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第 9 章 输入输出组织 PowerPoint PPT Presentation


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第 9 章 输入输出组织. ● 输入输出组织是用来控制外设与内存或 CPU 之间进行数据交换的机构;是计算机系统中重要的软、硬件结合的子系统。. ● 通常把 I/O 设备及其接口线路、控制部件、通道或 I/O 处理器以及 I/O 软件统称为输入输出系统,其要解决的问题是对各种形式的信息进行输入和输出的控制。. ● 重点介绍 I/O 接口的功能和结构、 I/O 设备的编址和寻址、以及在主机和外设间进行数据传送的各种输入输出控制方式等内容。. 9.1 I/O 接口.

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第 9 章 输入输出组织

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Presentation Transcript


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第9章 输入输出组织

● 输入输出组织是用来控制外设与内存或CPU之间进行数据交换的机构;是计算机系统中重要的软、硬件结合的子系统。

● 通常把I/O设备及其接口线路、控制部件、通道或I/O处理器以及I/O软件统称为输入输出系统,其要解决的问题是对各种形式的信息进行输入和输出的控制。

● 重点介绍I/O接口的功能和结构、I/O设备的编址和寻址、以及在主机和外设间进行数据传送的各种输入输出控制方式等内容。


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9.1 I/O接口

■ 完成各个外设和主机之间的同步与协调、工作速度的匹配和数据格式转换的逻辑部件称为I/O接口(I/O Interface)。

■ 从功能上来说,PC中的各种I/O控制器或设备控制器(包括适配器或适配卡)都是I/O接口;在大型机中的I/O模块就是担负大量复杂的外设控制任务的通道或I/O处理器。


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9.1.1 I/O接口的功能

◆ I/O接口是连接外设和主机的一个“桥梁”

I/O接口的外设侧、主机侧各有一个接口。主机侧的接口称为内部接口,外设侧的接口称为外部接口,

内部接口通过系统总线和内存、CPU相连,而外部接口则通过各种接口电缆(如,串行电缆、并行电缆、网线或SCSI电缆等)将其连到外设上。

◆ I/O接口的功能

① 数据缓冲:主存和CPU寄存器的存取速度非常快,而外设速度则较低,所以在I/O接口中引入数据缓冲寄存器,以达到主机和外设工作速度的匹配。


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② 错误或状态检测:提供状态寄存器,以保存各种状态信息供CPU查用。

接口和外设发生的出错情况有两类:一类是设备电路故障或异常情况;另一类是数据传输错,这种错误是通过在每个字符上采用一个奇偶校验位来检测的。

③ 控制和定时:提供控制和定时逻辑,以接受从系统总线来的控制和定时信号。以协调内部资源与外设间动作的先后关系,控制数据通信过程。

④ 数据格式转换:提供数据格式转换部件(如:进行串-并转换的移位寄存器),使通过外部接口得到的数据转换为内部接口需要的格式,或在相反的方向进行数据格式转换。

⑤与主机和设备通信:上述功能都必须通过I/O接口与主机或与设备之间的通信来完成。


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◆ I/O接口与主机侧进行通信

对主机通过系统总线送来的地址信息进行译码,以确定是否选中本设备;

 接受系统总线送来的控制信息,以确定数据传送的方向等;

 将接口中数据缓冲寄存器或状态寄存器的信息送到系统总线,或接收系统总线送来的数据或命令信息,将其送到接口中的数据缓冲寄存器或控制寄存器。

◆ I/O接口与设备进行通信:

 将控制寄存器中的命令译码,输出到外部接口的控制线上;

 发送数据缓冲寄存器的数据到外部接口的数据线上;

 接受外设的状态或数据信息,送到接口中的状态寄存器或数据缓冲寄存器中。


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◆ 数据在外设和主机之间进行传送的过程(图9.1)

图9.1 数据在外设和主机间的传送过程


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9.1.2 I/O接口的结构

◆ 图9.2 I/O接口的通用结构

图9.2


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9.1.3 I/O接口的分类

(1) 按数据传送方式分,有并行接口和串行接口两类。

主机侧的内部接口,数据在接口和主机之间总是通过系统总线按字节或字或多字进行并行传输;

外设侧的外部接口,数据在接口和外设之间有串行和并行两种传送方式。

并行接口在设备和接口之间同时传送一个字节或字的所有位(如Intel 8255),用于连接快速设备;

串行接口则一位一位地传送(如Intel 8251),主要用于连接显示终端等慢速设备。对于串行接口,接口内部必须有串-并转换部件。


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(2) 按功能选择的灵活性来分,有可编程接口和不可编程接口两类。

可编程接口能用程序来改变或选择接口的功能和操作方式(如:Intel 8255、Intel 8251)。

不可编程接口不能用程序来改变其功能,但可通过硬连线路逻辑来实现不同的功能(如:Intel 8212)。

(3) 按通用性来分,有通用接口和专用接口。

通用接口可供多种外设使用,如Intel 8255、Intel 8212;

专用接口是为某类外设或某种用途专门设计的,如Intel 8279可编程键盘/显示器接口、Intel 8275可编程CRT控制器接口。


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(4) 按数据传送的控制方式来分,有程控式接口、中断式接口和DMA式接口。

程控式接口用于连接速度较慢的I/O设备,如:显示终端、键盘、打印机等。

计算机一般都采用程序中断方式实现主机和外设之间的数据交换,计算机中都配有中断式接口,中断控制器Intel 8259A。

DMA式接口用于连接如磁盘、磁带等高速设备。(8237A)

(5) 按设备的连接方式来分,有点对点接口和多点接口。

点对点接口只和一个外设相连,如打印机、键盘、调制解调器等设备。

愈来愈重要的是多点方式,主要用于支持大量的外部存储设备和多媒体设备(如:CD-ROM、视频和音频)。

这种多点接口的典型例子有:SCSI接口和P1394接口。SCSI接口是一种并行I/O总线,P1394接口是一种串行/O总线。


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9.2 I/O设备的寻址

■ I/O设备寻址是解决外设与主机通信的一个必要环节;让CPU能方便地找到要进行信息交换的设备。

9.2.1 操作系统在I/O中的作用

◆ 操作系统使最终用户或用户程序只需通过一些简单的命令或系统调用就能使用各种I/O设备,而无需了解各种I/O设备的具体工作细节。

◆ 操作系统把I/O软件组织成从高到低的四个层次,层次越低越接近设备,而越远离用户程序。

用户层I/O软件

与设备无关的操作系统I/O软件

设备驱动程序

I/O中断处理程序


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◆ 四个层次的相应说明

通常把提出I/O请求的用户程序看成是用户层I/O软件。

操作系统中与设备无关的I/O软件的基本功能是执行适用于所有设备的常用I/O功能,向用户层软件提供一个统一的调用接口。

设备驱动程序是与设备相关的I/O软件部分。每个设备驱动程序只处理一种设备或一类紧密相关的设备。

中断处理程序用来对“外设完成任务”的事件进行处理。以提高效率。


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◆ 操作系统必须保证一个用户程序只能访问到该用户有权限的I/O设备部分;必须提供以下几种信息通信:

(1) 操作系统必须能向I/O设备给出命令,这些命令不仅包含象读、写等操作,而且包括对设备本身的一些操作,如:磁盘查找、定位等。

(2) 当I/O设备已经完成了一个操作或遇到了一个错误,设备必须能够通知操作系统,以便作适当处理。

(3) 数据必须在存储器或CPU寄存器和I/O设备之间传输。

在进行指令系统的设计中,必须考虑提供某种能对I/O进行访问的指令。


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9.2.2 I/O端口的编址

◆ 系统如何在I/O的指令中标识要访问的I/O接口中的某个寄存器的呢?这就是I/O端口的编址问题。I/O端口实际上就是I/O接口中的各种寄存器;

◆ 给各个可访问的寄存器进行编址的两种方式

(1) 独立编址方式:对所有的I/O端口单独进行编号,使它们成为一个独立的I/O地址空间。

需要用专门的输入输出指令来访问I/O端口。输入输出指令中地址码部分给出I/O端口号。

(2) 统一编址方式:与主存地址空间统一编址,即:将主存地址空间分出一部分地址给I/O端口进行编号。

无需设置专门的输入输出指令,只要用一般的访存指令就可以存取I/O端口。


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◆ 两种编址方式比较

寻址速度快;专用I/O指令,使得程序清晰,便于理解和检查。

程序设计灵活性差些;控制逻辑较复杂和处理器引脚数增加。此外,使用独立的地址空间还需要专门的硬件保护机制。

图9.3 独立编址方案


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无需另外专门的保护机制;有关主存的寻址方式都可用于I/O端口的寻址。外设或I/O寄存器数目几乎不受限制。

主存空间减少;址线都需参与地址译码,使译码电路变复杂,并需花很长时间。

图9.4 统一编址方式


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◆ 数据传送的方式

输入输出设备可分为字设备和块设备两种。

一般块设备的数据直接和主存进行交换,

CPU中的寄存器通常只和字设备进行数据交换。

◆ 从传送的数据来源或目的地来看,I/O指令分为两类:

① 寄存器I/O指令 在寄存器和I/O端口之间传送一个单数据项(如:字节、字或双字)。

② 成组I/O指令 在存储器和I/O端口之间传送一串数据项(如:字节串、字串或双字串)。

◆ Intel 80x86处理器的部分外设端口地址分配(表9. 1)


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表9.1 部分外设控制器的I/O地址分配表

输入/出设备 I/O地址 占用地址数

DMA控制器1 000-01FH 32

中断控制器1 020-03FH 32

定时器/计数器 040-05FH 32

键盘控制器 060-06FH32

实时时钟,

NMI屏蔽寄存器 070-07FH16

DMA页面寄存器 080-09FH32

中断控制器2 0A0-0BFH32

DMA控制器2 0C0-0DFH32

硬盘控制器2 170-177H 8

硬盘控制器1 1F0-1F8H9


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表9.1续

输入/出设备 I/O地址 占用地址数

游戏I/O口 200-207H 8

并行打印机口2 278-27FH8

串行口4 2E8-2EFH8

串行口2 2F8-2FFH8

软盘控制器2 370-377H 8

并行打印机口1 378-37FH8

单色显示器/打印适配器 3B0-3BFH16

彩色/图形监视器适配器 3D0-3DFH16

串行口3 3E8-3EFH8

软盘控制器1 3F0-3F7H8

串行口1 3F8-3FFH8


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9.3 I/O数据传送控制方式9.3.1 I/O控制方式类型

◆ 通常把I/O数据传送控制方式分为以下四种

1. 程序直接控制方式

▲ 通过程序来控制主机和外设的数据交换。在程序中安排相应的I/O指令,直接向I/O接口传送控制命令,从I/O接口取得外设和接口的状态,根据状态来控制外设和主机的信息交换。

2. 程序中断控制方式

▲ 程序中断控制方式的基本思想是,当CPU需要进行输入输出时,先执行相应的I/O指令,将启动命令发送给相应的I/O接口和外设,然后CPU继续执行其他程序。


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3. 直接存储器存取方式

▲ 直接存储器存取(Direct Memory Access)方式简称为DMA方式,主要用于高速设备(如:磁盘、磁带等)和主机的数据传送,这类高速设备采用成批数据交换方式,且单位数据之间的时间间隔较短。

▲ 用专门的硬件(DMA控制器)来控制总线进行数据交换。

4. 通道和I/O处理器方式

▲ 对于大型计算机系统,为了获得CPU和外设之间更高的并行性,也为了让种类繁多、物理特性各异的外设能以标准的接口连接到系统中,通常采用自成独立体系的通道结构或I/O处理器。

▲ 在进行主存和外设之间的信息传送时,CPU执行自己的程序,两者完全并行。


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9.3.2 程序直接控制方式

◆ 直接通过程序来控制主机和外设的数据交换;通常有两种类型的程序直接控制数据传送方式。

(1) 无条件传送方式,也称同步传送方式。

用于对一些简单外设(如开关、继电器、7段显示器或机械式传感器等)进行的数据传送。

在规定的时间用相应的I/O指令对接口中的寄存器进行信息的输入或输出。


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图9.5 无条件传送接口


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(2)条件传送方式,也称异步传送方式。

对于一些较复杂的I/O接口,往往有多个控制、状态和数据寄存器,对设备的控制必须在一定的状态条件下才能进行。

通过在专门的查询程序中安排相应的I/O指令,由这些指令直接从I/O接口中取得外设和接口的状态,如:“就绪(Ready)”、“忙(Busy)”、“完成(Done)”等,根据这些状态来控制外设和主机的信息交换。

这是一种通过程序查询接口中的状态来控制数据传送的方式,也被称为程序查询方式。

▲ 程序查询方式的特点

程序查询方式简单、易控制、外围接口控制逻辑少;

CPU与外设完全串行工作,所以效率低、速度慢;

由于外设的速度比处理器慢得多,当外设进行操作的时候,CPU在等待外设完成,此时CPU会浪费许多处理器时间。


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图9.6 查询程序流程图


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9.4 程序中断方式9.4.1 中断的概念

◆ 中断控制I/O方式的基本思想

当CPU需要进行一个I/O操作时,就启动外设工作,并挂起正在执行的程序,从等待执行的队列中选择一个其他的进程执行。

当外设完成操作,便向CPU发中断请求。CPU响应请求后,就中止现行程序的执行,转入“中断服务程序”,在“中断服务程序”中完成数据传送任务,并启动外设进行下一个操作。

“中断服务程序”执行完后,返回原被中止的程序断点处继续执行。此时,外设和CPU又开始并行工作。


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图9.7 中断驱动I/O方式


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◆ 中断I/O方式,处理器时间被有效利用,充分发挥CPU的高速处理能力,从而提高了系统的吞吐能力。

◆ 这种工作方式实现了外设与CPU 的并行(图9.8)

图9.8 CPU与外设并行工作


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◆ 在程序运行过程中,外设完成任务或出现某种异常事件时(除数为0、运算结果溢出、非法操作码、奇偶校验错等),必须中止现行程序的执行,转去处理发生的异常事件或外设完成事件。待处理完毕后,再回到原来被中止的程序继续执行。这个过程称为中断。

◆ 现代计算机系统都配有完善的中断系统

中断系统是计算机实现中断功能的软、硬件的总称。

CPU中有相应的中断响应和处理的机构,在外设接口中有相应的中断请求和控制逻辑,操作系统中有相应的中断服务程序。

这些中断硬连线路和中断服务程序有机结合,共同完成和控制中断过程。


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9.4.2 中断的分类

1. 内中断

▲ 由处理器内部的异常事件引起的中断。根据其发生的原因又分为硬件性故障中断和程序性例外。

硬故障中断:由硬联线路出现异常引起。如电源掉电、存储器线路错等。

程序性中断:也称软中断。由CPU执行某个指令而引起的发生在处理器内部的异常事件,也称为例外(Exception)事件。

程序性中断又可分为失效(Fault)、自陷(Trap)和终止(Abort)三类。


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2. 外中断

由外设完成任务或出现特殊情况引起。如:任务完成、打印机缺纸、磁盘检验错、采样计时到、键盘输入等。

3. 80X86处理器的中断系统分类

▲ 外部中断(硬中断):通过处理器的中断请求线INTR(可屏蔽中断)和NMI(不可屏蔽中断)来实现请求的中断。

▲ 内部中断(软中断):也称为异常或例外。由处理器内部产生而不通过中断请求线请求,为不可屏蔽中断。

▲ 内部中断又可细分为以下两类:

① 指令引起的异常:CPU执行预先设置的指令或指令执行结果使某个标志位置“1”而引起的。

CPU执行INT n指令时,停止正常的执行过程,自动调出一个断点处理中断服务程序,进行一些特殊的处理。


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②处理器检测到的异常:CPU执行指令时产生的异常;如:当CPU执行除法指令DIV或IDIV时,若发现除数为0或商产生溢出,则立即产生一个除法错中断(类型号为0)。

系统中有一个陷阱测试线路,不断对程序状态字PSW(Program Status Word)的TEF(Trap Enable Flag)字段进行测试,当测试到对应的条件满足时,就自动调出一个特定的中断处理程序来执行。

图9.9 程序状态字寄存器


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◆ 由外设引起的I/O中断和异常中断在本质上是一样的;但是两者相比,有两个重要的不同点:

(1) I/O中断相对于指令的执行是异步的,I/O中断不和任何指令相关联,也不阻止指令的完成,中断控制逻辑仅需要在开始一个新指令之前检测是否有I/O中断请求。

(2) 异常是由处理器自身发现的,不必通过外部的某个信号通知CPU,也不用识别哪种异常。

对于I/O中断,处理器除了被通知一个“I/O中断已经发生”外,还必须进一步调查哪些设备发生了中断,它们的设备标识号是什么,还要进一步根据其不同的紧急程度选择一个先响应。


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9.4.3 中断系统的基本职能和结构

◆ 中断系统的基本功能

(1) 及时记录各种中断请求信号;一般是用一个中断请求寄存器来保存。

(2) 自动响应中断请求。CPU必须能够在发生中断事件后,自动响应并处理。在一条指令执行完、下条指令执行前去检查有无中断请求发生。

(3) 自动判优。在计算机系统中,中断源有很多,在有多个中断请求同时产生时,能够判断出哪个中断的优先级高,选择优先级高的中断先被响应。


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(4) 保护被中断程序的断点和现场。原程序被中止处的指令地址和当时的程序状态和各寄存器的内容必须保存,以便能正确回到原处继续执行。

(5) 中断屏蔽。现代计算机大多采用中断嵌套技术。中断系统中要有中断屏蔽机制,使得每个中断可以设置它允许被哪些中断打断,不允许被哪些中断打断,通过在中断系统中设置中断屏蔽字来实现。


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◆ 中断系统的基本结构(图9.10)

图9.10 中断系统的基本结构


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◆ 中断嵌套

当有新的优先级更高的中断请求发生,那么CPU应立即中止正在执行的中断服务程序,转去处理新的中断。这种情况为多重中断,也称中断嵌套。

图9.11 中断嵌套过程


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9.4.4 中断过程

◆ 中断过程包括两个阶段:中断响应阶段和中断处理阶段。

中断响应阶段由硬件实现;

而中断处理阶段则由CPU执行中断服务程序来完成,所以中断处理是由软件实现的。

1. 中断响应

▲ 中断响应是指主机发现中断请求,中止现行程序的执行,到调出中断服务程序这一过程。

(1) 保存好程序的关键性信息

程序使用的资源有两类,一类是工作寄存器,存放着程序执行的现行值,把这类信息称为现场信息;

另一类是表示程序进程状态的程序状态字PSW和标志进程运行过程的程序计数器PC,通常把这类信息称作断点信息。


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在程序被中止时,必须正确地保存这些关键性信息,以便在返回程序后,处理器能正确地沿着断点继续执行。

对于现场信息,可以在中断服务程序中把它保存到一个特定的存储区(如堆栈)中。

对于断点信息,应在中断响应时自动保存起来。

(2) 正确识别中断源

在中断响应过程中必须能够识别出哪些中断有请求,并且在有多个中断请求出现的情况下,选择优先级最高的中断被响应。来执行中断服务程序。

(3) 提高中断响应的速度

中断响应时间应是中断系统设计时需要考虑的一个重要指标;它反映了整个计算机系统的灵敏度。


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▲ 中断响应的条件:

① CPU处于开中断状态(IF=1);

② 至少要有一个未被屏蔽的中断请求;

③ 在一条指令执行完。

▲中断响应过程(图9.12)

① 关中断:将中断允许标志置为禁止状态,这时将屏蔽掉所有新中断请求;

② 保护断点:PC和PSW送入堆栈;

③ 识别中断源:通过某种方式获得响应优先级最高的中断请求所对应的中断服务程序的首地址和初始的PSW。对于外部中断,要进行一次总线操作,得到相应的中断向量。


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图9.12中断响应过程


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▲ 中断源的识别方法

① 软件轮询方法

当CPU检测到中断请求时,通过中断响应,自动地转移到一个特定的中断服务程序。

在这个中断服务程序中,所有的中断请求被依次一一查询(图9.13)。

图9.13 中断查询程序的结构


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软件轮询中断识别方式的硬件结构简单,只要一根中断请求线,中断优先级由中断查询程序的查询顺序决定,所以灵活。

它需花费很多时间查询,中断响应慢,无法实时响应,降低了CPU的利用率(图9.14 )。

图9.14 程序查询中断的结构


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②硬件判优方法(向量中断)

硬件判优方式,也称为向量中断方式。是另一种中断处理技术,它根据菊花链查询线路或并行判优线路等取得最高优先权中断的向量地址;

根据中断向量地址找到对应的中断服务程序的首地址PC和初始PSW,从而调出中断服务程序执行。

通常把中断服务程序的首址PC和初始PSW称为中断向量IV(Interrupt Vector),所有中断向量存放在一个中断向量表中(图9.15);

指向中断向量的指针(地址)称为向量地址VA(Vector Address)。

把中断向量表中与相应中断对应的表项号称为中断类型号。


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图9.15 中断向量表


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▲8086/8088的中断向量表。位于0000H~03FFH,共256组,每组占四个字节,记录对应中断服务程序的首地址 CS:IP。向量地址由中断类型号乘4得到。

图9.16 8086/8088的中断向量表


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▲ 硬件判优法有两种。一种为菊花链查询法,还有一种为独立请求法。

① 链式中断查询的结构(图9.17 )

图9.17


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当CPU检测到中断请求后,启动中断回答信号IACK进行中断响应,通过分布在每个设备中的菊花链线路,查询到优先级最高的中断请求(同时封锁对下一级的中断响应);

由该请求信号启动相应的中断向量发生器,产生对应的中断向量,通过数据总线传送给CPU。

链式中断查询的优点是简单,只需一根中断请求线。而且比软件查询方式快。

中断源优先级固定、所以不灵活,并且无法为每个中断设置屏蔽字,所以不支持多重中断。

对电路故障敏感。此外,通过链式查询,中断响应有一定的延迟。


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② 多线独立请求中断的结构(图9.18)

图9.18 多线独立请求中断的结构


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这种方式的中断系统中有一个集中控制的中断控制器,在中断控制器中有相应的中断向量优先权编码器;

各个中断请求信号送到该电路,和对应的中断屏蔽位进行“与”操作后,送到一个判优电路中;

判优电路的输出被送到一个编码器,该编码器的输出就是中断向量。

采用多线请求的集中判优方式,中断响应速度快。如果是可编程的中断控制器,则优先级可灵活设置。

▲ 一个典型的可编程的中断控制器Intel 8259A

(图9.19)


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图9.19 8259A内部结构图


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△8259A中断控制器的功能包括:

 中断请求锁存、中断屏蔽、中断优先级排队、

中断向量生成等;

 既可支持程序查询式中断,又可支持向量式中断;

 支持8级优先权,通过多片级联,最多可构成64级中断;

 各种中断功能可通过编程来设定和更改。

△ 若干芯片级联(图9.20)

一个8259A芯片能处理8个设备的中断请求,可将若干个8259A芯片级联起来;

使用级联方式,能处理多达64个设备的中断请求。


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图9.20 8259A中断控制器的级联


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2.中断处理

▲ 中断处理的过程就是执行相应的中断服务程序的过程,不同的中断源其对应的中断服务程序不同。

图9.21


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▲ 典型的中断处理分为三个阶段:先行段、本体段和结束段。图9.21给出了中断服务程序的典型结构。

▲ 中断嵌套过程中CPU执行程序的轨迹

例1:假定某中断系统有四个中断源,其响应优先级为1>2>3>4,分别写出处理优先级为1>2>3>4和1>4>3>2时各中断的屏蔽字及CPU完成中断服务程序的过程。假定CPU在执行用户程序时,同时发生了1、3和4级中断请求,而在执行3级中断服务程序的过程中又发生了2级中断请求。

①中断处理优先级为1>2>3>4时,

中断响应优先级与中断处理优先级是一致的;但中断屏蔽字只和中断处理优先级有关。


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表9.2 中断处理优先级为1>2>3>4 时的屏蔽字


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图9.22 处理优先级为1>2>3>4时CPU运动轨迹


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② 中断处理优先级为1>4>3>2时

表9.2 中断处理优先级为1>2>3>4 时的屏蔽字


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图9.22 处理优先级为1>2>3>4时CPU运动轨迹


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▲ 如何用中断方式控制硬盘和主存储器之间的数据交换

例2:假定处理器按500MHz的速度执行,即:处理器每秒钟产生500x106个处理器周期。硬盘以4字块进行传输,速率为4MB/Sec,假定没有任何数据传输被错过。使用中断驱动I/O,每次传送的开销(包括用于中断响应和处理的时间)是500个时钟周期。如果硬盘仅用占处理器5%的时间进行传送,那么,处理器用在数据传送上所花的时间百分比为多少?


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硬盘每次中断以4字块(=16字节)进行传送,传送的速率应达到每秒4MB/16B=250K次中断;

每秒钟用于中断的周期数为250K×500=125× 106,在一次传输中所消耗的处理器时间的百分比为:125 × 106/(500 × 106)=25%

硬盘仅用其中5%的时间来传送数据,则处理器消耗的平均占用率为25%x5%=1.25% 。


9 5 dma

9.5 直接存储器存取(DMA)方式

■ DMA(Direct Memory Access)称为直接存储器存取。

■ DMA的引入

程序直接控制方式受“踏步”现象的限制,效率低下,不适合高速设备和主机间的数据传送。

中断控制方式虽比程序直接控制方式有效,CPU和外设有一定的并行度,

由于下列原因也不适合高速设备和主机间的数据传送。

(1) 对I/O请求响应慢。每传送一个数据都要等待外设的中断请求,并增加许多中断响应和中断处理前、后的附加开销(保护断点、现场等),不能及时响应I/O请求。

(2) 数据传送速度慢。数据传送由CPU执行相应的中断服务程序来完成,因而也不适合高速设备的批量数据传送。


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■ DMA方式用专门的DMA接口硬件来控制外设与主存间的直接数据交换,而不通过CPU。把专门用来控制总线进行DMA传送的硬件接口称为DMA控制器。

■ DMA方式必须以程序查询方式和中断方式为基础。


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图9.24 采用DMA方式进行磁盘数据传送

图9.24


9 5 1 dma

9.5.1 三种DMA方式

(1) CPU停止法 (成组传送)

 DMA传输时,CPU脱离总线,停止访问主存,直到DMA传送一块数据结束;CPU工作受影响。

(2) 周期挪用(窃取)法 (单字传送)

 DMA传输时,CPU让出一个总线事务周期,由DMA控制器挪用一个主存周期来访问主存,传送完一个数据后立即释放总线。

(3) 交替分时访问法

每个存储周期分成两个时间片,一个给CPU,一个给DMA,这样在每个存储周期内,CPU和DMA都可访问存储器。

◆ 图9.25给出了以上三种方式下CPU和DMA访问主存的情况


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图9.25 (a) CPU停止法


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图9.25 (b) 周期挪用法


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图9.25 (c) 交替分时访问法


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◆ 弥补CPU停止法缺点的两个做法:

1) 在DMA接口中引入缓冲器

使I/O设备先和缓冲器(小容量存储器)交换数据,然后再使用总线由小容量存储器与主存进行数据交换。可减少DMA传送数据时占用总线的时间,也就减少了CPU的等待时间。

2) 采用周期挪用(窃取)法

每次DMA传送完一个数据就释放总线,使在I/O设备准备下一数据时,CPU能插空访问主存;缺点是每次DMA访存都要申请总线控制权和释放总线,增加了传输开销。

◆ I/O设备要求进行DMA传送会遇到以下三种情况之一:

1) CPU不需访问主存。

如,CPU正在执行乘法指令,可能要花很长时间计算而不需马上访问主存。这样在CPU执行指令时,总线可以被DMA使用。此时,CPU和DMA不发生冲突,两者并行。


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2) CPU正在访问主存

必须等到存储周期结束后,CPU让出总线,DMA才能访存。

3) CPU也同时要访问主存

出现访存冲突。因为不马上响应DMA请求的话,高速设备可能会发生数据丢失,所以,DMA的总线优先权比CPU高。这时,先让DMA占用总线,窃取一个主存周期,完成一个数据交换。这样CPU需延迟一段时间后才能访存。

◆ 交替分时访问(图9.25(c))

这种方式适用于CPU工作周期比主存存取周期更长的情况。

DMA不需要总线使用权的申请和释放。

在这种方式下,CPU既不停止主程序的运行也不进入等待状态,在CPU工作过程中,不知不觉地完成了DMA数据传送,故又被称为“透明的DMA”方式。


9 5 2 dma

9.5.2 DMA接口的结构和功能

◆ DMA 接口中控制传送的硬件逻辑称为DMA控制器

CPU需要读写I/O时,它就把要传送的数据个数、数据块在内存的首址、数据传送的方向(是读操作还是写操作)、设备的地址等参数送给DMA控制器,

发送一个命令给DMA接口,启动外设进行数据准备工作。这些工作完成后,CPU就继续进行其他工作。而I/O设备和主存交换数据的事情就交给了DMA控制器。

◆ DMA接口的典型结构(图9.26)


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图9.26 DMA接口的结构


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◆ DMA接口功能为:

(1) 能接收外设发来的“DMA请求”信号,并能向CPU发“总线请求”信号。

(2) 当CPU发出“总线响应”信号后,能接管对总线的控制。

(3) 能在地址线上给出主存地址,并自动修改主存地址。

(4) 能识别传送方向以在控制线上给出正确的读写控制信息。

(5) 能确定传送数据的字节个数。

(6) 能发出DMA结束信号。引起一次DMA中断,进行数据校验等一些后处理。


9 5 3 dma

9.5.3 DMA操作步骤

第一步:DMA控制器的预置(初始化)(由软件实现)

▲数据传送之前,CPU将执行一段初始化程序,完成对DMA控制器中各参数寄存器的初始值的设定。主要操作包括:

 准备内存区

若是从外设输入数据,则进行内存缓冲区的申请,并对缓冲区进行初始化;若是输出到外设,则先在内存准备好数据。


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设置传送参数

执行I/O指令,测试外设状态,对DMA控制器设置各种参数:

* 内存首址=〉地址寄存器

* 字计数值=〉字计数器

* 传送方向=〉控制寄存器

* 设备地址=〉设备地址寄存器

启动外设,然后CPU继续执行其他程序。

第二步:DMA数据传送(由硬件实现)

▲ DMA控制器数据传送过程如下:

① 当外设准备好数据(从外设取数),或准备好接收数据(向外设送数)时,就发“选通”信号,使数据送数据缓冲寄存器,同时DMA请求触发器置“1”。


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② DMA请求触发器向控制/状态端口发“Ready”信号,同时向DMA控制器发“DMA请求”信号。

③ DMA控制器接受到DMA请求”信号后,就向CPU发“总线请求”信号。

④ CPU完成现行机器周期后,响应DMA请求,向DMA控制器发出“总线响应”信号。DMA控制器接受到该信号后,向外设接口发 “DMA响应”信号,使DMA请求触发器复位。CPU浮动它的总线,让出总线控制权,由DMA控制器控制总线。


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⑤ DMA控制器给出内存地址,并在其读/写线上发出“读”或“写”命令,随后在数据总线上给出数据。

⑥ 根据读写命令,将数据总线上的数据写入存储器中,或写入数据端口,并进行主存地址增量,字计数值减1。

若采用“CPU停止法”,则循环第6步,直到计数值为“0”。

若采用“周期挪用法”,则释放总线,下次数据传送时再按过程(1)到(6)进行。

第三步:DMA结束处理

▲根据计数值为“0”,发出DMA结束信号送接口控制,产生DMA中断请求信号给CPU,转入中断服务程序,做一些数据校验等后处理工作。


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◆ 例1:假设处理器按500MHz的速度执行,即:处理器每秒钟产生500x106个处理器周期。硬盘以4字块进行传输,速率为4MB/Sec,假定没有任何数据传输被错过。对于DMA传送的初始化设置,假定处理器花了1000个时钟周期,并且在DMA完成后中断的处理需要500个时钟。如果从硬盘发出的平均传输量为8KB(即每次DMA传送8KB的数据块)。如果硬盘进行传送的时间占100%(即:硬盘一直在进行读写,并传输数据),那么具有500MHz的处理器在硬盘I/O操作上的花销是多少?


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解:

一次DMA传送将花8KB/(4MB/Sec)=2×10-3秒的时间,

处理器必须每秒钟将有1/(2×10-3) =0.5×103个 DMA传送,

一秒钟内CPU花在DMA传送上的开销为0.5×103×(1000+500)=750×10-3个时钟周期。

在硬盘I/O操作上处理器花费的时间占750×10-3/500×106

=1.5×10-3=0.15%。


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◆当DMA方式被用于硬盘接口时

在数据传送期间将不消耗处理器周期,所以即使硬盘一直在进行I/O操作,CPU为它服务的时间也仅占0.15%;

事实上,硬盘在大多数时间内并不进行数据传送。因此处理器的占用率会更低。

如果处理器同时要竞争存储器的话,因为存储器忙于进行DMA传送,所以处理器将会被延迟与存储器交换数据。

通过使用Cache,处理器可以避免大多数访存冲突。所以一般存储器带宽的大部分都可以让给I/O设备使用。


9 5 4 dma

9.5.4 DMA与存储器系统

◆DMA引入到I/O系统中时,存储器系统和处理器之间的关系就要改变,这在虚拟存储器系统和Cache 系统中会产生一些问题。

若用虚拟地址,则DMA接口必须要将虚拟地址转换为物理地址;而使用物理地址,每次DMA传送不能跨页。

▲这些问题的解决通常要结合硬件和软件两方面的技术支持。

DMA接口中安排一个小的类似页表的地址映射表,用于将虚拟地址转换为物理地址。DMA初始化时,由操作系统进行地址映射;DMA接口就不用关心传送数据在主存的具体位置。


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另外一种方法是操作系统把一次传送分解成多次小数据量传送,每次只限定在一个物理页面内。

◆I/O数据的一致性问题

采用Cache的系统中,一个数据项可能会产生两个副本,一个在Cache中,一个在存储器中。DMA控制器直接向存储器发出访存请求而不通过Cache,这时,DMA看到的一个主存单元的值与处理器看到的Cache中的副本可能不同。即产生 I/O数据的一致性问题。

▲ 解决I/O数据的一致性问题的方法有三种。

一种方式是让I/O活动通过Cache进行,这样就保证了在I/O读时能读到最新的数据,而I/O写时能更新Cache中的任何数据。这样一来就会影响Cache的命中率,而对处理器的性能也带来很多负面的影响。


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第二种方式是让操作系统在I/O读时有选择地使某些Cache块无效,而在I/O写时迫使Cache进行一次回写操作,这种操作经常被称为Cache刷新(Cache Flushing)。这种方式需要少量硬件支持。用软件实现这种方法,是比较有效的一种。

第三种方式是通过一个硬件机制来选择被刷新或使无效的cache项。这种用硬件方式来保证Cache一致性的方式大多被用在多处理器系统中。


9 6 i o

9.6 通道和I/O处理器方式

■ 在大型计算机系统中,外围设备的数量、种类较多,为了在处理I/O请求时进一步减少中断处理次数和处理器的占用时间,把对外设的管理和控制工作从CPU中分离出来,使I/O控制器更具智能化,这种I/O控制器称为通道控制器或I/O处理器。

■ 通道控制器和I/O处理器可以独立地执行一系列的I/O操作,这些I/O操作序列通常被称为I/O通道程序;

操作系统要为I/O读写操作组织相应的传送参数或I/O通道程序,通道或I/O处理器通过I/O通道程序执行相应的操作。


9 6 1

9.6.1 通道的基本概念

◆ 通道(Channel,简写为CH)是一种专门的I/O控 制器。

◆ 通道方式与DMA方式的区别

DMA方式是通过DMA控制器控制总线,在外设和主存之间直接实现I/O传送;

而通道通过执行通道程序进行I/O操作的管理。

对CPU而言,CH比DMA具有更强的独立处理I/O的能力。DMA控制器通常只控制一台或多台同类的高速设备;而通道可控制多台同类或不同类的设备。

◆ 在具有通道的系统中,通常采用主机(CPU/主存)-通道(CH)-设备控制器-外设四级结构(图9.27)。


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图9.27 通道(CH)的位置


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◆ CPU对通道的控制通过两种途径:

(1) 执行I/O指令

当需要进行I/O操作时,CPU按约定的格式准备好命令和数据,编制好通道程序,然后通过执行I/O 指令(例如:START I/O, TEST I/O,HALT I/O等)来启动通道。

通道被启动后,从主存指定单元取出通道程序执行; I/O指令是一种管态(特权)指令,在用户程序中不能使用。

 I/O指令应给出通道开始工作所需的全部参数,I/O指令和CPU的其他指令形式相同,由操作码和地址码组成,操作码表示执行何操作,地址码用来表示通道和设备的编号。

 CPU启动通道后,通道和外部设备将独立进行工作。


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(2) 处理来自通道的中断请求

▲ 当通道和外设发生异常或结束处理时,通道采用“中断”方式向处理器报告。

◆通道的基本职能:

① 接受CPU的I/O指令,按CPU的要求与指定的外设通信;

② 从内存读取通道程序,对通道指令进行译码,向设备控制器和设备发送各种控制命令。

③ 组织外设和内存间的数据传送,并根据要求提供中间缓存;

④ 从外设得到设备的状态信息,并与通道本身的状态信息一起保存下来,根据要求将状态信息送内存固定单元。

⑤ 将外设的中断请求和通道本身的中断请求,按序并及时报告给CPU。


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◆ 设备控制器类似于I/O设备的接口,是通道对外设实现传输控制的执行机构;一个设备控制器可以控制多个同类的设备。

▲ 设备控制器的具体任务:

① 接受通道送来的通道命令,控制外设完成所要求的操作。

② 向通道反映外设的状态。

③ 将多种外设的不同信号转换为通道能识别的标准信号。


9 6 2

9.6.2 通道的种类

◆ 按通道独立于CPU的程度来分,通道分为结合型通道和独立型通道。

结合型通道在硬件上与CPU做在一起,而独立型通道则硬件上独立于CPU。

◆ 按数据传送方式来分;通常将通道分为以下三种:字节多路通道、选择通道和成组多路通道。

1.字节多路通道

字节多路通道采用字节交叉传送方式进行数据传送,适合于连接多个低速I/O设备(在20K字节/秒以下),设备传送一个字节的时间相应较短,相邻字节之间数据准备时间较长;

分时使用通道,轮流传送数据,实现多台I/O设备间的并行,以提高通道利用率;


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字节多路通道由多个子通道构成,每个子通道并行工作,各服务于一个设备控制器。

每个子通道中包含:字符缓冲器、状态/控制寄存器以及通道参量(如:字节计数值、内存地址、…)、主存单元的地址指针等。

2.选择通道

选择通道用于对高速设备进行控制;在一段时间内选择通道只执行一个设备的通道程序,采用“成组”方式传送。

某个设备一旦被选中便独占通道,直到传送完毕才释放通道,所以传输速率高。

选择通道可接多台同类设备,其数据宽度是可变的,通道中包含一个参数寄存器,用于记录I/O操作所需的通道参量。


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3.成组多路通道

多台设备以定长数据块为单位分时使用传输通路,轮流传送数据块。这种通道称为成组多路通道。

既允许各子通道间并行工作,又以独占方式成组地连续传送数据,因而具有很高的传输率。用于控制多台同类高速设备。

▲ 磁盘设备的成组多路通道控制(图9.28)

图9.28 数组多路通道控制磁盘传送


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◆ 例1:设A,B,C三个设备的数据块按下述字节序列组成:

A:A1,A2,A3,…Ai,…Ak,Ak+1,…An;

B:B1,B2,B3,…Bi,…Bk,Bk+1,…Bn;

C:C1,C2,C3,…Ci,…Ck,Ck+1,…Cn。

▲ 三种通道可能的数据传送序列为:

(1) 字节多路通道:A1,B1,C1,A2,B2,C2,A3,B3,C3…

(2) 选择通道:A1,A2,A3…An,B1,B2,B3…Bn,C1,C2,C3…Cn

(3) 成组多路通道:A1,A2…Ak,B1,B2…Bk,C1,C2…Ck,Ak+1,Ak+2…A2k,Bk+1,Bk+2…B2k…

字节多路通道的实际流量是该通道的所有设备的传输率之和。

选择通道和成组通道在一段时间内只能为一台设备传送数据,实际流量是连接在这个通道上的所有设备中数据流量最大的那一个。


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9.6.3 通道程序

◆ 通道程序由若干通道命令字(CCW)构成

它是一组功能有限的I/O指令,能指定通道I/O操作所需的参量,并完成数据传送操作。

CCW一般包括操作命令码、数据在内存的首址、传送数据个数和控制标志字段等。

◆ IBM370和IBM4300的通道命令字举例


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  • ◆(CCW)是一个双字,由以下四个字段构成:

  • 操作码字段:指出设备所进行的操作,一般包括

  • 以下几种操作命令。

① 读或反读操作。执行读操作时,字以地址递增顺序存入存储器,执行反读操作时,以地址递减顺序存入主存。

② 写操作。通道从主存取出数据,并将其写入外设。

③ 测试(取状态字)操作。外设送出它当前的状态信息和接口中产生的例外信息。

④ 转移(通道转移)操作。执行通道转移操作时,CCW从该命令给定的地址中取出,而不是按地址顺序从下一个单元中取出。因此,利用通道转移命令可以从一个通道命令序列转入另一个命令序列。

⑤ 控制操作。如磁盘寻道,磁带走带、卸带等。


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(2) 内存地址字段:在执行读、反读、写、测试等操作时给出数据在主存中的首地址,共24位。

(3) 标志特征字段:共有以下5位标志特征位。

▲ 数据链特征CD和命令链特征CC:

若CD=0、 CC=0,说明本指令是通道程序的最后一条指令。

若CD=1、CC=0,说明本指令与下一条指令的操作码相同。

若CD=0、CC=1,则说明本指令和下条指令的操作码不同。

▲ 封锁错误长度特征SLI:忽略长度错误。

▲ 封锁写入主存特征SKIP:只执行外设相应的操作,而不把数据写入主存。

▲ 程序控制中断特征PCI:为1时产生I/O中断请求


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(4) 计数值字段: 指定数据传送的个数,共16位。

◆ 例2:说明通道程序如何实现磁带与主存之间的数据传送。假定CPU调用时已由启动I/O指令启动了通道与磁带机,则通道从主存某固定单元中读出通道地址字CAW(对于IBM4300,该固定单元为77H号单元)。然后再从CAW中取出通道程序首址,开始执行通道程序。

表9.4 是一个通道程序,共有5条通道命令字。

表9.4 通道程序举例


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 5条CCW的含义如下:

① 倒带。由于磁带位置有可能使磁头处于磁带的中部,故应先倒带,使磁带反转回到起始端(BOT标志处)。

② 走带。磁带正向越过3个数据块(记录区),但不读出。

③ 读。读出256字节数据,写入首址为31BOH的主存缓冲区。

④ 读带但不写入主存。链接特征为CD=1、CC=0,所以第4条指令操作与第3条相同,为读出。封锁写入主存位SKIP=1,所以不写入主存。用相当于正向越过256字节的磁带长度。

⑤ 读带。从磁带中读出512个字节的数据,写入首址5000H的主存缓冲区。根据链接特征位,第5条是本通道程序的最后一条,至此结束。


9 6 4

9.6.4 输入/出处理机

◆ 输入/出处理机方式是通道方式的进一步发展,有两种输入/出处理机系统结构。

(1) 通道结构的输入/出处理机,称为I/O处理机(IOP)

▲ IOP与通道方式一样,也是通过执行通道程序对外设进行控制,能和CPU并行工作,提供了DMA控制能力。

▲ IOP与通道的区别主要有:

通道有功能有限的、面向外设控制和数据传送的指令系统;IOP有自己专用的指令系统,不仅可进行外设控制和数据传送,而且可进行算术运算、逻辑运算、字节变换、测试等。

通道方式下,通道程序存于和CPU公用的主存中;而IOP有自己单独的存储器,并可访问系统的内存。


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通道方式下,许多工作仍然需要CPU实现;而IOP有自己的运算器和控制器,能处理传送出错及异常情况,能对传送的数据格式进行转换,能进行整个数据块的校验等。

▲ 具有IOP的I/O系统是一个分级的I/O系统

当CPU执行到用户程序要求进行某种输入/出操作时,它就发一个I/O请求,调用操作系统中的I/O管理程序;

I/O管理程序接受到请求后,就组织这次I/O操作所需的数据/控制信息块,包括:总线请求方式、总线物理宽度、通道操作命令字和通道程序的参数块(设备地址、数据地址、通道程序指针、回送结果单元等)等,并放在主存公共区域,然后启动IOP中的通道工作;

IOP从主存公共信息区读取CPU放在该处的控制信息,并根据CPU预先设置的信息选择一个指定的通道程序执行。


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(2) 外围处理器(PPU)方式的输入/出处理机系统结构

在大型计算机系统中,有时选用通用计算机担任PPU,它基本上独立于主CPU而工作,也有自己的指令系统,可进行算术/逻辑运算、主存读写和与外设交换信息等。

◆ I/O设备和主机之间数据传送小结

用于I/O设备和主机之间进行数据传送的四种方法:程序查询、中断方式、DMA控制、通道和输入/出处理器方式。

这些方法逐步把处理I/O 操作的负担从处理器移到更智能化的I/O控制器或I/O处理器;

其目的是将处理器周期从I/O操作中释放出来。

同时也逐步增加了I/O系统的复杂性和价格;

因此,一个给定的计算机系统应该选择它所连接的设备所合适的I/O控制方式。


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