计算机组成原理第5章习题 章习题 第5章 输入输出系统 例5.1 在程序查询方式的输入输出系统中，假设不考虑处理时间，每一个查询操作需要100个时钟周期，CPU的时钟频率为50MHz。现有鼠标和硬盘两个设备，而且CPU必须每秒对鼠标进行30次查询，硬盘以32位字长为单位传输数据，即每32位被CPU查询一次，传输率为2MBps。求CPU对这两个设备查询所花费的时间比率，由此可得出什么结论？ 个设备查询所花费的时间比率，由此可得出什么结论？ 解： （1）CPU每秒对鼠标进行30次查询，所需的时钟周期数为 100 × 30 = 3000 根据CPU的时钟频率为50MHz，即每秒50×106个时钟周期，故对鼠标的查询占用CPU的时间比率为 [ 3000 /（50×106）] × 100% = 0.006 % 可见，对鼠标的查询基本不影响CPU的性能。 （2）对于硬盘，每32位被CPU查询一次，故每秒查询 2MB/4B = 512 K 次 则每秒查询的时钟周期数为 100 × 512 × 1024 = 52.4 ×106 故对磁盘的查询占用CPU的时间比率为 [（52.4×106）/（50×106）] × 100% = 105 % 可见，即使CPU将全部时间都用于对硬盘的查询也不能满足磁盘传输的要求，因此CPU一般不采用程序查询方式与磁盘交换信息。 用程序查询方式与磁盘交换信息。 A、B、C，它们的优先级按降序排列。此三个设备的向量地址分别是001010、例5.2 现有三个设备001011、001100。设计一个链式排队线路和产生三个向量地址的设备编码器。 解： = A、B、C）为中断请求信号，有请求时链式排队线路和设备编码器如图5.1所示。图中INTRi（i = A、B、C）为排队器输出，INTA为中断响应信号。虚线框内为设INTRi = 1（即INTRi= 0）。INTPi（i 备编码器。当中断响应信号INTA有效时，被选中的排队信号INTPi通过设备编码器形成的向量地址，可通过数据总线送至CPU。 1 计算机组成原理第5章习题 章习题
001100
数
据总线
001010001011
设备编码器
INTPA
INTPBINTPC
&
INTA
INTRA
&&
INTRBINTRC
来自高一级排队器
1
&
1
&
1
&
至低一级的排队器
INTRAINTRBINTRC
图5.1 例5.2电路图
例5.3 一个DMA接口可采用周期窃取方式把字符传送到存储器，它支持的最大批量为400个字节。若存取周期为100ns，每处理一次中断需5μs，现有的字符设备的传输率为9600bps。假设字符之间的传输是无间隙的，若忽略预处理所需的时间，试问采用DMA方式每秒因数据传输需占用处理器多少时间？如果完全采用中断方式，又需占处理器多少时间？
解：
根据字符设备的传输率为9600bps，得每秒能传输
9600/8 = 1200B，即1200个字符
若采用DMA方式，传送1200个字符共需1200个存取周期，考虑到每传400个字符需中断处理一次，因此DMA方式每秒因数据传输占用处理器的时间是 方式每秒因数据传输占用处理器的时间是
0.1μ0.1μs × 1200 + 5μs × 1200 + 5μs ×（1200 / 400) = 135μ1200 / 400) = 135μs
若采用中断方式，每传送一个字符要申请一次中断请求，每秒因数据传输占用处理器的时间是
5μs × 1200 = 6000 μs × 1200 = 6000 μs
例5.4 假设磁盘采用DMA方式与主机交换信息，其传输速率为2MBps，而且DMA的预处理需1000个时钟周期，DMA完成传送后处理中断需500个时钟周期。如果平均传输的数据长度为4KB，试问在硬盘工作时，50MHz的处理器需用多少时间比率进行DMA辅助操作（预处理和后处理）。
解：
DMA传送过程包括预处理、数据传送和后处理三个阶段。传送4KB的数据长度需
（4KB）/（2MBps） = 0.002s
2
计算机组成原理第5章习题 章习题
如果磁盘不断进行传输，每秒所需DMA辅助操作的时钟周期数为 辅助操作的时钟周期数为
（1000 + 500）/0.002 = 750000
故DMA辅助操作占用CPU的时间比率为
[750000 /（50 × 106）] ×100% = 1.5 %
例5.5 解释接口（interface）和端口（port）的概念。 ）的概念。
解：图5.2是一个简单的基本外设接口。图的中间部分是I/O接口，它位于CPU和外设之间，是一个连接部件。它一边通过地址线、数据线和控制线与CPU连接，另一边通过数据信息，控制信息和状态信息与外设连接。CPU就是通过I/O接口与设备进行这三种信息的传送。 接口与设备进行这三种信息的传送。
数据线
I/O接口
数据信息
数据口
CPU
地址线
状态口
控制线
状态信息
外设
控制信息
控制口
图5.2 例5.5简单的外设接口
数据信息可以是数据量、模拟量和开关量三种。其中模拟量必须先经过接口电路中的“模/数”转换器（图中未画）转换为数字量后，才能输入CPU进行处理。状态信息表示外设当前所处的工作状态，如用READY（就绪信号）表示输入设备已准备好，用BUSY（忙信号）表示输出设备是否能接收。控制信息是由CPU发出的，用于控制外设接口工作方式，以及启动和停止外设。
数据信息、状态信息和控制信息（如设置外设接口工作方式）通常以数据形式通过CPU的数据线进行传送。而且这些信息分别放在外设接口（interface）的不同寄存器中。这些寄存器被称作端口（port），如图5.2所示的数据口、状态口和控制口，它们分别存放数据信息、状态信息和控制信息。CPU可对这些端口（寄存器）进行“读”或“写”操作，因此每个端口都有一个“地址”对应。CPU对这些端口是可编程的。 可编程的。
图中的地址线来自CPU，用以指明每个端口的地址。控制线包括RD（读）或WR（写）等，一般与I/O接口电路中的读/写控制逻辑（图中未标）相连，以控制设备的读写。 写控制逻辑（图中未标）相连，以控制设备的读写。
例5.6 以键盘设备为例，说明其如何采用中断方式向CPU输入键盘信息。 输入键盘信息。
解：键盘是一种常用的输入设备，它需识别哪一个键按下，并将此键对应的ASCII码送入计算机中。如果采用硬件的办法确认哪个键按下，其原理图如图5.3所示。 所示。
3
计算机组成原理第5章习题 章习题
六位 六位
计数器 计数器 时钟 时钟 发生器 发生器
译 码 器
8×8 键盘 键盘
ROM
CPU
CS
RD
地址 地址
译码 译码 输入 输入
译
码 器
延迟
单稳
中断触发器
图5.3 例5.6带只读存储器的编码键盘原理图
图中用六位计数器对键盘扫描，若键未按下，计数器循环计数，一旦扫描发现某键按下，通过单稳电路产生一个脉冲信号，该信号一方面使计数器停止计数，另一方面置“1”中断触发器，向CPU发中断请求。图中的ROM是一个核心部件，ROM中存放的是个键对应的ASCII码。当有键按下计数器停止计数时，其输出作为ROM的地址线，而该地址所对应的存储单元中存放的就是此键的ASCII码。当CPU收到中断请求信号并响应时，通过中断服务程序，由键盘接口电路（图中未画）给出地址译码信号，该信号一方面使ROM片选有效，将ROM中的ASCII码读至CPU中；另一方面经延迟线路将中断触发器清0，再次启动时钟发生器又开始计数，对键盘扫描，继续判断是否有键按下。
例5.7 假设有一个数据采集系统，当输入数据准备好后发出Ready就绪信号，可向CPU送出8位数据。试设计一个中断方式的输入接口电路。要求画出逻辑框图并说明数据输入过程。
解：输入接口电路如图5.4所示。 所示。
4
计算机组成原理第5章习题 章习题
三态门8位寄存器
RDM/IOCPU
地
址
地址译码
INTR
Q中断请求
时钟
≥1&
数据采集系统
Ready
图5.4 例5.7输入接口电路
图中8位寄存器是数据端口，用来存放数据采集系统准备好的数据，时钟信号为寄存器的打入信号。寄存器的输出经三态门至CPU的数据线。图中的中断请求触发器是D触发器，其数据端受Ready控制。图中的地址译码可对接口电路中数据端口（8位寄存器）的地址进行译码，用于控制读数据（三态门控制端有效）和清“0”中断请求触发器。 ”中断请求触发器。
数据输入过程如下： 数据输入过程如下：
当数据采集系统已将数据送至8位寄存器时，发出Ready信号，该信号使中断请求触发器置“1”，并向CPU发中断请求INTR。CPU在每条指令执行阶段结束前查询到此信号。如果响应中断，在每条指令执行阶段结束前查询到此信号。如果响应中断，便执行中如果响应中断，便执行中断服务程序，通过输入指令，在地址译码输出（低）、RD（低）、M/IO（低）的条件下，与门输出低，打开三态门，将8位数据读入CPU，同时将中断请求触发器复位。 ，同时将中断请求触发器复位。
例5.8 说明调用中断服务程序和调用子程序的区别。 说明调用中断服务程序和调用子程序的区别。 解：调用中断服务程序和调用子程序的区别是： 调用中断服务程序和调用子程序的区别是：
（1）中断服务程序与中断时CPU正在运行的程序是相互的，它们之间没有确定的关系。子程序调用时转入的子程序与CPU正在执行的程序段是同一程序的两部分。 正在执行的程序段是同一程序的两部分。
（2）除了软中断，通常中断产生都是随机的，而子程序调用是由CALL指令（子程序调用指令）引起的。 引起的。
（3）中断服务程序的入口地址可以通过硬件向量法产生向量地址，再由向量地址找到入口地址。子程序调用的子程序入口地址是由CALL指令中的地址码给出的。 指令中的地址码给出的。
（4）调用中断服务程序和子程序都需保护程序断点，前者由中断隐指令完成，后者由CALL指令本身完成。 本身完成。
（5）处理中断服务程序时，对多个同时发生的中断需进行裁决，而调用子程序时一般没有这种操作。 作。
5
计算机组成原理第5章习题 章习题
（6）在中断服务程序和所调用的子程序中都有保护寄存器内容的操作。
例5.9 设磁盘存储器转速为3000转/分，分8个扇区，每扇区存储1K字节，主存与磁盘存储器传25μs ，是否可采用一条指令执行结束时响应DMA请送的宽度为16位。假设一条指令最长执行时间是25μ求的方案，为什么？若不行，应采取什么方案？ 求的方案，为什么？若不行，应采取什么方案？
= 50 r/s 50 r/s 解： 磁盘的转速为 3000/60 = 50
50 = 400 KB信息 则磁盘每秒可传送 1KB × 8 × 信息
根据主存与磁盘存储器的数据传送宽度为16位，若采用DMA方式，每秒需有方式，每秒需有200K （400KB/2B）25μs）响应DMA次DMA请求，即每隔5μs （1/200K ）有一次DMA请求。如果按指令执行周期结束（25μ请求，必然会造成数据丢失，因此必须按每个存取周期结束响应DMA请求的方案。 请求的方案。
例5.10 在程序中断方式中，磁盘申请中断的优先权高于打印机。当打印机正在进行打印时，磁盘申请中断，试问是否要将打印机输出停下来，等磁盘操作结束后，打印机输出才能继续进行？为什么？
解：打印机的打印动作只受打印机本身控制，与CPU无关，因此打印机正在打印时，虽然有优先级别更高的磁盘请求中断，打印机也不会停止打印。而如果CPU正在执行打印机的中断服务程序，即打印机正在接收数据，此时若磁盘请求中断，CPU就要中断正在运行的打印机中断服务程序。 就要中断正在运行的打印机中断服务程序。
6