本科系统结构课件 4

计算机系统结构

计算机系统结构第一章基本概念第二章指令系统第三章存储系统第四章输入输出系统第五章标量处理机第六章向量处理机第七章互连网络第八章并行处理机和 多处理机第四章输入输出系统在计算机系统中，把处理机与主存储器之外的部分统称为输入输出系统输入输出系统是处理机与外界进行数据交换的通道。与处理机有关的、除人以外的各种设备称为输入输出设备（或外围设备）4.1输入输出原理4.2通道处理机4.1输入输出原理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

最典型地反映了软硬件的相互结合

目前，输入输出系统的复杂性都隐藏在操作系统中，需软、硬件人员共同解决

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涉及到机、光、电、磁、声、自动控制等多种学科。用户无需了解输入输出系统和输入输出设备的具体细节就能使用输入输出设备。处理机的外部世界包括：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、其它处理机、各种通信设备和虚拟现实系统等。系统操作员处理机本地或远程用户实时输入输出输入输出设备虚拟现实系统其它处理机本身出错处理程序请求1、异步性输入输出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2、实时性对于一般外部设备：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，处理机须及时处理对不同类型的设备，必须具有与设备相配合的多种工作方式3、与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）接口等计算机系统的使用者，在需要更换外围设 备时，各种不同型号，不同生产厂家的设备都可以直接通过标准接口与计算机系统连接处理机采用统一的硬件和软件对品种繁多的设备进行管理某些计算机系统已经实现了即插即用技术4.1.2输入输出系统的组织方式针对异步性，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，采用分类处理方法1、自治控制输入输出系统是一个独立于处理机之外的自治系统处理机与外围设备之间要有恰当的分工2、层次结构最靠近处理机的是输入输出处理机、输 入输出通道等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相连接设备控制器控制外围设备工作3、分类组织为面向字符的设备（character-orienteddevice）；指工作速度比较低的机电类设备。例如，字符终端、打字机等面向数据块的设备主要指工作速度比较 高的外围设备；例如，磁盘、磁带、光盘的辅助存储器，行式打印机等4.1.3基本输入输出方式对于工作速度、工作方式和工作性质不同的外围设备，基本输入输出方式有如下三种。1、程序控制输入输出方式程序控制输入输出方式：又称为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等程序控制输入输出方式的4个特点：

(1)何时、对何设备进行输入或输出操作受CPU控制

(2)CPU要通过指令对设备进行测试才能知道设备的工作状态。空闲、准备就绪、正在忙碌等

(3)数据的输入和输出都要经过CPU

(4)用于连接低速外围设备，如终端、打印机等启动设备Done=1否是从输入设备寄存

器中读一个字符

到主存储器中Ready=1?否是从主存储器送一个字符到输出设备寄存器中结束键盘输入再显示的框图一个处理机管理多台外围设备。处理机采用轮流循环测试方法，分时为各台外围设备服务程序控制输入输出方式的优点：

灵活性很好。可以很容易地改变各台外围设备的优先级程序控制输入输出方式的缺点：

实现处理机与外围设备并行工作困难输入设备ID输出设备OD处理机

CPU主存储

器MM程序控制方式的数据传送过程2、中断输入输出方式中断输入输出方式的定义如下：

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，或者虽然是事先安排的，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：

(1)CPU与外围设备能够并行工作 (2)能够处理例外事件。例如，电源掉电、非法指令、地址越界、数据溢出、数据校验错、页面失效等

(3)数据的输入和输出都要经过CPU

(4)灵活性好

(5)用于连接低速外围设备在现代计算机系统中，中断输入输出方式的作用已经远远超出了为外围设备服务的范畴，成为现代计算机系统中非常重要的一个组成部分3、直接存储器访问（DMA）方式直接存储器服务方式又称为DMA（DirectMemoryAccess）方式，这种输入输出方式主要用来连接高速外围设备。例如，磁盘存储器，磁带存储器等DMA方式具有如下特点：

(1)外围设备访问请求直接发往主存储器

(2)不需要CPU进行保存现场和恢复现场

(3)DMA控制器中，需设置数据寄存器、设备状态或控制寄存器、主存地址寄存器、设备地址寄存器和数据交换个数计数器(4)在DMA方式开始和结束时，需要处理机进行管理

(5)在DMA方式中，数据的传送过程不需要CPU的干预

4.2中断系统4.2.1中断源的组织4.2.1.1中断源的种类（1）CPU引起（2）外设引起（3）存储器引起（4）控制器引起（5）总线产生（6）实时过程控制产生（7）实时钟（8）多处理器（9）程序调试（10）硬件故障（11）电源故障

4.2.1.2中断源的分类（6类）

（1）重新启动中断（2）机器检验出错中断（3）程序性错误引起的中断（4）访问管理中断（5）外部中断（6）输入输出4.2.1.3中断优先级中断优先级的决定因素：（1）中断源急迫性（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质量4.2.2中断系统的软硬件功能分配考虑因素：（1）中断响应时间（2）灵活性4.2.2.1中断处理过程4.2.2.2中断响应时间4.2.2.3识别中断源的查询方法4.2.2.4识别中断源的串行排队链法和中断向量法4.2.2.5识别中断源的独立请求法4.2.2.6中断现场的保存和恢复4.2.3中断屏蔽4.3通道处理机把对外围设备的管理工作从CPU分离出来从IBM360系列机开始，普遍采用通道处理机技术4.3.1通道的作用和功能4.3.2通道的工作过程4.3.3通道的种类4.3.4通道的中的数据传送过程4.3.5通道流量分析处理机与外部设备的连接方式

(1)直接连接

(2)通道处理机 (3)输入输出处理机4.3.1通道的作用和功能1、三种基本输入输出方式存在的问题：CPU的输入输出负担很重，不能专心于用户程序的计算工作。

低速外围设备，每传送每个字符都由CPU执行一段程序来完成。

高速外围设备的初始化、前处理和后处理等工作需要CPU来完成大型机中的外围设备台数很多，但一般并不同时工作。让DMA控制器能被多台设备共享，提高硬件的利用率2、通道的主要功能：（1）接受CPU发来的指令，选择一台指定的外围设备与通道相连接（2）执行CPU为通道组织的通道程序（3）管理外围设备的有关地址（4）管理主存缓冲区的地址（5）控制外围设备与主存缓冲区间数据交换的个数（6）指定传送工作结束时要进行的操作（7）检查外围设备的工作状态，是正常或故障（8）在数据传输过程中完成必要的格式的变换4.3.2通道的工作过程通道完成一次数据输入输出的过程需三步：

(1)在用户程序中使用访管指令进入管理程序，由CPU通过管理程序组织一个通道程序，并启动通道

(2)通道处理机执行通道程序，完成指定的数据输入输出工作

(3)通道程序结束后第二次调用管理程序对输入输出请求进行处理每完成一次输入输出工作，CPU只需要两次调用管理程序，大大减少了对用户程序的打扰4.3.3通道种类通道分为三种类型：字节多路通道、选择通道和数组多路通道1、字节多路通道为多台低速或中速的外围设备服务字节多路通道包含有多个子通道，每个子通道连接一个设备控制器2、选择通道选择通道为高速外围设备服务每个选择通道只有一个以成组方式工作的子通道，逐个为多台高速外围设备服务字节缓冲状态/控制固定地址子通道1子通道2子通道3数据缓冲通道控制字节多路通道至主存储器字节多路通道的结构通道控制部分状态/控制主存地址至主存储器选择通道的结构字节计数设备地址数据缓冲数据格

式变换字字节至设备控制器3、数组多路通道数组多路通道：把字节多路通道和选择通道的特性结合起来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数组多路通道可以被看作是以成组方式工作的高速多路通道从磁盘存储器读出一个文件的的过程分为三步：定位、找扇区、读出数据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 多台高速设备可以在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都很高，控制硬件的复杂度也高4.3.4通道中的数据传送过程一个字节多路通道连接P台设备，每台设备都传送n个字节TS：设备选择时间；TD：传送一个字节的时间；Dij：第i台设备的第j个数据，其中有： i＝1,2,…,p，j＝1,2,…,n

总共所需要的时间：

TBYTE＝（TS＋TD）·P·nTSTDD11TSTDD21…………TSTDDij…………TSTDDpnT选择通道连接P台设备，每台设备都传送n个字节TS：设备选择时间；TDi：通道传送第i个数据所用的时间；其中有：i＝1,2,…,nDi：通道正在为第i台设备服务，其中有：i＝1,2,…,p总共所需要的时间：TSELETE＝（TS／n＋TD）·P·nTSTD1…TDnD1…………TTSTD1…TDnD2TSTD1…TDnDp数组多路通道连接P台设备，每台设备都传送n个字节TS：设备选择时间，k：一个数据块中的字节个数；TDi：通道传送第i个数据所用的时间，其中有：i＝1,2,…,nDi：通道正在为第i台设备服务，其中有：i＝1,2,…,p总共所需要