計算機系統(tǒng)結構復習資料(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 本課程要討論的內容。 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鍵性硬件的狀態(tài)，組合在一起所構成的字，有的計算機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。運行一個程序或進程時，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器中，建立起運行此程序或進程的環(huán)境。一個程序或進程在退出運行時，也會將反映該程序狀態(tài)的這些寄存器或計數器內容組拼成程序狀態(tài)字，存回該程序或進程在主存中的指定單元或區(qū)域里。因此，程序或進程的切換，只需要通過硬件啟動的交換新舊程序狀態(tài)字的內容即可快速完成。例如，在IBM370系列機上，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發(fā)出的，為了便于精確保存中斷的斷點以及在中斷處理完后又能返回到原中斷處，中斷響應排隊器總是在每條指令執(zhí)行到最后一個機器周期的最后一個時鐘周期時，對目前到達中斷響應排隊器入口的所有中斷請求排一次隊，擇優(yōu)進行響應。在中斷響應排隊器相應的輸出端產生出響應信號。此信號經中斷級服務程序入口地址形成硬件，生成出該級中斷服務程序的程序狀態(tài)字在內存區(qū)中所存放的地址。同時，經中斷響應控制信號啟動，進行新舊程序狀態(tài)字的交換，完成程序的切換。被中斷的程序的斷點地址(即程序計數器的內容)，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程后，繼續(xù)運行下去。如果新的程序或進程是一個中斷服務程序，在運行結束，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，恢復運行。 ？ 設中斷級屏蔽位“1”對應于開放，“0”對應于屏蔽。 第i級中斷處理程序級別的各級中斷級屏蔽位中應有i1位設為“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設為“0”。 響應級別為n的中斷處理程序的n級中斷級屏蔽位應設為“0”。 設第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級中斷級屏蔽位應設為“1”,從而實現對第i2級中斷處理程序級別的開放。 *1，2，3，4中斷同時出現，進行排隊器； *按中斷響應優(yōu)先級，1最高，響應； *1的屏蔽字為0000，所以1中斷執(zhí)行到結束，回用戶程序； *剩下的2優(yōu)先級高，2響應，但其屏蔽字為1011，允許響應4，3的響應優(yōu)先級高，所以； *2被中斷，3響應，但其屏蔽字為1001，允許響應4，所以； *4響應，執(zhí)行到結束，回3； *3執(zhí)行到結束，回2； *2執(zhí)行到結束，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。，定時查詢和獨立請求3種總線控制方式的優(yōu)缺點。同時分析硬件產生故障時通訊的可靠性。 答： 控制方式優(yōu)點缺點串行鏈接(1)選擇算法簡單。(2)控制線數少，只需要3根，且不取決于部件數量。(3)可擴充性好。(1)對“總線可用”線及其有關電路失效敏感。(2)靈活性差，如果高優(yōu)先級的部件頻繁要求使用總線，離總線控制器遠的部件就難以獲得總線使用權。(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，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)控制較為復雜。(3)控制線數多，需要2+log2N根。(4)可擴充性差。獨立請求(1)靈活性強，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)控制較為復雜。(2)控制線數多，要控制N個設備，需要有2N+1根控制線。“1”對應于開放，“0”對應于屏蔽，各級中斷處理程序的中斷級屏蔽位設置如下： 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)當中斷響應優(yōu)先次序為1→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，中斷響應和中斷返回時間相對中斷處理時間少得多。當機器正在運行用戶程序時，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，試畫出程序運行過程示意圖。 答： (1)當中斷響應優(yōu)先次序為1→2→3→4時，其中斷處理次序為1→3→4→2。 (2) ,中斷響應優(yōu)先次序為1→2→3→4→5,現要求其實際的中斷處理次求序1→4→5→2→3。 (1)設計各級中斷處理程序的中斷級屏蔽位(令“1”對應于開放，“0”對應于屏蔽)。 (2)若在運行用戶程序時，同時出現第4，2級中斷請求，而在處理第2級中斷未完成時，又同時出現第1，3，5級中斷請求，請畫出此程序運行過程示意圖。 答： (1)中斷級屏蔽位設置如下圖： 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，進行排隊器。 首先響應第2級中斷請求，屏蔽字為01100，表明其對第4級中斷請求開放，所以轉去響應第4級中斷請求并進行處理。 響應4，中斷4運行結束，回2。 5進入排隊器。 第2級中斷請求的處理請求被中斷，轉去響應第1級中斷請求并進行處理。 響應第5級中斷請求并進行處理。 繼續(xù)響應并處理第2級中斷處理請求，結束后返回用戶程序。 最后處理第3級中斷請求。 ，數組多路和選擇通道的數據傳送方式。 答: 字節(jié)多路通道適用于連接大量的像光電機等字符類低速設備。這些設備傳送一個字符(字節(jié))的時間很短，但字符(字節(jié))間的等待時間很長。通道“數據寬度”為單字節(jié)，以字節(jié)交叉方式輪流為多臺設備服務，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。 數組多路通道適合于連接多臺象磁盤等高速設備。這些設備的傳送速率很高，但傳送開始前的尋址輔助操作時間很長。通道“數據寬度”為定長塊，多臺設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備的輔助操作時間。傳送完K個字節(jié)數據，就重新選擇下個設備。數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)先級高的高速設備，讓它獨占通道，只能執(zhí)行一道通道程序。通道“數據寬度”為可變長塊，一次將N個字節(jié)全部傳送完，在數據傳送期只選擇一次設備。 。某低速設備每隔500μs發(fā)出一個字節(jié)數據傳送請求，問至多可接幾臺這種低速設備?對于如下A～F6種高速設備，一次通訊傳送的字節(jié)數不少于1024個字節(jié)，問哪些設備可以掛在此通道上?哪些則不能?其中A—F設備每發(fā)出一個字節(jié)數據傳送請求的時間間隔分別為(單位為μs)： 表35 設備ABCDEF發(fā)申請間隔(μs)答: (1)至多可連接50臺低速的外設。 剖析： 根據題意可知：低速設備應掛接在字節(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 通道極限流量應大于或等于設備對通道要求的流量fbyte。 如果字節(jié)多路通道上所掛設備臺數為m,設備的速率為fi，為了不丟失信息，應滿足： 1/(TS+TD)=m*fi fi也就是設備發(fā)出字節(jié)傳送請求間隔時間(500μs)的倒數，所以： m=1/((TS+TD)*f)=500/(+)=50(臺) (2)設備B,C,E,F可以掛在此通道上，設備A,D則不能。 剖析： 思路一：從傳送字節(jié)速率上入手。 A~F是高速設備，應掛接在選擇通道上，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。 對于高速設備，由于一次傳送字節(jié)數不少于1024byte ∴+1024＝ 由表35可得出每臺設備發(fā)送1024字節(jié)的時間間隔分別為: 設備ABCDEF傳送時間(μs)256512∴為使數據不丟失，B、C、E、F可掛在該通道上。A、D不能。 ，某數據傳送速率分別如表中所列。 設備123456傳送速率(KB/s)5015100254020(1)計算所有設備都工作時的通道實際最大流量： (2)如果設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，以滿足流量設計的基本要求，同時讓速率越高的設備被響應的優(yōu)先級越高。當6臺設備同時發(fā)出請求開始，畫出此通道在數據傳送期內響應和處理各外設請求的時間示意圖。由此你發(fā)現了什么問題? (3)在(2)的基礎上，在哪臺設備內設置多少個字節(jié)的緩沖器就可以避免設備信息丟失?那么，這是否說書中關于流量設計的基本要求是沒有必要的了呢?為什么? 解： (1)實際最大流量＝50+15+l00+25+40+20＝250KB/S。 (2)通道響應和處理各設備請求的時間示意圖 由此發(fā)現由于高速設備的響應優(yōu)先級高，使低速設備2造成數據丟失。 (3)在2中各設兩個字節(jié)的緩沖區(qū)即可。這并不說明流量設計的基本條件是不必要的，因為若基本條件不滿足，無論設備優(yōu)先級如何確定總有設備的信息會丟失。 剖析： (2)由各設備的傳送字節(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)，兩個數組多路通道B1和B2及一個選擇通道C構成，各通道所接設備和設備的數據傳送速率如表所示。 (1)分別求出各通道應具有多大設計流量才不會丟失信息； (2)設I/O系統(tǒng)流量占主存流量的1/2時才算流量平衡，則主存流量應達到多少? 通道號所接設備的數據傳送速率(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數組多路通道B1500 400 350 250數組多路通道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:。數組多路通道B1:500KB/s。數組多路通道B2:500KB/s。選擇通道C:500KB/s。 (2)主存流量應達到4MB/S。 剖析: (1)設備要求字節(jié)多路通道或其子通道的實際最大流量，是該通道所接各設備的字節(jié)傳送速率之和。 設備要求數組多路通道或選擇通道的實際最大流量，是該通道所接各設備的字節(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，和中央處理機寫Cache，使主存內容跟不上Cache內對應內容的變化造成的不一致的問題的關鍵是選擇好更新主存內容的算法，一般有兩種寫直達法(存直達法)和寫回法(即抵觸修改法)兩種。 寫直達法，又稱存直達法，是指在CPU對Cache進行寫操作時，如果命中Cache，不僅將數據寫入Cache，而且寫入主存，使兩者的對應內容統(tǒng)一起來，這樣，當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進行寫操作時，如果命中Cache，就只將數據寫入Cache，而暫時不寫入主存，只有當變化了的Cache塊被替換時，才花一個主存周期，將其寫回主存相應的位置上，使兩者的對應內容統(tǒng)一起來。 Cache采用按需取進算法和預取進算法來提高Cache的命中率。 按需取進算法是指在Cache塊失效時才將要訪問的字所在的塊取進Cache。預取進算法是指在用到某Cache塊之前就將該塊預取進Cache。 預取進算法包括恒預取進算法和不命中時預取進算法。 恒預取進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塊預取進Cache。不命中時預取進算法是指訪問到主存第i塊的信息時，只有當其不在Cache中時，才將主存第i+1塊預取進Cache。 ？ 現在從內存中讀數據