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  3. 假设一个主频为1GHz、CPI为5的CPU需要从某个成块传送的I/O设备读取1000B的数据到主存缓冲区中，该I/O设备一旦启动即按50KB/s的数据传输率向主机传送1 000B数据，每个字节的读取、处理并存入内存缓冲区需要1 000个时钟周期，则以下4种

假设一个主频为1GHz、CPI为5的CPU需要从某个成块传送的I/O设备读取1000B的数据到主存缓冲区中，该I/O设备一旦启动即按50KB/s的数据传输率向主机传送1 000B数据，每个字节的读取、处理并存入内存缓冲区需要1 000个时钟周期，则以下4种

admin2017-04-28  45
问题 假设一个主频为1GHz、CPI为5的CPU需要从某个成块传送的I/O设备读取1000B的数据到主存缓冲区中，该I/O设备一旦启动即按50KB/s的数据传输率向主机传送1 000B数据，每个字节的读取、处理并存入内存缓冲区需要1 000个时钟周期，则以下4种方式下，在1000B的读取过程中，CPU用在该设备的I/O操作上的时间分别为多少？占整个CPU时间的百分比分别是多少？
(1)采用定时查询方式，每次处理一个字节，一次状态查询至少需要60个时钟周期。
(2)采用独占查询方式，每次处理一个字节，一次状态查询至少需要60个时钟周期。
(3)采用中断I/O方式，外设每准备好一个字节发送一次中断请求。每次中断响应需要2个时钟周期，中断服务程序的执行需要1 200个时钟周期。
(4)采用周期挪用DMA方式，每挪用一次主存周期处理一个字节，一次DMA传送完成1 000B的传送，DMA初始化和后处理的时间为2 000个时钟周期，CPU和DMA之间没有访存冲突。
(5)如果设备的速度提高到5MB/s，则上述4种方式中，哪些是不可行的？为什么？对于可行的方式，计算出CPU在该设备I/O操作上所用的时间占整个CPU时间的百分比。
选项
答案主频为1GHz，所以时钟周期为l/lGHz=lns。因为每个字节的读取、处理并存入内存缓冲区需要1 000个时钟周期，所以，对于像程序查询和中断等用软件实现输入/输出的方式，CPU为每个字节传送所用的时间至少为1 000×1ns=1000ns=1μs。在50kB/s的数据传输率下，设备每隔lB/50kB/s=20μs=20 000ns准备好一个字节，因而读取1 000B的时间为1 000×20μs=20ms。 (1)定时查询方式下的I/O过程如图7—12所示。用户可以设置每隔20 000ns查询一次，这样使得查询程序的开销达到最小，即第一次读取状态时就可能会发现就绪，然后用1 000个时钟周期进行相应处理，因此，对于每个字节的传送，CPU所用时钟周期数为60+1 000=1 060。因此，在1 000B的读取过程中，CPU用在该设备的I/O操作上的时间至少为1 000×1 060×1ns=1.060ms，占整个CPU时间的百分比至少为1.060/20=5.3％。 [*] (2)独占查询方式下的I/O过程如图7—13所示。启动设备后，CPU就开始查询，因为333 ×60+20=20 000，所以第一个字节传送在第334次读取状态查询时检测到就绪，随后用1 000个时钟周期进行相应的处理，然后继续第二个字节的状态查询，因为40+1 000+316×60=20 000，所以，第二个字节的传送在第316次读取状态查询时检测到就绪，第一个和第二个字节的传送过程如图7—13a所示。每次检测到就绪后，就进行相应的处理，然后周而复始地进行查询，因为（20 000—1 000）/60=316.7，所以，第3 17次状态查询时发现就绪。因为1 000+60×317—20 000=20，所以，每3B可多60个时钟周期，正好进行一次状态查询，因此，在剩下的998B的读取过程中，前996B的传送正好用了996×20 000个时钟周期，如图7—13b所示。最后两个字节的传送过程如图7—13c所示，因为2×(1 000+60×317—20 000)=40，此外，最后一个字节的处理还有1 000个时钟周期，所以最后两个字节总的时间为2×20 000+40+1 000=41 040个时钟周期。 综上所述，CPU用在该设备的I/O操作上的总时间为1 000×20 000ns+1 040×1ns=20.001 04ms～20ms，即在1000B的整个传输过程中，CPU —直为该设备服务，所用时间占整个CPU时间的100％。 [*] (3)中断方式下的I/O过程如图7—14所示。中断方式下，外设每准备好一个字节请求一次中断，每次中断CPU所用时钟周期数为2+1 200=1 202，因此CPU用在该设备的I/O操作上的时间为1 000×1 202×1ns—1.202ms，占整个CPU时间的百分比至少为1.202/20=6.01％。 [*] (4) DMA方式下，由于CPU和DMA没有访存冲突，所以不需考虑由于DMA而影响到CPU执行其他程序。因此，传送1 000B CPU所用的时钟周期数就是2 000，在1 000B的读取过程中，CPU用在该设备的I/O操作上的时间为2 000×lns=2μs，占整个CPU时间的百分比为2/(1 000×20)=0.01％。 (5)若设备数据传输率为5MB/s，则外设传输1 000B所用时间为1 000B/(5×106B/s)=200μs。 对于定时查询和独占查询方式，传送1 000B CPU所用时间至少为1 000×(60+1 000)×lns=1 060μs；对于中断方式，传送1 000B CPU所用时间为1 000×(2+1 200)×lns=1 202μs。上述3种方式下，CPU所用的时间都比设备所用时间长得多，即设备的传输比CPU的处理快得多，因而发生数据丢失。因此，这3种方式都不能用于该设备的I/O操作。对于DMA方式，传送1 000B CPU所用时间为2 000×1ns=2μs，占整个CPU时间的百分比为2/200=1％。这说明可以使用DMA方式，不过由于外设传输速度加快，使得CPU频繁进行DMA预处理和后处理，因而CPU的开销从0.01％上升到了1％。 补充说明：在计算CPU占用时间百分比时也可用另一种方法计算得到。例如，对于(3)中断方式的计算，可以先求出Is内该外设请求的中断次数为l/(lB/50kB)=50k，然后得到1s内CPU用于数据I/O的时钟周期数为50k×(2+1 200)=6.01×107，因此在该设备传输过程中，CPU用于该设备I/O操作的时间占整个CPU时间的百分比为6.01× l07/1G=6.01％。
解析
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