江西財經大學第9章 輸入輸出系統-習題

計算機組成原理朱華貴2017年11月30日計算機組成原理第9章輸入輸出系統朱華貴2017年11月30日計算機組成原理１、什么是計算機的輸入輸出系統？輸入輸出設備有哪些編址方式？有什么特點？答：計算機的輸入輸出系統包括輸入輸出接口和輸入輸出信息傳送控制方式等，它們是整個計算機系統中最具有多樣性和復雜性的部分。輸入輸出設備有兩種編址方式：I／O映射方式（獨立編址）和存儲器映射方式（統一編址），獨立編址的優(yōu)點是I／O指令和訪存指令容易區(qū)分，外設地址線少，譯碼簡單，主存空間不會減少，缺點是控制線增加了I／O讀和I／O寫信號；統一編址的優(yōu)點是總線結構簡單，全部訪存類指令都可用于控制外設，可直接對外設寄存器進行各種運算，占用主存一部分地址，縮小了可用的主存空間。２、什么是I／O接口？I／O接口有哪些特點和功能？接口有哪些類型？答：I／O接口是主機和外設之間的交接界面，通過接口可以實現主機和外設之間的信息交換。接口的基本功能有：實現主機和外設的通信聯絡控制；進行地址譯碼和設備選擇；實現數據緩沖；完成數據格式的變換；傳遞控制命令和狀態(tài)信息。接口按數據傳送方式分類，有串行接口和并行接口；按控制方式分類，有程序查詢接口、程序中斷接口、DMA接口；按靈活性分類，有可編程接口和不可編程接口；按通用性分類，有通用接口和專用接口；按I／O信號分類，有數字接口和模擬接口；按應用分類，有運行輔助接口、用戶交互接口、傳感接口、控制接口。３、并行接口和串行接口實質上的區(qū)別是什么？其界面如何劃分？各有什么特點？答：有串行接口和并行接口。兩者的實質區(qū)別在于外設和接口一側的傳送方式不同，而在主機和接口一側，數據總是并行傳送的。在并行接口中，外設和接口間的傳送寬度是一個字節(jié)（或字）的所有位，一次傳輸的信息量大，但數據線的數目將隨著傳送數據寬度的增加而增加。在串行接口中，外設和接口間的數據是一位一位串行傳送的，一次傳輸的信息量小，但只需一根數據線。在遠程終端和計算機網絡等設備離主機較遠的場合下，用串行接口比較經濟劃算。４、I／O數據傳送可以采用哪些方式？它們各有什么特點及應用場所？試比較之。答：主機和外設之間的信息傳送控制方式，經歷了由低級到高級、由簡單到復雜、由集中管理到各部件分散管理的發(fā)展過程，按其發(fā)展的先后次序和主機與外設并行工作的程度，可以分為４種。程序查詢方式是主機與外設間進行信息交換的最簡單方式，輸入和輸出完全是通過CPU執(zhí)行程序來完成的。這種方式控制簡單，但外設和主機不能同時工作，系統效率很低，因此，僅適用于外設的數目不多、對I／O處理的實時要求不高、CPU的操作任務比較單一、并不很忙的情況。程序中斷方式無需等待查詢，外設在做好輸入輸出準備時，向主機發(fā)中斷請求，主機接到請求后就暫時中止原來執(zhí)行的程序，轉去執(zhí)行中斷服務程序對外部請求進行處理，在中斷處理完畢后返回原來的程序繼續(xù)執(zhí)行。程序中斷不僅適用于外部設備的輸入輸出操作，也適用于對外界發(fā)生的隨機事件的處理。由于完成一次程序中斷還需要許多輔助操作，因此主要適用于中、低速外設。DMA方式是在主存和外設之間開辟直接的數據通路，可以進行基本上不需要CPU介入的主存和外設之間的信息傳送，這樣不僅能保證CPU的高效率，而且能滿足高速外設的需要。DMA方式只能進行簡單的數據傳送操作，在數據塊傳送的起始和結束時還需CPU及中斷系統進行預處理和后處理。I／O通道控制方式是DMA方式的進一步發(fā)展，在系統中設有通道控制部件，每個通道掛若干外設，主機在執(zhí)行I／O操作時，只需啟動有關通道，通道將執(zhí)行通道程序，從而完成I／O操作。５、程序查詢方式、程序中斷方式、DMA方式各自適用什么范圍？下面這些結論正確嗎？為什么？（１）程序中斷方式能提高CPU利用率，所以在設置了中斷方式后就沒有再應用程序查詢方式的必要了。答：程序查詢方式、程序中斷方式、DMA方式各自適用的范圍見前述。（１）不正確。程序查詢方式接口簡單，可用于外設與主機速度相差不大，且外設數量很少的情況。（２）DMA方式能處理高速外部設備與主存間的數據傳送，高速工作性能往往能覆蓋低速工作要求，所以DMA方式可以完全取代程序中斷方式。（２不正確。DMA方式用于高速外部設備與主存間的數據傳送，但DMA結束時仍需程序中斷方式做后處理。６、什么是程序查詢I／O傳送方式？試舉例說明其工作原理，它有哪些優(yōu)缺點？答：程序查詢方式是主機與外設間進行信息交換的最簡單方式，程序查詢方式的核心問題在于需要不斷地查詢I／O設備是否準備就緒。CPU利用程序查詢方式從硬盤上讀取一個數據的過程是：CPU首先啟動鍵盤工作，然后測試鍵盤狀態(tài)，若鍵盤數據未準備就緒，則輸入緩沖寄存器的內容不可以使用，繼續(xù)查詢；若鍵盤數據已準備就緒，則執(zhí)行輸入指令取走該數據。這種方式的優(yōu)點是控制簡單，節(jié)省硬件，缺點是系統效率低。

７、圖9-5（主教材第287頁）是以程序查詢方式實現與多臺設備進行數據交換的流程圖，試分析這種處理方式存在的問題以及改進措施。答：若有多個外設需要用查詢方式工作時，CPU巡回檢測各個外設，逐個進行查詢，發(fā)現哪個外設準備就緒，就對該外設實施數據傳送，然后再對下一個外設查詢，依次循環(huán)。在整個查詢過程中，CPU不能做別的事。如果某一外設剛好在查詢過自己之后才處于就緒狀態(tài)，那么它就必須等CPU查詢完其他外設后再次查詢自己時，才能讓CPU為它服務，這對于實時性要求較高的外設來說，就可能丟失數據。改進的措施可以采用增加緩沖寄存器的方法。８、如果采用程序查詢方式從磁盤上輸入一組數據，設主機執(zhí)行指令的平均速度為１００萬條指令每秒，試問從磁盤上讀出相鄰兩個數據的最短允許時間間隔是多少？若改為中斷式輸入，這個間隔是更短些還是更長些？由此可得出什么結論？答：指令的平均執(zhí)行時間為１μs，若采用程序查詢方式，每傳送一個數據至少需要５條指令，則從磁盤上讀出相鄰兩個數據的最短允許時間間隔為５μs。若改為中斷方式輸入，這個間隔不會縮短，只會延長。由此可知，中斷方式并不適合磁盤這類高速外設使用。９、什么是中斷？外部設備如何才能產生中斷？答：中斷是指：計算機執(zhí)行現行程序的過程中，出現某些急需處理的異常情況和特殊請求，CPU暫時中止現行程序，而轉去對隨機發(fā)生的更緊迫的事件進行處理，在處理完畢后，CPU將自動返回原來的程序繼續(xù)執(zhí)行。外部設備（中斷源）準備就緒后會主動向CPU發(fā)出中斷請求。通常由外設的完成信號將相應的中斷請求觸發(fā)器置成“１”狀態(tài)，表示該中斷源向CPU提出中斷請求。１０、中斷為什么要判優(yōu)？有哪些具體的判優(yōu)方法？各有什么優(yōu)缺點？答：當多個中斷源同時發(fā)出中斷請求時，CPU在任何瞬間只能響應一個中斷源的請求，所以需要把全部中斷源按中斷的性質和輕重緩急安排優(yōu)先級，以保證響應優(yōu)先級別最高的中斷請求。中斷判優(yōu)的方法可分為：軟件判優(yōu)法和硬件判優(yōu)法。前者簡單，可以靈活地修改中斷源的優(yōu)先級別，但查詢、判優(yōu)完全是靠程序實現的，不但占用CPU時間，而且判優(yōu)速度慢。后者可節(jié)省CPU時間，速度快，但是需要硬件判優(yōu)電路，成本較高。１０、中斷為什么要判優(yōu)？有哪些具體的判優(yōu)方法？各有什么優(yōu)缺點？答：當多個中斷源同時發(fā)出中斷請求時，CPU在任何瞬間只能響應一個中斷源的請求，所以需要把全部中斷源按中斷的性質和輕重緩急安排優(yōu)先級，以保證響應優(yōu)先級別最高的中斷請求。中斷判優(yōu)的方法可分為：軟件判優(yōu)法和硬件判優(yōu)法。前者簡單，可以靈活地修改中斷源的優(yōu)先級別，但查詢、判優(yōu)完全是靠程序實現的，不但占用CPU時間，而且判優(yōu)速度慢。后者可節(jié)省CPU時間，速度快，但是需要硬件判優(yōu)電路，成本較高。１１、CPU響應中斷應具備哪些條件？答：①CPU接收到中斷請求信號；②CPU允許中斷；③一條指令執(zhí)行完畢。１２、什么叫中斷隱指令？中斷隱指令有哪些功能？中斷隱指令如何實現？答：CPU響應中斷之后，經過某些操作，轉去執(zhí)行中斷服務程序。這些操作是由硬件直接實現的，稱為中斷隱指令。中斷隱指令并不是指令系統中的一條真正的指令，它沒有操作碼，所以中斷隱指令是一種不允許、也不可能為用戶使用的特殊指令。其所完成的操作主要有：①保存斷點；②暫不允許中斷；③引出中斷服務程序。１３、什么是中斷向量？中斷向量如何形成？向量中斷和非向量中斷有何差異？答：中斷向量是指向量中斷在中斷事件在提出中斷請求時，通過硬件向主機提供的中斷向量地址。中斷向量由中斷源的有關硬件電路形成。向量中斷和非向量中斷的區(qū)別在于：前者是指那些中斷服務程序的入口地址是由中斷事件自己提供的中斷；后者是指中斷事件不能直接提供中斷服務程序入口地址的中斷。１４、在程序中斷處理中，要做到現行程序向中斷服務程序過渡和中斷服務程序執(zhí)行完畢返回現行程序，必須進行哪些關鍵性操作？一般采用什么方法實現這些操作？答：最關鍵的操作有保存斷點，適時開、關中斷，保護和恢復現場等，其中部分工作由硬件完成，部分工作由軟件完成。１５、假定某機的中斷處理方式是將斷點存入０００００Q單元，并從７７７７７Q單元取出指令（即中斷服務程序的第一條指令）執(zhí)行。試排出完成此功能的中斷周期微操作序列，并判斷出中斷服務程序的第一條指令是何指令（假定主存容量為２１５個單元）？答：中斷周期微操作序列：０００００Q→MAR（PC）→MDRWRITE０→EINT７７７７７Q→PC中斷服務程序的第一條指令必須是一條無條件轉移指令，否則PC＋１將會變?yōu)?00000，斷點被當成指令。１６、假設有１、２兩個設備，其優(yōu)先級為設備１＞設備２，若它們同時提出中斷請求，試說明中斷處理過程，畫出其中斷處理過程示意圖，并標出斷點。答：中斷處理過程示意圖見圖9-１５。17、設某計算機有4個中斷源，優(yōu)先級為1→2→3→4降序排列，若1、2、3、4中斷源的服務程序中對應得屏蔽字分別為1110、0100、0110、1111，試寫出這4個中斷源的中斷處理次序（按降序排列）。若4個中斷源同時有中斷請求，畫出CPU執(zhí)行程序的軌跡。答：中斷處理次序：4→1→3→2L1L2L3L4現行程序L1L2L3L4１8、現有A、B、C、D共４個中斷源，其優(yōu)先級由高向低按A、B、C、D順序排列。若中斷服務程序的執(zhí)行時間為20μs，請根據圖所示時間軸給出的中斷源請求中斷的時刻，畫出CPU執(zhí)行程序的軌跡。答：CPU執(zhí)行程序的軌跡如圖所示。中斷請求時間軸CPU執(zhí)行程序的軌跡19、設某機有５級中斷：L０、L１、L２、L３、L４，其中斷響應優(yōu)先次序為：L０最高、L１次之、??、L４最低?，F在要求將中斷處理次序改為L１→L３→L０→L４→L２，試問：（１）各級中斷服務程序中的各中斷屏蔽碼應如何設置（設每級對應一位，當該位為“０”，表示中斷允許；當該位為“１”，表示中斷屏蔽）？（２）若這５級同時都發(fā)出中斷請求，試畫出進入各級中斷處理過程示意圖。答：（１）各級中斷服務程序中的各中斷屏蔽碼設置如表所示2）５級中斷同時發(fā)出中斷請求，各級中斷處理過程示意如圖所示。中斷屏蔽碼20、實現多重中斷應具備何種條件？如有A、B、C、D共４級中斷，A的優(yōu)先級最高，B次之，??，D最低。如在程序執(zhí)行過程中，C和D同時申請中斷，該先響應哪級中斷？如正在處理該中斷時，A、B又同時有中斷請求，試畫出該多級中斷處理的流程來。答：多重中斷又稱為中斷嵌套，在執(zhí)行某個中斷服務程序的過程中，CPU可去響應級別更高的中斷請求。多級中斷處理的流程如圖所示。

21、CPU響應DMA請求和響應中斷請求有什么區(qū)別？為什么通常使DMA請求的優(yōu)先級高于中斷請求？答：對中斷請求的響應時間只能發(fā)生在每條指令執(zhí)行完畢時，而對DMA請求的響應時間可以發(fā)生在每個機器周期結束時。DMA方式常用于高速外設的成組數據傳送，如果不及時處理將丟失信息，所以DMA請求的優(yōu)先級應高于中斷請求。22、什么是DMA傳送方式？試比較常用的３種DMA傳送方法的優(yōu)缺點？答：DMA傳送方式是在外設和主存之間開辟一條“直接數據通道”，在不需要CPU干預也不需要軟件介入的情況下在兩者之間進行的高速數據傳送方式。常用的DMA傳送方法有：CPU停止訪問主存法、存儲器分時法和周期挪用法。CPU停止訪問主存法適用于高速外設的成組傳送，可以減少系統總線控制權的交換次數，有利于提高輸入輸出的速度。存儲器分時法無需申請和歸還總線，可在CPU不知不覺中進行了DMA傳送；但這種方法需要主存在原來的存取周期內為兩個部件服務，如果要維持CPU的訪存速度不變，就要求主存的工作速度提高一倍。另外，由于大多數外設的速度都不能與CPU相匹配，所以供DMA使用的時間片可能成為空操作，將會造成一些不必要的浪費。周期挪用法是前兩種方法的折中。23、實現DMA傳送需要哪些硬件支持？答：DMA傳送需要DMA控制器的支持。DMA控制器中主要有下面各部分。主存地址計數器：用來存放待交換數據的主存地址。傳送長度計數器：用來記錄傳送數據塊的長度。數據緩沖寄存器：用來暫存每次傳送的數據。DMA請求觸發(fā)器：每當外設準備好數據后給出一個控制信號，使DMA請求觸發(fā)器置位?？刂疲癄顟B(tài)邏輯：用于指定傳送方向，修改傳送參數，并對DMA請求信號和CPU響應信號進行協調和同步。中斷機構：當一個數據塊傳送完畢后觸發(fā)中斷機構，向CPU提出中斷請求，CPU將進行DMA傳送的結束處理。24、簡述DMA傳送的工作過程。答：DMA傳送的工作過程為：①DMA預處理：在DMA傳送之前必須要做準備工作，即初始化。CPU首先執(zhí)行幾條I／O指令，用于測試外設的狀態(tài)、向DMA控制器的有關寄存器設置初值、設置傳送方向、啟動該外部設備等。在這些工作完成之后，CPU繼續(xù)執(zhí)行原來的程序，由外設向DMA控制器發(fā)DMA請求，再由DMA控制器向CPU發(fā)總線請求。②數據傳送：DMA的數據傳送可以單字節(jié)（或字）為基本單位，也可以數據塊為基本單位。③DMA后處理：當傳送長度計數器計到０時，DMA操作結束，DMA控制器向CPU發(fā)中斷請求，CPU停止原來程序的執(zhí)行，轉去執(zhí)行中斷服務程序做DMA結束處理工作。25、在主存接收從磁盤送來的一批信息時：（１）假定主存的周期為１μs，若采用程序查詢方式傳送，試估算在磁盤上相鄰兩數據字間必須具有的最短允許時間間隔是多少？（２）若改為中斷方式傳送，這個時間又會怎樣？是否還有更好的傳送方式？（３）在采用更好的傳送方式下，假設磁盤上兩數據字間的間隔為１μs，主存又要被CPU占有一半周期時間，試計算這種情況下主存周期最少應是多少？答：（１）根據程序查詢方式的流程圖可見，程序查詢方式至少需要５條指令才能完成一個數據的傳送，假定每條指令執(zhí)行時間為１μs，則兩個數據字之間的最短時間間隔為５μs（假設每條指令１μs）。（２）采用中斷方式傳送，這個時間并不會縮短，因為程序切換時有許多輔助操作要執(zhí)行。更好的傳送方式是DMA方式。（３）在DMA方式下，假設磁盤上兩數據字間的間隔為１μs，主存又要被CPU占有一半周期時間，需要采用存儲器分時法，此時主存周期最少應是原來的一半，即０．５μs。26、磁盤機采用DMA方式與主機通信，若主存周期為１μs，能否滿足傳送速率為１MB／s的磁盤機的要求？此時CPU處于什么狀態(tài)？若要求主存有一半時間允許CPU訪問，該如何辦？答：剛好能滿足磁盤機的要求，但此時CPU只能處于停止訪問主存方法。若要求主存有一半時間允許CPU訪問，則主存的存取周期必須提高到０．５μs。27、假定一個字長為32位的CPU的主頻為500MHz，硬盤的傳輸速率為4MB/s。（1）采用中斷方式進行數據傳送，每次中斷傳輸4字塊數據。每次中斷的開銷（包括中斷響應和中斷處理的時間）是500個時鐘周期，問CPU用于磁盤數據傳送的時間占整個CPU時間的百分比是多少？（2）采用DMA方式進行數據傳送，每次DMA傳輸的數據量為8KB，如果CPU在DMA預處理時花了1000個時鐘周期，在DMA后處理時花了500個時鐘周期，問CPU用于磁盤數據傳送的時間占整個CPU周期的百分比為多少？答：（1）中斷開銷=500/（500*106）=10-6s數據塊中斷請求頻率=4MB/s÷(4*4)=0.25M中斷間隔時間=1/0.25M=4*10-6s占整個CPU百分比=10-6s/(4*10-6s)=25%(2)CPU預后處理時間=（500+1000）/（500*106）=3*10-6s數據塊請求頻率=4MB/s÷(8KB/S)=0.5*103sDMA間隔時間=1/0.5*103s=2*10-3s占整個CPU百分比=3*10-6s/(2*10-3s)=0.15%28、通道有哪些基本類型？各有何特點？答：通道可分為３種基本類型：字節(jié)多路通道、選擇通道和數組多路通道。字節(jié)多路通道是一種簡單的共享通道，用于連接與管理多臺低速設備，以字節(jié)交叉方式傳送信息。選擇通道也可以連接多個設備，但這些設備不能同時工作，在一段時間內通道只能選擇一臺設備進行數據傳送，此時該設備可以獨占整個通道。選擇通道主要用于連接高速外設，以成組方式高速傳送。數組多路通道是把字節(jié)多路通道和選擇通道的特點結合起來的一種通道結構。它的基本思想是：當某設備進行數據傳送時，通道只為該設備服務；當設備在執(zhí)行輔助操作時，通道暫時斷開與這個設備的連接，掛起該設備的通道程序，去為其他設備服務。29、已知一個３２位大型計算機系統具有兩個選擇通道和一個多路通道。每個選擇通道連接兩臺磁盤機和兩臺磁帶機，多路通道連接兩臺打印機、兩臺卡片輸入機和１０臺CRT顯示終端。假設這些設備的傳送速率分別為磁盤機８００KB／s磁帶機200KB／s打印機6.6KB／s卡片輸入機1.2KB／sCRT顯示終端1KB／s求該計算機系統的最大I／O傳送速率。答：由于兩個選擇通道所連接的設備相同，只要計算其中一個通道的通道傳輸率即可。因為磁盤機的傳輸率大于磁帶機，所以此類型通道的通道傳輸率為：選擇通道傳輸率＝max｛800,200｝＝800KB／s字節(jié)多路通道的最大傳輸率是通道上所有設備的數據傳輸率之和。即：字節(jié)多路通道傳輸率＝6.6×2＋1.2×2＋1×10＝25.6KB／s計算機系統最大I／O數據傳輸率＝２×選擇通道傳輸率＋字節(jié)多路通道傳輸率＝800×2＋25.6＝1625.6KB／s30、某計算機I／O系統中，接有一個字節(jié)多路通道和一個選擇通道。字節(jié)多路通道包括3個子通道。其中：０號子通道上接有兩臺打印機（傳送率為5KB／s）；1號子通道上接有３臺卡片輸入機（傳送率為1.5KB／s）；2號子通道上接８臺顯示器（傳送率為1KB／s）。選擇通道上接兩臺磁盤機（傳送率為800KB／s）；5臺磁帶機（傳送率為250KB／s），求I／O系統的實際最大流量。若I／O系統的極限容量為822KB／s，問能否滿足所連接設備流量的要求？答：字節(jié)多路通道傳輸率＝5×2+1.5×3+1×8＝22.5KB／s選擇通道傳輸率＝max｛800,500｝＝800KB／s計算機系統最大I／O數據傳輸率＝選擇通道傳輸率＋字節(jié)多路通道傳輸率＝800＋22.5＝822.5KB／s不能滿足所連接設備流量的要求。31、試概括通道控制方式和DMA方式的異同點。答：DMA