【文章內(nèi)容簡介】 狀態(tài)字中的中斷級屏蔽位設(shè)置不同的狀態(tài)，可以改變中斷處理(完)的次序這兩個要點(diǎn)，下圖給出了一個中斷響應(yīng)硬件部分的簡單邏輯原理示意圖。圖中略去了某些實(shí)現(xiàn)上的具體細(xì)節(jié)，因?yàn)檫@些已不是本課程要討論的內(nèi)容。 中斷級屏蔽位是程序狀態(tài)字中的一個組成部分。程序狀態(tài)字是將散布于系統(tǒng)各部分，反映程序工作時某些關(guān)鍵性硬件的狀態(tài)，組合在一起所構(gòu)成的字，有的計算機(jī)也稱其為處理器狀態(tài)字或程序換道區(qū)。每類程序均在主存中指定一個區(qū)域來放置其程序狀態(tài)字。運(yùn)行一個程序或進(jìn)程時，就會將其程序狀態(tài)字從主存指定單元或區(qū)域取出送到分散于系統(tǒng)各部分的寄存器或計數(shù)器中，建立起運(yùn)行此程序或進(jìn)程的環(huán)境。一個程序或進(jìn)程在退出運(yùn)行時，也會將反映該程序狀態(tài)的這些寄存器或計數(shù)器內(nèi)容組拼成程序狀態(tài)字，存回該程序或進(jìn)程在主存中的指定單元或區(qū)域里。因此，程序或進(jìn)程的切換，只需要通過硬件啟動的交換新舊程序狀態(tài)字的內(nèi)容即可快速完成。例如，在IBM370系列機(jī)上，程序狀態(tài)字為64位，等于它的長字，交換程序狀態(tài)字只需硬件啟動寫長字和讀長字兩次訪存即可完成。盡管中斷請求是隨機(jī)發(fā)出的，為了便于精確保存中斷的斷點(diǎn)以及在中斷處理完后又能返回到原中斷處，中斷響應(yīng)排隊(duì)器總是在每條指令執(zhí)行到最后一個機(jī)器周期的最后一個時鐘周期時，對目前到達(dá)中斷響應(yīng)排隊(duì)器入口的所有中斷請求排一次隊(duì)，擇優(yōu)進(jìn)行響應(yīng)。在中斷響應(yīng)排隊(duì)器相應(yīng)的輸出端產(chǎn)生出響應(yīng)信號。此信號經(jīng)中斷級服務(wù)程序入口地址形成硬件，生成出該級中斷服務(wù)程序的程序狀態(tài)字在內(nèi)存區(qū)中所存放的地址。同時，經(jīng)中斷響應(yīng)控制信號啟動，進(jìn)行新舊程序狀態(tài)字的交換，完成程序的切換。被中斷的程序的斷點(diǎn)地址(即程序計數(shù)器的內(nèi)容)，由硬件自動壓入返回地址堆棧，予以保存。系統(tǒng)切換到新的程序或進(jìn)程后，繼續(xù)運(yùn)行下去。如果新的程序或進(jìn)程是一個中斷服務(wù)程序，在運(yùn)行結(jié)束，執(zhí)行到中斷返回指令時，就會從堆棧中彈出所保存的返回地址，再次交換程序狀態(tài)字，系統(tǒng)又重新返回到原被中斷的程序，恢復(fù)運(yùn)行。 ？ 設(shè)中斷級屏蔽位“1”對應(yīng)于開放，“0”對應(yīng)于屏蔽。 第i級中斷處理程序級別的各級中斷級屏蔽位中應(yīng)有i1位設(shè)為“1”。舉例來說，第1級中斷處理程序級別的各級中斷級屏蔽位均應(yīng)設(shè)為“0”。 響應(yīng)級別為n的中斷處理程序的n級中斷級屏蔽位應(yīng)設(shè)為“0”。 設(shè)第i2級中斷處理程序級別的中斷處理級別高于第i1級中斷處理程序級別，根據(jù)中斷嵌套的原則，第i1級中斷處理程序級別的第i2級中斷級屏蔽位應(yīng)設(shè)為“1”,從而實(shí)現(xiàn)對第i2級中斷處理程序級別的開放。 *1，2，3，4中斷同時出現(xiàn)，進(jìn)行排隊(duì)器； *按中斷響應(yīng)優(yōu)先級，1最高，響應(yīng)； *1的屏蔽字為0000，所以1中斷執(zhí)行到結(jié)束，回用戶程序； *剩下的2優(yōu)先級高，2響應(yīng)，但其屏蔽字為1011，允許響應(yīng)4，3的響應(yīng)優(yōu)先級高，所以； *2被中斷，3響應(yīng)，但其屏蔽字為1001，允許響應(yīng)4，所以； *4響應(yīng)，執(zhí)行到結(jié)束，回3； *3執(zhí)行到結(jié)束，回2； *2執(zhí)行到結(jié)束，回用戶程序。 ？ 有的題目中沒有說明談及的通道的類型，這種情況下，一般是指字節(jié)多路通道。，定時查詢和獨(dú)立請求3種總線控制方式的優(yōu)缺點(diǎn)。同時分析硬件產(chǎn)生故障時通訊的可靠性。 答： 控制方式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)串行鏈接(1)選擇算法簡單。(2)控制線數(shù)少，只需要3根，且不取決于部件數(shù)量。(3)可擴(kuò)充性好。(1)對“總線可用”線及其有關(guān)電路失效敏感。(2)靈活性差，如果高優(yōu)先級的部件頻繁要求使用總線，離總線控制器遠(yuǎn)的部件就難以獲得總線使用權(quán)。(3)“總線可用”信號順序脈動地通過各個部件，總線的分配速度慢。(4)受總線長度的限制，增減和移動部件受限制。定時查詢(1)靈活性強(qiáng)，部件的優(yōu)先次序由程序控制。(2)可靠性高，不會因某個部件失效而影響其它部件使用總線。(1)總線的分配速度不能很高。(2)控制較為復(fù)雜。(3)控制線數(shù)多，需要2+log2N根。(4)可擴(kuò)充性差。獨(dú)立請求(1)靈活性強(qiáng)，部件的優(yōu)先次序由程序控制。(2)能方便地隔離失效部件的請求。(3)總線的分配速度快。(1)控制較為復(fù)雜。(2)控制線數(shù)多，要控制N個設(shè)備，需要有2N+1根控制線?！?”對應(yīng)于開放，“0”對應(yīng)于屏蔽，各級中斷處理程序的中斷級屏蔽位設(shè)置如下： 中斷處理程序級別中斷級屏蔽位1級2級3級4級第1級0000第2級1010第3級1000第4級1010(1)當(dāng)中斷響應(yīng)優(yōu)先次序?yàn)?→2→3→4時，其中斷處理次序是什么? (2)如果所有的中斷處理都各需3個單位時間，中斷響應(yīng)和中斷返回時間相對中斷處理時間少得多。當(dāng)機(jī)器正在運(yùn)行用戶程序時，同時發(fā)生第2，3級中斷請求，過兩個單位時間，又同時發(fā)生第1，4級中斷請求，試畫出程序運(yùn)行過程示意圖。 答： (1)當(dāng)中斷響應(yīng)優(yōu)先次序?yàn)?→2→3→4時，其中斷處理次序?yàn)?→3→4→2。 (2) ,中斷響應(yīng)優(yōu)先次序?yàn)?→2→3→4→5,現(xiàn)要求其實(shí)際的中斷處理次求序1→4→5→2→3。 (1)設(shè)計各級中斷處理程序的中斷級屏蔽位(令“1”對應(yīng)于開放，“0”對應(yīng)于屏蔽)。 (2)若在運(yùn)行用戶程序時，同時出現(xiàn)第4，2級中斷請求，而在處理第2級中斷未完成時，又同時出現(xiàn)第1，3，5級中斷請求，請畫出此程序運(yùn)行過程示意圖。 答： (1)中斷級屏蔽位設(shè)置如下圖： 中斷處理程序級別中斷級屏蔽位1級2級3級4級5級第1級11111第2級01100第3級00100第4級01111第5級01101(2)中斷過程示意圖：如圖 4中斷同時出現(xiàn)，進(jìn)行排隊(duì)器。 首先響應(yīng)第2級中斷請求，屏蔽字為01100，表明其對第4級中斷請求開放，所以轉(zhuǎn)去響應(yīng)第4級中斷請求并進(jìn)行處理。 響應(yīng)4，中斷4運(yùn)行結(jié)束，回2。 5進(jìn)入排隊(duì)器。 第2級中斷請求的處理請求被中斷，轉(zhuǎn)去響應(yīng)第1級中斷請求并進(jìn)行處理。 響應(yīng)第5級中斷請求并進(jìn)行處理。 繼續(xù)響應(yīng)并處理第2級中斷處理請求，結(jié)束后返回用戶程序。 最后處理第3級中斷請求。 ，數(shù)組多路和選擇通道的數(shù)據(jù)傳送方式。 答: 字節(jié)多路通道適用于連接大量的像光電機(jī)等字符類低速設(shè)備。這些設(shè)備傳送一個字符(字節(jié))的時間很短，但字符(字節(jié))間的等待時間很長。通道“數(shù)據(jù)寬度”為單字節(jié)，以字節(jié)交叉方式輪流為多臺設(shè)備服務(wù)，使效率提高。字節(jié)多路通道可有多個子通道，同時執(zhí)行多個通道程序。 數(shù)組多路通道適合于連接多臺象磁盤等高速設(shè)備。這些設(shè)備的傳送速率很高，但傳送開始前的尋址輔助操作時間很長。通道“數(shù)據(jù)寬度”為定長塊，多臺設(shè)備以成組交叉方式工作，以充分利用并盡可能重疊各臺高速設(shè)備的輔助操作時間。傳送完K個字節(jié)數(shù)據(jù)，就重新選擇下個設(shè)備。數(shù)組多路通道可有多個子通道，同時執(zhí)行多個通道程序。 選擇通道適合于連接象磁盤等優(yōu)先級高的高速設(shè)備，讓它獨(dú)占通道，只能執(zhí)行一道通道程序。通道“數(shù)據(jù)寬度”為可變長塊，一次將N個字節(jié)全部傳送完，在數(shù)據(jù)傳送期只選擇一次設(shè)備。 。某低速設(shè)備每隔500μs發(fā)出一個字節(jié)數(shù)據(jù)傳送請求，問至多可接幾臺這種低速設(shè)備?對于如下A～F6種高速設(shè)備，一次通訊傳送的字節(jié)數(shù)不少于1024個字節(jié)，問哪些設(shè)備可以掛在此通道上?哪些則不能?其中A—F設(shè)備每發(fā)出一個字節(jié)數(shù)據(jù)傳送請求的時間間隔分別為(單位為μs)： 表35 設(shè)備ABCDEF發(fā)申請間隔(μs)答: (1)至多可連接50臺低速的外設(shè)。 剖析： 根據(jù)題意可知：低速設(shè)備應(yīng)掛接在字節(jié)多路通道上，字節(jié)多路通道的通道極限流量為： =1/(TS+TD)=fbyte 通道極限流量應(yīng)大于或等于設(shè)備對通道要求的流量fbyte。 如果字節(jié)多路通道上所掛設(shè)備臺數(shù)為m,設(shè)備的速率為fi，為了不丟失信息，應(yīng)滿足： 1/(TS+TD)=m*fi fi也就是設(shè)備發(fā)出字節(jié)傳送請求間隔時間(500μs)的倒數(shù)，所以： m=1/((TS+TD)*f)=500/(+)=50(臺) (2)設(shè)備B,C,E,F可以掛在此通道上，設(shè)備A,D則不能。 剖析： 思路一：從傳送字節(jié)速率上入手。 A~F是高速設(shè)備，應(yīng)掛接在選擇通道上，選擇通道的極限流量為： =N/(TS+N*TD)=1/((TS/N)+TD)=1/(()+)=1/(約) 由表35可得出 設(shè)備ABCDEF傳送速率(B/μs)1/1/1/1/1/1/所以，B、C、E、F可掛在該通道上。A、D不能。 思路二：從傳送字節(jié)時間上入手。 對于高速設(shè)備，由于一次傳送字節(jié)數(shù)不少于1024byte ∴+1024＝ 由表35可得出每臺設(shè)備發(fā)送1024字節(jié)的時間間隔分別為: 設(shè)備ABCDEF傳送時間(μs)256512∴為使數(shù)據(jù)不丟失，B、C、E、F可掛在該通道上。A、D不能。 ，某數(shù)據(jù)傳送速率分別如表中所列。 設(shè)備123456傳送速率(KB/s)5015100254020(1)計算所有設(shè)備都工作時的通道實(shí)際最大流量： (2)如果設(shè)計的通道工作周期使通道極限流量恰好與通道最大流量相等，以滿足流量設(shè)計的基本要求，同時讓速率越高的設(shè)備被響應(yīng)的優(yōu)先級越高。當(dāng)6臺設(shè)備同時發(fā)出請求開始，畫出此通道在數(shù)據(jù)傳送期內(nèi)響應(yīng)和處理各外設(shè)請求的時間示意圖。由此你發(fā)現(xiàn)了什么問題? (3)在(2)的基礎(chǔ)上，在哪臺設(shè)備內(nèi)設(shè)置多少個字節(jié)的緩沖器就可以避免設(shè)備信息丟失?那么，這是否說書中關(guān)于流量設(shè)計的基本要求是沒有必要的了呢?為什么? 解： (1)實(shí)際最大流量＝50+15+l00+25+40+20＝250KB/S。 (2)通道響應(yīng)和處理各設(shè)備請求的時間示意圖 由此發(fā)現(xiàn)由于高速設(shè)備的響應(yīng)優(yōu)先級高，使低速設(shè)備2造成數(shù)據(jù)丟失。 (3)在2中各設(shè)兩個字節(jié)的緩沖區(qū)即可。這并不說明流量設(shè)計的基本條件是不必要的，因?yàn)槿艋緱l件不滿足，無論設(shè)備優(yōu)先級如何確定總有設(shè)備的信息會丟失。 剖析： (2)由各設(shè)備的傳送字節(jié)速率可解其連續(xù)發(fā)出傳送請求的時間間隔分別為： 設(shè)備123456發(fā)申請間隔(μs)2067(約)10402550(其中包括兩個子通道Al和A2)，兩個數(shù)組多路通道B1和B2及一個選擇通道C構(gòu)成，各通道所接設(shè)備和設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送速率如表所示。 (1)分別求出各通道應(yīng)具有多大設(shè)計流量才不會丟失信息； (2)設(shè)I/O系統(tǒng)流量占主存流量的1/2時才算流量平衡，則主存流量應(yīng)達(dá)到多少? 通道號所接設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送速率(KB/s)字節(jié)多路通道子通道A150 35 20 20 50 35 20 20子通道A250 35 20 20 50 35 20 20數(shù)組多路通道B1500 400 350 250數(shù)組多路通道B2500 400 350 250選擇通道C500 400 350 250解： (1)要不丟失信息，各通道需要達(dá)到的流量：字節(jié)多路通道子通道A1:。字節(jié)多路通道子通道A2:。數(shù)組多路通道B1:500KB/s。數(shù)組多路通道B2:500KB/s。選擇通道C:500KB/s。 (2)主存流量應(yīng)達(dá)到4MB/S。 剖析: (1)設(shè)備要求字節(jié)多路通道或其子通道的實(shí)際最大流量，是該通道所接各設(shè)備的字節(jié)傳送速率之和。 設(shè)備要求數(shù)組多路通道或選擇通道的實(shí)際最大流量，是該通道所接各設(shè)備的字節(jié)傳送速率中的最大者。 (2)I/O系統(tǒng)中，各種通道和子通道可以并行工作，因此，I/O系統(tǒng)的最大流量應(yīng)等于各通道最大流量之和。第四章　存儲體系 解決Cache的透明性所帶來的問題，和中央處理機(jī)寫Cache，使主存內(nèi)容跟不上Cache內(nèi)對應(yīng)內(nèi)容的變化造成的不一致的問題的關(guān)鍵是選擇好更新主存內(nèi)容的算法，一般有兩種寫直達(dá)法(存直達(dá)法)和寫回法(即抵觸修改法)兩種。 寫直達(dá)法，又稱存直達(dá)法，是指在CPU對Cache進(jìn)行寫操作時，如果命中Cache，不僅將數(shù)據(jù)寫入Cache，而且寫入主存，使兩者的對應(yīng)內(nèi)容統(tǒng)一起來，這樣，當(dāng)Cache中的塊被替換時，就不必再花時間寫回主存了。 寫回法，又稱抵觸修改法，是指在CPU對Cache進(jìn)行寫操作時，如果命中Cache，就只將數(shù)據(jù)寫入Cache，而暫時不寫入主存，只有當(dāng)變化了的Cache塊被替換時，才花一個主存周期，將其寫回主存相應(yīng)的位置上，使兩者的對應(yīng)內(nèi)容統(tǒng)一起來。 Cache采用按需取進(jìn)算法和預(yù)取進(jìn)算法來提高Cache的命中率。 按需取進(jìn)算法是指在Cache塊失效時才將要訪問的字所在的塊取進(jìn)Cache。預(yù)取進(jìn)算法是指在用到某Cache塊之前就將該塊預(yù)取進(jìn)Cache。 預(yù)取進(jìn)算法包括恒預(yù)取進(jìn)算法和不命中時預(yù)取進(jìn)算法。 恒預(yù)取進(jìn)算法是指訪問主存第i塊時，不論其是否在Cache中命中，恒將主存第i+1塊預(yù)取