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第三章,总线、中断与输入输出设备,哈尔滨工业大学 计算机系统结构教研室 刘宏伟,3.1输入输出系统概述（1）,输入输出设备的基本概念 输入设备 能够将人能识别的息加工转换成计算机能够识别的信息并输入到计算机中的设备; 输出设备 能够把计算机中存储的有关信息,经过加工转换成人能够识别的信息,并以约定的形式呈现在人的面前; 因此，输入输出系统能够提供处理机与外部世界进行交往或通讯的各种手段。 输入输出系统 计算机系统中,除了处理机和存储器之外的部分统称为输入输出系统。 输入输出系统的组成： 输入输出设备、输入输出接口、输入输出软件,3.1输入输出系统概述（2）,不同类型计算机系统的外设管理模式 低性能的单用户计算机程序员安排输入输出操作； 早期的多用户计算机操作系统调度； 现代的外部设备管理模式操作系统调度； 输入输出系统的主要功能 1.对外设进行编址； 2.连接信息通路并保持信息通路的畅通； 3.实现主存和外设之间的信息传输； 4.完成信息转换。 操作系统和编译程序在输入输出过程的作用 编译程序：将高级语言编写的输入输出语句转化成控制输入输出的机器指令； 操作系统：处理输入输出的控制语句，分配存储空间总线等资源，实现CPU与外设的并行，对外设的反馈信息进行处理。,3.1输入输出系统概述（3）,输入输出系统的复杂多样性 输入输出系统是计算机系统中最具复杂性和多样性的部分； 品种多样、管理复杂； 处理机与操作系统产生的随机事件也需调用输入输出系统来处理； 输入输出复杂多样性的原因 可见输入输出系统的复杂性和多样性与使用的统一性、方便性,3.1输入输出系统概述（4）,输入输出设备的特点 异步性 独立于处理机之外、按照自己的时钟工作。外围设备与处理机之间能并行工作、外围设备之间也能并行工作。 实时性 实时控制要求处理机必须及时提供服务； 处理机本身的软、硬件故障必须及时处理； 不及时服务可能会造成数据丢失，工作出错。 与设备无关性 计算机系统为外围设备设置接口，外围设备根据自己 的特点和要求选择一种接口。,3.1输入输出系统概述（5）,输入输出系统的组织方式 自治控制 把外围设备要完成的功能最大限度的从处理机中分离 出来，由设备控制器和专用软件完成。 层次结构 分类组织 面向字符的设备和面向数据块的设备,3.2基本输入输出方式（1）,程序控制输入输出方式 设备的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； 用于连接低速的外部设备； 灵活性好，但外设不能与CPU并行工作。 思考题：一台速度为100MIPS的计算机系统管理一台打印机，打印机的处理速度是每秒10条指令，处理机用一条指令能向打印机传送4条指令。问：处理机的利用率？,3.2基本输入输出方式（2）,中断输入输出方式 定义：当系统外部、机器内部，甚至处理机本身发生意外时，处理机暂停执行现行程序，转去处理这些事件，处理完以后再返回来继续执行原来的程序。 特点 （1）CPU与外部设备能够并行工作； （2）能够处理意外事件，如非法指令、地址越界等； （3）程序控制，灵活性好； （4）一般用于连接低速外围设备。,3.2基本输入输出方式（3）,DMA方式 DMA方式的结构框图 DMA方式的特点 主存储器既能被CPU访问，又能被外设访问； DMA方式不需要做保存现场和恢复现场的操作； 数据交换完全在硬件控制下完成； 传输前要对DMA控制器进行初始化，结束时要调用中断； 能够使外部设备与CPU并行工作。,3.2基本输入输出方式（4）,DMA方式 DMA方式的三种具体类型 周期窃取方式 每一条指令结束时，CPU查询有没有DMA请求，如果有，CPU进入一个DMA周期。 直接存取方式 DMA控制器的数据传送申请直接发往主存储器。得到主存储器响应后，DMA工作流程全部由DMA控制器的硬件完成。 数据块传送方式 在设备控制器中设置一个较大的数据缓冲存储器， 一般能存放一个数据块，设备控制器与主存之间的数据 交换以数据块为单位。,3.3总线设计,总线 计算机系统中的一组公共的信号传输线 传输的信号类型 数据信号 地址信号 控制信号 状态信号 本节主要介绍的内容 总线的类型 控制方式 通信技术 总线宽度 总线标准,3.3.1总线的类型（1）,按传输方向分 单向总线，双向总线（半双向与全双向） 按其使用方法分 专用总线： 优点：流量高，无争用，控制简单，系统可靠 缺点：利用率低，线数多，增加设备困难，不利于系统设计 非专用总线 优点：线数少，利用率高，造价低，可扩充性好，易于采用总线结构提高系统可靠性。 缺点：流量低，会出现总线争用，可靠性低。,3.3.1总线的类型（2）,所有部件之间用专用总线连接举例： 设，系统中物理部件的总数为n，任意两个部件之间均用专用总线连接，Gn为专用总线的组数，则有： 试计算：当n=100，每组总线40条，一共有多少条线。,3.3.2总线的控制方式（1）,总线使用权的两种控制方式 分布式控制 将总线控制逻辑分布在连接到总线的各个部件中。,3.3.2总线的控制方式（2）,集中式总线控制 总线控制逻辑基本上集中放在一起-总线控制器 （1）集中式串行链接方式 优先级: “总线可用”线连接的各个设备的物理位址决定的，离总线控制器越近，优先级就越高； 优点：算法简单，控制线少，可扩充性好，可靠性设计容易。 缺点 对电路失效很敏感；灵活性差，速度慢,3.3.2总线的控制方式（3）,集中式总线控制 （2）集中式定时查询方式 优先级：固定式优先级，循环式优先级，为某个部件指定最高优先级，为所有部件按任意顺序指定优先级 优点：优先级设置灵活，可靠性高。 缺点：线数多，可扩展性差，控制复杂，速度不高。设，部件数为n，则控制线总数为：,3.3.2总线的控制方式（4）,集中式总线控制 （3）集中式独立请求 优先级：预定方式、自适应方式、循环方式、混合方式 优点：速度快，优先级指定方式灵活 缺点：控制线数多 三种方式的适用范围 方式（2）与方式（3）主要用于巨、大、中型机 方式（1）主要用于微型机和小型机,3.3.3总线的通信技术（1）,同步通讯 通讯是以定宽定距的系统时标进行同步的。 优点：速度快 缺点：因延迟或干扰可能引起误同步 存在问题的解决方案 对所有数据均能应答 正确的不应答，出错后，再发出错信号。 需要大缓存器，对未应答信息进行存储,3.3.3总线的通信技术（2）,异步通讯 异步控制的分类 单向控制（源控制、目的控制） 双向控制 异步单向源控式通信 优点：简单、高速 缺点：不能保证数据接受的正确性 难以在不同速度的部件之间进行通讯 “数据准备线”抗干扰性要很强,3.3.3总线的通信技术（3）,异步通信 异步单向目控式通信 优点：对接收到的数据可以进行正确性检验 缺点：速度很慢，与通信线的长度有关 单向控制的缺点 由于不了解另一方的有关状态，数据传输可能会出错。,3.3.3总线的通信技术（4）,异步通信 异步双向控制非互锁方式 优点： （1）可以进行差错控制； （2）不同速度的设备之 间进行通信； 缺点 （1）速度较慢 （2）可能会使数据接受线一直保持高电平，造成传输出错。,3.3.3总线的通信技术（4）,异步通信 异步双向控制互锁方式 优点 （1）适于不同速度的 设备之间进行数据传输； （2）可以保证传输过 程的正确性； 缺点 （1）控制部件复杂 注：这种方式在目前I/O总线中应用最广泛！,3.3.4数据宽度与总线线数（1）,数据宽度 总线数据宽度的概念 I/O设备获得I/O总线使用权后所传送的数据总量 数据宽度与数据通路宽度的区别 数据宽度的种类 单字（或单字节）、定长块、可变长块、单字加定长块、单字加可变长块。 单字宽度 每次获得总线的使用权，只传送一个字。适用于慢速设备 优点：无须指明信息长度，总线控制逻辑能够高速的分配总线。 缺点：传输速度慢，总线不能采用复杂的分配算法。,3.3.4数据宽度与总线线数（2）,定长块宽度 每次获得I/O总线的使用权，传送的数据总量是定长块， 适用于磁盘等高速设备。 优点 不用指明信息长度、简化了控制、整块校验。 缺点 1.信息块长于定长块时需多次分配 2.信息块比定长块短时会浪费总线宽度和缓冲器空间 3.信息块比定长块短时会束缚传输设备,3.3.4数据宽度与总线线数（3）,可变长块 适合于中高速设备。 动态的改变传送信息块的大小、尽可能在设备只获得一次I/O总线使用权的情况下，将要传送的信息传输完毕 优点 充分利用带宽，灵活性好 缺点 （1）要求设备有较大的缓冲存储空间 （2）需指出传输的信息长度，并对其进行控制,3.3.4数据宽度与总线线数（4）,单字加定长块传送 适用于低速,但优先级较高的设备 字少时用单字宽度传输，字多时，用定长块的方式传输 单字加可变长块传送 一种非常灵活的方式,3.3.4数据宽度与总线线数（5）,总线的线数 总线的线数对系统性能的影响 总线的长度对系统性能的影响 减少总线线数的方法 采用线的组合，减少只按功能和传送方向所需的线数 并/串串/并 总线的标准化 总线的流量 流量过大时，采用多组总线，进行合理的流量调配。 限制外设数量以限制流量。,3.4 中断系统,3.4.1中断源的组织 中断源：引发各种中断的事件 中断源的种类 由外围设备引起的中断 处理机产生的中断 由存储器产生的中断 由控制器产生的中断 实时控制过程产生的中断 多处理机系统中，其它处理机传来的中断或控制台中断 程序调试中断 硬件故障中断 电源故障中断,3.4.1中断源的组织（1）,对中断源进行分类的必要性 （1）中断源种类繁多，中断入口地址的形成过于复杂 （2）很多中断性质相近，为分类提供了基础 中断分类举例（1）IBM公司的中断源分类法 重新启动中断：启动一个程序； 机器检验出错中断：电源中断、运算器误动作、通道硬件故障； 程序性错误引起的中断：越界中断、指令或数据格式错误； 访问管理程序中断：访管指令引发的中断； 外部事件中断：可能来自处理机的内部，也可能来自外部，例如，定时器中断，与其它处理机或系统联系的外来信号中断，中断键中断； 输入输出中断：管理外围设备和通道处理机。,3.4.1中断源的组织（2）,中断分类举例（2） 可屏蔽中断（一般中断）：可以设置中断屏蔽字，屏蔽中断源的中断请求； 不可屏蔽中断（异常中断）：电源掉电、机器硬件故障等。 例 IBM370中的不可屏蔽中断和可屏蔽中断 当前正在执行的指令引发的中断-不可屏蔽中 与当前进程无关的中断事件-可屏蔽中断 另外三类特殊的异常中断 自陷：发生在指令的末尾，处理后继续执行下一条指令； 故障中断：处理后仍回到故障指令重新执行； 失效中断：需人工强制干预或系统重新复位。,3.4.1中断源的组织（3）,中断的优先级 中断分级的必要性 当多个中断源提出中断请求时，先来先服务的调度策略 并不适用。 中断优先级的决定因素 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； 一般机器中的优先级划分 （1）机器检验出错中断；（2）程序性错误和调用管理程序；（3）外部事件中断；（4）输入输出中断；（5）重新启动。 0级中断：及其发生严重故障，不能工作。不是真正的中断级，不参加中断级排队，中断后无法自行恢复。,3.4.1中断源的组织（4）,机器中断级举例 IBM370中断相应的优先级次序 （1）紧急的机器校验；（2）管理程序调用和程序性错误；（3）可抑制的机器校验；（4）外部；（5）输入/输出；（6）重新启动 DEC机器中断优先级从高到低的顺序为 （1）总线错误；（2）主存刷新中断；（3）指令错误中断；（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；（8）外围设备中断；（9）用户程序中断。,3.4.1中断源的组织（5）,按照中断优先级响应中断请求的例子,3.4.1中断源的组织（6）,中断屏蔽 中断响应的次序由排队器实现 中断屏蔽字：CPU响应了某个中断后，该中断可以决定是否让某级中断请求进入中断响应排队器排队 利用中断屏蔽字改变中断处理次序 （1）中断屏蔽字如下表所示,3.4.1中断源的组织（7）,中断处理顺序为：1234的例子,3.4.1中断源的组织（8）,问题1：中断响应顺序是否就是中断服务顺序呢？ 问题2：中断屏蔽字改变的是中断响应顺序吗？,3.4.2 中断系统的软硬件功能分配（1）,中断系统中软硬件功能分配主要考虑的因素 中断响应时间：从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段时间。 影响中断响应时间的主要因素 （1）最长指令执行时间； （2）在一条指令执行完成后，处理其它更紧急的事务所用的时间； （3）从第一次“关CPU中断”到第一次“开CPU中断”所经历的时间； （4）多个中断源同时请求中断服务时，找到相关中断源的中断服务程序的入口地址需要的时间。 灵活性：硬件实现，速度快、但灵活性差；软件正好相反。,3.4.2 中断系统的软硬件功能分配（2）,查找中断源和中断服务程序的入口地址 软件查询硬件编码中断程序状态字，目前有硬件来实现 中断现场的保存和恢复 软件状态：软件的各种状态及标志，适合由中断处理程序处理并保存。 硬件状态：既不能由中断处理程序保存，也不宜采用专门指令来保存，通常硬件状态可以采用程序状态字的方式，由中断响应硬件负责程序状态字的交换。 降低保存与恢复中断现场的时间 （1）IBM370程序状态字64位，CRAY-1程序状态字3900位 因此，通用寄存器的内容由中断处理程序按切换需要来保存； （2）设置通用寄存器组与主存之间或与堆栈之间的成组传送指令； （3）重叠寄存器窗口技术，设置多套通用寄存器，例如Sparc处理器，内有8套通用寄存器；,3.5 通道处理机,3.5.1通道的作用与功能 程序控制、中断、DMA管理外围设备会引发的问题 （1）外围设备的输入输出工作大部分由CPU承担，使得CPU不能专心于用户程序的计算； （2）大型计算机系统中的外围设备台数虽然很多，但一般并不同时工作，因此，如果为每一台设备都配置一个接口必然是一种浪费。 通道处理机的作用：能够负担外围设备的大部分的输入输出工作，能够执行有限的输入输出指令，能够被多台外围设备共享的小型DMA专用处理机。,3.5.1通道的作用与功能,通道处理机的功能 （1）接受CPU发来的输入输出指令，根据命令要求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，根据需要向设备控制器发出各种控制命令； （3）给出外围设备的相关地址； （4）给出主存缓冲区的首地址； （5）控制外围设备与主存缓冲区之间数据交换的个数； （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，是正常还是故障； （8）在数据传送过程中完成必要的格式转换。 通道的硬件组成 寄存器部分：数据缓冲寄存器、主存地址计数器等 控制器部分：分时控制、数据传送、数据装配等,3.5.2 通道的工作过程（1）,3.5.2 通道的工作过程（2）,通道的工作过程分如下三步进行 （1）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； *用户程序通过广义指令进入操作系统，调用操作系统的管理程序使用外围设备； *广义指令：由访管指令和若参数构成，访管指令的地址码部分是要调用的管理程序的入口地址。 *启动输入输出设备指令：特权指令，在访管指令启动的系统管理程序的最后一条执行。 *启动过程：先选择指定的通道和子通道，如果它们在线且不忙，从主存取通道地址字，取第一条通道指令，校验，选择设备控制器和设备，如果在线，发启动命令，如果设备回答是全“0”，启动结束。,3.5.2 通道的工作过程（3）,通道的工作过程分如下三步进行 （2）通道处理机执行CPU为它组织的通道程序，完成指定的数据输入输出工作； 关键通道处理机执行通道程序与CPU执行用户程序并行执行。 （3）通道程序结束后向CPU发中断请求。CPU响应中断请求后，再一次进入操作系统，调用管理程序对输入输出中断请求进行处理,3.5.3通道的种类（1）,（1）字节多路通道 基本数据传输单位字节； 字节交叉方式（byte-interleave mode）：连接在通道上的各个设备轮流占用一个很短的时间片（通常小于100微秒），来传输一个字节，或者说，不同的设备在它所分得的时间片内与通道在逻辑上建立不同的连接称为字节交叉方式。 字节多路通道的结构：由多个子通道构成，相互之间可以并行操作，以字节宽度分时进入通道。,3.5.3通道的种类（2）,（2）选择通道 成块数据传输（可变长块），外围设备与设备控制器以字节为单位传送数据，通道与主存储器之间以字为单位传输数据； 适用于高速外围设备； 只有一套完整的硬件，它逐个为物理上连接的几台高速外围设备服务；,3.5.3通道的种类（3）,（3）数组多路通道 每次选择一个高速设备后，传输一个定长的数据块； 重叠各台高速设备的辅助操作时间，不让通道空等，即采用成组交叉方式工作； 有多个子通道，能分时共享输入输出通路。因此既具有很高的数据传输率又有多路并行操作的能力。 例如从磁盘读文件（1）定位：寻道时间，几十毫秒；（2）找扇区（如果磁盘转速为7000转每秒），平均耗时小于（50/7）毫秒（3）读出数据，每秒33兆字节，一个扇区512个字节需要十几毫秒。 通道向高速设备发出定位命令后，在逻辑上与该设备断开，定位完成后再连接，发出找扇区命令后，再断开，直到开始数据传送。 与选择通道相比，数据传输率和通道的硬件利用率都很高，但因需要多次连结和断开，增加了控制硬件的复杂性。,3.5.3通道的种类（4）,IBM370的通道系统,3.5.4通道的流量分析（1）,分析中要用到的参数 Ts：设备选择时间，通道响应数据传送请求开始到通道实际传送数据所需要的时间。 TD：传送一个字节所用的时间。 P：一个通道上连接的设备台数，且这些设备同时都在工作。 n：每一个设备传送的字节数，假设，它们传送的字节数都相同。 Dij：连接在通道上的第i个设备传送的第j个数据。 T：通道完成全部数据传送所需要的时间。,3.5.4通道的流量分析（2）,通道中数据传输的过程 字节通道 选择通道,数组多路通道,3.5.4通道的流量分析（3）,通道流量定义 又称为通道吞吐率或通道数据传输率，是指一个通道在数据传送期间，单位时间内能够传送的数据量，以（字节/秒）为单位，它能达到的最大流量称为通道的极限流量。 对于字节通道，根据表达式,有,3.5.4通道的流量分析（4）,对于选择通道，根据表达式： 对于数组多路通道，根据表达式：,有,有,3.5.4通道的流量分析（5）,通道的实际流量的定义 字节多路通道：连接在这个通道上的所有设备的数据传输率之和。 选择通道和数组通道：连接在这个通道上的所有设备中流量最大的那一个。,3.5.4通道的流量分析（6）,通道正常工作必须满足的条件 如果系统中有m1个字节通道， m1 +1到m2数组通道， m2 +1到m选择通道，则该I/O系统工作时的极限流量为： 注意：在实际设计中，最大通道流量应留有一定的余量，否则当所有设备的数据传送请求集中出现时，有可能丢失数据。,有,3.5.4通道的流量分析（7）,例1：设有一字节多路通道，它有三个子通道：0号、1号高速印字机各占一个子通道；0号打印机、1号打印机、0好光电输入机和用一个子通道。假定高速印字机每隔25µs发一个字节请求，低速打印机每隔150µs发一个字节请求，光电输入机每隔800µs发一个字节请求。这五台设备要求的通道流量： 看书114页图3.13,3.5.4通道的流量分析（8）,例2：一个字节多路通道连接D1,D2,D3,D4,D5五台设备，这些设备分别每隔10µs，30µs ，30µs ，50µs ，75µs向通道发出一次数据传送请求，请问： 计算字节多路通道的实际流量和工作周期。 设最大流量正好等于通道实际流量，速度高的设备被响应的优先级也高，5台设备在0时刻同时向通道发出传送数据的请求，以后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。,3.5.4通道的流量分析（9）,增加通道的最大流量，保证所有设备的数据传输请求能够及时得到通道的响应； 动态改变设备的优先级，例如，临时提高设备D5的优先级； 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。,3.6 外围处理机（1）,外围处理机又称为输入输出处理机、I/O处理机缩写为IOP或PPU。 通道处理机方式存在的问题 （1）每调用一次输入输出操作的前处理和后处理仍然要CPU来完成，需要两次用中断方式中断CPU的现行程序； （2）当外围设备或通道处理机出现异常情况时，通道处理机本身不能处理，要以中断方式请求CPU来处理； （3）对所传输数据的格式转换、码制转换、数据块整体的正确性检验等工作仍然要CPU来完成； （4）文件的管理、设备的管理等操作系统的工作通道处理机本身无能为力，需要CPU来实现。,3.6 外围处理机（2）,外围处理机与通道处理机的主要差别 码制转换，例如ASCII码与BCD码之间的转换； 数据校验和校正； 故障处理； 文件管理； 诊断和显示系统状态，定时运行诊断程序，诊断外围处理机和外围设备是否正确； 处理人机对话 外围处理机能够完成上述功能，主要因为： （1）外围处理机具有数据的输入输出功能； （2）外围处理机具有运算功能和控制功能； （3）外围处理机具有自己的存储器。,3.6 外围处理机（3）,外围处理机的种类 根据是否共享主存 （1）共享主存储器的外围处理机 每一个外围处理机都有一个小容量的局部存储器，要执行的管理程序放在主存储器中为所有的外围处理机共享。 （2）不共享主存储器的外围处理机 需运行的管理程序都存储在外围处理机自己的大容量存储器中。 根据运算部件和指令控制部件是否为外围处理机共享 （1）合用一个运算部件和指令控制部件的输入输出处理机； （2）独立运算部件和指令控制部件的外围处理机,3.6 外围处理机（4）,外围处理机的广泛应用 有些计算机系统中有很多的外围处理机，并且从功能上进行分工； 许多并行计算机和超级并行计算机系统中，以输入输出处理机作为主处理机； 在有的计算机系统中，用一台与中央处理机型号相同的处理机作为外围处理机； 随着集成电路技术的迅速发展，许多计算机系统用廉价的微处理器专门承担输入输出任务,3.6 外围处理机（5）,CYBER 170的结构,3.6 外围处理机（5）,CYBER170的外围处理机的特点 10台外围处理机 共享主存型 局存容量4K*13位 12个输入输出通道 指令系统有66条指令，12位和24位两种指令字长 合用一个运算部件与指令控制部件 每个PPU有4个寄存器 A：累加器；P：程序计数器；Q:多功能寄存器； K：指令寄存器 通道只是一个简单的接口,第3章 作业,第一题 第3，4，5题 第7，9题,The End,