總線中斷與輸入輸出系統(tǒng)

1、關(guān)于總線中斷與輸入輸出系統(tǒng)第1頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三本章重點(diǎn)： 非專(zhuān)用總線的總線控制方式；數(shù)據(jù)寬度及其分類(lèi)；中斷為什么要分類(lèi)和分級(jí)；中斷處理次序的安排和實(shí)現(xiàn)；通道流量的分析和設(shè)計(jì)。本章難點(diǎn)： 如何按中斷處理優(yōu)先次序的要求，設(shè)置各中斷處理程序中中斷級(jí)屏蔽位的狀態(tài)，正確畫(huà)出中斷處理過(guò)程的示意圖；通道的流量設(shè)計(jì)；畫(huà)出字節(jié)多路通道響應(yīng)和處理完外部設(shè)備請(qǐng)求的時(shí)空?qǐng)D。第2頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三3.1 輸入輸出系統(tǒng)的基本概念1.輸入輸出系統(tǒng)包括內(nèi)容: I/O設(shè)備、設(shè)備控制器及與I/O操作有關(guān)的軟硬件等。2.I/O系統(tǒng)的發(fā)展： 1)早期及

2、目前低性能單用戶(hù)計(jì)算機(jī)的I/O操作 由程序員直接安排。主要解決CPU、主存和I/O 設(shè)備之間的速度差距。第3頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三 2)現(xiàn)在改由用戶(hù)向系統(tǒng)發(fā)出I/O請(qǐng)求，經(jīng)OS來(lái)分 配調(diào)度設(shè)備并進(jìn)行具體的I/O處理。主要解決面向OS在OS與I/O系統(tǒng)間進(jìn)行合理的軟、硬件功能分配。3.I/O系統(tǒng)的功能 1)功能:對(duì)指定的外設(shè)進(jìn)行輸入、輸出操作，同時(shí) 完成其它的管理和控制。 2)包括： a)對(duì)指定外設(shè)的信息編址，連接好主存與指定外 設(shè)的信息通路。 第4頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三 b)完成指定外設(shè)編址區(qū)和OS指定的主存空間之間的信息

3、傳送。 輸入：外設(shè)編址區(qū)信息 主存 輸出：主存信息 外設(shè)編址區(qū) c)對(duì)傳送信息的格式變換，產(chǎn)生有關(guān)I/O 操作 是否完成或出錯(cuò)的狀態(tài)信息，經(jīng)由中斷系統(tǒng)交 給OS分析處理。 3)實(shí)現(xiàn)： a)部分由I/O指令、I/O設(shè)備及其控制器完成 b)部分由OS完成第5頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三 4.I/O系統(tǒng)的三種方式 1)程序控制I/O a)全軟的 b)程序查詢(xún)狀態(tài)驅(qū)動(dòng)的鍵盤(pán) c)中斷驅(qū)動(dòng)的中斷控制器8259A 2)直接存貯器訪問(wèn)(DMA) 3)I/O處理機(jī) a)通道方式(Channel) 有自己的指令和程序，功能簡(jiǎn)單，使用面窄。 b)外圍處理機(jī)方式(PPU) 獨(dú)立性、通用

4、性和功能較強(qiáng)。 第6頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三3.2 總線設(shè)計(jì) I/O系統(tǒng)的總線既要能傳送數(shù)據(jù)信息、地址信息、控制信息，還要傳送狀態(tài)信息，并使多臺(tái)外設(shè)與CPU或主存交叉地經(jīng)這些總線傳送信息。所以其設(shè)計(jì)的好壞，對(duì)I/O系統(tǒng)的性能影響較大。第7頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三3.2.1 總線的類(lèi)型 1.按信息傳送方向分 1)單向傳輸 2)雙向傳輸 a)半雙向: 在同一時(shí)刻，信息只能向其中的一個(gè)方向傳送。 b)全雙向： 在同一時(shí)刻，允許信息在兩個(gè)方向傳送。全雙向速度快，但是造價(jià)高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。第8頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44

5、分，星期三 2.按用法分 1)專(zhuān)用總線 a)定義：只連接一對(duì)物理部件的總線。 b)優(yōu)點(diǎn)： 多個(gè)部件可以同時(shí)發(fā)送和接受信息，幾乎不 必爭(zhēng)用總線，系統(tǒng)流量高。 控制簡(jiǎn)單，不用指明信息源和目的。 任何總線的失效只影響相連的兩個(gè)部件不能 直接通信，但可以間接通信，系統(tǒng)可靠性高。第9頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三 c)缺點(diǎn)： 總線數(shù)目多，N個(gè)部件 全部互連需N(N-1)/2組 總線。 難以小型化、集成電 路化，總線長(zhǎng)時(shí)成本高。 利用率低 不利于模塊化，增加一個(gè)部件要增加許多新 的接口和連線。ABCDE 所有部件用 專(zhuān)用總線互連第10頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)

6、44分，星期三 2)非專(zhuān)用總線 a)定義:可以被多種功能或多個(gè)部件分時(shí)共享， 同一時(shí)刻只有一對(duì)部件使用總線進(jìn)行通信。 b)優(yōu)點(diǎn)： 總線少，造價(jià)低。 接口標(biāo)準(zhǔn)化、模塊性強(qiáng)，易于簡(jiǎn)化接口設(shè)計(jì)。 擴(kuò)充能力強(qiáng)，多重總線提高帶寬和可靠性。 c)缺點(diǎn)： 經(jīng)常出現(xiàn)總線爭(zhēng)用，系統(tǒng)流量小。 可能成為系統(tǒng)速度瓶頸，導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓?？偩€第11頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三 3.2.2 總線的控制方式 1.產(chǎn)生原因 采用非專(zhuān)用總線時(shí)，可能出現(xiàn)多個(gè)設(shè)備或部件 同時(shí)使用總線而發(fā)生爭(zhēng)用，就得有總線控制機(jī) 構(gòu)來(lái)按照某種方式裁決，保證同一時(shí)間只能有 一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的申請(qǐng)者取得總線使用權(quán)。 第12頁(yè)，共8

7、3頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三2.控制方式 1)集中式控制 總線控制邏輯基本上集中放在一起，或者放在連接總線的一個(gè)部件中，或者是放在單獨(dú)的硬件中。我們主要講述這一控制方式 。 2)分布式控制 總線控制邏輯分散于連到總線的各個(gè)部件中。 第13頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三3.優(yōu)先次序的三種確定方式 1)串行鏈接方式 部件 0部件 1部件 N-1總線控制器總線可用總線請(qǐng)求總線忙集中式串行鏈接第14頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三 a)次序確定 完全由“總線可用”線所接部件的物理位置來(lái) 決定，離總線控制器越近的部件其優(yōu)先級(jí)越高

8、。 b)優(yōu)點(diǎn)： 算法簡(jiǎn)單，線數(shù)少，且不取決于部件的數(shù)量。 部件增加容易，可擴(kuò)充性好。 邏輯簡(jiǎn)單，容易通過(guò)重復(fù)設(shè)置來(lái)提高其可靠 性。第15頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三 c)缺點(diǎn)： 對(duì)“總線可用”線敏感，一個(gè)部件不能正確傳 送“總線可用”信號(hào),其后部件都得不到使用權(quán)。 優(yōu)先級(jí)固定，不可被程序更改，靈活性差。 遙遠(yuǎn)部件難以獲得總線使用權(quán)。 “總線可用”信號(hào)順序、脈動(dòng)地通過(guò)每一部件, 限制了總線分配的速度。 受總線長(zhǎng)度影響，增、減及移動(dòng)部件也受限。第16頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三 2)定時(shí)查詢(xún)方式： 部件 0部件 1總線控制器總線請(qǐng)求總線忙

9、部件 0部件 1部件 N-1總線控制器總線請(qǐng)求總線忙集中式定時(shí)查詢(xún)定時(shí)查詢(xún)計(jì)數(shù)第17頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三 a)次序確定 總線分配前計(jì)數(shù)器清“0”,從“0”開(kāi)始查詢(xún)，優(yōu)先 級(jí)排序類(lèi)似串行鏈接。 總線分配前不清“0”，從中止點(diǎn)繼續(xù)查詢(xún)，是循環(huán)優(yōu)先級(jí)，部件使用總線機(jī)會(huì)均等。 總線分配前將計(jì)數(shù)器設(shè)置初值，可以指定某個(gè)部件為最高優(yōu)先級(jí)。 總線分配前將部件號(hào)重新設(shè)置，可以為各部件指定任意希望的優(yōu)先級(jí)。第18頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三 b)優(yōu)點(diǎn)： 優(yōu)先級(jí)可由程序控制，靈活性強(qiáng)。 某一部件的失效不影響其它部件，可靠性高。 c)缺點(diǎn)： 線數(shù)多

10、，擴(kuò)展性差，控制復(fù)雜。 速度取決于計(jì)數(shù)器信號(hào)的頻率和部件數(shù)，不是很 高。第19頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三 3)獨(dú)立請(qǐng)求方式： 部件 0總線控制器部件 0部件 N-1總線控制器總線請(qǐng)求0集中式獨(dú)立請(qǐng)求總線準(zhǔn)許0總線請(qǐng)求N-1總線準(zhǔn)許N-1總線已被分配第20頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三 a)次序確定 總線控制器根據(jù)某種算法來(lái)仲裁。 b)優(yōu)點(diǎn)： 總線分配速度快。 可以靈活確定下一個(gè)使用總線的部件。 可以方便的不響應(yīng)來(lái)自已知失效或可能失效 的部件發(fā)出的總線請(qǐng)求。 c)缺點(diǎn)： 控制線多，N個(gè)部件要2N+1根控制線。 總線控制器復(fù)雜。第21頁(yè)，

11、共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三3.2.3 總線的通訊技術(shù) 當(dāng)部件獲得了總線的使用權(quán)后，必須給出通訊的“源”或“目的”部件、傳送信息的類(lèi)型和方向等信息，之后才能開(kāi)始真正的數(shù)據(jù)信息的傳送。 1.同步通訊 1)同步：為了保證通信正常進(jìn)行，必須采用一定的方式讓接收端知道發(fā)送端什么時(shí)候開(kāi)始發(fā)送，什么時(shí)候發(fā)送完畢。這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為總線通信的同步。按同步方式的不同，可分為“同步”和“異步”通訊方式。第22頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三 2)方式：兩個(gè)部件之間的信息傳送是通過(guò)定寬、 定距的系統(tǒng)時(shí)標(biāo)進(jìn)行同步的。 3)優(yōu)點(diǎn)：信息傳送速率高，受總線長(zhǎng)度影響小。 4)缺

12、點(diǎn)： a)時(shí)鐘在總線上的時(shí)滯會(huì)導(dǎo)致誤同步 b)時(shí)鐘線上的干擾信號(hào)易引起誤同步 c)為了可靠性加寬時(shí)間片可能使數(shù)據(jù)傳送速率低于異步通信 5)解決辦法：只在數(shù)據(jù)出錯(cuò)時(shí)目的部件才給源 部件返回信號(hào)，源部件必須設(shè)置緩沖池來(lái)保 留已發(fā)送但未經(jīng)證實(shí)的數(shù)據(jù)以備重發(fā)。第23頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三 2.異步通訊 由于I/O總線一般是為具有不同速度的許多I/O 設(shè)備所共享，因此宜采用異步通訊。異步通訊 可分為單向控制和雙向(請(qǐng)求/回答)控制。 1)異步單向控制 通訊過(guò)程中只由源或目的部件中的一個(gè)控制， 分為單向源控制和單向目的控制兩種。 t1t2數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備(a)源控式td1

13、td2數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)請(qǐng)求(b)目控式異步單向控制通訊(源)(源)(源)(目)第24頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三 a)異步單向源控式通訊 優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、高速 缺點(diǎn)：無(wú)目的部件的應(yīng)答信號(hào)，對(duì)不同速度的部件間通訊困難，需設(shè)置緩沖器來(lái)緩沖來(lái)不及處理的數(shù)據(jù)，對(duì)“數(shù)據(jù)準(zhǔn)備”線要求高。 b)異步單向目控式通訊 出錯(cuò)判斷:“出錯(cuò)”信號(hào)代替下一次“請(qǐng)求”信號(hào)。 優(yōu)點(diǎn):解決了傳送有效性校驗(yàn)。 缺點(diǎn):傳送速率隨源、目距離增大而下降， c)單向控制缺點(diǎn)：未能提供傳送完標(biāo)志，即不 能保證下一數(shù)據(jù)傳送前讓所有數(shù)據(jù)線和控制 線的電平信號(hào)回到初始狀態(tài)。 第25頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)

14、44分，星期三 2)異步雙向控制 t1td1td2td1t2td1t1td2td3td4(a)非互鎖方式(b)互鎖方式(源)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備數(shù)據(jù)準(zhǔn)備數(shù)據(jù)接受數(shù)據(jù)接受(源)(源)(源)(目)(目)源控式異步雙向通訊第26頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三 a)目控式異步雙向通訊 b)源控式異步雙向通訊 非互鎖方式 優(yōu)點(diǎn):提供出錯(cuò)控制,便于不同速率部件通訊。 缺點(diǎn):傳送速率低,容易丟失數(shù)據(jù)。 互鎖方式 優(yōu)點(diǎn):保證數(shù)據(jù)高速、正確傳送,適合不同速 率部件間通訊。 缺點(diǎn):增加了信號(hào)沿總線來(lái)回傳送的次數(shù),控 制硬件復(fù)雜。 第27頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星

15、期三3.2.4 數(shù)據(jù)寬度與總線線數(shù) 1.數(shù)據(jù)寬度 1)基本概念 a)數(shù)據(jù)寬度：I/O設(shè)備取得總線使用權(quán)后所傳 送數(shù)據(jù)的總量,可能經(jīng)多個(gè)時(shí)鐘周期分時(shí)傳送。 b)數(shù)據(jù)通路寬度：指數(shù)據(jù)總線的物理寬度，如 16bit,32bit等,即一個(gè)時(shí)鐘周期傳送的信息量。 2)數(shù)據(jù)寬度種類(lèi) 有單字(或單字節(jié))、定長(zhǎng)塊、可變長(zhǎng)塊、單字加定長(zhǎng)塊及單字加可變長(zhǎng)塊等。第28頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三a)單字(或單字節(jié))寬度 適于輸入機(jī)、打印機(jī)等低速設(shè)備，每傳完一 個(gè)字(字節(jié))后等待時(shí)間長(zhǎng)，期間釋放總線，為其它設(shè)備服務(wù)，提高總線利用率和系統(tǒng)效率。 不適于磁盤(pán)、磁帶等快速設(shè)備，一旦開(kāi)始傳 送，

16、速率很高，重新分配總線降低效率。 優(yōu)點(diǎn):不指明信息長(zhǎng)度，減少輔助開(kāi)銷(xiāo)。 缺點(diǎn):要求總想控制邏輯高速分配總線，防礙 總線采用更為合理的分配算法。第29頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三 b)定長(zhǎng)塊寬度 優(yōu)點(diǎn):適于磁盤(pán)等高速設(shè)備，不指明傳送信息寬度，簡(jiǎn)化控制，可按整個(gè)信息塊進(jìn)行校驗(yàn)。 缺點(diǎn):塊大小固定，當(dāng)比所傳信息塊小時(shí)，仍多次分配總線；當(dāng)大于所傳信息塊時(shí)，就會(huì)浪費(fèi)總線的帶寬和緩沖器空間。 c)可變長(zhǎng)塊寬度 優(yōu)點(diǎn):適于高優(yōu)先級(jí)的中高速設(shè)備，可動(dòng)態(tài)改變傳送塊的大小，有效利用總線的帶寬。 缺點(diǎn):要增大緩沖器空間和增加信息塊大小的輔助開(kāi)銷(xiāo)和控制。第30頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5

17、月20日，16點(diǎn)44分，星期三 d)單字加定長(zhǎng)塊寬度 優(yōu)點(diǎn):適于速度低而優(yōu)先級(jí)高的設(shè)備的總線。 定長(zhǎng)塊不必過(guò)大，超過(guò)部分可以用單字處理， 減少總線帶寬、部件緩沖空間的浪費(fèi)。 缺點(diǎn):信息塊小于定長(zhǎng)塊少時(shí)，總線利用率低。 e)單字加可變長(zhǎng)塊寬度 靈活有效，適應(yīng)掛有各種設(shè)備的總線，但代價(jià)大。第31頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三 2.總線的線數(shù) 1)制約因素 a)總線線數(shù)越多，成本高，干擾大，可靠性 低，占用空間大，但是傳送速度和流量大。 b)總線長(zhǎng)度越長(zhǎng)，成本高，干擾大，波形畸 變嚴(yán)重，可靠性低。 2)原則: a)總線越長(zhǎng)，其線數(shù)應(yīng)盡可能減少。 b)在滿足性能要求及通信類(lèi)

18、型和速率的情況 下，應(yīng)盡量減少總線的線數(shù)。 3)減少總線方法： 總線組合、并/串串/并轉(zhuǎn)換和編碼 第32頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三4)流量問(wèn)題 a)I/O總線所需的流量取決于該總線所接外設(shè)的數(shù)量、種類(lèi)以及傳輸信息的方式和速率要求。 b)總線的價(jià)格一般正比于流量，當(dāng)流量超過(guò)某一范圍時(shí)，價(jià)格將會(huì)呈指數(shù)上升。 c)當(dāng)系統(tǒng)所要求流量過(guò)大時(shí)，采用多組總線合理調(diào)配，并限制總線長(zhǎng)度和I/O設(shè)備數(shù)量。 d)為保證總線上各設(shè)備滿負(fù)荷工作時(shí)不丟失信息，總線的允許流量應(yīng)大于各臺(tái)外設(shè)平均流量的總和。第33頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三3.3 中斷系統(tǒng) 中斷系

19、統(tǒng)不只是I/O系統(tǒng)，也是整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)必不可少的重要組成部分。它對(duì)I/O處理、多道程序和分時(shí)處理、實(shí)時(shí)處理、人機(jī)聯(lián)系、事故處理、程序的監(jiān)視和跟蹤、目態(tài)程序和OS的聯(lián)系以及多處理系統(tǒng)中各機(jī)的聯(lián)系等方面都起著重要的作用。第34頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三3.3.1中斷的分類(lèi)和分級(jí) 1.基本概念 1)中斷源:引起中斷的各種事件。 2)中斷請(qǐng)求:中斷源向中斷系統(tǒng)發(fā)出請(qǐng)求中斷的申請(qǐng)。同時(shí)可以有多個(gè)中斷請(qǐng)求，這時(shí)中斷系統(tǒng)要根據(jù)中斷響應(yīng)優(yōu)先次序?qū)?yōu)先級(jí)高的中斷請(qǐng)求予以相應(yīng)。 3)中斷響應(yīng):就是允許其中斷CPU現(xiàn)行程序的運(yùn)行而轉(zhuǎn)去對(duì)該請(qǐng)求進(jìn)行預(yù)處理，包括保存斷點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)，調(diào)出相應(yīng)中斷

20、處理程序，準(zhǔn)備運(yùn)行。也可以屏蔽這一請(qǐng)求使其暫時(shí)得不到響應(yīng)。 第35頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三 2.入口設(shè)置 1)當(dāng)中斷源較少時(shí)，通過(guò)中斷系統(tǒng)硬件對(duì)每個(gè)中斷源直接形成相應(yīng)的中斷處理程序入口，進(jìn)入相應(yīng)的中斷處理程序。 2)當(dāng)中斷源較多時(shí)，先將它們按性質(zhì)分類(lèi)，對(duì)每一類(lèi)給定一個(gè)中斷處理程序入口，再由軟件轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷源進(jìn)行處理。 如IBM370把中斷分為以下六類(lèi)： 第36頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三 1)機(jī)器指令校驗(yàn) 故障 64位機(jī)器校驗(yàn)中斷碼 2)管理程序調(diào)用 OS執(zhí)行“訪管”指令 8 3)程序性中斷 出錯(cuò)、出現(xiàn)異常 16 4)外部中斷

21、外部信號(hào)、定時(shí)器、鍵盤(pán)等 16 5)I/O中斷 I/O操作完成或出錯(cuò) 16 6)重新啟動(dòng)中斷 操作員或其它CPU啟動(dòng)程序 其中重新啟動(dòng)中斷是CPU不能禁止的。每類(lèi)具體的中斷原因可由舊程序狀態(tài)字(PSW)進(jìn)一步指明，或是由中斷期間放置在指定存貯單元的附加信息指明。 第37頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三 3.中斷分類(lèi) 細(xì)分為中斷(Interrupt)和異常(Exception)。 1)中斷 專(zhuān)指那些于當(dāng)前進(jìn)程運(yùn)行無(wú)關(guān)的請(qǐng)求暫停的 事件,如機(jī)器故障中斷請(qǐng)求、外設(shè)中斷請(qǐng)求、定 時(shí)中斷請(qǐng)求等。中斷可以被屏蔽，暫時(shí)保存在 中斷寄存器，屏蔽解除后繼續(xù)得到響應(yīng)和處理。 2)異常 由

22、現(xiàn)行指令引起的暫停事件，如頁(yè)面失效、 溢出等，一般不能屏蔽，立即得到響應(yīng)和處理。第38頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三 異?？梢苑譃樽韵?Trap)、故障(Fault)、失敗(Abort)三種。 a)自陷 發(fā)生在引起異常的指令執(zhí)行的末尾，處理后返回原先正常程序的下一條指令繼續(xù)執(zhí)行。 b)故障 發(fā)生在執(zhí)行指令的過(guò)程中，處理后返回原先發(fā)生故障的那條指令出重復(fù)執(zhí)行。 c)失敗 也發(fā)生在指令執(zhí)行過(guò)程中，需強(qiáng)制干預(yù)或系統(tǒng)復(fù)位才可以使指令再正確執(zhí)行下去。第39頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三 4.中斷級(jí)別 1)依據(jù)：根據(jù)中斷的性質(zhì)、緊迫性、重要性以及軟件

23、處理的方便性把中斷源分級(jí)。優(yōu)先級(jí)高低的劃分，不同機(jī)器有所差異，一般把機(jī)器校驗(yàn)安排為第一級(jí)，程序性和管理程序調(diào)用為第二級(jí)，外部為第三級(jí)，I/O為第四級(jí)，重新啟動(dòng)為最低級(jí)。 2)次序：由高到低依次為第一級(jí)、第二級(jí) 3)原則：局部性中斷優(yōu)先級(jí)低 第40頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三 以IBM370為例 緊急機(jī)器校驗(yàn) 1 全局，掉電，CPU地址錯(cuò)等 管理程序調(diào)用 2 高于I/O與外部，防止混亂 可抑止機(jī)器校驗(yàn) 3 局部的 外部中斷 4 多機(jī)聯(lián)系、人機(jī)干預(yù)等 I/O中斷 5 局部性外設(shè)請(qǐng)求 重新啟動(dòng) 6 時(shí)間不緊迫 第41頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星

24、期三5.中斷響應(yīng)次序與處理次序 1)中斷響應(yīng)次序 同時(shí)發(fā)生多個(gè)中斷請(qǐng)求時(shí)，由中斷響應(yīng)硬件的 排隊(duì)器所決定的響應(yīng)次序，次序是固定的。 2)中斷處理次序 一個(gè)中斷處理程序執(zhí)行前或中再有其它中斷產(chǎn) 生時(shí)中斷處理完的次序，可以不同于響應(yīng)次序。 3)處理原則 在處理某級(jí)中斷時(shí),只有更高級(jí)的請(qǐng)求到來(lái)才 轉(zhuǎn)去響應(yīng)和處理，完成后返回原中斷繼續(xù)處理。第42頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三6.中斷處理次序改變 1)方法： a)設(shè)置中斷級(jí)屏蔽位寄存器硬件以決定是否讓 某級(jí)中斷請(qǐng)求進(jìn)入中斷響應(yīng)排隊(duì)器，只要進(jìn)入 排隊(duì)器中斷請(qǐng)求，就讓級(jí)別高的優(yōu)先得到響應(yīng)。 b)OS對(duì)每類(lèi)中斷處理程序的現(xiàn)行PSW

25、中的中斷 級(jí)屏蔽位進(jìn)行設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)希望的處理次序。 2)優(yōu)點(diǎn)： 改變響應(yīng)次序中用排隊(duì)器硬件實(shí)現(xiàn)的固定次序?yàn)镺S軟件實(shí)現(xiàn)的靈活性。 第43頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三 例:系統(tǒng)有4個(gè)中斷級(jí),每級(jí)現(xiàn)行PSW有4位屏蔽位 “1”表示對(duì)該級(jí)的請(qǐng)求都開(kāi)放,允許其進(jìn)入排隊(duì) 器?！?”表示屏蔽各個(gè)請(qǐng)求,不允許進(jìn)入排隊(duì)器， 現(xiàn)要求各級(jí)中斷處理次序和響應(yīng)次序都是1 2 3 4，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)屏蔽位狀態(tài)。中斷處理程序級(jí)別中斷級(jí)屏蔽位第1級(jí)第2級(jí)第3級(jí)第4級(jí)1級(jí)2級(jí)3級(jí)4級(jí)0000000000111111中斷級(jí)屏蔽位舉例1(1 2 3 4)不高于本級(jí)的屏蔽掉 即“0”第44頁(yè)，共83頁(yè)，20

26、22年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三 用戶(hù)程序中 斷 處 理 程 序中斷請(qǐng)求t234211234中斷處理次序?yàn)? 2 3 4的例子第45頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三 中斷處理程序級(jí)別中斷級(jí)屏蔽位第1級(jí)第2級(jí)第3級(jí)第4級(jí)1級(jí)2級(jí)3級(jí)4級(jí)0000011010111000中斷級(jí)屏蔽位舉例2(1 4 3 2)第46頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三 用戶(hù)程序中 斷 處 理 程 序中斷請(qǐng)求t34211234中斷處理次序?yàn)? 4 3 2的例子第47頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三3.3.2 中斷系統(tǒng)的軟硬件功能分配 1.中

27、斷系統(tǒng)的功能 1)中斷請(qǐng)求的保存和清除 2)優(yōu)先級(jí)的確定 3)中斷斷點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)的保存 4)對(duì)中斷請(qǐng)求的分析和處理 5)中斷返回 這些功能全是由中斷響應(yīng)硬件和中斷處理程 序完成的，中斷系統(tǒng)的軟硬件功能分配實(shí)質(zhì)就 是中斷響應(yīng)硬件和處理程序軟件的功能分配。第48頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三2.功能的實(shí)現(xiàn) 1)早期大部分功能是由軟件完成的，中斷響應(yīng)和中斷處理時(shí)間長(zhǎng)。 2)后來(lái)中斷響應(yīng)及其次序由程序查詢(xún)軟件的方法改為中斷響應(yīng)排隊(duì)器硬件實(shí)現(xiàn)；中斷源的分析也由程序查詢(xún)改為硬件編碼，直接或經(jīng)中斷向量表形成入口地址，并把中斷源的狀況以中斷碼的方式經(jīng)舊PSW告知中斷處理程序。 第49頁(yè)

28、，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三3.中斷現(xiàn)場(chǎng) 包括軟件狀態(tài)和硬件狀態(tài)兩種 1)軟件狀態(tài) 如作業(yè)名稱(chēng)和級(jí)別，上、下界值，各種軟件狀 態(tài)和標(biāo)志等。本來(lái)就在主存中，且數(shù)量隨OS的 發(fā)展而擴(kuò)大，宜于經(jīng)中斷處理程序保存。 2)硬件狀態(tài) 如現(xiàn)行指令地址，條件碼，各種控制寄存器及 通用寄存器內(nèi)容等。其保存方式分兩種：第50頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三 a)經(jīng)中斷響應(yīng)硬件保存 把硬件狀態(tài)集合成PSW存到主存指定的單元或 區(qū)域。然后再把新的程序的PSW從主存另一指定 單元或區(qū)域把內(nèi)容傳送到相關(guān)寄存器或計(jì)數(shù)器 中，建立運(yùn)行新程序的環(huán)境。但會(huì)降低速度。 b)經(jīng)中

29、斷處理程序保存 會(huì)延緩轉(zhuǎn)入真正處理該中斷請(qǐng)求的時(shí)間，指令 系統(tǒng)復(fù)雜。 實(shí)際中把兩者結(jié)合起來(lái)，并視具體情況而異。第51頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三4.中斷系統(tǒng)性能指標(biāo) 1)中斷響應(yīng)時(shí)間 發(fā)出中斷請(qǐng)求到進(jìn)入中斷處理程序的時(shí)間。主 要取決于交換PSW的時(shí)間。 2)靈活性 各種通用寄存器的內(nèi)容是由中斷處理程序按切 換需求來(lái)保存的，有利于提高中斷響應(yīng)的速度， 又有很大靈活性。第52頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三3.4 通道處理機(jī)3.4.1 工作原理 1.原因 1)為了I/O與CPU、主存并行操作，以及讓多用戶(hù)或多道程序共同運(yùn)行。 2)防止用戶(hù)自行

30、輸入而破壞其他用戶(hù)程序或系統(tǒng)程序及用戶(hù)竊取系統(tǒng)不該讓其讀出的內(nèi)容。 第53頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三2.工作過(guò)程目態(tài)程序管理程序通道程序中斷處理程序kk1k2k3k4k5OCOCOC訪管入口設(shè)備號(hào)交換長(zhǎng)度主存起始地址置通道地址字啟動(dòng)I/O無(wú)鏈通道指令入口訪管廣義指令和參數(shù)區(qū)返回I/O中斷返回I/O中斷響應(yīng)I/O中斷請(qǐng)求編制通道程序通道處理機(jī)I/O的主要過(guò)程第54頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三 請(qǐng)求I/O訪管指令 響應(yīng)I/O中斷請(qǐng)求編制通道程序啟動(dòng)I/O通道組織I/O操作登記或例外 情況處理I/O操作結(jié)束向CPU發(fā)I/O 中斷請(qǐng)求運(yùn)行目

31、態(tài)程序目態(tài) 運(yùn)行I/O管理程序管態(tài)CPUt通道處理機(jī)I/O主要過(guò)程的時(shí)間關(guān)系第55頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三 選取通道 斷開(kāi)? 忙？ 選取子通道 斷開(kāi)? 忙？ 選取通道指令啟動(dòng)“I/O”指令是形成條件碼，結(jié)束否是形成條件碼，結(jié)束否是是形成條件碼，結(jié)束否否形成條件碼，結(jié)束 有錯(cuò)？是 形成條件碼存通道狀態(tài)字 結(jié)束選控制器、設(shè)備否 斷開(kāi)？是形成條件碼，結(jié)束 發(fā)啟動(dòng)命令否全“0”狀態(tài)？通道結(jié)束？存放中斷？是 接受命令 啟動(dòng)成功形成條件碼否是 啟動(dòng)成功形成條件碼否 形成條件碼清除中斷條件不成功，結(jié)束是否形成條件碼,啟動(dòng)不成功,結(jié)束啟動(dòng)I/O指令流程圖(結(jié)束表示釋放通道)第

32、56頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三 3.優(yōu)點(diǎn)： 1)完成一次I/O兩次訪管，減少對(duì)目態(tài)程序的干擾，提高了CPU運(yùn)算和外設(shè)操作的重疊度。 2)各個(gè)通道可以有自己的通道程序在運(yùn)行，使多種、多臺(tái)外設(shè)可以充分并行工作。 4.類(lèi)型： 1)字節(jié)多路通道 適用于連接大量字符低速設(shè)備,傳送一個(gè)字符 或字節(jié)占用時(shí)間短,但等待時(shí)間長(zhǎng)。數(shù)據(jù)通路寬 度為單字節(jié),采用字節(jié)交叉方式提高效率,或多 個(gè)子通道獨(dú)立并行工作。第57頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三 2)數(shù)組多路通道 適合于磁盤(pán)等高速設(shè)備,傳送速率高,但傳送前 輔助操作時(shí)間長(zhǎng)。數(shù)據(jù)寬度為定長(zhǎng)塊,傳送K個(gè) 字節(jié)后

33、重選設(shè)備進(jìn)行下K個(gè)字節(jié)的傳送。多個(gè)子 通道分時(shí)共享I/O通路,成組交叉并行傳送。 3)選擇通道 適合于優(yōu)先級(jí)高的高速設(shè)備，獨(dú)占通道，只能 執(zhí)行一道通道程序。數(shù)據(jù)寬度為可變長(zhǎng)塊，一 次將N個(gè)字節(jié)全部傳送完畢，傳送期內(nèi)只選一次 設(shè)備。第58頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三3.4.2 通道流量的分析 1.通道流量 通道在數(shù)據(jù)傳送期內(nèi)，單位時(shí)間所傳送的字節(jié) 數(shù)。它所能達(dá)到的最大流量稱(chēng)為通道極限流量。 2.影響極限流量的因素 1)工作方式 2)數(shù)據(jù)傳送期內(nèi)選擇一次設(shè)備的時(shí)間TS 3)傳送一個(gè)字節(jié)的時(shí)間TD第59頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三 3. 極

34、限流量 1)字節(jié)多路通道:每選一臺(tái)設(shè)備傳送一個(gè)字節(jié)。 fmax.byte=1/(TS+TD) 2)數(shù)組多路通道:每選一條設(shè)備傳送K個(gè)字節(jié)。 fmax.block=k/(TS+kTD)=1/(TS/k+TD) 3)選擇通道:每選一臺(tái)設(shè)備就把N個(gè)字節(jié)傳送完。 fmax.select=N/(TS+NTD)=1/(TS/N+TD) 若TS ,TD一定，Nk，則： fmax.select fmax.block fmax.byte第60頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三 4.實(shí)際最大流量 1)字節(jié)多路通道: fbyte.j= fi.j 2)數(shù)組多路通道： fblock.j =max

35、 fi.j 3)選擇通道： fselect.j =max fi.j i=1pji=1pji=1pj工作于字節(jié)交叉方式，子通道獨(dú)立各設(shè)備的字節(jié)傳送率之和所接設(shè)備的字節(jié)傳送率最大的那個(gè)j通道的號(hào)fi.j通道上設(shè)備的字節(jié)傳送率pj通道上所接的總設(shè)備數(shù)第61頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三 5.設(shè)計(jì)原則 1)極限流量大于等于實(shí)際最大流量 2)極限流量與實(shí)際最大流量的差值越小越好 fmax.byte.j = fbyte.j fmax.block.j = fblock.j fmax.select.j = fselect.j 如果I/O系統(tǒng)由m個(gè)通道，則： fmax= fmax.b

36、yte.j + fmax.block.j + fmax.select.j 且: fmax= fi.j + max fi.j + max fi.j j=1 m1m2j=1+ m1mj=1+ m2m1m2mj=1+ m1j=1+ m2j=1i=1 pj第62頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三 上述兩個(gè)基本原則只是保證宏觀上不丟失設(shè) 備信息，并不能從微觀上保證每一個(gè)局部時(shí)刻都不丟失信息。因?yàn)楫?dāng)設(shè)備要求通道的實(shí)際最大流量非常接近于通道設(shè)計(jì)所能達(dá)到的極限流量時(shí)，速率高的設(shè)備頻繁發(fā)出請(qǐng)求而優(yōu)先得到響應(yīng)和處理，速率低的設(shè)備會(huì)因得不到通道而丟失信息。為此可在設(shè)備或設(shè)備控制器中設(shè)置一定容

37、量的緩沖器以緩沖來(lái)不及處理的信息，或可動(dòng)態(tài)改變?cè)O(shè)備響應(yīng)優(yōu)先級(jí)，使得低速設(shè)備也有機(jī)會(huì)得到通道而保證微觀上不丟失信息。當(dāng)然基本原則是一定要滿足的，否則無(wú)論采用什么辦法，設(shè)備總是要丟失信息的。第63頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三 6.缺點(diǎn)： 1)并非獨(dú)立的處理機(jī)，指令簡(jiǎn)單，無(wú)大容量存貯器。 2)I/O過(guò)程中需要CPU承擔(dān)很多工作。 3)流水等組成技術(shù)因I/O中斷而不能發(fā)揮作用，CPU速度嚴(yán)重下降。 4)訪管中斷轉(zhuǎn)入I/O管理程序妨礙CPU資源的合理利用。第64頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三3.5 外圍處理機(jī)(PPU) 為了克服通道處理機(jī)的缺點(diǎn)，

38、希望CPU進(jìn)一步擺脫數(shù)I/O操作的控制，以便更好地集中精力專(zhuān)注于自己的事情而發(fā)展了外圍處理機(jī)(PPU)。補(bǔ)充知識(shí)：第65頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三中央處理機(jī)主存主存與外圍處理機(jī)總線PPU0PPU1PPU2PPU9輸入輸出交叉開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)通道0通道1通道11通道i設(shè)備控制器設(shè)備控制器設(shè)備控制器設(shè)備控制器設(shè)備控制器設(shè)備設(shè)備設(shè)備設(shè)備設(shè)備設(shè)備CYBER 179的結(jié)構(gòu)第66頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三1.外圍處理機(jī)的優(yōu)點(diǎn) 1)更接近于一般的處理機(jī)，指令豐富，功能強(qiáng)。 2)獨(dú)立于主處理機(jī)異步工作。 3)可以與主處理機(jī)共享或不共享主存。 4)可以自由

39、選擇通道和設(shè)備進(jìn)行靈活通信。2.缺點(diǎn)： 就硬件利用率和成本來(lái)講不如通道處理機(jī)好， 但隨著器件技術(shù)不斷提高，成本在逐漸降低。第67頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三 第3章 小結(jié)1. I/O系統(tǒng)概念 1)I/O系統(tǒng):I/O設(shè)備、設(shè)備控制器及與I/O操作有關(guān)的軟硬件等的總和。 2)功能:對(duì)指定的外設(shè)進(jìn)行輸入、輸出操作，同時(shí)完成其它的管理和控制。 3)三種方式 a)程序控制I/O b)DMA c)I/O處理機(jī)第68頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三2.總線設(shè)計(jì) 1)類(lèi)型 a)按方向分 單向傳輸 雙向傳輸 半雙向 全雙向 b)用法分 專(zhuān)用 非專(zhuān)用 第69

40、頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三2)控制方式 a)產(chǎn)生原因:非專(zhuān)用總線的爭(zhēng)用問(wèn)題 b)分類(lèi) 集中式 分布式 c)優(yōu)先級(jí)確定 串行鏈接 定時(shí)查詢(xún) 獨(dú)立請(qǐng)求第70頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三3)通信技術(shù) a)同步通信 概念： 優(yōu)點(diǎn)：信息傳送速率高，受總線長(zhǎng)度影響小。 缺點(diǎn)： 時(shí)鐘在總線上的時(shí)滯會(huì)導(dǎo)致誤同步 時(shí)鐘線上的干擾信號(hào)易引起誤同步 為了可靠性加寬時(shí)間片可能使數(shù)據(jù)傳送速率 低于異步通信第71頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三 b)異步通信 源控式 目控式 源主動(dòng) 目主動(dòng) 4)數(shù)據(jù)寬度與總線線數(shù) a)數(shù)據(jù)寬度:I/O設(shè)備取得總線使用權(quán)后所傳 送數(shù)據(jù)的總量,可能經(jīng)多個(gè)時(shí)鐘周期分時(shí)傳送。 b)數(shù)據(jù)通路寬度:指數(shù)據(jù)傳送的物理寬度，如 16bit,32bit等,即一個(gè)時(shí)鐘周期傳送的信息量。單項(xiàng)控制雙向控制互鎖非互鎖第72頁(yè)，共83頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)44分，星期三 c)寬度種類(lèi) 單字或單字節(jié) 定長(zhǎng)塊 可變長(zhǎng)塊 單字