计组(七)输入输出系统

本文深入解析了CPU响应中断的必要条件,包括中断屏蔽触发器、中断请求触发器及中断允许触发器的状态要求。同时,阐述了中断响应优先级与处理优先级的区别,向量中断、中断向量和中断向量地址的概念及其相互关系,并对比了程序中断与调用子程序的差异。

1、CPU响应中断应该具备哪些条件?
1. CPU内部的中断屏蔽触发器必须是开放的
2. 外设有中断请求时,中断请求触发器必须处于“1”状态,以保持中断请求信号。
3. 外设(接口)的中断允许触发器必须为“1”,这样才能够吧中断请求送至CPU。
4. 满足以上三个条件,CPU在现行指令结束的最后一个状态周期响应中断。
2、中断响应优先级和中断处理优先级分别是指什么?
中断响应优先级是由硬件排队线路或者中断查询程序的查询顺序决定的,不可动态改变;而中断处理优先级可以由中断屏蔽字来确定,反映的是正在处理的中断是不是比新发生的中断的处理的优先级低,若是,则中止正在处理的中断,转到新的中断去处理,处理完后再回到刚才被终止的中断继续处理。
3、向量中断、中断向量和中断向量地址三个概念是什么关系?
中断向量:每个中断源都有对应的处理程序,这个处理程序称为中断服务程序,其入口地址就是中断向量,所有的中断服务程序的入口地址构成一个表,称为中断向量表。
向量地址:中断向量表中每个表项所在内存地址或者表项的索引值,称为向量地址或者中断类型号。
向量中断:指识别一种中断源的技术,识别中断源的目的是为了找到中断源对应的中断服务程序的入口地址的地址,也就是中断向量地址。
4、程序中断和调用子程序有何区别?
两者的根本区别主要表现在服务时间和服务对象上的不同:

  1. 调用子程序过程发生的时间是已知和固定的,所调用的指令所在的位置上也是已知和固定的,而中断过程所发生的的时间一般是随机的。也可以说,调用子程序是程序设计者事先安排的,而中断则是由系统工作环境随机分配的。
  2. 子程序完全为主程序服务的,两者属于主从关系。中断服务程序与主程序一般是无关的,是平行关系。
  3. 主程序调用子程序完全属于软件处理过程,不需要专门的硬件处理电路,而中断是一个软硬件结合的系统,需要专门的硬件电路。
  4. 子程序的嵌套可以实现若干级,嵌套的层数一般受计算机内存开辟的堆栈空间大小的限制;而中断嵌套的级数一般由中断优先级来决定,一般优先级不会很大。
根据已有引用,未提及计算机组成原理输入输出大题总结的相关内容。不过从计算机组成原理的常见知识体系来看,输入输出相关大题可能会涉及以下方面: ### 输入输出系统概述 - **计算机基本组成与输入输出**:计算机主要由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备组成,输入输出设备是实现人机交互和数据交换的重要部分。输入设备将外部信息转换为计算机能处理的形式,输出设备则将计算机处理结果转换为人们能识别的形式。 - **输入输出系统的发展**:经历了早期的分散连接到集中连接,以及从程序查询方式到中断方式、DMA方式等的发展,以提高输入输出效率。 ### 输入输出控制方式 - **程序查询方式**:CPU主动查询外设状态,只有当外设准备好时才进行数据传输。这种方式CPU利用率低,因为CPU需要不断查询外设状态,浪费了大量时间在等待上。 ```plaintext 程序查询方式流程: 1. CPU向I/O接口发出命令字,启动外设。 2. CPU从I/O接口读入状态字。 3. CPU检测状态字,判断外设是否准备好。 - 若未准备好,返回步骤2继续查询。 - 若准备好,进行数据传输。 ``` - **程序中断方式**:当外设准备好时,向CPU发出中断请求,CPU暂停当前程序,转去执行中断服务程序进行数据传输。这种方式提高了CPU的利用率,因为CPU在等待外设准备的过程中可以执行其他程序。 ```plaintext 程序中断方式流程: 1. 外设准备好数据后,发出中断请求信号。 2. CPU在每条指令执行结束时检测中断请求信号。 3. 若有中断请求,CPU保存当前程序的断点和现场。 4. CPU转去执行中断服务程序,进行数据传输。 5. 中断服务程序执行完毕,恢复断点和现场,CPU继续执行原来的程序。 ``` - **DMA(直接存储器访问)方式**:在外设和存储器之间直接进行数据传输,不需要CPU的干预。通过DMA控制器(DMAC)来控制数据传输,大大提高了数据传输速度。 ```plaintext DMA方式流程: 1. CPU向DMAC发出命令,设置传输参数(如传输方向、传输数据块大小、存储器地址等)。 2. 外设准备好数据后,向DMAC发出DMA请求。 3. DMAC向CPU发出总线请求。 4. CPU响应总线请求,将总线控制权交给DMAC。 5. DMAC控制外设和存储器之间的数据传输。 6. 数据传输完成后,DMAC向CPU发出中断请求,报告传输结束。 7. CPU响应中断,收回总线控制权。 ``` - **通道方式**:通道是一种特殊的处理器,专门用于管理输入输出操作。它可以独立于CPU执行通道程序,控制外设与存储器之间的数据传输,进一步提高了系统的并行性和效率。 ```plaintext 通道方式流程: 1. CPU向通道发出I/O指令,指出要执行的操作和相关参数。 2. 通道接收到指令后,从内存中取出通道程序并执行。 3. 通道根据通道程序的要求,控制外设进行数据传输。 4. 数据传输完成后,通道向CPU发出中断请求,报告操作结束。 ``` ### 输入输出接口 - **接口的功能和组成**:接口具有数据缓冲、信号转换、设备选择、中断管理等功能。一般由数据寄存器、状态寄存器、控制寄存器、地址译码电路等组成。 - **接口的编址方式**:有独立编址和统一编址两种方式。独立编址是指I/O端口有独立的地址空间,与存储器地址空间分开;统一编址是指将I/O端口和存储器单元统一编址,使用相同的地址总线和指令系统。 ### 外设 - **常见输入设备**:如键盘、鼠标、扫描仪等,了解它们的工作原理和数据传输方式。 - **常见输出设备**:如显示器、打印机等,掌握它们的性能指标和工作原理。 ### 例题分析 - **题目**:某计算机系统采用程序查询方式进行输入输出操作,现有一个外设,其准备数据的时间为100μs,CPU处理数据的时间为20μs,数据传输时间为10μs。求CPU的利用率。 - **解答**: - 一次数据传输的总时间 = 外设准备时间 + CPU处理时间 + 数据传输时间 = 100 + 20 + 10 = 130μs。 - CPU实际工作时间 = CPU处理时间 + 数据传输时间 = 20 + 10 = 30μs。 - CPU利用率 = CPU实际工作时间 / 一次数据传输的总时间 = 30 / 130 ≈ 23.1%。
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