计算机体系结构(金星)第三章输入输出系统

ComputerArchitecture(计算机体系结构),主讲人：金星QQ:65149264Telmail:jinxing,假如我是阿姆达尔,处理器为40MHz，测试程序各类指令如下：计算该处理机对该测试的CPI和速率（MIPS）。,探索最大可能,某机的指令字长为16位单地址指令双地址指令每个地址字段为6位双地址指令有A条问：单地址指令最多可以有多少条？,第3章存储,中断,总线与I/O系统,1:多体交叉并行主存2:总线仲裁3:中断优先级变更4:通道,一、存储系统原理1存储器性能指标,（1）容量：用字节B，千字节KB，兆字节MB和千兆GB等单位表示。SM=WlmW表示存储体的字长，l表示存储体的字数，m表示存储体的个数,（2）速度：速度用存储器的访问时间(TA)、存储周期(TM)、频带宽度(BM)等表示BM=mW/TM（3）价格：用单位容量的价格表示。C/bit或C/KB。,用户需求,人们对存储器的要求是容量大，速度快，价格低。(1)容量大，每位价格低(2)容量大，速度慢(3)速度快，每位价格高,存储系统,长期存在的问题：在合理的总价格限制下，主存设备的速度跟不上CPU的发展，容量不能满足软件尺寸扩大。本章学习两种提高主存系统性能/价格比的结构化方法：并行存储器与存储层次技术。后者为主。,并行主存系统,单体单字存贮器,单体多字(m=4)存贮器,多体(m=4)交叉存贮器,4个分体分时启动的时间关系,多体并行交叉访问存储器模M主存储器：分为M个存储体的主存储器。交叉访问：分时启动，互相错开一个存储体存储周期的1/M，交叉进行工作。,MBR,存储体0,MAR,MBR,存储体n-1,MAR,MBR,存储体1,MAR,存储器地址寄存器（高位）,译码器,（低位）,2并行存储器,并行存储器技术的基本思想是用多个独立的存储部件组成主存系统，让它们并行工作，在一个存储周期内可以访问到多个数据，从而实现较高的存取流量。并行存储器包括多种类型，我们仅介绍提高访问速度效果最显著的低位交叉访问这一种。,低位交叉访问并行存储器的结构：,它由n个存储体组成（一般n为2的整次幂），每个体均有独立的地址译码器和数据缓冲器，以主存地址低位字段（最低的log2n位）作为体选译码信号，而剩下的高位字段则是体内地址。如图所示（设n=4）。,例如，n=8m=4多体并行低位交叉编址,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,b,a,0,9,18,27,1,25,10,30,4个体并行,2个体并行,并行存储器频宽分析,其中B为每个主存周期所能访问到的平均字数，为转移概率，m为存储体数,m个分体并行存取的B=f()曲线,3存储层次的工作原理,二、中断系统,基本概念中断中断请求中断响应中断服务程序,3.2.1中断的分类和分级,中断源。中断请求。多个中断源同时请求，中断优先级。中断响应:保存断点/现场，调出中断处理程序。交换新旧程序状态字PSW(ProgramStatusWord)。中断屏蔽。,IBM370把中断分成机器校验、管理程序调用、程序性、外部、输入/输出和重新启动6类。机器校验中断:电源故障、运算电路的误动作、主存出错、通道动作故障、处理器的各种硬件故障等等。访管中断:用户程序需要操作系统调用.程序性中断:指令和数据的格式错、非法指令、目态下使用管态指令、主存访问方式保护、寻址超过主存容量、各种溢出、除数为“0”、有效位为0等。,外中断:定时器中断、外部信号中断及中断键中断。输入/输出中断:CPU与I/O设备及通道联系的工具，在输入输出操作完成、I/O通道或设备产生故障时发出。重新启动中断:操作员或另一台CPU要启动一个程序所用。PSW:每类的具体中断原因,中断屏蔽字,2、中断的分级,根据中断的性质、紧迫性重要性以及软件处理的方便性确定响应中断的优先级,例IBM370的中断分级第一级：机器校验第二级：访管、程序性中断第三级：外部中断第四级：输入输出中断第五级：重新启动中断,3中断优先级管理,(1)硬件响应优先序：用硬件排队器与比较器实现中断响应次序依照中断优先级顺序，用户不能修改。(2)软件服务优先序：在各中断服务程序设置自己的中断屏蔽字，用户可以通过设置不同中断屏蔽字灵活地改变中断的实际服务顺序。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。,实例分析,屏蔽字表中断服务过程图,中断优先级动态变更,中断响应次序-硬件固定式1234中断处理次序-软件（屏蔽字）决定1级2级3级4级第1级0000第2级1000第3级1100第4级1110,中断处理次序-软件（屏蔽字）决定1级2级3级4级第1级0000第2级1011第3级1001第4级1000处理的优先次序1432屏蔽字决定,00001011100110001432,4、中断系统的软硬件功能分配,接受中断请求，保存中断断点，清除中断请求，识别中断源，确定中断优先级，转中断服务程序入口，保存现场，执行中断服务程序，恢复现场，返回中断点,4、中断系统的软硬件功能分配,接受中断请求，保存中断断点，清除中断请求，识别中断源，确定中断优先级，转中断服务程序入口，保存现场，执行中断服务程序，恢复现场，返回中断点,软件,硬件,软硬都行,4、中断系统的软硬件功能分配,接受中断请求，中断请求的保存与清除，确定中断源，中断响应次序的确定，中断断点与现场的保存，选择中断服务程序，中断返回,程序查询,硬件排队器与比较器中断向量表,硬件状态用程序状态字表示,软件,硬件,软硬结合,你来设计：提高系统性能,假设向量指令VP的比例30%，其中图形指令IVP占全部指令的4%，VP操作的平均CPI为5，IVP的CPI为20，其他指令的平均CPI为1.25。第一种改进：IVP的CPI加速到3第二种改进：VP的平均CPI加速到3试比较应当采取哪一种方案。,二、总线,总线是连接数字系统的信号线集。它用于连接计算机系统中的设备，是各设备之间共享的通信链路。,3.3总线系统,3.3.1专用总线与非专用总线,1总线的分类,传输方向单向双向（半双工、全双工）用法专用：流量高、无争用现象、控制简单；总线数目多，时间利用率低，难小型化。非专用：共享性。造价低、模块性强，易扩充会出现争用现象、对失效敏感。,(3)按设备定时方式分类：同步总线：同步总线上所有设备通过统一的总线系统时钟进行同步。异步总线：设备之间设有统一的系统时钟，设备之间的信息传送用总线发送器和接收器控制。,3.3.2总线控制方式(总线仲裁),工作原理，控制线线数，故障隔离，优先权链式,总线的控制方式,（1）串行链接方式线数=3优点：实现简单，线数少，扩充性好缺点：优先级固定，部件间的依赖性大,记数定时查询：记数查询线,（2）定时查询方式,线数=2+log2N优点：部件间互不依赖，优先级灵活缺点：扩充性差,独立请求,（3）独立请示方式,线数=2N+1优点：总线分配快缺点：线数多,3总线的通讯技术,同步通讯：两部件由定宽、定距的时标同步。传输速率高，受总线长度影响小。但有同步误差。提高可靠性的方法：目的部件作回答。异步通讯：单向控制-（源/目的）双向控制-互锁/非互锁,互锁,互锁与数据传送,联想：串口的起止式异步通信,例：传送8位数据45H（0100,0101B）,4数据宽度与总线线数,数据宽度：I/O设备取得I/O总线后所传送数据的总量数据通路宽度：数据总线的的物理宽度总线线数通过线的组合、编码及并/串-串/并转换等方式减少线数,输入输出系统,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。,一、基本输入输出方式,程序控制I/O方式(程序查询、中断)DMA方式I/O处理机方式(通道方式、外围处理机),3.4.2通道处理机,三种基本输入输出方式(查询,中断,DMA)存在的问题：CPU的输入输出负担很重，不能专心于用户程序的计算工作。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,四、通道处理机,1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。,2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定的中断申请，通知该事件。,3通道工作过程,CPU运行用户程序,通道运行存放在主存中的通道程序,编制通道程序,请求输入输出访管指令,启动I/O通道,组织I/O操作,向CPU发中断请求,登记或处理,CPU运行管理程序,响应I/O中断请求,时间t,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)通道处理机执行通道程序，完成指定的数据输入输出工作(3)通道程序结束后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,4通道的功能,(1)接受CPU的输入输出操作指令，按指令要求控制外设。(接受指令)(2)从主存读取通道程序，并执行(即向设备控制器发送各种指令)。(执行程序)(3)组织和控制数据在内存与外设之间的传送操作。(传送数据)(4)读取外设的状态信息，形成整个通道的状态信息，提供给CPU或保存在主存中。(通道状态)(5)向CPU发出输入输出操作中断请求。(中断请求),通道的硬件组成部分,寄存器：数据缓冲寄存器，主存地址计数，传输字节数计数器，通道命令字寄存器，通道状态字寄存器。控制器分时控制，地址分配，数据传送，数据装配和拆卸。,5通道的种类,根据通道数据传送中信息传送方式的不同，分字节多路、选择和数组多路三类通道。(1)字节多路通道选择一次设备，传送一个字节。在一个时间段内，分时地为多台低速或中速的外围设备服务。(2)数组多路通道选择一次设备，传送定长的多个字节，适用于高速外围设备服务。在一个时间段内，只为一台设备服务。但一台设备的数据传送与多台设备的寻址重叠。(3)选择通道数据传送以不定长块方式进行，每次将N字节的数据全部传送完毕，适合于优先级高的磁盘等高速设备。它独占通道,IBM370,IBM370的I/O结构,5通道的种类,通道中的数据传送过程,P台设备，每台设备传送n个字节TS：设备选择时间；TD：传送一个字节的时间；字节多路通道：每台设备选中一次传送一个字节总共所需要的时间：TBYTE（TSTD）Pn选择通道:每台设备选中一次都传送n个字节总共所需要的时间：TSELETE（TSnTD）Pn,数组多路通道连接P台设备，每台设备都传送n个字节TS：设备选择时间，k：一个数据块中的字节个数；TDi：通道传送第i个数据所用的时间，其中有：i1,2,nDi：通道正在为第i台设备服务，其中有：i1,2,p总共所需要的时间：TBLOCK=(TS/k+TD)Pn,6通道流量分析,通道流量(通道吞吐率，通道数据传输速率)指一个通道在数据传送期间，单位时间内能够传送的最大数据量，一般用字节个数来表示。通道极限流量(最大流量)：一个通道在满负荷工作状态下的流量称为通道最大流量。,(1)字节多路通道,给P台设备各传送n个字节所需时间通道极限流量通道实际流量,(2)数组多路通道,给P台设备各传送n个字节所需时间通道极限流量通道实际流量,(3)选择通道,给P台设备各传送n个字节所需时间通道极限流量通道实际流量=实际最大流量,通道极限流量(从通道角度),通道实际最大流量(从设备角度),fi为该通道上连接的第i个设备的数据传输速率,通道正常工作的基本条件,通道实际流量不大于通道极限流量,小练习,一个字节多路通道连接D1，D2，D3，D4，D55台设备，这些设备分别以10微秒，30微秒，30微秒，50微秒和75微秒向通道发出一次数据传送的服务请求，请回答下列问题：1、计算这个通道的实际流量和工作周期。2、如果设计通道的最大流量正好等于通道实际流量，并假设对数据传输率高的设备优先级高。5台设备在0时刻同时发出第一次传送数据的请求。画出通道分时为设备服务的时间关系图，并计算通道处理完各台设备的第一次请求的时刻。3、从时间关系图上发现什么问题？如何解决这个问题？,(1)f=1/10+1/30+1/30+1/50+1/75=0.2MB/sT=Ts+TD=1/f=5s/B(2)D1的第一次数据请求在5s时处理完D2的第一次数据请求在10s时处理完D3的第一次数据请求在20s时处理完D4的第一次数据请求在30s时处理完D5的第一次数据请求没有响应(3)增加通道的最大流量或动态改变设备的优先级或增加一定数量的数据缓冲器,解决方案,增加通道的最大流量动态改变设备的优先级