計算機組成原理課后答案(高教版)5課件

2023/2/31I/O有哪些編址方式？各有何特點？解：有兩種：I/O與內存統(tǒng)一編址和I/O獨立編址；統(tǒng)一編址方式的I/O地址采用與主存單元地址完全一樣的格式，I/O設備和主存占用同一個地址空間，CPU可像訪問主存一樣訪問I/O設備，不需要安排專門的I/O指令。獨立編址方式時機器為I/O設備專門安排一套完全不同于主存地址格式的地址編碼，此時I/O地址與主存地址是兩個獨立的空間，CPU需要通過專門的I/O指令來訪問I/O地址空間。

討論：I/O編址方式的意義：

I/O編址方式的選擇主要影響到指令系統(tǒng)設計時I/O指令的安排，因此描述其特點時一定要說明此種I/O編址方式對應的I/O指令設置情況。

I/O與內存統(tǒng)一編址方式將I/O地址看成是存儲地址的一部分，占用主存空間；

問題：確切地講，I/O與內存統(tǒng)一編址的空間為總線空間，I/O所占用的是內存的擴展空間。

I/O獨立編址方式有明顯的I/O地址標識，而I/O與內存統(tǒng)一的編址方式?jīng)]有；

問題：無論哪種編址方式，I/O地址都是由相應的指令提供的，而地址本身并沒有特殊的標識。

2023/2/322.簡要說明CPU與I/O之間傳遞信息可采用哪幾種聯(lián)絡方式？它們分別用于什么場合？答：CPU與I/O之間傳遞信息常采用三種聯(lián)絡方式：直接控制（立即響應）、同步、異步。適用場合分別為：直接控制適用于結構極簡單、速度極慢的I/O設備，CPU直接控制外設處于某種狀態(tài)而無須聯(lián)絡信號。同步方式采用統(tǒng)一的時標進行聯(lián)絡，適用于CPU與I/O速度差不大，近距離傳送的場合。異步方式采用應答機制進行聯(lián)絡，適用于CPU與I/O速度差較大、遠距離傳送的場合。討論：注意I/O交換方式、I/O傳送分類方式與I/O聯(lián)絡方式的區(qū)別：

串行、并行I/O傳送方式常用于描述I/O傳送寬度的類型；

I/O交換方式主要討論傳送過程的控制方法；

I/O聯(lián)絡方式主要解決傳送時CPU與I/O之間如何取得通信聯(lián)系以建立起操作上的同步配合關系。

同步方式適用于CPU與I/O工作速度完全同步的場合。

問題：I/O要達到與CPU工作速度完全同步一般是不可能的。同步方式的實質是“就慢不就快”，如采用同步方式一般CPU達不到滿負荷工作。

2023/2/333.I/O與主機交換信息時，共有哪幾種控制方式？

簡述它們的特點。(1)程序查詢方式。特點是主機與I/O串行工作，CPU啟動I/O后，時刻查詢I/O是否準備好，若設備準備就緒，CPU便轉入處理I/O與主機間傳送信息的程序；若設備沒有準備就緒，則CPU反復查詢，踏步等待，直到I/O準備就緒為止，這種方式CPU效率很低。(2)程序中斷方式。特點為主機與I/O并行工作。CPU啟動I/O后，不必時刻查詢I/O是否準備好，而是繼續(xù)執(zhí)行程序，當I/O準備就緒時，向CPU發(fā)出中斷信號，CPU在適當?shù)臅r候相應I/O的中斷請求，暫?，F(xiàn)行的程序為I/O服務，此方式消除了踏步現(xiàn)象，提高了CPU的效率。(3)DMA方式。其特點是主機與I/O并行工作，主存和I/O之間有一條直接數(shù)據(jù)通路，CPU啟動I/O后，不必查詢I/O是否準備好，當I/O準備就緒后，發(fā)出DMA請求，此時CPU不直接參與I/O和主存間的信息交換，只是把外部總線的使用權暫時交付DMA，仍然可以完成自身內部的操作，所以不必中斷現(xiàn)行程序，只需暫停一個存取周期訪存，CPU效率更高。(4)通道方式。通道是一個具有特殊功能的處理器，CPU把部分權力下放給通道，由它實現(xiàn)對外圍設備的同意管理和外圍設備與內存之間的數(shù)據(jù)交換，大大提高了CPU的效率，但是它是以花費更多的硬件為代價的。(5)I/O處理機方式。他是通道方式的進一步發(fā)展，CPU將I/O的操作以及外圍設備的管理全部給I/O處理機，其實質是多機系統(tǒng)，因而效率有很大的提高。2023/2/344.試比較程序查詢方式、程序中斷方式和DMA方式對CPU工作效率的影響。程序查詢方式要求CPU時刻查詢I/O，直到I/O準備好為止，這種方式CPU工作效率很低。程序中斷方式比程序查詢方式提高了CPU的工作效率，消除了“踏步”現(xiàn)象。DMA方式中CPU的工作效率是這三種之中最高的一個。CPU啟動I/O后，不必查詢I/O是否準備好，當I/O準備就緒后，發(fā)出DMA請求，此時CPU不直接參與I/O和主存間的信息交換，只是把外部總線的使用權暫時交付DMA，仍然可以完成自身內部的操作，所以不必中斷現(xiàn)行程序，只需暫停一個存取周期訪存，CPU效率更高。2023/2/355.圖形顯示和圖像顯示有何區(qū)別？圖形顯示器是用點、線、面組合而成的平面或立體圖形。并可以做平移、比例變化、旋轉、坐標變換、投影變換、透視變換、透視投影、軸側投影、單點透視、兩點或三點透視以及隱線處理等操作。主要用于CAD和CAM等。圖形顯示器所顯示的圖形是由計算機用一定的算法形成的點、線、面、陰影等，它來自主觀世界，因此又稱主觀圖像或叫做計算機圖像。圖像顯示器所顯示的圖像通常來自客觀世界，故又稱客觀圖像。圖像顯示器是把由計算機處理后的圖像，以點陣列的形式顯示出來。2023/2/366.字符顯示器的接口電路中配有緩沖存儲器和只讀存儲器，各有何作用？解：(1)緩沖存儲器做為顯示存儲器，存放欲顯示的字符的ASII碼，其容量與顯示屏能顯示的字符個數(shù)有關，每個字符所在存儲單元的地址與字符所在熒光屏上的位置一一對應。(2)只讀存儲器做為字符發(fā)生器，將ASCII碼轉變?yōu)橐唤M光點矩陣信息ROM的個數(shù)與顯示器所能顯示的字符種類有關。2023/2/377.試比較針式打印機、激光打印機和噴墨打印機。針式打印機、激光打印機和噴墨打印機都配有一個字符發(fā)生器，它們的共同特點是都能將字符編碼信息變?yōu)辄c陣信息，不同的是這些點陣信息的控制對象不同。點陣針式打印機的字符點陣用于控制打印機的驅動電路；激光打印機的字符點陣脈沖信號用于控制激光束；噴墨打印機的字符點陣信息控制墨滴的運動軌跡。此外，點陣針式打印機是屬于擊打式打印機，可以逐字打印也可以逐行打印，噴墨打印機只能逐字打印，激光打印機數(shù)據(jù)頁式輸出設備，后兩種都屬于非擊打式打印機。不同種類的打印機其性能和價格差別很大，用戶可以根據(jù)不同的需要合理選用。要求印字質量高的場合可以選用激光打印機；要求價格便宜的或是只需要具有文字處理功能的個人用計算機，可配置串行點陣針式打印機；要求處理的信息量很大，速度要求快，應該配置行式打印機或是高速激光打印機。2023/2/388.某計算機的I/O設備采用異步串行傳送方式傳送字符信息。字符信息的格式為1位起始位、7位數(shù)據(jù)位、1位校驗位和1位停止位。若要求每秒鐘傳送480個字符，那么該設備的數(shù)據(jù)傳送速率為多少？解：480×10=4800位/秒=4800波特；

波特——是數(shù)據(jù)傳送速率波特率的單位。

比特率=4800×7/10=3360位/秒

2023/2/399.什么是多媒體技術？簡要說明研制多媒體計算機的關鍵技術。多媒體技術是指強調計算機與聲音、活動圖像和文字相結合的技術。多媒體技術的關鍵技術主要有：視頻和音頻數(shù)據(jù)的壓縮和解壓縮技術、多媒體專用芯片、大容量存儲器、適用于多媒體技術的軟件。2023/2/31010.什么是I/O接口，它與端口有何區(qū)別?為什么要設置I/O接口？I/O接口如何分類？解：I/O接口一般指CPU和I/O設備間的連接部件；端口是指I/O接口內CPU能夠訪問的寄存器，端口加上相應的控制邏輯即構成I/O接口。接口的設置主要是為了解決主機和外設直接的差異問題，實現(xiàn)相互通信。I/O接口分類方法很多，主要有：（1）按數(shù)據(jù)傳送方式分有并行接口和串行接口兩種；（2）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。

2023/2/311接口（interface）和端口（port）的區(qū)別。接口位于CPU和外設之間，是一個連接部件。它一邊通過地址線、數(shù)據(jù)線和控制線與CPU連接，另一邊通過數(shù)據(jù)信息，控制信息和狀態(tài)信息與外設連接。數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息和控制信息分別放在外設接口（interface）的不同寄存器中。這些寄存器被稱作端口（port），數(shù)據(jù)口、狀態(tài)口和控制口，分別存放數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息和控制信息。CPU可對這些端口（寄存器）進行“讀”或“寫”操作，因此每個端口都有一個“地址”對應。CPU對這些端口是可編程的。2023/2/31211.簡述I/O接口的功能和基本組成功能組成選址功能傳送命令的功能傳送數(shù)據(jù)的功能反映設備狀態(tài)的功能設備選擇電路命令寄存器、命令譯碼器數(shù)據(jù)緩沖寄存器設備狀態(tài)標記2023/2/31312.結合程序查詢方式的接口電路，說明其工作過程。

解：程序查詢接口工作過程如下（以輸入為例）：

1）CPU發(fā)I/O地址地址總線接口設備選擇器譯碼選中，發(fā)SEL信號開命令接收門；

2）CPU發(fā)啟動命令

D置0，B置1

接口向設備發(fā)啟動命令設備開始工作；

3）CPU等待，輸入設備讀出數(shù)據(jù)

DBR；

4）外設工作完成，完成信號接口

B置0，D置1；

5）準備就緒信號控制總線

CPU；

6）輸入：CPU通過輸入指令（IN）將DBR中的數(shù)據(jù)取走；2023/2/314

若為輸出，除數(shù)據(jù)傳送方向相反以外，其他操作與輸入類似。工作過程如下：

1）CPU發(fā)I/O地址地址總線接口設備選擇器譯碼選中，發(fā)SEL信號開命令接收門；

2）輸出：CPU通過輸出指令（OUT）將數(shù)據(jù)放入接口DBR中；

3）CPU發(fā)啟動命令

D置0，B置1

接口向設備發(fā)啟動命令設備開始工作；

4）CPU等待，輸出設備將數(shù)據(jù)從

DBR取走；

5）外設工作完成，完成信號接口

B置0，D置1；

6）準備就緒信號控制總線

CPU，CPU可通過指令再次向接口DBR輸出數(shù)據(jù)，進行第二次傳送。2023/2/31513.說明中斷向量地址和入口地址的區(qū)別和聯(lián)系。解：區(qū)別：

向量地址是硬件電路（向量編碼器）產(chǎn)生的中斷源的內存地址編號，中斷入口地址是中斷服務程序首址。

聯(lián)系：

中斷向量地址可理解為中斷服務程序入口地址指示器（入口地址的地址），通過它訪存可獲得中斷服務程序入口地址。

2023/2/31614.在什么條件下，I/O設備可以向CPU提出中斷請求？

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

15.什么是中斷允許觸發(fā)器？它有何作用？

解：中斷允許觸發(fā)器是CPU中斷系統(tǒng)中的一個部件，他起著開關中斷的作用（即中斷總開關，則中斷屏蔽觸發(fā)器可視為中斷的分開關）。

16.在什么條件和什么時間，CPU可以響應I/O的中斷請求？

解：CPU響應I/O中斷請求的條件和時間是：當中斷允許狀態(tài)為1（EINT=1），且至少有一個中斷請求被查到，則在一條指令執(zhí)行完時，響應中斷。

2023/2/31717.某系統(tǒng)對輸入數(shù)據(jù)進行取樣處理，每抽取一個輸入數(shù)據(jù)，CPU就要中斷處理一次，將取樣的數(shù)據(jù)存至存儲器的緩沖區(qū)中，該中斷處理需P秒。此外，緩沖區(qū)內每存儲N個數(shù)據(jù)，主程序就要將其取出進行處理，這個處理需Q秒。試問該系統(tǒng)可以跟蹤到每秒多少次中斷請求？解：

N個數(shù)據(jù)所需的處理時間=P×N+Q秒

平均每個數(shù)據(jù)所需處理時間=（P×N+Q）/N秒；

求倒數(shù)得：

該系統(tǒng)跟蹤到的每秒中斷請求數(shù)=N/（P×N+Q）次。

2023/2/31819.在程序中斷方式中，磁盤申請中斷的優(yōu)先權高于打印機。當打印機正在進行打印時，磁盤申請中斷請求。試問是否要將打印機輸出停下來，等磁盤操作結束后，打印機輸出才能繼續(xù)進行？為什么？解：由于磁盤中斷的優(yōu)先權高于打印機，因此應將打印機輸出停下來，等磁盤操作結束后，打印機輸出才能繼續(xù)進行。因為打印機的速度比磁盤輸入輸出的速度慢，并且暫停打印不會造成數(shù)據(jù)丟失。2023/2/31920.單重中斷和多重中斷的服務程序流程中斷否？保護現(xiàn)場設備服務恢復現(xiàn)場

開中斷中斷返回取指令執(zhí)行指令中斷服務程序

中斷響應程序斷點進棧關中斷向量地址PC中斷周期是中斷返回保護現(xiàn)場設備服務恢復現(xiàn)場開中斷開中斷開中斷中斷隱指令中斷隱指令否取指令執(zhí)行指令中斷否？否

中斷響應程序斷點進棧關中斷向量地址PC中斷周期是中斷服務程序單重多重2023/2/32021.中斷向量通過什么總線送至什么地方？為什么？答：因為中斷向量即為中斷服務子程序的入口地址，程序要利用中斷向量轉到中斷服務子程序去執(zhí)行，所以要通過數(shù)據(jù)總線送至程序計數(shù)器PC。2023/2/32122.程序查詢方式和程序中斷方式都是通過“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“程序”傳送數(shù)據(jù)時，程序對I/O的控制包括了I/O準備和I/O傳送兩段時間。由于I/O的工作速度比CPU低得多，因此程序中要反復詢問I/O的狀態(tài)，造成“踏步等待”，嚴重浪費了CPU的工作時間。

而程序中斷方式雖然也是通過“程序”傳送數(shù)據(jù)，但程序僅對I/O傳送階段進行控制，I/O準備階段不需要CPU查詢。故CPU此時照樣可以運行現(xiàn)行程序，與I/O并行工作，大大提高了CPU的工作效率。2023/2/32223.說明調用中斷服務程序和調用子程序的區(qū)別。解：（1）中斷服務程序與中斷時CPU正在運行的程序是相互獨立的，它們之間沒有確定的關系。子程序調用時轉入的子程序與CPU正在執(zhí)行的程序段是同一程序的兩部分。（2）除了軟中斷，通常中斷產(chǎn)生都是隨機的，而子程序調用是由CALL指令（子程序調用指令）引起的。（3）中斷服務程序的入口地址可以通過硬件向量法產(chǎn)生向量地址，再由向量地址找到入口地址。子程序調用的子程序入口地址是由CALL指令中的地址碼給出的。（4）調用中斷服務程序和子程序都需保護程序斷點，前者由中斷隱指令完成，后者由CALL指令本身完成。（5）處理中斷服務程序時，對多個同時發(fā)生的中斷需進行裁決，而調用子程序時一般沒有這種操作。（6）在中斷服務程序和所調用的子程序中都有保護寄存器內容的操作。2023/2/32324.答：設備查詢優(yōu)先級固定，某些優(yōu)先級較低的設備可能被餓死。設置循環(huán)優(yōu)先級可以使得設備公平獲得數(shù)據(jù)傳送。檢查狀態(tài)標記1

設備1

準備就緒？檢查狀態(tài)標記N

設備N準備就緒？…處理設備1是否否處理設備N是2023/2/32425.根據(jù)以下要求設計一個產(chǎn)生3個設備向量地址的電路。

（1）3個設備的優(yōu)先級按A→B→C降序排列。

（2）A、B、C的向量地址分別為110100、010100、000110。

（3）排隊器采用鏈式排隊電路。

（4）當CPU發(fā)來中斷響應信號INTA時，可將向量地址取至CPU。

解：此題與教材例5.2類似，可參考設計。該設備向量地址的電路如下：2023/2/325INTRA11&&/INTRA來自高一級的排隊器INTRB&INTRC&1&/INTRB&/INTRB至低一級的排隊器設備編碼器INTPAINTPBINTPC數(shù)據(jù)總線110100010100000110INTA2023/2/32626.什么是多重中斷？實現(xiàn)多重中斷的必要條件是什么？解：多重中斷是指：當CPU執(zhí)行某個中斷服務程序的過程中，發(fā)生了更高級、更緊迫的事件，CPU暫?，F(xiàn)行中斷服務程序的執(zhí)行，轉去處理該事件的中斷，處理完返回現(xiàn)行中斷服務程序繼續(xù)執(zhí)行的過程。

實現(xiàn)多重中斷的必要條件是：在現(xiàn)行中斷服務期間，中斷允許觸發(fā)器為1，即開中斷。

2023/2/32727.DMA方式有何特點？什么樣的I/O設備與主機交換信息時采用DMA方式，舉例說明。答：DMA方式即直接存儲器訪問方式，也就是在外設和主存之間直接通過總線傳送信息，而不需經(jīng)過CPU，提高了傳送效率也減少了CPU的負擔。一般都是高速外設和內存的信息傳送采用DMA方式。比如硬盤。2023/2/32828.CPU對DMA請求和中斷請求的響應時間是否一樣？為什么？解：CPU對DMA請求和中斷請求的響應時間不一樣，因為兩種方式的交換速度相差很大，因此CPU必須以更短的時間間隔查詢并響應DMA請求（一個存取周期末）。對中斷的查詢安排在一條指令周期末。2023/2/32930.DMA的工作方式中，CPU暫停方式和周期挪用方式的數(shù)據(jù)傳送流程有何不同？畫圖說明。解：主要區(qū)別在于傳送階段，現(xiàn)行程序是否完全停止訪存。2023/2/3302023/2/33131.假設某設備向CPU傳送信息的最高頻率是40000次/秒，而相應的中斷處理程序其執(zhí)行時間為40us，試問該外設是否可用程序中斷方式與主機交換信息，為什么？解：該設備向CPU傳送信息的時間間隔=1/40000s=0.025×10-3s=25us<40us則：該外設不能用程序中斷方式與主機交換信息，因為其中斷處理程序的執(zhí)行速度比該外設的交換速度慢。2023/2/33232.設磁盤存儲器轉速為3000轉/分，分8個扇區(qū)，每扇區(qū)存儲1K字節(jié)，主存與磁盤存