中断、总线、IO系统

本章涉及的公式或表达式

1. 集中式控制方式的控制线的根数
2. 通道流量计算公式及单位换算

真题

简答题

【中断系统篇】

简述中断的概念、分类依据及分类目的。 1510 2008

简述中断分成优先级的原因及分级的方法。1810 1104 x

简述中断处理次序和中断响应次序的不同点。1304

简述中断的概念和中断系统采用软硬件结合的好处 2110

简述中断系统和作用 2210

简述中断系统的主要功能和要求。1710

【总线系统篇】

简述总线控制的三种方式及各需要增加用于总线控制的控制线根数 2010

简述集中式串行链接方式的优点、总线的分配过程 1704 1804 x

简述集中式独立请求的优缺点和缺点、以及总线分配过程 1904 1610 1504

简述专用总线的概念并说明专用总线的优点和缺点 1410

【IO系统篇】

简述字节多路通道、选择通道、数组多路通道的适用连接的设备、特点、各种类型通道在满负荷时的实际流量与所连接设备的关系数据传输方式 2104、1404 、1904、1604、1107 x2

应用题

中断处理过程示意图

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通道流量计算 **

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中断系统 * * ^

简述中断系统和作用 2210 ^

中断系统是整个计算机系统不可缺少的重要组成部分。它对程序的监视和跟踪、人机联系、故障管理、多道程序和分时处理、实时处理、目态程序和操作系统的联系、输入输出处理以及多处理机系统中各机的联系等都起着重要的作用。

概念

什么是中断？ CPU终止正在执行的程序，转去处理随机提出的请求，待请求处理完后，再回到原先被打断的程序继续恢复执行的过程，叫中断。注意：中断是一个过程！

分类【*^】

分类依据：将中断源性质相近、中断处理过程类似的归为一类。

• 内部中断，由 CPU 异常引起。
• 外部中断，由中断信号引起。常见的有定时器中断、外部信号中断、中断键中断。
• 软件中断，由自陷指令引起。

分类目的： 减少中断处理程序入口；减少中断硬件数量。

中断分类 ：从高到低

1. 访管中断，当用户程序需操作系统介入时触发。
2. 程序性中断，包括指令和数据格式错误、程序执行中出现的异常（溢出、除数为0）等。
3. 外部中断，来自计算机外部，如定时器中断、外部信号中断、中断键中断。
4. I/O中断，CPU与IO设备（或IO通路）交互过程中引起的中断。
5. 重启中断，CPU重启程序时引起的中断。

【例】IBM370 将中断分成6类：

机器校验、程序性、管理程序调用、外部、输入/输出、重新启动。 简记：机程管外输重

⚠️ 相关真题做得不好，如：1204#6A、1410#4C、1510#5D、1910#4A、2008#3B、2110#6

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分级

中断分成优先级的原因：中断源是相互独立且随机发出请求的。当多个中断源同时发出请求时，CPU只能响应和处理优先级相对高的请求，因此需要对多个中断源的响应和处理安排一个优先顺序。

分级的方法：中断分类后，同一类内部各中断请求的优先次序由软件或通道进行管理；不同类的中断需根据中断的性质、紧迫性、重要性及软件处理的方便性分成若干优先级，以便CPU有序响应并处理中断请求。

一般地，优先级从高到低，分级如下：

第1级，机器校验。因掉电、地址错、数据错、通路错等必须及时处理，否则系统无法正常工作。

第2级，程序性中断

第3级，管理程序调用

第4级，外部中断

第5级，输入输出中断

第6级，重启中断

简记：从高到低，机程外输重。

【例】IBM370 中断响应优先次序：

紧急的机器校验 > 程序性和管程调用 > 可抑制的机器校验 ＞ 外部 ＞ I/O ＞ 重启

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3B

响应次序与处理次序 *

简述中断处理次序和中断响应次序的不同点。1304

中断处理次序是由排队器实现的，次序是固定好的；

中断响应次序是由软件实现的，通过设置中断级屏蔽位来控制优先级。

简述中断的概念和中断系统采用软硬件结合的好处 2110

中断响应次序是在同时发生多个中断请求时，由排队器决定中断响应次序，以此加快响应和断点现场的保存；
中断处理次序是在进行中断处理时，对中断进行分级处理。中断处理次序用软件技术实现，可以提高系统灵活性。

如何设计各级中断处理程序的设置中断级屏蔽位？

1. 看”中断处理次序“的顺序
2. 根据”屏蔽规则则“设置”屏蔽“或开放。 （屏蔽规则：在设置中断级屏蔽位时，需使现行PSW屏蔽同级和低级的中断请求。）

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例中有“什么时候回到用户程序（主程序）”的场景，如在【2、3级】中断都响应完之后，会回到用户程序。再如【4级】亦是如此。

因为这两组都是在执行中断时被其他中断请求打断了，如【2、3】被【4】打断了；【4】被【1】打断了。

软、硬件功能分配 ^

中断系统功能包括：

• 中断请求的保存与清理、分析与处理；
• 中断优先级的确认；
• 中断断点及现场保护。 ^

中断系统的软、硬件功能分配实质上是中断处理程序软件和中断响应硬件的功能分配。其要求有2个：

1. 中断响应速度要快
2. 中断处理要灵活性

【图】中断响应硬件部分原理简图

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总线系统

总线是用于互连计算机、CPU、存储器、I/O端口及外部设备、远程通信设备间信息传送通路的集合。简言之，总线是设备间信息传输通路的集合。总线与其相配合的附属控制电路统称为总线系统。按照信息传送功能、性能的不同，总线系统包括数据线、地址线、时序和中断信号等控制／状态线、电源线、地线以及备用线等，其中：

• 数据线的根数决定同时传送的数据位数，即数据通路宽度
• 地址线的根数决定直接寻址的范围
• 控制／状态线决定总线的功能和使用能力
• 备用线用于系统功能的扩充

分类 *

总线的分类

专用总线：只连接一对物理部件的总线。

非专用总线：可以被多个部件分时共享的总线。

控制方式 *

• 集中式控制：简记：串3定2独1
• 分布式控制（超纲）

集中式控制：总线控制机构基本集中在一起，不论是在连接到总线的一个部件中，还是在单独的硬件中

串行链接（$3$ 根）

关键词：3条线，发送请求，响应请求，串行，信号建立，信号移除。

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串行链接的工作方式： ^

串行链接的控制方式

优先次序确定的问题：是由【”总线可用“】线所接部件的物理位置决定。

优点：

• 选择算法简单，控制总线数少；
• 部件增减容易，可扩充性好；
• 逻辑简单，容易通过重复设置提高可靠性。

缺点：

• 对线路失效敏感；
• 总线分配速度受限；
• 设备增减或移动受限。

定时查询（$2 + log_2 N$ 根）

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优点：部件优先次序由程序控制，灵活度高，可靠性强 。

缺点：控制线数多且控制复杂，扩展性差；速度取决于计数信号的频率和部件数。

独立请求（$2N+1$ 根）

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优点：

1. 总线分配速度快；
2. 无需查询；
3. 控制器使用程序可控方式灵活确定下一个使用总线的部件；
4. 能方便地隔离失效部件的请求 ;

缺点：

1. 控制线数量多且控制器复杂；

总线的通信技术

信息在总线上的传送方法有两种：同步和异步。 ^

数据宽度与总线线数

总线控制线根数：简记：串3定2独1

数据宽度：I/O 设备取得 I/O 总线后传送的数据总量。其不同于数据通路宽度

数据通路宽度：数据总线的物理宽度，即一个时钟周期传送的数据量。

一个数据宽度可能需要多个时钟周期才能完成。

数据宽度的类型

• 单字，适用于输入机、打字机等低速设备。
• 定长块，适用于磁盘等高速设备。
• 可变长块，适用于高优先级的中高速磁带、磁盘等设备。

总线线数 ·

对于总线线数，需要知道 4 点：

1. 线数多，则成本高，干扰强，可靠性低；线越长，则成本高，干扰强，波形畸变严重。
2. 在满足性能的前提下应尽量减少线数。总线的线数可通过线的组合、编码及并/串-串/并转换来减少，但一般会降低总线的流量 ^
3. 总线的类型、控制方式、通信技术、数据宽度和总线的线数确定后，总线的申请、使用方式及相应的规范也就确定了
4. 总线的流量取决于该总线所接的外设的数量，种类以及传输信息的方式和效率要求

I/O系统

O系统

输入输出原理（IO原理）

输入输出系统 ·

输入输出系统的概念：处理机与主存储器之外的部分系统，包括了输入输出的设备、接口、软件等。

运算器、控制器、主存储器、总线一般也是通过输入输出系统进行管理。

输入输出系统的特点： ·

• ~是处理机与外界进行数据交换的通道
• ~是系统中最具多样性和复杂性的部分
• ~涉及机、光、电、磁、自动控制等多种学科
• ~最典型地反应着软硬件的相互结合
• ~复杂性隐藏在系统软件中，用户无需了解其细节

输入输出系统的特点集中反应在异步性、实时性、与设备无关性三个基本要求上，并对输入输出系统的组织产生决定性影响。

输入输出系统的组织方式

针对异步性，采用自治控制的办法；

针对实时性，采用层次结构的办法；

针对与设备无关性，采用分类处理的办法

【图】

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输入输出的基本方式 *

• 程序控制 I/O
• 直接存储器访问（DMA）
• I/O 处理机

通道处理机 * **

👉🏻 http://kjwy.5any.com/jsjxtjg/content/03/jsjxtjg-kcjj-030402.htm

通道处理机输入输出过程的时间关系图：

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结论：应用程序（目态）每完成一次输入输出操作时，CPU仅两次进入管态，降低了对目态程序的干扰，提升了CPU与多种、多台外设并行工作的效率。

通道类型 **

简记：选字数

通道类型

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字节多路通道

字节多路通道的工作方式、数据宽度、适用范围：

1. 工作方式：分时共享，字节交叉
2. 传输原理：选择好设备后，一次只传输一个字节的数据，设备轮流获取通道使用权。
3. 数据宽度：单字节
4. 适用范围：大量低速设备，如光电机。
5. 特点：字符的传输时间短，但等待时间长。

选择通道

选择通道的工作方式、数据宽度、适用范围：

1. 工作方式：独占通道；
2. 传输原理：选择好设备后，待所有数据传输完毕后才释放通道通道使用权；
3. 数据宽度：可变长块；
4. 适用范围：适合连接优先级高的高速设备，如磁盘。
5. 特点：独占通道，一次只能执行一个通道程序。

数组多路通道

数组多路通道的工作方式、数据宽度、适用范围：

1. 工作方式：成组交叉；
2. 传输原理：选择好设备后，按固定字节数传送数据，传送完毕后释放通道使用权；
3. 数据宽度：定长块；
4. 适用范围：适合连接高速设备，如磁盘。
5. 特点：传输速率高，但传输前的寻址辅助操作时间长。

流量分析 （应）

通道流量：单位时间内能够传送的最大数据量，又称通道吞吐率，通道数据传输率等。

通道最大流量：通道在满负荷工作状态下的流量。

极限流量

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实际流量

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极限与实际流量的关系

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计算题【***】

通道流量的计算套路掌握得不是很好，如：1304、1604#28、1910#27、2110#28

本例经常考，同时注意单位换算

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流量设计 * **

通道流量的设计，需要考虑信息丢失问题。当实际流量非常接近极限流量时，有可能出现信息丢失问题。因为高速设备在频繁发出传输数据请求时，总是优先得到响应和处理，这时低速设备的信息可能因为得不到及时处理而被丢弃。为此，解决这一问题的办法：给设备配置缓冲器，来暂存无法及时处理的信息或动态改变设备响应的优先级来弥补。