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第四章 输入输出系统 《计算机系统结构》PPT课件

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。
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。
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
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)
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。 421
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;
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
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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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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。
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

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
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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。
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
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
OC 交换长度
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。
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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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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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。
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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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
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