计算机体系结构第3章

1、第 3 章 存储、中断、总线与I/O系统,3.1 存储系统的基本要求和并行系统 3.2 中断系统 3.3 总线系统 3.4 输入/输出系统,3.2 中 断 系 统,3.2.1 中断的分类和分级引起中断的各种事件称为中断源。中断源向中断系统发出请求中断的申请，称为中断请求。同时可能有多个中断请求，这时中断系统需要按事先确定的中断响应优先次序对优先级高的中断请求予以响应。所谓中断响应就是允许其中断CPU现行程序的运行，转去对该请求进行预处理，包括保存好断点现场，调出有关处理该中断的中断处理程序，准备运行。 这部分工作在大多数机器上都是采用交换新旧程序状态字PSW的办法实现的。 当然为了某种需要，中断系统也可以对中断请求进行屏蔽，使之暂时得不到响应。,为处理一个中断请求，必须调出相应的中断处理程序。如果中断源比较少时， 通过中断系统硬件就可以比较方便地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。但对中、大型多用途机器，中断源一般可多达数十至数百个。如果为每个中断源单独形成入口，不仅硬件难以实现，代价也很大，就是在中断处理上也没有这种必要。因为不少中断源的性质比较接近，

2、可以将它们分别归成几类，对每一类给定一个中断处理程序入口，再由软件转入对相应的中断源进行处理，这样可以大大简化中断处理程序入口形成硬件。,以IBM 370为例，它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。前5类中断只发生在CPU处于运行状态时，而重新启动不论CPU是处于停止状态还是处于运行状态都可以发生。这6类中断，它们的旧PSW和新PSW所在的存贮单元位置都是各不相同的。每类的具体中断原因可由旧PSW中的中断码进一步指明，或是由中断期间放在指定存贮单元中的附加信息指明。,机器校验中断告诉程序发生了设备故障。可用 64 位机器校验中断码以指明故障原因和严重性，更为详细的中断原因和故障位置可由机器校验保存区的内容提供。这里包含有电源故障、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。访管中断是在用户程序需要操作系统介入时，通过执行“访管”指令时发生的，访管原因由“访管指令”中的 8 位码指明。,程序性中断是包括指令和数据的格式错、程序执行中出现异常(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

3、、 除数为“0”、 有效位为 0 等)以及程序的事件记录、 监督程序对事件的检测引起的中断等。外中断来自机器外部，它包括各种定时器中断、外部信号中断及中断键中断。各种定时器中断用以计时、计费、控制等。 外部信号中断主要用于与其他机器和系统的联系。中断键则用于操作员对机器的干预。这些外中断又可再分成两类：一类是若未被响应继续保留， 另一类如不响应则不再保留。,输入/输出中断是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。 程序性、 外部、 I/O这 3 类中断的中断码均为 16 位。重新启动中断是为操作员或另一台CPU要启动一个程序所用。 CPU不能禁止这种中断。,表 3.2 中断级屏蔽位举例,3.2.2 中断的响应次序与处理次序,图 3.7 中断处理次序为 1234 的例子,表 3.3 中断级屏蔽位举例,图 3.8 中断处理次序为 1432 的例子,3.2.3 中断系统的软硬件功能分配,中断系统的功能包括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以及中断返回等，这些全是由中断响应硬件和中断处理程序共同

4、完成的。因此，中断系统的软、硬件功能分配实质上就是中断处理程序软件和中断响应硬件的功能分配。,中断现场包括软件状态(如作业名称和级别，上、下界值， 各种软件状态和标志等)和硬件状态(如现行指令地址，条件码等状态信息，各种控制寄存器及通用寄存器内容)。通常采取把分散于CPU各部分的硬件状态集合成程序状态字，然后由中断响应硬件通过将程序状态字(处理器状态字、换道区)存到主存指定单元或区域的方式来完成保存。接着，再把新的程序或进程的程序状态字(处理器状态字、换道区)从主存另一指定单元或区域把内容传送到有关寄存器和计数器中，建立起运行新的程序或进程的环境。硬件状态是全部经中断响应硬件保存，还是部分经它，部分经中断处理程序保存， 要视具体机器的规模和使用场合而作不同的选择。,从发出中断请求到进入中断处理程序的中断响应时间是中断系统的一个重要性能指标，它主要取决于交换程序状态字的时间。以IBM 370 为例，程序状态字为 64 位，等于它的长字， 因此交换程序状态字只需经写长字和读长字二次访存即可。 然而，要经中断响应硬件保存的硬件状态愈多，程序状态字就愈长，所需的访存次数和时间就愈长，响应速度就

5、会愈低，尤其是不断增大通用寄存器个数是当前计算机发展的趋势，像CRAY-1，需保存的向量、标量、地址寄存器的总位数可达 3900 位。,另一方面，中断系统还应具有较大的灵活性。实际上并不是所有的中断处理都需要把通用寄存器的内容或是全部通用寄存器的内容都保存起来， 这是因为经中断进行的任务切换可以有两种：一种是整个任务的切换(如某道程序切换到另一道)，这当然需要把整个通用寄存器的内容都保存起来；另一种是某道程序调用某个管理程序的切换， 这往往不需要保存或只需部分保存。 因此，目前对于大多数一般的机器，各种通用寄存器的内容是由中断处理程序按切换需要来保存的。这既提高了中断响应的速度，又具有较大的灵活性。当然，如果主存宽度很宽，一个主存周期又能访问很多字，也有全部由中断响应硬件来保存的。,例 假设一台计算机的I/O处理占10，当其CPU性能改进，而I/O性能保持不变时，系统总体性能会出现什么变化？解：假设原来的程序执行时间为1个单位时间。如果CPU的性能提高10倍，程序的计算（包含I/O处理）时间为：(1 - 10%)/10 + 10% = 0.19,如果CPU的性能提高10倍如果CPU的性

6、能提高100倍,即整机性能只能提高约5倍，差不多有50的 CPU性能浪费在I/O上。如果CPU性能提高100倍，程序的计算时间为：(1 - 10%)/100 + 10% = 0.109 而整机性能只能提高约10倍，表示有90的性能 浪费在没有改进的I/O上了。,3.3 总 线 系 统,3.3.1 总线的分类就允许信息传送的方向来说，总线可以有单向传输和双向传输两种。双向传输又有半双向和全双向的不同。前者虽可以沿相反的方向传送，但同一时刻只能向其中的一个方向传送。后者允许同时在两个方向传送。全双向的速度快，但造价高，结构复杂。 按在系统中的位置分：芯片级，板级和系统级。,按设备定时方式分类(1) 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。优点：成本低，因为它不需要设备之间互相确定时序的逻辑。缺点：总线操作必须以相同的速度运行。(2) 异步总线异步总线上的设备之间没有统一的系统时钟，设备自己内部定时。 总线按其用法可以分成专用的和非专用的。 i/o系统适于使用非专用系统。,图 3.9 所有部件之间用专用总线互连,3.3.2 总线的控制方式,当采用非专用总线时，由于可能发生多

7、个设备或部件同时申请使用总线，就得有总线控制机构来按照某种优先次序裁决，保证在同一时间内只能有一个高优先级的申请者取得对总线的使用权。如果总线控制逻辑基本上集中放在一起，不论是放在连接到总线的一个部件中，还是放在单独的硬件中，都称为集中式控制。 而当总线控制逻辑分散于连到总线的各个部件中时，就称为分布式总线控制。这里只讲集中式总线控制。,图 3.10 集中式串行链接,图 3.11 集中式定时查询,图 3.12 集中式独立请求,3.3.3 总线的通信技术,1. 同步通信同步通信时，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。,为了提高可靠性，要求目的部件对数据是否已被接收以及是否正确均能给以回答。如果同步时间片的宽度宽到能为每个字的传送作出回答，则它必须按接到总线上的最低速的部件来考虑，这就会使同步通信的数据传送速率低于后面讲的异步通信。 一种解决办法是在正常时，目的部件不作回答，源部件也不等待回答信号，但如果发生错误，则目的部件将在同步时间片过去之后

8、，发回源部件一个出错信号，这样，就不会降低正常时总线的传送速率。但是这种办法中，源部件必须设置较大容量的缓冲器来保留已传送，但未经证实和回答过的所有数据，以备重发之用。,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，因此宜于采用异步通信。异步通信又可分为单向控制和双向(请求/回答)控制两种。单向控制指的是通信过程只由目的或源部件中的一个控制。而双向控制是由源和目的双方共同控制。单向控制又有源控制和目的控制两种。,图 3.13 异步单向控制通信,不能保证下一数据传送之前让所有数据线和控制线电平信号回到初始状态。,图 3.14 源控式异步双向控制通信,3.3.4 数据宽度与总线线数,1. 数据宽度我们这里所讲的“数据宽度”指的是I/O设备取得I/O总线使用权后所传送数据的总量。传送完后就释放总线，重新开始分配总线。所以，它不同于前面讲过的数据通路宽度。数据通路宽度指的是数据传送的物理宽度，即一个时钟周期所传送的信息量， 它直接取决于数据总线的线数。二次分配总线之间所传送的数据宽度可能要经许多个时钟周期的分次传送来完成。采用何种数据宽度与总线上各设备的工作特点、所采

9、用的总线控制方式和通信技术有关。数据宽度的种类有单字(或单字节)、定长块、 可变长块、单字加定长块和单字加可变长块等。,单字（或单字节）宽度适合于输入机、打印机等低速设备。 采用定长块宽度适合于磁盘等高速设备，可以充分利用总线可提供的带宽。 可变长块宽度适合于高优先级的中高速磁带、磁盘。,2. 总线的线数总线需要有发送电路、接收电路、传输导线或电缆、转接插头和电源等，这部分比起逻辑线路的成本高得多，而且转接器往往占系统物理空间的相当部分，是降低系统可靠性的主要部分。总线的线数越多，成本越高、干扰越大、可靠性越低、占用的空间也越大，当然传送速度和流量也越高。 此外，总线的长度越长，成本越高，干扰越大，波形畸变越严重，可靠性越低。为此，越是长的总线，其线数就应尽可能减少。数据总线的宽度有位、字节字或双字等。,在满足性能要求以及所用通信类型和速率适配的情况下， 应尽量减少总线的线数。通过采用线的组合、并/串串/并转换和编码可以减少总线的线数， 但这通常会降低总线的流量。采用线的组合能减少只按功能和传送方向所需的线数。例如，性质相似、方向相反且不同时传送的两根单向线可用一根半双向线代替。又例如

10、，可通过对少数几根多功能线进行编码来代替每种功能都单独用一根线完成的很多根单功能线等等。并/串串/并转换是在总线两端经并/串、串/并转换器转换，以便使用较少的线数，经多次传送后再在端点转换成完整的字。串/并的程度根据系统成本和性能的折衷权衡选取。一位串行传送的总线只用于远距离通信。,总线标准和实例 1. PCI(Peripheral Component Interconnect)即外围器件互连，是一种为CPU和外设之间提供高性能数据通道的总线。 特点：,数据线和地址线采用多路复用结构，减少了引脚数；PCI总线定义了两种电信号标准环境：5V和3.3V；总线信号与处理器无关，可以支持多系列的处理器；透明的32/64位总线，允许32位和64位总线设备相互操作；PCI支持总线扩展和设备的自动配置。,2. USB（Universal Serial Bus） 通用串行总线端口 试图取代串口、并口和PS/2的连接。 提供这种端口的目的提供设备快速的热插拔和即插即用的能力。 3. FireWire 适用于磁盘和视频图像系统等高速设备。 可以实现即插即用，具有更高的数据传输速率。(高达100Mbps200Mbps，USB为12Mbps),

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