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水线控制,有利于这类控制方式下指令预取操作的完成;2)指令Cache可用ROM实现,以提高指令存取的可靠性;3)数据Cache对不同数据类型的支持更为灵活,既可支持整数(例32位),也可支持浮点数据(如64位)。Cache结构改进的第三个措施是分级实现,如二级缓存结构,即在片内Cache(L1)和主存之间再设一个片外Cache(L2),片外缓存既可以弥补片内缓存容量不够大的缺点,又可在主存与片内缓存间起到平滑速度差的作用,加速片内缓存的调入调出速度(主存—L2—L1)。?各有何特点?解: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;特点: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设备和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。讨论:I/O编址方式的意义:I/O编址方式的选择主要影响到指令系统设计时I/O指令的安排,因此描述其特点时一定要说明此种I/O编址方式对应的I/O指令设置情况。I/O与内存统一编址方式将I/O地址看成是存储地址的一部分,占用主存空间;问题:确切地讲,I/O与内存统一编址的空间为总线空间,I/O所占用的是内存的扩展空间。I/O独立编址方式有明显的I/O地址标识,而I/O与内存统一的编址方式没有;问题:无论哪种编址方式,I/O地址都是由相应的指令提供的,而地址本身并没有特殊的标识。?它们分别用于什么场合?答:CPU与I/O之间传递信息常采用三种联络方式:直接控制(立即响应)、同步、异步。适用场合分别为:直接控制适用于结构极简单、速度极慢的I/O设备,CPU直接控制外设处于某种状态而无须联络信号。同步方式采用统一的时标进行联络,适用于CPU与I/O速度差不大,近距离传送的场合。异步方式采用应答机制进行联络,适用于CPU与I/O速度差较大、远距离传送的场合。讨论:注意I/O交换方式、I/O传送分类方式与I/O联络方式的区别:串行、并行I/O传送方式常用于描述I/O传送宽度的类型;I/O交换方式主要讨论传送过程的控制方法;I/O联络方式主要解决传送时CPU与I/O之间如何取得通信联系以建立起操作上的同步配合关系。同步方式适用于CPU与I/O工作速度完全同步的场合。问题:I/O要达到与CPU工作速度完全同步一般是不可能的。同步方式的实质是“就慢不就快”,如采用同步方式一般CPU达不到满负荷工作。,各有何作用?解:显示缓冲存储器的作用是支持屏幕扫描时的反复刷新;只读存储器作为字符发生器使用,他起着将字符的ASCII码转换为字形点阵信息的作用。。字符信息的格式为一位起始位、七位数据位、一位校验位和一位停止位。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:480×10=4800位/秒=4800波特;波特——是数据传送速率波特率的单位。5:..?为什么要设置I/O接口?I/O接口如何分类?解:I/O接口一般指CPU和I/O设备间的连接部件;I/O接口分类方法很多,主要有:按数据传送方式分有并行接口和串行接口两种;按数据传送的控制方式分有程序控制接口、程序中断接口、DMA接口三种。,说明其工作过程。解:程序查询接口工作过程如下(以输入为例):1)CPU发I/O地址地址总线接口设备选择器译码选中,发SEL信号开命令接收门;2)CPU发启动命令D置0,B置1接口向设备发启动命令设备开始工作;3)CPU等待,输入设备读出数据DBR;4)外设工作完成,完成信号接口B置0,D置1;5)准备就绪信号控制总线CPU;6)输入:CPU通过输入指令(IN)将DBR中的数据取走;若为输出,除数据传送方向相反以外,其他操作与输入类似。工作过程如下:1)CPU发I/O地址地址总线接口设备选择器译码选中,发SEL信号开命令接收门;2)输出:CPU通过输出指令(OUT)将数据放入接口DBR中;3)CPU发启动命令D置0,B置1接口向设备发启动命令设备开始工作;4)CPU等待,输出设备将数据从DBR取走;5)外设工作完成,完成信号接口B置0,D置1;6)准备就绪信号控制总线CPU,CPU可通过指令再次向接口DBR输出数据,进行第二次传送。。解: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首址。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。)讨论:硬件向量法的实质:当响应中断时,为了更快、更可靠的进入对应的中断服务程序执行,希望由硬件直接提供中断服务程序入口地址。但在内存地址字较长时这是不可能的。因此由硬件先提供中断源编号、再由编号间接地获得中断服务程序入口地址。这种中断源的编号即向量地址。由于一台计算机系统可带的中断源数量很有限,因此向量地址比内存地址短得多,用编码器类逻辑部件实现很方便。,I/O设备可以向CPU提出中断请求?解:I/O设备向CPU提出中断请求的条件是:I/O接口中的设备工作完成状态为1(D=1),中断屏蔽码为0(MASK=0),且CPU查询中断时,中断请求触发器状态为1(INTR=1)。?它有何作用?解:中断允许触发器是CPU中断系统中的一个部件,他起着开关中断的作用(即中断总开关,则中断屏蔽触发器可视为中断的分开关)。,CPU可以响应I/O的中断请求?解:CPU响应I/O中断请求的条件和时间是:当中断允许状态为1(EINT=1),且至少有一个中断请求被查到,则在一条指令执行完时,响应中断。,每抽取一个输入数据,CPU就要中断处理一次,将取样的数据存至存储器的缓冲区中,该中断处理需P秒。此外,缓冲区内每存储N个数据,主程序就要将其取出进行处理,这个处理需Q秒。试问该系统可以跟踪到每秒多少次中断请求?6:..解:这是一道求中断饱和度的题,要注意主程序对数据的处理不是中断处理,因此Q秒不能算在中断次数内。N个数据所需的处理时间=P×N+Q秒平均每个数据所需处理时间=(P×N+Q)/N秒;求倒数得:该系统跟踪到的每秒中断请求数=N/(P×N+Q)次。,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,磁盘申请中断请求。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:由于磁盘中断的优先权高于打印机,因此应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。因为打印机的速度比磁盘输入输出的速度慢,并且暂停打印不会造成数据丢失。讨论:打印机不停,理由有如下几种:打印内容已存入打印机缓存;问题:1)如果打印机无缓存呢?2)如果打印机有缓存,还需要用程序中断方式交换吗?(应用DMA)由于在指令执行末查中断,因此执行打印指令时不会响应磁盘中断。′问题:打印中断处理程序=打印指令?采用字节交叉传送方式,当两者同时请求中断时,先响应盘,再响应打印机,交叉服务。′问题:这是程序中断方式吗?由于打印机速度比CPU慢得多,CPU将数据发送给打印机后,就去为磁盘服务,而这时打印机可自己慢慢打印。′问题:停止打印机传送=停止打印机动作?我有打印机,感觉上打印机工作是连贯的;′问题:人的感觉速度=计算机工作速度??子程序只有调用的时候才执行,而中断不需调用,只要外部条件满足就执行中断服务程序,子程序可以由用户程序和操作系统调用,而中断服务程序只能由操作系统调用。?实现多重中断的必要条件是什么?解:多重中断是指:当CPU执行某个中断服务程序的过程中,发生了更高级、更紧迫的事件,CPU暂停现行中断服务程序的执行,转去处理该事件的中断,处理完返回现行中断服务程序继续执行的过程。实现多重中断的必要条件是:在现行中断服务期间,中断允许触发器为1,即开中断。?为什么?解:CPU对DMA请求和中断请求的响应时间不一样,因为两种方式的交换速度相差很大,因此CPU必须以更短的时间间隔查询并响应DMA请求(一个存取周期末)。讨论:CPU对DMA的响应是即时的;随时都能响应?CPU响应DMA的时间更短;DMA比中断速度高;短、高或不一样的具体程度?不一样。因为DMA与CPU共享主存,会出现两者争用主存的冲突,CPU必须将总线让给DMA接口使用,常用停止CPU访存、周期窃取及DMA与CPU交替访存三种方式有效的分时使用主存;这种情况仅仅存在于DMA与中断程序之间吗?答非所问。,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。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:7:..现行程序CPUDMACI/OCPUDMACI/OBCD周期窃取方式的DMA工作流程如下:现行程序CPUDMACI/OCPUDMACI/,而相应的中断处理程序其执行时间为40μs。试问该外设是否可用程序中断方式与主机交换信息,为什么?解:该设备向CPU传送信息的时间间隔=1/40K=×1000=25μs<40μs则:该外设不能用程序中断方式与主机交换信息,因为其中断处理程序的执行速度比该外设的交换速度慢。举例说明:(输入)假设初始CPU空闲,则当I/O将第一个数据放在接口的数据缓冲寄存器中后,向CPU发第一个中断请求,CPU立即响应;I/O设备匀速运行,25s后,第二个中断请求到来,CPU正在执行中断程序接收第一个数据,40s时响应;50s后,第三个中断请求到来,CPU正在执行中断程序接收第二个数据,要到80s时响应;75s后,第四个中断请求到来,但此时第三个中断请求还没有响应,则放在数据缓冲寄存器中的第三个数据来不及接收,被第四个数据冲掉;,分8个扇区,每扇区存储1K字节,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?解:先算出磁盘传送速度,然后和指令执行速度进行比较得出结论。道容量=1K×8位×8扇区=1KB×8=×8=4K字数传率=4K字×3000转/分=4K字×50转/秒=200K字/秒一个字的传送时间=1/(200*1024字/秒)==5μs/字讨论:扇面、扇段和扇区:扇面指磁盘分区后形成的扇形区域;扇段指扇面上一个磁道所对应的弧形区域;扇区通常用来泛指扇面或扇段。由于磁盘是沿柱面存取而不是沿扇面存取,因此****惯上扇区即指扇段,不用特别说明也不会引起误会。问题:是否磁盘转一圈读完所有扇区上的磁道?答:应为:磁盘转一圈读完一个磁道上的所有扇区,然后转到下一盘面的同一位置磁道接着读(如果文件未读完的话)。、程序中断和DMA三种方式的综合性能。(1)数据传送依赖软件还是硬件;(2)传送数据的基本单位;(3)并行性;(4)主动性;(5)传输速度;(6)经济性;(7)应用对象。解:比较如下:(1)程序查询、程序中断方式的数据传送主要依赖软件,DMA主要依赖硬件。(注意:这里指主要的趋势)(2)程序查询、程序中断传送数据的基本单位为字或字节,DMA为数据块。(3)程序查询方式传送时,CPU与I/O设备串行工作;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。(4)程序查询方式时,CPU主动查询I/O设备状态;程序中断及DMA方式时,CPU被动接受I/O中断请求或DMA请求。(5)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;程序查询方式软件额外开销时间基本没有,因此传输速度比中断快;DMA方式基本由硬件实现传送,因此速度最快;8:..注意:程序中断方式虽然CPU运行效率比程序查询高,但传输速度却比程序查询慢。(6)程序查询接口硬件结构最简单,因此最经济;程序中断接口硬件结构稍微复杂一些,因此较经济;DMA控制器硬件结构最复杂,因此成本最高;(7)程序中断方式适用于中、低速设备的I/O交换;程序查询方式适用于中、低速实时处理过程;DMA方式适用于高速设备的I/O交换;讨论:问题1:这里的传送速度指I/O设备与主存间,还是I/O与CPU之间?答:视具体传送方式而定,程序查询、程序中断为I/O与CPU之间交换,DMA为I/O与主存间交换。问题2:主动性应以CPU的操作方式看,而不是以I/O的操作方式看。程序查询方式:以缓冲器容量(块、二进制数字)为单位传送;′程序中断方式:以向量地址中的数据(二进制编码)为单位传送;DMA:传送单位根据数据线的根数而定;′?若要求全0表示机器零,浮点数的阶码和尾数应采取什么机器数形式?解:机器零指机器数所表示的零的形式,它与真值零的区别是:机器零在数轴上表示为“0”点及其附近的一段区域,即在计算机中小到机器数的精度达不到的数均视为“机器零”,而真零对应数轴上的一点(0点)。若要求用“全0”表示浮点机器零,则浮点数的阶码应用移码、尾数用补码表示(此时阶码为最小阶、尾数为零,而移码的最小码值正好为“0”,补码的零的形式也为“0”,拼起来正好为一串0的形式)。。解:逻辑移位和算术移位的区别:逻辑移位是对逻辑数或无符号数进行的移位,其特点是不论左移还是右移,空出位均补0,移位时不考虑符号位。算术移位是对带符号数进行的移位操作,其关键规则是移位时符号位保持不变,空出位的补入值与数的正负、移位方向、采用的码制等有关。补码或反码右移时具有符号延伸特性。左移时可能产生溢出错误,右移时可能丢失精度。9