1、輸入輸出系統(tǒng),第 五章,1. I/O有哪些編址方式？各有何特點(diǎn)？ 解：常用的I/O編址方式有兩種： I/O與內(nèi)存統(tǒng)一編址和I/O獨(dú)立編址； 特點(diǎn)： I/O與內(nèi)存統(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(shè)備和主存占用同一個(gè)地址空間，CPU可像訪問(wèn)主存一樣訪問(wèn)I/O設(shè)備，不需要安排專門的I/O指令。 I/O獨(dú)立編址方式時(shí)機(jī)器為I/O設(shè)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(shí)I/O地址與主存地址是兩個(gè)獨(dú)立的空間，CPU需要通過(guò)專門的I/O指令來(lái)訪問(wèn)I/O地址空間。,2. 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

2、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。,4. 試比較程序查詢方式、程序中斷方式和DMA方式對(duì)CPU工作效率的影響。 答：程序查詢方式：使CPU的操作和外圍設(shè)備的操作能夠同步，但是外圍設(shè)備動(dòng)作很慢，程序進(jìn)入查詢循環(huán)時(shí)將白白浪費(fèi)掉CPU很多時(shí)間。所以CPU工作效率很低。 程序中斷方式：外

3、圍設(shè)備用來(lái)“主動(dòng)”通知CPU，當(dāng)一個(gè)中斷發(fā)生時(shí)，CPU暫停它的現(xiàn)行程序，而轉(zhuǎn)向中斷處理程序，從而可以輸入或輸出一個(gè)數(shù)據(jù)。當(dāng)中斷處理完畢后，CPU又返回到它原來(lái)的任務(wù)，并從它停止的地方開始執(zhí)行程序。與程序查詢方式相比，對(duì)CPU工作效率的影響有所減少。 DMA方式：DMA控制器從CPU完全接管對(duì)總線的控制，數(shù)據(jù)交換不經(jīng)過(guò)CPU，而直接在內(nèi)存和外圍設(shè)備之間進(jìn)行，以高速傳送數(shù)據(jù)。所以DMA方式對(duì)CPU工作效率的影響大大減少,6. 字符顯示器的接口電路中配有緩沖存儲(chǔ)器和只讀存儲(chǔ)器，各有何作用？ 解：顯示緩沖存儲(chǔ)器的作用是支持屏幕掃描時(shí)的反復(fù)刷新；只讀存儲(chǔ)器作為字符發(fā)生器使用，他起著將字符的ASCII碼轉(zhuǎn)

4、換為字形點(diǎn)陣信息的作用。,8. 某計(jì)算機(jī)的I/O設(shè)備采用異步串行傳送方式傳送字符信息。字符信息的格式為一位起始位、七位數(shù)據(jù)位、一位校驗(yàn)位和一位停止位。若要求每秒鐘傳送480個(gè)字符，那么該設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送速率為多少？ 解：48010=4800位/秒=4800波特； 波特是數(shù)據(jù)傳送速率波特率的單位。,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。 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。,由于

5、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。,12. 結(jié)合程序查詢方式的接口電路，說(shuō)明其工作過(guò)程。 解：程序查詢接口工作過(guò)程如下（以輸入為例）： 1）CPU發(fā)I/O地址地址總線接口設(shè)備選擇器譯碼選中，發(fā)SEL信號(hào)開命令接收門； 2）CPU發(fā)啟動(dòng)命令 D置0，B置1 接口向設(shè)備發(fā)啟動(dòng)命令設(shè)備開始工作； 3）CPU等待，輸入設(shè)備讀出數(shù)據(jù) DBR； 4）外設(shè)工作完成，完成信號(hào)接口 B置0，D置1；

6、5）準(zhǔn)備就緒信號(hào)控制總線 CPU； 6）輸入：CPU通過(guò)輸入指令（IN）將DBR中的數(shù)據(jù)取走；,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(guò)程如下： 1）CPU發(fā)I/O地址地址總線接口設(shè)備選擇器譯碼選中，發(fā)SEL信號(hào)開命令接收門； 2）輸出： CPU通過(guò)輸出指令（OUT）將數(shù)據(jù)放入接口DBR中； 3）CPU發(fā)啟動(dòng)命令 D置0，B置1 接口向設(shè)備發(fā)啟動(dòng)命令設(shè)備開始工作； 4）CPU等待，輸出設(shè)備將數(shù)據(jù)從 DBR取走； 5）外設(shè)工作完成，完成信號(hào)接口 B置0，D置1； 6）準(zhǔn)備就緒信號(hào)控制總線 CPU，CPU可通過(guò)指令再次向接口DBR輸出數(shù)據(jù)，進(jìn)行第二次傳送。,13. 說(shuō)明中斷向量

7、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。,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）。,16. 在什么條件和什么時(shí)間，CPU可以響應(yīng)I/O的中

8、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。,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？,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=PN+Q秒 平均每個(gè)數(shù)據(jù)所需處理時(shí)間= （PN+Q） /N秒； 求倒數(shù)得：

9、該系統(tǒng)跟蹤到的每秒中斷請(qǐng)求數(shù)=N/（PN+Q）次。,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。,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

10、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。,26. 什么是多重中斷？實(shí)現(xiàn)多重中斷的必要條件是什么？ 解：多重中斷是指：當(dāng)CPU執(zhí)行某個(gè)中斷服務(wù)程序的過(guò)程中，發(fā)生了更高級(jí)、更緊迫的事件，CPU暫停現(xiàn)行中斷服務(wù)程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)去處理該事件的中斷，處理完返回現(xiàn)行中斷服務(wù)程序繼續(xù)執(zhí)行的過(guò)程。 實(shí)現(xiàn)多重中斷的必要條件是：在現(xiàn)行中斷服務(wù)期

11、間，中斷允許觸發(fā)器為1，即開中斷。,28. CPU對(duì)DMA請(qǐng)求和中斷請(qǐng)求的響應(yīng)時(shí)間是否一樣？為什么？ 解： CPU對(duì)DMA請(qǐng)求和中斷請(qǐng)求的響應(yīng)時(shí)間不一樣，因?yàn)閮煞N方式的交換速度相差很大，因此CPU必須以更短的時(shí)間間隔查詢并響應(yīng)DMA請(qǐng)求（一個(gè)存取周期末）。,30. 在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(shuō)明。 解：兩種DMA方式的工作流程見下頁(yè)，其主要區(qū)別在于傳送階段，現(xiàn)行程序是否完全停止訪存。,停止CPU訪存方式的DMA工作流程如下：現(xiàn)行程序 CPU DMAC I/O,DMA預(yù)處理： 向DMAC送 MM緩沖區(qū) 首址； I/O設(shè)備 地址； 交換個(gè)數(shù)； 啟

12、動(dòng)I/O,現(xiàn)行程序,開始工作,啟動(dòng),I/O準(zhǔn)備,就緒,DMA請(qǐng)求,I/O數(shù)據(jù)送BR 或(BR)送I/O,總線請(qǐng)求,現(xiàn)行程序,數(shù)據(jù)傳送： 響應(yīng)， 停止CPU訪存,準(zhǔn)備下 個(gè)數(shù)據(jù),(AR)送 MM(MAR)； (AR)+1；R/W (BR)送MDR； WC減1；,就緒,DMA請(qǐng)求,現(xiàn) 行 程 序 等 待,B,I/O數(shù)據(jù)送BR 或(BR)送I/O,C,讓出 總線,CPU DMAC I/O B C D,準(zhǔn)備下個(gè)數(shù)據(jù),(AR)送(MAR)； (AR)+1；R/W (BR)送MDR； WC減1；,現(xiàn)行程序,響應(yīng)中斷,后處理：中斷服務(wù)程序： 校驗(yàn)、錯(cuò)誤檢測(cè)、停止外設(shè) 或再啟動(dòng)及初始化。,現(xiàn)行程序,I/O停止

13、,WC=0,現(xiàn) 行 程 序 等 待,周期竊取方式的DMA工作流程如下：現(xiàn)行程序 CPU DMAC I/O,DMA預(yù)處理： 向DMAC送 MM緩沖區(qū) 首址； I/O設(shè)備 地址； 交換個(gè)數(shù)； 啟動(dòng)I/O,現(xiàn)行程序,開始工作,啟動(dòng),I/O準(zhǔn)備,就緒,DMA請(qǐng)求,I/O數(shù)據(jù)送BR 或(BR)送I/O,總線請(qǐng)求,現(xiàn)行程序,數(shù)據(jù)傳送： 響應(yīng)， 讓出一個(gè) MM周期,準(zhǔn)備下 個(gè)數(shù)據(jù),(AR)送 MM(MAR)； (AR)+1；R/W (BR)送MDR； WC減1；,就緒,DMA請(qǐng)求,現(xiàn)行程序,總線請(qǐng)求,I/O數(shù)據(jù)送BR 或(BR)送I/O,C,CPU DMAC I/O B C D,數(shù)據(jù)傳送： 響應(yīng)， 讓出一個(gè)

14、 MM周期,準(zhǔn)備下個(gè)數(shù)據(jù),(AR)送(MAR)； (AR)+1；R/W (BR)送MDR； WC減1；,現(xiàn)行程序,響應(yīng)中斷,后處理：中斷服務(wù)程序： 校驗(yàn)、錯(cuò)誤檢測(cè)、停止外設(shè) 或再啟動(dòng)及初始化。,現(xiàn)行程序,I/O停止,WC=0,31. 假設(shè)某設(shè)備向CPU傳送信息的最高頻率是40K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=0.025103=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。,32. 設(shè)磁盤存儲(chǔ)器轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)

15、/分，分8個(gè)扇區(qū)，每扇區(qū)存儲(chǔ)1K字節(jié)，主存與磁盤存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)傳送的寬度為16位（即每次傳送16位）。假設(shè)一條指令最長(zhǎng)執(zhí)行時(shí)間是25s，是否可采用一條指令執(zhí)行結(jié)束時(shí)響應(yīng)DMA請(qǐng)求的方案，為什么？若不行，應(yīng)采取什么方案？,解：先算出磁盤傳送速度，然后和指令執(zhí)行速度進(jìn)行比較得出結(jié)論。道容量=1KB816 =1K 8 8 16 =1K 4=4K字?jǐn)?shù)傳率=4K字3000轉(zhuǎn)/分 =4K字50轉(zhuǎn)/秒 =200K字/秒一個(gè)字的傳送時(shí)間=1/200K字/秒=5s 5 s25 s，所以不能采用一條指令執(zhí)行結(jié)束響應(yīng)DMA請(qǐng)求的方案，應(yīng)采取每個(gè)CPU機(jī)器周期末查詢及響應(yīng)DMA請(qǐng)求的方案（通常安排CPU機(jī)器周期=MM存取

16、周期）。,33. 試從下面七個(gè)方面比較程序查詢、程序中斷和DMA三種方式的綜合性能。 （1）數(shù)據(jù)傳送依賴軟件還是硬件； （2）傳送數(shù)據(jù)的基本單位； （3）并行性； （4）主動(dòng)性； （5）傳輸速度； （6）經(jīng)濟(jì)性； （7）應(yīng)用對(duì)象。 解：比較如下： （1）程序查詢、程序中斷方式的數(shù)據(jù)傳送主要依賴軟件，DMA主要依賴硬件。,（2）程序查詢、程序中斷傳送數(shù)據(jù)的基本單位為字或字節(jié)，DMA為數(shù)據(jù)塊。 （3）程序查詢方式傳送時(shí)，CPU與I/O設(shè)備串行工作； 程序中斷方式時(shí)，CPU與I/O設(shè)備并行工作，現(xiàn)行程序與I/O傳送串行進(jìn)行； DMA方式時(shí)，CPU與I/O設(shè)備并行工作，現(xiàn)行程序與I/O傳送并行進(jìn)行。,

17、（4）程序查詢方式時(shí)，CPU主動(dòng)查詢I/O設(shè)備狀態(tài)； 程序中斷及DMA方式時(shí)，CPU被動(dòng)接受I/O中斷請(qǐng)求或DMA請(qǐng)求。 （5）程序中斷方式由于軟件額外開銷時(shí)間比較大，因此傳輸速度最慢； 程序查詢方式軟件額外開銷時(shí)間基本沒有，因此傳輸速度比中斷快； DMA方式基本由硬件實(shí)現(xiàn)傳送，因此速度最快；,（6）程序查詢接口硬件結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，因此最經(jīng)濟(jì)； 程序中斷接口硬件結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜一些，因此較經(jīng)濟(jì)； DMA控制器硬件結(jié)構(gòu)最復(fù)雜，因此成本最高； （7）程序中斷方式適用于中、低速設(shè)備的I/O交換； 程序查詢方式適用于中、低速實(shí)時(shí)處理過(guò)程； DMA方式適用于高速設(shè)備的I/O交換；,補(bǔ)充題： 一、某CRT顯示器可

18、顯示64種ASCII字符，每幀可顯示72字24排；每個(gè)字符字形采用78點(diǎn)陣，即橫向7點(diǎn)，字間間隔1點(diǎn)，縱向8點(diǎn)，排間間隔6點(diǎn)；幀頻50Hz，采取逐行掃描方式。假設(shè)不考慮屏幕四邊的失真問(wèn)題，且行回掃和幀回掃均占掃描時(shí)間的20%，問(wèn)： 1）顯存容量至少有多大？ 2）字符發(fā)生器（ROM）容量至少有多大？ 3）顯存中存放的是那種信息？ 4）顯存地址與屏幕顯示位置如何對(duì)應(yīng)？,5）設(shè)置哪些計(jì)數(shù)器以控制顯存訪問(wèn)與屏幕掃描之間的同步？它們的模各是多少？ 6）點(diǎn)時(shí)鐘頻率為多少？解：1）顯存最小容量=72248 =1728B 2）ROM最小容量=648行8列 = 512B（含字間隔1點(diǎn)） 3）顯存中存放的是ASC

19、II碼信息。 4）顯存每個(gè)地址對(duì)應(yīng)一個(gè)字符顯示位置，顯示位置自左至右，從上到下，分別對(duì)應(yīng)緩存地址由低到高。 5）設(shè)置點(diǎn)計(jì)數(shù)器、字計(jì)數(shù)器、行計(jì)數(shù)器、排計(jì)數(shù)器控制顯存訪問(wèn)與屏幕掃描之間的同步。,它們的模計(jì)算如下： 點(diǎn)計(jì)數(shù)器模 = 7+1 = 8 行計(jì)數(shù)器模 = 8 + 6 = 14 字、排計(jì)數(shù)器的模不僅與掃描正程時(shí)間有關(guān)，而且與掃描逆程時(shí)間有關(guān)，因此計(jì)算較為復(fù)雜。 列方程： （72+x） 0.8 = 72 （24+y） 0.8 = 24 解方程得：x = 18，y = 6，則： 字計(jì)數(shù)器模 = 72 + 18 = 90 排計(jì)數(shù)器模 = 24 + 6 = 30 6）點(diǎn)頻 = 50Hz 30排 14行 90字 8點(diǎn) = 15 120 000Hz = 15.12MHz,二、有一編碼鍵盤，其鍵陣列為8行16列，分別對(duì)應(yīng)128種ASCII碼字符，采用硬件掃描方式確認(rèn)按鍵信號(hào)，問(wèn)： 1）掃描計(jì)數(shù)器應(yīng)為多少位？ 2）ROM容量為多大？ 3）若行、列號(hào)均從0開始編