7.3 I/O 方式

(1) 若设备 A 采用定时 I/O 方式，每次输入/输出都至少执行 10 条指令。设备 A 最多间隔多长时间查询一次才不能丢失数据？CPU 用于设备 A 输入/输出占 CPU 总时间的百分比至少是多少？

设备 A 准备 32 位数据所用的时间为$4B/2MB=2us$，所以最多每隔 2us 查询一次。每秒查询次数至少是$1s/2us=5\times 10^{5}$，每秒查询用的时钟周期为$5\times 10^{5}\times 10\times 5=2\times 10^{7}$个时钟周期，占百分比$2\times 10^{7}/500M=4%$。

(2) 在中断 I/O 方式下，若每次中断响应和中断处理的总时钟周期数至少为 400，则设备 B 能否采用中断 I/O 方式？为什么？

中断响应和中断处理的时间为$400\times \left( 1/500M\right) =0.8us$，而 B 准备 32 位数据所用的时间为$4B/40MB=0.1us$，小于中断响应和中断处理时间，数据会被刷新，因此设备 B 不适合采用中断 I/O 方式。

(3) 若设备 B 采用 DMA 方式，每次 DMA 传送的数据块大小为 1000B，CPU 用于 DMA 预处理和后处理的总时钟周期数为 500，则 CPU 用于设备 B 输入/输出的时间占总时间的百分比最大是多少？

设备 B 每秒的 DMA 次数最多为$40MB/1000B=40000$，CPU 用于设备 B 输入/输出的时间最多为$40000\times 500=2\times 10^{7}$个时钟周期，占 CPU 总时间的百分比最大为$2\times 10^{7}/500M=4%$。

(1) 该计算机的 MIPS 数是多少？平均每秒 Cache 缺失的次数是多少？在不考虑 DMA 传送的情况下，主存带宽至少达到多少才能满足 CPU 的访存要求？

MIPS=80/4=20。$20\times 1.5\times 0.01=0.3M$次。$0.3M\times 16B=4.8MB/s$。

(2) 假定在 Cache 缺失的情况下访问主存时，存在 0.0005% 的缺页率，则 CPU 平均每秒产生多少次缺页异常？若页面大小为 4KB，每次缺页都需要访问磁盘，访问磁盘时 DMA 传送采用周期挪用方式，磁盘 I/O 接口的数据缓冲寄存器为 32 位，则磁盘 I/O 接口平均每秒发出的 DMA 请求次数至少是多少？

(3)CPU 和 DMA 控制器同时要求使用存储器总线时，哪个优先级更高？为什么？

(4) 为提高性能，主存采用四体低位交叉存储模式，工作时每 1/4 个存储周期启动一个体。若每个题的存储周期为 50ns，则该主存能提供的最大带宽是多少？

(1) 在中断方式下，CPU 用于该外设 I/O 的时间占整个 CPU 时间的百分比时多少？

中断方式下，CPU 每次用于数据传送的时钟周期为$5x18+5x2=100$，外设每秒申请的中断次数为$0.5MB/4B=125000$。

1s 内用于中断的开销为$100x125000=12500000=12.5M$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$12.5M/500M=2.5%$

(2) 当该外设的数据传输率达到 5MBps 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 I/O 的时间占整个 CPU 时间的百分比时多少（假设 DMA 与 CPU 之间没有访存冲突）？

当外设数据传输率提高到 5MBps 时，改用 DMA 方式传送，每次 DMA 传送 5000B，1s 内需产生的 DMA 处理的总开销为 1000x500=500000=0.5M 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/100M=0.1%