05计组课后习题：输入输出系统
5.1 I/O有哪些编址方式？各有何特点？
解答：
I/O的编址方式有两种：统一编址和不统一编址（单独编址）
1. 统一编址：即在主存地址空间划出一定的范围作为I/O地址，这样通过访存指令即可实现对I/O的访问。但是主存容量相应减少。
2. 不统一编址：I/O和主存地址是分开的，I/O地址不占主存空间，故这种编址不影响主存容量，但访问I/O时必须有专用的I/O指令。
5.2 简要说明CPU与I/O之间传递信息可采用哪几种联络方式？它们分别用于什么场合？
什么叫CPU与I/O之间的联络？
不论是串行传送还是并行传送，I/O设备与主机之间必须互相了解彼此当时所处的状态，如是否可以传送、传送是否已结束等。
解答：
按照I/O设备工作速度的不同，可分为三种联络方式：
（1）立即响应方式。对于一些速度极慢或简单的外部设备，它们与CPU联络时，通常早已使其处于某种状态，因此只要CPU命令一到，它们就立即响应。
（2）异步方式。对于一些慢速或中速的外设，由于与主机工作速度不匹配，且本身又在不规则时间间隔下操作，则大多采用异步方式。即交换信息前，I/O与CPU各自完成自身的任务，仅当出现联络信号时，才彼此交换信息。联络时采用应答方式，如 ”Ready“ 和 ”Strobe“ 可分别来表示 ”准备就绪“ 和 ”响应“ 的含义。
（3）同步方式。对于一些高速外设，它们是以相等的时间间隔操作的，而CPU也是以同等的速度执行输入输出指令。如某外设以2400bps的速率传输信息，而CPU需隔 1/2400 s的速率接收每一位数，这就是同步方式。这种联络互相之间还得配有专用电路，用以产生同步时标来控制同步工作。
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。
（1）程序查询方式。其特点是主机与I/O串行工作。CPU启动I/O后，时刻查询I/O是否准备好，若设备准备就绪，CPU便转入处理I/O与主机间传送信息的程序；若设备未做好准备，则CPU反复查询，”踏步“ 等待直到I/O 准备就绪为止。可见这种方式 CPU效率很低。
（2）程序中断方式。其特点是主机与I/O 并行工作。CPU启动 I/O后，不必时刻查询 I/O是否准备好，而是继续执行程序。当 I/O 准备就绪时，向CPU 发中断请求信号，CPU在适当的时候响应 I/O 的中断请求，暂停现行程序为I/O服务。这种方式消除了 ”踏步“ 现象，提高了CPU的效率。
（3）DMA（Direct Memory Access）方式。其特点是主机与I/O并行工作，主存与I/O之间有一条直接数据通路。CPU启动 I/O后，不必查询 I/O是否准备好，当I/O准备就绪后，发出DMA请求，此时CPU不直接参与 I/O和主存间的信息交换，只是把外部总线（地址线、数据线及有关控制线）的使用权暂时交赋予DMA，仍然可以完成自身内部的操作（如加法、移位等），故不必终端现行程序，只需暂停一个存取周期访存（即周期挪用），CPU的效率更高。
（4）通道方式。通道是一个具有特殊功能的处理器，CPU把部分权力下放给通道，由它实现对外围设备的统一管理和外围设备与主存之间的数据交换，大大提高了CPU的效率，但它是以花费更多的硬件为代价的。
（5）I/O处理机方式。它是通道方式的进一步发展，CPU将 I/O 操作及外围设备的管理权全部交给I/O处理机，其实质是多机系统，因而效率有更大提高。
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。
由下图可知：DMA方式的工作效率最高，程序中断方式其次，程序查询方式最低。
5.5 图形显示和图像显示有何区别？
（1）图形显示器是用点、线、面组合而成的平面或立体图形。并可以做平移、比例变化、旋转、坐标变换、投影变换、透视变换、透视投影、轴侧投影、单点透视、两点或三点透视以及隐线处理等操作。主要用于CAD和CAM等。图形显示器所显示的图形是由计算机用一定的算法形成的点、线、面、阴影等，它来自主观世界，因此又称主观图像或叫做计算机图像。
（2）图像显示器所显示的图像通常来自客观世界，故又称客观图像。图像显示器是把由计算机处理后的图像，以点阵列的形式显示出来。
5.6 字符显示器的接口电路中配有缓冲存储器和只读存储器，各有何作用？
（1）缓冲存储器作为显示存储器，存放欲显示的字符的ASCII码，其容量与显示屏能显示的字符个数有关，每个字符所在存储单元的地址与字符所在荧光屏上的位置一一对应。
（2）只读存储器作为字符发生器，将ASCII码转变为一组光点矩阵信息ROM的个数与显示器所能显示的字符种类有关。
5.7 试比较针式打印机、激光打印机和喷墨打印机的特点。
针式打印机、激光打印机和喷墨打印机都配备有一个字符发生器，它们的共同特点是都能将字符编码信息变为点阵信息，不同的是这些点阵信息的控制对象不同。点阵针式打印机的字符点阵用于控制打印机的驱动电路；激光打印机的字符点阵脉冲信号用于控制及激光束；喷墨打印机的字符点阵信息控制墨滴的运动轨迹。
此外，点阵针式打印机是属于击打式打印机，可以逐字打印也可以逐行打印，喷墨打印机只能逐字打印，激光打印机据页式输出设备，后两者都属于非击打式打印机。
不同种类的打印机其性能和价格差别很大，用户可以根据不同的需要合理选用。要求印字质量高的场合可以选用激光打印机。要求价格便宜的或是只需要具有文字处理功能的个人用计算机，可配置串行点阵针式打印机；要求处理的信息量很大，速度要求快，应该配置行式打印机或是高速激光打印机。
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位校验位和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？
解答：每秒共传位数：480 × 10 = 4800位，因此速率为4800位/秒 = 4800波特
波特——是数据传送速率波特率的单位。
比特率：4800 × （7/10）= 3360 位/秒
5.9 什么是多媒体技术？简要说明研制多媒体计算机的关键技术。
多媒体技术是指强调计算机与声音、活动图像和文字相结合的技术。
多媒体技术的关键技术主要有：视频和音频数据的压缩和解压缩技术、多媒体专用芯片、大容量存储器、适用于多媒体技术的软件。
5.10 什么是I/O接口，与端口有何区别?为什么要设置I/O接口？I/O接口如何分类？
解答：
（1）I/O接口位于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。
（2）数据信息、状态信息和控制信息分别放在外设接口的不同寄存器中。这些寄存器被称作端口（port），数据口、状态口和控制口、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“ 和 ”写“ 操作，因此每个端口都有一个 ”地址“ 对应。CPU对这些端口都是可编程的。
接口的设置主要是为了解决主机和外设直接的差异问题，实现相互通信。
I/O接口分类方法很多，主要有：
（1）按数据传送方式分有并行接口和串行接口两种；
（2）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。
5.11 简述I/O接口的功能和基本组成。
教材 P188
12. 结合程序查询方式的接口电路，说明其工作过程。
13. 说明中断向量地址和入口地址的区别和联系。
14. 在什么条件下，I/O设备可以向CPU提出中断请求？
15. 什么是中断允许触发器？它有何作用？
16. 在什么条件和什么时间，CPU可以响应I/O的中断请求？
17. 某系统对输入数据进行取样处理，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？
19. 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？
26. 什么是多重中断？实现多重中断的必要条件是什么？
28. CPU对DMA请求和中断请求的响应时间是否一样？为什么？
30. 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。
31. 假设某设备向CPU传送信息的最高频率是40 000次/秒，而相应的中断处理程序其执行时间为40ms，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？
32. 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25ms，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？
33. 试从下面七个方面比较程序查询、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。