计算机组成原理第五章部分课后题答案(唐朔飞版).doc

5.1 I/O设备有哪些编址方式，各有何特点？
常用的I/O编址方式有两种：I/O与内存统一编址和I/O独立编址
· I/O与内存统一编址方式的I/O地址采用与主存单元地址完全一样的格式， I/O设备与主存占用同一个地址空间，CPU可像访问主存一样访问I/O设备，不需要安排专门的I/O指令。
· I/O独立编址方式时机器为I/O设备专门安排一套完全不同于主存地址格式的地址编码，此时I/O地址与主存地址是两个独立的空间，CPU需要通过专门的I/O指令来访问I/O地址空间。

5.3 I/O设备与主机交换信息时，共有哪几种控制方式？简述它们的特点。
· 程序直接控制方式：也称查询方式，采用该方式，数据在CPU和外设间的传送完全靠计算机程序控制，CPU的操作和外围设备操作同步，硬件结构简单，但由于外部设备动作慢，浪费CPU时间多，系统效率低。
· 程序中断方式：外设备准备就绪后中断方式猪肚通知CPU，在CPU相应I/O设备的中断请求后，在暂停现行程序的执行，转为I/O设备服务可明显提高CPU的利用率，在一定程度上实现了主机和I/O设备的并行工作，但硬件结构负载，服务开销时间大
· DMA方式与中断方式一样，实现了主机和I/O设备的并行工作，由于DMA方式直接依靠硬件实现贮存与I/O设备之间的数据传送，传送期间不需要CPU程序干预，CPU可继续执行原来的程序，因此CPU利用率和系统效率比中断方式更高，但DMA方式的硬件结构更为复杂。

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。
· 程序查询方式：主要用于CPU不太忙且传送速度不高的情况下。无条件传送方式作为查询方式的一个特例，主要用于对简单I/O设备的控制或CPU明确知道外设所处状态的情况下。
· 中断方式：主要用于CPU的任务比较忙的情况下，尤其适合实时控制和紧急事件的处理
· DMA方式（直接存储器存取方式）：主要用于高速外设进行大批量数据传送的场合。

5.8 某计算机的I/O设备采用异步串行传送方式传送字符信息。字符信息的格式为1位起始位、7位数据位、1位检验位和1位停止位。若要求每秒钟传送480个字符，那么该设备的数据传送速率为多少？
解：480 * (1 + 7 + 1 + 1) = 4800位/秒 = 4800波特

5.11 简述I/O接口的功能和基本组成。
·I/O接口功能
(1) 选址功能
(2) 传送指令功能
(3) 传送数据功能
(4) 反映I/O设备工作状态的功能
·I/O接口基本组成
设备选择电路、命令寄存器和命令译码器、数据缓冲寄存器、设备状态标记触发器

5.13 说明中断向量地址和入口地址的区别和联系。
· 中断向量地址和入口地址的区别
  向量地址是硬件电路（向量编码器）产生的中断源的内存地址编号，中
断入口地址是中断服务程序的首地址。
 · 中断向量地址和入口地址的联系
  中断向量地址可理解为中断服务程序入口地址指示器（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。 (两种方法：在向量地址所指单元内放一条JUM指令；主存中设向量地址表。

5.20 比较単重中断和多重中断服务程序的处理流程，说明它们不同的原因。
单重中断：开中断指令设置在最后“中断返回”之前，意味着在整个中断服务处理过程中，不能再响应其他中断源的请求。
多重中断：开中断指令设置在“保护现场”之后，意味着保护现场之后，若有更高级别的中断请求，CPU也可以响应，即再次中断现行的服务程序，转至新的中断服务程序，这是单重中断和多重中断的主要区别。

5.25 根据以下要求设计一个产生3个设备向量地址的电路。
(1) 3个设备的优先级A→B→C降序排列。
(2) A、B、C的向量地址分别为110100、010100、000110。
(3) 排队器采用链式排队电路。
(4) 当CPU发来中断响应信号INTA时，可将向量地址取至CPU。

5.27 DMA方式有何特点？什么样的I/O设备与主机交换信息时采用DMA方式，举例说明。
由于主存和DMA接口之间有一条数据通路，因此主存和设备交换信息是，不通过CPU，也不需要CPU暂停现行程序为设备服务，省去了保护和恢复现场，因此工作速度比程序中断方式的高。
通常DMA与主存交换数据是采用如下三种方法：
（1）停止CPU访问主存
（2）周期挪用（周期窃取）
（3）DMA与CPU交替访问

5.30 在DMA的工作方式中，CPU暂停方式和周期挪用方式的数据传送流程有何不同，画图说明。
由于主存和DMA接口之间有一条数据通路，因此主存和设备交换信息是，不通过CPU，也不需要CPU暂停现行程序为设备服务，省去了保护和恢复现场，因此工作速度比程序中断方式的高。
通常DMA与主存交换数据是采用如下三种方法：
（1）停止CPU访问主存
（2）周期挪用（周期窃取）

6、重新使用是指多次或用另一种方法来使用已用过的物品，它也是减少垃圾的重要方法。（3）DMA与CPU交替访问

答：燃烧的蜡烛变得越来越短，发光发热并伴有气体生成。
解：两种DMA方式的工作流程见下页，其主要区别在于传送阶段，现行程序是否完全停止访存。
停止CPU访存方式的DMA工作流程如下：
现行程序             CPU             DMAC             I/O
      CPU                     DMAC                     I/O
          B                               C                               D
周期窃取方式的DMA工作流程如下：
现行程序             CPU             DMAC             I/O
      CPU                     DMAC                     I/O
        B                               C                               D

5.31 假设某设备向CPU传送信息的最高频率是40000次/秒，而相应的中断处理程序执行时间为40μs，试问该设备是否可用程序中断方式与主机交换信息，为什么?

19、细胞也是生物最基本的功能单位，生物的呼吸、消化、排泄、生长、发育、繁殖、遗传等生命活动都是通过细胞进行的。 解：根据题意，该设备每隔1/40K = 25μs向CPU传送一次信息，如果采用程序中断执行方式，需40μs(>25μs)才能处理一次数据，从而造成数据丢失，所以不能用程序中断方式与主机交换信息。

4、举例说明微生物对人类有益的方面是什么？

一、填空：5.32 设磁盘存储器转速为3000转/分，分8个扇区，每扇区存储1KB，主存与磁盘存储器数据传送的宽度为16位（即每次传送16位）。假设一条指令最长执行时间是25μs，是否可采用一条指令执行结束时响应DMA请求的方案，为什么？若不行，应采取什么方案？

21、血液中的细胞好像运输兵，负责运输吸入的氧气和产生的二氧化碳。 解：磁盘传送速度
道容量 = 1KB * 8/16 = 1K * 8 * 8/16 = 1K * 4 = 4K
数传率 = 1KB * 3000转/分 = 4KB * 50转/秒

一个字符传送时间 = 1/2000K字/秒 = 5μs

答：①可以节约能源；②减少对环境的污染；③降低成本。5μs <<25μs，所以不能采用一条指令执行结束响应DMA请求方案，应采用每个CPU机器周期末查询及响应DMA请求方案（通常安排CPU机器周期 = MM存取周期）

5.35 从5个方面比较程序中断方式和DMA方式的区别。
（1）
（2） 3、我们在水中发现了什么微生物呢？（P18）程序中断方式的数据传送主要依赖软件，DMA主要依赖硬件。
（3） 程序中断传送数据的基本单位为字或字节，DMA为数据块。
（4） 程序中断方式时，CPU与I/O设备并行工作，现行程序与I/O传送串行进行； DMA方式时，CPU与I/O设备并行工作，现行程序与I/O传送并行进行。
（5）
（6） 12、放大镜和显微镜的发明，大大扩展了我们的视野，让我们走进微小世界，让我们看到了微生物和细胞。程序中断方式由于软件额外开销时间比较大，因此传输速度最慢；DMA方式基本由硬件实现传送，因此速度最快；
（7） 程序中断方式适用于中、低速设备的I/O交换；DMA方式适用于高速设备的I/O交换；