第八章 输入输出系统2015年.ppt
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计算机组成原理 第八章 输入输出系统 输 入 输 出 系 统 8.1 外围设备的速度分级与信息交换方式 8.2 程序查询方式 8.3 程序中断方式 8.4 DMA方式 8.5 通道方式 8 .1 外围设备的速度分级与信息交换方式 8.1.1 外围设备的速度分级 如果把高速工作的主机同不同速度工作的外围设备相连接,如何保证主机与外围设备在时间上同步?这就是我们要讨论的外围设备的定时问题。 输入/输出设备同CPU交换数据的过程: 输入过程: (1)CPU把一个地址值放在地址总线上,这一步将选择某一输入设备; (2)CPU等候输入设备的数据成为有效; (3)CPU从数据总线读入数据,并放在一个相应的寄存器中。 输出过程: (1)CPU把一个地址值放在地址总线上,选择输出设备; (2)CPU把数据放在数据总线上; (3)输出设备认为数据有效,从而把数据取走。 问题的关键在于:究竟什么时候数据才成为有效? 由于输入/输出设备本身的速度差异很大,因此,CPU与外围设备之间的定时,有以下三种情况。 1.速度极慢或简单的外围设备 如机械开关、显示二极管等等,CPU总是能足够快地作出响应。换句话说,对机械开关来讲,CPU可以认为输入的数据一直有效;对显示二极管来讲,CPU可以认为输出一定准备就绪,因为只要给出数据,显示二极管就能进行显示,所以,在这种情况下,CPU只要接收或发送数据就可以了。 2.慢速或中速的外围设备 由于这类设备的速度和CPU的速度并不在一个数量级,或者由于设备(如键盘)本身是在不规则时间间隔下操作的,因此,CPU与这类设备之间的数据交换通常采用异步定时方式。 通常,把这种在CPU和外设间用问答信号进行定时的方式叫做应答式数据交换 。 3.高速的外围设备 由于这类外设是以相等的时间间隔操作的,而CPU也是以等间隔的速率执行输入/输出指令的 ,因此,这种方式叫做同步定时方式。一旦CPU和外设发生同步,它们之间的数据交换便靠时钟脉冲控制来进行。 更快的同步传送要采用直接内存访问(DMA)方式,这将在后面详细介绍 8.1.2 信息交换方式 1 程序查询方式 2 程序中断方式 3 直接内存访问(DMA)方式 4 通道方式 5 外围处理机方式 8.1.2 信息交换方式 8.2 程序查询方式 8.2 程序查询方式 例题1:在程序查询方式的输入输出系统中,假设不考虑处理时间,每一次查询操作需要100个时钟周期,CPU的时钟频率为50MHz。现有鼠标和硬盘两个设备,而且CPU必须每秒对鼠标进行30次查询,硬盘以32位字长为单位传输数据,即每32位被CPU查询一次,传输率为2MBps。求CPU对这两个设备查询所花费的时间比率,由此可得出什么结论? 8.2 程序查询方式 解: (1) CPU每秒对鼠标进行30次查询,所需要的时钟周期数为:100×30=3000 占用的时间为: 3000÷(50×106)=6×10-5 秒 故鼠标每秒钟查询占用CPU的时间比率为: 6×10-5 ÷1×100%=0.006% 可见,对鼠标的查询基本不影响CPU的性能。 8.2 程序查询方式 解: (2) 对于硬盘,每32位被CPU查询一次,故每秒查询:2MB/4B=512K 次 则每秒查询需要的时钟周期数为: 100×512×1024=52.4×106 故对硬盘的查询占用CPU的时间比率为: [(52.4×106) ÷(50×106)] ×100%=105% 可见,即使CPU全部时间用于对硬盘的查询,也不能满足硬盘传输的要求,因此CPU一般不采用程序查询方式与硬盘交换信息。 8.3 程序中断方式 8.3.1中断的概念、功能? 8.3.2程序中断方式的基本接口? 8.3.3单级中断 8.3.4多级中断 8.3.5Pentium中断机制 8.3.1中断的概念、功能?? 中断(Interrupt)是指CPU暂时中止现行程序,转去处理随机发生的紧急事件,处理完后自动返回原程序的功能和技术。中断系统是计算机实现中断功能的软硬件总称。一般在CPU中设置中断机构,在外设接口中设置中断控制器,在软件上设置相应的中断服务程序。 8.3 程序中断方式 中断处理过程如图: 图8.3 中断处理示意图 8.3.1中断的概念、功能 中断系统的功能包括: (1)实现主机和外设的并行工作; (2)处理故障; (3)实现多道程序和分时操作; (4)实时控制; (5)实现人机联系; (6)实现多机通信。 8.3.1中断的概念、功能 中断源:能够向CPU发出中断请求的事件。常见中断源有: 输入、输出设备中断。如键盘、打印机等工作过程中已做好接收或发送准备。 数据
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