計算機硬件及網絡基礎-總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)

1、計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)第 3 章 總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 3.1 輸入輸出系統(tǒng)概述3.2 總線設計 3.3 中斷系統(tǒng) 3.4 通道處理機計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 輸入輸出系統(tǒng)包括輸入輸出設備、設備控制器及與輸入輸出操作有關的軟硬件。 輸入輸出系統(tǒng)的主要功能是對指定的外設進行輸入、輸出操作，同時也完成許多其他的管理和控制。有的輸入輸出系統(tǒng)還能對要傳送的信息進行格式變換，形成和產生有關輸入輸出操作是否完成或在執(zhí)行過程中是否有錯的狀態(tài)控制信息，經中斷系統(tǒng)傳送給操作系統(tǒng)去分析和處理。 3.1 輸入輸出系統(tǒng)概述計算機

2、硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 輸入輸出系統(tǒng)的特點 輸入輸出系統(tǒng)涉及到機、光、電、磁、聲、自動控制等多種學科。 用戶無需了解輸入輸出系統(tǒng)和輸入輸出設備的具體細節(jié)就能使用輸入輸出設備。 處理機的外部世界包括：本地和遠程用戶、系統(tǒng)操作員、操作控制臺、輸入輸出設備、輔助存儲器、其它處理機、各種通信設備和虛擬現實系統(tǒng)等。3.1 輸入輸出系統(tǒng)概述計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)系統(tǒng)操作員處理機本地或遠程用戶實時輸入輸出輸入輸出設備虛擬現實系統(tǒng)其它處理機本身出錯處理程序請求3.1 輸入輸出系統(tǒng)概述計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)1、異步性 輸入輸出設備通常不使用統(tǒng)一的中央時

3、鐘，各個設備按照自己的時鐘工作，但又要在某些時刻接受處理機的控制。 處理機與外圍設備之間，外圍設備與外圍設備之間能夠并行工作。2、實時性 對于一般外部設備：可能丟失數據，或造成外圍設備工作的錯誤。 對于實時控制計算機系統(tǒng)，如果處理機提供的服務不及時，可能造成巨大的損失，甚至造成人身傷害。3.1 輸入輸出系統(tǒng)概述計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 對于處理機本身的硬件或軟件錯誤：如電源故障、數據校驗錯、頁面失效、非法指令、地址越界等，處理機須及時處理。 對不同類型的設備，必須具有與設備相配合的多種工作方式。3、與設備無關性 獨立于具體設備的標準接口。例如，串行接口、并行接口、SCSI（

4、Small Computer System Interface）接口等。3.1 輸入輸出系統(tǒng)概述計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 計算機系統(tǒng)的使用者，在需要更換外圍設備時，各種不同型號，不同生產廠家的設備都可以直接通過標準接口與計算機系統(tǒng)連接。 處理機采用統(tǒng)一的硬件和軟件對品種繁多的設備進行管理。 某些計算機系統(tǒng)已經實現了即插即用技術。3.1 輸入輸出系統(tǒng)概述計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)輸入輸出系統(tǒng)的組織方式 針對異步性，采用自治控制的方法。 針對實時性，采用層次結構的方法。 針對與設備無關性，采用分類處理方法。1、自治控制 輸入輸出系統(tǒng)是一個獨立于處理機之外的自治

5、系統(tǒng)。 處理機與外圍設備之間要有恰當的分工。3.1 輸入輸出系統(tǒng)概述計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)2、層次結構 最靠近處理機的是輸入輸出處理機、輸入輸出通道等。 中間層是標準接口。 標準接口通過設備控制器與輸入輸出設備相連接。 設備控制器控制外圍設備工作。3.1 輸入輸出系統(tǒng)概述計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)3、分類處理 為面向字符的設備（character-oriented device）；指工作速度比較低的機電類設備。例如，字符終端、打字機等。 面向數據塊的設備主要指工作速度比較高的外圍設備；例如，磁盤、磁帶、光盤的輔助存儲器，行式打印機等。3.1 輸入輸出系統(tǒng)

6、概述計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 輸入輸出系統(tǒng)的發(fā)展經歷了 3 個階段，對應于 3 種方式，即程序控制輸入輸出(包括全軟的、程序查詢狀態(tài)驅動的、中斷驅動的幾種)、直接存儲器訪問(DMA)和I/O處理機方式。這 3 種方式可以分別用在不同的計算機系統(tǒng)上，也可以用在同一個計算機系統(tǒng)上作為相互補充。 3.1 輸入輸出系統(tǒng)概述計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 就允許信息傳送的方向來說，總線可以有單向傳輸和雙向傳輸兩種。雙向傳輸又有半雙向和全雙向的不同。前者雖可以沿相反的方向傳送，但同一時刻只能向其中的一個方向傳送。后者允許同時在兩個方向傳送。全雙向的速度快，但造價高，結構復

7、雜。 總線按其用法可以分成專用的和非專用的。 3.2.1 總線的類型 3.2 總線設計計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)圖 3.1 所有部件之間用專用總線互連 3.2 總線設計計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)3.2.2 總線的控制方式 當采用非專用總線時，由于可能發(fā)生多個設備或部件同時申請使用總線，就得有總線控制機構來按照某種優(yōu)先次序裁決，保證在同一時間內只能有一個高優(yōu)先級的申請者取得對總線的使用權。 如果總線控制邏輯基本上集中放在一起，不論是放在連接到總線的一個部件中，還是放在單獨的硬件中，都稱為集中式控制。而當總線控制邏輯分散于連到總線的各個部件中時，就稱為分布式總線

8、控制。 這里只講集中式總線控制。 3.2 總線設計計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)(1)鏈式查詢方式 鏈式查詢方式的總線控制器使用三根控制線與所有部件和設備相連： 總線請求（BR）：該線有效，表示至少有一個部件或設備要求使用總線。 總線忙（BS）：該線有效，表示總線正在被某部件或設備使用。 總線批準（BG）：該線有效，表示總線控制器響應總線請求。3.2 總線設計計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)圖 3.2 集中式串行鏈接 3.2 總線設計計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)鏈式查詢的優(yōu)點是只用3根線就能按一定的優(yōu)先次序來實現總線控制，并很容易擴充。缺點是對查詢鏈的

9、故障很敏感，如果第i個部件中的查詢鏈電路有故障，那么第i個以后的部件都不能工作。另外，因為查詢的優(yōu)先級是固定的，所以當優(yōu)先級較高的部件出現頻繁的總線請求時，優(yōu)先級較低的部件就可能會難以得到響應。 3.2 總線設計計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)(2)計數器定時查詢方式 計數定時查詢方式的總線上的每個部件可以通過公共的BR 線發(fā)出請求，總線控制器收到請求之后，在BS為“0”的情況下， 讓計數器開始計數，定時地查詢各個部件以確定是誰發(fā)出的請求。當查詢線上的計數值與發(fā)出請求的部件號一致時，該部件就使BS線置“1”，獲得了總線使用權，并中止計數查詢，直至該部件完成數據傳送之后，撤消BS信號

10、。 3.2 總線設計計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)圖 3.3 集中式定時查詢 3.2 總線設計計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)這種計數可以從“0”開始，也可以從中止點開始。如果從“0”開始，各部件的優(yōu)先次序和鏈式查詢方式相同，優(yōu)先級的次序是固定的。如果從中止點開始，即為循環(huán)優(yōu)先級，各個部件使用總線的級別將相等。計數器的初始值還可以由程序來設置，這就可以方便地改變優(yōu)先次序，增加系統(tǒng)的靈活性。定時查詢方式的控制線數較多，對于n個部件，共需2 根線。 3.2 總線設計計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)(3)獨立請求方式 在獨立請求方式中， 每一個共享總線的部件均有

11、一對控制線：總線請求BRi和總線批準BGi。當某個部件請求使用總線時，便發(fā)出BRi，總線控制器中有一排隊電路，根據一定的優(yōu)先次序決定首先響應哪個部件的請求BRi，然后給該部件送回批準信號BGi。 獨立請求方式的優(yōu)點是響應時間快，然而這是以增加控制線數和硬件電路為代價的。對于n個部件，控制線的數目將達2n1根。 此方式對優(yōu)先次序的控制也是相當靈活的，它可以預先固定，也可以通過程序來改變優(yōu)先次序。3.2 總線設計計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)圖 3.4 集中式獨立請求 3.2 總線設計計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)分布仲裁方式不需要中央仲裁器，即總線控制邏輯分散在連接于

12、總線上的各個部件或設備中。連接到總線上的主方可以啟動一個總線周期，而從方只能響應主方的請求。每次總線操作，只能有一個主方占用總線控制權，但同一時間里可以有一個或多個從方。對多個主設備提出的占用總線請求，一般采用優(yōu)先級或公平策略進行仲裁。 3.2 總線設計計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)3.2.3 總線的通信技術 1. 同步通信 同步通信時，兩個部件之間的信息傳送是通過定寬、定距的系統(tǒng)時標進行同步的。這種方式的信息傳送速率高，受總線的長度影響小，但會因時鐘在總線上的時滯而造成同步誤差，且時鐘線上的干擾信號易引起誤同步。 3.2 總線設計計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 為

13、了提高可靠性，要求目的部件對數據是否已被接收以及是否正確均能給以回答。如果同步時間片的寬度寬到能為每個字的傳送作出回答，則它必須按接到總線上的最低速的部件來考慮，這就會使同步通信的數據傳送速率低于后面講的異步通信。一種解決辦法是在正常時，目的部件不作回答，源部件也不等待回答信號，但如果發(fā)生錯誤，則目的部件將在同步時間片過去之后，發(fā)回源部件一個出錯信號，這樣，就不會降低正常時總線的傳送速率。但是這種辦法中，源部件必須設置較大容量的緩沖器來保留已傳送，但未經證實和回答過的所有數據，以備重發(fā)之用。 3.2 總線設計計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 2. 異步通信 由于I/O總線一般是為具

14、有不同速度的許多I/O設備所共享，因此宜于采用異步通信。異步通信又可分為單向控制和雙向(請求/回答)控制兩種。 單向控制指的是通信過程只由目的或源部件中的一個控制。而雙向控制是由源和目的雙方共同控制。單向控制又有源控制和目的控制兩種。 3.2 總線設計計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)圖 3.5 異步單向控制通信 3.2 總線設計計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)圖 3.6 源控式異步雙向控制通信 3.2 總線設計計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)3.2.4 數據寬度與總線線數 1. 數據寬度 我們這里所講的“數據寬度”指的是I/O設備取得I/O總線使用權后所傳送

15、數據的總量。傳送完后就釋放總線，重新開始分配總線。所以，它不同于前面講過的數據通路寬度。數據通路寬度指的是數據傳送的物理寬度，即一個時鐘周期所傳送的信息量，它直接取決于數據總線的線數。二次分配總線之間所傳送的數據寬度可能要經許多個時鐘周期的分次傳送來完成。采用何種數據寬度與總線上各設備的工作特點、所采用的總線控制方式和通信技術有關。數據寬度的種類有單字(或單字節(jié))、定長塊、可變長塊、單字加定長塊和單字加可變長塊等。 3.2 總線設計計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 2. 總線的線數 總線需要有發(fā)送電路、接收電路、傳輸導線或電纜、轉接插頭和電源等，這部分比起邏輯線路的成本高得多，而且

16、轉接器往往占系統(tǒng)物理空間的相當部分，是降低系統(tǒng)可靠性的主要部分?？偩€的線數越多，成本越高、干擾越大、可靠性越低、占用的空間也越大，當然傳送速度和流量也越高。 此外，總線的長度越長，成本越高，干擾越大，波形畸變越嚴重，可靠性越低。為此，越是長的總線，其線數就應盡可能減少。數據總線的寬度有一位、一個字節(jié)或一個全字等等。 3.2 總線設計計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 在滿足性能要求以及所用通信類型和速率適配的情況下，應盡量減少總線的線數。通過采用線的組合、并/串串/并轉換和編碼可以減少總線的線數，但這通常會降低總線的流量。3.2 總線設計計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)（

17、1）總線寬度總線寬度指的是總線的線數，它決定了總線所占的物理空間和成本。對總線寬度最直接的影響是地址線和數據線的數量。主存空間和I/O空間的擴充使地址線數量的增加，并行傳輸要求有足夠的數據線。如64位數據線和64位地址線在高檔微機中已較為普遍，在大型高性能計算機中數據線和地址線更多。例1：使用ISA總線（20位地址線）允許尋址的主存空間有多大？使用PCI總線（32位地址線）允許尋址的主存空間又有多大？解：ISA總線的主存空間=220個主存單元=1M個主存單元PCI總線的主存空間=232個主存單元=4G個主存單元3.2.5 總線的性能指標3.2 總線設計計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系

18、統(tǒng)（2）總線帶寬總線帶寬定義為總線的最大數據傳輸速率，即每秒傳輸的字節(jié)數。在同步通信中，總線的帶寬與總線時鐘密不可分，總線時鐘頻率的高低決定了總線帶寬的大小?？偩€帶寬=總線寬度總線頻率總線的實際帶寬還會受到總線長度（總線延遲）、總線負載、總線收發(fā)器性能等多方面因素的影響。例2：PCI總線的時鐘頻率為33MHz/66MHz，當該總線進行32/64位數據傳送時，總線帶寬各是多少？解：假設一個總線時鐘周期T完成一個數據的傳送，時鐘頻率為f，數據位為n，總線帶寬用Dr表示，則Dr= = 。假設f=33MHz=33106/s，n=32位，根據定義可得Dr=433106/s=132MB/s3.2 總線設計

19、計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)例3：假設某系統(tǒng)總線在一個總線周期中并行傳輸4字節(jié)信息，一個總線周期占用2個時鐘周期，總線時鐘頻率為10MHz，求總線帶寬。解：因為一個總線周期占用2個時鐘周期，完成一個32位數據的傳送?？偩€時鐘頻率f=10MHz，時鐘周期T=1/f，總線周期=2T。一個總線周期中并行傳輸4字節(jié)信息，則總線帶寬是40.2=20MB/s。 3.2 總線設計計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)（3）總線負載總線負載是指連接在總線上的最大設備數量。大多數總線的負載能力是有限的。（4）總線復用總線分時復用是指在不同時段利用總線上同一個信號線傳送不同信號，例如地址總線

20、和數據總線共用一組信號線。采用這種方式的目的是減少總線數量，提高總線的利用率。（5）總線猝發(fā)傳輸猝發(fā)式數據傳輸是一種總線傳輸方式，即在一個總線周期中可以傳輸存儲地址連續(xù)的多個數據。3.2 總線設計計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)3.3.1 中斷的分類和分級 引起中斷的各種事件稱為中斷源。中斷源向中斷系統(tǒng)發(fā)出請求中斷的申請，稱為中斷請求。同時可能有多個中斷請求，這時中斷系統(tǒng)需要按事先確定的中斷響應優(yōu)先次序對優(yōu)先級高的中斷請求予以響應。所謂中斷響應就是允許其中斷CPU現行程序的運行，轉去對該請求進行預處理，包括保存好斷點現場，調出有關處理該中斷的中斷處理程序，準備運行。這部分工作在大多

21、數機器上都是采用交換新舊程序狀態(tài)字PSW的辦法實現的。 當然為了某種需要，中斷系統(tǒng)也可以對中斷請求進行屏蔽，使之暫時得不到響應。 3.3 中斷系統(tǒng)計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 為處理一個中斷請求，必須調出相應的中斷處理程序。如果中斷源比較少時，通過中斷系統(tǒng)硬件就可以比較方便地對每個中斷源直接形成相應的中斷處理程序入口，進入相應的中斷處理程序。但對中、大型多用途機器，中斷源一般可多達數十至數百個。如果為每個中斷源單獨形成入口，不僅硬件難以實現，代價也很大，就是在中斷處理上也沒有這種必要。因為不少中斷源的性質比較接近，可以將它們分別歸成幾類，對每一類給定一個中斷處理程序入口，再由軟

22、件轉入對相應的中斷源進行處理，這樣可以大大簡化中斷處理程序入口形成硬件。3.3 中斷系統(tǒng)計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)3.3.2 中斷系統(tǒng)的軟硬件功能分配 中斷系統(tǒng)的功能包括中斷請求的保存和清除、優(yōu)先級的確定、中斷斷點及現場的保存、對中斷請求的分析和處理以及中斷返回等，這些全是由中斷響應硬件和中斷處理程序共同完成的。因此，中斷系統(tǒng)的軟、硬件功能分配實質上就是中斷處理程序軟件和中斷響應硬件的功能分配。 3.3 中斷系統(tǒng)計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 中斷現場包括軟件狀態(tài)(如作業(yè)名稱和級別，上、下界值，各種軟件狀態(tài)和標志等)和硬件狀態(tài)(如現行指令地址，條件碼等狀態(tài)信息，

23、各種控制寄存器及通用寄存器內容)。通常采取把分散于CPU各部分的硬件狀態(tài)集合成程序狀態(tài)字，然后由中斷響應硬件通過將程序狀態(tài)字(處理器狀態(tài)字、換道區(qū))存到主存指定單元或區(qū)域的方式來完成保存。接著，再把新的程序或進程的程序狀態(tài)字(處理器狀態(tài)字、換道區(qū))從主存另一指定單元或區(qū)域把內容傳送到有關寄存器和計數器中，建立起運行新的程序或進程的環(huán)境。硬件狀態(tài)是全經中斷響應硬件保存，還是部分經它，部分經中斷處理程序保存，要視具體機器的規(guī)模和使用場合而作不同的選擇。 3.3 中斷系統(tǒng)計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)3.4.1 工作原理 把對外圍設備的管理工作從CPU分離出來。 從IBM 360系列機

24、開始，普遍采用通道處理機技術。3.4 通道處理機計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)處理機與外部設備的連接方式(1) 直接連接(2) 通道處理機(3) 輸入輸出處理機3.4 通道處理機計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)3.4 通道處理機計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)通道的作用和功能1、三種基本輸入輸出方式存在的問題： （1）CPU的輸入輸出負擔很重，不能專心于用戶程序的計算工作。 低速外部設備，每傳送每個字符都由CPU執(zhí)行一段程序來完成。 高速外圍設備的初始化、前處理和后處理等工作需要CPU來完成。 （2）大型機中的外圍設備臺數很多，但一般并不同時工作。讓DMA

25、控制器能被多臺設備共享，提高硬件的利用率。3.4 通道處理機計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)2、通道的主要功能：接受CPU發(fā)來的指令，選擇一臺指定的外圍設備與通道相連接。執(zhí)行CPU為通道組織的通道程序。管理外圍設備的有關地址。管理主存緩沖區(qū)的地址?？刂仆鈬O備與主存緩沖區(qū)間數據交換的個數。指定傳送工作結束時要進行的操作。檢查外圍設備的工作狀態(tài)，是正?；蚬收?。在數據傳輸過程中完成必要的格式的變換。3.4 通道處理機計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)圖 3.10 通道處理機輸入輸出的主要過程3.4 通道處理機計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)通道完成一次數據輸入輸出

26、的過程需三步：(1) 在用戶程序中使用訪管指令進入管理程序，由CPU通過管理程序組織一個通道程序，并啟動通道。(2) 通道處理機執(zhí)行通道程序，完成指定的數據輸入輸出工作。(3) 通道程序結束后第二次調用管理程序對輸入輸出請求進行處理。 每完成一次輸入輸出工作，CPU只需要兩次調用管理程序，大大減少了對用戶程序的打擾。3.4 通道處理機計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)圖 3.11 通道處理機輸入輸出主要過程的時間關系示意圖 3.4 通道處理機計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)訪管入口OC設備號OC交換長度OC主存起址通道程序置通道地址字啟動I/O通道程序斷開通道指令入 口返

27、 回I/O中斷響應I/O中斷返回I/O中斷請求3.4 通道處理機計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)圖 3.12 “啟動I/O”指令流程(注： 這里的結束， 表示釋放通道)3.4 通道處理機計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 通道分為三種類型：字節(jié)多路通道、選擇通道和數組多路通道。(1)字節(jié)多路通道 字節(jié)多路通道是一種簡單的共享通道，用于連接與管理多臺低速設備，以字節(jié)交叉方式傳送信息。 字節(jié)多路通道包含有多個子通道，每個子通道連接一個設備控制器。3.4 通道處理機計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 通道不間斷地、輪流地啟動每個設備控制器，當通道為一個設備傳送完一個字

28、節(jié)后，就轉去為另一個設備服務。當通道為某一設備的傳送時，其它設備可以并行地工作，準備需要傳送的數據字節(jié)或處理收到的數據字節(jié)，以準備接收新的數據字節(jié)。這種輪流服務是建立在主機的速度比外設的速度高得多的基礎之上，它可以提高系統(tǒng)的工作效率。A1A1A2A2B2B2B1B1C1C1C2C2通道A1A1A2A2B1B1B2B2C1C2C1C23.4 通道處理機計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)字節(jié)緩沖狀態(tài)/控制固定地址子通道1子通道2子通道3數據緩沖通道控制字節(jié)多路通道至主存儲器字節(jié)多路通道的結構3.4 通道處理機計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)(2)選擇通道 選擇通道又稱高速通道

29、，在物理上它也可以連接多個設備，但這些設備不能同時工作，在一段時間內通道只能選擇一臺設備進行數據傳送，此時該設備能獨占整個通道。因此，選擇通道一次只能執(zhí)行一個通道程序，只有當它與主存交換完信息后，才能再選擇另一臺外部設備并執(zhí)行該設備的通道程序，為其服務。A1A1A2A2B2B2B1B1C1C1C2C2通道A1A2B1B2C1C2A1A2B1B2C1C23.4 通道處理機計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 每個選擇通道只有一個以成組方式工作的子通道，逐個為多臺高速外圍設備服務。3.4 通道處理機計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)通道控制部分狀態(tài)/控制主存地址至主存儲器選擇通道

30、的結構字節(jié)計數設備地址數據緩沖數據格式變換字字節(jié)至設備控制器3.4 通道處理機計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)(3)數組多路通道 數組多路通道是把字節(jié)多路通道和選擇通道的特點結合起來的一種通道結構。它的基本思想是：當某設備進行數據傳送時，通道只為該設備服務；當設備在執(zhí)行輔助操作（如磁頭移動等）時，通道暫時斷開與這個設備的連接，掛起該設備的通道程序，去為其他設備服務。 數組多路通道有多個子通道，既可以執(zhí)行多路通道程序，像字節(jié)多路通道那樣，所有子通道分時共享總通道；又可以用選擇通道那樣的方式成組傳送數據。既具有多路并行操作的能力；又具有很高的數據傳送速率，使通道的效率充分得到發(fā)揮。3.

31、4 通道處理機計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 從磁盤存儲器讀出一個文件的的過程分為三步：定位、找扇區(qū)、讀出數據，前兩步為輔助操作。數組多路通道的實際工作方式是： 在為一臺高速設備傳送數據的同時，有多臺高速設備可以在定位或者在找扇區(qū)。 與選擇通道相比，數組多路通道的數據傳輸率和通道的硬件利用都很高，控制硬件的復雜度也高。3.4 通道處理機計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)圖 3.13 IBM 370 的I/O結構 3.4 通道處理機計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)3.4.2 通道流量的分析 通道流量：單位時間內能夠傳送的最大數據量。又稱為通道吞吐率，通道數據傳

32、輸率等。 通道最大流量：通道在滿負荷工作狀態(tài)下的流量。3.4 通道處理機計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 一個通道能達到的極限流量與其工作方式、數據傳送期內選擇一次設備的時間TS和傳送一個字節(jié)的時間TD的長短有關。由于字節(jié)多路通道每選擇一臺設備只傳送一個字節(jié)，故其通道極限流量 fmaxbyte=1/(TS+TD)。3.4 通道處理機計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 選擇通道每選擇一臺設備就把N個字節(jié)全部傳送完，其通道極限流量 fmaxselect=N/(TS+NTD)=1/(TS/N+TD)。 數組多路通道每選擇一臺設備只傳送K個字節(jié)，如果要傳送N個字節(jié)，就得經N/K次

33、傳送才行，每次都要花去一個選擇設備的時間TS，所以，其通道極限流量 fmaxblock=K/(TS+KTD)=1/(S/K+TD)。3.4 通道處理機計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 顯然，若通道的TS、TD一定，且NK時，字節(jié)多路方式時所能達到的極限流量最小，數組多路方式時的極限流量居中，選擇方式時的極限流量最大。 3.4 通道處理機計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)三種通道的最大流量計算公式如下：3.4 通道處理機計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 對于采用字節(jié)交叉方式工作的字節(jié)多路通道應為該通道所接各設備的字節(jié)傳送速率之和， 即 而對于其他兩種類型的通道應

34、為所接各設備的字節(jié)傳送速率中之最大的那個， 即 3.4 通道處理機計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 為了保證通道能夠正常工作，不丟失數據，必須滿足設備要求通道的實際最大流量不超過通道所能達到的極限流量這一流量設計的最基本原則，因此，對上述 3 種類型的通道應分別滿足關系式： 3.4 通道處理機計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 如果I/O系統(tǒng)有m個通道，其中1至m1為字節(jié)多路通道，m1+1至m2為數組多路通道，m2+1至m為選擇通道，則該I/O系統(tǒng)工作時的極限流量將為 必然會滿足 3.4 通道處理機計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 設有一字節(jié)多路通道，它有 3

35、 個子通道：“0”號、“1”號高速印字機各占一個子通道；“0”號打印機、“1”號打印機和“0”號光電輸入機合用一個子通道。假定數據傳送期內高速印字機每隔 25 s發(fā)一個字節(jié)請求，低速打印機每隔 150 s發(fā)一個字節(jié)請求，光電輸入機每隔 800 s發(fā)一個字節(jié)請求，則這 5 臺設備要求通道的流量為 3.4 通道處理機計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)圖 3.14 字節(jié)多路通道響應和處理各設備請求的時間示意圖 3.4 通道處理機計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)加例： 一個字節(jié)多路通道連接D1、D2、D3、D4、D5共5臺設備，這些設備分別每10s、30 s、30 s、50 s和75 s向通道發(fā)出一次數據傳送的服務請求，請回答下列問題： (1) 計算這個字節(jié)多路通道的實際流量和工作周期。3.4 通道處理機計算機硬件及網絡基礎總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)(2) 如果設計字節(jié)多路通道的最大流量正好等于通道實際流量，并假設數據傳輸率高的設備，通道響應它的數據傳送請求的優(yōu)先級也高。5臺設備在0時刻同時向通道發(fā)出第一次傳送數據的請求，并在以后的時間里按照各自的數據傳