计算机组成原理 第七章 I/O系统

I/O系统

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CPU如何控制键盘I/O的完成？

\[\begin{align} &I/O控制方式 \begin{cases} &程序查询方式\\ &程序中断方式\\ &DMA控制方式\\ \end{cases} \end{align} \]

I/O硬件

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程序查询方式

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程序中断方式

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DMA控制方式

DMA控制器与主存每次传送1个字，当传送完一整块数据后才向CPU发送中断请求

通道控制方式

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通道是具有特殊功能的处理器，能对I/O设备进行统一的管理，通道可以识别并执行一系列通道指令，通过指令种类、功能通常比较单一

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I/O软件

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总结

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外部设备

\[\begin{align} &外部设备 &\begin{cases}&输入设备\\&输出设备\\&外存设备\\\end{cases}\\ \end{align} \]

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输入设备

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输出设备

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总结

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外存储器

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一次只能读/写1bit数据，且不能同时读写

磁盘存储器

磁盘设备的组成

存储区域

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硬盘存储器

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磁盘的性能指标
磁盘的容量

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记录密度

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平均存取时间

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数据传输率

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\[\begin{align} 假设磁盘转数为r(转/秒)，每条磁道容量为N个字节，则数据传输率为D_r=rN \end{align} \]

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磁盘地址

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磁盘的工作过程

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磁盘阵列

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RAID0&RAID1

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RAID2

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RAID3&RAID4&RAID5

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RAID通过同时使用多个磁盘，提高传输率；通过多个磁盘上并行存取来大幅度提高存储系统的数据吞吐量；通过镜像功能，可以提高安全可靠性；通过数据校验，可以提高容错能力

光盘存储器

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固态硬盘

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总结

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I/O接口

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I/O接口的作用

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数据缓冲寄存器

状态/控制寄存器

（1）发命令：发送命令字到I/O控制寄存器，向设备发送命令（需要驱动程序的协助）

（2）读状态：从状态寄存器读取状态字，获得设备或I/O控制器的状态信息

（3）读/写数据：从数据缓冲器发送或读取数据，完成主机与外设的数据交换

如何确定要操作的设备？

每个设备对应一组寄存器，操作不同的寄存器就是在操作不同的设备

I/O端口及其编址

统一编址

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独立编址

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I/O接口类型

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总结

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I/O方式

程序查询方式

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例题

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\[\begin{align} &时间角度：\\ &一个时钟周期为\frac{1}{50MHZ}=20ns\\ &一个查询操作时间100*20ns=2000ns\\ &(1)鼠标\\ &每次查询鼠标耗时30*2000ns=60000ns\\ &查询鼠标所花费的时间比率=\frac{60000ns}{1s}=0.006\%\\ &(2)硬盘\\ &每32位需要查询一次，每秒传送2*2^{20}B\\ &每秒需要查询\frac{2*2^{20}B}{4B}=2^{19}次\\ &查询硬盘耗时2^{19}*2000ns=1.05*10^9ns\\ &查询硬盘所花费的时间比率\frac{1.05*10^9ns}{1s}=105\%\\ &结论：CPU将全部时间都用于硬盘查询也不能满足磁盘传输的要求 \end{align} \]

程序中断方式

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中断

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中断方式

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中断请求标记

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中断判优

硬件排队器&查询程序

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优先级设置

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处理过程

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中断隐指令（一系列的指令）

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硬件向量法（二级指针【向量地址-----入口地址】）

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中断服务程序

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总结：中断处理过程

单重中断

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多重中断（中断嵌套）

单重中断&多重中断

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中断屏蔽技术

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例题

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总结

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程序中断方式

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例题

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\[\begin{align} &（1）数据位7位，1位校验位，1位起始位，1位终止位，共需传送10位\\ &每秒钟可送\frac{1}{0.5ms}=2000个字符\\ &（2）主频50MHZ,时钟周期为\frac{1}{50MHZ}=20ns\\ &0.5ms对应的周期数为\frac{0.5ms}{20ns}=25000\\ &传送1个字符需要的时钟周期数为25000+10+15*4=25070\\ &传送1000个字符需要的时钟周期为25070*1000=25070000 \end{align} \]

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\[\begin{align} &(3)CPU用于该任务的时间大约为1000*(10+20*4)=9*10^4个时钟周期\\ &(4)中断隐指令：\begin{cases}&1.关中断\\&2.保存断点(PC)\\&3.引出中断服务程序\\\end{cases}\\ \end{align} \]

总结

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DMA方式

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DMA控制器

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DMA传送过程

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DMA方式的特点

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DMA传送方式

停止CPU访问主存

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DMA与CPU交替访存

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周期挪用（周期窃取）

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DMA方式&中断方式

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总结

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posted on 2021-08-06 18:25  blueskylabor  阅读(141)  评论(0)    收藏  举报