计算机组成原理第五章答案

输入输出系统第五章1.I/O有哪些编址方式？各有何特点？解：常用的I/O编址方式有两种：I/O与内存统一编址和I/O独立编址；特点：I/O与内存统一编址方式的I/O地址采用与主存单元地址完全一样的格式，I/O设备和主存占用同一个地址空间，CPU可像访问主存一样访问I/O设备，不需要安排专门的I/O指令。I/O独立编址方式时机器为I/O设备专门安排一套完全不同于主存地址格式的地址编码，此时I/O地址与主存地址是两个独立的空间，CPU需要通过专门的I/O指令来访问I/O地址空间。2.简要说明CPU与I/O之间传递信息可采用哪几种联络方式？它们分别用于什么场合？答：CPU与I/O之间传递信息常采用三种联络方式：直接控制（立即响应）、同步、异步。适用场合分别为：直接控制适用于结构极简单、速度极慢的I/O设备，CPU直接控制外设处于某种状态而无须联络信号。同步方式采用统一的时标进行联络，适用于CPU与I/O速度差不大，近距离传送的场合。异步方式采用应答机制进行联络，适用于CPU与I/O速度差较大、远距离传送的场合。4.试比较程序查询方式、程序中断方式和DMA方式对CPU工作效率的影响。答：程序查询方式：使CPU的操作和外围设备的操作能够同步，但是外围设备动作很慢，程序进入查询循环时将白白浪费掉CPU很多时间。所以CPU工作效率很低。程序中断方式：外围设备用来“主动”通知CPU，当一个中断发生时，CPU暂停它的现行程序，而转向中断处理程序，从而可以输入或输出一个数据。当中断处理完毕后，CPU又返回到它原来的任务，并从它停止的地方开始执行程序。与程序查询方式相比，对CPU工作效率的影响有所减少。DMA方式：DMA控制器从CPU完全接管对总线的控制，数据交换不经过CPU，而直接在内存和外围设备之间进行，以高速传送数据。所以DMA方式对CPU工作效率的影响大大减少6.字符显示器的接口电路中配有缓冲存储器和只读存储器，各有何作用？解：显示缓冲存储器的作用是支持屏幕扫描时的反复刷新；只读存储器作为字符发生器使用，他起着将字符的ASCII码转换为字形点阵信息的作用。8.某计算机的I/O设备采用异步串行传送方式传送字符信息。字符信息的格式为一位起始位、七位数据位、一位校验位和一位停止位。若要求每秒钟传送480个字符，那么该设备的数据传送速率为多少？解：480×10=4800位/秒=4800波特；波特——是数据传送速率波特率的单位。10.什么是I/O接口?它与端口有何区别？为什么要设置I/O接口？I/O接口如何分类？解：I/O接口一般指CPU和I/O设备间的连接部件；I/O端口一般指I/O接口中的各种寄存器。I/O接口和I/O端口是两个不同的概念。一个接口中往往包含若干个端口，因此接口地址往往包含有若干个端口地址。由于I/O设备的物理结构和工作速率一般与主机差异很大，无法直接相连，因此通常通过I/O接口进行连接。I/O接口分类方法很多，主要有：按数据传送方式分，有并行接口和串行接口两种；按数据传送的控制方式分，有程序控制接口、程序中断接口、DMA接口三种。12.结合程序查询方式的接口电路，说明其工作过程。解：程序查询接口工作过程如下（以输入为例）：1）CPU发I/O地址地址总线接口设备选择器译码选中，发SEL信号开命令接收门；2）CPU发启动命令D置0，B置1接口向设备发启动命令设备开始工作；3）CPU等待，输入设备读出数据DBR；4）外设工作完成，完成信号接口B置0，D置1；5）准备就绪信号控制总线CPU；6）输入：CPU通过输入指令（IN）将DBR中的数据取走；若为输出，除数据传送方向相反以外，其他操作与输入类似。工作过程如下：1）CPU发I/O地址地址总线接口设备选择器译码选中，发SEL信号开命令接收门；2）输出：CPU通过输出指令（OUT）将数据放入接口DBR中；3）CPU发启动命令D置0，B置1接口向设备发启动命令设备开始工作；4）CPU等待，输出设备将数据从DBR取走；5）外设工作完成，完成信号接口B置0，D置1；6）准备就绪信号控制总线CPU，CPU可通过指令再次向接口DBR输出数据，进行第二次传送。13.说明中断向量地址和入口地址的区别和联系。解：中断向量地址和入口地址的区别：向量地址是硬件电路（向量编码器）产生的中断源的内存地址编号，中断入口地址是中断服务程序首址。中断向量地址和入口地址的联系：中断向量地址可理解为中断服务程序入口地址指示器（入口地址的地址），通过它访存可获得中断服务程序入口地址。14.在什么条件下，I/O设备可以向CPU提出中断请求？解：I/O设备向CPU提出中断请求的条件是：I/O接口中的设备工作完成状态为1（D=1），中断屏蔽码为0（MASK=0），且CPU查询中断时，中断请求触发器状态为1（INTR=1）。16.在什么条件和什么时间，CPU可以响应I/O的中断请求？解：CPU响应I/O中断请求的条件和时间是：当中断允许状态为1（EINT=1），且至少有一个中断请求被查到，则在一条指令执行完时，响应中断。17.某系统对输入数据进行取样处理，每抽取一个输入数据，CPU就要中断处理一次，将取样的数据存至存储器的缓冲区中，该中断处理需P秒。此外，缓冲区内每存储N个数据，主程序就要将其取出进行处理，这个处理需Q秒。试问该系统可以跟踪到每秒多少次中断请求？解：这是一道求中断饱和度的题，要注意主程序对数据的处理不是中断处理，因此Q秒不能算在中断次数内。N个数据所需的处理时间=P×N+Q秒平均每个数据所需处理时间=（P×N+Q）/N秒；求倒数得：该系统跟踪到的每秒中断请求数=N/（P×N+Q）次。19.在程序中断方式中，磁盘申请中断的优先权高于打印机。当打印机正在进行打印时，磁盘申请中断请求。试问是否要将打印机输出停下来，等磁盘操作结束后，打印机输出才能继续进行？为什么？解：这是一道多重中断的题，由于磁盘中断的优先权高于打印机，因此应将打印机输出停下来，等磁盘操作结束后，打印机输出才能继续进行。因为打印机的速度比磁盘输入输出的速度慢，并且暂停打印不会造成数据丢失。22.程序查询方式和程序中断方式都是通过“程序”传送数据，两者的区别是什么？答：程序查询方式通过“程序”传送数据时，程序对I/O的控制包括了I/O准备和I/O传送两段时间。由于I/O的工作速度比CPU低得多，因此程序中要反复询问I/O的状态，造成“踏步等待”，严重浪费了CPU的工作时间。而程序中断方式虽然也是通过“程序”传送数据，但程序仅对I/O传送阶段进行控制，I/O准备阶段不需要CPU查询。故CPU此时照样可以运行现行程序，与I/O并行工作，大大提高了CPU的工作效率。26.什么是多重中断？实现多重中断的必要条件是什么？解：多重中断是指：当CPU执行某个中断服务程序的过程中，发生了更高级、更紧迫的事件，CPU暂停现行中断服务程序的执行，转去处理该事件的中断，处理完返回现行中断服务程序继续执行的过程。实现多重中断的必要条件是：在现行中断服务期间，中断允许触发器为1，即开中断。28.CPU对DMA请求和中断请求的响应时间是否一样？为什么？解：CPU对DMA请求和中断请求的响应时间不一样，因为两种方式的交换速度相差很大，因此CPU必须以更短的时间间隔查询并响应DMA请求（一个存取周期末）。30.在DMA的工作方式中，CPU暂停方式和周期挪用方式的数据传送流程有何不同？画图说明。解：两种DMA方式的工作流程见下页，其主要区别在于传送阶段，现行程序是否完全停止访存。停止CPU访存方式的DMA工作流程如下：现行程序CPUDMACI/ODMA预处理：向DMAC送MM缓冲区首址；I/O设备地址；交换个数；启动I/O现行程序开始工作启动I/O准备就绪DMA请求I/O数据送BR或(BR)送I/O总线请求现行程序AA数据传送：响应，停止CPU访存准备下个数据(AR)送MM(MAR)；(AR)+1；R/W(BR)送MDR；WC减1；就绪DMA请求现行程序等待BI/O数据送BR或(BR)送I/OCD让出总线CPUDMACI/OBCD准备下个数据(AR)送(MAR)；(AR)+1；R/W(BR)送MDR；WC减1；中断请求现行程序响应中断后处理：中断服务程序：校验、错误检测、停止外设或再启动及初始化。现行程序I/O停止WC=0现行程序等待周期窃取方式的DMA工作流程如下：现行程序CPUDMACI/ODMA预处理：向DMAC送MM缓冲区首址；I/O设备地址；交换个数；启动I/O现行程序开始工作启动I/O准备就绪DMA请求I/O数据送BR或(BR)送I/O总线请求现行程序AA数据传送：响应，让出一个MM周期准备下个数据(AR)送MM(MAR)；(AR)+1；R/W(BR)送MDR；WC减1；就绪DMA请求现行程序总线请求BI/O数据送BR或(BR)送I/OCDCPUDMACI/OBCD数据传送：响应，让出一个MM周期准备下个数据(AR)送(MAR)；(AR)+1；R/W(BR)送MDR；WC减1；中断请求现行程序响应中断后处理：中断服务程序：校验、错误检测、停止外设或再启动及初始化。现行程序I/O停止WC=031.假设某设备向CPU传送信息的最高频率是40K次/秒，而相应的中断处理程序其执行时间为40s，试问该外设是否可用程序中断方式与主机交换信息，为什么？解：该设备向CPU传送信息的时间间隔=1/40K=0.025×103=25s40s则：该外设不能用程序中断方式与主机交换信息，因为其中断处理程序的执行速度比该外设的交换速度慢。32.设磁盘存储器转速为3000转/分，分8个扇区，每扇区存储1K字节，主存与磁盘存储器数据传送的宽度为16位（即每次传送16位）。假设一条指令最长执行时间是25s，是否可采用一条指令执行结束时响应DMA请求的方案，为什么？若不行，应采取什么方案？解：先算出磁盘传送速度，然后和指令执行速度进行比较得出结论。道容量=1KB×816=1K×8×816=1K×4=4K字数传率=4K字×3000转/分=4K字×50转/秒=200K字/秒一个字的传送时间=1/200K字/秒=5s5s25s，所以不能采用一条指令执行结束响应DMA请求的方案，应采取每个CPU机器周期末查询及响应DMA请求的方案（通常安排CPU机器周期=MM存取周期）。33.试从下面七个方面比较程序查询、程序中断和DMA三种方式的综合性能。（1）数据传送依赖软件还是硬件；（2）传送数据的基本单位；（3）并行性；（4）主动性；（5）传输速度；（6）经济性；（7）应用对象。解：比较如下：（1）程序查询、程序中断方式的数据传送主要依赖软件，DMA主要依赖硬件。（2）程序查询、程序中断传送数据的基本单位为字或字节，DMA为数据块。（3）程序查询方式传送时，CPU与I/O设备串行工作；程序中断方式时，CPU与I/O设备并行工作，现行程序与I/O传送串行进行；DMA方式时，CPU与I/O设备并行工作，现行程序与I/O传送并行进行。（4）程序查询方式时，CPU主动查询I/O设备状态；程序中断及DMA方式时，CPU被动接受I/O中断请求或DMA请求。（5）程序中断方式由于软件额外开销时间比较大，因此传输速度最慢；程序查询方式软件额外开销时间基本没有，因此传输速度比中断快；DMA方式基本由硬件实现传送，因此速度最快；（6）程序查询接口硬件结构最简单，因此最经济；程序中断接口硬件结构稍微复杂一些，因此较经济；DMA控制器硬件结构最复杂，因此成本最高；（7）程序中断方式适用于中、低速设备的I/O交换；程序查询方式适用于中、低速实时处理过程；DMA方式适用于高速设备的I/O交换；补充题：一、某CRT显示器可显示64种ASCII字符，每帧可显示72字×24排；每个字符字形采用7×8点阵，即横向7点，字间间隔1点，纵向8点，排间间隔6点；帧频50Hz，采取逐行扫描方式。假设不考虑屏幕四边的失真问题，且行回扫和帧回扫均占扫描时间的20%，问：1）显存容量至少