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计算机组成原理——习题与解析 第八章 接口 邵桂芳
（4） 输出设备认为数据有效，将数据取走
3. 与中断方式比较，DMA方式的优点是什么？
答：DMA方式更适用于成批数据交换的场合，工作平率高，传输快的外设（如磁盘）常需要成批交换数据，且数据之间间隔短，若用中断方式频频响应中断和保护断点，会导致丢失数据。而DMA方式建立了外设与内存直接交换数据的通道，除开始、结束外，中间不用CPU干预，在访问内存时不会受CPU干扰，无需反复保护断点等操作，所以，与中断方式比较，DMA方式更快捷安全。因中断可随时处理意外事故，所以DMA方式不能取代中断方式 4. 列举三种中断向量产生的方法 答（1）有编码电路直接产生
（2）由硬件产生一个“偏移量”，再加上CPU某寄存器里存放的基地址
（3）向量地址转移法：由优先级编码电路产生对应的固定地址码，其地址中存放的是转移指令，通过转移指令可以转入设备各自的中断服务程序入口
5. （1）进入中断周期的条件是什么？
（2）进入中断周期INTC之前是什么CPU周期？ （3）中断周期结束后又是什么CPU周期？ （4）中断周期完成的主要操作是什么？
（5）进入DMA周期DMAC之前可以是什么CPU周期？ （6）DMAC结束之后又是什么CPU周期？ （7）在DMAC中CPU处于什么状态？
答（1）进入中断周期有四个条件，它们是“与”的关系 A.有中断请求INTR
B.CPU允许中断（IF=1） C.无DMA请求DMAR
D.一条指令执行结束
（2）进入中断周期INTC之前是取指CPU周期
（3）中断周期结束后又是取指CPU周期
（4）中断周期完成的主要操作：发出中断应答信号INTA，从DB中取得中断向量暂时存入T,将中断向量乘以2，指向中断处理程序的入口，将PSW、PC内容压入堆栈保护，根据中断向量取出中断服务程序入口地址装入PC，让后进入取指周期FIC （5）进入DMA周期DMAC之前，可以是取指、取数、执行CPU周期
（6）DMAC结束之后，CPU交出总线的控制权，总线是在DMA控制器的掌管下来完成外设与主存之间的数据交换，在此期间CPU处于空闲等待状态。因此，对CPU而言DMAC唯一空闲CPU周期
6. 中断处理过程包括那些操作步骤？ 答：处理过程如下：
（1） 设备提出中断请求
（2） 当一条指令执行结束时CPU响应中断
（3） CPU设置“中断屏蔽”标志，不再响应其他中断请求 （4） 保存程序断点（PC）
（5） 硬件识别中断源（转移到中断子程序入口地址） （6） 用软件方法保存CPU现场
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（7） 为设备服务
（8） 恢复CPU现场
（9） “中断屏蔽”标志恢复，以便接收其它设备中断请求 （10） 返回主程序
7. 一次程序中断大致可分为那几个过程？ 答：可分为以下几个过程：
（1） 中断申请。由中断源发出中断请求
（2） 排队判优。若在某一时刻有多个中断源申请中断，需要通过判优部件选择一个
中断源响应
（3） 中断响应。在允许中断的情况下，CPU执行完一条指令后开始响应中断 （4） 中断处理。CPU先关中断，然后保存当前程序的断点和现场，转入相应的中断
服务程序，开中断，执行中断服务程序，执行完毕，先关中断，然后恢复现场和断点，开中断，返回原程序执行
8. 简要描述外设进行DMA操作的过程及DMA方式的主要特点 答：外设进行DMA操作过程如下：
（1） 外设发出DMA请求
（2） CPU响应请求，DMA控制器从CPU接管总线的控制权
（3） 由DMA控制器执行行数据传送操作 （4） 向CPU报告DMA操作结束
DMA方式的主要优点是数据传送速度快
9. 说明程序I/O方式和中断I/O方式的差别
答：程序I/O与中断I/O的差别主要由以下几点：
（1） 在程序I/O中，何时对何外设进行输入或输出操作完全受CPU控制；在中断I/O
中，何时对外设操作由外设主动通知CPU （2） 程序I/O方式中，CPU与外围设备不能并行工作；中断方式由于不需要CPU与
外围设备同步工作，所以它们可以并行操作
（3） 程序I/O方式无法处理的异常事件，如掉电、非法指令、地址越界等；中断I/O方式可以处理随机事件，从而处理这些异常；
（4） 程序查询方式的优点是硬件结构比较简单，缺点是CPU效率低，且只能进行数
据传送。中断方式硬件结构相对复杂一些。
10. 中断控制方式与DMA方式有和异同？
答：DMA是程序中断传送技术的发展，在硬件逻辑机构的支持下，它以更快的速度、更简便的形式传送数据，两者间的区别如下：
（1） 中断方式通过程序实现数据传送，而DMA方式不使用程序，直接依靠硬件来实
现 （2） CPU对中断的响应是在执行完一条指令之后，而对DMA的影响则可以在指令执
行过程中的任何两个存储周期之间 （3） 中断方式不仅具有数据传送能力，而且还能处理异常事件。DMA只能进行数据
传送
（4） 中断方式必须切换程序，要进行CPU现场的保护和恢复操作。DMA仅挪用一个
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存储周期，不改变CPU现场。
（5） DMA请求的优先权比中断请求高。CPU优先响应DMA请求，是为了避免DMA所连
接的高速外设丢失数据。
8.3 综 合 题
8.3.1 计算题
1．若输入输出系统采用字节多路通道控制方式，共有8个子通道，各子通道每次传送一个字节，己知整个通道最大传送速率为 1200B／s，问每个子通道的最大传输速率是多少?若是数组多路通道，则每个子通道的最大传输速率又是多少? 解：每个子通道的最大传输速率是1200B／s÷8=150B／s
若是数组多路通道，则每个子通道的最大传输速率应为1 200B／s。
2．某字节多路通道共有6个通道，若通道的最大传输率为1 500B／s，问每个子通道最大传输速率是多少?
解：1500／6=250B／s
3．异步通信方式传送ASCII码，数据位8位，奇校验1位，停止位1位。当波特率为4 800时，每个字符传送的速率是多少?每个数据位的时间长度是多少?数据位的传送速率 解：每个字符格式包含10位，因此字符传送速率为： 4 800波特／10=480字符／秒
每个数据位时间长度T=l／4 800≈0.208ms
数据位传送速率8x480=3840位／秒
4．假定某外设向CPU传送信息最高频率为40K次／秒，而相应中断处理程序的执行时间为40μs，问该外设是否可采用中断方式工作?为什么?
解：外设传送一个数据的时间=1／40X103s=25μs，所以请求中断的周期为25μs，而相应中断处理程序的执行时间为40μs，会丢失数据，所以不能采用中断方式。
5．设一磁盘盘面共有磁道200道，盘面总存储容量为1.6兆字节，磁盘旋转一周的时间为25ms，每道有4个区，各区之间有一间隙，磁头通过每个间隙需1.25ms。
(1)问磁盘通道所需最大传输率是多少(字节／秒)?
(2)有人为上述磁盘机设计了一个与主机之间的接口，磁盘读出数据串行送入一个移 位寄存器，每当移满16位后，向处理机发出一个请求交换数据的信号。处理机响应请求信 号并取走移位寄存器的内容后，磁盘机再串行送入下一个16位的字，如此继续工作。现在 已知处理机在接到请求交换信号后最长响应时间是3μs，问这样的接口能否正确工作?应如何改进? 解：
(1)磁道容量：1 600KB／200=8KB，读一道数据的时间=25ms至1.25max4=20ms，磁盘的数据传输率=8KB／0.020s=400KB／s。
(2)因为磁盘的数据传输率=400KB／s，所以磁盘准备一个16位字的时间=51Xs。 直接从移位寄存器送回数据的方案不能正确工作。这是因为移位寄存器保存一个字的时间仅为5μ/16μ=0.3μs，而响应时间可能达3μs，所以有可能失去数据。
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改进方法：再设置一个发送寄存器，每当移位寄存器内为一个字时就将其内容送发送寄存器保存，由发送寄存器送数据。这个寄存器保存一个字的最短时间为5μs。
6．今有一磁盘存储器，转速为3000转／分，分8个扇区，每扇区存储1K字节。主存与磁盘传送数据的宽度为16位(即每次传送16位)。
(1)描述从磁盘处于静止状态起将主存缓冲区中2K字节传送到磁盘的整个工作过程。 (2)假如一条指令最长执行时间为30μs，是否可采用在指令结束时响应DMA请求的方案?假如不行，应采用怎样的方案? 解：
(1)主程序应先启动磁盘驱动器。转速正常后，接口向CPU发中断，。由中断服务程序实现向接口发送设备地址、主存缓冲区地址、字数(1K)等预处理工作。找道并等待磁盘转到访问的扇区后，通过接口发出1K个DMA请求，传送2K字后，接口向CPU发中断，由中断服务程序实现停止磁盘工作等后处理工作。
(2)数据传输率=8KBx3 000转／60s=400KB／s，即每16位数据保持最短时间=2／400KB(s)=5μs，故指令结束时响应DMA可能丢失数据，应使每个周期都可以响应DMA。 改进方法：再设置一个发送寄存器，每当移位寄存器内为一个字时就将其内容送发送寄存器保存，由发送寄存器送数据。这个寄存器保存一个字的最短时间为51μs。
7．某计算机系统字长32位，包括两个选择通道和一个多路通道。每个选择通道上连接了两台磁盘机和两台磁带机；多路通道上连接了两台行式打印机、两台读卡机、10台终端。假定各个设备的传输率如下：
磁盘机 800KB／s 磁带机 200KB／s
行打机 6.6KB／s 读卡机 1.2KB／s
终端 1KB／s 请计算该计算机系统的最大I／O数据传输率。
解：为了保证通道不丢失数据，各种通道实际流量应该不大于通道的最大流量。在本题中，系统由3个不同的通道组成。这样，系统最大数据传输率等于所有通道最大通道传输率之和。为此，我们依次求出各个通道的最大通道传输率。
两个选择通道所连接的设备相同，只要计算其中—个通道的通道传输率即可。因为磁盘机的传输率大于磁带机，所以此类型通道的通道传输率为：
fSELECT =max{800，200}=800KB／s
多路通道上的这些设备传输速率都非常低，如果将它们组织成数组多路方式，则由通道任何时候只有一个设备传送数据，所以它的传输率是所有设备中传输率最大者。若将它们组织成字节多路通道形式，那么该通道的最大传输率是通道上所有设备的数据传输率之和。所以从性能上考虑，应组织成字节多路通道形式。根据以上公式，得到此通道的最大传输率为：
fBYTE?f打印机诉传率?2?f读卡机数传率?2?f终端数传率?10?25.6KB/s
所以，本系统的最大数据传输率为：
f系统?2?fSELECT?fBYTE?1600?25.6?1625.6KB/s
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