第10講-第5章 輸入輸出系統(tǒng)(5.1-5.2)

《計算機組成原理》

第10講

第5章輸入輸出系統(tǒng)（5.1-5.2）主講人：李淑芝第5章輸入輸出系統(tǒng)5.6DMA方式5.5程序中斷方式5.4程序查詢方式5.3I/O接口5.2外部設(shè)備5.1概述本課學(xué)習(xí)教學(xué)目標：了解輸入輸出系統(tǒng)的發(fā)展和組成，掌握I/O設(shè)備與主機的聯(lián)系方式與信息傳送控制方式；了解常見I/O設(shè)備的組成和工作原理。重點：I/O設(shè)備與主機的聯(lián)系方式與信息傳送控制方式。難點：選擇采用中斷方式或DMA方式的理由。教學(xué)要求復(fù)習(xí)舊課計算機中的數(shù)據(jù)怎么樣才能“永久性”保存呢？

引入新課數(shù)據(jù)是如何輸入到存儲器？又是怎樣從存儲器輸出的？

5.1概述5.1.1

輸入輸出系統(tǒng)的發(fā)展概況（1）早期分散連接CPU和I/O串行工作程序查詢方式（2）接口模塊和DMA階段總線連接CPU和I/O并行工作（3）具有通道結(jié)構(gòu)的階段（4）具有I/O處理機的階段中斷方式DMA方式I/O設(shè)備與主存交換信息通過CPU5.1.2

輸入輸出系統(tǒng)的組成（1）I/O軟件I/O指令通道指令CPU指令的一部分通道自身的指令指出數(shù)組的首地址、傳送字數(shù)、操作命令如IBM/370通道指令為64位（2）I/O硬件設(shè)備I/O接口設(shè)備設(shè)備控制器通道操作碼命令碼設(shè)備碼5.1概述5.1.3

I/O與主機的聯(lián)系方式（1）I/O編址方式統(tǒng)一編址不統(tǒng)一編址用取數(shù)、存數(shù)指令有專門的I/O指令（2）設(shè)備選址用設(shè)備選擇電路識別是否被選中（3）傳送方式串行并行5.1概述（4）聯(lián)絡(luò)方式立即響應(yīng)異步工作采用應(yīng)答信號

“Ready”“Strobe”I/O接口I/O設(shè)備CPU并行5.1.3

I/O與主機的聯(lián)系方式5.1概述數(shù)據(jù)字命令字命令字01101000起始位終止位9.09ms2×

9.09ms同步工作采用同步時標串行起始位終止位9.09ms2×

9.09ms（4）聯(lián)絡(luò)方式異步工作采用應(yīng)答信號

5.1.3

I/O與主機的聯(lián)系方式5.1概述（5）I/O與主機的連接方式輻射式連接總線連接外設(shè)Ⅰ外設(shè)Ⅱ外設(shè)Ⅲ主機不便于增刪設(shè)備每臺設(shè)備都配有一套控制線路和一組信號線便于增刪設(shè)備5.1.3

I/O與主機的聯(lián)系方式5.1概述5.1.4信息傳送控制（1）程序查詢方式CPU和I/O串行工作踏步等待CPU讀I/O狀態(tài)檢查狀態(tài)未準備就緒出錯從I/O接口中讀一個字到CPU從CPU向主存寫入一個字CPU向I/O發(fā)讀指令CPU讀I/O狀態(tài)檢查狀態(tài)完成否未準備就緒現(xiàn)行程序是出錯已準備就緒否5.1概述現(xiàn)行程序解：①CPU每秒對鼠標進行30次查詢，所需的時鐘周期數(shù)為：100×30

=3000②對于硬盤，每32位被CPU查詢一次，故每秒查詢：2MB/4B=512K次，則每秒查詢的時鐘周期數(shù)為：例5.1

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，每一次查詢操作需要100個時鐘周期，CPU的時鐘頻率為50MHz?，F(xiàn)有鼠標和硬盤兩個設(shè)備，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2MBps。求CPU對這兩個設(shè)備查詢所花費的時間比率，可得出什么結(jié)論？CPU時鐘頻率為50MHz，即每秒50×106個時鐘周期，故對鼠標的查詢占用CPU的時間比率為：[3000/(50×106)]×100%=0.006%，故對鼠標的查詢基本不影響CPU性能。100×512×1024=52.4×106，故對硬盤的查詢占用CPU的時間比為：[(52.4×106)/(50×106)×100%=105%，CPU將全部時間用于對硬盤的查詢也不夠，故其不用程序查詢方式。（2）程序中斷方式I/O工作CPU不查詢CPU暫?，F(xiàn)行程序自身準備與主機交換信息CPU和I/O并行工作

啟動I/O現(xiàn)行程序

………中斷服務(wù)程序KK+1…沒有踏步等待現(xiàn)象中斷現(xiàn)行程序5.1.4信息傳送控制5.1概述程序中斷方式流程CPU向I/O發(fā)讀指令CPU讀I/O狀態(tài)檢查狀態(tài)完成否？CPU做其他事情I/O設(shè)備工作準備就緒CPUI/O從CPU向主存寫入一個字CPU主存從I/O接口中讀一個字到CPUI/OCPU中斷請求I/OCPU出錯是否未錯（3）DMA方式主存和I/O之間有一條直接數(shù)據(jù)通道不中斷現(xiàn)行程序周期挪用（周期竊?。〤PU和I/O并行工作存取周期結(jié)束CPU執(zhí)行現(xiàn)行程序CPU執(zhí)行現(xiàn)行程序DMA請求啟動I/OI/O準備I/O準備一個存取周期實現(xiàn)I/O與主存的傳送5.1.4信息傳送控制三種方式的CPU工作效率比較存取周期結(jié)束CPU執(zhí)行現(xiàn)行程序CPU執(zhí)行現(xiàn)行程序DMA請求啟動I/OI/O準備I/O準備一個存取周期實現(xiàn)I/O與主存之間的傳送CPU

執(zhí)行現(xiàn)行程序CPU查詢等待并傳輸I/O數(shù)據(jù)CPU

執(zhí)行現(xiàn)行程序啟動I/OI/O準備及傳送指令執(zhí)行周期結(jié)束CPU執(zhí)行現(xiàn)行程序CPU執(zhí)行現(xiàn)行程序啟動I/O中斷請求I/O準備I/O準備CPU處理中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)I/O與主機之間的傳送間斷啟動I/O啟動I/OI/O準備中斷請求啟動I/OI/O準備一個存取周期DMA請求程序查詢方式程序中斷方式DMA方式I/O準備及傳送5.2外部設(shè)備5.2.1概述外部設(shè)備大致分三類：鍵盤鼠標打印機顯示器磁盤光盤磁帶5.2.2輸入設(shè)備（1）鍵盤（2）鼠標（3）觸摸屏按鍵判斷哪個鍵按下將此鍵翻譯成ASCII碼（編碼鍵盤法）（1）人機交互設(shè)備（2）計算機信息駐留設(shè)備（3）機—機通信設(shè)備調(diào)制解調(diào)器等機械式、光電式（1）顯示器字符顯示圖形顯示圖像顯示字符發(fā)生器主觀圖像客觀圖像（2）打印機擊打式非擊打式點陣式（逐字、逐行）噴墨（逐字）激光（逐頁）5.2外部設(shè)備5.2.3輸出設(shè)備問題1：什么是顯示存儲器（刷新存儲器）？其容量與什么因素有關(guān)？全國碩士研究生入學(xué)考試題：假定一臺計算機的顯示存儲器用DRAM芯片實現(xiàn)，若要求顯示分辨率為1600*1200，顏色深度為24位，幀頻為85Hz，顯示總帶寬的50%用來刷新屏幕，則需要的顯存總帶寬至少約為：A．245MbpsB．979MbpsC．1958MbpsD．7834Mbps答案：D5.2.4其他（1）A/D、D/A（2）終端（3）漢字處理5.2.5多媒體技術(shù)完成顯示控制與存儲鍵盤管理及通信控制模擬/數(shù)字（數(shù)字/模擬）轉(zhuǎn)換器漢字輸入、漢字存儲、漢字輸出（1）什么是多媒體（2）多媒體計算機的關(guān)鍵技術(shù)由鍵盤和顯示器組成5.2外部設(shè)備問題2：漢字處理設(shè)備工作原理？問題3：多媒體計算機涉及哪些關(guān)鍵技術(shù)？課堂練習(xí)題：1.下述I/O控制方式中，主要由程序?qū)崿F(xiàn)的是

______。A.PPU（外圍處理機）方式B.中斷方式C.DMA方式D.通道方式答案：B2.當(dāng)采用______對設(shè)備進行編址情況下，不需要專門的I/O指令組。A.統(tǒng)一編址法B.單獨編址法C.兩者都是D.兩者都不是答案：A3.下面敘述中，______是正確的。A.總線一定要和接口相連B.接口一定要和總線相連C.通道可以替代接口D.總線始終由CPU控制和管理答案：B課堂練習(xí)題：4.在微型機系統(tǒng)中,外圍設(shè)備通過______與主板的系統(tǒng)總線相連接。A.適配器B.設(shè)備控制器C.計數(shù)器D.寄存器答案：A5.帶有處理器的設(shè)備一般稱為______設(shè)備。A.智能化B.交互式C.遠程通信D.過程控制答案：A課堂練習(xí)題：6.計算機的外圍設(shè)備是指______。A．輸入/輸出設(shè)備B．外存儲器C．遠程通信設(shè)備D．除了CPU和內(nèi)存以外的其它設(shè)備答案：D7.CRT的顏色數(shù)為256色，則刷新存儲器每個單元的字長是______。A．256位B．16位C．8位D．7位答案：C課堂練習(xí)題：8.某刷新存儲器所需的帶寬為160MB/S。實際工作時，顯示適配器的幾個功能部分要爭用刷存的帶寬。假定總帶寬的50%用于刷新屏幕，保留50%帶寬用于其他非刷新功能。問刷存總帶寬應(yīng)為多少？為達到這樣的刷存帶寬，應(yīng)采