽位进行设置，可以实现希望的处理次序。

2)优点：

改变响应次序中用排队器硬件实现的固定次序为OS软件实现的灵活性。

一级中断响应二级中断响应三级中断响应四级中断响应11111110110010000000100011112342112341111111111111000

例:系统有4个中断级,每级现行PSW有4位屏蔽位

“1”表示对该级的请求都开放,允许其进入排队

器。“0”表示屏蔽各个请求,不允许进入排队器，

现要求各级中断处理次序和响应次序都是1

2

3

4，请设计屏蔽位状态。中断处理程序级别中断级屏蔽位第1级第2级第3级第4级1级2级3级4级0000000000111111中断级屏蔽位举例1(1234)不高于本级的屏蔽掉即“0”

用户程序中断处理程序中断请求t234211234中断处理次序为1234的例子

中断处理程序级别中断级屏蔽位第1级第2级第3级第4级1级2级3级4级0000011010111000中断级屏蔽位举例2(1432)用户程序中断处理程序中断请求t34211234中断处理次序为1432的例子一级中断响应二级中断响应三级中断响应四级中断响应111110001011000011111011100111111001342112343.3.2中断系统的软硬件功能分配

1.中断系统的功能

1)中断请求的保存和清除

2)优先级的确定

3)中断断点及现场的保存

4)对中断请求的分析和处理

5)中断返回

这些功能全是由中断响应硬件和中断处理程序完成的，中断系统的软硬件功能分配实质就是中断响应硬件和处理程序软件的功能分配。2.功能的实现

1)早期大部分功能是由软件完成的，中断响应和中断处理时间长。

2)后来中断响应及其次序由程序查询软件的方法改为中断响应排队器硬件实现；中断源的分析也由程序查询改为硬件编码，直接或经中断向量表形成入口地址，并把中断源的状况以中断码的方式经旧PSW告知中断处理程序。

3.中断现场

包括软件状态和硬件状态两种

1)软件状态

如作业名称和级别，上、下界值，各种软件状态和标志等。本来就在主存中，且数量随OS的发展而扩大，宜于经中断处理程序保存。

2)硬件状态

如现行指令地址，条件码，各种控制寄存器及通用寄存器内容等。其保存方式分两种：

a)经中断响应硬件保存

把硬件状态集合成PSW存到主存指定的单元或区域。然后再把新的程序的PSW从主存另一指定单元或区域把内容传送到相关寄存器或计数器中，建立运行新程序的环境。但会降低速度。

b)经中断处理程序保存

会延缓转入真正处理该中断请求的时间，指令系统复杂。

实际中把两者结合起来，并视具体情况而异。4.中断系统性能指标

1)中断响应时间

发出中断请求到进入中断处理程序的时间。主要取决于交换PSW的时间。

2)灵活性

各种通用寄存器的内容是由中断处理程序按切换需求来保存的，有利于提高中断响应的速度，又有很大灵活性。3.4通道处理机3.4.1工作原理

1.原因

1)为了I/O与CPU、主存并行操作，以及让多用户或多道程序共同运行。

2)防止用户自行输入而破坏其他用户程序或系统程序及用户窃取系统不该让其读出的内容。

2.工作过程……………目态程序管理程序通道程序中断处理程序kk＋1k＋2k＋3k＋4k＋5OCOCOC访管入口设备号交换长度主存起始地址置通道地址字启动I/O无链通道指令入口访管广义指令和参数区返回I/O中断返回I/O中断响应I/O中断请求编制通道程序通道处理机I/O的主要过程

请求I/O访管指令

响应I/O中断请求编制通道程序启动I/O通道组织I/O操作登记或例外情况处理I/O操作结束向CPU发I/O

中断请求运行目态程序目态

运行I/O管理程序管态CPUt通道处理机I/O主要过程的时间关系

选取通道

断开?

忙？

选取子通道

断开?

忙？

选取通道指令启动“I/O”指令是形成条件码，结束否是形成条件码，结束否是是形成条件码，结束否否形成条件码，结束

有错？是

形成条件码存通道状态字结束选控制器、设备否

断开？是形成条件码，结束

发启动命令否全“0”状态？通道结束？存放中断？是

接受命令启动成功形成条件码否是

启动成功形成条件码否

形成条件码清除中断条件不成功，结束是否形成条件码,启动不成功,结束启动I/O指令流程图(结束表示释放通道)

3.优点：

1)完成一次I/O两次访管，减少对目态程序的干扰，提高了CPU运算和外设操作的重叠度。

2)各个通道可以有自己的通道程序在运行，使多种、多台外设可以充分并行工作。

通道类型类型：1)字节多路通道

适用于连接大量字符低速设备,传送一个字符或字节占用时间短,但等待时间长。2)选择通道

适合于优先级高的高速设备，独占通道，只能执行一道通道程序。数据宽度为可变长块，一次将N个字节全部传送完毕，传送期内只选一次设备。因为外围设备与通道控制器之间通常是以字节为单位传送数据的，而通道与主存储器之间要以字为单位传送数据，一个字的长度一般为32位或64位，格式变换部件负责字到字节的拆卸及字节到字的装配。3)数组多路通道适合于磁盘等高速设备,传送速率高,但传送前辅助操作时间长。数据宽度为定长块,传送K个字节后重选设备进行下K个字节的传送。多个子通道分时共享I/O通路,成组交叉并行传送。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从磁盘存储器读出一个文件的的过程为例，可以分为如下三步:定位（几十毫秒）、找扇区（10毫秒左右）、读出数据（十几微秒）通常把前两部分时间加起来称为磁盘存储器的寻址时间，第三部分时间称为数据传输时间。磁盘存储器的寻址时间一般要比数据传输时间长两个数量级以上。因此，象选择通道那样，一个高速通道始终只为一台高速外围设备服务存在很大的浪费，并没有能够充分发挥高速通道的数据传输潜力。数组多路通道在向一台高速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，发出找扇区命令后再一次断开，直到开始数据传送。因此，数组多路通道的实际工作方式是：通道在为一台高速设备传送数据时，有多台高速设备可以在定位或者在找扇区。

3.4.2通道流量分析

1.通道流量

通道在数据传送期内，单位时间所传送的字节数。它所能达到的最大流量称为通道极限流量。

2.影响极限流量的因素

1)工作方式

2)数据传送期内选择一次设备的时间TS

3)传送一个字节的时间TD

3.极限流量

1)字节多路通道:每选一台设备传送一个字节。

fmax.byte=1/(TS+TD)TS：设备选择时间。TD：传送一个字节所用的时间。

P：在一个通道上连接的设备台数。

n：每一个设备传送的字节个数。

Dij：连接在通道上的第i台设备传送的第j个数据，其中有：i＝1,2,…,p，j＝1,2,…,n。

T：通道完成全部数据传送工作所需要的时间。2)选择通道:每选一台设备就把N个字节传送完。

fmax.select=N/(TS+NTD)=1/(TS/N+TD)

3)数组多路通道:每选一条设备传送K个字节。

fmax.block=k/(TS+kTD)=1/(TS/k+TD)若TS,TD一定，N>k，则：

fmax.select>fmax.block>fmax.byte

4.实际最大流量

1)字节多路通道:fbyte.j=Σfi.j

2)数组多路通道：

fblock.j=maxfi.j

3)选择通道：

fselect.j=maxfi.ji=1pji=1pji=1pj工作于字节交叉方式，子通道独立各设备的字节传送率之和所接设备的字节传送率最大的那个j——通道的号fi.j——通道上设备的字节传送率pj——通道上所接的总设备数

5.设计原则

1)极限流量大于等于实际最大流量

2)极限流量与实际最大流量的差值越小越好

fmax.byte.j>=fbyte.jfmax.block.j>=fblock.jfmax.select.j>=fselect.j

如果I/O系统由m个通道，则：

fmax=Σfmax.byte.j+Σfmax.block.j+Σfmax.select.j

且:fmax>=ΣΣfi.j+Σmaxfi.j+Σmaxfi.jj=1m1m2j=1+m1mj=1+m2m1m2mj=1+m1j=1+m2j=1i=1pj例：一个字节多路通道连接D1、D2、D3、D4、D5共5台设备，这些设备分别每10微妙、30微妙、30微妙、50微妙和75微妙向通道发出一次数据传送的服务请求，请回答下列问题。

1、计算这个字节多路通道的实际流量和工作周期。

2、如果设计字节多路通道的最大流量正好等于通道实际流量，并假设数据传输率高的设备，通道响应它的数据传送请求的优先级也高。5台设备在0时刻同时向通道发出第一次传送数据的请求，并在以后的时间里按照各自的数据传输率连续工作。画出通道分时为各台设备服务的时间关系图，并计算这个字节多路通道处理完各台设备的第一次数据传送请求的时刻。

3、从时间关系图上发现什么问题？如何解决这个问题？这个字节多路通道的实际流量为：

fBYTE＝（1/10+1/30+1/30+1/50+1/75）MB/S＝0.2MB通道的工作周期为：

t＝1/fBYTE

＝5微秒包括通道选择设备的时间TS和为设备传送一个字节所用的时间TD。5台设备向通道请求传送数据和通道为它们服务的时间关系如图所示

上述两个基本原则只是保证宏观上不丢失设备信息，并不能从微观上保证每一个局部时刻都不丢失信息。因为当设备要求通道的实际最大流量非常接近于通道设计所能达到的极限流量时，速率高的设备频繁发出请求而优先得到响应和处理，速率低的设备会因得不到通道而丢失信息。为此可在设备或设备控制器中设置一定容量的缓冲器以缓冲来不及处理的信息，或可动态改变设备响应优先级，使得低速设备也有机会得到通道而保证微观上不丢失信息。当然基本原则是一定要满足的，否则无论采用什么办法，设备总是要丢失信息的。为了保证字节多路通道能够正常工作，不丢失数据，可以采取下列几种方法：增加通道的最大流量，保证连接在通道上的所有设备的数据传送请求能够及时得到通道的响应。动态改变设备的优先级。当然，也可以采用临时降低设备优先级的办法，其效果是相同的。增加一定数量的数据缓冲器，特别是对优先级比较低的设备。

6.缺点：

1)并非独立的处理机，指令简单，无大容量存贮器。

2)I/O过程中需要CPU承担很多工作。

3)流水等组成技术因I/O中断而不能发挥作用，CPU速度严重下降。

4)访管中断转入I/O管理程序妨碍CPU资源的合理利用。3.5外围处理机(PPU)

为了克服通道处理机的缺点，希望CPU进一步摆脱数I/O操作的控制，以便更好地集中精力专注于自己的事情而发展了外围处理机(PPU)。中央处理机主存主存与外围处理机总线PPU0PPU1PPU2PPU9输入输出交叉开关网络通道0通道1通道11通道i设备控制器设备控制器设备控制器设备控制器设备控制器设备设备设备设备设备设备图3.14CYBER179的结构1.外围处理机的优点

1)更接近于一般的处理机，指令丰富，功能强。

2)独立于主处理机异步工作。

3)可以与主处理机共享或不共享主存。

4)可以自由选择通道和设备进行灵活通信。2.缺点：

就硬件利用率和成本来讲不如通道处理机好，但随着器件技术不断提高，成本在逐渐降低。

第3章小结1.I/O系统概念

1)I/O系统:I/O设备、设备控制器及与I/O操作有关的软硬件等的总和。

2)功能:对指定的外设进行输入、输出操作，同时完成其它的管理和控制。

3)三种方式

a)程序控制I/Ob)DMAc)I/O处理机2.总线设计

1)类型

a)按方向分

•单向传输

•双向传输

半双向全双向

b)用法分

•专用

•非专用

2)控制方式

a)产生原因:非专用总线的争用问题

b)分类

•集中式

•分布式

c)优先级确定

•串行链接

•定时查询

•独立请求3)通信技术

a)同步通信

•概念：

•优点：信息传送速率高，受总线长度影响小。

•缺点：

时钟在总线上的时滞会导致误同步

时钟线上的干扰信号易引起误同步

为了可靠性加宽时间片可能使数据传送速率低于异步通信

b)异步通信

源控式

目控式

源主动