第4章输入输出系统.ppt
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1、第4章 输入输出系统,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,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。 输入输出系统涉及到机、光、电、磁、声、自动控制等多种学科。 输入输出
2、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。,处理机的外部世界包括:,1.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。,2.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 Co
3、mputer 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。,3.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,,4.1.2 输入输出系统的组织方式,1. 自治控制 输入输
4、出系统是独立于CPU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 最内层是输入输出处理机、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连接 3. 分类组织 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。,4.1.3 基本输入输出方式,1. 程序控制输入输出方式 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 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、忙碌等 (3)数据
5、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,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。 100/10940.2510-7,一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。,2.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
6、,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。 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)用于连接低速外围设备。,3.直接存储器访问方式 直接存储器访问方式(DMA:Direct Memory Access),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。,DMA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
7、现,不需要做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。,DMA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。,DMA输出设备的工作流程如下: 把主
8、存地址送入主存地址寄存器,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。,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
9、时间。,(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。,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,4.2.1 中断源的组织,中断系统需要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
10、复杂性实际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。,1.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。,(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)
11、实时过程控制产生的中断。 (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。,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。,IBM公司的机器,把中断源分为类: (1)机器检验出错中断。由硬件或软件故障时产生。 (2)程序性错误引起的中断。 (3)访问管理程序
12、中断。当用户程序执行访管指令引起的中断。 (4)可以抑制的机器检验错误引起的中断。 (5)外部事件中断。 (6)输入输出中断。 (7)重新启动中断。处理机不能禁止这类中断,3.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。,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
13、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,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) (8)外围设备中断 (9)用户程序中断,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
14、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:,4.2.2 中断系统的软硬件分配,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 1. 主要考虑的两个因素: 中断响应时间: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,2.中断处理过程P222 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
15、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”。,3.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。,(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
16、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。,4.2.3 中断源的识别方法,1. 识别中断源的查询法 所有中断源共用一条中断请求线 处理机响应中断后都进入同一个程序入口 用软件找出申请中断的中断源 主要优点:灵活性好。 主要缺点:速度慢。,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 SK
17、IP DZ, KEY ;测试键盘的DONE0? JMP KEYBORD ;转入键盘的中断服务程序入口KEYBORD SKIP DN, MNT ;测试显示器的DONE1? JMP ERROR ;所有中断源均没有请求中断服务 JMP MONITOR ;转显示器的中断服务程序入口MONITOR PRINT: ;打印机中断服务程序 RNTI ;返回到中断点 KEYBORD: ;键盘输入的中断服务程序 RNTI ;返回到中断点 MONITOR: ;显示器输出的中断服务程序 RNTI ;返回到中断点 ERROR: ;出错处理程序 RNTI ;返回到中断点,2.软件排队链法 设置一个中断请求寄存器,每个中断
18、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排列。 所有中断源使用同一条公共的中断请求线,进入公共中断源服务程序入口,其过程与查询法相同。 在公共中断服务程序入口,用一条特殊指令读出中断请求寄存器中的内容,并根据读出的内容直接进入中断服务程序。 节省了用软件逐个寻找中断源的时间。,一个简单的程序例子: INTA R1 ;中断请求寄存器中的内容读入R1 SBT R1,R2 ;找到发出请求的最高级中断源 JMP TAB(R2) ;转向中断服务程序入口 TAB: DEV1 ;最高级中断服务程序入口地址 DEV2 ;第二级中断服务程序入口地址 DENn ;最低级中断服务程序入口地址,3.硬
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