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

1 I/O接口

1.1 接口定义

接口可以看作是两个部件之间的交接部分。

1.2 I/O接口的功能（以单总线为例）

I/O接口（l/O控制器）是主机和外设之间的交接界面，通过接口可以实现主机和外设之间的信息交换。

接口的功能（要解决的问题）

1. 实现主机和外设的通信联络控制
2. 进行地址译码和设备选择
3. 实现数据缓冲
4. 信号格式的转换
5. 传送控制命令和状态信息

接口的功能（具体操作）

1. 设备选址
2. 传送命令
3. 传送数据
4. 反映I/O设备的工作状态

1.3 I/O接口的基本结构

内部接口：内部接口与系统总线相连，实质上是与内存、CPU相连。数据的传输方式只能是并行传输。
外部接口：外部接口通过接口电缆与外设相连，外部接口的数据传输可能是串行方式，因此I/O接口需具有串/并转换功能。

CPU同外设之间的信息传送实质是对接口中的某些寄存器（即端口）进行读或写

1.4 接口与端口

I/O端口是指接口电路中可以被CPU直接访问的寄存器。

如何访问I/O端口？

I/O端口要想能够被CPU访问，必须要有端口地址，每一个端口都对应着一个端口地址。

1.5 I/O端口及其编址

1. 统一编址
   
   把I/O端口当做存储器的单元进行地址分配，用统一的访存指令就可以访问I/O端口，又称存储器映射方式。

CPU靠不同的地址码区分内存和I/O设备，I/O地址要求相对固定在地址的某部分。

如系统总线中地址线共10根，则可以访问的存储单元个数为2¹⁰=1024个，假设要给10个l/O端口编址：

（1）0–9表示I/O地址，10–1023为主存单元地址
（2）0–1013表示主存单元地址，1014–1023为I/O地址
（3）10–19表示I/O地址，0–9、20–1023为主存单元地址

I/O编址连续，不可间断

优点：不需要专门的输入/输出指令，可使CPU访问l/O的操作更灵活、更方便，还可使端口有较大的编址空间。
缺点：端口占用了存储器地址，使内存容量变小，而且，利用存储器编址的I/O设备进行数据输入/输出操作，执行速度较慢。

2. 独立编址
   
   I/O端口地址与存储器地址无关，独立编址CPU需要设置专门的输入/输出指令访问端口，又称I/O映射方式。

CPU靠不同的指令区分内存和I/O设备。

优点：输入/输出指令与存储器指令有明显区别，程序编制清晰，便于理解。
缺点：输入/输出指令少，一般只能对端口进行传送操作，尤其需要CPU提供存储器读/写、I/O设备读/写两组控制信号，增加了控制的复杂性。

1.6 I/O接口的类型

按数据传送方式可分为

并行接口：一个字节或一个字所有位同时传送。
串行接口：一位一位地传送。

注：这里所说的数据传送方式指的是外设和接口一侧的传送方式，而在主机和接口一侧，数据总是并行传送的。接口要完成数据格式转换。

按主机访问I/O设备的控制方式可分为

程序查询接口
中断接口
DMA接口

按功能选择的灵活性可分为

可编程接口
不可编程接口

1.7 I/O接口小结

2 I/O方式

2.1 I/O方式1-程序查询方式

2.1.1 程序查询方式流程图

优点：接口设计简单、设备量少。
缺点：CPU在信息传送过程中要花费很多时间用于查询和等待，而且在一段时间内只能和一台外设交换信息，效率大大降低。

2.1.2 程序查询方式接口

程序查询方式数据传送是发生在CPU寄存器和I/O接口的数据缓冲寄存器之间，交换的单位是一个字

2.1.3 程序查询方式-例题

在程序查询方式的输入/输出系统中，假设不考虑处理时间，每一个查询操作需要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，而且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2×2²⁰B/s。求CPU对这两个设备查询所花费的时间比率，由此可得出什么结论？

时间的角度：

一个时钟周期为 1 / 50MHz = 20ns
一个查询操作耗时 100×20ns = 2000ns
（1）鼠标

每秒查询鼠标耗时 30×2000ns = 60000ns
查询鼠标所花费的时间比率 = 60000ns / 1s = 0.006%
对鼠标的查询基本不影响CPU的性能

（2）硬盘

每32位需要查询一次，每秒传送 2×2²⁰B
每秒需要查询（2×2²⁰B）/ 32 = 2¹⁹次
查询硬盘耗时 2¹⁹×2000ns = 512×1024×2000ns = 1.05×10⁹ns（近似值）
查询硬盘所花费的时间比率=（1.05×10⁹ns）/ 1s = 105%

得出的结论：CPU将全部时间都用于对硬盘的查询也不能满足磁盘传输的要求

频率的角度：

CPU的时钟频率为50MHz，即每秒50×10⁵个时钟周期
（1）鼠标

每秒查询鼠标占用的时钟周期数 30×100 = 3000
查询鼠标所花费的时间比率= 3000 /（50×10⁵）= 0.006%
对鼠标的查询基本不影响CPU的性能

（2）硬盘
每秒需要查询（2×2²⁰B）/ 32=2¹⁹次
每秒查询硬盘占用的时钟周期数 2¹⁹×100 = 5.24×10⁷（近似值）
查询硬盘所花费的时间比率=（5.24×10⁷）/（50×10⁶）=105%

得出的结论：CPU将全部时间都用于对硬盘的查询也不能满足磁盘传输的要求

2.2 I/O方式2-程序中断方式

程序中断的作用如下：

1. 实现CPU与I/O设备的并行工作。
2. 处理硬件故障和软件错误。
3. 实现人机交互，用户干预机器需要用到中断系统。
4. 实现多道程序、分时操作，多道程序的切换需借助于中断系统。
5. 实时处理需要借助中断系统来实现快速响应。
6. 实现应用程序和操作系统（管态程序）的切换，称为“软中断”。
7. 多处理器系统中各处理器之间的信息交流和任务切换。

2.2.1 程序中断方式

2.2.2 程序中断方式-例题

假定CPU主频为50MHz，CPI为4。设备D采用异步串行通信方式向主机传送7位ASClI 字符，通信规程中有1位奇校验位和1位停止位，从D接收启动命令到字符送入l/0端口需要0.5ms。请回答下列问题，要求说明理由。
（1）每传送一个字符，在异步串行通信线上共需传输多少位？在设备D持续工作过程中，每秒钟最多可向l/O端口送入多少个字符？

至少包含1位起始位和1位停止位，停止位可能有多位。

每传送一个字符需要传送1位起始位、7位数据位、1位校验位、1位停止位，共需传送10位。
每0.5ms可送入1个字符
每秒可送入1s / 0.5ms = 2000个字符

（2）设备D采用中断方式进行输入/输出，示意图如下：

I/O端口每收到一个字符申请一次中断，中断响应需10个时钟周期，中断服务程序共有20条指令，其中第15条指令启动D工作。若CPU需从D读取1000个字符，则完成这一任务所需时间大约是多少个时钟周期？CPU用于完成这一任务的时间大约是多少个时钟周期？在中断响应阶段CPU进行了哪些操作？

• 主频50MHz，时钟周期为1 / 50MHz = 20ns
  0.5ms对应时钟周期数为0.5ms / 20ns = 25000（统一单位ms→时钟周期）
  传送1个字符需要的时钟周期数为 25000+10+15×4 = 25070（CPI=4，对应的含义是每条指令执行的时钟周期是4，CPI即每条指令执行的时钟周期数）
• 传送1000个字符需要的时钟周期数为 25070×1000 = 25070000
  CPU用于该任务的时间大约为 1000×（10+20×4）= 9×10⁴个时钟周期
• 中断响应阶段就是中断隐指令：

1. 关中断
2. 保存断点（PC）
3. 引出中断服务程序

2.2.3 程序中断方式小结

2.3 I/O方式3-DMA方式

2.3.1 DMA控制器

每准备好一个数据都要中断CPU，由CPU运行中断服务程序来完成一次传送
磁盘机、磁带机等高速设备需要大批量的数据传送→CPU大量时间用于中断服务由硬件实现控制大批量的数据传送→DMA控制器

在DMA方式中，当I/O设备需要进行数据传送时，通过DMA控制器（DMA接口）向CPU提出DMA传送请求，CPU响应之后将让出系统总线，由DMA控制器接管总线进行数据传送。其主要功能有：

1. 接受外设发出的DMA请求，并向CPU发出总线请求。
2. CPU响应此总线请求，发出总线响应信号，接管总线控制权，进入DMA操作周期。
3. 确定传送数据的主存单元地址及长度，并能自动修改主存地址计数和传送长度计数。
4. 规定数据在主存和外设间的传送方向，发出读写等控制信号，执行数据传送操作。
5. 向CPU报告DMA操作的结束。

1 2 是传送前DMA控制器提供的功能；3 4 是传送时DMA控制器提供的功能；5 是传送后DMA控制器提供的功能

2.3.2 DMA控制器结构

注：在DMA传送过程中，DMA控制器将接管CPU的地址总线、数据总线和控制总线，CPU的主存控制信号被禁止使用。而当DMA传送结束后，将恢复CPU的一切权利并开始执行其操作。

2.3.3 DMA传送过程

数据传送过程：

上面两个图合并：

2.3.4 DMA传送方式

主存和DMA控制器之间有一条数据通路，因此主存和I/O设备之间交换信息时，不通过CPU。但当l/O设备和CPU同时访问主存时，可能发生冲突，为了有效地使用主存，DMA控制器与CPU通常采用以下3种方法使用主存。

1. 停止CPU访问主存

控制简单
CPU处于不工作状态或保持状态
未充分发挥CPU对主存的利用率

2. DMA与CPU交替访存

不需要总线使用权的申请、建立和归还过程
硬件逻辑更为复杂

3. 周期挪用（周期窃取）

DMA访问主存有三种可能：

CPU此时不访存（不冲突）
CPU正在访存（存取周期结束让出总线）
CPU与DMA同时请求访存（l/O访存优先）

2.3.5 DMA方式的特点

主存和DMA接口之间有一条直接数据通路。
由于DMA方式传送数据不需要经过CPU，因此不必中断现行程序，l/O与主机并行工作，程序和传送并行工作。

DMA方式具有下列特点：

1. 它使主存与CPU的固定联系脱钩，主存既可被CPU访问，又可被外设访问。
2. 在数据块传送时，主存地址的确定、传送数据的计数等都由硬件电路直接实现。
3. 主存中要开辟专用缓冲区，及时供给和接收外设的数据。
4. DMA传送速度快，CPU和外设并行工作，提高了系统效率。
5. DMA在传送开始前要通过程序进行预处理，结束后要通过中断方式进行后处理。

2.3.6 DMA方式与中断方式比较

2.3.7 例题：CPU占用情况

某计算机的CPU主频为500MHz，CPI为5（即执行每条指令平均需5个时钟周期）。假定某外设的数据传输率为0.5MB/s，采用中断方式与主机进行数据传送，以32位为传输单位，对应的中断服务程序包含18条指令，中断服务的其他开销相当于2条指令的执行时间。请回答下列问题，要求给出计算过程。
（1）在中断方式下，CPU用于该外设1/0的时间占整个CPU时间的百分比是多少？

中断方式下占用CPU是中断服务程序和中断隐指令阶段

每传送一次数据，占用CPU的时间为（18+2）×5 = 100个时钟周期
外设准备32位的数据需要的时间为 32bit ÷ 0.5MB/s = 8×10^-6s
每秒可准备的数据个数为 1s ÷ 8×10^-6 = 125000个
即每秒需中断的次数为125000次
每秒传送次数=外设数据传输率 / 传输单位
则1s内用于处理中断的时钟周期数（开销）为 125000×100 = 12.5M个
故CPU用于外设I/O 的时间占整个CPU时间的百分比为 12.5M ÷ 500M = 2.5%

（2）当该外设的数据传输率达到5MB/s时，改用DMA方式传送数据。假定每次DMA传送块大小为5000B，且DMA预处理和后处理的总开销为500个时钟周期，则CPU用于该外设l/0的时间占整个CPU时间的百分比是多少？
（假设DMA与CPU之间没有访存冲突）

当外设数据传输率提高到5MB/s时改用DMA方式传送，每次DMA传送一个数据块，大小为5000B，则1s内需产生的DMA次数为 5MB÷5000B = 1000次
CPU用于DMA处理的总开销为 1000×500 = 0.5M
一个时钟周期CPU用于外设I/O的时间占整个CPU时间的百分比为 0.5M / 500M = 0.1%
采用中断方式时，若外设速度达到5MB/s，则故CPU用于外设I/O的时间占整个CPU时间的百分比25%

2.3.8 DMA方式小结