计算机组成原理第五章答案

1、输入输出系统输入输出系统 1. I/O有哪些编址方式？各有何特点？有哪些编址方式？各有何特点？ 解：常用的解：常用的I/O编址方式有两种：编址方式有两种： I/O与内与内存统一编址和存统一编址和I/O独立编址独立编址； 特点特点： I/O与内存统一编址方式的与内存统一编址方式的I/O地址地址采用采用与主存单元地址完全一样与主存单元地址完全一样的格式，的格式，I/O设备设备和主存占用和主存占用同一个同一个地址空间，地址空间，CPU可可像访问主像访问主存一样存一样访问访问I/O设备，设备，不需要安排专门的不需要安排专门的I/O指指令令。 I/O独立编址方式时机器为独立编址方式时机器为I/O设备专门

2、安设备专门安排一套完全不同于主存地址格式的地址编码，排一套完全不同于主存地址格式的地址编码，此时此时I/O地址与主存地址是地址与主存地址是两个独立的空间两个独立的空间，CPU需要通过需要通过专门的专门的I/O指令指令来访问来访问I/O地址空地址空间。间。 2. 简要说明简要说明CPU与与I/O之间传递信息可采用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？哪几种联络方式？它们分别用于什么场合？ 答：答： CPU与与I/O之间传递信息常采用三种联之间传递信息常采用三种联络方式：络方式：直接控制（立即响应）、直接控制（立即响应）、 同步、异步。同步、异步。 适用场合分别为：适用场合分别为

3、： 直接控制直接控制适用于结构极简单、速度极慢的适用于结构极简单、速度极慢的I/O设备，设备，CPU直接控制直接控制外设处于某种状态而无须外设处于某种状态而无须联络信号。联络信号。 同步方式同步方式采用采用统一的时标统一的时标进行联络，适用于进行联络，适用于CPU与与I/O速度差不大，近距离传送的场合。速度差不大，近距离传送的场合。 异步方式异步方式采用采用应答机制应答机制进行联络，适用于进行联络，适用于CPU与与I/O速度差较大、远距离传送的场合。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

4、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字符显示器的接口电路中

5、配有有缓冲存储器缓冲存储器和和只读存储器只读存储器，各有何，各有何作用？作用？ 解：显示缓冲存储器的作用是解：显示缓冲存储器的作用是支持屏幕扫描时的反复支持屏幕扫描时的反复刷新刷新；只读存；只读存储器作为储器作为字符发生器字符发生器使用，他起着将使用，他起着将字符的字符的ASCII码转换为字形点阵码转换为字形点阵信息信息的作用。的作用。 8. 某计算机的某计算机的I/O设备采用异步设备采用异步串行传送方式传送字符信息。字符串行传送方式传送字符信息。字符信息的格式为信息的格式为一位起始位、七位数一位起始位、七位数据位、一位校验位和一位停止位。据位、一位校验位和一位停止位。若要求每秒钟传送若要求每

6、秒钟传送480个字符个字符，那么，那么该设备的数据传送速率为多少？该设备的数据传送速率为多少？ 解：解：48010=4800位位/秒秒=4800波特；波特； 波特波特是数据传送速率波特是数据传送速率波特率的率的单位单位。 10. 什么是什么是I/O接口接口?它与它与端口端口有何区别？有何区别？为为什么什么要设置要设置I/O接口？接口？I/O接口如何接口如何分类分类？ 解：解： I/O接口一般指接口一般指CPU和和I/O设备间的设备间的连连接部件接部件； I/O端口一般指端口一般指I/O接口中的各种接口中的各种寄存器寄存器。 I/O接口和接口和I/O端口是两个不同的概念。一端口是两个不同的概念。

7、一个接口中往往包含个接口中往往包含若干个若干个端口，因此端口，因此接口地址接口地址往往包含有若干个往往包含有若干个端口地址端口地址。 由于由于I/O设备的物理结构和工作速率设备的物理结构和工作速率一般与主机一般与主机差异差异很大，无法很大，无法直接直接相连，因相连，因此通常通过此通常通过I/O接口接口进行连接。进行连接。 I/O接口分类方法接口分类方法很多很多，主要有：，主要有： 按数据传送方式按数据传送方式分，有分，有并行并行接口和接口和串行串行接口两种；接口两种； 按数据传送的按数据传送的控制方式控制方式分，有分，有程序程序控制控制接口、接口、程序中断程序中断接口、接口、DMA接口三接口三

8、种。种。 12. 结合结合程序查询方式的接口程序查询方式的接口电路，说明其工电路，说明其工作过程。作过程。 解：解：程序查询接口工作过程程序查询接口工作过程如下（以输入为如下（以输入为例）：例）： 1）CPU发发I/O地址地址地址总线地址总线接口接口设备选设备选择器译码择器译码选中，发选中，发SEL信号信号开命令接收门；开命令接收门； 2）CPU发发启动启动命令命令 D置置0，B置置1 接口向设接口向设备发启动命令备发启动命令设备开始工作；设备开始工作； 3）CPU等待等待，输入设备读出数据，输入设备读出数据 DBR； 4）外设工作）外设工作完成完成，完成信号，完成信号接口接口 B置置0，D置

9、置1； 5）准备）准备就绪就绪信号信号控制总线控制总线 CPU； 6）输入输入：CPU通过通过输入指令输入指令（IN）将）将DBR中的中的数据取走；数据取走； 若为若为输出输出，除数据传送方向相反以外，其他操作，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：与输入类似。工作过程如下： 1）CPU发发I/O地址地址地址总线地址总线接口接口设备选择设备选择器译码器译码选中，发选中，发SEL信号信号开命令接收门；开命令接收门； 2）输出输出： CPU通过通过输出指令输出指令（OUT）将数据放）将数据放入接口入接口DBR中；中； 3）CPU发发启动启动命令命令 D置置0，B置置1 接口向设

10、接口向设备发启动命令备发启动命令设备开始工作；设备开始工作； 4）CPU等待等待，输出设备将数据，输出设备将数据从从 DBR取走；取走； 5）外设工作）外设工作完成完成，完成信号，完成信号接口接口 B置置0，D置置1； 6）准备）准备就绪就绪信号信号控制总线控制总线 CPU，CPU可通可通过指令过指令再次再次向接口向接口DBR输出数据，进行第二次传送。输出数据，进行第二次传送。 13. 说明说明中断向量地址中断向量地址和和入口地址入口地址的区别的区别和联系。和联系。 解：解： 中断向量地址和入口地址的中断向量地址和入口地址的区别区别： 向量地址向量地址是硬件电路（向量编码器）产是硬件电路（向量

11、编码器）产生的中断源的内存地址编号，生的中断源的内存地址编号，中断入口地址中断入口地址是中断服务程序首址。是中断服务程序首址。 中断向量地址和入口地址的中断向量地址和入口地址的联系联系： 中断向量地址可理解为中断服务程序中断向量地址可理解为中断服务程序入入口地址指示器口地址指示器（入口地址的地址），通过它（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。访存可获得中断服务程序入口地址。 14. 在什么条件下，在什么条件下，I/O设备可以向设备可以向CPU提出提出中断请求中断请求？ 解：解：I/O设备向设备向CPU提出中断请求的提出中断请求的条件条件是：是：I/O接口中的设备工作完成状态

12、为接口中的设备工作完成状态为1（D=1），中断屏蔽码为），中断屏蔽码为0 （MASK=0），且），且CPU查询中断时，中断请求触发器状态为查询中断时，中断请求触发器状态为1（INTR=1）。）。 16. 在什么在什么条件条件和什么和什么时间时间，CPU可以可以响响应应I/O的中断请求？的中断请求？ 解：解：CPU响应响应I/O中断请求的中断请求的条件和时间条件和时间是：当中断允许状态为是：当中断允许状态为1（EINT=1），且），且至少至少有一个中断请求有一个中断请求被查到，则在被查到，则在一条指令执行完一条指令执行完时，响应中断。时，响应中断。 17. 某系统对输入数据进行取样处理，每某系统

13、对输入数据进行取样处理，每抽取一个输入数据，抽取一个输入数据，CPU就要中断处理一次，就要中断处理一次，将取样的数据存至存储器的缓冲区中，该中断将取样的数据存至存储器的缓冲区中，该中断处理需处理需P秒秒。此外，缓冲区内每存储。此外，缓冲区内每存储N个个数据，数据，主程序就要将其取出进行处理，这个处理需主程序就要将其取出进行处理，这个处理需Q秒秒。试问该系统可以。试问该系统可以跟踪到每秒多少次中断请跟踪到每秒多少次中断请求？求？ 解：这是一道求解：这是一道求中断饱和度中断饱和度的题，要的题，要注意注意主程序对数据的处理不是中断处理，主程序对数据的处理不是中断处理，因此因此Q秒不能算在中断次数内。

14、秒不能算在中断次数内。 N个数据所需的处理时间个数据所需的处理时间=PN+Q秒秒 平均每个数据所需处理时间平均每个数据所需处理时间= （PN+Q） /N秒；秒； 求倒数得：求倒数得： 该系统该系统跟踪到的每秒中断请求数跟踪到的每秒中断请求数=N/（PN+Q）次。）次。 19. 在程序中断方式中，磁盘申请中在程序中断方式中，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是否要将打印机输出停下来，等磁盘操，等磁盘操作结束后，打印机输出才能继续进行？作结束后，打印机输出才能继续

15、进行？为什么？为什么？ 解：这是一道解：这是一道多重中断多重中断的题，由于的题，由于磁盘中断的优先权高于打印机，因此磁盘中断的优先权高于打印机，因此应应将打印机输出停下来将打印机输出停下来，等磁盘操作结束，等磁盘操作结束后，打印机输出才能继续进行。因为打后，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，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。并且暂停打印不会造成数据丢失。 22. 程序查询程序查询方式和方式和程序中断程序中断方式都是通过方式都是通过“程序程序”传送数据，两者的传送数据，两者的区别区别是什么？是什么？ 答：程序查询方式通过答：程序查询方式

16、通过“程序程序”传送数据时，传送数据时，程序对程序对I/O的控制包括了的控制包括了I/O准备准备和和I/O传送传送两段时两段时间。由于间。由于I/O的工作速度比的工作速度比CPU低得多，因此程序低得多，因此程序中要反复询问中要反复询问I/O的状态，造成的状态，造成“踏步等待踏步等待”，严严重浪费重浪费了了CPU的工作时间。的工作时间。 而程序中断方式虽然也是通过而程序中断方式虽然也是通过“程序程序”传送传送数据，但程序仅对数据，但程序仅对I/O传送阶段传送阶段进行控制，进行控制，I/O准准备阶段不需要备阶段不需要CPU查询。故查询。故CPU此时照样可以运此时照样可以运行现行程序，与行现行程序，

17、与I/O并行工作并行工作，大大提高了，大大提高了CPU的的工作效率。工作效率。 26. 什么是什么是多重中断多重中断？实现多重中断的？实现多重中断的必必要条件要条件是什么？是什么？ 解：多重中断是指：当解：多重中断是指：当CPU执行某个中执行某个中断服务程序的过程中，发生了更高级、更紧断服务程序的过程中，发生了更高级、更紧迫的事件，迫的事件，CPU暂停暂停现行中断服务程序的执现行中断服务程序的执行行，转去处理该事件的中断，处理完返回现，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。行中断服务程序继续执行的过程。 实现多重中断的实现多重中断的必要条件必要条件是：在现行中是：在现

18、行中断服务期间，中断允许触发器为断服务期间，中断允许触发器为1，即，即开中断开中断。 28. CPU对对DMA请求和中断请求的响请求和中断请求的响应时间应时间是否一样是否一样？为什么？为什么？ 解：解： CPU对对DMA请求和中断请求的请求和中断请求的响应时间响应时间不一样不一样，因为两种方式的交换速，因为两种方式的交换速度相差很大，因此度相差很大，因此CPU必须以更短的时间必须以更短的时间间隔查询并响应间隔查询并响应DMA请求（请求（一个存取周期一个存取周期末末）。）。 30. 在在DMA的工作方式中，的工作方式中，CPU暂停暂停方式和周期挪用方式的方式和周期挪用方式的数据传送流程数据传送流

19、程有何有何不同？画图说明。不同？画图说明。 解：两种解：两种DMA方式的工作流程见下页，方式的工作流程见下页，其其主要区别在于传送阶段，现行程序是否主要区别在于传送阶段，现行程序是否完全停止访存。完全停止访存。停止停止CPU访存访存方式的方式的DMA工作流程如下：工作流程如下：现行程序现行程序 CPU DMAC I/O让出让出总线总线 CPU DMAC I/O B C D周期窃取方式的周期窃取方式的DMA工作流程如下：工作流程如下：现行程序现行程序 CPU DMAC I/O CPU DMAC I/O B C D 31. 假设某设备向假设某设备向CPU传送信息的最高传送信息的最高频率是频率是40

20、K次次/秒秒，而相应的中断处理程序其，而相应的中断处理程序其执行时间为执行时间为40 s，试问该外设，试问该外设是否可用程序是否可用程序中断中断方式与主机交换信息，为什么？方式与主机交换信息，为什么？ 解：该设备向解：该设备向CPU传送信息的时间间隔传送信息的时间间隔 =1/40K=0.025103=25 s 40 s 则：该外设则：该外设不能用程序中断方式不能用程序中断方式与主机与主机交换信息，因为其中断处理程序的执行速度交换信息，因为其中断处理程序的执行速度比该外设的交换速度慢。比该外设的交换速度慢。 32. 设磁盘存储器转速为设磁盘存储器转速为3000转转/分分，分，分8个扇区个扇区，每

21、扇区存储，每扇区存储1K字节字节，主存与磁盘存储器数据传送的宽度为主存与磁盘存储器数据传送的宽度为16位位（即每次传送（即每次传送16位）。假设一条位）。假设一条指令最长执行时间是指令最长执行时间是25 s，是否可采，是否可采用用一条指令执行结束时响应一条指令执行结束时响应DMA请求请求的方案，为什么？若不行，应采取什么的方案，为什么？若不行，应采取什么方案？方案？ 解：先算出磁盘传送速度，然后和指解：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。令执行速度进行比较得出结论。道容量道容量=1KB8 16 =1K 8 8 16 =1K 4=4K字字数传率数传率=4K字字3000转转/分

22、分 =4K字字50转转/秒秒 =200K字字/秒秒一个字的传送时间一个字的传送时间=1/200K字字/秒秒=5 s 5 s25 s，所以，所以不能采用一条指不能采用一条指令执行结束响应令执行结束响应DMA请求的方案请求的方案，应采，应采取取每个每个CPU机器周期末机器周期末查询及响应查询及响应DMA请求的方案（通常安排请求的方案（通常安排CPU机器周期机器周期=MM存取周期）。存取周期）。 33. 试从下面七个方面比较程序查询、试从下面七个方面比较程序查询、程序中断和程序中断和DMA三种方式的三种方式的综合性能综合性能。 （1）数据传送依赖软件还是硬件；）数据传送依赖软件还是硬件； （2）传送

23、数据的基本单位；）传送数据的基本单位； （3）并行性；）并行性； （4）主动性；）主动性； （5）传输速度；）传输速度； （6）经济性；）经济性； （7）应用对象。）应用对象。 解：比较如下：解：比较如下： （1）程序查询、程序中断方式的数据）程序查询、程序中断方式的数据传送主要依赖传送主要依赖软件软件，DMA主要依赖主要依赖硬件硬件。 （2）程序查询、程序中断传送数据）程序查询、程序中断传送数据的基本单位为的基本单位为字字或或字节字节，DMA为为数据块数据块。 （3）程序查询方式传送时，）程序查询方式传送时，CPU与与I/O设备设备串行串行工作；工作； 程序中断方式时，程序中断方式时，CPU

24、与与I/O设备设备并并行行工作，现行程序与工作，现行程序与I/O传送传送串行串行进行；进行； DMA方式时，方式时，CPU与与I/O设备设备并行并行工作，现行程序与工作，现行程序与I/O传送传送并行并行进行。进行。 （4）程序查询方式时，）程序查询方式时，CPU主动主动查询查询I/O设备状态；设备状态； 程序中断及程序中断及DMA方式时，方式时，CPU被动被动接接受受I/O中断请求或中断请求或DMA请求。请求。 （5）程序中断方式由于）程序中断方式由于软件额外开销软件额外开销时间时间比较大，因此传输速度最比较大，因此传输速度最慢慢； 程序查询方式软件额外开销时间基本程序查询方式软件额外开销时间

25、基本没有，因此传输速度没有，因此传输速度比中断快比中断快； DMA方式基本由硬件实现传送，因此方式基本由硬件实现传送，因此速度最速度最快快； （6）程序查询接口硬件结构最简单，）程序查询接口硬件结构最简单，因此最因此最经济经济； 程序中断接口硬件结构稍微复杂一些，程序中断接口硬件结构稍微复杂一些，因此因此较经济较经济； DMA控制器硬件结构最复杂，因此控制器硬件结构最复杂，因此成成本最高本最高； （7）程序中断方式适用于）程序中断方式适用于中、低速中、低速设备的设备的I/O交换；交换； 程序查询方式适用于程序查询方式适用于中、低速中、低速实时处实时处理过程；理过程； DMA方式适用于方式适用于

26、高速高速设备的设备的I/O交换；交换； 补充题补充题： 一、某一、某CRT显示器可显示显示器可显示64种种ASCII字字符，每帧可显示符，每帧可显示72字字24排排；每个字符字形；每个字符字形采用采用78点阵点阵，即横向，即横向7点，字间间隔点，字间间隔1点点，纵向纵向8点，排间间隔点，排间间隔6点点；帧频；帧频50Hz，采取逐，采取逐行扫描方式。假设不考虑屏幕四边的行扫描方式。假设不考虑屏幕四边的失真失真问问题，且行回扫和帧回扫均占扫描时间的题，且行回扫和帧回扫均占扫描时间的20%，问：问： 1）显存容量显存容量至少有多大？至少有多大？ 2）字符发生器（字符发生器（ROM）容量）容量至少有多

27、至少有多大？大？ 3）显存中存放的是）显存中存放的是那种信息那种信息？ 4）显存地址与屏幕显示）显存地址与屏幕显示位置如何对应位置如何对应？ 5）设置）设置哪些计数器哪些计数器以控制显存访问与以控制显存访问与屏幕扫描之间的同步？它们的屏幕扫描之间的同步？它们的模模各是多少？各是多少？ 6）点时钟频率点时钟频率为多少？为多少？解：解：1）显存最小容量）显存最小容量=72248 =1728B 2）ROM最小容量最小容量=648行行8列列 = 512B（含字间隔（含字间隔1点）点） 3）显存中存放的是）显存中存放的是ASCII码码信息。信息。 4）显存每个地址对应一个字符显示位）显存每个地址对应一个

28、字符显示位置，显示位置置，显示位置自左至右自左至右，从上到下从上到下，分别对，分别对应缓存地址应缓存地址由低到高由低到高。 5）设置）设置点计数器、字计数器、行计数点计数器、字计数器、行计数器、排计数器器、排计数器控制显存访问与屏幕扫描之间控制显存访问与屏幕扫描之间的同步。的同步。 它们的模计算如下：它们的模计算如下： 点计数器模点计数器模 = 7+1 = 8 行计数器模行计数器模 = 8 + 6 = 14 字、排计数器的模不仅与扫描正程时间有字、排计数器的模不仅与扫描正程时间有关，而且与扫描逆程时间有关，因此计算较为关，而且与扫描逆程时间有关，因此计算较为复杂。复杂。 列方程列方程： （72+x） 0.8 = 72 （24+y） 0.8 = 24 解方程得：解方程得：x = 18，y = 6，则：，则： 字计数器模字计数器模 = 72 + 18 = 90 排计数器模排计数器模 = 24 + 6 = 30 6）点频）点频 = 50Hz 30排排 14行行 90字字 8点点 = 15 120 000Hz = 15.12MHz 二、有一编码键盘，其键阵列为二、有一编码键盘，其键阵列为8行行16列列，分别对应分别对应128种种ASCII码码字符，采用字符，采用硬件扫描方硬件扫描方式式确认按键信号，问：确认按键信号，问： 1）扫描计数器扫描计数器应为多少位？应为