本科系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課件 4

計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念第二章指令系統(tǒng)第三章存儲系統(tǒng)第四章輸入輸出系統(tǒng)第五章標(biāo)量處理機(jī)第六章向量處理機(jī)第七章互連網(wǎng)絡(luò)第八章并行處理機(jī)和 多處理機(jī)第四章輸入輸出系統(tǒng)在計算機(jī)系統(tǒng)中，把處理機(jī)與主存儲器之外的部分統(tǒng)稱為輸入輸出系統(tǒng)輸入輸出系統(tǒng)是處理機(jī)與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的通道。與處理機(jī)有關(guān)的、除人以外的各種設(shè)備稱為輸入輸出設(shè)備（或外圍設(shè)備）4.1輸入輸出原理4.2通道處理機(jī)4.1輸入輸出原理輸入輸出系統(tǒng)是計算機(jī)系統(tǒng)中最具多樣性和復(fù)雜性的部分

最典型地反映了軟硬件的相互結(jié)合

目前，輸入輸出系統(tǒng)的復(fù)雜性都隱藏在操作系統(tǒng)中，需軟、硬件人員共同解決

4.1.1輸入輸出系統(tǒng)的特點(diǎn)4.1.2輸入輸出系統(tǒng)的組織方式4.1.3基本輸入輸出方式4.1.1輸入輸出系統(tǒng)的特點(diǎn)輸入輸出系統(tǒng)涉及到機(jī)、光、電、磁、聲、自動控制等多種學(xué)科。用戶無需了解輸入輸出系統(tǒng)和輸入輸出設(shè)備的具體細(xì)節(jié)就能使用輸入輸出設(shè)備。處理機(jī)的外部世界包括：本地和遠(yuǎn)程用戶、系統(tǒng)操作員、操作控制臺、輸入輸出設(shè)備、輔助存儲器、其它處理機(jī)、各種通信設(shè)備和虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)等。系統(tǒng)操作員處理機(jī)本地或遠(yuǎn)程用戶實(shí)時輸入輸出輸入輸出設(shè)備虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)其它處理機(jī)本身出錯處理程序請求1、異步性輸入輸出設(shè)備通常不使用統(tǒng)一的中央時鐘，各個設(shè)備按照自己的時鐘工作，但又要在某些時刻接受處理機(jī)的控制處理機(jī)與外圍設(shè)備之間，外圍設(shè)備與外圍設(shè)備之間能夠并行工作2、實(shí)時性對于一般外部設(shè)備：可能丟失數(shù)據(jù)，或造成外圍設(shè)備工作的錯誤對于實(shí)時控制計算機(jī)系統(tǒng)，如果處理機(jī)提供的服務(wù)不及時，可能造成巨大的損失， 甚至造成人身傷害對于處理機(jī)本身的硬件或軟件錯誤：如電源故障、數(shù)據(jù)校驗(yàn)錯、頁面失效、非法指令、地址越界等，處理機(jī)須及時處理對不同類型的設(shè)備，必須具有與設(shè)備相配合的多種工作方式3、與設(shè)備無關(guān)性獨(dú)立于具體設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)接口。例如，串行接口、并行接口、SCSI（SmallComputerSystemInterface）接口等計算機(jī)系統(tǒng)的使用者，在需要更換外圍設(shè) 備時，各種不同型號，不同生產(chǎn)廠家的設(shè)備都可以直接通過標(biāo)準(zhǔn)接口與計算機(jī)系統(tǒng)連接處理機(jī)采用統(tǒng)一的硬件和軟件對品種繁多的設(shè)備進(jìn)行管理某些計算機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了即插即用技術(shù)4.1.2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(shí)時性，采用層次結(jié)構(gòu)的方法針對與設(shè)備無關(guān)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(dú)立于處理機(jī)之外的自治系統(tǒng)處理機(jī)與外圍設(shè)備之間要有恰當(dāng)?shù)姆止?、層次結(jié)構(gòu)最靠近處理機(jī)的是輸入輸出處理機(jī)、輸 入輸出通道等中間層是標(biāo)準(zhǔn)接口標(biāo)準(zhǔn)接口通過設(shè)備控制器與輸入輸出設(shè)備相連接設(shè)備控制器控制外圍設(shè)備工作3、分類組織為面向字符的設(shè)備（character-orienteddevice）；指工作速度比較低的機(jī)電類設(shè)備。例如，字符終端、打字機(jī)等面向數(shù)據(jù)塊的設(shè)備主要指工作速度比較 高的外圍設(shè)備；例如，磁盤、磁帶、光盤的輔助存儲器，行式打印機(jī)等4.1.3基本輸入輸出方式對于工作速度、工作方式和工作性質(zhì)不同的外圍設(shè)備，基本輸入輸出方式有如下三種。1、程序控制輸入輸出方式程序控制輸入輸出方式：又稱為狀態(tài)驅(qū)動輸入輸出方式、應(yīng)答輸入輸出方式、查詢輸入輸出方式、條件驅(qū)動輸入輸出方式等程序控制輸入輸出方式的4個特點(diǎn)：

(1)何時、對何設(shè)備進(jìn)行輸入或輸出操作受CPU控制

(2)CPU要通過指令對設(shè)備進(jìn)行測試才能知道設(shè)備的工作狀態(tài)?？臻e、準(zhǔn)備就緒、正在忙碌等

(3)數(shù)據(jù)的輸入和輸出都要經(jīng)過CPU

(4)用于連接低速外圍設(shè)備，如終端、打印機(jī)等啟動設(shè)備Done=1否是從輸入設(shè)備寄存

器中讀一個字符

到主存儲器中Ready=1?否是從主存儲器送一個字符到輸出設(shè)備寄存器中結(jié)束鍵盤輸入再顯示的框圖一個處理機(jī)管理多臺外圍設(shè)備。處理機(jī)采用輪流循環(huán)測試方法，分時為各臺外圍設(shè)備服務(wù)程序控制輸入輸出方式的優(yōu)點(diǎn)：

靈活性很好?？梢院苋菀椎馗淖兏髋_外圍設(shè)備的優(yōu)先級程序控制輸入輸出方式的缺點(diǎn)：

實(shí)現(xiàn)處理機(jī)與外圍設(shè)備并行工作困難輸入設(shè)備ID輸出設(shè)備OD處理機(jī)

CPU主存儲

器MM程序控制方式的數(shù)據(jù)傳送過程2、中斷輸入輸出方式中斷輸入輸出方式的定義如下：

當(dāng)出現(xiàn)來自系統(tǒng)外部，機(jī)器內(nèi)部，甚至處理機(jī)本身的任何例外的，或者雖然是事先安排的，但出現(xiàn)在現(xiàn)行程序的什么地方是事先不知道的事件時，CPU暫停執(zhí)行現(xiàn)行程序，轉(zhuǎn)去處理這些事件，等處理完成后再返回來繼續(xù)執(zhí)行原先的程序中斷輸入輸出方式的特點(diǎn)：

(1)CPU與外圍設(shè)備能夠并行工作 (2)能夠處理例外事件。例如，電源掉電、非法指令、地址越界、數(shù)據(jù)溢出、數(shù)據(jù)校驗(yàn)錯、頁面失效等

(3)數(shù)據(jù)的輸入和輸出都要經(jīng)過CPU

(4)靈活性好

(5)用于連接低速外圍設(shè)備在現(xiàn)代計算機(jī)系統(tǒng)中，中斷輸入輸出方式的作用已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了為外圍設(shè)備服務(wù)的范疇，成為現(xiàn)代計算機(jī)系統(tǒng)中非常重要的一個組成部分3、直接存儲器訪問（DMA）方式直接存儲器服務(wù)方式又稱為DMA（DirectMemoryAccess）方式，這種輸入輸出方式主要用來連接高速外圍設(shè)備。例如，磁盤存儲器，磁帶存儲器等DMA方式具有如下特點(diǎn)：

(1)外圍設(shè)備訪問請求直接發(fā)往主存儲器

(2)不需要CPU進(jìn)行保存現(xiàn)場和恢復(fù)現(xiàn)場

(3)DMA控制器中，需設(shè)置數(shù)據(jù)寄存器、設(shè)備狀態(tài)或控制寄存器、主存地址寄存器、設(shè)備地址寄存器和數(shù)據(jù)交換個數(shù)計數(shù)器(4)在DMA方式開始和結(jié)束時，需要處理機(jī)進(jìn)行管理

(5)在DMA方式中，數(shù)據(jù)的傳送過程不需要CPU的干預(yù)

4.2中斷系統(tǒng)4.2.1中斷源的組織4.2.1.1中斷源的種類（1）CPU引起（2）外設(shè)引起（3）存儲器引起（4）控制器引起（5）總線產(chǎn)生（6）實(shí)時過程控制產(chǎn)生（7）實(shí)時鐘（8）多處理器（9）程序調(diào)試（10）硬件故障（11）電源故障

4.2.1.2中斷源的分類（6類）

（1）重新啟動中斷（2）機(jī)器檢驗(yàn)出錯中斷（3）程序性錯誤引起的中斷（4）訪問管理中斷（5）外部中斷（6）輸入輸出4.2.1.3中斷優(yōu)先級中斷優(yōu)先級的決定因素：（1）中斷源急迫性（2）設(shè)備的工作速度（3）數(shù)據(jù)恢復(fù)的難易程度（4）要求處理機(jī)提供的服務(wù)質(zhì)量4.2.2中斷系統(tǒng)的軟硬件功能分配考慮因素：（1）中斷響應(yīng)時間（2）靈活性4.2.2.1中斷處理過程4.2.2.2中斷響應(yīng)時間4.2.2.3識別中斷源的查詢方法4.2.2.4識別中斷源的串行排隊鏈法和中斷向量法4.2.2.5識別中斷源的獨(dú)立請求法4.2.2.6中斷現(xiàn)場的保存和恢復(fù)4.2.3中斷屏蔽4.3通道處理機(jī)把對外圍設(shè)備的管理工作從CPU分離出來從IBM360系列機(jī)開始，普遍采用通道處理機(jī)技術(shù)4.3.1通道的作用和功能4.3.2通道的工作過程4.3.3通道的種類4.3.4通道的中的數(shù)據(jù)傳送過程4.3.5通道流量分析處理機(jī)與外部設(shè)備的連接方式

(1)直接連接

(2)通道處理機(jī) (3)輸入輸出處理機(jī)4.3.1通道的作用和功能1、三種基本輸入輸出方式存在的問題：CPU的輸入輸出負(fù)擔(dān)很重，不能專心于用戶程序的計算工作。

低速外圍設(shè)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(shè)備的初始化、前處理和后處理等工作需要CPU來完成大型機(jī)中的外圍設(shè)備臺數(shù)很多，但一般并不同時工作。讓DMA控制器能被多臺設(shè)備共享，提高硬件的利用率2、通道的主要功能：（1）接受CPU發(fā)來的指令，選擇一臺指定的外圍設(shè)備與通道相連接（2）執(zhí)行CPU為通道組織的通道程序（3）管理外圍設(shè)備的有關(guān)地址（4）管理主存緩沖區(qū)的地址（5）控制外圍設(shè)備與主存緩沖區(qū)間數(shù)據(jù)交換的個數(shù)（6）指定傳送工作結(jié)束時要進(jìn)行的操作（7）檢查外圍設(shè)備的工作狀態(tài)，是正?；蚬收希?）在數(shù)據(jù)傳輸過程中完成必要的格式的變換4.3.2通道的工作過程通道完成一次數(shù)據(jù)輸入輸出的過程需三步：

(1)在用戶程序中使用訪管指令進(jìn)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(jī)執(zhí)行通道程序，完成指定的數(shù)據(jù)輸入輸出工作

(3)通道程序結(jié)束后第二次調(diào)用管理程序?qū)斎胼敵稣埱筮M(jìn)行處理每完成一次輸入輸出工作，CPU只需要兩次調(diào)用管理程序，大大減少了對用戶程序的打擾4.3.3通道種類通道分為三種類型：字節(jié)多路通道、選擇通道和數(shù)組多路通道1、字節(jié)多路通道為多臺低速或中速的外圍設(shè)備服務(wù)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(shè)備控制器2、選擇通道選擇通道為高速外圍設(shè)備服務(wù)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(shè)備服務(wù)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(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)通道控制部分狀態(tài)/控制主存地址至主存儲器選擇通道的結(jié)構(gòu)字節(jié)計數(shù)設(shè)備地址數(shù)據(jù)緩沖數(shù)據(jù)格

式變換字字節(jié)至設(shè)備控制器3、數(shù)組多路通道數(shù)組多路通道：把字節(jié)多路通道和選擇通道的特性結(jié)合起來每次為一臺高速設(shè)備傳送一個數(shù)據(jù)塊，并輪流為多臺外圍設(shè)備服務(wù)數(shù)組多路通道可以被看作是以成組方式工作的高速多路通道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(shù)據(jù)數(shù)組多路通道的實(shí)際工作方式是：

在為一臺高速設(shè)備傳送數(shù)據(jù)的同時，有 多臺高速設(shè)備可以在定位或者在找扇區(qū)與選擇通道相比，數(shù)組多路通道的數(shù)據(jù)傳輸率和通道的硬件利用都很高，控制硬件的復(fù)雜度也高4.3.4通道中的數(shù)據(jù)傳送過程一個字節(jié)多路通道連接P臺設(shè)備，每臺設(shè)備都傳送n個字節(jié)TS：設(shè)備選擇時間；TD：傳送一個字節(jié)的時間；Dij：第i臺設(shè)備的第j個數(shù)據(jù)，其中有： i＝1,2,…,p，j＝1,2,…,n

總共所需要的時間：

TBYTE＝（TS＋TD）·P·nTSTDD11TSTDD21…………TSTDDij…………TSTDDpnT選擇通道連接P臺設(shè)備，每臺設(shè)備都傳送n個字節(jié)TS：設(shè)備選擇時間；TDi：通道傳送第i個數(shù)據(jù)所用的時間；其中有：i＝1,2,…,nDi：通道正在為第i臺設(shè)備服務(wù)，其中有：i＝1,2,…,p總共所需要的時間：TSELETE＝（TS／n＋TD）·P·nTSTD1…TDnD1…………TTSTD1…TDnD2TSTD1…TDnDp數(shù)組多路通道連接P臺設(shè)備，每臺設(shè)備都傳送n個字節(jié)TS：設(shè)備選擇時間，k：一個數(shù)據(jù)塊中的字節(jié)個數(shù)；TDi：通道傳送第i個數(shù)據(jù)所用的時間，其中有：i＝1,2,…,nDi：通道正在為第i臺設(shè)備服務(wù)，其中有：i＝1,2,…,p總共所需要