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自考《计算机系统结构》第8章精讲

2006-12-28 15:55   【 】【我要纠错

  第八章 输入/输出子系统

  本章主要讲述输入/输出基本概念,包括总线类型、总线控制方式,中断系统的分类与分级,讲述通道处理机,包括通道工作原理,通道类型等。本章重点是总线控制方式的对比分析,通道类型及分析。

  一、I/O子系统的主要特征(识记)

  外设与计算机的连接方式有串行连接和并行连接两种。串行方式成本低,适合于单字节传送的设备。

  输入/输出控制器在物理上可位于主处理机中或在输入输出设备中也可在这两者之间。输入输出系统发展经历在三个阶段:1.程序控制 2.直接存储器访问(DMA) 3.I/O处理机方式

  二、I/O部件类型(识记)

  输入/输出设备分为存储设备和传输设备两大类。本节的主要内容是磁盘的介绍,重点领会廉价冗余磁盘阵列RAID.

  三、总线(领会)

  总线是连接数字系统的信号线集。

  总线的分类:

按数据传送方向 单向传输总线 双向传输总线 全双向
半双向
按用途 专用总线 共享总线 面向单机的
面向多机的
按数据线宽度 16位` 32位 64位
按层次 芯片级 板极 系统极的

  总线连接若干个模块并用于传输信息,当多个模块试图同时控制总线操作时,需要通过总线裁决器决定由哪个模块控制总线。

  总线的控制方式分两种:集中式控制和分布式控制。

  总线控制机构基本集中在一起,不论是连接到总线的一个部件中,还是在单独的硬件中,都称为集中式控制。而总线的控制逻辑分散在连到总线的各个部件时,就称为分布式总线控制。这里只讲集中式总线控制。

  当多个模块同时发出请求时,就由硬件来进行裁决,方式主要有串行链接式、定时查询式和独立请求等。

  对照教材三个示意图,理解三种裁决方式的原理。

  1、串行链接式:各模块的请求信号通过一条公共的请求线向总线控制器发出,若总线忙信号不存在,则总线控制器收到信号后对请求响应,通过总线可用信号线送出信号,这个信号串行地通过每个部件,若收到信号的部件未发出过总线请求时,则把信号往下一部件传递,若部件发送过总线请求,则该部件收到信号就不再往后传递,建立总线忙信号,并去除其"总线请求"信号,开始总线操作,完成数据传送后,部件除去总线忙信号,总线可用信号也随之去除。此后若有总线请求,则再次开始总线分配过程。

  2.集中式定时查询方式。这里用到了一个计数器,根据计数器的值确定发出请求的部件。总线上的每个部件通过"总线请求"信号线发出请求后,若总线忙信号未建立,则控制器收到请求后让计数器开始计数(也就是按一定的顺序查询各个部件),若查询线上的计数值与发现请求的部件号一致时,该部件就建立总线忙的信号,计数器停止计数,中止查询。直到该部件总线操作完毕。

  3、独立请求方式。这种方式中,各模块都各自有一对总线请求信号线和总线可用信号线,总线忙信号线则是公共的,各模块可以独立地向控制器发出总线请求。

  这三种方式各自有优缺点,现将三种裁决方式作如下比较:

控制方式  主要特点  优点  缺点 
串行链接  各模块的请求信号经过一条公共的请求线向总线控制器发出.各模块根据其固定的优先级别获得总线使用的机会. 总线裁决算法简单,控制线数少,而且与模块的数量无关,可扩充性好 灵活性差,不能由软件改变优先级.在优先级高的部件频繁使用总路线时,优先级低的模块可能很久得不到响应.又由于总线可用信号串行地通过各模块,延迟较大,总线分配的速度较低.
定时查询方式  由控制器轮流对各模块进行测试,看其是否有请求.查询时以计数方式向各模块发出一个计数值,根据计数值所对应的模块是否有请求信号来决定总线使用权的分配. 这种方式的优先级可以用程序控制,动态改变,灵活性较强;模块的故障不会影响总线的控制;
可靠性高.
控制线较多
较差的扩展性.
独立请求方式  各模块都有各自的一对总线请求和总线可用信号线,总线忙的信号是公共的.各模块独立地向控制器发出总线请求,总线控制器可根据某种算法对同进送来的请求进行裁决. 总线分配的速度快,各模块的优先级的确定灵活. 控制线数量多
总线裁决机构较复杂.

  为实现上述裁决方式,总线裁决使用了各种算法:

  静态优先级算法(串行链接式总线用的就是这种算法)

  固定时间片算法(定时查询式用的就是这种算法)、动态优先级算法(包括最近最少使用算法LRU和轮转菊花链算法RDC)

  先来先服务算法(这种算法较难实现)

  三、中断系统(识记)

  计算机的中断可分成内部中断、外部中断和软件中断三种。分清三种中断的引发原因。

  外部中断进一步可分为可屏蔽中断和不或屏蔽中断。不可屏蔽中断是一些最紧急最重要的中断。当系统中有多个中断源同时发现中断请求时,就要由中断处理系统按中断优先等级次序确定先响应的中断。

  四、输入/输出通道(领会)

  通道处理机本身可看作一个简单的计算机,因为它有自己的指令系统和程序。但它的指令功能较简单,只控制I/O,并且通道程序是放在主存中的,所以通道本身不能作为独立的处理机。

  根据通道数据传送期中信息传送方式的不同,分字节多路、选择和数组多路三类通道。

  1、字节多路通道:它适用于连接大量低速设备。这些设备传送一个字符(字节)的时间很短,但是在字符间的等待时间很长。因此,通道"数据宽度"为单字节,以字节交叉方式轮流为多台低速设备服务,使效率提高。

  2.数组多路通道:它适合于连接多台像磁盘等高速设备。这些设备的传输速率很高,但传送开始前的寻址辅助操作时间很长。为了充分利用并尽可能重叠各台高速设备的辅助操作时间,它采用成组交叉方式工作。其"数据宽度"为定长块,在传送完一定长度的数据后即重新选择下一个外设进行数据传送,使多路传输并行进行。

  3.选择通道:它适合于连接优先级高的磁盘等高速设备,让它独占通道,只能执行一道通道程序。数据传送以不定长块方式进行,每次将N字节的数据全部传送完毕,因此,在数据传送期内只选择一次设备。

  现将三种通道简要比较如下:

通道类型  字节多路  数组多路  选择 
数据宽度 单字节 定长块 不定长块
适用范围 大量低速设备 大量高速设备 优先级高的高速设备
工作方式 字节交叉 成组交叉 独占通道
共享性 分时共享 分时共享 独占
选择设备次数 多次 多次 一次

  通道的功能:

  接受CPU的输入输出操作指令,按指令要求控制外设(接受指令)

  从主存读取通道程序,并执行(即向设备控制器发送各种指令)(执行程序)

  组织和控制数据在内存与外设之间的传送操作(传送数据)

  读取外设的状态信息,形成整个通道的状态信息,提供给CPU或保存在主存中。(通道状态)

  向CPU发出输入输出操作中断请求。(中断请求)

  对于采用字节多路通道,通道的极限流量应大于该通道所接的外设字节传送速率之和。对于采用其他两种方式的通道,通道的极限流量应大于该通道所接外设中字节传送速率最在的设备。

  五、I/O处理机(识记)

  I/O处理机本身就是一个功能完整的处理机,它基本上独立于主机工作,可以与主机共享主存储器。

  六、I/O子系统的性能衡量标准(识记)

  衡量输入输出子系统性能的标准包括计算机上能连接什么样的I/O设备?能连接多少I/O设备?

  而衡量输入输入设备特性的指标还有访问时间、数据传送时间和出错率。

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