文章目錄

• • • 1 I/O接口
    • • 1.1 接口定義
      • 1.2 I/O接口的功能（以單總線為例）
      • 1.3 I/O接口的基本結構
      • 1.4 接口與端口
      • 1.5 I/O端口及其編址
      • 1.6 I/O接口的類型
      • 1.7 I/O接口小結
    • 2 I/O方式
    • • 2.1 I/O方式1-程序查詢方式
      • • 2.1.1 程序查詢方式流程圖
        • 2.1.2 程序查詢方式接口
        • 2.1.3 程序查詢方式-例題
      • 2.2 I/O方式2-程序中斷方式
      • • 2.2.1 程序中斷方式
        • 2.2.2 程序中斷方式-例題
        • 2.2.3 程序中斷方式小結
      • 2.3 I/O方式3-DMA方式
      • • 2.3.1 DMA控制器
        • 2.3.2 DMA控制器結構
        • 2.3.3 DMA傳送過程
        • 2.3.4 DMA傳送方式
        • 2.3.5 DMA方式的特點
        • 2.3.6 DMA方式與中斷方式比較
        • 2.3.7 例題：CPU占用情況
        • 2.3.8 DMA方式小結

1 I/O接口

1.1 接口定義

接口可以看作是兩個部件之間的交接部分。

1.2 I/O接口的功能（以單總線為例）

I/O接口（l/O控制器）是主機和外設之間的交接界面，通過接口可以實現主機和外設之間的信息交換。

接口的功能（要解決的問題）

實現主機和外設的通信聯絡控制

進行地址譯碼和設備選擇

實現數據緩沖

信號格式的轉換

傳送控制命令和狀態信息

接口的功能（具體操作）

設備選址

傳送命令

傳送數據

反映I/O設備的工作狀態

1.3 I/O接口的基本結構

內部接口：內部接口與系統總線相連，實質上是與內存、CPU相連。數據的傳輸方式只能是并行傳輸。
外部接口：外部接口通過接口電纜與外設相連，外部接口的數據傳輸可能是串行方式，因此I/O接口需具有串/并轉換功能。

CPU同外設之間的信息傳送實質是對接口中的某些寄存器（即端口）進行讀或寫

1.4 接口與端口

I/O端口是指接口電路中可以被CPU直接訪問的寄存器。

如何訪問I/O端口？

I/O端口要想能夠被CPU訪問，必須要有端口地址，每一個端口都對應著一個端口地址。

1.5 I/O端口及其編址

統一編址

把I/O端口當做存儲器的單元進行地址分配，用統一的訪存指令就可以訪問I/O端口，又稱存儲器映射方式。

CPU靠不同的地址碼區分內存和I/O設備，I/O地址要求相對固定在地址的某部分。

如系統總線中地址線共10根，則可以訪問的存儲單元個數為2¹⁰=1024個，假設要給10個l/O端口編址：

（1）0–9表示I/O地址，10–1023為主存單元地址
（2）0–1013表示主存單元地址，1014–1023為I/O地址
（3）10–19表示I/O地址，0–9、20–1023為主存單元地址

I/O編址連續，不可間斷

優點：不需要專門的輸入/輸出指令，可使CPU訪問l/O的操作更靈活、更方便，還可使端口有較大的編址空間。
缺點：端口占用了存儲器地址，使內存容量變小，而且，利用存儲器編址的I/O設備進行數據輸入/輸出操作，執行速度較慢。

獨立編址

I/O端口地址與存儲器地址無關，獨立編址CPU需要設置專門的輸入/輸出指令訪問端口，又稱I/O映射方式。

CPU靠不同的指令區分內存和I/O設備。

優點：輸入/輸出指令與存儲器指令有明顯區別，程序編制清晰，便于理解。
缺點：輸入/輸出指令少，一般只能對端口進行傳送操作，尤其需要CPU提供存儲器讀/寫、I/O設備讀/寫兩組控制信號，增加了控制的復雜性。

1.6 I/O接口的類型

按數據傳送方式可分為

并行接口：一個字節或一個字所有位同時傳送。
串行接口：一位一位地傳送。

注：這里所說的數據傳送方式指的是外設和接口一側的傳送方式，而在主機和接口一側，數據總是并行傳送的。接口要完成數據格式轉換。

按主機訪問I/O設備的控制方式可分為

程序查詢接口
中斷接口
DMA接口

按功能選擇的靈活性可分為

可編程接口
不可編程接口

1.7 I/O接口小結

2 I/O方式

2.1 I/O方式1-程序查詢方式

2.1.1 程序查詢方式流程圖

優點：接口設計簡單、設備量少。
缺點：CPU在信息傳送過程中要花費很多時間用于查詢和等待，而且在一段時間內只能和一臺外設交換信息，效率大大降低。

2.1.2 程序查詢方式接口

程序查詢方式數據傳送是發生在CPU寄存器和I/O接口的數據緩沖寄存器之間，交換的單位是一個字

2.1.3 程序查詢方式-例題

在程序查詢方式的輸入/輸出系統中，假設不考慮處理時間，每一個查詢操作需要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，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據，即每32位被CPU查詢一次，傳輸率為2×2²⁰B/s。求CPU對這兩個設備查詢所花費的時間比率，由此可得出什么結論？

時間的角度：

一個時鐘周期為 1 / 50MHz = 20ns
一個查詢操作耗時 100×20ns = 2000ns
（1）鼠標

每秒查詢鼠標耗時 30×2000ns = 60000ns
查詢鼠標所花費的時間比率 = 60000ns / 1s = 0.006%
對鼠標的查詢基本不影響CPU的性能

（2）硬盤

每32位需要查詢一次，每秒傳送 2×2²⁰B
每秒需要查詢（2×2²⁰B）/ 32 = 2¹⁹次
查詢硬盤耗時 2¹⁹×2000ns = 512×1024×2000ns = 1.05×10⁹ns（近似值）
查詢硬盤所花費的時間比率=（1.05×10⁹ns）/ 1s = 105%

得出的結論：CPU將全部時間都用于對硬盤的查詢也不能滿足磁盤傳輸的要求

頻率的角度：

CPU的時鐘頻率為50MHz，即每秒50×10⁵個時鐘周期
（1）鼠標

每秒查詢鼠標占用的時鐘周期數 30×100 = 3000
查詢鼠標所花費的時間比率= 3000 /（50×10⁵）= 0.006%
對鼠標的查詢基本不影響CPU的性能

（2）硬盤
每秒需要查詢（2×2²⁰B）/ 32=2¹⁹次
每秒查詢硬盤占用的時鐘周期數 2¹⁹×100 = 5.24×10⁷（近似值）
查詢硬盤所花費的時間比率=（5.24×10⁷）/（50×10⁶）=105%

得出的結論：CPU將全部時間都用于對硬盤的查詢也不能滿足磁盤傳輸的要求

2.2 I/O方式2-程序中斷方式

程序中斷的作用如下：

實現CPU與I/O設備的并行工作。

處理硬件故障和軟件錯誤。

實現人機交互，用戶干預機器需要用到中斷系統。

實現多道程序、分時操作，多道程序的切換需借助于中斷系統。

實時處理需要借助中斷系統來實現快速響應。

實現應用程序和操作系統（管態程序）的切換，稱為“軟中斷”。

多處理器系統中各處理器之間的信息交流和任務切換。

2.2.1 程序中斷方式

2.2.2 程序中斷方式-例題

假定CPU主頻為50MHz，CPI為4。設備D采用異步串行通信方式向主機傳送7位ASClI 字符，通信規程中有1位奇校驗位和1位停止位，從D接收啟動命令到字符送入l/0端口需要0.5ms。請回答下列問題，要求說明理由。
（1）每傳送一個字符，在異步串行通信線上共需傳輸多少位？在設備D持續工作過程中，每秒鐘最多可向l/O端口送入多少個字符？

至少包含1位起始位和1位停止位，停止位可能有多位。

每傳送一個字符需要傳送1位起始位、7位數據位、1位校驗位、1位停止位，共需傳送10位。
每0.5ms可送入1個字符
每秒可送入1s / 0.5ms = 2000個字符

（2）設備D采用中斷方式進行輸入/輸出，示意圖如下：

I/O端口每收到一個字符申請一次中斷，中斷響應需10個時鐘周期，中斷服務程序共有20條指令，其中第15條指令啟動D工作。若CPU需從D讀取1000個字符，則完成這一任務所需時間大約是多少個時鐘周期？CPU用于完成這一任務的時間大約是多少個時鐘周期？在中斷響應階段CPU進行了哪些操作？

• 主頻50MHz，時鐘周期為1 / 50MHz = 20ns
  0.5ms對應時鐘周期數為0.5ms / 20ns = 25000（統一單位ms→時鐘周期）
  傳送1個字符需要的時鐘周期數為 25000+10+15×4 = 25070（CPI=4，對應的含義是每條指令執行的時鐘周期是4，CPI即每條指令執行的時鐘周期數）
• 傳送1000個字符需要的時鐘周期數為 25070×1000 = 25070000
  CPU用于該任務的時間大約為 1000×（10+20×4）= 9×10⁴個時鐘周期
• 中斷響應階段就是中斷隱指令：

關中斷

保存斷點（PC）

引出中斷服務程序

2.2.3 程序中斷方式小結

2.3 I/O方式3-DMA方式

2.3.1 DMA控制器

每準備好一個數據都要中斷CPU，由CPU運行中斷服務程序來完成一次傳送
磁盤機、磁帶機等高速設備需要大批量的數據傳送→CPU大量時間用于中斷服務由硬件實現控制大批量的數據傳送→DMA控制器

在DMA方式中，當I/O設備需要進行數據傳送時，通過DMA控制器（DMA接口）向CPU提出DMA傳送請求，CPU響應之后將讓出系統總線，由DMA控制器接管總線進行數據傳送。其主要功能有：

接受外設發出的DMA請求，并向CPU發出總線請求。

CPU響應此總線請求，發出總線響應信號，接管總線控制權，進入DMA操作周期。

確定傳送數據的主存單元地址及長度，并能自動修改主存地址計數和傳送長度計數。

規定數據在主存和外設間的傳送方向，發出讀寫等控制信號，執行數據傳送操作。

向CPU報告DMA操作的結束。

1 2 是傳送前DMA控制器提供的功能；3 4 是傳送時DMA控制器提供的功能；5 是傳送后DMA控制器提供的功能

2.3.2 DMA控制器結構

注：在DMA傳送過程中，DMA控制器將接管CPU的地址總線、數據總線和控制總線，CPU的主存控制信號被禁止使用。而當DMA傳送結束后，將恢復CPU的一切權利并開始執行其操作。

2.3.3 DMA傳送過程

數據傳送過程：

上面兩個圖合并：

2.3.4 DMA傳送方式

主存和DMA控制器之間有一條數據通路，因此主存和I/O設備之間交換信息時，不通過CPU。但當l/O設備和CPU同時訪問主存時，可能發生沖突，為了有效地使用主存，DMA控制器與CPU通常采用以下3種方法使用主存。

停止CPU訪問主存

控制簡單
CPU處于不工作狀態或保持狀態
未充分發揮CPU對主存的利用率

DMA與CPU交替訪存

不需要總線使用權的申請、建立和歸還過程
硬件邏輯更為復雜

周期挪用（周期竊取）

DMA訪問主存有三種可能：

CPU此時不訪存（不沖突）
CPU正在訪存（存取周期結束讓出總線）
CPU與DMA同時請求訪存（l/O訪存優先）

2.3.5 DMA方式的特點

主存和DMA接口之間有一條直接數據通路。
由于DMA方式傳送數據不需要經過CPU，因此不必中斷現行程序，l/O與主機并行工作，程序和傳送并行工作。

DMA方式具有下列特點：

它使主存與CPU的固定聯系脫鉤，主存既可被CPU訪問，又可被外設訪問。

在數據塊傳送時，主存地址的確定、傳送數據的計數等都由硬件電路直接實現。

主存中要開辟專用緩沖區，及時供給和接收外設的數據。

DMA傳送速度快，CPU和外設并行工作，提高了系統效率。

DMA在傳送開始前要通過程序進行預處理，結束后要通過中斷方式進行后處理。

2.3.6 DMA方式與中斷方式比較

2.3.7 例題：CPU占用情況

某計算機的CPU主頻為500MHz，CPI為5（即執行每條指令平均需5個時鐘周期）。假定某外設的數據傳輸率為0.5MB/s，采用中斷方式與主機進行數據傳送，以32位為傳輸單位，對應的中斷服務程序包含18條指令，中斷服務的其他開銷相當于2條指令的執行時間。請回答下列問題，要求給出計算過程。
（1）在中斷方式下，CPU用于該外設1/0的時間占整個CPU時間的百分比是多少？

中斷方式下占用CPU是中斷服務程序和中斷隱指令階段

每傳送一次數據，占用CPU的時間為（18+2）×5 = 100個時鐘周期
外設準備32位的數據需要的時間為 32bit ÷ 0.5MB/s = 8×10^-6s
每秒可準備的數據個數為 1s ÷ 8×10^-6 = 125000個
即每秒需中斷的次數為125000次
每秒傳送次數=外設數據傳輸率 / 傳輸單位
則1s內用于處理中斷的時鐘周期數（開銷）為 125000×100 = 12.5M個
故CPU用于外設I/O 的時間占整個CPU時間的百分比為 12.5M ÷ 500M = 2.5%

（2）當該外設的數據傳輸率達到5MB/s時，改用DMA方式傳送數據。假定每次DMA傳送塊大小為5000B，且DMA預處理和后處理的總開銷為500個時鐘周期，則CPU用于該外設l/0的時間占整個CPU時間的百分比是多少？
（假設DMA與CPU之間沒有訪存沖突）

當外設數據傳輸率提高到5MB/s時改用DMA方式傳送，每次DMA傳送一個數據塊，大小為5000B，則1s內需產生的DMA次數為 5MB÷5000B = 1000次
CPU用于DMA處理的總開銷為 1000×500 = 0.5M
一個時鐘周期CPU用于外設I/O的時間占整個CPU時間的百分比為 0.5M / 500M = 0.1%
采用中斷方式時，若外設速度達到5MB/s，則故CPU用于外設I/O的時間占整個CPU時間的百分比25%

2.3.8 DMA方式小結

總結

以上是生活随笔為你收集整理的13 计算机组成原理第七章 输入/输出系统 I/O方式 I/O接口的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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