第4章输入输出系统

第4章输入输出系统内容摘要：

入口地址 CPU 中断响应 中断源 1 中断源 2 …… 中断源 n 或 IOP 中断请求 设备号或中断向量号 识别中断源的串行排队链法 2020年 11月 29日星期日 计算机系统结构 第四章 输入输出系统 41 • 硬件排队器和编码器 I 1 I 0 中断源编码器 D0 的中断请求 D1 的中断请求 D0 的排队器 D1 的排队器 D2 的排队器 D3 的排队器 中断响应 中断源 D0 的请求 中断源 D1 的请求 中断源 D2 的请求 中断源 D3 的请求 四个中断源的中断排队器和编码器 在主存储器的固定区域中开辟出一个专用的 中断向量区。 用硬件排队器和编码器在所有请求中断服务的中断源中 ， 产生具有最高优先级的中断源编号。 隐含执行上面方法中的两条识别中断源的指令 ， 直接通过硬件转向这个中断源的中断服务程序入口。 上面的 4三种识别中断源的方法都属于串行排队链法。 串行排队链法的优点： 识别中断源的速度比较快 ， 特别是中断向量法。 实现比较简单 ， 中断源与处理机的连线很少 串行排队链法的缺点： 灵活性比较差 ， 中断优先级是由硬件固定。 可靠性比较差 ， 由于排队链串行分布在各个中断源中。 各个中断源使用自己独立的中断请求线。 如果同时有多个中断源请求中断服务 ， 通过仲裁线路立即选择具有最高优先级的中断源 ， 并向它发出中断响应信号 INIT， 处理机就可以立即转入这个中断源的中断服务程序。 独立请求法实际上是把分布在各个中断源内的串行排队器都集中到处理机中 ， 从而克服了串行排队链法可靠性差的缺点 ， 但灵活性差的缺点仍然存在。 识别中断源的独立请求法 中断源 1 中断源 2 …… 中断源 n CPU 或 IOP 中断请求 INIR1 中断响应 INIT1 中断请求 INIR2 中断响应 INIT2 …… 中断请求 INIRn 中断响应 INITn 识别中断源的独立请求法 识别中断源的分组独立请求法 把独立请求法与串行排队链法结合起来。 中断源分组：组内采用串行排队链法 ， 组间采用独立请求法。 中断响应 中断源 11 中断源 12 …… 中断源 1n CPU 或 中断请求 …… IOP 中断响应 中断源 P1 中断源 P2 …… 中断源 Pn 中断请求 识别中断源的分组独立请求法 中断现场的保存和恢复 (1)程序计数器 PC，必须由硬件来完成保存 (2)处理机状态字、堆栈指针、基址寄存器、中断屏蔽码等 保存与恢复方法有：主存固定区域，压入系统堆栈、交换处理机状态字。 也可以采用软件在中断服务程序中保存和恢复。 (3)软件现场： 指在中断服务程序中被破坏的通用寄存器。 一般采用软件来保存和恢复现场，指令系统给予适当支持。 也有些处理机采用硬件来保存软件现场，如 Sparc处理机。 中断屏蔽 设置中断屏蔽有三个用处： (1)在中断优先级由硬件确定了的情况下，改变中断源的中断服务顺序。 (2)决定设备是否采用中断方式工作。 (3)在多处理机系统中，把外围设备的服务工作分配到不同的处理机中。 中断屏蔽的实现方法主要有两种： 方法一：每级中断源设置一个中断屏蔽位。 方法二：改变处理机优先级 例 ： 有四个中断源 D D D3和 D4， 它们的中断优先级从高到低分别是 1级 、 2级 、 3级和 4级。 这些中断源的正常中断屏蔽码和改变后的中断屏蔽码见下表。 每个中断源一位 ， 共 4位屏蔽码。 中断源名称 中断优先级 正常中断屏蔽码 D 1 D 2 D 3 D 4 改变后的中断屏蔽码 D 1 D 2 D 3 D 4 D1 D2 D3 D4 1 2 3 4 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 解： 如果 4个中断源都使用正常的中断屏蔽码，处理机的中断服务顺序将严格按照中断源的中断优先级进行。 如果改变中断屏蔽码，当 D D D3和 D4这 4个中断源同时请求中断服务时，处理机实际为各个中断源服务的先后次序就会改变。 处理机响应的顺序是 D D D D4 实际服务的顺序是 D D D D1 　　 中断请求 主程序 中断服务程序　　 D1 D2 D3 D4　 D1,D2,D3,D4　时间 t方法二：改变处理机优先级 例 ： 某处理机共有 4个中断源 D D D3和 D4， 它们的硬件中断优先级从低到高分别为 1级 、 2级 、 3级和 4级。 处理机本身的优先级最低 ， 为 0级。 在中断源 D D D D4的中断向量中 ， 程序员为它们设置的优先级分别为 4级 、 3级 、 2级 、 1级。 解： 在处理机状态字中设置 3个中断屏蔽位。 000为处理机本身的优先级 ， 001～ 100分别表示 4个中断源的中断优先级。 当 4个中断源同时请求中断服务时 ， 解： 处理机实际完成中断服务的过程 是 D D D D1 中断请求 主程序 中断服务程序 D 4 D 3 D 2 D 1 D1 ,D2,D3,D4 时间 t 两种方法的差别有： (1)两者使用的概念不同。 前者使用中断屏蔽 ， 后者使用中断优先级。 (2)需要屏蔽码的位数不同。 前者所需要的屏蔽位数比较多 ， n： log2n (3)可屏蔽的中断源数量和种类不同。 前者可以任意屏蔽掉一个或几个中断源 ， 后者只能屏蔽掉比某一个优先级低的中断源。 通道处理机 把外围设备的管理工作从 CPU中分离出来 主要用于 IBM公司研制的机器中 通道的作用和功能 通道的工作过程 通道的种类 通道中的数据传送过程 通道流量分析 处理机与外部设备的连接方式 (1) 直接连接 (2) 通道处理机 (3) 输入输出处理机 ┅ ┅ ┇ ┇ 处理机 设备 设备 设备 处理机 设备 通道 设备 通道 设备 设备 通道的作用和功能 1. 三种基本输入输出方式存在的问题： CPU的输入输出负担很重，不能专心用于户程序的计算工作。 低速外围设备，每传送每个字符都由 CPU执行一段程序来完成。 高速外围设备的初始化、前处理和后处理等工作需要 CPU来完成。 大型机中的外围设备台数很多，但一般并不同时工作。 让 DMA控制器能被多台设备共享， 提高硬件的利用率。 2. 通道的主要功能： 接受 CPU发来的指令，选择一台指定的外围设备与通道相连接。 执行 CPU为通道组织的通道程序。 管理外围设备的有关地址。 管理主存缓冲区的地址。 控制外围设备与主存缓冲区之间数据交换的个数。 指定传送工作结束时要进行的操作。 检查外围设备的工作状态，是正常或故障。 在数据传输过程中完成必要的格式变换。 通道的工作过程 通道完成一次数据输入输出的过程分为三步： 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。 通道处理机执行通道程序，完成指定的数据输入输出工作。 通道程序结束后再次调用管理程序进行处理。 每完成一次。