第 3章 总线、中断与 I/O系统
3.1输入输出系统概述
3.2总线设计
3.3中断系统
3.4通道处理机
3.5外围处理机
?本章重点：
非专用总线的总线控制方式；数据宽度及其
分类；中断为什么要分类和分级；中断处理次序
的安排和实现；通道流量的分析和设计。
?本章难点：
如何按中断处理优先次序的要求，设置各中
断处理程序中中断级屏蔽位的状态，正确画出中
断处理过程的示意图；通道的流量设计；画出字
节多路通道响应和处理完外部设备请求的时空图。
3.1 I/O系统概述
1.包括内容,
I/O设备、设备控制器及与 I/O操作有关的软硬
件等。
2.I/O系统的发展：
1)早期及目前低性能单用户计算机的 I/O操作
由程序员直接安排。主要解决 CPU、主存和 I/O
设备之间的速度差距。
2)现在改由用户向系统发出 I/O请求，经 OS来分
配调度设备并进行具体的 I/O处理。主要解决
面向 OS在 OS与 I/O系统间进行合理的软、硬件
功能分配。
3.I/O系统的功能
1)功能,对指定的外设进行输入、输出操作，
同时完成其它的管理和控制。
2)包括：
a)对指定外设的信息编址，连接好主存与指
定外设的信息通路。
b)完成指定外设编址区和 OS指定的主存空间之
间的信息传送。
?输入：外设编址区信息 主存
?输出：主存信息 外设编址区
c)对传送信息的格式变换，产生有关 I/O 操作
是否完成或出错的状态信息，经由中断系统交
给 OS分析处理。
3)实现：
a)部分由 I/O指令,I/O设备及其控制器完成
b)部分由 OS完成
4.I/O系统的三种方式
1)程序控制 I/O
a)全软的
b)程序查询状态驱动的 —键盘
c)中断驱动的 —中断控制器 8259A
2)直接存贮器访问 (DMA)
3)I/O处理机
a)通道方式 (Channel)
有自己的指令和程序，功能简单，使用面窄。
b)外围处理机方式 (PPU)
独立性、通用性和功能较强。
3.2 总线设计
I/O系统的总线既要能传送数据信息、地
址信息、控制信息，还要传送状态信息，
并使多台外设与 CPU或主存交叉地经这些
总线传送信息。所以其设计的好坏，对 I/O
系统的性能影响较大。
3.2.1总线的类型
1.按信息传送方向分
1)单向传输
2)双向传输
a)半双向,
在同一时刻，信息只能向其中的一个方向
传送。
b)全双向：
在同一时刻，允许信息在两个方向传送。
全双向速度快，但是造价高，结构复杂。
2.按用法分
1)专用总线
a)定义：只连接一对物理部件的总线。
b)优点：
?多个部件可以同时发送和接受信息，几乎不
必争用总线，系统流量高。
?控制简单，不用指明信息源和目的。
?任何总线的失效只影响相连的两个部件不能
直接通信，但可以间接通信，系统可靠性高。
c)缺点：
?总线数目多,N个部件
全部互连需 N(N-1)/2组
总线。
?难以小型化、集成电
路化，总线长时成本高。
?利用率低
?不利于模块化，增加一个部件要增加许多新
的接口和连线。
A
B C
D
E
所有部件用
专用总线互连
2)非专用总线
a)定义,可以被多种功能或多个部件分时共享,
同一时刻只有一对部件使用总线进行通信。
b)优点：
?总线少，造价低。
?接口标准化、模块性强，易于简化接口设计。
?扩充能力强，多重总线提高带宽和可靠性。
c)缺点：
?经常出现总线争用，系统流量小。
?可能成为系统速度瓶颈，导致系统瘫痪。
总线
3.2.2总线的控制方式
1.产生原因
采用非专用总线时，可能出现多个设备或部件
同时使用总线而发生争用，就得有总线控制机
构来按照某种方式裁决，保证同一时间只能有
一个高优先级的申请者取得总线使用权。
2.控制方式
1)集中式控制
总线控制逻辑基本上集中放在一起，或者放
在连接总线的一个部件中，或者是放在单独的
硬件中。我们主要讲述这一控制方式 。
2)分布式控制
总线控制逻辑分散于连到总线的各个部件中。
3.优先次序的三种确定方式
1)串行链接方式
部件
0
部件
1
部件
N-1总线
控
制
器
总线可用
总线请求
总线忙
集中式串行链接
a)次序确定
完全由“总线可用”线所接部件的物理位置
来
决定，离总线控制器越近的部件其优先级越高。
b)优点：
?算法简单，线数少，且不取决于部件的数量。
?部件增加容易，可扩充性好。
?逻辑简单，容易通过重复设置来提高其可靠
性。
c)缺点：
?对, 总线可用, 线敏感，一个部件不能正确
传
送, 总线可用, 信号,其后部件都得不到使用
权。
?优先级固定，不可被程序更改，灵活性差。
?遥远部件难以获得总线使用权。
?“总线可用, 信号顺序、脉动地通过每一部
件,
限制了总线分配的速度。
?受总线长度影响，增、减及移动部件也受限。
2)定时查询方式：
部件
0
部件
1
总
线
控
制
器
总线请求
总线忙
部件
N-1
总
线
控
制
器
集中式定时查询
定时查询计数
……
a)次序确定
?总线分配前计数器清, 0”,从, 0”开始查询，
优先级排序类似串行链接。
?总线分配前不清, 0”，从中止点继续查询，
是循环优先级，部件使用总线机会均等。
?总线分配前将计数器设置初值，可以指定某
个部件为最高优先级。
?总线分配前将部件号重新设置，可以为各部
件指定任意希望的优先级。
b)优点：
?优先级可由程序控制，灵活性强。
?某一部件的失效不影响其它部件，可靠性高。
c)缺点：
?线数多，扩展性差，控制复杂。
?速度取决于计数器信号的频率和部件数，不
是很高。
3)独立请求方式：
部件
0
总
线
控
制
器
部件
N-1
总
线
控
制
器
总线请求 0
集中式独立请求
……
总线准许 0
总线请求 N-1
总线准许 N-1
总线已被分配
…
a)次序确定
总线控制器根据某种算法来仲裁。
b)优点：
?总线分配速度快。
?可以灵活确定下一个使用总线的部件。
?可以方便的不响应来自已知失效或可能失效
的部件发出的总线请求。
c)缺点：
?控制线多,N个部件要 2N+1根控制线。
?总线控制器复杂。
3.2.3总线的通信技术
当部件获得了总线的使用权后，必须给出通信
的“源”或“目的”部件、传送信息的类型和方
向等
信息，之后才能开始真正的数据信息的传送。
1.同步通信
1)同步：为了保证通信正常进行，必须采用一
定的方式让接收端知道发送端什么时候开始发
送，什么时候发送完毕。这个过程称为总线通
信的同步。按同步方式的不同，可分为, 同步,
和, 异步, 通信方式。
2)方式：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。
3)优点：信息传送速率高，受总线长度影响小。
4)缺点：
a)时钟在总线上的时滞会导致误同步
b)时钟线上的干扰信号易引起误同步
c)为了可靠性加宽时间片可能使数据传送速
率 低于异步通信
5)解决办法：只在数据出错时目的部件才给源
部件返回信号，源部件必须设置缓冲池来保
留已发送但未经证实的数据以备重发。
2.异步通信
由于 I/O总线一般是为具有不同速度的许多 I/O
设备所共享，因此宜采用异步通信。异步通信
可分为单向控制和双向 (请求 /回答 )控制。
1)异步单向控制
通信过程中只由源或目的部件中的一个控制，
分为单向源控制和单向目的控制两种。
t1 t2
数据
数据
准备
(a)源控式
td1 td2
数据
数据
请求
(b)目控式
异步单向控制通信
(源 )
(源 )
(源 )
(目 )
a)异步单向源控式通信
?优点：简单、高速
?缺点：无目的部件的应答信号，对不同速度
的部件间通信困难，需设置缓冲器来缓冲来不
及处理的数据，对“数据准备”线要求高。
b)异步单向目控式通信
?出错判断,“出错, 信号代替下一次, 请求,
信号。
?优点,解决了传送有效性校验。
?缺点,传送速率随源、目距离增大而下降，
c)单向控制缺点：未能提供传送完标志，即不
能保证下一数据传送前让所有数据线和控制
线的电平信号回到初始状态。
2)异步双向控制
t1 td1 td2 td1t
2
td1t1 td2 td3 td4
(a)非互锁方式 (b)互锁方式
(源 )数据 数据
数据
准备
数据
准备
数据
接受 数据接受
(源 )
(源 )
(源 )
(目 ) (目 )
源控式异步双向通信
a)目控式异步双向通信
b)源控式异步双向通信
?非互锁方式
优点,提供出错控制,便于不同速率部件通信。
缺点,传送速率低,容易丢失数据。
?互锁方式
优点,保证数据高速、正确传送,适合不同速
率部件间通信。
缺点,增加了信号沿总线来回传送的次数,控
制硬件复杂。
3.2.4数据宽度与总线线数
1.数据宽度
1)基本概念
a)数据宽度,I/O设备取得总线使用权后所传
送数据的总量,可能经多个时钟周期分时传送。
b)数据通路宽度：指数据传送的物理宽度，如
16bit,32bit等,即一个时钟周期传送的信息量。
2)数据宽度种类
有单字 (或单字节 )、定长块、可变长块、单
字 加定长块及单字加可变长块等。
a)单字 (或单字节 )宽度
?适于输入机、打印机等低速设备，每传完一
个字 (字节 )后等待时间长，期间释放总线，
为其它设备服务，提高总线利用率和系统效率。
?不适于磁盘、磁带等快速设备，一旦开始传
送，速率很高，重新分配总线降低效率。
?优点,不指明信息长度，减少辅助开销。
?缺点,要求总想控制逻辑高速分配总线，防碍
总线采用更为合理的分配算法。
b)定长块宽度
?优点,适于磁盘等高速设备，不指明传送信息
宽度，简化控制，可按整个信息块进行校验。
?缺点,块大小固定，当比所传信息块小时，仍
多次分配总线；当大于所传信息块时，就会浪
费总线的带宽和缓冲器空间。
c)可变长块宽度
?优点,适于高优先级的中高速设备，可动态改
变传送块的大小，有效利用总线的带宽。
?缺点,要增大缓冲器空间和增加信息块大小的
辅助开销和控制。
d)单字加定长块宽度
?优点,适于速度低而优先级高的设备的总线。
定长块不必过大，超过部分可以用单字处理，
减少总线带宽、部件缓冲空间的浪费。
?缺点,信息块小于定长块少时，总线利用率低。
e)单字加可变长块宽度
灵活有效，适应挂有各种设备的总线，但代
价大。
2.总线的线数
1)制约因素
a)总线线数越多，成本高，干扰大，可靠性
低，占用空间大，但是传送速度和流量大。
b)总线长度越长，成本高，干扰大，波形畸
变严重，可靠性低。
2)原则,
a)总线越长，其线数应尽可能减少。
b)在满足性能要求及通信类型和速率的情况
下，应尽量减少总线的线数。
3)减少总线方法：
总线组合、并 /串－串 /并转换和编码
4)流量问题
a)I/O总线所需的流量取决于该总线所接外设的
数量、种类以及传输信息的方式和速率要求。
b)总线的价格一般正比于流量，当流量超过某
一范围时，价格将会呈指数上升。
c)当系统所要求流量过大时，采用多组总线合
理调配，并限制总线长度和 I/O设备数量。
d)为保证总线上各设备满负荷工作时不丢失信
息，总线的允许流量应大于各台外设平均流量
的总和。
3.3 中断系统
中断系统不只是 I/O系统，也是整个计算机系
统必不可少的重要组成部分。它对 I/O处理、多
道程序和分时处理、实时处理、人机联系、事故
处理、程序的监视和跟踪、目态程序和 OS的联系
以及多处理系统中各机的联系等方面都起着重要
的作用。
3.3.1中断的分类和分级
1.基本概念
1)中断源,引起中断的各种事件。
2)中断请求,中断源向中断系统发出请求中断的
申请。同时可以有多个中断请求，这时中断系
统要根据中断响应优先次序对优先级高的中断
请求予以相应。
3)中断响应,就是允许其中断 CPU现行程序的运
行 而转去对该请求进行预处理，包括保存断点
现场，调出相应中断处理程序，准备运行。也
可以屏蔽这一请求使其暂时得不到响应。
2.入口设置
1)当中断源较少时，通过中断系统硬件对每个
中断源直接形成相应的中断处理程序入口，进
入相应的中断处理程序。
2)当中断源较多时，先将它们按性质分类，对
每一类给定一个中断处理程序入口，再由软件
转入相应的中断源进行处理。
如 IBM370把中断分为以下六类：
1)机器指令校验 故障 64位机器校验中断码
2)管理程序调用 OS执行, 访管, 指令 8
3)程序性中断 出错、出现异常 16
4)外部中断 外部信号、定时器、键盘等 16
5)I/O中断 I/O操作完成或出错 16
6)重新启动中断 操作员或其它 CPU启动程序
其中重新启动中断是 CPU不能禁止的。每类
具体的中断原因可由旧程序状态字 (PSW)进一步
指明，或是由中断期间放置在指定存贮单元的附
加信息指明。
3.中断分类
细分为中断 (Interrupt)和异常 (Exception)。
1)中断
专指那些于当前进程运行无关的请求暂停的
事件,如机器故障中断请求、外设中断请求、定
时中断请求等。中断可以被屏蔽，暂时保存在
中断寄存器，屏蔽解除后继续得到响应和处理。
2)异常
由现行指令引起的暂停事件，如页面失效、
溢出等，一般不能屏蔽，立即得到响应和处理。
异常可以分为自陷 (Trap)、故障 (Fault)、失
败 (Abort)三种。
a)自陷
发生在引起异常的指令执行的末尾，处理后
返回原先正常程序的下一条指令继续执行。
b)故障
发生在执行指令的过程中，处理后返回原先
发生故障的那条指令出重复执行。
c)失败
也发生在指令执行过程中，需强制干预或系
统复位才可以使指令再正确执行下去。
4.中断级别
1)依据：根据中断的性质、紧迫性、重要性以
及软件处理的方便性把中断源分级。优先级高
低的划分，不同机器有所差异，一般把机器校
验安排为第一级，程序性和管理程序调用为第
二级，外部为第三级,I/O为第四级，重新启
动为最低级。
2)次序：由高到低依次为第一级、第二级
3)原则：局部性中断优先级低
……
以 IBM370为例
紧急机器校验 1 全局，掉电,CPU地址错等
管理程序调用 2 高于 I/O与外部，防止混乱
可抑止机器校验 3 局部的
外部中断 4 多机联系、人机干预等
I/O中断 5 局部性外设请求
重新启动 6 时间不紧迫
5.中断响应次序与处理次序
1)中断响应次序
同时发生多个中断请求时，由中断响应硬件的
排队器所决定的响应次序，次序是固定的。
2)中断处理次序
一个中断处理程序执行前或中再有其它中断产
生时中断处理完的次序，可以不同于响应次序 。
3)处理原则
在处理某级中断时,只有更高级的请求到来才
转去响应和处理，完成后返回原中断继续处理。
6.中断处理次序改变
1)方法：
a)设置中断级屏蔽位寄存器硬件以决定是否让
某级中断请求进入中断响应排队器，只要进入
排队器中断请求，就让级别高的优先得到响应。
b)OS对每类中断处理程序的现行 PSW中的中断
级屏蔽位进行设置，可以实现希望的处理次序。
2)优点：
改变响应次序中用排队器硬件实现的固定次
序为 OS软件实现的灵活性。
例,系统有 4个中断级,每级现行 PSW有 4位屏蔽位
,1”表示对该级的请求都开放,允许其进入排
队
器。, 0”表示屏蔽各个请求,不允许进入排队
器，
现要求各级中断处理次序和响应次序都是 1 2
3 4，请设计屏蔽位状态。 中断处理
程序级别
中断级屏蔽位
第 1级
第 2级
第 3级
第 4级
1级 2级 3级 4级
0 0 0 0
0 0 0
0 0
0
1
1
1
1
1 1
中断级屏蔽位举例 1(1 2 3 4)
不高于
本级的
屏蔽掉
即, 0”
用户程序 中 断 处 理 程 序中断请求
t
23
4
2
1
1 2 3 4
中断处理次序为 1 2 3 4的例子
中断处理
程序级别
中断级屏蔽位
第 1级
第 2级
第 3级
第 4级
1级 2级 3级 4级
0 0 0 0
0 1 1
0 1
0
1
1
1
0
0 0
中断级屏蔽位举例 2(1 4 3 2)
用户程序 中 断 处 理 程 序中断请求
t
3 421
1 2 3 4
中断处理次序为 1 4 3 2的例子
3.3.2中断系统的软硬件功能分配
1.中断系统的功能
1)中断请求的保存和清除
2)优先级的确定
3)中断断点及现场的保存
4)对中断请求的分析和处理
5)中断返回
这些功能全是由中断响应硬件和中断处理程
序完成的，中断系统的软硬件功能分配实质就
是中断响应硬件和处理程序软件的功能分配。
2.功能的实现
1)早期大部分功能是由软件完成的，中断响应
和中断处理时间长 。
2)后来中断响应及其次序由程序查询软件的方
法改为中断响应排队器硬件实现；中断源的分
析也由程序查询改为硬件编码，直接或经中断
向量表形成入口地址，并把中断源的状况以中
断码的方式经旧 PSW告知中断处理程序。
3.中断现场
包括软件状态和硬件状态两种
1)软件状态
如作业名称和级别，上、下界值，各种软件状
态和标志等。本来就在主存中，且数量随 OS的
发展而扩大，宜于经中断处理程序保存。
2)硬件状态
如现行指令地址，条件码，各种控制寄存器及
通用寄存器内容等。其保存方式分两种：
a)经中断响应硬件保存
把硬件状态集合成 PSW存到主存指定的单元或
区域。然后再把新的程序的 PSW从主存另一指定
单元或区域把内容传送到相关寄存器或计数器
中，建立运行新程序的环境。但会降低速度。
b)经中断处理程序保存
会延缓转入真正处理该中断请求的时间，指令
系统复杂。
实际中把两者结合起来，并视具体情况而异。
4.中断系统性能指标
1)中断响应时间
发出中断请求到进入中断处理程序的时间。主
要取决于交换 PSW的时间。
2)灵活性
各种通用寄存器的内容是由中断处理程序按切
换需求来保存的，有利于提高中断响应的速度，
又有很大灵活性。
3.4 通道处理机
3.4.1工作原理
1.原因
1)为了 I/O与 CPU、主存并行操作，以及让多用
户 或多道程序共同运行。
2)防止用户自行输入而破坏其他用户程序或系
统 程序及用户窃取系统不该让其读出的内容。
2.工作过程
…
…
…
…
…
目态程序
管理程序 通道程序
中断处理程序
k
k＋ 1
k＋ 2
k＋ 3
k＋ 4
k＋ 5
OC
OC
OC
访管 入口
设备号
交换长度
主存起始地址
置通道地址字
启动 I/O
无链通道指令
入口
访管
广义指令
和参数区
返回
I/O中断返回
I/O中断响应
I/O中断请求
编
制
通
道
程
序
通道处理机 I/O的主要过程
请求 I/O
访管指令
响应 I/O
中断请求
编制通
道程序
启动 I/O通道
组织 I/O操作
登记或例外
情况处理
I/O操作结束
向 CPU发 I/O
中断请求
运行目
态程序目态
运行 I/O
管理程序管态
CPU
t
通道处理机 I/O主要过程的时间关系
选取通道
断开?
忙？
选取子通道
断开?
忙？
选取通道指令
启动, I/O”指令
是形成条件码，结束
否
是形成条件
码，结束
否
是
是
形成条件
码，结束
否
否
形成条件
码，结束
有错？
是 形成条件码
存通道状态字
结束
选控制器、设备
否
断开？
是 形成条件
码，结束
发启动命令
否
全,0”状态？
通道结束？
存放中断？
是 接受命令启动成功
形成条件码
否
是 启动成功形成条件码
否
形成条件码
清除中断条件
不成功，结束
是
否
形成条件码,启动不成功,结束启
动I/O
指
令
流
程
图(
结
束
表
示
释
放
通
道)
3.优点：
1)完成一次 I/O两次访管，减少对目态程序的干
扰，提高了 CPU运算和外设操作的重叠度。
2)各个通道可以有自己的通道程序在运行，使
多种、多台外设可以充分并行工作。
4.类型：
1)字节多路通道
适用于连接大量字符低速设备,传送一个字符
或字节占用时间短,但等待时间长。数据通路宽
度为单字节,采用字节交叉方式提高效率,或多
个子通道独立并行工作。
2)数组多路通道
适合于磁盘等高速设备,传送速率高,但传送前
辅助操作时间长。数据宽度为定长块,传送 K个
字节后重选设备进行下 K个字节的传送。多个子
通道分时共享 I/O通路,成组交叉并行传送。
3)选择通道
适合于优先级高的高速设备，独占通道，只能
执行一道通道程序。数据宽度为可变长块，一
次将 N个字节全部传送完毕，传送期内只选一次
设备。
3.4.2通道流量分析
1.通道流量
通道在数据传送期内，单位时间所传送的字节
数。它所能达到的最大流量称为通道极限流量。
2.影响极限流量的因素
1)工作方式
2)数据传送期内选择一次设备的时间 TS
3)传送一个字节的时间 TD
3,极限流量
1)字节多路通道,每选一台设备传送一个字节。
fmax.byte=1/(TS+TD)
2)数组多路通道,每选一条设备传送 K个字节。
fmax.block=k/(TS+kTD)=1/(TS/k+TD)
3)选择通道,每选一台设备就把 N个字节传送完。
fmax.select=N/(TS+NTD)=1/(TS/N+TD)
若 TS,TD一定,N>k，则：
fmax.select > fmax.block > fmax.byte
4.实际最大流量
1)字节多路通道,
fbyte.j=Σ fi.j
2)数组多路通道：
fblock.j =max fi.j
3)选择通道：
fselect.j =max fi.j
i=1
pj
i=1
pj
i=1
pj
工作于字节交叉方式，子通道独立
各设备的字节传送率之和
所接设备的字节传送率最大的那个
j——通道的号
fi.j——通道上设备的字节传送率
pj——通道上所接的总设备数
5.设计原则
1)极限流量大于等于实际最大流量
2)极限流量与实际最大流量的差值越小越好
fmax.byte.j >= fbyte.j
fmax.block.j >= fblock.j
fmax.select.j >= fselect.j
如果 I/O系统由 m个通道，则：
fmax= Σ fmax.byte.j + Σ fmax.block.j + Σ fmax.select.j
且, fmax>= Σ Σ fi.j + Σmax fi.j + Σmax fi.j
j=1
m1 m2
j=1+ m1
m
j=1+ m2
m1 m2 m
j=1+ m1 j=1+ m2j=1 i=1
pj
上述两个基本原则只是保证宏观上不丢失设
备信息，并不能从微观上保证每一个局部时刻
都不丢失信息。因为当设备要求通道的实际最
大流量非常接近于通道设计所能达到的极限流
量时，速率高的设备频繁发出请求而优先得到
响应和处理，速率低的设备会因得不到通道而
丢失信息。为此可在设备或设备控制器中设置
一定容量的缓冲器以缓冲来不及处理的信息，
或可动态改变设备响应优先级，使得低速设备
也有机会得到通道而保证微观上不丢失信息。
当然基本原则是一定要满足的，否则无论采用
什么办法，设备总是要丢失信息的。
6.缺点：
1)并非独立的处理机，指令简单，无大容量存
贮器 。
2)I/O过程中需要 CPU承担很多工作。
3)流水等组成技术因 I/O中断而不能发挥作用，
CPU速度严重下降。
4)访管中断转入 I/O管理程序妨碍 CPU资源的合
理 利用。
3.5 外围处理机 (PPU)
为了克服通道处理机的缺点，希望 CPU进
一步摆脱数 I/O操作的控制，以便更好地
集中精力专注于自己的事情而发展了外围
处理机 (PPU)。
中
央
处
理
机
主
存
主
存
与
外
围
处
理
机
总
线
PPU0
PPU1
PPU2
PPU9
输
入
输
出
交
叉
开
关
网
络
通道 0
通道 1
通道 11
通道 i
设备控制器
设备控制器
设备控制器
设备控制器
设备控制器
设备
设备
设备
设备
设备
设备
图 3.14 CYBER 179的结构
1.外围处理机的优点
1)更接近于一般的处理机，指令丰富，功能强。
2)独立于主处理机异步工作。
3)可以与主处理机共享或不共享主存。
4)可以自由选择通道和设备进行灵活通信 。
2.缺点：
就硬件利用率和成本来讲不如通道处理机好，
但随着器件技术不断提高，成本在逐渐降低 。
第 3章小结
1,I/O系统概念
1)I/O系统,I/O设备、设备控制器及与 I/O操作
有关 的软硬件等的总和。
2)功能,对指定的外设进行输入、输出操作，同
时 完成其它的管理和控制。
3)三种方式
a)程序控制 I/O
b)DMA
c)I/O处理机
2.总线设计
1)类型
a)按方向分
?单向传输
?双向传输
半双向
全双向
b)用法分
?专用
?非专用
2)控制方式
a)产生原因,非专用总线的争用问题
b)分类
?集中式
?分布式
c)优先级确定
?串行链接
?定时查询
?独立请求
3)通信技术
a)同步通信
?概念：
?优点：信息传送速率高，受总线长度影响小。
?缺点：
时钟在总线上的时滞会导致误同步
时钟线上的干扰信号易引起误同步
为了可靠性加宽时间片可能使数据传送速率
低于异步通信
b)异步通信
源控式
目控式
源主动
目主动
4)数据宽度与总线线数
a)数据宽度,I/O设备取得总线使用权后所传
送数据的总量,可能经多个时钟周期分时传送。
b)数据通路宽度,指数据传送的物理宽度，如
16bit,32bit等,即一个时钟周期传送的信息量。
单项控制
双向控制
互锁
非互锁
c)宽度种类
?单字或单字节
?定长块
?可变长块
?单字加定长块
?单字加可变长块
d)总线
?制约因素
线数 干扰 流量
长度 干扰
?设计原则
能短则短
能少则少
?减少线数的方法
总线组合
串 /并－并 /串转换
编码
3.中断系统
1)中断的分类和分级
a)中断过程：
中断源 中断请求 响应中断 处理中断 返回
b)中断响应
c)入口设置
?中断源少时，直接硬件实现
?中断源多时，先分类，然后软件实现
d)中断分类
?中断 (Interrupt):与现行指令无关
?异常 (Exception):当前指令引起，不可屏蔽
自陷 (Trap)
故障 (Fault)
失败 (Abort)
e)中断分级
根据中断性质、紧迫性、重要性以及软件处
理的方便性分级。
f)中断响应次序与处理次序
?响应次序,同时发生多个中断请求时，由中断
响应硬件的排队器所决定的响应次序，次序是
固定的 。
?处理次序,一个中断处理程序执行前或中再有
其它中断产生时中断处理完的次序，可以不同
于响应次序。
h)处理原则,只响应比其等级高的中断请求 。
i)中断处理次序的改变：
2)软硬件功能分配
a)中断功能
?中断请求的保存和清除
?优先级的确定
?中断断点及现场的保存
?对中断请求的分析和处理
?中断返回
b)中断现场
c)性能指标
软状态
硬状态
响应时间
灵活性
4.通道处理机
1)工作原理
2)流量分析
a)极限流量计算
fmax.byte=1/(TS+TD)
fmax.block=k/(TS+kTD)=1/(TS/k+TD)
fmax.select=N/(TS+NTD)=1/(TS/N+TD)
b)实际最大流量计算
fbyte.j=Σ fi.j
fblock.j =max fi.j
fselect.j =max fi.j i从 1到 pj
c)设计原则
?极限流量大于等于实际最大流量
?极限流量与实际最大流量的差值越小越好
fmax.byte.j >= fbyte.j
fmax.block.j >= fblock.j
fmax.select.j >= fselect.j
对于多通道
fmax= Σ fmax.byte.j + Σ fmax.block.j + Σ fmax.select.j
应有, fmax>= Σ Σ fi.j + Σmax fi.j + Σmax fi.j
j=1
m1
j=1+m1 j=1+m2
j=1+m1j=1 j=1+m2
m1 m2 m
mm2
i=1
pj
5.外围处理机
了解其优缺点
3.1输入输出系统概述
3.2总线设计
3.3中断系统
3.4通道处理机
3.5外围处理机
?本章重点：
非专用总线的总线控制方式；数据宽度及其
分类；中断为什么要分类和分级；中断处理次序
的安排和实现；通道流量的分析和设计。
?本章难点：
如何按中断处理优先次序的要求，设置各中
断处理程序中中断级屏蔽位的状态，正确画出中
断处理过程的示意图；通道的流量设计；画出字
节多路通道响应和处理完外部设备请求的时空图。
3.1 I/O系统概述
1.包括内容,
I/O设备、设备控制器及与 I/O操作有关的软硬
件等。
2.I/O系统的发展：
1)早期及目前低性能单用户计算机的 I/O操作
由程序员直接安排。主要解决 CPU、主存和 I/O
设备之间的速度差距。
2)现在改由用户向系统发出 I/O请求，经 OS来分
配调度设备并进行具体的 I/O处理。主要解决
面向 OS在 OS与 I/O系统间进行合理的软、硬件
功能分配。
3.I/O系统的功能
1)功能,对指定的外设进行输入、输出操作，
同时完成其它的管理和控制。
2)包括：
a)对指定外设的信息编址，连接好主存与指
定外设的信息通路。
b)完成指定外设编址区和 OS指定的主存空间之
间的信息传送。
?输入：外设编址区信息 主存
?输出：主存信息 外设编址区
c)对传送信息的格式变换，产生有关 I/O 操作
是否完成或出错的状态信息，经由中断系统交
给 OS分析处理。
3)实现：
a)部分由 I/O指令,I/O设备及其控制器完成
b)部分由 OS完成
4.I/O系统的三种方式
1)程序控制 I/O
a)全软的
b)程序查询状态驱动的 —键盘
c)中断驱动的 —中断控制器 8259A
2)直接存贮器访问 (DMA)
3)I/O处理机
a)通道方式 (Channel)
有自己的指令和程序，功能简单，使用面窄。
b)外围处理机方式 (PPU)
独立性、通用性和功能较强。
3.2 总线设计
I/O系统的总线既要能传送数据信息、地
址信息、控制信息，还要传送状态信息，
并使多台外设与 CPU或主存交叉地经这些
总线传送信息。所以其设计的好坏，对 I/O
系统的性能影响较大。
3.2.1总线的类型
1.按信息传送方向分
1)单向传输
2)双向传输
a)半双向,
在同一时刻，信息只能向其中的一个方向
传送。
b)全双向：
在同一时刻，允许信息在两个方向传送。
全双向速度快，但是造价高，结构复杂。
2.按用法分
1)专用总线
a)定义：只连接一对物理部件的总线。
b)优点：
?多个部件可以同时发送和接受信息，几乎不
必争用总线，系统流量高。
?控制简单，不用指明信息源和目的。
?任何总线的失效只影响相连的两个部件不能
直接通信，但可以间接通信，系统可靠性高。
c)缺点：
?总线数目多,N个部件
全部互连需 N(N-1)/2组
总线。
?难以小型化、集成电
路化，总线长时成本高。
?利用率低
?不利于模块化，增加一个部件要增加许多新
的接口和连线。
A
B C
D
E
所有部件用
专用总线互连
2)非专用总线
a)定义,可以被多种功能或多个部件分时共享,
同一时刻只有一对部件使用总线进行通信。
b)优点：
?总线少，造价低。
?接口标准化、模块性强，易于简化接口设计。
?扩充能力强，多重总线提高带宽和可靠性。
c)缺点：
?经常出现总线争用，系统流量小。
?可能成为系统速度瓶颈，导致系统瘫痪。
总线
3.2.2总线的控制方式
1.产生原因
采用非专用总线时，可能出现多个设备或部件
同时使用总线而发生争用，就得有总线控制机
构来按照某种方式裁决，保证同一时间只能有
一个高优先级的申请者取得总线使用权。
2.控制方式
1)集中式控制
总线控制逻辑基本上集中放在一起，或者放
在连接总线的一个部件中，或者是放在单独的
硬件中。我们主要讲述这一控制方式 。
2)分布式控制
总线控制逻辑分散于连到总线的各个部件中。
3.优先次序的三种确定方式
1)串行链接方式
部件
0
部件
1
部件
N-1总线
控
制
器
总线可用
总线请求
总线忙
集中式串行链接
a)次序确定
完全由“总线可用”线所接部件的物理位置
来
决定，离总线控制器越近的部件其优先级越高。
b)优点：
?算法简单，线数少，且不取决于部件的数量。
?部件增加容易，可扩充性好。
?逻辑简单，容易通过重复设置来提高其可靠
性。
c)缺点：
?对, 总线可用, 线敏感，一个部件不能正确
传
送, 总线可用, 信号,其后部件都得不到使用
权。
?优先级固定，不可被程序更改，灵活性差。
?遥远部件难以获得总线使用权。
?“总线可用, 信号顺序、脉动地通过每一部
件,
限制了总线分配的速度。
?受总线长度影响，增、减及移动部件也受限。
2)定时查询方式：
部件
0
部件
1
总
线
控
制
器
总线请求
总线忙
部件
N-1
总
线
控
制
器
集中式定时查询
定时查询计数
……
a)次序确定
?总线分配前计数器清, 0”,从, 0”开始查询，
优先级排序类似串行链接。
?总线分配前不清, 0”，从中止点继续查询，
是循环优先级，部件使用总线机会均等。
?总线分配前将计数器设置初值，可以指定某
个部件为最高优先级。
?总线分配前将部件号重新设置，可以为各部
件指定任意希望的优先级。
b)优点：
?优先级可由程序控制，灵活性强。
?某一部件的失效不影响其它部件，可靠性高。
c)缺点：
?线数多，扩展性差，控制复杂。
?速度取决于计数器信号的频率和部件数，不
是很高。
3)独立请求方式：
部件
0
总
线
控
制
器
部件
N-1
总
线
控
制
器
总线请求 0
集中式独立请求
……
总线准许 0
总线请求 N-1
总线准许 N-1
总线已被分配
…
a)次序确定
总线控制器根据某种算法来仲裁。
b)优点：
?总线分配速度快。
?可以灵活确定下一个使用总线的部件。
?可以方便的不响应来自已知失效或可能失效
的部件发出的总线请求。
c)缺点：
?控制线多,N个部件要 2N+1根控制线。
?总线控制器复杂。
3.2.3总线的通信技术
当部件获得了总线的使用权后，必须给出通信
的“源”或“目的”部件、传送信息的类型和方
向等
信息，之后才能开始真正的数据信息的传送。
1.同步通信
1)同步：为了保证通信正常进行，必须采用一
定的方式让接收端知道发送端什么时候开始发
送，什么时候发送完毕。这个过程称为总线通
信的同步。按同步方式的不同，可分为, 同步,
和, 异步, 通信方式。
2)方式：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。
3)优点：信息传送速率高，受总线长度影响小。
4)缺点：
a)时钟在总线上的时滞会导致误同步
b)时钟线上的干扰信号易引起误同步
c)为了可靠性加宽时间片可能使数据传送速
率 低于异步通信
5)解决办法：只在数据出错时目的部件才给源
部件返回信号，源部件必须设置缓冲池来保
留已发送但未经证实的数据以备重发。
2.异步通信
由于 I/O总线一般是为具有不同速度的许多 I/O
设备所共享，因此宜采用异步通信。异步通信
可分为单向控制和双向 (请求 /回答 )控制。
1)异步单向控制
通信过程中只由源或目的部件中的一个控制，
分为单向源控制和单向目的控制两种。
t1 t2
数据
数据
准备
(a)源控式
td1 td2
数据
数据
请求
(b)目控式
异步单向控制通信
(源 )
(源 )
(源 )
(目 )
a)异步单向源控式通信
?优点：简单、高速
?缺点：无目的部件的应答信号，对不同速度
的部件间通信困难，需设置缓冲器来缓冲来不
及处理的数据，对“数据准备”线要求高。
b)异步单向目控式通信
?出错判断,“出错, 信号代替下一次, 请求,
信号。
?优点,解决了传送有效性校验。
?缺点,传送速率随源、目距离增大而下降，
c)单向控制缺点：未能提供传送完标志，即不
能保证下一数据传送前让所有数据线和控制
线的电平信号回到初始状态。
2)异步双向控制
t1 td1 td2 td1t
2
td1t1 td2 td3 td4
(a)非互锁方式 (b)互锁方式
(源 )数据 数据
数据
准备
数据
准备
数据
接受 数据接受
(源 )
(源 )
(源 )
(目 ) (目 )
源控式异步双向通信
a)目控式异步双向通信
b)源控式异步双向通信
?非互锁方式
优点,提供出错控制,便于不同速率部件通信。
缺点,传送速率低,容易丢失数据。
?互锁方式
优点,保证数据高速、正确传送,适合不同速
率部件间通信。
缺点,增加了信号沿总线来回传送的次数,控
制硬件复杂。
3.2.4数据宽度与总线线数
1.数据宽度
1)基本概念
a)数据宽度,I/O设备取得总线使用权后所传
送数据的总量,可能经多个时钟周期分时传送。
b)数据通路宽度：指数据传送的物理宽度，如
16bit,32bit等,即一个时钟周期传送的信息量。
2)数据宽度种类
有单字 (或单字节 )、定长块、可变长块、单
字 加定长块及单字加可变长块等。
a)单字 (或单字节 )宽度
?适于输入机、打印机等低速设备，每传完一
个字 (字节 )后等待时间长，期间释放总线，
为其它设备服务，提高总线利用率和系统效率。
?不适于磁盘、磁带等快速设备，一旦开始传
送，速率很高，重新分配总线降低效率。
?优点,不指明信息长度，减少辅助开销。
?缺点,要求总想控制逻辑高速分配总线，防碍
总线采用更为合理的分配算法。
b)定长块宽度
?优点,适于磁盘等高速设备，不指明传送信息
宽度，简化控制，可按整个信息块进行校验。
?缺点,块大小固定，当比所传信息块小时，仍
多次分配总线；当大于所传信息块时，就会浪
费总线的带宽和缓冲器空间。
c)可变长块宽度
?优点,适于高优先级的中高速设备，可动态改
变传送块的大小，有效利用总线的带宽。
?缺点,要增大缓冲器空间和增加信息块大小的
辅助开销和控制。
d)单字加定长块宽度
?优点,适于速度低而优先级高的设备的总线。
定长块不必过大，超过部分可以用单字处理，
减少总线带宽、部件缓冲空间的浪费。
?缺点,信息块小于定长块少时，总线利用率低。
e)单字加可变长块宽度
灵活有效，适应挂有各种设备的总线，但代
价大。
2.总线的线数
1)制约因素
a)总线线数越多，成本高，干扰大，可靠性
低，占用空间大，但是传送速度和流量大。
b)总线长度越长，成本高，干扰大，波形畸
变严重，可靠性低。
2)原则,
a)总线越长，其线数应尽可能减少。
b)在满足性能要求及通信类型和速率的情况
下，应尽量减少总线的线数。
3)减少总线方法：
总线组合、并 /串－串 /并转换和编码
4)流量问题
a)I/O总线所需的流量取决于该总线所接外设的
数量、种类以及传输信息的方式和速率要求。
b)总线的价格一般正比于流量，当流量超过某
一范围时，价格将会呈指数上升。
c)当系统所要求流量过大时，采用多组总线合
理调配，并限制总线长度和 I/O设备数量。
d)为保证总线上各设备满负荷工作时不丢失信
息，总线的允许流量应大于各台外设平均流量
的总和。
3.3 中断系统
中断系统不只是 I/O系统，也是整个计算机系
统必不可少的重要组成部分。它对 I/O处理、多
道程序和分时处理、实时处理、人机联系、事故
处理、程序的监视和跟踪、目态程序和 OS的联系
以及多处理系统中各机的联系等方面都起着重要
的作用。
3.3.1中断的分类和分级
1.基本概念
1)中断源,引起中断的各种事件。
2)中断请求,中断源向中断系统发出请求中断的
申请。同时可以有多个中断请求，这时中断系
统要根据中断响应优先次序对优先级高的中断
请求予以相应。
3)中断响应,就是允许其中断 CPU现行程序的运
行 而转去对该请求进行预处理，包括保存断点
现场，调出相应中断处理程序，准备运行。也
可以屏蔽这一请求使其暂时得不到响应。
2.入口设置
1)当中断源较少时，通过中断系统硬件对每个
中断源直接形成相应的中断处理程序入口，进
入相应的中断处理程序。
2)当中断源较多时，先将它们按性质分类，对
每一类给定一个中断处理程序入口，再由软件
转入相应的中断源进行处理。
如 IBM370把中断分为以下六类：
1)机器指令校验 故障 64位机器校验中断码
2)管理程序调用 OS执行, 访管, 指令 8
3)程序性中断 出错、出现异常 16
4)外部中断 外部信号、定时器、键盘等 16
5)I/O中断 I/O操作完成或出错 16
6)重新启动中断 操作员或其它 CPU启动程序
其中重新启动中断是 CPU不能禁止的。每类
具体的中断原因可由旧程序状态字 (PSW)进一步
指明，或是由中断期间放置在指定存贮单元的附
加信息指明。
3.中断分类
细分为中断 (Interrupt)和异常 (Exception)。
1)中断
专指那些于当前进程运行无关的请求暂停的
事件,如机器故障中断请求、外设中断请求、定
时中断请求等。中断可以被屏蔽，暂时保存在
中断寄存器，屏蔽解除后继续得到响应和处理。
2)异常
由现行指令引起的暂停事件，如页面失效、
溢出等，一般不能屏蔽，立即得到响应和处理。
异常可以分为自陷 (Trap)、故障 (Fault)、失
败 (Abort)三种。
a)自陷
发生在引起异常的指令执行的末尾，处理后
返回原先正常程序的下一条指令继续执行。
b)故障
发生在执行指令的过程中，处理后返回原先
发生故障的那条指令出重复执行。
c)失败
也发生在指令执行过程中，需强制干预或系
统复位才可以使指令再正确执行下去。
4.中断级别
1)依据：根据中断的性质、紧迫性、重要性以
及软件处理的方便性把中断源分级。优先级高
低的划分，不同机器有所差异，一般把机器校
验安排为第一级，程序性和管理程序调用为第
二级，外部为第三级,I/O为第四级，重新启
动为最低级。
2)次序：由高到低依次为第一级、第二级
3)原则：局部性中断优先级低
……
以 IBM370为例
紧急机器校验 1 全局，掉电,CPU地址错等
管理程序调用 2 高于 I/O与外部，防止混乱
可抑止机器校验 3 局部的
外部中断 4 多机联系、人机干预等
I/O中断 5 局部性外设请求
重新启动 6 时间不紧迫
5.中断响应次序与处理次序
1)中断响应次序
同时发生多个中断请求时，由中断响应硬件的
排队器所决定的响应次序，次序是固定的。
2)中断处理次序
一个中断处理程序执行前或中再有其它中断产
生时中断处理完的次序，可以不同于响应次序 。
3)处理原则
在处理某级中断时,只有更高级的请求到来才
转去响应和处理，完成后返回原中断继续处理。
6.中断处理次序改变
1)方法：
a)设置中断级屏蔽位寄存器硬件以决定是否让
某级中断请求进入中断响应排队器，只要进入
排队器中断请求，就让级别高的优先得到响应。
b)OS对每类中断处理程序的现行 PSW中的中断
级屏蔽位进行设置，可以实现希望的处理次序。
2)优点：
改变响应次序中用排队器硬件实现的固定次
序为 OS软件实现的灵活性。
例,系统有 4个中断级,每级现行 PSW有 4位屏蔽位
,1”表示对该级的请求都开放,允许其进入排
队
器。, 0”表示屏蔽各个请求,不允许进入排队
器，
现要求各级中断处理次序和响应次序都是 1 2
3 4，请设计屏蔽位状态。 中断处理
程序级别
中断级屏蔽位
第 1级
第 2级
第 3级
第 4级
1级 2级 3级 4级
0 0 0 0
0 0 0
0 0
0
1
1
1
1
1 1
中断级屏蔽位举例 1(1 2 3 4)
不高于
本级的
屏蔽掉
即, 0”
用户程序 中 断 处 理 程 序中断请求
t
23
4
2
1
1 2 3 4
中断处理次序为 1 2 3 4的例子
中断处理
程序级别
中断级屏蔽位
第 1级
第 2级
第 3级
第 4级
1级 2级 3级 4级
0 0 0 0
0 1 1
0 1
0
1
1
1
0
0 0
中断级屏蔽位举例 2(1 4 3 2)
用户程序 中 断 处 理 程 序中断请求
t
3 421
1 2 3 4
中断处理次序为 1 4 3 2的例子
3.3.2中断系统的软硬件功能分配
1.中断系统的功能
1)中断请求的保存和清除
2)优先级的确定
3)中断断点及现场的保存
4)对中断请求的分析和处理
5)中断返回
这些功能全是由中断响应硬件和中断处理程
序完成的，中断系统的软硬件功能分配实质就
是中断响应硬件和处理程序软件的功能分配。
2.功能的实现
1)早期大部分功能是由软件完成的，中断响应
和中断处理时间长 。
2)后来中断响应及其次序由程序查询软件的方
法改为中断响应排队器硬件实现；中断源的分
析也由程序查询改为硬件编码，直接或经中断
向量表形成入口地址，并把中断源的状况以中
断码的方式经旧 PSW告知中断处理程序。
3.中断现场
包括软件状态和硬件状态两种
1)软件状态
如作业名称和级别，上、下界值，各种软件状
态和标志等。本来就在主存中，且数量随 OS的
发展而扩大，宜于经中断处理程序保存。
2)硬件状态
如现行指令地址，条件码，各种控制寄存器及
通用寄存器内容等。其保存方式分两种：
a)经中断响应硬件保存
把硬件状态集合成 PSW存到主存指定的单元或
区域。然后再把新的程序的 PSW从主存另一指定
单元或区域把内容传送到相关寄存器或计数器
中，建立运行新程序的环境。但会降低速度。
b)经中断处理程序保存
会延缓转入真正处理该中断请求的时间，指令
系统复杂。
实际中把两者结合起来，并视具体情况而异。
4.中断系统性能指标
1)中断响应时间
发出中断请求到进入中断处理程序的时间。主
要取决于交换 PSW的时间。
2)灵活性
各种通用寄存器的内容是由中断处理程序按切
换需求来保存的，有利于提高中断响应的速度，
又有很大灵活性。
3.4 通道处理机
3.4.1工作原理
1.原因
1)为了 I/O与 CPU、主存并行操作，以及让多用
户 或多道程序共同运行。
2)防止用户自行输入而破坏其他用户程序或系
统 程序及用户窃取系统不该让其读出的内容。
2.工作过程
…
…
…
…
…
目态程序
管理程序 通道程序
中断处理程序
k
k＋ 1
k＋ 2
k＋ 3
k＋ 4
k＋ 5
OC
OC
OC
访管 入口
设备号
交换长度
主存起始地址
置通道地址字
启动 I/O
无链通道指令
入口
访管
广义指令
和参数区
返回
I/O中断返回
I/O中断响应
I/O中断请求
编
制
通
道
程
序
通道处理机 I/O的主要过程
请求 I/O
访管指令
响应 I/O
中断请求
编制通
道程序
启动 I/O通道
组织 I/O操作
登记或例外
情况处理
I/O操作结束
向 CPU发 I/O
中断请求
运行目
态程序目态
运行 I/O
管理程序管态
CPU
t
通道处理机 I/O主要过程的时间关系
选取通道
断开?
忙？
选取子通道
断开?
忙？
选取通道指令
启动, I/O”指令
是形成条件码，结束
否
是形成条件
码，结束
否
是
是
形成条件
码，结束
否
否
形成条件
码，结束
有错？
是 形成条件码
存通道状态字
结束
选控制器、设备
否
断开？
是 形成条件
码，结束
发启动命令
否
全,0”状态？
通道结束？
存放中断？
是 接受命令启动成功
形成条件码
否
是 启动成功形成条件码
否
形成条件码
清除中断条件
不成功，结束
是
否
形成条件码,启动不成功,结束启
动I/O
指
令
流
程
图(
结
束
表
示
释
放
通
道)
3.优点：
1)完成一次 I/O两次访管，减少对目态程序的干
扰，提高了 CPU运算和外设操作的重叠度。
2)各个通道可以有自己的通道程序在运行，使
多种、多台外设可以充分并行工作。
4.类型：
1)字节多路通道
适用于连接大量字符低速设备,传送一个字符
或字节占用时间短,但等待时间长。数据通路宽
度为单字节,采用字节交叉方式提高效率,或多
个子通道独立并行工作。
2)数组多路通道
适合于磁盘等高速设备,传送速率高,但传送前
辅助操作时间长。数据宽度为定长块,传送 K个
字节后重选设备进行下 K个字节的传送。多个子
通道分时共享 I/O通路,成组交叉并行传送。
3)选择通道
适合于优先级高的高速设备，独占通道，只能
执行一道通道程序。数据宽度为可变长块，一
次将 N个字节全部传送完毕，传送期内只选一次
设备。
3.4.2通道流量分析
1.通道流量
通道在数据传送期内，单位时间所传送的字节
数。它所能达到的最大流量称为通道极限流量。
2.影响极限流量的因素
1)工作方式
2)数据传送期内选择一次设备的时间 TS
3)传送一个字节的时间 TD
3,极限流量
1)字节多路通道,每选一台设备传送一个字节。
fmax.byte=1/(TS+TD)
2)数组多路通道,每选一条设备传送 K个字节。
fmax.block=k/(TS+kTD)=1/(TS/k+TD)
3)选择通道,每选一台设备就把 N个字节传送完。
fmax.select=N/(TS+NTD)=1/(TS/N+TD)
若 TS,TD一定,N>k，则：
fmax.select > fmax.block > fmax.byte
4.实际最大流量
1)字节多路通道,
fbyte.j=Σ fi.j
2)数组多路通道：
fblock.j =max fi.j
3)选择通道：
fselect.j =max fi.j
i=1
pj
i=1
pj
i=1
pj
工作于字节交叉方式，子通道独立
各设备的字节传送率之和
所接设备的字节传送率最大的那个
j——通道的号
fi.j——通道上设备的字节传送率
pj——通道上所接的总设备数
5.设计原则
1)极限流量大于等于实际最大流量
2)极限流量与实际最大流量的差值越小越好
fmax.byte.j >= fbyte.j
fmax.block.j >= fblock.j
fmax.select.j >= fselect.j
如果 I/O系统由 m个通道，则：
fmax= Σ fmax.byte.j + Σ fmax.block.j + Σ fmax.select.j
且, fmax>= Σ Σ fi.j + Σmax fi.j + Σmax fi.j
j=1
m1 m2
j=1+ m1
m
j=1+ m2
m1 m2 m
j=1+ m1 j=1+ m2j=1 i=1
pj
上述两个基本原则只是保证宏观上不丢失设
备信息，并不能从微观上保证每一个局部时刻
都不丢失信息。因为当设备要求通道的实际最
大流量非常接近于通道设计所能达到的极限流
量时，速率高的设备频繁发出请求而优先得到
响应和处理，速率低的设备会因得不到通道而
丢失信息。为此可在设备或设备控制器中设置
一定容量的缓冲器以缓冲来不及处理的信息，
或可动态改变设备响应优先级，使得低速设备
也有机会得到通道而保证微观上不丢失信息。
当然基本原则是一定要满足的，否则无论采用
什么办法，设备总是要丢失信息的。
6.缺点：
1)并非独立的处理机，指令简单，无大容量存
贮器 。
2)I/O过程中需要 CPU承担很多工作。
3)流水等组成技术因 I/O中断而不能发挥作用，
CPU速度严重下降。
4)访管中断转入 I/O管理程序妨碍 CPU资源的合
理 利用。
3.5 外围处理机 (PPU)
为了克服通道处理机的缺点，希望 CPU进
一步摆脱数 I/O操作的控制，以便更好地
集中精力专注于自己的事情而发展了外围
处理机 (PPU)。
中
央
处
理
机
主
存
主
存
与
外
围
处
理
机
总
线
PPU0
PPU1
PPU2
PPU9
输
入
输
出
交
叉
开
关
网
络
通道 0
通道 1
通道 11
通道 i
设备控制器
设备控制器
设备控制器
设备控制器
设备控制器
设备
设备
设备
设备
设备
设备
图 3.14 CYBER 179的结构
1.外围处理机的优点
1)更接近于一般的处理机，指令丰富，功能强。
2)独立于主处理机异步工作。
3)可以与主处理机共享或不共享主存。
4)可以自由选择通道和设备进行灵活通信 。
2.缺点：
就硬件利用率和成本来讲不如通道处理机好，
但随着器件技术不断提高，成本在逐渐降低 。
第 3章小结
1,I/O系统概念
1)I/O系统,I/O设备、设备控制器及与 I/O操作
有关 的软硬件等的总和。
2)功能,对指定的外设进行输入、输出操作，同
时 完成其它的管理和控制。
3)三种方式
a)程序控制 I/O
b)DMA
c)I/O处理机
2.总线设计
1)类型
a)按方向分
?单向传输
?双向传输
半双向
全双向
b)用法分
?专用
?非专用
2)控制方式
a)产生原因,非专用总线的争用问题
b)分类
?集中式
?分布式
c)优先级确定
?串行链接
?定时查询
?独立请求
3)通信技术
a)同步通信
?概念：
?优点：信息传送速率高，受总线长度影响小。
?缺点：
时钟在总线上的时滞会导致误同步
时钟线上的干扰信号易引起误同步
为了可靠性加宽时间片可能使数据传送速率
低于异步通信
b)异步通信
源控式
目控式
源主动
目主动
4)数据宽度与总线线数
a)数据宽度,I/O设备取得总线使用权后所传
送数据的总量,可能经多个时钟周期分时传送。
b)数据通路宽度,指数据传送的物理宽度，如
16bit,32bit等,即一个时钟周期传送的信息量。
单项控制
双向控制
互锁
非互锁
c)宽度种类
?单字或单字节
?定长块
?可变长块
?单字加定长块
?单字加可变长块
d)总线
?制约因素
线数 干扰 流量
长度 干扰
?设计原则
能短则短
能少则少
?减少线数的方法
总线组合
串 /并－并 /串转换
编码
3.中断系统
1)中断的分类和分级
a)中断过程：
中断源 中断请求 响应中断 处理中断 返回
b)中断响应
c)入口设置
?中断源少时，直接硬件实现
?中断源多时，先分类，然后软件实现
d)中断分类
?中断 (Interrupt):与现行指令无关
?异常 (Exception):当前指令引起，不可屏蔽
自陷 (Trap)
故障 (Fault)
失败 (Abort)
e)中断分级
根据中断性质、紧迫性、重要性以及软件处
理的方便性分级。
f)中断响应次序与处理次序
?响应次序,同时发生多个中断请求时，由中断
响应硬件的排队器所决定的响应次序，次序是
固定的 。
?处理次序,一个中断处理程序执行前或中再有
其它中断产生时中断处理完的次序，可以不同
于响应次序。
h)处理原则,只响应比其等级高的中断请求 。
i)中断处理次序的改变：
2)软硬件功能分配
a)中断功能
?中断请求的保存和清除
?优先级的确定
?中断断点及现场的保存
?对中断请求的分析和处理
?中断返回
b)中断现场
c)性能指标
软状态
硬状态
响应时间
灵活性
4.通道处理机
1)工作原理
2)流量分析
a)极限流量计算
fmax.byte=1/(TS+TD)
fmax.block=k/(TS+kTD)=1/(TS/k+TD)
fmax.select=N/(TS+NTD)=1/(TS/N+TD)
b)实际最大流量计算
fbyte.j=Σ fi.j
fblock.j =max fi.j
fselect.j =max fi.j i从 1到 pj
c)设计原则
?极限流量大于等于实际最大流量
?极限流量与实际最大流量的差值越小越好
fmax.byte.j >= fbyte.j
fmax.block.j >= fblock.j
fmax.select.j >= fselect.j
对于多通道
fmax= Σ fmax.byte.j + Σ fmax.block.j + Σ fmax.select.j
应有, fmax>= Σ Σ fi.j + Σmax fi.j + Σmax fi.j
j=1
m1
j=1+m1 j=1+m2
j=1+m1j=1 j=1+m2
m1 m2 m
mm2
i=1
pj
5.外围处理机
了解其优缺点
