5

CH5 输入输出系统

 

5.1. I/O设备有哪些编址方法？各有何特点？

答：I/O与内存统一编址与I/O独立编址。 答案见P160

 

5.2. 简要说明CPU与I/O设备之间传递信息可采用哪几种联络方式？分别用于何场合？

答：3种联络方式：立即响应，异步工作，同步工作。答案参见P161“4.联络方式”。

 

5.3. I/O设备与主机交换信息时有哪几种控制方式？简述它们的特点？

答：5种控制方式：程序查询，程序中断，DMA，I/O通道，I/O处理机。特点如下，

程序查询方式：CPU通过程序不断查询I/O设备是否准备好，I/O接口上必须设有状态标记以供CPU查询；I/O设备与CPU处于串行工作状态，CPU存在踏步现象，工作效率低。

程序中断方式：CPU在启动I/O设备后继续执行自身程序；只有当外设准备好，向CPU发出中断请求且CPU响应后，才中断当前执行程序，转去处理中断请求，中断处理完再返回原程序。这种方式消除踏步现象，只有在中断处理时占用CPU，CPU工作效率较高。

DMA方式：主存与外设之间有一条数据通道；主存与外设交换数据时无需CPU介入，而由DMA控制器来控制；CPU将总线使用权让给DMA控制器。

答案参见P162~165。

 

5.4. 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：I/O设备准备时，CPU通过程序不断查询I/O设备是否准备好；I/O设备与CPU处于串行工作状态，CPU工作效率低。

程序中断方式： 当I/O设备准备时无需占用CPU，CPU继续执行当前程序，这时CPU与I/O设备并行工作；当外设准备好发送(接收)数据时，向CPU发出中断请求时，才需要CPU，CPU处理中断并转去执行中断服务子程序时，中断处理完CPU返回断点处继续执行原程序。与程序查询方式相比，CPU工作效率高很多。

DMA方式：外设在准备数据以及与主存交换数据时，均无需占用CPU，数据交换由DMA控制器来控制，而CPU将总线使用权让给DMA控制器。在数据交换时，CPU虽不能访存，但可以做一些内部操作。在数据交换结束时，需要CPU以中断方式介入进行数据后处理工作。3种方式中，DMA方式下CPU的工作效率最高。

 

5.8. 答：每个字符=10bits，数据传送率=480*10=4800bps

 

5.10 什么是I/O接口，它与端口的区别？为何要设置I/O接口？I/O接口如何分类？

答：接口：CPU与外部设备之间的连接部件。

接口与端口的区别：参见P186-187。

设置接口的理由（P187）：选择设备，数据缓冲，数据转换，传送主机命令和设备状态。

接口分类（P190）：并行/串行接口，可编程/不可编程接口，通用/专用接口，程序型/DMA型接口。

 

5.11 简述I/O接口的功能和基本组成？

答：I/O接口的功能（P188）：选址，传送数据，传送命令，反映设备状态。

I/O接口组成（P190）：设备选择电路，数据缓冲器，命令寄存器，命令译码器，设备状态标记，控制逻辑电路。图见图5.31。

 

5.12 结合程序查询方式的接口电路，说明其工作过程？

答：程序查询方式接口电路的工作过程（P193），图见图5.35。

 

5.13 说明中断向量地址与入口地址的区别与联系。

答：区别：向量地址是由硬件电路产生的，其位数与中断源个数相关，一个中断源对应一个向量地址；中断入口地址是中断服务子程序的首地址。

联系：向量地址可以看作中断入口地址的指示器，通过它访存可获得中断入口地址。

 

5.14 什么条件下，I/O设备向CPU提出中断请求？

答：外设向CPU提出中断请求的条件：外设工作完成（完成触发器D被置为1），且中断屏蔽触发器MASK被置为0，则中断请求触发器INTR被置为1。（P195）

 

5.15 什么是中断允许触发器？它有何作用？

答：中断允许触发器：CPU内部触发器，以ENIT表示。ENIT为“1”（置位），允许CPU响应中断，为“0”（复位），不允许CPU响应中断。该触发器可用开中断指令置位，用关中断指令复位。

置位中断允许触发器的时间不同，可实现单重中断和多重中断。

 

5.16. 在什么条件和时间下，CPU可以响应外设的中断请求？

答：当外设申请中断时，CPU响应中断的条件：中断允许触发器置1。

    CPU响应中断的时间：每条指令执行阶段的结束时刻。

 

5.17.

答：[注意：主程序对N个数据的处理不是中断处理。]

处理N个数据的时间=P*N+Q（秒）。则，每个数据需要的处理时间=( P*N+Q)/N。

所以：每秒钟，该系统可跟踪的中断请求次数为：N/( P*N+Q)。

 

5.19 答：[这题为中断嵌套。] 打印机输出应停下来等磁盘操作结束再继续。此外，打印机速度比磁盘输入输出速度慢，因此暂停打印不会造成数据丢失。

 

5.20 答：单重中断与多重中断的处理流程图见：书P201 图5.43

不同：在恢复现场之后、中断返回之前开中断，可以实现单重中断；在保护现场之后立即开中断，可以实现多重中断。

 

5.21 中断向量通过什么总线送至什么地方？

答： 中断向量通过什么地址总线送至指令寄存器PC。

 

5.28 CPU对DMA请求和中断请求的响应时间是否相同？为什么？

答：响应时间不同。CPU响应DMA方式在指令周期的任一存取周期结束时，响应中断在指令执行结束时。（书 P210）

原因：采用DMA方式交换数据，数据输入输出的速度很快，CPU必须以更短的时间查询和响应，否则数据丢失。

5.29 结合DMA接口电路说明其工作过程（以数据输入主存为例）。

答：参加P207，图5.47见P205。

 

5.30 答：两者主要区别在于：数据传送阶段，CPU是否完全停止访存。

         图见“计组原理ch5(5).ppt”P5~8。

 

5.31 答：每次信息传送时间=1/40k =25*10^-6=25us, 小于40us。所以，不能使用中断方式。

 

5.32. 答：[分析：计算磁盘传送速度，然后与指令执行速度进行比较]

磁盘的数据传输率=(3000/60)*8*1kB = 50*8k (B/s)

则，数据总线的数据传送的频率 >= 磁盘的数据传输率，数据才不丢失。即数据总线的数据传送的频率 f >= [(50*8k*8)bits/16bits]， f >= 200kHz。

则，每次传送数据所需时间：t<=1/200kHz 即 t<=5us. 

上式表示：至少每隔5us必须传送一次数据，否则数据将丢失。

而指令最长执行时间为25us, 远大于5us, 因此不能在指令结束时响应DMA请求。

可采用的方案：在主存的存取周期结束时响应DMA请求。