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第5章 输入输出系统_10.ppt

第5章 输入输出系统_10

红色狂飙
2010-12-05 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《第5章 输入输出系统_10ppt》,可适用于高等教育领域

第5章输入输出系统第5章输入输出系统DMA方式程序中断方式程序查询方式IO接口外部设备概述教学内容   输入输出系统是人机对话和人机交互的纽带和桥梁。由于输入输出设备工作速度与计算机主机的工作速度极不匹配为此既要考虑到输入输出设备工作的准确可靠又要充分挖掘主机的工作效率。重点主机与IO交换的三种控制方式即程序查询、程序中断和DMA以及它们各自所需的硬件及软件支持。难点处理IO中断的各类软、硬件技术的运用 DMA与主存交换数据的三种方法各自的特点 周期窃取的含义 CPU响应中断请求和DMA请求的时间概述概述一、输入输出系统的发展概况早期分散连接CPU和IO设备串行工作程序查询方式接口模块和DMA阶段总线连接CPU和IO设备并行工作具有通道结构的阶段具有IO处理机的阶段中断方式DMA方式通道:负责IO设备以及实现主存与IO设备之间交换信息的部件可以视为特殊的处理器。又称外围处理机。独立于主机工作既可完成IO控制又可完成码制变换、格式处理、数据块检错、纠错等操作。具有IO处理机的输入输出系统与CPU工作的并行性更高。二、输入输出系统的组成IO软件CPU指令的一部分通道自身的指令用来执行IO操作。指出数组的首地址、传送字数、操作命令如:IBM通道指令为位IO硬件设备IO接口设备设备控制器通道  具有通道指令的计算机一旦CPU执行了启动IO设备的指令就由通道来代替CPU对IO设备的管理。三、IO设备与主机的联系方式IO设备编址方式()统一编址()不统一编址  将IO地址看做是存储器地址的一部分用取数、存数指令访问IO地址区域。有专门的IO指令设备寻址通过接口电路中的设备选择电路识别是否被选中。传送方式()串行()并行联络方式()立即响应-只要CPU的IO指令一到立即响应。()异步工作采用应答信号()同步工作采用同步时标并行(IO与CPU双方设定一组联络信息)串行(IO与CPU双方设定一组特殊标记)用于工作速率缓慢的IO设备。用于IO设备与主机工作速度不匹配用于IO设备与CPU工作速度完全同步IO设备与主机的连接方式()辐射式连接()总线连接不便于增删设备便于增删设备四、IO设备与主机信息传送的控制方式程序查询方式CPU和IO串行工作踏步等待CPU从某一IO设备读数据块至主存 只要一启动IO设备CPU便不断查询IO设备的准备情况从而终止了原程序的执行。 程序中断方式IO工作 CPU不查询 CPU暂停现行程序CPU和IO并行工作程序中断方式流程:CPU向IO发读指令CPU读IO状态检查状态完成否?准备就绪DMA方式主存和IO之间有一条直接数据通道--DMA接口 不中断现行程序周期挪用(周期窃取)CPU和IO并行工作 高速IO和CPU同时访问主存时CPU必须将总线占有权让给DMA接口使用DMA这种占有称为窃取或挪用。三种方式的CPU工作效率比较(P)程序查询方式程序中断方式DMA方式IO设备IO设备一、概述外部设备大致分三类:键盘、鼠标、打印机、显示器磁盘、光盘、磁带人机交互设备计算机信息存储设备调制解调器等二、输入设备(完成输入程序、数据和操作命令等功能)键盘鼠标触摸屏按键判断哪个键按下将此键翻译成ASCII码(编码键盘法)机械式金属球电位器光电式光电转换器三、输出设备显示器字符发生器主观图像(由计算机用一定的算法形成有点、线、面、阴影等)客观图像(来自客观世界的景色、照片等)打印机点阵式(逐字、逐行)喷墨(逐字)激光(逐页)四、其他AD、DA终端汉字处理五、多媒体技术完成显示控制与存储、键盘管理及通信控制模拟数字(数字模拟)转换器汉字输入、汉字存储、汉字输出什么是多媒体?多媒体计算机的关键技术由键盘和显示器组成  视频和音频数据的压缩与解压缩技术、多媒体专用芯片、大容量存储器、多媒体技术的软件。媒体:信息传递和存储的最基本的技术和手段。IO接口IO接口一、概述为什么要设置接口?实现设备的选择实现数据缓冲达到速度匹配实现电平转换传送控制命令反映设备的状态(“忙”、“就绪”、“中断请求”)两种硬设备之间的连接电路或两个软件之间的共同逻辑界面。注意:端口(port)与接口(interface)的区别。Port:指interface电路中的寄存器。若干个port相应的控制逻辑组成interface二、接口的功能和组成总线连接方式的IO接口电路接口的功能和组成功能组成选址功能传送命令的功能传送数据的功能反映设备状态的功能设备选择电路命令寄存器、命令译码器数据缓冲寄存器设备状态标记完成触发器D工作触发器B中断请求触发器INTR屏蔽触发器MASK 通过相应的触发器完成IO接口的基本组成三、接口类型按数据传送方式分类按功能选择的灵活性分类按通用性分类按数据传送的控制方式分类程序查询方式程序查询方式一、程序查询流程查询流程单个设备多个设备测试指令转移指令传送指令程序流程设置主存缓冲区首址设置计数值启动外设传送一个数据修改主存地址修改计数值结束IO传送保存寄存器内容二、程序查询方式的接口电路以输入为例例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个查询操作需要个时钟周期CPU的时钟频率为MHz。现有鼠标和硬盘两个设备而且CPU必须每秒对鼠标进行次查询硬盘以位字长为单位传输数据即每位被CPU查询一次传输率为MBps。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?例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个查询操作需要个时钟周期CPU的时钟频率为MHz。现有鼠标和硬盘两个设备而且CPU必须每秒对鼠标进行次查询硬盘以位字长为单位传输数据即每位被CPU查询一次传输率为MBps。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?解:()CPU每秒对鼠标进行次查询所需的时钟周期数为:×=根据CPU的时钟频率为MHz即每秒×个时钟周期故对鼠标的查询占用CPU的时间比率为:(×)×=可见对鼠标的查询基本不影响CPU的性能。()对于硬盘每位被CPU查询一次故每秒查询:MBB=K次则每秒查询的时钟周期数为:××=×故对磁盘的查询占用CPU的时间比率为(×)(×)×=可见即使CPU将全部时间都用于对硬盘的查询也不能满足磁盘传输的要求因此CPU一般不采用程序查询方式与磁盘交换信息。程序中断方式程序中断方式一、中断的概念…KKQQ…… 中断:在计算机执行程序的过程中当出现异常情况或特殊情况时计算机停止现行程序的运行转向对这些异常情况或特殊请求的处理处理结束后再返回到现行程序的间断处继续执行原程序。二、IO中断的产生以打印机为例CPU与打印机并行工作三、程序中断方式的接口电路配置中断请求触发器和中断屏蔽触发器INTR中断请求触发器INTR=有请求MASK中断屏蔽触发器MASK=被屏蔽来自CPU的中断查询信号受设备本身控制D完成触发器D=(设备准备就绪)MASK=(设备未屏蔽)INTR=排队器排队在CPU内或在接口电路中(链式排队器)硬件软件详见第八章设备#、#、#、#优先级按降序排列中断向量地址形成部件入口地址设备编码器详见第八章注意:向量地址--存放中断服务程序入口地址的存储单元的地址由硬件产生。中断服务程序的入口地址中断服务程序首地址由软件产生。联系:由中断向量地址可以寻找到中断服务程序的入口地址中断向量是中断服务程序的入口地址的指示器。程序中断方式接口电路的基本组成四、IO中断处理过程CPU响应中断的条件和时间()条件()时间允许中断触发器EINT=用开中断指令将EINT置“”用关中断指令将EINT置“”或硬件自动复位当D=(随机)且MASK=时在每条指令执行阶段的结束前CPU发中断查询信号(将INTR置“”)IO中断处理过程DBR设备选择电路以输入为例五、中断服务程序流程中断服务程序的流程()保护现场()中断服务()恢复现场()中断返回对不同的IO设备具有不同内容的设备服务中断返回指令单重中断和多重中断不允许中断现行的中断服务程序中断隐指令完成进栈指令出栈指令单重中断和多重中断的服务程序流程中断隐指令中断隐指令单重多重程序中断接口芯片A的内部结构主程序和服务程序抢占CPU示意图宏观上CPU和IO并行工作微观上CPU中断现行程序为IO服务DMA方式DMA方式一、DMA方式的特点DMA和程序中断两种方式的数据通路DMA与主存交换数据的三种方式()停止CPU访问主存控制简单CPU处于不工作状态或保持状态未充分发挥CPU对主存的利用率()周期挪用(或周期窃取)DMA访问主存有三种可能CPU此时不访存CPU正在访存CPU与DMA同时请求访存此时CPU将总线控制权让给DMA()DMA与CPU交替访问CPU工作周期所有指令执行过程中的一个基准时间不需要申请建立和归还总线的使用权二、DMA接口的功能和组成DMA接口功能()向CPU申请DMA传送()处理总线控制权的转交()管理系统总线、控制数据传送()确定数据传送的首地址和长度()DMA传送结束时给出操作完成信号修正传送过程中的数据地址和长度DMA接口组成三、DMA的工作过程DMA传送过程预处理、数据传送、后处理()预处理通过几条输入输出指令预置如下信息通知DMA控制逻辑传送方向(入出)CPU()DMA传送过程示意()数据传送过程(输入)()数据传送过程(输出)()后处理校验送入主存的数是否正确是否继续用DMA测试传送过程是否正确错则转诊断程序由中断服务程序完成DMA接口与系统的连接方式()具有公共请求线的DMA请求()独立的DMA请求DMA方式与程序中断方式的比较()数据传送()响应时间()处理异常情况()中断请求()优先级程序硬件指令执行结束存取周期结束能不能低高传送数据后处理四、DMA接口的类型选择型在物理上连接多个设备在逻辑上只允许连接一个设备多路型在物理上连接多个设备在逻辑上允许连接多个设备同时工作多路型DMA接口的工作原理例一个DMA接口可采用周期窃取方式把字符传送到存储器它支持的最大批量为个字节。若存取周期为ns每处理一次中断需μs现有的字符设备的传输率为bps。假设字符之间的传输是无间隙的若忽略预处理所需的时间试问采用DMA方式每秒因数据传输需占用处理器多少时间?如果完全采用中断方式又需占处理器多少时间?解:  根据字符设备的传输率为bps得每秒能传输:     =B即个字符   若采用DMA方式传送个字符共需个存取周期考虑到每传个字符需中断处理一次因此DMA方式每秒因数据传输占用处理器的时间是:  μs×μs×()=μs 若采用中断方式每传送一个字符要申请一次中断请求每秒因数据传输占用处理器的时间是:μs×=μs例假设磁盘采用DMA方式与主机交换信息其传输速率为MBps而且DMA的预处理需个时钟周期DMA完成传送后处理中断需个时钟周期。如果平均传输的数据长度为KB试问在硬盘工作时MHz的处理器需用多少时间比率进行DMA辅助操作(预处理和后处理)。解:  DMA传送过程包括预处理、数据传送和后处理三个阶段。传送KB的数据长度需:(KB)(MBps)=s  如果磁盘不断进行传输每秒所需DMA辅助操作的时钟周期数为:   ()=   故DMA辅助操作占用CPU的时间比率为   (×)×=选择题选择题一.下述(    )种情况会提出中断请求。A.产生存储周期窃取  B.在键盘输入过程中每按一次键C.两数相加结果为   D.两数比较时二.中断向量地址是(   )。A.子程序入口地址   B.中断服务程序入口地址  C.中断服务程序入口地址的地址   D.以上都不是三.DMA访问主存时向CPU发出请求获得总线使用权时再进行访存这种情况称为(  )。A.停止CPU访问主存 B.DMA与CPU交替访问  C.中断 D.周期挪用四.采用DMA方式传送数据时每传送一个数据要占用(   )的时间。A.一个指令周期 B.一个机器周期 C.一个存储周期 D.一个时钟周期五.某计算机的IO设备采用异步串行传送方式传送字符信息字符信息的格式为:一位起始位、七位数据位、一位检验位、一位停止位。若要求每秒传送个字符那么该IO设备听数据传送速率应为(    )bps(位秒)。A.    B.    C.   D.六.以串行接口对ASCII码进行传送带一位奇校验位和两位停止位当波特率为波特时字符传送率为(    )字符秒。A.B.C.D.研(分)某计算机的CPU主频为HZCPI为(执行每条指令需要个时钟周期)。假定某外设的数据传输率为MBS,采用中断方式与主机进行数据传送以位为传输单位对应的中断服务程序包含条指令中断服务的其他开销相当于条指令的执行时间要求给出计算过程。()在中断方式下CPU用于该外设IO的时间占整个CPU时间的百分比是多少?()当该外设的数据传输率达到MBs时改为DMA方式传送数据。假定每次DMA传送块大小为B且DMA预处理和后处理的总开销为个时钟周期则CPU用于该处设IO的时间占整个CPU时间的百分比是多少?(假设DMA与CPU之间没有访存冲突)

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