《计算机系统结构》系统结构6

1、章节题 目主要内容6.1I/O系统性能与CPU性能系统响应时间=I/O系统响应时间+CPU处理时间评价I/O系统性能的参数：链接特性、容量、响应时间、吞吐率6.2I/O系统的可靠性、可用性和可信性可靠性/可用性/可信性，平均无故障时间、失效率系统失效率为部件失效率之和6.3廉价磁盘冗余阵列RAID根据粒度和纠错来划分，RAID0-RAID66.4总线共享介质、总线宽度、同步/异步、分离事务总线、CPU与外部设备的输入输出方式（程序查询、中断、DMA、通道处理机）补充基本输入输出方式程序控制输入输出、中断输入输出、直接存储器访问补充中断系统中断源的组织、中断系统的软硬件功能分配6.5通道处理机通

2、道处理机功能、工作过程、三种通道（字节多路、选择、数组多路）、通道最大流量、通道实际流量6.1 I/O系统性能与CPU性能输入/输出系统简称I/O系统它包括：I/O设备I/O设备与处理机的连接线路I/O系统是计算机系统中的一个重要组成部分完成计算机与外界的信息交换给计算机提供大容量的外部存储器 按照主要完成的工作进行分类：存储I/O系统（本章内容） 通信I/O系统6.1 I/O系统性能与CPU性能人们对I/O系统的作用和性能没有给予足够的重视人们更多地关注：CPU的性能 许多人甚至认为CPU的速度就是计算机的速度。I/O设备通常被称为外围设备。 （外围的就似乎没那么重要了） 系统的响应时间(衡

3、量计算机系统的一个更好的指标)从用户输入命令开始，到得到结果所花费的时间。系统响应时间= I/O系统的响应时间+ CPU的处理时间 6.1 I/O系统性能与CPU性能使用多进程技术能够改善系统响应时间？多进程技术只能够提高系统吞吐率，并不能够减 少系统响应时间。进程切换时可能需要增加I/O操作。可切换的进程数量有限，当I/O处理较慢时，仍 然会导致CPU处于空闲状态。 6.1 I/O系统性能与CPU性能 例6.1 假设一台计算机的I/O处理时间占响应时间的10%，当I/O性能保持不变，而对CPU的性能分别提高10倍和100倍时，该计算机系统的总体性能会发生什么样的变化？ 6.1 I/O系统性能

4、与CPU性能 解 假设改进前程序的执行时间为1个单位时间。 （1）如果CPU的性能提高10倍，程序的执行时间（包含I/O处理时间）减少为： (110%) / 10 + 10% = 0.19 即整机性能只能提高到原来的约5倍，约50%的CPU性能被浪费在I/O处理上。 （2）如果CPU的性能提高100倍，程序的执行时间减少为： (1 10%) / 100 + 10% = 0.109 这表示整机性能只能提高约10倍，约90%的性能被浪费在没有改进的I/O处理上。 6.1 I/O系统性能与CPU性能评价I/O系统性能的参数主要有：连接特性（哪些I/O设备可以和计算机系统相连接）I/O系统的容量（I/

5、O系统可以容纳的I/O设备数）响应时间吞吐率另一种衡量I/O系统性能的方法： 考虑I/O操作对CPU的打扰情况。 即考查某个进程在执行时，由于其他进程的I/O操作，使得该进程的执行时间增加了多少。 1. 反映外设可靠性能的参数有：可靠性（Reliability）可用性（Availability）可信性（Dependability）6.2 I/O系统的可靠性、可用性和可信性6.2 I/O系统的可靠性、可用性和可信性MTTF的倒数就是系统的失效率。如果系统中每个模块的生存期服从指数分布，则系统整体的失效率是各部件的失效率之和。系统中断服务时间：平均修复时间（MTTR）2. 系统的可靠性：系统从某个

6、初始参考点开始一直连续提供服务的能力。 用平均无故障时间MTTF来衡量。 （Mean Time To Failure） 6.2 I/O系统的可靠性、可用性和可信性3. 系统的可用性：系统正常工作的时间在连续两次正常服务间隔时间中所占的比率。MTTF+MTTR：平均失效间隔时间MTBF （Mean Time Between Failure）4. 系统的可信性：服务的质量。即在多大程度上可以合理地认为服务是可靠的。（不可以度量）6.2 I/O系统的可靠性、可用性和可信性 例6.2 假设磁盘子系统的组成部件和它们的MTTF如下：（1）磁盘子系统由10个磁盘构成，每个磁盘的MTTF为1000000小时

7、；（2）1个SCSI控制器，其MTTF为500000小时；（3）1个不间断电源，其MTTF为200000小时；（4）1个风扇，其MTTF为200000小时；（5）1根SCSI连线，其MTTF为1000000小时。 假定每个部件的生存期服从指数分布，同时假定各部件的故障是相互独立的，求整个系统的MTTF。6.2 I/O系统的可靠性、可用性和可信性 解 整个系统的失效率为： 系统的MTTF为系统失效率的倒数，即： 即将近5年。 6.2 I/O系统的可靠性、可用性和可信性5. 提高系统组成部件可靠性的方法 有效构建方法（valid construction） 在构建系统的过程中消除故障隐患，这样建立

8、起来的系统就不会出现故障。纠错方法（error correction） 在系统构建中采用容错的方法。这样即使出现故障，也可以通过容错信息保证系统正常工作。 回顾：磁盘数据组织同心圆 - 磁道，与磁头同宽相邻磁道之间有间隙，防止或者减少磁头未对准或磁域引起的干扰数据以扇区为单位传入或者传出磁盘。扇区大小可以是固定的，也可以是可变的。扇区间也有间隙。磁道+扇区 寻址6.3 廉价磁盘冗余阵列RAID该图取自计算机组成与体系结构性能设计磁盘阵列DA（Disk Array）：一组物理磁盘驱动器，在操作系统下被视为单一的逻辑驱动器。多个磁盘并行工作。以条带（striping）为单位把数据均匀地分布到多个磁

9、盘上。（交叉存放）条带存放可以使多个数据读/写请求并行地被处理，从而提高总的I/O性能。6.3 廉价磁盘冗余阵列RAID数据映射（以RAID0为例）所有数据和系统数据看成是存储在逻辑磁盘上；磁盘以条带的形式划分，条带可以是物理的块、扇区、或者其他单位。一组逻辑上连续的条带作为条带集，与每个磁盘中一个条带映射。6.3 廉价磁盘冗余阵列RAID该图取自计算机组成与体系结构性能设计6.3 廉价磁盘冗余阵列RAID2. 这里并行性有两方面的含义： 多个独立的请求可以由多个盘来并行地处理。 减少了I/O请求的排队等待时间 如果一个请求访问多个块，就可以由多个盘合作来并行处理。 提高了单个请求的数据传输率

10、问题：阵列中磁盘数量的增加会导致磁盘阵列可靠性的下降。 如果使用了N个磁盘构成磁盘阵列，那么整个阵列的可靠性将降低为单个磁盘的1/N。解决方法：在磁盘阵列中设置冗余信息盘 当单个磁盘失效时，丢失的信息可以通过冗余盘中的信息重新构建。 6.3 廉价磁盘冗余阵列RAID廉价磁盘冗余阵列 Redundant Arrays of Inexpensive Disks 磁盘冗余阵列 Redundant Arrays of Independent Disks 简称盘阵列技术1988年，Patterson教授首先提出。6.3 廉价磁盘冗余阵列RAID大多数磁盘阵列的组成可以由以下两个特征来区分：数据交叉存放的

11、粒度（可以是细粒度的，也可以是粗粒度的）细粒度磁盘阵列是在概念上把数据分割成相对较小 的单位交叉存放。 优点：所有I/O请求都能够获得很高的数据传输率。缺点：在任何时间，都只有一个逻辑上的I/O在处 理当中，而且所有的磁盘都会因为为每个请求进行 定位而浪费时间。粗粒度磁盘阵列是把数据以相对较大的单位交叉存放。多个较小规模的请求可以同时得到处理。对于较大规模的请求又能获得较高的传输率。冗余数据的计算方法以及在磁盘阵列中的存放方式 6.3 廉价磁盘冗余阵列RAID在磁盘阵列中设置冗余需要解决以下两个问题：如何计算冗余信息?大多都是采用奇偶校验码；也有采用汉明码（Hamming code）或Reed

12、-Solomon码的。 如何把冗余信息分布到磁盘阵列中的各个盘?有两种方法：把冗余信息集中存放在少数的几个盘中。把冗余信息均匀地存放到所有的盘中。 （能避免出现热点问题） RAID级别 可以容忍的故障个数以及当数据盘为8个时，所需要的检测盘的个数 优 点 缺 点 公司产品 RAID的分级及其特性 6.3 廉价磁盘冗余阵列RAID有关RAID的几个问题如何发现磁盘的故障如何减少平均修复时间MTTR非冗余阵列，无冗余信息。严格地说，它不属于RAID系列。把数据切分成条带，以条带为单位交叉地分布存放到多个磁盘中。6.3.1 RAID06.3 廉价磁盘冗余阵列RAID6.3 廉价磁盘冗余阵列RAID亦

13、称镜像盘，使用双备份磁盘。每当把数据写入磁盘时，将该数据也写入其镜像盘，形成信息的两个副本。6.3.2 RAID16.3 廉价磁盘冗余阵列RAIDRAID1的特点磁盘和镜像盘同时独立工作，由最先读出数据的磁盘提供数据，能实现快速的读取操作。写性能由写性能最差的磁盘决定。不需要计算冗余信息，相对以后各级RAID来说，RAID1的写速度较快。可靠性很高，数据的恢复很简单。最昂贵的解决方法，物理磁盘空间是逻辑磁盘空间的两倍。 6.3 廉价磁盘冗余阵列RAID存储器式的磁盘阵列（按汉明纠错码的思路构建）含4个数据盘的RAID26.3.3 RAID26.3 廉价磁盘冗余阵列RAIDRAID2的特点每个数

14、据盘存放所有数据字的一位 （位交叉存放）各个数据盘上的相应位计算汉明校验码，编码位被存放在多个校验（ECC）磁盘的对应位上。冗余盘是用来存放汉明码的，其个数为log2m级。 m：数据盘的个数（也就是数据字的位数） m+p+1 = 2p并未被广泛应用，目前还没有商业化产品。6.3 廉价磁盘冗余阵列RAID位交叉奇偶校验盘阵列6.3.4 RAID36.3 廉价磁盘冗余阵列RAIDRAID3的特点采用奇偶校验写数据时为每行数据形成奇偶校验位并写入校验盘读出数据时如果控制器发现某个磁盘出故障，就可以根据故障盘以外的所有其他盘中的正确信息恢复故障盘中的数据。（通过异或运算实现） 细粒度的磁盘阵列，即采用

15、的条带宽度较小。 （可以是1个字节或1位）只需要一个校验盘，校验空间开销比较小。 6.3 廉价磁盘冗余阵列RAID块交叉奇偶校验磁盘阵列 采用比较大的条带，以块为单位进行交叉存放和计算奇偶校验。实现目标：能同时处理多个小规模访问请求6.3.5 RAID46.3 廉价磁盘冗余阵列RAIDRAID4读写特点读取操作每次只需访问数据所在的磁盘。仅在该磁盘出现故障时，才会去读校验盘，并进行数据的重建。写入操作假定:有4个数据盘和一个冗余盘。写数据需要2次磁盘读和2次磁盘写操作。6.3 廉价磁盘冗余阵列RAIDRAID4能有效地处理小规模访问，快速处理大规模访问，校验空间开销比较小。6.3 廉价磁盘冗余

16、阵列RAID块交叉分布奇偶校验磁盘阵列 数据以块交叉的方式存于各盘，无专用冗余盘，奇偶校验信息均匀分布在所有磁盘上。 6.3.6 RAID56.3 廉价磁盘冗余阵列RAIDPQ双校验磁盘阵列 特点校验空间开销是RAID5的两倍 容忍两个磁盘出错 6.3.7 RAID66.3 廉价磁盘冗余阵列RAIDRAID10又称为RAID1+0 先进行镜像（RAID1），再进行条带存放（RAID0） 6.3.8 RAID10与RAID016.3 廉价磁盘冗余阵列RAIDRAID01又称为RAID0+1先进行条带存放（RAID0），再进行镜像（RAID1） 6.3 廉价磁盘冗余阵列RAID实现盘阵列的方式主要

17、有三种：软件方式：阵列管理软件由主机来实现。优点：成本低缺点：过多地占用主机时间，且带宽指标上不去。阵列卡方式：把RAID管理软件固化在I/O控制卡上，从而可不占用主机时间，一般用于工作站和PC机。子系统方式：一种基于通用接口总线的开放式平台，可用于各种主机平台和网络系统。6.3.9 RAID的实现与发展6.3 廉价磁盘冗余阵列RAID磁盘阵列技术研究的主要热点问题新型阵列体系结构；RAID结构与其所记录文件特性的关系；在RAID冗余设计中，综合平衡性能、可靠性和开销的问题；超大型磁盘阵列在物理上如何构造和连接。总线关键特征 共享传输介质多条通信线路并行传送系统总线6.4 总 线数据线：32、

18、64、128个分离导线，线数目称为总线宽度地址线：宽度决定了系统能够使用的最大存储器容量。存储器寻址、I/O寻址控制线：控制对数据线和地址线的存取和使用。 典型控制信号：存储器读/写、I/O读/写、传输响应、总线请求、总线允许、中断请求、中断响应、时钟、复位。物理上卡或者板上刷出来的平行导线。延伸到所有部件2. 多层次总线结构 大量的设备连接到总线上，有两个问题： 总线上连接的设备越多，总线越长，传输延迟越大。总线上连接的设备越多，请求越多，总线成为瓶颈解决方案 分层组织传统总线结构局部总线连接高速缓存、处理器，支持一个或多个局部设备存储器挂接系统总线I/O控制器挂接扩展总线，优点：支持多种I

19、/O设备；将存储器到处理器的传输与I/O隔离开高性能总线结构局部总线连接处理器和高速缓存高速缓存和存储器连接到系统总线高速缓存控制器集成到连接高速总线的桥或者缓冲设备中低速设备挂接扩展总线结构优点：高速总线使高需求设备与处理机紧密集成。3. 总线的设计类型仲裁方式时序分离事务总线3. 总线设计 总线类型专用：使用分立专用的地址线和数据线复用：数据和地址共享总线，通过地址有效控制线控制3. 总线设计 仲裁方式集中式：总线控制器分配总线时间链式查询：授权信号BG传递计数器定时查询：请求，计数，占用独立请求：独立的请求/授权线分布式：每个模块包含访问控制逻辑，以优先级仲裁策略为基础3. 总线设计 时

20、序 同步由时钟决定包括时钟信号线，时钟周期（时间槽）大多数事件在一个时钟周期内完成例子处理器在第一个时钟周期放地址，地址稳定后，给地址允许信号读操作：给读命令，将数据放到数据线上写操作：放数据，给写命令3. 总线设计 时序 异步一个事件的发生取决于前一个事件的发生，建立在应答式或互锁式的机制上。读：处理器发送地址信号和状态信号；信号稳定后，处理器发出读命令；存储器放数据；数据线上信号稳定，存储器模块确认信号有效，通知处理器数据可用；处理器读取数据后，撤销读信号；存储器模块撤销数据和确认信号。写：主控者发送地址信号、状态信号和数据；信号稳定后，发出写命令；存储器响应写命令，复制数据；存储器确认数

21、据有效；主控者撤销写命令；存储器撤销确认信号。3. 总线设计 分离事务总线（又称：流水总线、悬挂总线、包交换总线）在有多个主设备时，可以通过打包技术来提高总线带宽。基本思想将总线事务分成请求和应答两部分。在请求和应答之间的空闲时间内，总线可以供其他的I/O使用，这样就不必在整个I/O过程中都独占总线。 分离事务总线有较高的带宽，但是它的数据传送延迟通常比独占总线方法大。 6.4 总 线以读为例读操作分成2部分：包含地址的读请求，包含数据的存储器应答每个操作的这两个部分用标识区分，以便于CPU和存储器能够知道哪个应答对应哪个请求地址地址1 地址2 地址3数据数据0 数据1等待等待1 完成1 6.

22、4 总 线4. CPU与外部设备进行输入/输出的方式程序查询中断DMA通道 补充补充：基本的输入输出方式程序查询中断DMA补充程序控制输入输出 又称为状态驱动输入输出、应答输入输出、查询输入输出、条件驱动输入输出。补充程序控制输入输出特点何时进行输入输出操作由CPU控制外围设备与CPU处于异步工作关系。数据都经过CPU低速设备程序控制输入输出缺点不能实现处理机与外围设备并行工作补充程序控制输入输出优点灵活性好 如，在多个外设的情况下，通过改变测试顺序，很容易改变设备优先级。补充中断外围设备方面，变被动为主动CPU方面，测试是否有中断请求特点CPU和外设能够并行工作能够处理例外事件，如电源掉电、

23、非法指令等；数据的输入输出经过CPU灵活性好低速设备补充DMA特点主存储器既可以被CPU访问，也可以被外围设备访问。访存排队，外围设备访问优先级高；不需要执行程序，不需要动用CPU中的数据寄存器和指令计数器，不需要现场恢复等，工作速度加快；DMA控制器：数据缓冲寄存器、设备状态寄存器或控制寄存器、主存储器地址寄存器、设备地址寄存器、数据交换个数计数器。数据交换过程硬件控制完成。装字、拆字。DMA控制器初始化：主存缓冲区首地址、设备地址、交换数据块长度；结束后，申请中断。整个数据传送过程不需要CPU干预。补充DMA工作流程输入设备从输入介质上读一个字节或字到DMA控制器中的数据缓冲寄存器中，如果

24、是面向字符的，则装配成字；将装配满的字送入到主存数据寄存器；DMA控制器中的主存地址寄存器中的地址送入到主存地址寄存器， DMA控制器中的主存地址增1；DMA控制器中的数据交换个数计数器减1；计数器为0，结束。DMA工作流程输出设备DMA控制器中的主存地址寄存器中的地址送入主存地址寄存器，启动主存， DMA控制器中的主存地址增1；主存数据寄存器中的数据送入DMA控制器的数据缓冲寄存器中；输出到输出介质；DMA控制器中的数据交换个数计数器减1，计数器为0则结束。使用方式周期窃取直接存取数据块传送补充中断系统 中断源的组织中断可能由什么导致的？外围设备导致的，如DMA完成一个数据块传送处理机产生的

25、，如算数运算操作溢出存储器产生的，如非法地址控制器产生的，如非法指令总线产生的，如输入输出总线出错实时过程控制产生的，如实时检测设备采样中断程序调试过程中的断点硬件故障电源故障 。补充中断系统 中断源的组织中断的分类IBM机器对中断的分类：重启中断：人为操作机器检验出错中断：硬件或者软件故障程序性错误引起的中断：指令或数据格式错、非法操作码。访问管理程序中断：执行访管指令外部事件中断：来自机器外部输入输出中断：后四类中断源各有一个16位的中断码，用来区分各个具体的中断源。补充中断系统 中断源的组织两类中断：可屏蔽中断不可屏蔽中断有些机器按照中断事件的紧迫程度来划分可屏蔽中断和不可屏蔽中断，例如

26、把电源掉电、机器故障等划分为不可屏蔽中断。IBM370 系列机器中，执行现行指令引起的中断划分为不可屏蔽中断，如运算结果溢出、主存页面失效。出现则立刻处理，否则中断请求容易被丢失；可屏蔽中断是与当前进程无关的中断，因为可以被保存起来。补充中断系统 中断源的组织中断的优先级考虑的因素：中断源的急迫性：机器性故障高，程序性故障低设备工作速度（高到底）：实时钟、磁盘、行式打印机、控制台终端输出、控制台键盘输入数据恢复难以程度：数据丢失后难以恢复的设备，优先级高于能自动或者手动恢复的要求处理机提供的服务质量。能够大部分时间独立工作而较少要求处理机干预的时间，优先级高于处理机连续为它服务的事件。补充中断

27、系统 中断源的组织按照中断优先级响应中断请求的例子4个中断源，从高到低依次是1、2、3、4；执行主程序时，3、2级请求中断4级请求中断；2级中断处理完，返回主程序，选择3级中断处理；3级处理完，返回主程序，处理4级；产生1级中断，直接转移去执行1级中断，处理1级中断；1级中断处理完，继续处理4级中断。补充中断系统 中断系统的软硬件功能分配需要考虑的因素：中断响应时间 从某个中断源发出中断服务请求，到处理机响应这个中断源的服务请求，开始执行中断源的服务程序所需要的时间。灵活性 硬件时间速度快，灵活性差；软件相反。补充中断系统 中断系统的软硬件功能分配中断处理过程现行指令执行结束，且没有更急的请求

28、（如周期挪用的DMA）关CPU中断保存断点（通常是保存PC）撤销当前设备的中断服务请求（因为已经被响应）保存硬件现场（PSW，堆栈指针SP）识别中断源改变设备屏蔽状态转向中断服务程序入口保存软件现场（通用寄存器中的内容等）开CPU中断，CPU可以响应其他更高级的中断请求，实现中断嵌套补充中断系统 中断系统的软硬件功能分配执行中断服务程序关CPU中断恢复软件现场恢复屏蔽状态恢复硬件现场开CPU中断 （如果用硬件时间，这条指令必须延迟执行，要在程序回到中断点之后才能实际打开CPU的中断）返回到中断点一般用硬件实现软硬件皆可一般用软件实现补充中断系统 中断系统的软硬件功能分配中断响应时间影响中断响应

29、时间的4个因素：最长指令执行时间在一条指令执行完成之后，处理其他更紧急的任务所需要的时间，如周期窃取方式的DMA从第一次关CPU中断到第一次开CPU中断所经历的时间。多个中断源同时请求中断服务时，找到相关中断源入口的时间。补充中断系统 中断系统的软硬件功能分配识别中断源方法 查询法公用一条中断请求线。转入公共的中断服务程序入口。用软件逐个测试中断源状态。凡是发出中断服务请求的中断源，它的完成标志位（DONE）必然被置位，“忙”标志被清除。优点：灵活缺点：速度慢补充中断系统 中断系统的软硬件功能分配识别中断源方法 串行排队法三种实现方法：方法一：软硬件结合法方法二：硬件排队器方法三：中断向量法补

30、充软硬件结合法设置中断请求寄存器，每个中断源占其中一位；所有的中断源使用一条公共的中断请求线，请求，并转向公共中断程序入口；读中断请求寄存器，按位扫描，执行变址转移指令，转向相应的中断源服务程序入口。 补充中断系统 中断系统的软硬件功能分配识别中断源方法 独立请求法、分组独立请求法补充中断系统 中断系统的软硬件功能分配中断现场的保存和恢复现场信息分为三类：第一类：PC，由硬件完成保存，或压入堆栈，或保存在存储器固定单元中；通过执行一条中断返回指令来恢复。如果保存在存储器固定单元中，发生中断嵌套时，通过程序恢复。第二类：记录程序状态的信息（硬件现场），三种方法：保存到主存固定区域、压入堆栈、交换

31、处理机状态字。第三类：通用寄存器内容（软件现场），大多采用软件方法。补充中断系统 中断系统的软硬件功能分配中断屏蔽 基本思想 为每个中断屏蔽源设一个中断屏蔽位（分布在中断源中，或集中放在处理器内），用指令管理。为“1”时，CPU收不到中断请求；为“0”时，可以请求中断。用处改变硬件确定的中断服务顺序。决定设备是否采用中断方式工作。在多处理机系统中，可以通过中断屏蔽，把对外围设备的输入输出服务工作分配到各个处理机中。补充中断系统 中断系统的软硬件功能分配中断屏蔽 实现方法 每个或者每级中断源设置一个中断屏蔽位的方法每个中断源（优先级）有一个中断屏蔽码补充中断系统 中断系统的软硬件功能分配中断屏蔽

32、 实现方法 每个或者每级中断源设置一个中断屏蔽位的方法处理机首先响应D1执行中断处理程序之前，开CPU中断；D2 D4没有被屏蔽，选择一个高优先级的响应。通道处理机能够负担外围设备的大部分I/O工作。通道处理机（简称通道）：专门负责整个计算机系统的输入/输出工作。通道处理机只能执行有限的一组输入/输出指令。6.5 通道处理机6.5 通道处理机程序控制、中断和DMA方式管理外围设备会引起两个问题：所有外设的输入/输出工作均由CPU承担，CPU的计算工作经常被打断而去处理输入/输出的事务，不能充分发挥CPU的计算能力。 大型计算机系统的外设虽然很多，但同时工作的机会不是很多。 解决上述问题的方法：

33、采用通道处理机 6.5.1 通道的作用和功能6.5 通道处理机2. 一个典型的由CPU、通道、设备控制器、外设构成的4级层次结构的输入/输出系统。6.5 通道处理机通道的功能 接收CPU发来的I/O指令，并根据指令要求选择指定的外设与通道相连接。执行通道程序 从主存中逐条取出通道指令，对通道指令进行译码，并根据需要向被选中的设备控制器发出各种操作命令。给出外设中要进行读/写操作的数据所在的地址 如磁盘存储器的柱面号、磁头号、扇区号等。 6.5 通道处理机给出主存缓冲区的首地址 该缓冲区存放从外设输入的数据或者将要输出到外设中去的数据。控制外设与主存缓冲区之间的数据传送的长度对传送的数据个数进行

34、计数，并判断数据传送是否结束。指定传送工作结束时要进行的操作例如：将外设的中断请求及通道的中断请求送往CPU等。检查外设的工作状态是否正常，并将该状态信息送往主存指定单元保存。在数据传输过程中完成必要的格式变换例如：把字拆分为字节，或者把字节装配成字等。 6.5 通道处理机4. 通道的主要硬件寄存器数据缓冲寄存器主存地址计数器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逻辑分时控制地址分配数据传送、装配和拆分等6.5 通道处理机5. 通道对外设的控制通过输入/输出接口和设备控制器进行通道与设备控制器之间一般采用标准的输入/输出接口来连接。通道通过标准接口把操作命令送到设备控制器，设备控

35、制器解释并执行这些通道命令，完成命令指定的操作。设备控制器能够记录外设的状态，并把状态信息送往通道和CPU。 6.5 通道处理机通道完成一次数据输入/输出的工作过程在用户程序中使用访管指令进入管理程序，由管理程序生成一个通道程序，并启动通道。用户在目标程序中设置一条广义指令，通过调用操作系统的管理程序来实现。管理程序根据广义指令提供的参数来编制通道程序。 启动输入/输出设备指令是一条主要的输入/输出指令，属于特权指令。6.5.2 通道的工作过程6.5 通道处理机通道处理机执行通道程序，完成指定的数据输入/输出工作。 通道处理机执行通道程序与CPU执行用户程序是并行的。 通道程序结束后向CPU发

36、中断请求。CPU执行程序和通道执行通道程序的时间关系 6.5 通道处理机6.5 通道处理机根据信息传送方式的不同，将通道分为三种类型字节多路通道选择通道数组多路通道三种类型的通道与CPU、设备控制器和外设的连接关系 6.5.3 通道的种类6.5 通道处理机6.5 通道处理机1. 字节多路通道 中低速设备，如键盘、打印机。以字节交叉的方式分时轮流地为它们服务。例如某设备的数据传输率是1000B/S，通道的流量是1000000B/S。字节多路通道可以包含多个子通道，每个子通道连接一台设备控制器（也可以是公共的）。 每个子通道至少有一个字节缓冲寄存器、一个状态/控制寄存器、指明固定地址的硬件。6.5

37、 通道处理机为多台高速外围设备服务。 在一段时间内只为一台高速外设独占使用。选择通道的硬件 5个寄存器数据缓冲寄存器、设备地址寄存器、主存地址计数器、交换字节数计数器、设备状态/控制寄存器 格式变换部件： 用于在主存和设备之间进行字与字节的拆分和装配通道控制部件 2. 选择通道 6.5 通道处理机数组多路通道 适用于高速设备。每次选择一个高速设备后传送一个数据块（对于磁盘和磁带，数据块通常是512B），轮流为多台外围设备服务。数组多路通道之所以能够并行地为多台高速设备服务，是因为虽然其所连设备的传输速率很高，但寻址等辅助操作时间很长。例如： 磁盘读取一个文件过程：（1）磁头定位；（2）找扇区；（3）读数据。寻址时间一般比数据传输时间长2个数量级以上。通道在为一台高速设备传送数据时，有多台高速设备在寻址。6.5 通道处理机通道流量一个通道在数据传送期间，单位时间内能够传送的数据量。所用单位一般为Bps(字节/秒)。 又称为通道吞吐率、通道数据传输率等。通道最大流量 一个通道在满负荷工作状态下的流量 。通道的最大流量主要与通道的工作方式（字节多路？选择？数组？）、在数据传送期间通道选择一次设备所用的时间、传送一个字节所用的