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首页 第三章存储系统总线IO

第三章存储系统总线IO.ppt

第三章存储系统总线IO

孙晓芳
2010-04-16 0人阅读 举报 0 0 0 暂无简介

简介:本文档为《第三章存储系统总线IOppt》,可适用于考试题库领域

第章存储、中断、总线与IO系统存储系统的基本要求和并行主存系统中断系统总线系统输入输出系统存储系统的基本要求和并行主存系统存储系统的基本要求对存储系统的基本要求是大容量、高速度和低价格。存储器容量SM=W×l×m。W存储体的字长(单位是位或字节)l存储体的字数m并行工作的存储体数。速度可用访问时间TA、存储周期TM和频宽(也称带宽)Bm描述。TA存储器从接收访存读申请至信息被读到数据总线上的时间是处理机启动访存后必须等待的时间它是确定处理机与存储器时间关系的一个重要参数。TM连续启动一个存储体所需要的间隔时间它一般总比TA大。Bm存储器可提供的数据传送速率用每秒传送的信息位数或字节数衡量又有最大频宽(或极限频宽)和实际频宽之分。最大频宽Bm是存储器连续访问时的频宽。单体的Bm=WTMm个存储体并行的最大频宽Bm=m×WTM。实际频宽往往低于最大频宽。存储器价格包含了存储体及为该存储器操作所必需的外围电路的价格用总价格C和每位价格c来表示。有SM位的存储器每位价格c=CSM。  系统中必须使用由多种不同工艺存储器组成的存储器系统(MemorySystem)使所有信息以各种方式分布于不同的存储器上。  为了弥补CPU与存储器在速度上的差距一条途径是在组成上引入并行和重叠技术构成并行主存系统在保持每位价格基本不变的情况下使主存的频宽得到较大的提高。  需要应用程序员考虑程序的调进、调出算法。并行主存系统 单体单字存储器一个字长为W位的单体主存一次可访问一个存储器字。主存最大频宽Bm=WTM。假设此存储器字长W与CPU所要访问的字(数据字或指令字简称CPU字)的字长W相同则CPU从主存获得信息的速度就为WTM。    要想提高主存频宽Bm使之与CPU速度相匹配在同样的器件条件(即同样的TM)下只有设法提高存储器的字长W。单体多字存储器多体单字(m=)交叉存储器  一个大容量的半导体主存往往是由许多容量较小、字长较短的存储器片子组搭而成的每个存储片子都有其自己的地址译码、读写驱动等外围电路。  CPU字在主存中可按模m交叉编址根据应用特点这种交叉又有低位交叉和高位交叉两种现以低位交叉为例。其m在单体多字方式中为一个主存字所包含的CPU字数在多体单字方式中则为分体体数。表地址的模低位交叉编址图个分体分时启动的时间关系  主存采用多分体单字方式组成其器件和总价格不比用单体多字方式组成的多多少但其实际频宽却可以比较高。多分体单字:只要m个地址不发生分体冲突(即没有发生两个以上地址同属于一个分体)哪怕地址之间不是顺序的仍可并行读出单体多字:要求可并行读出的m个字必须是地址顺序且处于同一主存单元。可以将多分体并行存取与单体多字相结合构成多体多字交叉存储器来进一步提高频宽。  结论:提高模m值是能提高主存系统的最大频宽的但主存实际频宽并不是随m值增大而线性提高。原因:一是系统效率的问题。二是在工程实现上由于模m越高存储器数据总线越长总线上并联的负载越重都会使传输延迟增加。  对有m个独立分体的主存系统设处理机发出的是一串地址为A,A,…,Aq的访存申请队。在每一个主存周期到来之前这个申请队被扫描并截取从队头起的A,A,…,Ak序列作为申请序列。申请序列是在要求访存申请的k个地址中没有两个或两个以上的地址处在同一分体中的最长序列。截取的这个长度为k的申请序列可以同时访问k个分体。系统的效率取决于k的平均值。k越接近于m效率就会越高。  设P(k)表示申请序列长度为k的概率其中k=,,…,m。k的平均值用B表示则实际为每个主存周期所能访问到的平均字数正比于主存实际频宽只差一个常数比值TMW。P(k)与程序密切相关。如果访存申请队都是指令的话那么影响最大的是转移概率λ它定义为给定指令的下条指令地址为非顺序地址的概率。  指令在程序中一般是顺序执行的但遇到成功转移则申请序列中在转移指令之后的与它在同一存储周期读出的其他顺序单元内容就没用了。P(k)=(λ)k·λ其中≤k<m。如果前m条指令均不转移则不管第m条指令是否转移k都等于m故P(m)=(λ)m。这样经数学归纳法化简可得它是一个等比级数因此转移概率λ>时模m取值再大对系统效率也不会带来多大的好处。λ<时m值的大小对B的改进会有显著影响。若机器主要是运行标量运算的程序一般取m≤,很少采用m=的。向量处理机其m值可以取大些。m个分体并行存取的B=f(λ)曲线 中断系统 中断系统中断:CPU中止正在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先被打断的程序继续恢复执行的过程。中断系统:响应和处理各种中断的软、硬件总体。中断内部中断由CPU内的异常引起。软件中断由自陷指令引起。外部中断可屏蔽中断不可屏蔽中断 中断系统中断的分类和分级  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中断请求。中断响应是允许其中断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及其现场调出有关处理该中断的中断服务程序准备运行。  IBM系统就将中断分成机器校验、管理程序调用、程序性、外部、输入输出和重新启动类。  )机器校验中断是告诉程序发生了设备故障。可用位机器校验中断码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内容提供。  )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、除数为、有效位为等)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。  )外部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。外部中断又可再分成两类:一类是若未被响应则继续保留另一类是如不响应则不再保留。  )输入输出中断是CPU与IO设备及通道联系的工具在输入输出操作完成或IO通道或设备产生故障时发出。  程序性、外部、IO这类的中断码均为位。  )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。   中断(Interrupt)和异常(Exception)的区别:由执行现行指令引起的暂停事件如运算结果溢出、页面失效等属于异常一般不能屏蔽应予立即响应和处理。中断则专指那些与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、定时器中断请求等。中断可以被屏蔽未被响应的中断源保留在中断字寄存器中直至屏蔽解除后仍可得到响应和处理。  中断系统按中断源级别高低来响应。机器校验列为第一级。IBM把机器校验分成紧急的、可抑制的两种分属于不同的优先级。  程序性中断和管理程序调用一般列为第二级。外部中断级别高于输入输出。  重新启动中断级别一般最低。访管中断是在现行程序中安排一条“访管”指令自愿进入的中断。放在第二级。级中断。当机器因故障重叠发生或无法排除完全不能正常工作时由中断系统硬设备发出机器告急。IBM中断响应的优先次序为:紧急的机器校验、管理程序调用和程序性、可抑制的机器校验、外部、输入输出、重新启动。中断的响应次序与处理次序  中断的响应次序是在同时发生多个不同中断类的中断请求时中断响应硬件中的排队器所决定的响应次序。 中断响应的次序用排队器硬件实现次序是由高到低固定的。中断级屏蔽位寄存器用于决定某级中断请求能否进入中断响应排队器。只要能进入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中的中断级屏蔽位设置成不同状态就可以实现所希望的中断处理次序。中断响应硬件部分原理简图  假设系统有个中断级相应地每一级中断处理程序的现行PSW中都有位中断级屏蔽位。如果中断级屏蔽位为“”则表示对该级中断开放允许其进入中断响应排队器如果中断级屏蔽位为“”则对该级中断屏蔽不让其进入中断响应排队器。那么要让各级中断处理次序和各级中断响应次序都一样都是→→→就只需按表设置好各级中断处理程序现行程序状态字中的中断级屏蔽位即可。 中断级屏蔽位设置举例中断处理程序级别中断级屏蔽位级级级级第级第级第级第级中断请求用户程序中断处理程序t③②④②①  只要操作系统根据需要用软的方法改变各级中断处理程序的中断级屏蔽位状态就可以改变实际的中断处理(完)的先后顺序。中断响应用排队器硬件实现可以加快响应和断点现场的保存中断处理采用软的技术可以提供很大的灵活性。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。中断系统的软、硬件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。  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)。软件状态宜于经中断处理程序保存。硬件状态硬件状态是全部经中断响应硬件保存还是部分经中断响应硬件保存、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做不同的选择。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重要性能指标它主要取决于交换PSW的时间。 总线系统总线的分类 总线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局部总线或内部总线系统级系统间或主机与IO接口或设备之间的总线  总线按允许信息传送的方向分:单向传输双向传输半双向可沿相反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。全双向的速度快造价高结构复杂。    总线按用法分为:专用总线只连接一对物理部件的总线优点:)是多个部件可以同时收发信息不争用总线系统流量高)通信时不用指明源和目的控制简单)任何总线的失效只影响连于该总线的两个部件不能直接通信缺点:)总线数多。如果N个部件用双向专用总线在所有可能路径都互连则需N×(N)组总线。)专用总线的时间利用率低。)专用总线不利于系统模块化增加一个部件要增加许多新的接口和连线。在一般的IO系统中专用总线只适用于实现某个设备(部件)仅与另一个设备(部件)的连接。所有部件之间用专用总线互连  非专用总线可以被多种功能或多个部件所分时共享同一时间只有一对部件可使用总线进行通信。优点:)总线数少造价低)总线接口标准化、模块性强)可扩充能力强部件的增加不会使电缆、接口和驱动电路激增)易用多重总线来提高总线的带宽和可靠性使故障弱化。缺点:)系统流量小经常会出现争用总线的情况使未获得总线使用权的部件不得不等待而降低效率。)共享总线失效会导致系统瘫痪IO系统适宜用非专用总线。总线的控制方式  集中式控制:不论是在连接到总线的一个部件中还是在单独的硬件中总线控制机构基本集中在一起。分布式控制:总线控制逻辑分散在连到总线的各个部件时。  优先次序的确定可以有串行链接、定时查询和独立请求种不同的方式也可以是它们的结合。采用何种方式取决于控制线数目、总线分配速度、灵活性、可靠性等因素的综合权衡。集中式串行链接串行链接的优点是:)选择算法简单用于解决总线控制分配的控制线的线数少只需要根且不取决于部件的数量)部件的增减容易只需简单地把它连到总线上或从总线上去掉即可)可扩充性好由于逻辑简单容易通过重复设置提高可靠性。缺点是:)对“总线可用”线及其有关电路的失效敏感。)优先级是线连固定不能由程序改变不灵活。)总线的分配速度受限制增减或移动部件也受到限制。集中式定时查询定时查询的优点是:)优先次序可用程序控制灵活性强)不会因某个部件失效而影响其他部件对总线的使用可靠性高。缺点是:)控制线的线数较多需[logN]根)可以共享总线的部件数受限于定时查询线的线数(编址能力)扩展性稍差)控制较为复杂)总线分配的速度取决于计数信号的频率和部件数不能很高。集中式独立请求独立请求方式的优点:)总线分配速度快所有部件的总线请求同时送到总线控制器不用查询)控制器可以使用程序可控的预定方式、自适应方式、循环方式或它们的混合方式灵活确定下一个使用总线的部件)能方便地隔离失效部件的请求。缺点:控制线数量过大为控制N个设备必须有N根控制线而且总线控制器要复杂得多。总线的通信技术  同步通信  部件间的信息传送由定宽、定距的系统时标同步。优点:信息的传送速率高受总线长度的影响小缺点:时钟在总线上的时滞可能会造成同步误差时钟线上的干扰信号易引起误同步。提高可靠性的方法:在正常时目的部件不做回答出错时目的部件在同步时间片过去之后发回源部件一个出错信号。  异步通信  异步通信又分单向控制和请求回答双向控制两种。单向源控式(单向目控式):通信过程只由源或目的部件之一控制请求回答双向控制:通信过程由源和目的共同控制。异步单向控制通信源控式单向源控式的优点:简单、高速。缺点:)没有来自目的部件指明传送是否有效的回答)不同速度的部件间通信比较困难部件内需设置缓冲器以缓冲来不及处理的数据)效率低高速部件难以发挥其效能要求“数据准备”干扰要小否则易误认成有效信号。异步单向控制通信目控式  单向控制的缺点:不能保证下一数据传送之前让所有数据线和控制线的电平信号恢复成初始状态从而可能造成错误。源控式异步双向控制通信(a)非互锁方式(b)互锁方式  异步双向互锁方式虽增加了信号沿总线来回传送的次数使控制硬件变得复杂但它能适应各种不同速度的IO设备保证数据传送的正确性且有较高的数据传送速率。它总是以所接源和目的部件中相对较低的速率来通信比同步方式总是以所有部件中最低的速率来通信的效率要高所以IO总线中最广泛使用的还是异步双向互锁通信方式。数据宽度与总线线数  数据宽度  数据宽度是IO设备取得IO总线后所传送数据的总量。数据通路宽度是数据总线的物理宽度即一个时钟周期所传送的信息量。二次分配总线期间所传送的数据宽度可能要经多个时钟周期分次传送来完成。采用何种数据宽度与总线上各设备的特点、所用总线控制方式和通信技术有关。数据宽度有单字(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(单字节)宽度适合于输入机、打印机等低速设备。不适合面向成块信息传送的磁盘、磁带等快速设备。采用单字(单字节)宽度不用指明传送信息的长度有利于减少辅助开销。定长块宽度适合于磁盘等高速设备。不用指明传送信息的长度简化了控制。可按整个信息块进行校验。缺点:块的大小<<传送的信息块大小,仍要多次分配总线块的大小>要传送的信息块会浪费总线的带宽和缓冲器空间。可变长块宽度适合于高优先级的中高速磁带、磁盘等设备灵活性好缺点:要增大缓冲器空间和增加指明传送信息块大小的辅助开销和控制。对于挂有速度较低而优先级较高的设备总线可采用单字加定长块传送。采用单字加可变长块的传送是一种灵活有效但却又是复杂、开销大的方法。  总线的线数  总线的线数越多则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。总线的长度越长则成本越高干扰越大波形畸变越严重可靠性越低。总线越长线数就应减少。数据总线的宽度有位、字节、字或双字等。  在满足性能前提下应尽量减少线数。总线线数可通过用线的组合、编码及并串串并转换来减少但一般会降低总线的流量。  线的组合能减少只按功能和传送方向所需的线数。线的编码是对少数几根功能线进行编码来取代每种功能都用单线完成的多根单功能线。并串串并转换是在总线两端设并串、串并转换器使用较少的线数经多次分拆移位传送后再在目的端组装成完整的字。串并的程度取决于系统成本与性能的权衡。极端的一位串行传送的总线只用于远距离通信。  总线标准一般包括机械、功能、电气及过程(同步)等个方面的标准。  IO总线的结构设计一个重要的问题是流量的设计。IO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。系统要求的流量过大时可以采用多组总线进行合理的流量分配并可限制每组总线的长度及所允许加接的IO设备数量。为使总线上各设备满负荷工作时也不丢失信息还必须使总线的允许流量不低于所接多台外设的平均流量之和并设有一定容量的缓冲器。 输入输出系统输入输出系统概述  输入输出系统包括输入输出设备、设备控制器与输入输出操作有关的软、硬件。  低性能单用户计算机的输入输出操作多数由程序员直接安排IO系统的设计主要是考虑解决好CPU、主存和IO设备在速度上的巨大差距。  输入输出系统硬件的功能对应用程序员是透明的。大多数计算机输入输出系统的设计应是面向操作系统考虑怎样在操作系统与输入输出系统之间进行合理的软、硬件功能分配。  输入输出系统结构设计的好坏会直接影响计算机系统的性能。  输入输出系统的发展经历了个阶段相应对应于种方式即程序控制IO(包括全软的、程序查询的、中断驱动的)、直接存储器访问(DMA)及IO处理机方式。  IO处理机方式又可有通道(Channel)方式和外围处理机方式(PPU)。   通道有自己的指令系统(通道指令)和程序(通道程序)。每条通道指令为输入输出规定一定的动作对外设进行控制发出诸如读、写等命令给出交换信息的主存起始地址及交换的字数等。通道通过执行通道程序来控制输入输出它与CPU可以并行工作。通道还能替CPU对多个设备的信息传输进行分时管理在主存和外设信息交换过程中实现字与字节之间的装配和拆卸。通道还能向CPU报告设备和设备控制器的状态并能对输入输出系统出现的某些情况进行处理。  外围处理机则是一种独立性、通用性和功能都较强的处理机。  随着微处理机(器)的迅速发展出现了由多台处理机共享大数据库的分布处理计算机系统。各处理机可对由主数据库调来的信息按用户需要进行交互式处理。这将使IO系统向着多微处理器分布处理(包括智能终端、智能外设)的方向发展。  输入输出设备分外存和传输设备两大类。外存有磁盘、磁带、光盘等。传输设备有键盘、鼠标、光笔、显示器、各种打印印字机、声音输入输出设备、图形扫描器、网络驱动器等。通道处理机的工作原理和流量设计  通道处理机的工作原理  中央处理机用来控制外部设备操作用的输入输出指令被定义成管态指令用户在目态程序中不能使用这些指令。用户只能在目态程序中安排要求输入输出的广义指令进入相应管理程序执行这些输入输出管态指令。广义指令由访管指令和若干参数组成它的操作码实质上是对应此广义指令的管理程序入口。访管指令是目态指令当目态程序执行到要求输入输出的访管指令后产生自愿访管中断如图和图所示。CPU响应此中断请求后转向该管理程序入口进入管态。图通道处理机输入输出的主要过程图通道处理机输入输出主要过程的时间关系示意图  管理程序根据广义指令中所提供的参数如设备号、交换信息的主存起始地址、要交换的信息长度等编制通道程序。通道程序能完成CPU一条输入输出指令所要求执行的许多操作。编制好的通道程序存在主存对应该通道的通道缓冲区中通道程序的入口地址被置入主存中通道地址字单元并由管理程序指明操作方式。之后管理程序就执行“启动IO”指令进入通道开始选择设备期。  “启动IO”指令是主要的输入输出指令属管态指令其操作流程如图所示。先选择指定的通道、子通道如它被连通且空闲时就从主存中取出通道地址字按通道地址字给出的通道程序首地址从主存通道缓冲区取出第一条通道指令。经校验其格式无误后再选择相应设备控制器和设备。如该设备是被连着的就向设备发启动命令。如果设备启动成功用全“”字节回答通道时结束通道开始选择设备期。图“启动IO”指令流程  通道被启动后CPU退出管态继续运行目态程序。而通道进入通道数据传送期执行通道程序组织IO操作开始通道与设备间的数据传送。直至通道程序执行完无链通道指令后传送完成转入通道数据传送结束期向CPU发出IO中断请求。当然。如果出现故障、错误等异常时也向CPU发出IO中断请求。CPU响应此中断请求后第二次转管态调出相应管理程序对中断请求进行处理。如属正常结束就进行登记计费如属故障、错误则进行处理。之后再返回目态继续目态程序的运行。这样每完成一次输入输出只需两次进管大大减少了对目态程序的干扰,显著提高了CPU运算和外设操作的重叠度。系统中多个通道可以各有自己的通道程序同时运行使多种、多台设备可以并行工作。  通道在通道数据传送期里如果所连接的多台设备同时要求交换信息或者是通道的“数据宽度”与要传送的信息宽度不等时还要多次选择当前要传送信息的是哪台设备。即每传送一个“数据宽度”就要重新选择设备。  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。  字节多路通道适用于连接大量的像光电机等字符类低速设备。它们传送一个字符(字节)的时间很短但字符(字节)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。字节多路通道又可有多个子通道各子通道能独立执行通道指令并行地操作以字节宽度分时进出通道。接在每个子通道上的多台设备也能分时使用子通道。   数组多路通道适合于连接多台像磁盘等高速设备。这些设备的传送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不让通道空闲等采用成组交叉方式工作。其“数据宽度”为定长块传送完K个字节数据后就重新选择下个设备。它可有多个子通道同时执行多个通道程序。所有子通道能分时共享输入输出通道但它是以成组交叉方式传送的既具有多路并行操作的能力又具有很高的数据传送速率。  选择通道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相当于“数据宽度”为可变长块一次对N个字节全部传送完。所以在数据传送期内只选择一次设备。  IBM的通道系统如图所示它是CPU主存通道设备控制器外设级结构。其三类通道与各种速度的外设相连形成数据流量平衡的IO系统。图IBM的IO结构  通道流量的设计  通道流量是通道在数据传送期内单位时间内传送的字节数。它能达到的最大流量称通道极限流量。通道的极限流量与其工作方式、数据传送期内选择一次设备的时间TS和传送一个字节的时间TD的长短有关。  字节多路通道每选择一台设备只传送一个字节其通道极限流量  数组多路通道每选择一台设备传送完长K个字节。如果要传送N个字节就得分次传送才行每次都要选一次设备通道极限流量  选择通道每选择一台设备就把N个字节全部传送完通道极限流量  显然若通道的TS、TD一定且N>K时极限流量为字节多路方式的最小数据多路方式的居中选择方式的最大。 由通道工作原理可知当挂上设备后设备要求通道的实际最大流量字节交叉方式工作的应是该通道所接各设备的字节传送速率之和即  数组多路和选择的应是所接各设备的字节传送速率中之最大者即式中j为通道的编号fi·j为第j号通道上所挂的第i台设备的字节传送速率,pj为第j号通道中所接设备的台数。  为了保证第j号通道上所挂设备在满负荷的最坏情况下都不丢失信息必须满足设备要求通道的实际最大流量不超过通道的极限流量因此上述三类通道应分别满足  如果IO系统有m个通道其中至m为字节多路m至m为数组多路m至m为选择则IO系统的极限流量为必然会满足可以用左右两边的差值衡量IO系统流量的利用率。差值越小其利用率越高设计较合理。  下面举一个流量计算的例子。假设有一字节多路通道它有个子通道:“”号、“”号高速印字机各占一个子通道“”号打印机、“”号打印机和“”号光电输入机合用一个子通道。假定数据传送期内高速印字机每隔μs发送一个字节请求低速打印机每隔μs发送一个字节请求光电输入机每隔μs发送一个字节请求则这台设备要求通道的流量为根据流量设计的基本要求该通道的极限流量可设计成MBs即所设计的通道工作周期TSTD=μs这样各设备的请求就都能及时得到响应和处理不会丢失信息。  通常高速设备请求的响应优先级也高。让各设备请求得到响应的优先序定为:“”号高速印字机→“”号高速印字机→“”号低速打印机→“”号低速打印机→“”号光电输入机。如果各设备要求传送字节数据的请求时刻如图中的“↑”所示。由该图可见每台设备都是在发出下一个申请之前或最多是同时就处理完了上次的申请不会丢码但各设备处理完每个字节请求的间隔时间并不相等。图字节多路通道响应和处理各设备请求的时间  必须指出上述流量设计的基本条件只保证了宏观上不丢失设备信息并不能保证微观上每一个局部时刻都不丢失信息。特别是当设备要求通道的实际最大流量非常接近于通道极限流量时由于高速设备频繁发出请求并总是优先得到响应和处理速率很低的设备就可能长期得不到通道而丢而信息。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一时来不及处理的信息或是采用可动态提高低速设备的响应优先级来保证从微观上也不丢失信息。但很明显上述流量设计的基本条件如果得不到满足则无论设置多大容量的缓冲器或无论怎样改变通道响应设备请求的优先次序也还是要丢失信息的。外围处理机  通道处理机实际上不能看成是独立的处理机因为其指令(通道指令)的功能简单只具有面向外设控制和数据传送的功能又没有大容量的存储器。就是在输入输出的过程中也还需要CPU承担:输入输出的前处理和后处理设备或通道出现错误、异常后的处理对所传送数据信息的代码和格式转换数据块整体的正确性校验及像文件管理、设备管理等操作系统的工作。另外为使CPU能高速运行所采用的流水等组成技术常会因为遇到输入输出中断而发挥不了作用速度严重下降。通道处理机那种每调用一次输入输出设备就得经“访管”中断转入输入输出管理程序的做法不仅妨碍了CPU资源的合理利用也利用不上CPU本来具有的高速性能。为此发展了外围处理机(PPU)希望让CPU进一步摆脱对输入输出操作的控制以便更好地集中精力专注于自己的事情。  外围处理机基本上是独立于主处理机异步工作的。它可以与主处理机共享主存也可以不共享主存。像CDCCYBER、ASC、B等系统都采用共享主存的连接方式。这种方式的外围处理机存储器(局存)容量较小外围处理机要执行的例行程序一般放在主存中为各台PPU共享只有当需要用到时才通过加载或更换覆盖等形式把它调入相应PPU的主存储器中。在这种共享主存的连接方式中有的系统如B各PPU具有独立的运算部件与主存相连。而另外的系统像CDCCYBER和ASC则是让各PPU合用同一运算部件和指令处理部件并通过公用部件与主存通信这可以降低外围处理机子系统的造价但控制较复杂。STAR则属于不共享主存的连接方式各PPU具有更强的独立性但却需要有很大容量的内存。  采用外围机处理方式可以自由选择通道和设备进行通信主存、PPU、通道和设备控制器相互独立可以视需要用程序动态地控制它们之间的连接具有比通道处理机方式强得多的灵活性。由于PPU是独立的处理机具有一定的运算功能可以承担一般的外围运算处理和操作控制任务还可以让各台外设不必通过主存就可以直接交换信息这些都进一步提高了整个计算机系统的工作效率。  IO处理机功能的进一步扩展已超出单纯进行输入输出设备管理和数据传送的范围出现了各种前端机(如网络、远程终端控制前端机)以及后台机(如数据库机器等)。外围处理机方式就其硬件利用率和成本来讲不如通道处理机方式好但随着微处理器和微处理机的迅速发展不仅功能不断提高和加强而且成本也在迅速下降。在设计IO系统时这种硬件的利用率和成本已不再是着重强调的问题而是应当考虑怎样才能进一步减少CPU对IO系统的介入充分提高整个系统的功能和性能。为此进一步增强输入输出设备与设备控制器的“智能”发展智能外设让管理、控制操作尽可能在端点完成使调用外部设备的过程变成是在IO系统中各微处理器之间及各缓冲存储器之间的信息传送过程。这将会继续提高IO系统的数据吞吐率和让CPU解脱对输入输出控制管理的负担。

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