第三章总线、中断与输入输出.pdf

第3章 总线、中断与输入输出系统 3.1 输入输出系统概述 1. 输入/输出系统简称I/O系统 包括： •I/O设备(如键盘、磁盘、打印机) •I/O设备与处理机的连接（设备控制器） (1)数据如何传送(并行或串行，传输速率) (2)对外设如何控制(如程序控制、DMA、I/O 处理机) •与输入输出操作有关的软、硬件 2. I/O系统的基本任务： 完成与外部系统的信息交换。 是Von Neumann结构计算机系统的四大组成部分 之一。 3. 几个与I/O有关的问题 (1) 对系统性能的影响 CPU速度再提高，如果无相适应的I/O系统的话， 将无多大意义。 (2) 不同系统中I/O的差异 不同类型系统(微机、工作站、大型机、巨型机) 的CPU速度差异正在缩小，差异更多来自于I/O系统。 (3) I/O系统的设计问题与CPU设计遇到的问题不同 成本、性能和容量 容量包括： (1)能和哪些不同类型的I/O设备相兼容 (2)能带多少个I/O设备。 例6.1 假设一台计算机的I/O处理占10％，当其 CPU性能改进，而I/O性能保持不变时，系统总体性 能会出现什么变化？ •如果CPU的性能提高10倍 •如果CPU的性能提高100倍 解：假设原来的程序执行时间为1个单位时间。 如果CPU的性能提高10倍，程序的计算（包含I/O处 理）时间为： (1 - 10%)/10 + 10% = 0.19 即整机性能只能提高约5倍，差不多有50％的 CPU性能浪费在I/O上。 如果CPU性能提高100倍，程序的计算时间为： (1 - 10%)/100 + 10% = 0.109 而整机性能只能提高约10倍，表示有90％的性能 浪费在没有改进的I/O上了。 3.2 总 线 优点：低成本、多样性、灵活性 缺点：必须独占使用，造成了设备信息交换的 瓶颈，从而限制了系统中总的I/O吞吐量。 3.2.1 总线分类 1. 按允许信息传送的方向分类 （1）单向传输总线 （2）双向传输总线 2．按用法分类 （1）专用总线 （2 ）非专用总线 3 ．按用途分类 (1) CPU-存储器总线 CPU-存储器总线比较短，具有较高的速度， 并且要和存储器系统的速度匹配来优化带宽。 (2) I/O总线 I/O总线比较长，并且还应遵循总线标准。 4. 按设备定时方式分类 (1) 同步总线 同步总线上所有设备通过统一的总线系统 时钟进行同步。 优点：成本低，因为它不需要设备之间互相确 定时序的逻辑。 缺点：总线操作必须以相同的速度运行。 (2) 异步总线 异步总线上的设备之间没有统一的系统时 钟，设备自己内部定时。 3.3.2 总线基本工作原理 三个常用的参数： T ：总线信号传输延迟。即在总线上的每 p 个设备都取到和识别一个信号需要的 最大时间。 T ：响应其它设备的最大时间。 sk T ：设备的操作时间。 op 1. 总线结构 设备 设备 设备