第10講-第5章 輸入輸出系統(5.1-5.2)

《計算機組成原理》

第10講

第5章輸入輸出系統（5.1-5.2）主講人：李淑芝第5章輸入輸出系統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外部設備5.1概述本課學習教學目標：了解輸入輸出系統的發展和組成，掌握I/O設備與主機的聯系方式與信息傳送控制方式；了解常見I/O設備的組成和工作原理。重點：I/O設備與主機的聯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。教學要求復習舊課計算機中的數據怎么樣才能“永久性”保存呢？

引入新課數據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

輸入輸出系統的發展概況（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）具有通道結構的階段（4）具有I/O處理機的階段中斷方式DMA方式I/O設備與主存交換信息通過CPU5.1.2

輸入輸出系統的組成（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組的首地址、傳送字數、操作命令如IBM/370通道指令為64位（2）I/O硬件設備I/O接口設備設備控制器通道操作碼命令碼設備碼5.1概述5.1.3

I/O與主機的聯系方式（1）I/O編址方式統一編址不統一編址用取數、存數指令有專門的I/O指令（2）設備選址用設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）聯絡方式立即響應異步工作采用應答信號

“Ready”“Strobe”I/O接口I/O設備CPU并行5.1.3

I/O與主機的聯系方式5.1概述數據字命令字命令字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）聯絡方式異步工作采用應答信號

5.1.3

I/O與主機的聯系方式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Ⅰ外設Ⅱ外設Ⅲ主機不便于增刪設備每臺設備都配有一套控制線路和一組信號線便于增刪設備5.1.3

I/O與主機的聯系方式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狀態檢查狀態未準備就緒出錯從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發讀指令CPU讀I/O狀態檢查狀態完成否未準備就緒現行程序是出錯已準備就緒否5.1概述現行程序解：①CPU每秒對鼠標進行30次查詢，所需的時鐘周期數為：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為：例5.1

在程序查詢方式的輸入輸出系統中，假設不考慮處理時間，每一次查詢操作需要100個時鐘周期，CPU的時鐘頻率為50MHz。現有鼠標和硬盤兩個設備，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據，即每32位被CPU查詢一次，傳輸率為2MBps。求CPU對這兩個設備查詢所花費的時間比率，可得出什么結論？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暫停現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現行程序

………中斷服務程序KK+1…沒有踏步等待現象中斷現行程序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發讀指令CPU讀I/O狀態檢查狀態完成否？CPU做其他事情I/O設備工作準備就緒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之間有一條直接數據通道不中斷現行程序周期挪用（周期竊取）CPU和I/O并行工作存取周期結束CPU執行現行程序CPU執行現行程序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束CPU執行現行程序CPU執行現行程序DMA請求啟動I/OI/O準備I/O準備一個存取周期實現I/O與主存之間的傳送CPU

執行現行程序CPU查詢等待并傳輸I/O數據CPU

執行現行程序啟動I/OI/O準備及傳送指令執行周期結束CPU執行現行程序CPU執行現行程序啟動I/O中斷請求I/O準備I/O準備CPU處理中斷服務程序實現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外部設備5.2.1概述外部設備大致分三類：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）人機交互設備（2）計算機信息駐留設備（3）機—機通信設備調制解調器等機械式、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外部設備5.2.3輸出設備問題1：什么是顯示存儲器（刷新存儲器）？其容量與什么因素有關？全國碩士研究生入學考試題：假定一臺計算機的顯示存儲器用DRAM芯片實現，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多媒體技術完成顯示控制與存儲鍵盤管理及通信控制模擬/數字（數字/模擬）轉換器漢字輸入、漢字存儲、漢字輸出（1）什么是多媒體（2）多媒體計算機的關鍵技術由鍵盤和顯示器組成5.2外部設備問題2：漢字處理設備工作原理？問題3：多媒體計算機涉及哪些關鍵技術？課堂練習題：1.下述I/O控制方式中，主要由程序實現的是

______。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.當采用______對設備進行編址情況下，不需要專門的I/O指令組。A.統一編址法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課堂練習題：4.在微型機系統中,外圍設備通過______與主板的系統總線相連接。A.適配器B.設備控制器C.計數器D.寄存器答案：A5.帶有處理器的設備一般稱為______設備。A.智能化B.交互式C.遠程通信D.過程控制答案：A課堂練習題：6.計算機的外圍設備是指______。A．輸入/輸出設備B．外存儲器C．遠程通信設備D．除了CPU和內存以外的其它設備答案：D7.CRT的顏色數為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。問刷存總帶寬應為多少？為達到這樣的刷存帶寬，應采