《計算機組成原理》第五章知識點

1、知識點1、輸入輸出系統(tǒng)的組成：I/O軟件(I/O指令、通道指令)、I/O硬件2、I/O 設(shè)備與主機的聯(lián)系方式： I/O 設(shè)備編址方式、設(shè)備尋址、傳送方式、聯(lián)絡(luò)方式、 I/O 設(shè)備與主機的連接方式I/O設(shè)備編址方式：統(tǒng)一編址：將I/O地址看做是存儲器地址的一部分，用取數(shù)、存數(shù)指令不統(tǒng)一編址：I/O地址和存儲器地址是分開的，所有I/O設(shè)備的訪問必須有專 門的I/O指令設(shè)備尋址可由I/O指令的設(shè)備碼字段直接指出該設(shè)備的設(shè)備號。通過接口電路中的 設(shè)備選擇電路，便可選中要交換信息的設(shè)備。傳送方式：并行、串行聯(lián)絡(luò)方式：立即響應(yīng)方式：用于一些工作速度十分緩慢的I/O設(shè)備異步工作采用應(yīng)答信號聯(lián)絡(luò)：用于I/O設(shè)

2、備與主機工作速度不匹配時。同步工作采用同步時標聯(lián)絡(luò)：要求I/O設(shè)備與CPU工作的速度完全同步。3、I/O 設(shè)備與主機的連接方式輻射式連接方式：要求每臺I/O設(shè)備都有一套控制線路和一組信號線，因此所用器 件和連線較多，對I/O設(shè)備的增刪比較困難總線連接方式：便于增刪設(shè)備，被大多數(shù)現(xiàn)代計算機所采用4、I/O 設(shè)備與主機信息傳送的控制方式程序查詢方式：是由CPU通過程序不斷查詢I/O設(shè)為被是否已經(jīng)做好準備，從而控 制I/O設(shè)備與主機交換信息。要求I/O接口內(nèi)設(shè)置一個能反映I/O設(shè)備是否準備就 緒的狀態(tài)標記，CPU通過對此標記的檢測，可得知I/O設(shè)備的準備情況，從而終止 了原程序的執(zhí)行。CPU反復(fù)查詢

3、的過程猶如就地“踏步”。(串行)CPU工作效率 不高。程序中斷方式：CPU在啟動I/O設(shè)備后，不查詢設(shè)備是否已經(jīng)準備就緒，繼續(xù)執(zhí)行 自身程序，只是當I/O設(shè)備準備就緒并向CPU提出中斷請求后才予以響應(yīng)，大大提 高了淳樸的工作效率。CPU執(zhí)行程序與I/O設(shè)備做好準備是同時進行的，CPU資源 得到了充分的利用。DMA 方式(直接存儲器存取方式：主存與 I/O 設(shè)備之間有一條數(shù)據(jù)通路，交換信 息是，無須調(diào)用中斷服務(wù)程序。DMA和CPU同時訪問主存，CPU將總線占有權(quán)讓 給DMA(竊取或挪用)。竊取的時間一般為一個存取周期(周期竊取或周期挪用)。 傳輸速率僅受內(nèi)存訪問時間的限制，完全在硬件執(zhí)行的/O方

4、式。5、接口和端口接口：若干個端口加上相應(yīng)的控制邏輯才能組成接口。端口：是指接口電路中的一些寄存器，這些寄存器分別用來尋訪數(shù)據(jù)信息、控制信 息和狀態(tài)信息，相應(yīng)的端口分別稱為數(shù)據(jù)端口、控制端口、狀態(tài)端口。6、接口的功能：選址功能設(shè)備選擇線傳送命令的功能命令線。命令寄存器、命令譯碼器傳送數(shù)據(jù)的功能數(shù)據(jù)緩沖寄存器:暫存I/O設(shè)備與主機準備交換的信息，與I/O 總線中的數(shù)據(jù)線是相連的。有串并行轉(zhuǎn)換能力。反應(yīng)I/O設(shè)備工作狀態(tài)的功能狀態(tài)標志觸發(fā)器。與I/O總線中的狀態(tài)線相連7、在程序查詢方式的輸入輸出系統(tǒng)中，假設(shè)不考慮處理時間，每一個查詢操作需要100個 時鐘周期，CPU的時鐘頻率為50 MHz。現(xiàn)有鼠

5、標和硬盤兩個設(shè)備，而且CPU必須每秒對鼠 標進行30次查詢，硬盤以32位字長為單位傳輸數(shù)據(jù)，即每32位被CPU查詢一次，傳輸率 為2 MB/S。求CPU對這兩個設(shè)備查詢所花費的時間比率，由此可得出什么結(jié)論？ 解: (1)CPU每秒對鼠標進行30次查詢，所需的時鐘周期數(shù)為100 X 30=3000根據(jù)CPU的時鐘頻率為50MHz，即每秒50X106個時鐘周期,故對鼠標的查詢占用CPU 的時間比率為 3000 /(50X106) X 100% = 0.006 %可見，對鼠標的查詢基本不影響CPU的性能。(2) 對于硬盤,每 32 位被 CPU 查詢一次,故每秒查詢2MB/4B = 512 K 次則

6、每秒查詢的時鐘周期數(shù)為100 X 512 X 1024 = 52.4 X10P故對磁盤的查詢占用CPU的時間比率為(52.4X106)/(50X106) X 100% = 105 %可見，即使CPU將全部時間都用于對硬盤的查詢也不能滿足磁盤傳輸?shù)囊笠虼薈PU 一 般不采用程序查詢方式與磁盤交換信息。8、CPU 響應(yīng)中斷的條件和時間： 條件：必須滿足成CPU中的允許中斷觸發(fā)器EINT為“1”。該觸發(fā)器可用開指令 置位(開中斷)，可用關(guān)指令置位或硬件自動使其復(fù)位(關(guān)中斷)。(2) I/O設(shè)備準備就緒的時間(即D=1)是隨機的，而CPU是在統(tǒng)一的時刻(煤體哦啊 指令執(zhí)行階段結(jié)束前)向接口發(fā)中斷查詢

7、信號，以獲取I/O的中斷請求。因此，CPU 響應(yīng)中斷的時間一定是在每條指令執(zhí)行階段的結(jié)束時刻。9、程序中斷服務(wù)流程：保護現(xiàn)場、中斷服務(wù)(設(shè)備服務(wù))、回復(fù)現(xiàn)場、中斷返回10、單重中斷和多重中斷單重中斷：不允許中斷現(xiàn)行的中斷服務(wù)程序CPU在執(zhí)行中斷服務(wù)程序時，對新的 中斷請求不予理睬。多重中斷：允許優(yōu)先級更高的中斷源。 CPU 在執(zhí)行中斷服務(wù)程序時，出現(xiàn)新的中斷 請求，暫停現(xiàn)行的中斷服務(wù)程序，專區(qū)處理新的中斷請求。區(qū)別：主要在于“開中斷”的設(shè)置時間不同。11、DMA方式的特點：停止CPU訪問主存、周期挪用(周期竊取)、DMA與CPU交替訪問。12、DMA接口的功能：向CPU申請DMA工作在CPU允

8、許DMA工作時hi,處理總線控制權(quán)的轉(zhuǎn)交在DMA期間管理系統(tǒng)總線，控制數(shù)據(jù)傳送確定數(shù)據(jù)傳送的起始地址和數(shù)據(jù)長度，修正數(shù)據(jù)傳送過程中的數(shù)據(jù)地址和數(shù)據(jù)長度在數(shù)據(jù)塊傳送結(jié)束時，給出DMA操作完成的信號。13、DMA傳送過程：預(yù)處理、數(shù)據(jù)傳送、后處理14、一個DMA接口可采用周期竊取方式把字符傳送到存儲器，它支持的最大批量為400個 字節(jié)。若存取周期為0. 2 p s,每處理一次中斷需5p s,現(xiàn)有的字符設(shè)備的傳輸率為9 600 bps。假設(shè)字符之間的傳輸是無間隙的，試問DMA方式每秒因數(shù)據(jù)傳輸占用處理器多少時 間？如果完全采用中斷方式，又需占處理器多少時間？解：根據(jù)字符設(shè)備的傳輸率為9 600 bp

9、s，則每秒能傳輸9600/8 =1200B (1200 個字符)若采用DMA方式，傳送1200個字符共需1200個存取周期，考慮到每傳400個字符需 中斷處理一次，一次DMA方式每秒因數(shù)據(jù)傳輸占用處理器的時間是0.1p s*1200 + 5p s(1200/400)=135p s 若采用中斷方式，每傳送一個字符需要申請一次中斷請求，每秒因數(shù)據(jù)傳輸占用處理器 的時間是：5 p s*1200=6000 p s15、假設(shè)磁盤采用DMA方式與主機交換信息，其傳輸速率為2MB/S,而且DMA的預(yù)處理需 1000個時鐘周期，DMA完成傳輸后處理中斷需500個時鐘周期。如果平均傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度 為4KB，試問

10、在硬盤工作時，50MHZ的處理器需用多少時間比率進行DMA輔助操作(預(yù)處 理和后處理)？解：法一：傳送4KB的數(shù)據(jù)長度需時4KB/2MB/S=0.002S=2000p s每傳送 4KB 數(shù)據(jù)的預(yù)處理和后處理時間(1000+500)*(1/50MhZ)=30p s傳送 4KB 數(shù)據(jù)所需總時間為2000p s+30p s=2030p s1 秒鐘可以執(zhí)行 1s/2030p s=493 次傳送故 DMA 輔助操作暫用 CPU 的時間比率為(1000+500) *493/50MHZ=1.48%法二：DMA傳送過程包括預(yù)處理、數(shù)據(jù)傳送和后處理3個階段。傳送4KB的數(shù)據(jù)長度 需(4KB)/(2MBps) = 0.002S =2000p s如果磁盤不斷進行傳輸，每秒所需DMA輔助操作的時鐘周期數(shù)為(1000 + 500) /0.002s=750000故 DMA 輔助操作暫用 CPU 的時間比率為750000/(5