計(jì)算機(jī)組成原理第5章作業(yè)答案分析課件

輸入輸出系統(tǒng)第五章輸入輸出系統(tǒng)第五章12.簡(jiǎn)要說(shuō)明CPU與I/O之間傳遞信息可采用哪幾種聯(lián)絡(luò)方式？它們分別用于什么場(chǎng)合？

答：CPU與I/O之間傳遞信息常采用三種聯(lián)絡(luò)方式：直接控制（立即響應(yīng)）、同步、異步。適用場(chǎng)合分別為：

直接控制適用于結(jié)構(gòu)極簡(jiǎn)單、速度極慢的I/O設(shè)備，CPU直接控制外設(shè)處于某種狀態(tài)而無(wú)須聯(lián)絡(luò)信號(hào)。

同步方式采用統(tǒng)一的時(shí)標(biāo)進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，適用于CPU與I/O速度差不大，近距離傳送的場(chǎng)合。

異步方式采用應(yīng)答機(jī)制進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，適用于CPU與I/O速度差較大、遠(yuǎn)距離傳送的場(chǎng)合。2.簡(jiǎn)要說(shuō)明CPU與I/O之間傳遞信息可采

3.I/O設(shè)備與主機(jī)交換信息時(shí)，共有哪幾種控制方式？簡(jiǎn)述它們的特點(diǎn)。

答：5種控制方式：P162

（1）程序查詢方式

（2）程序中斷方式

（3）直接存儲(chǔ)器存取方式（DMA）

（4）I/O通道方式

（5）I/O處理機(jī)方式3.I/O設(shè)備與主機(jī)交換信息時(shí)，共有哪幾種控制方式？簡(jiǎn)述10.什么是I/O接口?它與端口有何區(qū)別？為什么要設(shè)置I/O接口？I/O接口如何分類？

解：I/O接口一般指CPU和I/O設(shè)備間的連接部件；

I/O端口一般指I/O接口中的各種寄存器。為了便于程序?qū)@些寄存器進(jìn)行訪問(wèn)，通常給每個(gè)寄存器分配一個(gè)地址編號(hào)，這種編號(hào)被稱為I/O端口地址，相應(yīng)的寄存器也叫作I/O端口。

I/O接口和I/O端口是兩個(gè)不同的概念。一個(gè)接口中往往包含若干個(gè)端口，因此接口地址往往包含有若干個(gè)端口地址。10.什么是I/O接口?它與端口有何區(qū)別？由于I/O設(shè)備的物理結(jié)構(gòu)和工作速率一般與主機(jī)差異很大，無(wú)法直接相連，因此通常通過(guò)I/O接口進(jìn)行連接。

I/O接口分類方法很多，主要有：

按數(shù)據(jù)傳送方式分，有并行接口和串行接口兩種；

按數(shù)據(jù)傳送的控制方式分，有程序控制接口、程序中斷接口、DMA接口三種。由于I/O設(shè)備的物理結(jié)構(gòu)和工作速率一般與主機(jī)11.簡(jiǎn)述I/O接口的功能和基本組成。答：P188（1）選址功能（2）傳送命令的功能（3）傳送數(shù)據(jù)的功能（4）反映I/O設(shè)置工作狀態(tài)的功能11.簡(jiǎn)述I/O接口的功能和基本組成。

13.說(shuō)明中斷向量地址和入口地址的區(qū)別和聯(lián)系。

解：

中斷向量地址和入口地址的區(qū)別：

向量地址是硬件電路（向量編碼器）產(chǎn)生的中斷源的內(nèi)存中斷向量表表項(xiàng)地址編號(hào)，中斷入口地址是中斷服務(wù)程序首址。

中斷向量地址和入口地址的聯(lián)系：

中斷向量地址可理解為中斷服務(wù)程序入口地址指示器（入口地址的地址），通過(guò)它訪存可獲得中斷服務(wù)程序入口地址。(兩種方法：在向量地址所指單元內(nèi)放一條JMP指令；主存中設(shè)向量地址表。參考8.4.3）13.說(shuō)明中斷向量地址和入口地址的區(qū)別和聯(lián)14.在什么條件下，I/O設(shè)備可以向CPU提出中斷請(qǐng)求？

解：I/O設(shè)備向CPU提出中斷請(qǐng)求的條件是：I/O接口中的設(shè)備工作完成狀態(tài)為1（D=1），中斷屏蔽碼為0（MASK=0），且CPU查詢中斷時(shí)，中斷請(qǐng)求觸發(fā)器狀態(tài)為1（INTR=1）。

14.在什么條件下，I/O設(shè)備可以向CPU15.什么是中斷允許觸發(fā)器？它有何作用？

解：中斷允許觸發(fā)器是CPU中斷系統(tǒng)中的一個(gè)部件，他起著開關(guān)中斷的作用（即中斷總開關(guān)，則中斷屏蔽觸發(fā)器可視為中斷的分開關(guān)）。15.什么是中斷允許觸發(fā)器？它有何作用？

16.在什么條件和什么時(shí)間，CPU可以響應(yīng)I/O的中斷請(qǐng)求？

解：CPU響應(yīng)I/O中斷請(qǐng)求的條件和時(shí)間是：當(dāng)中斷允許狀態(tài)為1（EINT=1），且至少有一個(gè)中斷請(qǐng)求被查到，則在一條指令執(zhí)行完時(shí)，響應(yīng)中斷。16.在什么條件和什么時(shí)間，CPU可以響17.某系統(tǒng)對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行取樣處理，每抽取一個(gè)輸入數(shù)據(jù)，CPU就要中斷處理一次，將取樣的數(shù)據(jù)存至存儲(chǔ)器的緩沖區(qū)中，該中斷處理需P秒。此外，緩沖區(qū)內(nèi)每存儲(chǔ)N個(gè)數(shù)據(jù)，主程序就要將其取出進(jìn)行處理，這個(gè)處理需Q秒。試問(wèn)該系統(tǒng)可以跟蹤到每秒多少次中斷請(qǐng)求？17.某系統(tǒng)對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行取樣處理，每抽取一個(gè)輸入數(shù)據(jù)，C解：這是一道求中斷飽和度的題，要注意主程序?qū)?shù)據(jù)的處理不是中斷處理，因此Q秒不能算在中斷次數(shù)內(nèi)。

N個(gè)數(shù)據(jù)所需的處理時(shí)間=P×N+Q秒

平均每個(gè)數(shù)據(jù)所需處理時(shí)間=（P×N+Q）/N秒；

求倒數(shù)得：

該系統(tǒng)跟蹤到的每秒中斷請(qǐng)求數(shù)=N/（P×N+Q）次。解：這是一道求中斷飽和度的題，要注意主程序?qū)?/p>

19.在程序中斷方式中，磁盤申請(qǐng)中斷的優(yōu)先權(quán)高于打印機(jī)。當(dāng)打印機(jī)正在進(jìn)行打印時(shí)，磁盤申請(qǐng)中斷請(qǐng)求。試問(wèn)是否要將打印機(jī)輸出停下來(lái)，等磁盤操作結(jié)束后，打印機(jī)輸出才能繼續(xù)進(jìn)行？為什么？

解：這是一道多重中斷的題，由于磁盤中斷的優(yōu)先權(quán)高于打印機(jī)，因此應(yīng)將打印機(jī)輸出停下來(lái)，等磁盤操作結(jié)束后，打印機(jī)輸出才能繼續(xù)進(jìn)行。因?yàn)榇蛴C(jī)的速度比磁盤輸入輸出的速度慢，并且暫停打印不會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失。

19.在程序中斷方式中，磁盤申請(qǐng)中斷的優(yōu)先20.試比較單重中斷和多重中斷服務(wù)程序的處理流程，說(shuō)明它們不同的原因。

答：P200 比較單重中斷和多重中斷服務(wù)程序的處理流程，可以發(fā)現(xiàn)其區(qū)別在于“開中斷”的設(shè)置時(shí)間不同。對(duì)于單重中斷，開中斷指令設(shè)置在最后“中斷返回”之前，意味著在整個(gè)中斷服務(wù)處理過(guò)程中，不能再響應(yīng)其他中斷源的請(qǐng)求。對(duì)于多重中斷，開中斷指令提前至“保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)”之后，意味著在保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)后，若有級(jí)別更改的中斷源提出請(qǐng)求（這是實(shí)現(xiàn)多重中斷的必要條件），CPU也可以響應(yīng)，即再次中斷現(xiàn)行的服務(wù)程序，轉(zhuǎn)至新的中斷服務(wù)程序，這是單重中斷與多重中斷的主要區(qū)別。

20.試比較單重中斷和多重中斷服務(wù)程序的處理流程，說(shuō)明它們21.中斷向量通過(guò)什么總線送至什么地方？為什么？

答：中斷向量通過(guò)數(shù)據(jù)總線送至CPU（P197），更具體的說(shuō)是CPU中的PC(P198)。因?yàn)橐ㄟ^(guò)中斷向量來(lái)尋找設(shè)備的中斷服務(wù)程序入口地址（P196），中斷響應(yīng)階段將形成的向量地址即中斷向量送至PC,作為下一條指令的地址，即設(shè)備的中斷服務(wù)程序入口地址，轉(zhuǎn)至執(zhí)行中斷服務(wù)程序。（P198）

21.中斷向量通過(guò)什么總線送至什么地方？為什么？22.程序查詢方式和程序中斷方式都是通過(guò)“程序”傳送數(shù)據(jù)，兩者的區(qū)別是什么？

答：程序查詢方式通過(guò)“程序”傳送數(shù)據(jù)時(shí)，程序?qū)/O的控制包括了I/O準(zhǔn)備和I/O傳送兩段時(shí)間。由于I/O的工作速度比CPU低得多，因此程序中要反復(fù)詢問(wèn)I/O的狀態(tài)，造成“踏步等待”，嚴(yán)重浪費(fèi)了CPU的工作時(shí)間。

而程序中斷方式雖然也是通過(guò)“程序”傳送數(shù)據(jù)，但程序僅對(duì)I/O傳送階段進(jìn)行控制，I/O準(zhǔn)備階段不需要CPU查詢。故CPU此時(shí)照樣可以運(yùn)行現(xiàn)行程序，與I/O并行工作，大大提高了CPU的工作效率。22.程序查詢方式和程序中斷方式都是通過(guò)“31.假設(shè)某設(shè)備向CPU傳送信息的最高頻率是40000次/秒，而相應(yīng)的中斷處理程序其執(zhí)行時(shí)間為40s，試問(wèn)該外設(shè)是否可用程序中斷方式與主機(jī)交換信息，為什么？

解：該設(shè)備向CPU傳送信息的時(shí)間間隔=1/40K=0.025×103=25s<40s

則：該外設(shè)不能用程序中斷方式與主機(jī)交換信息，因?yàn)槠渲袛嗵幚沓绦虻膱?zhí)行速度比該外設(shè)的交換速度慢。

31.假設(shè)某設(shè)備向CPU傳送信息的最高頻率舉例說(shuō)明：（輸入）

假設(shè)初始CPU空閑，則當(dāng)I/O將第一個(gè)數(shù)據(jù)放在接口的數(shù)據(jù)緩沖寄存器中后，向CPU發(fā)第一個(gè)中斷請(qǐng)求，CPU立即響應(yīng)；

I/O設(shè)備勻速運(yùn)行，25s后，第二個(gè)中斷請(qǐng)求到來(lái)，CPU正在執(zhí)行中斷程序接收第一個(gè)數(shù)據(jù)，40s時(shí)響應(yīng)；

50s后，第三個(gè)中斷請(qǐng)求到來(lái)，CPU正在執(zhí)行中斷程序接收第二個(gè)數(shù)據(jù)，要到80s時(shí)響應(yīng)；

75s后，第四個(gè)中斷請(qǐng)求到來(lái)，但此時(shí)第三個(gè)中斷請(qǐng)求還沒(méi)有響應(yīng)，則放在數(shù)據(jù)緩沖寄存器中的第三個(gè)數(shù)據(jù)來(lái)不及接收，被第四個(gè)數(shù)據(jù)沖掉；舉例說(shuō)明：（輸入）

假設(shè)初始CPU空閑，則35.試從5個(gè)方面比較程序中斷方式和DMA方式的區(qū)別。

答:P210

(1)從數(shù)據(jù)傳送看，程序中斷方式靠程序傳送，DMA方式靠硬件傳送。

(2)從CPU響應(yīng)時(shí)間看，程序中斷方式是在一條指令執(zhí)行結(jié)束時(shí)響應(yīng)，而DMA方式可在指令周期內(nèi)的任一存取周期結(jié)束時(shí)響應(yīng)。

(3)程序中斷方式有處理異常事件的能力，DMA方式?jīng)]有這種能力，主要用于大批數(shù)據(jù)的傳送，如硬盤存取、圖像處理、高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，可提高數(shù)據(jù)吞吐量。

(4)程序中斷方式需要中斷現(xiàn)行程序，故需保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)；DMA方式不中斷現(xiàn)行程序，無(wú)須保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)。

(5)DMA的優(yōu)先級(jí)比程序中斷的優(yōu)先級(jí)高。35.試從5個(gè)方面比較程序中斷方式和DMA輸入輸出系統(tǒng)第五章輸入輸出系統(tǒng)第五章202.簡(jiǎn)要說(shuō)明CPU與I/O之間傳遞信息可采用哪幾種聯(lián)絡(luò)方式？它們分別用于什么場(chǎng)合？

答：CPU與I/O之間傳遞信息常采用三種聯(lián)絡(luò)方式：直接控制（立即響應(yīng)）、同步、異步。適用場(chǎng)合分別為：

直接控制適用于結(jié)構(gòu)極簡(jiǎn)單、速度極慢的I/O設(shè)備，CPU直接控制外設(shè)處于某種狀態(tài)而無(wú)須聯(lián)絡(luò)信號(hào)。

同步方式采用統(tǒng)一的時(shí)標(biāo)進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，適用于CPU與I/O速度差不大，近距離傳送的場(chǎng)合。

異步方式采用應(yīng)答機(jī)制進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，適用于CPU與I/O速度差較大、遠(yuǎn)距離傳送的場(chǎng)合。2.簡(jiǎn)要說(shuō)明CPU與I/O之間傳遞信息可采

3.I/O設(shè)備與主機(jī)交換信息時(shí)，共有哪幾種控制方式？簡(jiǎn)述它們的特點(diǎn)。

答：5種控制方式：P162

（1）程序查詢方式

（2）程序中斷方式

（3）直接存儲(chǔ)器存取方式（DMA）

（4）I/O通道方式

（5）I/O處理機(jī)方式3.I/O設(shè)備與主機(jī)交換信息時(shí)，共有哪幾種控制方式？簡(jiǎn)述10.什么是I/O接口?它與端口有何區(qū)別？為什么要設(shè)置I/O接口？I/O接口如何分類？

解：I/O接口一般指CPU和I/O設(shè)備間的連接部件；

I/O端口一般指I/O接口中的各種寄存器。為了便于程序?qū)@些寄存器進(jìn)行訪問(wèn)，通常給每個(gè)寄存器分配一個(gè)地址編號(hào)，這種編號(hào)被稱為I/O端口地址，相應(yīng)的寄存器也叫作I/O端口。

I/O接口和I/O端口是兩個(gè)不同的概念。一個(gè)接口中往往包含若干個(gè)端口，因此接口地址往往包含有若干個(gè)端口地址。10.什么是I/O接口?它與端口有何區(qū)別？由于I/O設(shè)備的物理結(jié)構(gòu)和工作速率一般與主機(jī)差異很大，無(wú)法直接相連，因此通常通過(guò)I/O接口進(jìn)行連接。

I/O接口分類方法很多，主要有：

按數(shù)據(jù)傳送方式分，有并行接口和串行接口兩種；

按數(shù)據(jù)傳送的控制方式分，有程序控制接口、程序中斷接口、DMA接口三種。由于I/O設(shè)備的物理結(jié)構(gòu)和工作速率一般與主機(jī)11.簡(jiǎn)述I/O接口的功能和基本組成。答：P188（1）選址功能（2）傳送命令的功能（3）傳送數(shù)據(jù)的功能（4）反映I/O設(shè)置工作狀態(tài)的功能11.簡(jiǎn)述I/O接口的功能和基本組成。

13.說(shuō)明中斷向量地址和入口地址的區(qū)別和聯(lián)系。

解：

中斷向量地址和入口地址的區(qū)別：

向量地址是硬件電路（向量編碼器）產(chǎn)生的中斷源的內(nèi)存中斷向量表表項(xiàng)地址編號(hào)，中斷入口地址是中斷服務(wù)程序首址。

中斷向量地址和入口地址的聯(lián)系：

中斷向量地址可理解為中斷服務(wù)程序入口地址指示器（入口地址的地址），通過(guò)它訪存可獲得中斷服務(wù)程序入口地址。(兩種方法：在向量地址所指單元內(nèi)放一條JMP指令；主存中設(shè)向量地址表。參考8.4.3）13.說(shuō)明中斷向量地址和入口地址的區(qū)別和聯(lián)14.在什么條件下，I/O設(shè)備可以向CPU提出中斷請(qǐng)求？

解：I/O設(shè)備向CPU提出中斷請(qǐng)求的條件是：I/O接口中的設(shè)備工作完成狀態(tài)為1（D=1），中斷屏蔽碼為0（MASK=0），且CPU查詢中斷時(shí)，中斷請(qǐng)求觸發(fā)器狀態(tài)為1（INTR=1）。

14.在什么條件下，I/O設(shè)備可以向CPU15.什么是中斷允許觸發(fā)器？它有何作用？

解：中斷允許觸發(fā)器是CPU中斷系統(tǒng)中的一個(gè)部件，他起著開關(guān)中斷的作用（即中斷總開關(guān)，則中斷屏蔽觸發(fā)器可視為中斷的分開關(guān)）。15.什么是中斷允許觸發(fā)器？它有何作用？

16.在什么條件和什么時(shí)間，CPU可以響應(yīng)I/O的中斷請(qǐng)求？

解：CPU響應(yīng)I/O中斷請(qǐng)求的條件和時(shí)間是：當(dāng)中斷允許狀態(tài)為1（EINT=1），且至少有一個(gè)中斷請(qǐng)求被查到，則在一條指令執(zhí)行完時(shí)，響應(yīng)中斷。16.在什么條件和什么時(shí)間，CPU可以響17.某系統(tǒng)對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行取樣處理，每抽取一個(gè)輸入數(shù)據(jù)，CPU就要中斷處理一次，將取樣的數(shù)據(jù)存至存儲(chǔ)器的緩沖區(qū)中，該中斷處理需P秒。此外，緩沖區(qū)內(nèi)每存儲(chǔ)N個(gè)數(shù)據(jù)，主程序就要將其取出進(jìn)行處理，這個(gè)處理需Q秒。試問(wèn)該系統(tǒng)可以跟蹤到每秒多少次中斷請(qǐng)求？17.某系統(tǒng)對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行取樣處理，每抽取一個(gè)輸入數(shù)據(jù)，C解：這是一道求中斷飽和度的題，要注意主程序?qū)?shù)據(jù)的處理不是中斷處理，因此Q秒不能算在中斷次數(shù)內(nèi)。

N個(gè)數(shù)據(jù)所需的處理時(shí)間=P×N+Q秒

平均每個(gè)數(shù)據(jù)所需處理時(shí)間=（P×N+Q）/N秒；

求倒數(shù)得：

該系統(tǒng)跟蹤到的每秒中斷請(qǐng)求數(shù)=N/（P×N+Q）次。解：這是一道求中斷飽和度的題，要注意主程序?qū)?/p>

19.在程序中斷方式中，磁盤申請(qǐng)中斷的優(yōu)先權(quán)高于打印機(jī)。當(dāng)打印機(jī)正在進(jìn)行打印時(shí)，磁盤申請(qǐng)中斷請(qǐng)求。試問(wèn)是否要將打印機(jī)輸出停下來(lái)，等磁盤操作結(jié)束后，打印機(jī)輸出才能繼續(xù)進(jìn)行？為什么？

解：這是一道多重中斷的題，由于磁盤中斷的優(yōu)先權(quán)高于打印機(jī)，因此應(yīng)將打印機(jī)輸出停下來(lái)，等磁盤操作結(jié)束后，打印機(jī)輸出才能繼續(xù)進(jìn)行。因?yàn)榇蛴C(jī)的速度比磁盤輸入輸出的速度慢，并且暫停打印不會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失。

19.在程序中斷方式中，磁盤申請(qǐng)中斷的優(yōu)先20.試比較單重中斷和多重中斷服務(wù)程序的處理流程，說(shuō)明它們不同的原因。

答：P200 比較單重中斷和多重中斷服務(wù)程序的處理流程，可以發(fā)現(xiàn)其區(qū)別在于“開中斷”的設(shè)置時(shí)間不同。對(duì)于單重中斷，開中斷指令設(shè)置在最后“中斷返回”之前，意味著在整個(gè)中斷服務(wù)處理過(guò)程中，不能再響應(yīng)其他中斷源的請(qǐng)求。對(duì)于多重中斷，開中斷指令提前至“保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)”之后，意味著在保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)后，若有級(jí)別更改的中斷源提出請(qǐng)求（這是實(shí)現(xiàn)多重中斷的必要條件），CPU也可以響應(yīng)，即再次中斷現(xiàn)行的服務(wù)程序，轉(zhuǎn)至新的中斷服務(wù)程序，這是單重中斷與多重中斷的主要區(qū)別。

20.試比較單重中斷和多重中斷服務(wù)程序的處理流程，說(shuō)明它們21.中斷向量通過(guò)什么總線送至什么地方？為什么？

答：中斷向量通過(guò)數(shù)據(jù)總線送至CPU（P197），更具體的說(shuō)是CPU中的PC(P198)。因?yàn)橐ㄟ^(guò)中斷向量來(lái)尋找設(shè)備的中斷服務(wù)程序入口地址（P196），中斷響應(yīng)階段將形成的向量地址即中斷向量送至PC,作為下一條指令的地址，即設(shè)備的中斷服務(wù)程序入口地址，轉(zhuǎn)至執(zhí)行中斷服務(wù)程序。（P198）

21.中斷向量通過(guò)什么總線送至什么地方？為什么？22.程序查詢方式和程序中斷方式都是通過(guò)“程序”傳送數(shù)據(jù)，兩者的區(qū)別是什么？

答：程序查詢方式通過(guò)“程序”傳送數(shù)據(jù)時(shí)，程序?qū)/O的控制包括了I/O準(zhǔn)備和I/O傳送兩段時(shí)間。由于I/O的工作速度比CPU低得多，因此程序中要反復(fù)詢問(wèn)I/O的狀態(tài)，造成“踏步等待”，嚴(yán)重浪費(fèi)了CPU的工作時(shí)間。

而程序中斷方式雖然也是通過(guò)“程序”傳送數(shù)據(jù)，但程序僅對(duì)I/O傳送階段進(jìn)行控制，I/O準(zhǔn)備階段不需要CPU查詢。故CPU此時(shí)照樣可以運(yùn)行現(xiàn)行程序，與I/O并行工作，大大提高了CPU的工作效率。22.程序查詢方式和程序中斷方式都是通過(guò)“31.假設(shè)某設(shè)備向CPU傳送信息的最高頻率是40000次/秒，而相應(yīng)的中斷處理程序其執(zhí)行時(shí)間為40s，試問(wèn)該外設(shè)