《计算机组成原理》第二版第五章课后习题解答

1. I/O有哪些编址方式？各有何特点？

答：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。

 

1. 简要说明CPu与I/O之间传递信息可采用哪几种联络方式？他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。

使用场合：直接控制适用于结构及简单、速度极慢的I/O设备，CPU直接控制外设处于某种状态而无需联络信号。

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。

 

1. I/O设备与主机交换信息时，共有哪几种控制方式？简述他们的特点。

答：程序直接控制方式：也称查询方式，采用该方式，数据在CPU和外设间的传送完全靠计算机程序控制，CPU的操作和外围设备操作同步，硬件结构简单，但由于外部设备动作慢，浪费CPU时间多，系统效率低。

程序中断方式：外部设备准备就绪后中断程序通知CPU，在CPU相应I/O设备的中断请求后，在暂停现行程序的执行，转为I/O设备服务可明显提高CPU的利用率，在一定程度上实现了主机和I/O设备的并行工作，但硬件结构负载，服务开销大。

DMA方式与中断方式一样，实现主机和I/O设备并行工作，由于DMA方式直接依靠硬件实现贮存于I/O设备之间的数据传送，传送期间不需要CPU程序干预，CPU可继续执行原来的程序，因此，CPU利用率和系统效率比中断方式更高，但DMA方式的硬件结构更为复杂。

 

1. 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：主要用于CPU不太忙且传送速度不高的情况下。

中断方式：主要用于CPU的任务比较忙的情况下，尤其适合实时控制和紧急事件的处理。

DMA方式（直接存储器存取方式）：主要用于高速外设进行大批量数据传送场合。

 

1. 图形显示和图像显示有何区别？

答：图形显示器是用点、线、、面组合合成平面或立体图形的显示设备，主要是一些主观影像，图形显示器所显示的图形由计算机用一定算法形成的点、线面阴影等，来自主观世界。

图像显示器所显示的图像（如遥感图像、医学图像、自然景物等）通常来自客观世界，称客观图像。

 

1. 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？

答：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 。

1. 试比较针式打印机、激光打印机、喷墨打印机的特点。

答：针式打印机最早出现，打印速度慢，噪音大，效果差，现在办公很少用了，仅用于少数特殊场合，如打发票(银行,税务等)，唯一优点是耗材（色带）便宜。

喷墨打印机价格低，能打彩色，通用，但长期不用容易堵头。

激光打印机价格高，打印速度快，就是彩色的太贵了。

 

1. 某计算机的I/O设备采用异步串行传送方式接送字符信息。衣服信息的格式为1位起始位、7位数据位、1位校验位和1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是多少？

答：480 x 10 = 4800 位/秒 = 4800波特

 

1. 什么是多媒体技术？简要说明研制多媒体计算机的关键技术。

答：多媒体技术是指信息传递和存储的最基本的技术和手段。关键技术：（1）视频和音频数据的压缩与解压缩技术（2）多媒体专用芯片（3）大容量存储器（4）适用于都没提技术的软件

 

1. 什么是I/O接口，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？

答：I/O解口一般是指CPU和I/O设备间的连接部件，而端口是指I/Ojiekou内Cpu能够访问的寄存器，端口加上相应的控制逻辑构成I/O接口。

I/O接口分类：（1）an数据传送方式分有并行接口和串行接口

1. 按数据的传送控制方式：程序控制接口、程序中断接口、DMA接口

 

1. 简述I/O接口的功能和基本组成。

答：I/O接口功能：（1）选址功能

1. 传送指令功能
2. 传送数据功能
3. 反映I/O设备工作状态的功能

I/O接口的基本组成：设备选择器、命令寄存器、命令译码器、数据缓冲寄存器、设备状态标记触发寄存器。

 

1. 结合程序查询方式的接口电路，说明其工作过程。

答：输入过程：1.CPU发I/O地址设备开始工作；地址总线—>接口—>设备选择器—>选中—>发SEL信号；2.CPU发启动命令 DBR—>开命令接收门；—>D置零，B置1—>接口向设备发启动命令3.CPU等待，输入设备读出数据；4.外设工作完成，B置0，D置1；5.准备就绪信号—>接口—>完成信号—>控制总线—>CPU；6.输入；CPU通过输入指令（IN）间DBR中的数据取走。

若为输出，出数据传送方向相反之外，其它操作与输入类似。

 

1. 说明中断向量地址和入口地址的区别于联系。

答：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。

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。

 

1. 在设么条件下，I/O设备可以向CPU提出中断请求？

答：I/O设备向CPu提出中断请求：I/O接口中的设备工作完成状态为1，中断屏蔽码为0，且CPU查询中断时，中断请求状态为1

 

1. 什么是中断允许触发器？它有何作用？

答：中断允许触发器是CPU中断系统中的一个部件，它起着开关中断的作用（即中断总开关，则中断屏蔽触发器可视为中断的分开关）。

 

1. 在什么条件和时间，CPU可以响应I/O中断请求？

答：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，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。

 

1. 某系统对输入数据进行取样处理，每抽取一个输入数据，CPU就中断处理一次，将取样的数据存至存储器缓冲区中，该中断处理需要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。试问该系统可以追踪到每秒多少次中断请求？

答：这是一道中断饱和度的题，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个数据需要处理的时间：P x N + Q秒

平均每个数据所需处理时间：（P x N + Q）/N 秒

求倒数得：该系统跟踪到每秒中断请求数：N/（P x N + Q）次

 

1. 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，打印机才能继续进行？为什么？

答：这是一道多重中断题，由于磁盘的优先权高于打印机，因此将打印机输出停下来，等磁盘操作结束后，打印机输出才继续进行，因为打印机的速度比磁盘输入输出速度慢，并且暂停打印不会造成数据丢失。

 

20.试比较单重中断和多重中断服务程序的处理流程，说明他们不用的原因。

答：单重中断：开中断指令设置在“中断返回”之前，意味着在整个中断服务处理过程中，不能响应其它中断源的请求。

多重中断：开中断指令设置在“保护现场”之后，意味着保护现场之后，若有更高级的中断服务程序，CPu也可以响应，即再次中断现行的服务程序，转至新的中断服务程序，这是单重中断和多重中断的主要区别。

 

1. 中断向量通过什么总线送至什么地方？为什么？

答：中断向量通过数据总线送至CPU，更具体地说是CPU中的PC。

因为要通过中断向量来寻找设备中断服务程序入口地址，中断响应阶段将形成的向量地址即中断向量送至PC，作为下一条指令的地址，即设备的中断服务程序入口地址，转至执行中断服务程序。

 

1. 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，因此程序中要反复查询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，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CPU的工作效率。

 

1. 调用中断服务程序和调用子程序有何区别？

答： 子程序调用一定是程序员在编写程序时事先安排好的，是可知的，而中断是由中断源根据自身的需要产生的，是不可预见的(用指令int引起的中断除外)。

子程序调用是用call指令来实现的，但没有调用中断的指令，只有发出中断请求的事件(指令int是发出内部中断信号，而不要理解为调用中断服务程序)； 

子程序的返回指令是ret，而中断服务程序的返回指令是iret/iretd。 

在通常情况下，子程序是由应用程序开发者编写的，而中断服务程序是由系统软件设计者编写的。

 

1. 试分析图5.33所示对多个设备的查询流程，说明这种处理方式存在的问题，以及如何改进。

答：CPU需要按各个I/O设备在系统中的优先级进行逐级查询。

改进，执行三条指令：

1. 测试指令，用来查询I/O设备是否准备就绪
2. 传送指令，当I/O设备已准备就绪，执行传送指令
3. 转移指令，当I/O设备为准备就绪，执行转移指令，转至测试指令，继续测试I/O设备的状态。

 

1. 根据以下要求设计一个产生3个设备向量地址的电路。

（1）3个设备优先级按照A-B-C降序排列

1. A,B,C的向量地址分别为110100,010100，000110
2. 当CpU 发来中断响应信号INTA时，可将向量地址取至CPU

答：

1. 什么是多重中断？实现多重中断的必要条件是什么？

答：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。必要条件：在现行中断服务期间，中断允许触发器为1，即开中断。

1. DMA方式有何特点？什么样的I/O设备与主机交换信息时才用DMA方式，举例说明。

答：特点：由于主存和DMA接口之间有一条数据通路，因此主存和设备交换信息是不通过CPU，也不需要CPU暂停现行程序为设备服务，省去了保护和恢复现场，因此工作速度比程序中断方式高。

方式：（1）停止CpU访问主存

1. 周期挪用
2. DMA与CPU交替访问

 

1. CPU对DMA请求和中断请求的响应时间是否一样？为什么？

答：CPu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必须以更短的时间隔离查询并响应dmA请求。响应中断请求是在每条指令执行周期结束的时刻，而响应DMA请求是在存取周期结束时刻。中断方式是程序切换，而程序又是由指令组成，多以必须在一条指令执行完毕才能响应中断请求，而且CPU只有在每条指令执行周期结束时刻才发出查询信号，以获取中断请求信号，若此时条件满足，便能响应中断请求。

DMA请求是由DMA接口根据设备工作状态向CPU申请占用总线，此时只要总线未被占即可立即响应DMA请求，若总线正被CPU占用，则必须等待该存取周期结束时，CPu才交出总线的使用权。

 

1. 结合DMA接口电路说明其工作过程。

答：一个设备接口试图通过总线直接向另一个设备发送数据(一般是大批量的数据)，它会先向CPU发送DMA请求信号。外设通过DMA的一种专门接口电路――DMA控制器（DMAC），向CPU提出接管总线控制权的总线请求，CPU收到该信号后，在当前的总线周期结束后，会按DMA信号的优先级和提出DMA请求的先后顺序响应DMA信号。CPU对某个设备接口响应DMA请求时，会让出总线控制权。于是在DMA控制器的管理下，外设和存储器直接进行数据交换，而不需CPU干预。数据传送完毕后，设备接口会向CPU发送DMA结束信号，交还总线控制权。

 

1. 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。

答：主要区别在于传送阶段，现行程序是否完全停止访存。

 

 

1. 假设某设备向CPU传送信息的最高频率是40K/秒，而相应的中断处理程序其执行时间是40US，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/

答：该设备向CPU传送信息的时间间隔：1/40K=0.025x10^3=25us<40us

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。

 

1. 设磁盘存储器转速为3000转/分，分八个扇区，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微秒，是否可以采用一条指令结束响应时间DMA请求的方案，为什么？若不行，应采取什么方案？

答：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：1KBX8/16=1KX8X8/16=1KX4=4K字

数传率：4K字X3000转/分=4K字X50转/秒=200K字/秒

一个字的传送时间：1/200K/秒=5微秒，5微秒<<25微秒，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。

 

1. 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。

答：（1）数据传送依赖软件还是硬件：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

1. 数据传送基本单位：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。
2. 并行性：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涉笔并行工作，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传送并行起来。
3. 主动性：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。
4. 传输速度：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方式基本由硬件传送，因此速度最快。
5. 经济性：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。
6. 应用对象：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。

 

1. 解释周期挪用，分析周期挪用会出现的几种情况。

答：周期挪用：每当I/O设备发出DMA请求时，I/O设备便挪用或窃取总线占用权一个或几个主存周期，而DMA不请求时，CPU仍继续访问主存。

3种情况：

（1）空闲，DMA直接使用

（2）CPU占用总线，须等CPU使用完毕后再使用总线

（3）CPU正在请求总线，此时CPU需暂时放弃总线控制器，让DMA挪用几个存储周期。

 

1. 试从五个方面比较中断程序和DMA方式的区别。

答：（1）数据传送依赖软件还是硬件：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）数据传送基本单位：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）并行性：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涉笔并行工作，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传送并行起来。

（4）主动性：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）传输速度：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方式基本由硬件传送，因此速度最快。