第3章计算机体系结构.ppt

如图P80 3-6 中断响应硬件部分原理简图 假设系统有4个中断级，相应地每一级中断处 理程序的现行PSW中都有4位中断级屏蔽位。 ➢如果中断级屏蔽位为“1”，则表示对该中断
开
放，允许其进入中断响应排队。
➢如果中断级屏蔽位为“0”，则表示对该中断 屏
蔽，不让其进入中断响应排队。
由于中断响应次序是由排队器硬件固定死的。 中断处理次序是和各级中断处理程序现行程 序状态字中的中断级屏蔽位有关。
中断响应：
允许中断CPU现行程序的运行，转去对该请求进 行预处理，包括保存好断点及其现场，调出有关 处理该中断的中断处理程序，准备运行。
▪ 这部分的工作在多数机器上都用交换新旧程序状 态字PSW来实现。为了某种需要，中断系统也 可对中断请求进行屏蔽，使之暂时得不到响应。
▪ 中断系统按中断源的级别高低来响应的。通常优 先级最高的中断为一级，其次是二级，再次是三 级，…。
3.3.1总线的分类
▪ 按在系统中的位置分：
➢芯片级（CPU芯片内的总线） ➢板级（连接插件板内的各个组件，也称为局部总
线或内部总线。） ➢系统级（系统间或主机与I/O接口或设备之间的
总线。
3.3.1总线的分类
▪ 按信息传送的方向分： ➢单向传输 ➢双向传输
双向传输又分为半双向和全双向。
✓半双向可沿相反两个方向传送，但同时只能向 一个方向传送。
✓ 全双向允许同时向两个方向传送。（速度快， 造价高，结构复杂）
▪ 按用法分：专业和非专用
➢专用总线-只连接一对物理部件的总线。
✓优点：控制简单、系统流量高、系统可靠
✓缺点：总线多，如果N个部件使用双向专用总线 在所有可能的路径都相连。则需要N×(N-1)/2组 总线。
➢非专用总线-可以被多功能或多个部件所分 时共享，但同一时间只有一对部件可以使 用总线进行通信。
则当第级中断请求同时到来时，应均进入排队
器，中断请求排队微指令到来时，优先相应级中
断请求（此时去除相应的级中断请求源）就中断
用户程序的执行，中断断点地址被压入返回地址 堆
栈，通过交换PSW实现程序切换。（包括将用户程
序所用到的关键寄存器、中断码、断点等现状作为旧的 PSW保存到内存指定单元，再从内存另一指定单元取 出对应级中断处理程序的PSW建立新现场。由于级 中断处理程序的中断级屏蔽位为1000被放置到中断级屏 蔽位寄存器中，尽管级中断请求还在，但被屏蔽掉不
总线的类型、控制方式、通信技术、数据宽 度和总线的线数等确定后，总线的申请、 使用方式及相应的规范也就确定了。
3.3.4数据宽度与总线位数
具体执行 过程如图:
习题3-6
若机器共有5级中断，中断响应次序为1 2 3 4 5， 现要求其实际的中断处理次序为1 4 5 2 3。 请回答下面的问题：
(1)设计各级中断处理程序得中断级屏蔽位（令“1”对应 于屏蔽，“0”对应于开放）； (2)若在运行用户程序时，同时出现第4、2级中断请求， 而在处理第2级中断未完成时，又同时出现第1、3、5级 中断请求，请画出程序运行过程示意图?
▪ 优先级高低的划分，不同的机器有所差异，通常 把机器校验为第一级，程序性和管理程序调用为 第二级，外部为第三级，输入/输出为第四级， 重新启动为最低级。
中断的响应次序和处理次序
▪ 中断的响应次序
中断的响应次序是同时发生多个不同中断类的中断 请求时，中断响应硬件中排队器所决定的响应次序 ➢中断响应的次序是用硬件---排队器---来实现的。 ➢排队器重的次序是由高到低固定死的。
计算机体系结构
计算机体系结构
第三章 中断、总线与I/O系统
3.1存储系统的基本要求和并行主存系统 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
▪ 中断的定义：
CPU中止正执行的程序，转去处理随机提出的请求，待 处理完后，再回到原来被打断的程序继续恢复执行的过 程称为中断。
▪ 总线系统：
总线与其相配合的附属控制电路统称为总线系统。
▪ 按信息传送功能、性能不同可以分为：
数据线、地址线、命令、时序和中断信号等控制/ 状态线、电源线、地线及备用线等。
➢数据线根数决定同时传送的数据位数，即 数据通路宽度。
➢地址线根数决定直接寻址范围。 ➢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。
各级中断处理程序的中断级屏蔽位设置如表3-4所示
中断级屏蔽位
中断处理 程序级别
1级
2级
3级
4级
第1级
0
0
0
0
第2级
1
0
1
1
第3级
1
0
0
0
第4级
1
0
1
0
习题3-5
(1)当中断响应次序为1 2 3 4时，其中断处 理次序是？
(2)如果所有的中断处理都各需3个单位时间，中断 响应和中断返回时间相对中断处理时间少得多。 当机器正在运行用户程序时，同时发生第2、3级 中断请求，过两个单位时间后，又同时发生第1、 4级中断请求，请画出程序运行过程示意图?
中断系统的定义：
响应和处理各种中断的软、硬件总体称为中断系统。
中断系统是整个计算机系统不可缺少重要组成部分。 它对程序的监视和跟踪，人机联系、故障处理、 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、I/O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。
本节只讨论重大的分类和分级、中断响应次序 和中断处理次序以及中等系统中的软、硬件功 能分配。 在计算机中，中断可分内部中断、外部中断
中断处理次序：
中断的处理要由中断处理程序来完成，而中断处理 程序在执行前或执行中是可以被中断的，这样，中 断处理完的次序（简称中断处理次序）就可以不同
于中断响应次序。
一般在处理某级的某个中断时，与它同级的 或它低级的中断请求是不能中断它的处理的。 只有比它更高级的中断请求才能中断其处理 ，等响应和处理更高的后，才继续处理原 先那个中断请求。
中断处理 程序级别
第1级 第2级 第3级 第4级
中断级屏蔽位设置如下：
中断级屏蔽位
1级
2级
3级
4级
0
0001000
1
1
0
0
1
1
1
0
假设运行用户程序的过程中先后出现了如图
3-7(P81)所示的中断请求,执行用户程序时 其现行PSW中的中断级屏蔽位均为1（均 开放）。
具体执行 的过程如
图:3-7
(P81)
可以通过设置中断级屏蔽位，来控制中断处 理次序。
也可以根据中断响应次序和中断处理次序来 设置中断级屏蔽位的。
假设有4个中断级，中断处理次序和中断响应次序 一样，都是1 2 3 4。
注意：
1.中断级屏蔽位“0”，“1”，是屏蔽还是开放，不同的机器有不同 的定义
2. 设置中断级屏蔽位时遵循的原则是：正在执行某级中断处理程序 时，现行PSW中应屏蔽同级和低级的中断请求。
▪ 集中式总线控制分三种
➢串行链接
使用总线权的优先次序是由“总线可用”线的所接的部件 的
物理位置来决定，离总线控制器越近的部件其优先权越高。
▪ 定时查询
▪ 独立请求
3.3.4数据宽度与总线位数
▪ 数据宽度：
是I/O设备取得I/O总线后所传送数据的总量。
数据宽度：单字（单字节）、定长块、可变长块、
和软件中断三类。 ➢内部中断-由CPU内的异常引起 ➢外部中断-由中断信号引起 ➢软件中断-由自陷指令引起
中断的分类与分级
▪ 中断源
引起中断的各种事件称为中断源。
▪ 中断请求：
中断源向中断系统发出请求中断的申请 同时可能有多个中断请求，这是中断系统需按事先
确定的中断响应优先级高的中断请求给与响应。
由于中断响应次序是固定死的。为了灵活地控 制中断处理次序，很多机器都设置了中断级屏 蔽位寄存器。用于决定某级中断请求是否进入 中断排队器。只要能进入中断排队器的，总是 让高级别的优先响应。
程序状态字中包含有中断级屏蔽位字段。只要 操作系统对每一类中断处理程序的现行程序状 态字的中低级屏蔽位设置成不同的状态，就可 以实现所希望的冲断处理次序。
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。
▪ 中断系统的功能分配实质是中断处理程序 软件和中断响应硬件的功能分配。
3.3总线系统
▪ 总线用于互连计算机、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。
在级中断处理程序执行过程中，又遇到了级中断请求，由于 中断级屏蔽位的设置，会对级中断请求屏蔽，不予理睬，直 到级中断处理程序执行完，注意执行完，要回到用户程序 （哪来哪去），交换PSW，又返回到原被中断前的用户程序。 此时用户状态字的中断级屏蔽位全为“1”，使得原来的 、 级中断请求又同时进入排队器。由于中断响应次序，则优先响 应 级中断请求并进行处理，（此间对 级中断屏蔽），处 理完毕后，又返回到被中断的用户程序，这时仅剩下第一个 级中断请求，则对它进行响应并处理，处理完后又返回到原来 被中断的用户程序继续执行。在继续执行用户程序的过程中， 又发生了级中断请求，则对其进行响应和处理，在处理级 中断处理程序时又发生了级中断请求，则根据级中断处理 程序PSW中的级中断级屏蔽位为“1”，则就让级中断请求 进入排队器，从而转去响应中断请求并进行处理。由于级 中断处理程序的中断级屏蔽位全为“0”，则只要等级中断处 理程序执行完后才能返回到上次被打断的级中断处理程序， 然后继续执行级中断处理程序，等执行完，再次返回到前一 次的断点，即用户程序继续执行。
✓优点：总线少、造价低、总线接口标准化、模块 化强，可扩展强。