第四章 输入输出系统 《计算机系统结构》PPT课件

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4.4 通道处理机(P233)
1. 原因：
在大型计算机系统中，外围设备的台数一般比较多，设备的种类、 工作方式和工作速度的差别较大，为了把对外围设备的管理工作从 CPU中分离出来，采用通道处理技术。
2. 不采用通道处理机技术，将会引起的问题：
a) 所有外围设备的输入输出工作全部都要由CPU来负担， CPU的负担很重；
级最低，为0级。
在中断源D1、D2、D3、 D4的处理机状态字中， 程序员为它们设置的优 先级分别为4级、3级、2
级、1级。
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两种方法的比较
都比较灵活，但是： 1. 两者使用的概念不同；
2. 前者为每个中断源设置一个屏蔽位， 而后者设 置优先级，使用的位数少，前者可屏蔽掉任意 一个或几个中断源，而后者只能屏蔽比自身低 的所有中断源。
优点：完全克服了程序控制方式中处理机和外围设备之间不能并行
的缺点。
现代计算机系统中，中断输入输出方式的作用已经远远超出了 为外围设备服务的范畴，成为现代计算机系统中非常重要的一 个组成部分。
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DMA的特点
1. 主存既可被CPU访问，也可被外围设备访问。 2. 在外围设备与主存间传送数据不需要执行程序，也不用CPU中的
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4.1 I/O原理
• I/O系统能够提供处理机与外部世界进行交往或通信的各种手段。 • 外部世界指处理机以外的需要与处理机交换信息的人和物。
输入
CPU
输出
存储器
• 定义：在计算机系统中，通常把处理机和主存之外的部分称为I/O系统，
它包括I/O设备、I/O接口、I/O软件等。
OC 交换长度
来自百度文库
OC 主存地址
入口
通道程序
置通道地址字 启动I/O
返回
I/O中断响应
通道程序
断开通道指令
I/O中断请求
I/O中断返回
通道完成一次数据传输的主要过程
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8. 通道的分类 (P238)：
a) 字节多路通道：是一种简单的共享通道，主要为多台低速或中速的 外围设备服务。字节多路通道采用分时方式工作，依靠它与CPU之 间的高速数据通路以字节为单位交叉分时为多台设备服务。 子通道 的概念。
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DMA的特点
5. 在DMA方式中CPU不仅能够与外围设备并行工作，而且整个数 据的传送过程不需要CPU干预。如果主存的频宽足够，外围设备 的工作可以不影响CPU运行它自身的程序。
输入设备ID 输出设备OD
主存储器 MM
DMA方式的数据传送过程
处理机 CPU
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实例分析：屏蔽字表、中断服务过程图。
例1.中断屏蔽位
某处理机共有4个中断源 D1、D2、D3、D4，硬 件中断优先级从高到 低分别为1级、2级、3 级、4级。
“1”为屏蔽
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例2.改变处理机优先级
某处理机共有4个中断源 D1、D2、D3、D4，它们 在串行排队链中的硬件 中断优先级从低到高分 别为1级、2级、3级、4 级。处理机本身的优先
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I/O系统的特点
1. 异步性：外围设备相对于处理机通常是异步工作的。 原因：当设备准备好与处理机交往时，要向处理机申请服务。 但申请服务对于处理机来说，这个时间一般是随意的， 两次申请时间之间可能经过很长时间，这就造成输入 输出相对于处理机的异步性和时间上的任意性。
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举例：有4级中断源，优先级从高到低是：1级，2级，3级，4级， 当发生下图所示的中断请求时中断优先级响应次序如下：
中断请求 主程序 中断服务程序 1级 2级 3级 4级
3级，2级 4级
1级
时间T
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多中断源的中断处理
(2)软件服务优先序：在各中断服务程序开头，用软件设置自 己的中断屏蔽字（在主程序中也设置）。以此改变实际服务顺 序(P230)。
b) 选择通道：完成一台设备的全部传输再去为另一台设备服务。
分析： 因为一些高速外围设备需要很高的速传率，则需要设置专 门的通道在一段时间内单独为一台外设服务，但在不同的时间内仍 可选择不同的设备。
c) 数组多路通道：结合字节多路通道和选择通道的特性，它每次选择 一个高速设备后传送一个数据块，并轮流为多台外围设备服务。
2. 实时性：当外围设备与处理机交往时，由于设备的类型不同，他 们的工作步调是不相同的，处理机必须按照不同设备所 要求传送方式和传输速率不失时机地为设备提供服务， 这就要求实时性控制。处理机为了能够为各种不同类型 的设备提供服务，必须具有相配合的工作方式，包括程 序控制方式、中断方式、直接存储器方式等。
第四章 输入输出系统（P208）
输入输出系统是计算机系统中实现各种输入输出任务的资源总称。 它包括各种输入输出设备、相关的管理软件等等。由于输入输出设备的 特殊工作性质使其数据吞吐率通常远低于主机，设计输入输出系统就是 要建立数据交换的最佳方案，使双方都能高效率地工作。
本章重点是中断优先级管理、通道流量设计。
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5. 通道的特点：
• 有一套输入输出功能很强的专用指令系统； • 与主处理机共享主存，存放相应的程序和数据； • 一个通道可以连接多台外部设备； • 主处理机可用"启动I/O"指令来启动一个通道； • 当通道访存与主处理机冲突时，存控部件赋予通道较高的优先权； • 通道程序执行完毕自动转入休眠状态，同时向主处理机发出一个特
b) 大型计算机系统的外围设备台数虽然很多，但是一般并 不同时工作；
3. 从IBM 360系列机开始，普遍采用通道处理机技术
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4. 定义：
通道处理机（简称"通道"）是隶属于主处理机的输入输出专 用协处理机。
分析： 对于DMA方式，每一台快速外围设备都配备一个专用的DMA 控制器作为代价，而在大型计算机系统中，外围设备的数量 显著增加，就存在效率问题，而通道处理机能够负担外围设 备的大部分输入输出工作。
多个中断源同时请求中断服务时，通过软件找到相关的中断源
• 的中断服务程序入口所经历的时间。
以上四部分时间中，1和3 是最重要的。在中断系统的设计中，主要考虑
3部分时间。
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多中断源的中断处理
为了兼顾中断响应的时效与配置的灵活，通常采用两套机制结 合组成中断优先序管理体系。 (1)硬件响应优先序：未被屏蔽的几个中断源同时提出申请时 ，CPU选择服务对象的顺序。它由硬件电路实现，用户不能修 改。如P226图4.11所示。
3. 与设备无关性：各种外部设备必须根据其特点和要求选择一种标 准接口和处理机进行连接，他们之间的差别必须由设备 本身的控制器通过硬件和软件来填补。这样，处理机本 身无须了解外设的具体细节，可以采用统一的硬件和软 件对其管理。
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程序控制I/O方式特点
1. 何时对何设备进行输入输出操作完全受CPU控制。 2. 外围设备与CPU处于异步工作关系。 3. 数据的输入输出都要经过CPU。 4. 用于连接低速外围设备
输入设备ID 输出设备OD
处理机 CPU
程序控制方式的数据传送过程
主存储器 MM
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一台处理机管理两个速度差别很大的一个例子
启动设备
否 Done=1
是
从输入设备寄存器 中读出一个字符到
主存储器中
否 Ready=1
是 从主存储器送一个 字符到输出设备寄
存器中
结束
键盘输入再显示的框图
定的中断申请，通知CPU查询该事件。
6. 地位：
从属于主处理机
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7. 通道的工作过程：
通道完成一次数据输入输出的过程需三步： (1) 在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； (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
解：处理机的实际利用率只有： 100/(109×4）= 0.25×10-7，即4千万分之一。
• 一个处理机管理多台外围设备。处理机采用轮流循环测试方法，分 时为各台外围设备服务。
• 程序控制输入输出方式的优点： 灵活性好。可以很容易地改变各 台外围设备优先级。
• 程序控制输入输出方式的缺点： 实现处理机与外围设备并行工作 困难。
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• 在早期的计算机系统中，一台处理机在一段时间内只管理一台外围 设备，处理机利用率非常低。 例如：处理机在一段时间内只能管理一台打印机。处理机执行指令 的速度为1GIPS，字长32位，打印机每秒钟打印100个字符。处理机 用一条指令就能向打印机传送4个字符。计算其处理机利用率。
输出工作； (3) 通道程序结束后向CPU发出中断请求，第二次调用管理程序对输
入输出请求进行处理。
每完成一次输入输出工作， CPU只需要两次调用管理程序，大 大减少了对用户程序的打扰程序。
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用户程序
管理程序
通道程序
访管
入口
OC 设备号
1. 灵活性：一般情况下，用硬件实现速度快，但灵活性差；但 软件正好相反。这两个要求实际是矛盾的，如果用软件实现 的功能多了，灵活性好了，但中断响应时间就必然要增加。
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中断请求
中断的处理过程
主程序
中断服务处理程序
硬件排队
关中断
保护原屏蔽字
恢复现场和屏蔽字
中断响 应周期
数据寄存器和指令计数器，因此，不需要保护现场和恢复现场， 从而使工作速度加快。 3. 外围设备和主存间的数据交换过程是要在全硬件控制下完成的， 由于它们的传送单位不同，因此，DMA控制器中还要有从字节 装配成字和从字拆卸成字节的硬件。 4. 在DMA方式开始前要对DMA控制器进行初始化，并启动设备开 始工作。结束后要向CPU申请中断，在中断服务程序中对主存中 数据缓冲区进行后处理。
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中断I/O方式
定义：当出现来自系统内部、机器内部、甚至处理机本身的任何例
外的，或者虽是事先安排的，但出现在程序的什么地方是事先 不知道的事件时，CPU暂停现行程序，转去处理，处理完后再 继续执行原先的程序。
特点:
a) CPU与外围设备能够并行工作。 b) 能够处理例外事件。 c) 数据的输入和输出都要经过CPU，灵活性好。 d) 一般用于连接低速外围设备。
保护现场 设置新的屏蔽字
返回 其它中断请求
开中断
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中断响应时间(P223)
影响中断响应时间的因素主要有4个： 最长指令执行时间。在一条指令执行期间，一般不允许被中断。
但在CISC中，有些指令的执行时间很长，甚至无法预测。为了 实现这一点，在处理机中也必须采取相应的措施。
例如：某个硬件响应优先级高的中断源，其中断服务程 序执行中屏蔽了自身，而开放了某个硬件响应优先级比它低的 中断源，后者就可以在前者刚开放中断时就打断它，从而在实 际上先得到服务。
中断服务过程示意图如P231图4.14所示。 由于常规用户主程序对处理机的需求紧迫性最低，所以它 的中断屏蔽字是“全部开放”。 (3)实例分析：屏蔽字表、中断服务过程图。（P230倒数第8行 开始）
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4.3 中断优先级管理(P219)
• 中断是为实时任务优先获得处理机资源而采用的一种调
度技术，当系统中存在多个中断源时必须根据实时性强弱
设定优先顺序，这也被称为中断的分级。
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中断系统的软硬件功能分配
• 主要考虑两个因素：
1. 中断响应时间：从某一中断源发出中断请求到处理机响应这 个中断源的中断请求服务，并开始执行这个中断源的中断请 求服务程序所用的这一段时间。在实时计算机系统中 ，它是 整个计算机系统的一个关键性指标。
在一条指令执行完成后，处理其他更紧急的任务所用时间。如： 采用周期窃取方式工作的DMA服务请求等。
从第一次“关CPU中断”到第一次“开CPU中断”所经历的时间。 在整个中断响应时间中，这一段时间最重要。如果用硬件来完 成，中断响应时间就可以大大缩短。相反用软件实现会使响应 时间很长。中断系统的软硬件功能分配，主要就是考虑这一段 时间用硬件还是用软件来实现。