体系结构第四章

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1、计算机系统结构第四章 输入输出系统1第四章 输入输出系统n4.1 输入输出原理n4.2 中断系统n4.3 通道处理机n4.4 输入输出处理机24.1 输入输出原理 1.输入输出系统的定义及特点q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。q输入输出系统是处理机与外界进行数据交换的通 道。q输入输出系统涉及到机、光、电、磁、声、自动 控制等多种学科。q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。q输入输出系统的特点主要是异步性、实时性和设 备无关性。 3I/O系统特点1：异步性输入输出设备通常不使用统一的中央

2、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并行工作针对实时性，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针对异步性，采用自治控制的方法，4I/O系统特点2：实时性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。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、。5I/O系统特点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（Small Computer System Interface）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。62. 输入输出系统的组织方式 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

4、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、分类组织面向字符的设备（character-oriented device）；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，如磁盘 、光盘等。783 基本输入输出方式1) 程序控制输入输出方式q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q4个特点：n(1) 何时对何设备进行输入或输出操作受CPU 控制n(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？n(3) 数据的输入和输出都要经过CPU。n(4)

5、 用于连接低速外围设备，如终端、打印机 等。9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，打印机每秒钟100个字 符。 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即4千万分之一。 100/10940.2510-710一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。 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。 缺点： 不能实现处理机与外围设备 之间并行工作。112)中断输入输出方式定义：当出现来自系统外部，机器内部，甚至处理机本身的 任何例外的，或者虽然是

6、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。特点：(1) CPU与外围设备能够并行工作(2) 能够处理例外事件。 (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123)直接存储器访问方式又称为DMA（Direct Memory Access）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。13DMA方式具有如下特点：(1)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。(2)全部用硬件实现，不需要做

7、保存现场和恢复现场 等工作。(3)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。(4)在DMA方式开始和结束时，需要处理机进行管理。14DMA输入设备的工作流程如下：从设备读一个字节到DMA控制器中的数据缓冲寄存器 中。若一个字没有装配满，则返回到上面；若校验出错， 则发中断申请；若一个字已装配满，则将数据送主存数据寄 存器。把主存地址送主存地址寄存器，并将主存地址增值。把DMA控制器内的数据交换个数计数器减。若交换个数为0，则DMA数据传送过程结束，否则回到 上面。15DMA输出设备的工作流程如下：把主存地址送入

8、主存地址寄存器，并启动主存储器， 同时将主存地址增值。将主存数据寄存器中的数据送DMA控制器的数据寄存 器。把数据写到输出介质上（可能要逐个字符输出）。把DMA控制器内的数据交换个数计数器中的内容减。若交换个数为0，则DMA数据传送过程结束，否则回到 上面。16目前使用的DMA方式实际上有如下三种：(1)周期窃取方式：在每一条指令执行结束时，CPU测试有没有DMA服务申 请。借用CPU完成DMA工作流程。包括数据和主存地址的传 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 。周期窃取方式的优点是硬件结构简单，比较容易实现 。缺点是在数据输入或输出过程种实际上占用了CPU的时 间。17

9、(2)直接存取方式：整个工作流程全部用硬件完成。优点与缺点正好与周期窃取方式相反。 (3)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。 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、绘图仪等。184.2 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 中断源的识别方法 4.2.4 中断现场的保存和恢复 4.2.5 中断屏蔽194.2中断系统 1 中断源的组织中断源定义：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

10、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。201)中断源的种类 (1)由外围设备引起的中断。低速外围设备每传送一个字节 申请一次中断；高速外围设备的前、后处理。 (2)由处理机本身产生的中断。如算术溢出，除数为零，数 据校验错等。 (3)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。 (4)由控制器产生的中断。如非法指令、堆栈溢出、时间片 到、切换到特权态。21(5)由总线产生的中断。输入输出总线出错,存储总线出错等 。 (6)实时过程控制产

11、生的中断。 (7)实时钟的定时中断。 (8)多处理机系统中，从其它处理机发送来的中断。 (9)程序调试过程中，由断点产生的中断。 (10)硬件故障中断。 (11)电源故障中断。222)中断源的分类组织中断源分类组织的目的：在响应中断后能尽快找到中断入 口。根据中断事件的紧迫程度，中断源工作速度、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。可屏蔽中断与不可屏蔽中断，或称一般中断和异常中断 。233)中断优先级 安排中断优先顺序主要由下列因素来决定： 中断源的急迫性。 设备的工作速度。 数据恢复的难易程度。 要求处理机提供的服务量。 中断

12、优先级与中断服务顺序要求：响应速度快，灵活性好。做法：由硬件排队器决定中断优先级，通过软件设置中断屏蔽码改变中断服务顺序。24例如：在IBM 370系列机中，把7类中断分为5个中断优先级 ，从高到低分别是：(1)紧急的机器检验错误引起的中断(2)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。(3)外部事件引起的中断(4)外围设备的中断(5)重新启动引起的中断25例如：DEC公司的机器，其优先级从高到低分别是： (1)总线错误引起的中断 (2)主存刷新中断 (3)指令错误引起的中断 (4)程序跟踪中断 (5)电源掉电中断 (6)在线停机中断 (7)在线事件中断(如实时钟等) (

13、8)外围设备中断 (9)用户程序中断26例4.2：某处理机共有4个中断源，中断优先级从高到低分别 是：1级、2级、3级和4级。当处理机在执行主程序时，同时有 3级和2级两个中断源向处理机发出中断服务请求。当处理机为 2级中断源服务时又有4级中断源发出中断服务请求。当处理机 为级中断源服务时又有级中断源发出中断服务请求。解：处理机响应各中断源的中断请求和执行中断服务程序的过程如下：27284) 中断系统的软硬件功能分配有些功能必须用硬件实现，有的功能必须用软件实现， 而大部分功能既可以用硬件实现，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 问题主要考虑的两个因素：中断响应时

14、间：中断响应时间是一个非常重要的指标。灵活性：硬件实现速度快，灵活性差；软件实现正好相 反294.2中断系统2 中断处理过程 （表示一般用硬件实现 表示一般用软件实现 表示可以用硬件实现，也可以用软件实现)现行指令结束，且没有更紧急的服务请求 关CPU中断 保存断点，主要保存PC中的内容 撤消中断源的中断请求 保存硬件现场，主要是PSW及SP等 识别中断源 改变设备的屏蔽状态30进入中断服务程序入口 保存软件现场，在中断服务程序中使用的通用寄存器等 开CPU中断，可以响应更高级别的中断请求 中断服务，执行中断服务程序 关CPU中断 恢复软件现场 恢复屏蔽状态 恢复硬件现场 开CPU中断 返回到

15、中断点31必须用硬件实现的有：保存中断点和进入中断服务程序入口。 这两个功能相当于执行一条转子程序指令，因为中断 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。 必须用软件实现的有：中断服务和返回到中断点。 返回到中断点，通过执行一条中断返回指令来实现， 中断服务必须用软件实现，因为是“程序中断方式” 。323 中断响应时间 定义：从中断源向处理机发出中断服务请求开始，到处理机 开始执行这个中断源的中断服务程序时为止，这一段时间称为 中断响应时间。 影响中断响应时间的因素主要有4个：(前2个属于处理机设计，后2个属于中断系统) (1)最长指令执行时间 有些指令的执行时间很长，甚至无

16、法预测。 (2)处理其它更紧急的任务所用时间如处理DMA请求等。4.2中断系统33(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，主要就是要考虑这一段内要所的事情用软件来实现，还是用硬件来实现。(4)通过软件找到中断服务程序入口所用时间 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，在中断系统的设计中，主要考虑第3部分。344.2中断系统4 识别中断源的方法 1）查询法 2）软件串行排队法 3）硬件串行排队法 4）中断向量法 5）独立请求法351）查询法n所有中断源共用一条中断请求线n处理机响应中断后都进入同一个程序入口n用软件找出申请中断的中断源n主要优点：灵活性好。n主要缺点：速度慢。36例如：打印机、键盘和显示器三个中断源寻找中 断入口的过程：INTR: SKIP DZ, PRN ；如果打印机DONE0，跳过下一条指令 JMP PRINT ；转入打印机的中断服务程序入口PRINT SKIP DZ, KEY ；测试键盘的DONE0？ JMP KEYBORD ；转入键盘的中断服务