第10讲-第5章 输入输出系统(5.1-5.2)

《计算机组成原理》

第10讲

第5章输入输出系统（5.1-5.2）主讲人：李淑芝第5章输入输出系统5.6DMA方式5.5程序中断方式5.4程序查询方式5.3I/O接口5.2外部设备5.1概述本课学习教学目标：了解输入输出系统的发展和组成，掌握I/O设备与主机的联系方式与信息传送控制方式；了解常见I/O设备的组成和工作原理。重点：I/O设备与主机的联系方式与信息传送控制方式。难点：选择采用中断方式或DMA方式的理由。教学要求复习旧课计算机中的数据怎么样才能“永久性”保存呢？

引入新课数据是如何输入到存储器？又是怎样从存储器输出的？

5.1概述5.1.1

输入输出系统的发展概况（1）早期分散连接CPU和I/O串行工作程序查询方式（2）接口模块和DMA阶段总线连接CPU和I/O并行工作（3）具有通道结构的阶段（4）具有I/O处理机的阶段中断方式DMA方式I/O设备与主存交换信息通过CPU5.1.2

输入输出系统的组成（1）I/O软件I/O指令通道指令CPU指令的一部分通道自身的指令指出数组的首地址、传送字数、操作命令如IBM/370通道指令为64位（2）I/O硬件设备I/O接口设备设备控制器通道操作码命令码设备码5.1概述5.1.3

I/O与主机的联系方式（1）I/O编址方式统一编址不统一编址用取数、存数指令有专门的I/O指令（2）设备选址用设备选择电路识别是否被选中（3）传送方式串行并行5.1概述（4）联络方式立即响应异步工作采用应答信号

“Ready”“Strobe”I/O接口I/O设备CPU并行5.1.3

I/O与主机的联系方式5.1概述数据字命令字命令字01101000起始位终止位9.09ms2×

9.09ms同步工作采用同步时标串行起始位终止位9.09ms2×

9.09ms（4）联络方式异步工作采用应答信号

5.1.3

I/O与主机的联系方式5.1概述（5）I/O与主机的连接方式辐射式连接总线连接外设Ⅰ外设Ⅱ外设Ⅲ主机不便于增删设备每台设备都配有一套控制线路和一组信号线便于增删设备5.1.3

I/O与主机的联系方式5.1概述5.1.4信息传送控制（1）程序查询方式CPU和I/O串行工作踏步等待CPU读I/O状态检查状态未准备就绪出错从I/O接口中读一个字到CPU从CPU向主存写入一个字CPU向I/O发读指令CPU读I/O状态检查状态完成否未准备就绪现行程序是出错已准备就绪否5.1概述现行程序解：①CPU每秒对鼠标进行30次查询，所需的时钟周期数为：100×30

=3000②对于硬盘，每32位被CPU查询一次，故每秒查询：2MB/4B=512K次，则每秒查询的时钟周期数为：例5.1

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，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，可得出什么结论？CPU时钟频率为50MHz，即每秒50×106个时钟周期，故对鼠标的查询占用CPU的时间比率为：[3000/(50×106)]×100%=0.006%，故对鼠标的查询基本不影响CPU性能。100×512×1024=52.4×106，故对硬盘的查询占用CPU的时间比为：[(52.4×106)/(50×106)×100%=105%，CPU将全部时间用于对硬盘的查询也不够，故其不用程序查询方式。（2）程序中断方式I/O工作CPU不查询CPU暂停现行程序自身准备与主机交换信息CPU和I/O并行工作

启动I/O现行程序

………中断服务程序KK+1…没有踏步等待现象中断现行程序5.1.4信息传送控制5.1概述程序中断方式流程CPU向I/O发读指令CPU读I/O状态检查状态完成否？CPU做其他事情I/O设备工作准备就绪CPUI/O从CPU向主存写入一个字CPU主存从I/O接口中读一个字到CPUI/OCPU中断请求I/OCPU出错是否未错（3）DMA方式主存和I/O之间有一条直接数据通道不中断现行程序周期挪用（周期窃取）CPU和I/O并行工作存取周期结束CPU执行现行程序CPU执行现行程序DMA请求启动I/OI/O准备I/O准备一个存取周期实现I/O与主存的传送5.1.4信息传送控制三种方式的CPU工作效率比较存取周期结束CPU执行现行程序CPU执行现行程序DMA请求启动I/OI/O准备I/O准备一个存取周期实现I/O与主存之间的传送CPU

执行现行程序CPU查询等待并传输I/O数据CPU

执行现行程序启动I/OI/O准备及传送指令执行周期结束CPU执行现行程序CPU执行现行程序启动I/O中断请求I/O准备I/O准备CPU处理中断服务程序实现I/O与主机之间的传送间断启动I/O启动I/OI/O准备中断请求启动I/OI/O准备一个存取周期DMA请求程序查询方式程序中断方式DMA方式I/O准备及传送5.2外部设备5.2.1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5.2.2输入设备（1）键盘（2）鼠标（3）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）（1）人机交互设备（2）计算机信息驻留设备（3）机—机通信设备调制解调器等机械式、光电式（1）显示器字符显示图形显示图像显示字符发生器主观图像客观图像（2）打印机击打式非击打式点阵式（逐字、逐行）喷墨（逐字）激光（逐页）5.2外部设备5.2.3输出设备问题1：什么是显示存储器（刷新存储器）？其容量与什么因素有关？全国硕士研究生入学考试题：假定一台计算机的显示存储器用DRAM芯片实现，若要求显示分辨率为1600*1200，颜色深度为24位，帧频为85Hz，显示总带宽的50%用来刷新屏幕，则需要的显存总带宽至少约为：A．245MbpsB．979MbpsC．1958MbpsD．7834Mbps答案：D5.2.4其他（1）A/D、D/A（2）终端（3）汉字处理5.2.5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（1）什么是多媒体（2）多媒体计算机的关键技术由键盘和显示器组成5.2外部设备问题2：汉字处理设备工作原理？问题3：多媒体计算机涉及哪些关键技术？课堂练习题：1.下述I/O控制方式中，主要由程序实现的是

______。A.PPU（外围处理机）方式B.中断方式C.DMA方式D.通道方式答案：B2.当采用______对设备进行编址情况下，不需要专门的I/O指令组。A.统一编址法B.单独编址法C.两者都是D.两者都不是答案：A3.下面叙述中，______是正确的。A.总线一定要和接口相连B.接口一定要和总线相连C.通道可以替代接口D.总线始终由CPU控制和管理答案：B课堂练习题：4.在微型机系统中,外围设备通过______与主板的系统总线相连接。A.适配器B.设备控制器C.计数器D.寄存器答案：A5.带有处理器的设备一般称为______设备。A.智能化B.交互式C.远程通信D.过程控制答案：A课堂练习题：6.计算机的外围设备是指______。A．输入/输出设备B．外存储器C．远程通信设备D．除了CPU和内存以外的其它设备答案：D7.CRT的颜色数为256色，则刷新存储器每个单元的字长是______。A．256位B．16位C．8位D．7位答案：C课堂练习题：8.某刷新存储器所需的带宽为160MB/S。实际工作时，显示适配器的几个功能部分要争用刷存的带宽。假定总带宽的50%用于刷新屏幕，保留50%带宽用于其他非刷新功能。问刷存总带宽应为多少？为达到这样的刷存带宽，应采