【期末计算机组成原理速成】第四章：输入输出系统
一、本章考点总览
二、考点分析
1、计算机中，除了主机外的其他部件都是什么？
考点:输入输出系统组成
考频:★★★★☆
难度:★★★☆☆
解析：
1、输入设备：鼠标、键盘等
2、输出设备：显示器、打印机、摄像头等
外部设备、接口部件、总线以及相应的管理软件统称为计算机的输入/输出系统，简称I/O系统。
1、完成计算机内部二进制信息与外部多种信息形式间的交流；
2、保证CPU能够正确选择输入输出设备并实现对其控制，传输大量数据、避免数据出错 ;
3、利用数据缓冲、选择合适的数据传送方式等，实现主机与外设间速度的匹配
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？分别用于什么场合？
考点:I/O设备与主机联系方式
考频:★★★★☆
难度:★★★☆☆
解析：输入/输出设备同CPU交换数据的过程：
输入过程：
（1） CPU把一个地址值放在地址总线上，选择输入设备；
（2） CPU等候输入设备的数据成为有效；
（3） CPU从数据总线读入数据，并放在一个相应的寄存器中。
输出过程：
（1） CPU把一个地址值放在地址总线上，选择输出设备；
（2） CPU把数据放在数据总线上；
（3）输出设备认为数据有效，从而把数据取走
由于输入/输出设备本身的速度差异很大，因此，对于不同速度的外围设备，需要有不同的定时方式
1.速度极慢或简单的外围设备-机械开关、显示二极管
CPU总是能足够快地作出响应，只要接收或发送数据就可以了
2.慢速或中速的外围设备-键盘、鼠标器
这类设备的速度和CPU的速度并不在一个数量级，或者由于设备本身是在不规则时间间隔下操作的， CPU与这类设备之间的数据交换通常采用异步定时方式。
3.高速的外围设备-磁带机、光盘机
这类外设是以相等的时间间隔操作的，而CPU也是以等间隔的速率执行输入/输出指令的，这种方式叫做同步定时方式。一旦CPU和外设发生同步，它们之间的数据交换便靠时钟脉冲控制来进行
（1）立即响应方式
只要CPU的I/O指令一到，它们便立即响应（2）异步工作采用应答信号联络
（2）异步工作采用应答信号联络
(3）同步工作采用同步时标联络
同步工作要求I/O设备与CPU的工作速度完全同步
3、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？
考点:I/O设备与主机控制方式
考频:★★★★★
难度:★★★★
解析：
1、程序查询方式
程序查询方式是早期计算机中使用的一种方式。数据在CPU和外围设备之间的传送完全靠计算机程序控制，查询方式的优点是CPU的操作和外围设备的操作能够同步，而且硬件结构比较简单。但外围设备动作很慢，程序进入查询循环时将白白浪费掉CPU很多时间。即使CPU采用定期地由主程序转向查询设备状态的子程序进行扫描轮询的办法，CPU宝贵资源的浪费也是可观的。因此当前除单片机外，很少使用程序查询方式
2、程序中断方式
中断是外围设备用来“主动”通知CPU，准备送出输入数据或接收输出数据的一种方法。通常，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。它节省了CPU宝贵的时间，是管理I/O操作的一个比较有效的方法。中断方式一般适用于随机出现的服务，并且一旦提出要求，应立即进行。同程序查询方式相比，硬件结构相对复杂一些，服务开销时间较大
3、直接内存访问(DMA)方式
用中断方式交换数据时，每处理一次I/O交换，约需几十微秒到几百微秒。对于一些高速的外围设备，以及成组交换数据的情况，仍然显得速度太慢。直接内存访问(DMA)方式是一种完全由硬件执行I/O交换的工作方式。这种方式既考虑到中断响应，同时又要节约中断开销。此时，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。主要优点是数据传送速度很高，传送速率仅受到内存访问时间的限制。与中断方式相比，需要更多的硬件。DMA方式适用于内存和高速外围设备之间大批数据交换的场合
4、通道方式
DMA方式的出现已经减轻了CPU对I/O操作的控制，使得CPU的效率有显著的提高，而通道的出现则进一步提高了CPU的效率。这是因为，CPU将部分权力下放给通道。通道是一个具有特殊功能的处理器，某些应用中称为输入输出处理器(IOP)，它可以实现对外围设备的统一管理和外围设备与内存之间的数据传送。这种提高CPU效率的办法是以花费更多硬件为代价的
5、外围处理机方式
外围处理机(PPU)方式是通道方式的进一步发展。由于PPU基本上独立于主机工作，它的结构更接近一般处理机，甚至就是微小型计算机。在一些系统中，设置了多台PPU，分别承担I/O控制、通信、维护诊断等任务。从某种意义上说，这种系统已变成分布式的多机系统
4、I/O系统的内部具体有什么？
考点:I/O接口
考频:★★★☆☆
难度:★★★☆☆
解析：软件+硬件
I/O软件：
I/O软件的主要任务包括将用户编制的程序或数据输入主机内，将运算结果输送给用户，实现输入输出系统与主机工作的协调等；I/O软件包括I/O指令与通道指令。
CPU中的I/O指令：格式为 操作码+命令码+设备码 。
操作码可作为I/O指令与其他指令的判别代码，命令码体现I/O设备的具体操作，设备码是多台I/O设备的选择码；通道指令，通道自身的指令。
I/O硬件：
设备以及I/O接口，或者设备以及设备控制器，通道。负责协调主机与外部设备之间的数据传输
三、真题速通
设备独立性是指（ ）
A.设备具有独立执行I/O功能的一种特性
B.设备驱动程序独立于具体使用的物理设备的一种特性
C.能独立实现设备共享的一种特性
D.用户程序使用的设备与实际使用哪台设备无关的一种特性
答：D
下列设备中，不属于独占设备的是（ ）
A.打印机
B.磁盘
C.终端
D.磁带
答：B
如果I/O设备与存储设备进行数据交换不经过CPU来完成，这种数据交换方式是（ ）
A.程序查询
B.中断方式
C.DMA方式
D.无条件存取方式
答：C
引入缓冲的主要目的是（ ）
A.改善CPU和I/O设备之间速度不匹配的情况
B.节省内存
C.解决同步问题
D.高I/O设备的效率
答：A
某计算机处理器主频为50 MHz，采用定时查询方式控制设备A的I/O，查询程序运行一次所用的时钟周期数至少为500。在设备A工作期间，为保证数据不丢失，每秒需对其查询至少200次，则CPU用于设备A的I/O的时间占整个CPU时间的百分比至少是（ ）
A.0.02% B.0.05% C.0.20% D.0.50%
答：C
采用DMA方式传送数据时，每传送一个数据就要占用一个（ ）的时间
A.指令周期 B.机器周期 C.存储周期 D.总线周期
答：C
下列陈述中正确的是（ ）
A.在DMA周期内，CPU不能执行程序
B.中断发生时，CPU首先执行入栈指令将程序计数器内容保护起来
C.DMA传送方式中，DMA控制器每传送一个数据就窃取一个指令周期
D.输入输出操作的最终目的是要实现CPU与外设之间的数据传输
答：D
外围设备的编址方式有____和____两种
答：独立编址 统一编址
每一种外设都是在它自己的设备控制器控制下进行工作，而设备控制器则通过____和主机相连并受 ____控制
答：I/O接口 主机
一次中断过程大致可以分为哪些过程？
答：
1中断申请
2排队判优
3中断响应
4中断处理。包括现场保护，中断服务程序执行等
5中断返回
下列关于I/O接口功能叙述错误的是（ ）
A. 选址功能 B. 传送命令功能 C. 数据加工功能 D. 传送数据功能
答：C
CPU执行中断前，需要先（ ），用以保存程序断点和各种寄存器中的当前内容
A. 保护现场 B. 中断服务 C. 恢复现场 D. 中断返回
答：A
在下列情况下，可能不发生中断请求的是（ ）
A . DMA操作结束 B .一条指令执行完毕 C .机器出现故障 D .执行“软中断”指令
答：B
在各种I/O方式中，中断方式的特点是（ ），DMA方式的特点是（ ）
A . CPU与外设串行工作，传送与主程序串行工作
B . CPU与外设并行工作，传送与主程序串行工作
C . CPU与外设串行工作，传送与主程序并行工作
D . CPU与外设并行工作，传送与主程序并行工作
答：B D
设某机有4个中断源A、B、C、D，已知中断处理优先级为A>B>C>D，则C的中断屏蔽字为（ ）。
A. 0100 B. 0011
C. 0010 D. 1100
答：B