計算機系統(tǒng)結構第3章存儲、總線、中斷

第3章存儲、中斷、總線與I/O系統(tǒng)3.1存儲系統(tǒng)的基本要求和并行主存系統(tǒng)3.2中斷系統(tǒng)3.3總線設計3.4輸入/輸出系統(tǒng)?本章重點：

非專用總線的總線控制方式；中斷為什么要分類和分級；中斷處理次序的安排和實現(xiàn)；通道流量的計算。?本章難點：

如何按中斷處理優(yōu)先次序的要求，設置各中斷處理程序中中斷級屏蔽位的狀態(tài)，正確畫出中斷處理過程的示意圖；通道為各外設分時服務的時間關系圖。3.1存儲系統(tǒng)的基本要求和并行主存系統(tǒng)3.1.1存儲系統(tǒng)的基本要求

1.存儲系統(tǒng)的基本要求高速度、大容量、低價格。（1）容量：SM=W·l·m（2）速度：訪問時間TA、存貯周期TM、頻寬BM；（3）價格：c=C/SM;2.矛盾的解決：（1）改進存貯器件的工藝；（2）發(fā)展存貯器系統(tǒng)；（3）發(fā)展并行主存系統(tǒng)及存貯體系；3.1.2并行主存系統(tǒng)圖3.1單體單字存貯器1.并行主存系統(tǒng)圖3.2單體多字(m=4)存貯器圖3.3多體(m=4)交叉存貯器

設p(k)表示申請序列長度為k的概率密度函數(shù)，其中k=1,2,…，m。即p(1)是k=1的概率，p(2)是k=2的概率，p(m)是k=m的概率。k的平均值用B表示，則

它實際上就是每個主存周期所能訪問到的平均字數(shù)，正比于主存實際頻寬(只差一個常數(shù)比值TM/W)。p(k)與程序的狀態(tài)密切相關，如果訪存申請隊都是指令的話，那么影響最大的是轉移概率λ，它定義為給定指令的下條指令地址為非順序地址的概率。2.并行主存系統(tǒng)的實際頻寬

申請隊中如果第一條就是轉移指令且轉移成功，與第一條指令并行讀出的其他m-1條指令就是沒用的，相當于k=1，所以p(1)=λ=(1-λ)0·λ；k=2的概率自然是第一條沒有轉移(其概率為1-λ)，第二條是轉移指令且轉移成功的情況，所以，p(2)=(1-p(1))·λ=(1-λ)1·λ；同理，p(3)=(1-p(1)-p(2))·λ=(1-λ)2·λ。如此類推，p(k)=(1-λ)k-1·λ，其中1≤k＜m。如果前m-1條均不轉移，則不管第m條是否轉移，k都等于m，故p(m)=(1-λ)m-1。這樣，經(jīng)數(shù)學歸納法化簡可得這是一個等比級數(shù)，因此圖3.5m個分體并行存取的B=f(λ)曲線3.2.1中斷的分類和分級

1.基本概念

1)中斷源:引起中斷的各種事件。

2)中斷請求:中斷源向中斷系統(tǒng)發(fā)出請求中斷的申請。同時可以有多個中斷請求，這時中斷系統(tǒng)要根據(jù)中斷響應優(yōu)先次序?qū)?yōu)先級高的中斷請求予以相應。

3)中斷響應:就是允許其中斷CPU現(xiàn)行程序的運行而轉去對該請求進行預處理，包括保存斷點現(xiàn)場，調(diào)出相應中斷處理程序，準備運行。也可以屏蔽這一請求使其暫時得不到響應。

3.2中斷系統(tǒng)

2.中斷分類

細分為中斷(Interrupt)和異常(Exception)。

1)中斷

專指那些與當前進程運行無關的請求暫停的事件,如機器故障中斷請求、外設中斷請求、定時中斷請求等。中斷可以被屏蔽，暫時保存在中斷寄存器，屏蔽解除后繼續(xù)得到響應和處理。

2)異常

由現(xiàn)行指令引起的暫停事件，如頁面失效、溢出等，一般不能屏蔽，立即得到響應和處理。

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)行指令的過程中，處理后返回原先發(fā)生故障的那條指令處重復執(zhí)行。

c)失敗

也發(fā)生在指令執(zhí)行過程中，需強制干預或系統(tǒng)復位才可以使指令再正確執(zhí)行下去。

3.中斷分級

1)依據(jù)：根據(jù)中斷的性質(zhì)、緊迫性、重要性以及軟件處理的方便性把中斷源分級。

2)次序：中斷系統(tǒng)按照中斷源的級別高低來響應。優(yōu)先級高低的劃分，不同機器有所差異，IBM370中機器校驗安排為第一級，程序性和管理程序調(diào)用為第二級，外部為第三級，I/O為第四級，重新啟動為最低級。3)原則：局部性中斷優(yōu)先級低

以IBM370為例

緊急機器校驗

1

全局，掉電，CPU地址錯等

管理程序調(diào)用

2

OS執(zhí)行“訪管”指令

程序性中斷

3

高于I/O與外部，防止混亂

出錯、出現(xiàn)異常

外部中斷

4

多機聯(lián)系、人機干預等

I/O中斷

5

局部性外設請求

重新啟動

6

時間不緊迫

3.2.2.中斷響應次序與處理次序1.中斷響應次序與處理次序

1)中斷響應次序

同時發(fā)生多個中斷請求時，由中斷響應硬件的排隊器所決定的響應次序，次序是固定的。

2)中斷處理次序

一個中斷處理程序執(zhí)行前或中再有其它中斷產(chǎn)生時中斷處理完的次序，可以不同于響應次序。

3)處理原則

在處理某級中斷時,只有更高級的請求到來才轉去響應和處理，完成后返回原中斷繼續(xù)處理。2.中斷處理次序改變

1)方法：

a)設置中斷級屏蔽位寄存器硬件以決定是否讓

某級中斷請求進入中斷響應排隊器，只要進入排隊器中斷請求，就讓級別高的優(yōu)先得到響應。

b)OS對每類中斷處理程序的現(xiàn)行PSW中的中斷

級屏蔽位進行設置，可以實現(xiàn)希望的處理次序。

2)優(yōu)點：

改變響應次序中用排隊器硬件實現(xiàn)的固定次序為OS軟件實現(xiàn)的靈活性。

例1:系統(tǒng)有4個中斷級,每級現(xiàn)行PSW有4位屏蔽位

“1”表示對該級的請求都開放,允許其進入排隊器?！?”表示屏蔽各個請求,不允許進入排隊器，

現(xiàn)要求各級中斷處理次序和響應次序都是1

2

3

4，請設計屏蔽位狀態(tài)。中斷處理程序級別中斷級屏蔽位第1級第2級第3級第4級1級2級3級4級0000000000111111中斷級屏蔽位舉例1(1234)不高于本級的屏蔽掉即“0”

用戶程序中斷處理程序中斷請求t234211234中斷處理次序為1234的例子注：表示第i級中斷源發(fā)的中斷請求短橫線為交換PSW的時間段i中斷處理程序級別中斷級屏蔽位第1級第2級第3級第4級1級2級3級4級0000011010111000中斷級屏蔽位舉例2(1432)響應次序和處理次序不一樣

用戶程序中斷處理程序中斷請求t34211234中斷處理次序為1432的例子2

用戶程序中斷處理程序中斷請求t34211234中斷處理次序為1432的例子機器有5級中斷，中斷響應次序為12345，現(xiàn)要求中斷處理次序為35241。(1)設計各級中斷處理程序的中斷級屏蔽位的狀態(tài)，令“0”表示屏蔽，“1”表示開放。(2)若在運行用戶程序時，同時發(fā)生第4、5級中斷請求，而在第5級中斷未完成時，又發(fā)生1、2、3級中斷，請畫出處理機執(zhí)行程序的全過程示意圖(標出交換PSW的時間)。3.2.3中斷系統(tǒng)的軟硬件功能分配

1）中斷系統(tǒng)的功能（1）中斷請求的保存和清除（2）優(yōu)先級的確定（3）中斷斷點及現(xiàn)場的保存（4）對中斷請求的分析和處理（5）中斷返回中斷系統(tǒng)的軟硬件功能分配實質(zhì)就是中斷響應硬件和處理程序軟件的功能分配。2）功能的實現(xiàn)（1）早期大部分功能是由軟件完成的，中斷響應和中斷處理時間長。（2）后來中斷響應及其次序由程序查詢軟件的方法改為中斷響應排隊器硬件實現(xiàn)；中斷源的分析也由程序查詢改為硬件編碼，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。

3.3總線設計總線是計算機中連接各個功能部件的紐帶。3.3.1總線的分類1.按信息傳送方向分1)單向傳輸2)雙向傳輸a)半雙向:在同一時刻，信息只能向其中的一個方向傳送。b)全雙向：在同一時刻，允許信息在兩個方向傳送。全雙向速度快，但是造價高，結構復雜。2.按用途分1)專用總線a)定義：只連接一對物理部件的總線。ABCDE

所有部件用專用總線互連b)優(yōu)點：

?多個部件可以同時發(fā)送和接收信息，幾乎不必爭用總線，系統(tǒng)流量高。

?控制簡單，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部件不能直接通信，但可以間接通信，系統(tǒng)可靠性高。c)缺點：

?總線數(shù)目多，N個部件全部互連需N(N-1)/2組

總線。?難以小型化、集成電路化，總線長時成本高。

?時間利用率低

?不利于模塊化，增加一個部件要增加許多新

的接口和連線。

2)非專用總線

a)定義:可以被多種功能或多個部件分時共享，

同一時刻只有一對部件使用總線進行通信。

b)優(yōu)點：

?總線少，造價低。

?接口標準化、模塊性強，易于簡化接口設計。

?擴充能力強，多重總線提高帶寬和可靠性。

c)缺點：

?系統(tǒng)流量小，經(jīng)常出現(xiàn)總線爭用。

?可能成為系統(tǒng)速度瓶頸，導致系統(tǒng)癱瘓。

I/O系統(tǒng)中，I/O總線宜采用非專用總線；總線

3.3.2總線的控制方式

1.產(chǎn)生原因

采用非專用總線時，可能出現(xiàn)多個設備或部件同時使用總線而發(fā)生爭用，就得有總線控制機構來按照某種方式裁決，保證同一時間只能有一個高優(yōu)先級的申請者取得總線使用權。

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部件中，或者是放在單獨的硬件中。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部件中。3.優(yōu)先次序的三種確定方式

1)集中式串行鏈接方式：

部件0部件1部件N-1總線控制器總線可用總線請求總線忙集中式串行鏈接a)電路特點：并聯(lián)總線請求，串聯(lián)總線響應，并聯(lián)總線狀態(tài)。b)次序確定

完全由“總線可用”線所接部件的物理位置來決定，離總線控制器越近的部件其優(yōu)先級越高。C）優(yōu)點：

?算法簡單，線數(shù)少，且不取決于部件的數(shù)量。

?部件增加容易，可擴充性好。

?邏輯簡單，容易通過重復設置來提高其可靠性。d)缺點：

?對“總線可用”線敏感。

?優(yōu)先級固定，不可被程序更改，靈活性差。

?遙遠部件難以獲得總線使用權。

?“總線可用”信號順序、脈動地通過每一部件,限制了總線分配的速度。

?受總線長度影響，增、減及移動部件也受限。

2)集中式定時查詢方式：

部件0部件1總線控制器總線請求總線忙部件0部件1部件N-1總線控制器總線請求總線忙集中式定時查詢定時查詢計數(shù)……a）總線分配過程：①部件發(fā)送請求。②總線不忙時，總線控制器的查詢計數(shù)器開始記數(shù)。③定時查詢各部件。④部件接收計數(shù)值，并判斷，若與部件號一致，則發(fā)總線忙，撤消請求，開始占用總線。⑤總線控制器收到總線忙，停止計數(shù)，停止查詢。⑥傳送結束撤消總線忙

b)次序確定

?總線分配前計數(shù)器清“0”,從“0”開始查詢，優(yōu)先級排序類似串行鏈接。

?總線分配前不清“0”，從中止點繼續(xù)查詢，是循環(huán)優(yōu)先級，部件使用總線機會均等。

?總線分配前將計數(shù)器設置初值，可以指定某個部件為最高優(yōu)先級。

?總線分配前將部件號重新設置，可以為各部件指定任意希望的優(yōu)先級。c)優(yōu)點：

?優(yōu)先級可由程序控制，靈活性強。

?某一部件的失效不影響其它部件，可靠性高。d)缺點：

?線數(shù)多，擴展性差，控制復雜。

?速度取決于計數(shù)器信號的頻率和部件數(shù)，不是很高。

3)集中式獨立請求方式：

部件0總線控制器部件0部件N-1總線控制器總線請求0集中式獨立請求……總線準許0總線請求N-1總線準許N-1總線已被分配…a)次序確定總線控制器根據(jù)某種算法來仲裁。b)優(yōu)點：

?總線分配速度快。

?可以靈活確定下一個使用總線的部件。

?可以方便的隔離失效的部件發(fā)出的總線請求。c)缺點：

?控制線多，N個部件要2N+1根控制線。

?總線控制器復雜。1.包括內(nèi)容:I/O設備、設備控制器及與I/O操作有關的軟硬件等。2.I/O系統(tǒng)的發(fā)展：1)早期及目前低性能單用戶計算機的I/O操作由程序員直接安排。主要解決CPU、主存和I/O設備之間的速度差距。2)現(xiàn)在改由用戶向系統(tǒng)發(fā)出I/O請求，經(jīng)OS來分配調(diào)度設備并進行具體的I/O處理。主要解決面向OS，在OS與I/O系統(tǒng)間進行合理的軟、硬件功能分配。3.I/O的三種方式3.4輸入/輸出系統(tǒng)3.4.1輸入/輸出系統(tǒng)概述1)程序控制I/Oa)全軟的b)程序查詢狀態(tài)驅(qū)動的c)中斷驅(qū)動的

2)直接存貯器訪問(DMA)3)I/O處理機a)通道方式(Channel)可看作是“處理機”，有自己的指令系統(tǒng)（通道指令）和程序（通道程序），通道與CPU并行工作。通道指令功能簡單，使用面窄。通道不是獨立處理機。b)外圍處理機方式(PPU)獨立性、通用性和功能較強。1.目的

1)防止用戶自行輸入而破壞其他用戶程序或系統(tǒng)程序及用戶竊取系統(tǒng)不該讓其讀出的內(nèi)容。

2）將CPU進一步從I/O事務中脫離出來，使之具有更多的時間從事計算工作2.通道處理機的作用1）通道處理機將負擔外圍設備的大部分I/O工作2）是一臺同時能夠被多臺外圍設備共享的小型DMA處理機3.4.2通道處理機的工作原理和流量設計3.通道的工作原理管態(tài)指令是中央處理機用來控制外部設備操作用的輸入輸出指令。目態(tài)指令（訪管指令）是用戶態(tài)應用程序的指令。廣義指令是由訪管指令和若干參數(shù)組成，它的操作碼實質(zhì)上是對應于此廣義指令的管理程序入口。在一般用戶程序中，通過調(diào)用通道來完成一次I/O的過程主要有四個階段，如圖所示。1）通道程序編制期2）通道開始選擇設備期3）通道數(shù)據(jù)傳送期4）通道數(shù)據(jù)傳送結束期4.通道的種類：1)字節(jié)多路通道目的：為多臺低速或中速的外圍設備服務；如鍵盤、打印機等等工作方式：分時機制。字節(jié)交叉方式（byte-interleavemode)：結構：包含有多個子通道，每個子通道連接一個設備控制器，多個子通道獨立并行工作。2）選擇通道目的：針對高速外圍設備，設置專門通道在一段時間內(nèi)單獨為一臺外圍設備服務，在不同的時間內(nèi)仍可以選擇其它設備；工作方式：一旦選中某設備，就一直到數(shù)據(jù)傳輸結束為止。選擇通道主要用于連接高速外圍設備，如磁盤、磁帶等，信息以成組方式高速傳輸。3)數(shù)組多路通道目的：前兩種方式的結合，并發(fā)地為多臺高速設備服務；工作方式：成組交叉方式工作，每次選擇一個高速設備，輪流為多臺I/O設備服務；5

通道中的數(shù)據(jù)傳送過程Ts,TdD11D21Di,jTs,TdTs,TdTs,TdDp,nTs：設備選擇時間，即：從通道響應設備發(fā)出數(shù)據(jù)傳送請求開始，到通道實際為這臺設備傳送數(shù)據(jù)所需的時間。Td：傳送一個字節(jié)所需要的時間；P：在一個通道上連接的設備臺數(shù)n：每一個設備傳送的字節(jié)數(shù)，這里，假設每一臺設備的傳輸字節(jié)數(shù)都一樣。Dij：連接在通道上的第i臺設備傳輸?shù)牡趈個數(shù)據(jù)，i=1~p，j=1~n；T：通道完成全部數(shù)據(jù)傳輸工作所需要的時間。1）字節(jié)多路通道當一個字節(jié)多路通道上連接有p臺外圍設備，每一臺外圍設備都傳輸n個字節(jié)時，總共需要的時間T為：Tbyte=（Ts+Td）*P*n2）選擇通道:在選擇通道之中，通道每連接一個外圍設備，就把這個設備的n個字節(jié)全部傳送完畢，然后再與下一個設備連接。

當一個字節(jié)多路通道上連接有p臺外圍設備，每一臺外圍設備都傳輸n個字節(jié)時，總共需要的時間T為：Tselector=（Ts/n+Td）*P*n3）數(shù)組通道:數(shù)組通道在一段時間內(nèi)只能為一臺外圍設備傳送數(shù)據(jù)，但同時有多臺設備在尋址。當一個字節(jié)多路通道上連接有p臺外圍設備，數(shù)據(jù)塊長度為k個字節(jié)。每一臺外圍設備都傳輸n個字節(jié)時，總共需要的時間T為：Tselector=（Ts/k+Td）*P*n6.通道流量分析通道流量：單位時間內(nèi)能夠傳送的最大數(shù)據(jù)量。又稱為通道吞吐率，通道數(shù)據(jù)傳輸率等。通道最大流量：通道在滿負荷工作狀態(tài)下的流量。三種通道的最大流量計算公式如下：通道流量與連接在這個通道上的所有設備的數(shù)據(jù)傳輸率的關系如下：為了保證通道能夠正常工作，不丟失數(shù)據(jù)，各種通道實際流量應該不大于通道最大流量，即滿足下列不等式關系：

fBYTEfMAX·BYTEfSELETE

fMAX·SELETE,fBLOCK

fMAX·BLOCK例如：

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10us、30us、30us、50us和75us向通道發(fā)出一次數(shù)據(jù)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。（2）畫出通道分時為各個設備服務的時間關系圖。（高速設備請求的響應優(yōu)先級高）（3）從時間關系圖上發(fā)現(xiàn)什么問題？如何解決？解：（1）該通道的實際流量為：該通道的工作周期為：通道處理完各設備這個第一次請求的時間如下：

D1:5us; D2:10us;

D3:20us; D4:30us設備D5的第一次請求沒有得到響應，數(shù)據(jù)丟失，直到85us才對設備D5的服務請求進行響應。010203040506070D1D2D3D4D5（2）（3）問題分析：①當字節(jié)多路通道的最大流量與實際很接近時，雖然在宏觀上保證通道流量平衡，不會丟失數(shù)據(jù)，但傳輸速度高的設備將因頻繁發(fā)出請求而影響低速設備的請求服務。如：D5設備。②原則上，如果對所有設備的請求時間間隔取最小公倍數(shù)，則