计算机系统结构03

1、计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,1,第3章中断、总线与输入输出系统,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,2,（教材中第1节将在第4章中讲授）,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,3,第3章中断、总线与输入输出系统3.2中断系统术语:中断源中断请求优先级新/旧PSW(ProgramStatusWord)中断处理程序中断处理程序入口,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,4,3.2.1中断的分类和分级1.中断的分类必要性:解决中断源数量过多和级别问题CPU的状态:运行状态停止状态典型分类(IBM370):机器校验(64)管理

2、程序调用(8)程序性(16)外部(16)输入输出(16)重新启动PSW的作用:中断码指明具体中断原因PSW的位置:当前PSW在CPU的寄存器,其他在主存,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,5,3.2中断系统1.中断的分类中断与异常异常（Exception）:由执行现行指令引起暂停事件,如运算异常、页面失效等。异常的分类自陷（Trap）从产生自陷的指令下一条开始故障（Fault）重复执行发生故障的指令（指令复执）失败（Abort）需要强行干预,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,6,2.中断的分级中断分级的原因：由于出现同时发生多个不同类型的中断请求，需要根

3、据中断的紧迫性、重要性以及软件的处理的方便性将其分为若干不同的级别。,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,7,2.中断的分级分级第一级：机器校验第二级：程序性与管理程序调用第三级：外部第四级：输入输出第五级：重新启动（具有特殊性）第0级：不可排除的故障,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,8,2.中断的分级IBM370的中断分级紧急的机器校验程序性与管理程序调用可抑制的机器校验外部输入输出重新启动,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,9,3.2.2中断的响应与中断处理多级中断规则级别高的可以打断级别低的中断处理中断响应次序及实现方式决定进入

4、中断排队电路的中断请求被响应的次序实现方式软件查询、硬件电路或者向量中断方式举例（硬件电路）,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,10,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,11,3.2.2中断的响应与中断处理中断屏蔽字及其作用用途：决定是否让某级中断请求进入中断排队电路，以改变中断响应的优先级别。位置：在PSW中，当前PSW在CPU的寄存器，其它程序的PSW在主存。数量：每级各一个位数：与设计的级别数量相同中断处理次序的改变举例,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,12,表3-2中断级屏蔽位-例1,计算机学院,COMPUTERARCHITE

5、CTURE,13,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,14,表3-3中断级屏蔽位-例2,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,15,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,16,例3:同时发出中断请求,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,17,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,18,总结：中断硬件与软件在中断系统中的作用硬件(中断响应排队器):可以加快响应和断点现场的保存软件(中断级屏蔽位):改变实际中断处理(完)的次序,提高系统灵活性,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,19,3.2.3中

6、断系统的软硬件功能分配1.中断系统的功能中断请求的优先级确定中断响应中断断点与现场的保存中断处理与返回2.软、硬件功能分配的实质中断处理程序和中断响应硬件的功能分配,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,20,3.2.3中断系统的软硬件功能分配3.中断现场分类及保存软件状态作业名称及级别，上下界，软件标志等通常在主存中，数量不确定，与操作系统有关。硬件状态PC内容，条件码、各类控制寄存器及通用寄存器内容，以PSW的形式体现，类别比较确定,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,21,3.2.3中断系统的软硬件功能分配3.中断现场分类及保存保存方式：软件状态由中断处

7、理程序，硬件状态可以由硬件实现，或由软件和硬件结合的方法实现PSW的位数与机器的中断响应时间的关系通用寄存器内容的保存硬件实现中断处理程序实现成组传送指令的设置重叠寄存器窗口技术,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,22,3.3总线系统3.3.1总线的分类1.专用总线只连接一对物理部件的总线优点:速度快控制简单可靠性强缺点:总线数目多利用率低2.非专用总线优点：总线少，造价低；接口标准化高；扩展能力强；便于使用多重总线提高带宽缺点：系统流量小；共享总线失效可能引起系统瘫痪,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,23,3.3总线系统3.3.1总线的分类3.I/O

8、系统宜采用非专用总线,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,24,图3-9所有部件之间用专用总线互连,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,25,3.3.2总线的控制方式1.类别集中式控制方式:总线的控制逻辑基本上集中放在一起的方式.分布式控制方式:总线的控制逻辑分散于连到总线的各个部件中的方式.,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,26,3.3.2总线的控制方式2.集中式控制方式的种类集中式串行链接方式集中式定时查询方式集中式独立请求方式应用范围:后两种用于巨、大、中型机,第一种用于小、微型机，情况已经发生变化。,计算机学院,COMPUTER

9、ARCHITECTURE,27,图3-10集中式串行链接,集中式串行链接方式,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,28,图3-11集中式定时查询,集中式定时查询方式,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,29,图3-12集中式独立请求,集中式独立请求方式,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,30,3.3.3总线的通信技术通信类别:同步方式异步方式1.同步通信两个部件之间的信息传送是通过定宽、定距的系统时标进行同步的。这种方式的信息传送速率高，受总线的长度影响小，但会因时钟在总线上的时滞而造成同步误差，且时钟线上的干扰信号易引起误同步。,计算机

10、学院,COMPUTERARCHITECTURE,31,3.3.3总线的通信技术2.异步通信单向控制方式源控式目控式单向源控方式原理单向源控方式优点：简单、高速单向源控方式缺点：无有效应答；需要设置缓冲器效率低，高速部件效能发挥差；对“数据准备”要求高,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,32,图3-13异步单向控制通信,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,33,3.3.3总线的通信技术2.异步通信单向控制方式目控式原理目控式优点：可以解决有效性校验目控式不足：传输率下降单向控制方式的问题电平恢复可能不及时，造成数据错误,计算机学院,COMPUTERARCHI

11、TECTURE,34,3.3.3总线的通信技术2.异步通信双向控制方式非互锁方式互锁方式优点：保证数据传输正确率，传输率高缺点：控制硬件复杂3.I/O总线最常用的种类:异步双向互锁方式,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,35,图3-14源控式异步双向控制通信,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,36,3.3.4数据宽度与总线线数1.数据宽度定义:I/O设备取得I/O总线使用权后所传送数据的总量。与数据通路宽度的区别：数据通路宽度指的是数据传送的物理宽度，即一个机器周期所传送的信息量(二进制位数)，它直接取决于数据总线的线数。数据总线一次所能并行传送信息的位

12、数，称为数据通路宽度。,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,37,3.3.4数据宽度与总线线数1.数据宽度数据宽度的种类单字/字节定长块可变长块单字加定长块单字加可变长块,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,38,3.3.4数据宽度与总线线数2.总线的线数总线的构成:收/发电路、传输导线/电缆、接插部件及电源。压缩总线线数的必要性,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,39,3.3.4数据宽度与总线线数压缩总线的方法线的组合方法：一根半双向替代二根单向线编码方法：线数为：log2N（向上取整）并/串串/并转换方法举例总线的流量设计：外设数量、

13、种类、传输信息方式与速率,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,40,3.4输入输出系统3.4.1输入输出系统概述系统设计及透明性组成：输入输出系统设备、设备控制器及相关的软硬件设计:软件硬件两个方面面向操作系统透明性:对于应用程序员透明,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,41,3.4输入输出系统3.4.1输入输出系统概述2.输入输出系统的主要功能功能：对指定的外设进行输入输出操作,并完成其他管理和控制:确定设备、主存存储区，建立连接，发送数据，格式转换，形成状态控制信息，通过中断系统传送给操作系统处理和分析操作系统的I/O功能,计算机学院,COMPUTER

14、ARCHITECTURE,42,3.4输入输出系统3.4.1输入输出系统概述3.输入输出系统的发展与分类程序控制无条件条件传送（程序查询）中断存储器直接存取（DMA）方式I/O处理机方式通道处理机外围处理机,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,43,3.4输入输出系统3.4.1输入输出系统概述3.输入输出系统的发展与分类输入/输出设备及发展普通传输设备外存：软磁盘硬盘（温盘，WinchesterDisc）磁盘阵列光盘磁光盘（MO，MagneticOptical）,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,44,磁鼓存储器最初于1932年在奥地利创造出来，上世纪五六

15、十年代广泛使用，通常作为内存，容量在10kB左右。,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,45,第一款硬盘驱动器是IBMModel350DiskFile，于1956年制造，其中包含了50张24英寸盘片，而总容量不到5MB。,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,46,IBM研制成功的新型硬盘IBM3340（14英寸），1973年,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,47,首个容量突破1GB的硬盘是IBM在1980年制造的IBM3380，总容量为2.52GB，重约250千克，售价从81000美元到142400美元不等。,计算机学院,COMPUTE

16、RARCHITECTURE,48,3.4输入输出系统3.4.2通道处理机工作原理与流量分析通道处理机产生:IBM360/3701.通道处理机的工作过程广义指令作用参数:设备主存储区交换数据量通道程序及作用组成:通道指令组成产生:操作系统生成通道程序地址字单元:通道程序入口地址通道缓冲区:存储通道程序,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,49,3-15,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,50,3-16,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,51,图3-17“启动I/O”指令流程,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,52,2.

17、通道的分类字节多路通道:低速，并行数组多路通道:高速,各子通道分时共享I/O通道,成组交叉传送,数据宽度为定长块选择通道:高速设备,具有独占性,只能执行一道通道程序,数据宽度为可变长块IBM370的通道系统（I/O结构）,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,53,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,54,3.通道流量的分析通道流量:通道在数据传送期间内,单位时间传送的字节数通道极限流量:通道能够达到的最大的流量通道的实际最大流量流量设计的基本原则实际最大流量不超过极限流量流量利用率,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,55,三种通道流量分析

18、举例,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,56,字节多路通道极限流量:字节多路通道每选择一台设备只传送一个字节,数组多路通道极限流量:数组多路通道每选择一台设备只传送K个字节,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,57,选择多路通道极限流量:选择通道每选择一台设备就把N个字节全部传送完,Ts-数据传送期内选择一次设备的时间TD-传送一个字节的时间若通道的TS、TD一定，且NK时，字节多路方式工作时所能达到的极限流量最小，数组多路方式工作的居中，选择方式工作的最大。,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,58,现假设：j-通道的编号fij-第j号通道上连接的第i台设备的字节传送速率pj-第j号通道中所连接设备的数量,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,59,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,60,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,61,一定可以满足：,计算机学院,COMPUTERARCHITECTURE,62,计算机学院,COMPUTERARCHITECTUR