通道处理机

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1、计算机系统结构 （第14讲）主讲人： 郑纬民 教授清华大学计算机系4.2 通道处理机把对外围设备的管理工作从CPU分离出来从IBM 360系列机开始，普遍采用通道处理机技术4.2.1 通道的作用和功能4.2.2 通道的工作过程4.2.3 通道的种类4.2.4 通道的中的数据传送过程4.2.5 通道流量分析处理机与外部设备的连接方式处理机与外部设备的连接方式(1) 直接连接直接连接( (2) 2) 通道处理机通道处理机(3) (3) 输入输出处理机输入输出处理机 处理机处理机设备设备设备设备设备设备处理机处理机设备设备通道通道设备设备通道通道设备设备设备设备字节多字节多路通道路通道通道总线通道总

2、线CPU设设 备备控制器控制器设设 备备控制器控制器设备设备设备设备设备设备选择选择通道通道通道总线通道总线主存主存磁盘磁盘控制器控制器磁表面磁表面控制器控制器磁盘磁盘磁盘磁盘磁带磁带数组多数组多路通道路通道通道总线通道总线内部总线内部总线磁盘磁盘控制器控制器磁带磁带控制器控制器磁盘磁盘磁盘磁盘磁带磁带三种类型的通道与三种类型的通道与 CPU、设备控制器和外围设备的连接关系、设备控制器和外围设备的连接关系4.2.1 通道的作用和功能1、三种基本输入输出方式存在的问题：CPU的输入输出负担很重，不能专心于用户程序的计算工作。低速外围设备，每传送每个字符都由CPU执行一段程序来完成。高速外围设备的

3、初始化、前处理和后处理等工作需要CPU来完成大型机中的外围设备台数很多，但一般并不同时工作。让DMA控制器能被多台设备共享，提高硬件的利用率2、通道的主要功能：接受CPU发来的指令，选择一台指定的外围设备与通道相连接执行CPU为通道组织的通道程序管理外围设备的有关地址管理主存缓冲区的地址控制外围设备与主存缓冲区间数据交换的个数指定传送工作结束时要进行的操作检查外围设备的工作状态，是正常或故障在数据传输过程中完成必要的格式的变换4.2.2 通道的工作过程通道完成一次数据输入输出的过程需三步：(1) 在用户程序中使用访管指令进入管理程序，由CPU通过管理程序组织一个通道程序，并启动通道(2) 通道

4、处理机执行通道程序，完成指定的数据输入输出工作(3) 通道程序结束后第二次调用管理程序对输入输出请求进行处理每完成一次输入输出工作，CPU只需要两次调用管理程序，大大减少了对用户程序的打扰CPU运行用户程序通道运行存放在主存中的通道程序编制通道程序请求输入输出访管指令启动I/O通道组织I/O操作向CPU发中断请求登记或处理CPU运行管理程序响应I/O中断请求时间t访管入口OC 设备号OC交换长度OC主存起址通道程序置通道地址字启动I/O通道程序断开通道指令入 口返 回I/O中断响应I/O中断返回I/O中断请求4.2.3 通道种类通道分为三种类型：字节多路通道、选择通道和数组多路通道1、字节多路

5、通道为多台低速或中速的外围设备服务字节多路通道包含有多个子通道，每个子通道连接一个设备控制器2、选择通道选择通道为高速外围设备服务每个选择通道只有一个以成组方式工作的子通道，逐个为多台高速外围设备服务 启启 动动 输输 入入 输输 出出 设设 备备 指指 令令选选 取取 通通 道道 断断 开开 ？ 形形 成成 条条 件件 码码 ， 结结 束束 。 否否 忙忙 ？ 形形 成成 条条 件件 码码 ， 结结 束束 。 否否选选 取取 子子 通通 道道 断断 开开 ？ 形形 成成 条条 件件 码码 ， 结结 束束 。 否否 忙忙 ？ 形形 成成 条条 件件 码码 ， 结结 束束 。 否否选选 取取 通

6、通 道道 指指 令令 有有 错错 ？ 形形 成成 条条 件件 码码 ， 存存 通通 道道 状状 态态 字字 ， 结结 束束 。 否否选选 择择 控控 制制 器器 设设 备备 断断 开开 ？ 形形 成成 条条 件件 码码 ， 结结 束束 。 否否发发 启启 动动 命命 令令全全 0 状状 态态 ？ 设设 备备 回回 答答 的的 状状 态态 字字 节节 为为 全全 0， 启启 动动 成成 功功 ， 形形 成成 条条 件件 码码 。 否否 通通 道道 结结 束束 ？ 虽虽 然然 设设 备备 回回 答答 的的 状状 态态 字字 节节 非非 全全 0， 但但 是是 通通 道道 指指 令令 是是 属属 于

7、于 辅辅 助助 性性 操操 作作 ， 亦亦 为为 启启 动动 成成 功功 。 形形 成成 条条 件件 码码 。 存存 在在 中中 断断 ？ 设设 备备 回回 答答 的的 状状 态态 字字 节节 为为 全全 0， 动动 成成 功功 ， 形形 成成 条条 件件 码码 。 否否形形 成成 条条 件件 码码 ,启启 动动 不不 成成 功功 ， 结结 束束 。启启 动动 输输 入入 输输 出出 设设 备备 的的 工工 作作 过过 程程是是是是是是是是是是是是是字节缓冲状态/控制固定地址子通道1子通道2子通道3数据缓冲通道控制字节多路通道至主存储器字节多路通道的结构通道控制部分状态/控制主存地址至主存储器

8、选择通道的结构字节计数设备地址数据缓冲数据格式变换字字节至设备控制器3、数组多路通道数组多路通道：把字节多路通道和选择通道的特性结合起来每次为一台高速设备传送一个数据块，并轮流为多台外围设备服务数组多路通道可以被看作是以成组方式工作的高速多路通道从磁盘存储器读出一个文件的的过程分为三步：定位、找扇区、读出数据数组多路通道的实际工作方式是：在为一台高速设备传送数据的同时，有多台高速设备可以在定位或者在找扇区与选择通道相比，数组多路通道的数据传输率和通道的硬件利用都很高，控制硬件的复杂度也高4.2.4 通道中的数据传送过程一个字节多路通道连接P台设备，每台设备都传送n个字节TS：设备选择时间；TD

9、：传送一个字节的时间；Dij：第i台设备的第j个数据，其中有：i1,2,p，j1,2,n总共所需要的时间：TBYTE（TSTD）PnTSTDD11TSTDD21TSTDDijTSTDDpnT选择通道连接P台设备，每台设备都传送n个字节TS：设备选择时间；TDi：通道传送第i个数据所用的时间；其中有：i1,2,nDi：通道正在为第i台设备服务，其中有：i1,2,p总共所需要的时间：TSELETE（TSn TD）PnTSTD1TDnD1TTSTD1TDnD2TSTD1TDnDp数组多路通道连接P台设备，每台设备都传送n个字节TS：设备选择时间，k：一个数据块中的字节个数；TDi：通道传送第i个数据

10、所用的时间，其中有：i1,2,nDi：通道正在为第i台设备服务，其中有：i1,2,p总共所需要的时间：TBLOCK= (TS/k+TD)PnTSTD1TDkD1TTSTD1TDkD2TSTD1TDnDpTSTD1TDkD24.2.5 通道流量分析通道流量：单位时间内能够传送的最大数据量。又称为通道吞吐率，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。三种通道的最大流量计算公式如下：秒字节秒字节/1)/(/1)(.DSDSSELETEMAXDSDSBYTEMAXTnTnpTnTnpfTTnpTTnpf通道流量与连接在这个通道上的所有设备的数据传输率的关系如下：为了保证通道能够正常

11、工作，不丢失数据，各种通道实际流量应该不大于通道最大流量，即满足下列不等式关系：fBYTEfMAXBYTE, fSELETE fMAXSELETE, fBLOCK fMAXBLOCK秒字节/1)/(.DSDSBLOCKMAXTkTnpTkTnpffiMaxffiMaxffifpiBLOCKpiSELETEpiBYTE111例如：一个字节多路通道连接D1、D2、D3、D4、D5共5台设备，这些设备分别每10us、30us、30us、50us和75us向通道发出一次数据传送的服务请求，请回答下列问题：(1) 计算这个字节多路通道的实际流量和工作周期。(2) 如果设计字节多路通道的最大流量正好等于通

12、道实际流量，并假设数据传输率高的设备，通道响应它的数据传送请求的优先级也高。5台设备在0时刻同时向通道发出第一次传送数据的请求，并在以后的时间里按照各自的数据传输率连续工作。画出通道分时为各台设备服务的时间关系图，并计算这个字节多路通道处理完各台设备的第一次数据传送请求的时刻。(3) 从时间关系图上发现什么问题？如何解决这个问题？解：通道的实际流量为：通道的工作周期为：t1/fBYTE5us/byte0.2MB/SMB/S751501301301101BYTEf通道处理完各设备这个第一次请求的时间如下：D1: 5us;D2: 10us;D3: 20us; D4: 30us设备D5的第一次请求没

13、有得到响应，数据丢失。设备D5第一次请求未得到响应的原因分析：D1D2D3D4D5ttttt对所有设备的请求时间间隔取最小公倍数，在这一段时间内通道的流量是平衡的，但是，在任意设备的任意两次传送请求之间并不能保证都能得到通道的响应。为了保证字节多路通道能够正常工作，可以采取下列几种方法：方法一：增加通道的最大流量。保证连接在通道上的所有设备的数据传送请求能够及时得到通道的响应。方法二：动态改变设备的优先级。例如，在30us至70us之间临时提高设备D5的优先级，方法三：增加缓冲存储器。特别是对优先级比较低的设备。例如，只要为设备D5增加一个数据缓冲寄存器，它的第一次请求可以在第85us处得到响应，第二次请求可以在第145us处得到响应。本 章 重 点1、三种基本输入输出方式的工作原理2、通道中的数据传送过程及流量分析练习题：4.74.8 4.9