现代微型计算机与接口教程(杨文显)第八章课后答案

习题八1.查找相关资料，用列表方式给出8088，8086，……直到P4各代微处理器的地址、数据线引脚数量，并推算出各自的内存寻址空间。

2.什么是MMX指令？它有什么特点？MMX指令是“多媒体扩展指令”的英文简称，它采用SIMD（单指令流多数据流）技术，使得处理器在一条指令中对多个数据进行处理，提高了对多媒体数据的处理能力。

3.什么叫动态执行？使用动态执行技术会带来什么好处？动态执行是通过预测指令流和数据流，调整指令的执行顺序，最大地发挥CPU内部各部件的功效，提高系统执行指令的速度。

动态执行主要采用了：多路分支预测：利用转移预测技术允许程序几个分支流同时在处理器内执行；数据流分析：通过分析指令数据的相关性，把指令进行优化排序后执行，充分利用处理器内部资源；推测执行：根据各推测最终的正确性，对多个分支的运行结果进行取舍。

4.32位微处理器有哪几种工作方式？各有什么特点？32位微处理器有4种不同的工作方式：实地址方式、保护方式、虚拟8086方式、系统管理方式。

实地址方式：实地址方式使用16位80x86处理器的寻址方式（使用20位地址寻址1MB空间）、存储器管理和中断管理。

可以使用32位寄存器，使用特权级0，可以执行大多数指令。

保护方式：保护方式是32位微处理器的基本工作方式。

它使用32位地址寻址4GB的实存空间，通过虚拟存储管理、用户优先级管理、I/O管理等技术，扩大可使用的存储空间，对操作系统和用户程序进行隔离和保护。

虚拟8086方式：虚拟8086方式是保护模式下为任务提供的的8086工作环境。

每个任务使用16位地址寻址1MB的内存空间，以最低特权级运行，不能使用特权指令。

系统管理方式：系统管理模式主要用于电源管理，可以使处理器和外围设备部件进入“休眠”状态，在有键盘按下或鼠标移动时“唤醒”系统，使之继续工作。

利用SMM可以实现软件关机。

5.叙述XT总线与ISA总线的异同之处。

XT总线可以看作是ISA总线的一个“子集”，它包括8位数据线，20根地址线，使用与CPU相同的4.77MHz的时钟信号。

ISA总线在XT总线的基础上，把数据线扩展到16根，地址线扩展到24根，使用独立于CPU的8MHz时钟信号，中断和DMA通道数目都有所增加。

ISA总线插槽由8位的XT总线插槽和ISA总线扩展插槽两部分组成。

6.什么叫分级总线？使用分级总线有什么优点？所谓分级总线是指系统中存在多组总线，每组总线可以有不同的数据线宽度、数据传输速率和不同的信号传输协议。

系统内的设备按照它们对传输速率、数据吞吐量的不同要求合理地连接在不同的总线上。

不同总线之间通过“桥”电路进行连接。

使用分级总线可以使各种设备的数据传输要求得到最大程度的满足，同时使整个系统的数据吞吐量和效能达到最大化。

7.简述“两个中心”结构与“南北桥”结构的区别，同时说明“两个中心”结构的优越之处。

“南北桥”结构和“中心结构”都支持多级总线的系统结构。

它们的主要区别在于，南桥芯片连接的所有高速外设都要通过PCI总线与处理器相连接，而“中心结构”里所有连接IO设备的总线（PCI, ISA, USB……）都通过IO控制中心（ICH）与中心高速接口直接连接，从而缓解了PCI总线数据交换的拥挤程度。

相比较而言，“中心结构”对信息流的路径分配更为合理。

8.CPU←→Cache，Cache←→主存，主存←→辅存之间的数据传输各有什么特点？为什么？请分析原因。

CPU与Cache之间数据传输的主要特点是：高速：Cache以与CPU相同或接近的速度工作；不确定：CPU对Cache的访问可能因“命中”而成功，也可能以“失靶”而失败。

Cache与主存之间数据传输的主要特征是：数据传输以“页”为单位，使用“成组传输方式（突发总线方式）”进行。

导致上述特点的原因是，这一层次以“高速”为追求的目标，利用了程序、数据的“局部性”原理。

主存与辅存之间的数据传输以“数据块/扇区”为单位，通常以DMA方式进行。

导致上述特点的原因是，这一层次以“大容量”、“低价格”为追求的目标，辅存大容量、“粗粒度”的结构特点正好能够满足对上述目标的要求。

系统对不同层次的数据传输有着不同的要求，因而设置了不同的软硬件结构，最终导致了传输方式上的差异。

9.什么叫“相联存储映像表”？说明它的结构和用途。

相联存储映像表是Cache内纪录Cache中各页在主存的位置和其他信息的表格，由各页的“标记（Tag）”，“状态”和“LRU位”组成。

“标记（Tag）”记录了该页在主存中的位置，供CPU访问时进行匹配查找使用。

“状态”和“LRU位”用于Cache页的替换操作。

10.为什么要进行Cache和主存的“映像”？有哪几种相联映像的方法？比较各自的利弊。

Cache和主存的“映像”是主存页调入Cache的“规则”，为了提高CPU在Cache中查找信息的速度，这种“规则”是必须的。

常见相联映像的方法有三种：全相联映像法：内存页可以调入Cache的任何一页，规则简单，页冲突的可能性最小，查找所需工作量最大。

直接映像法：每一个内存页只能调入Cache中相同页号的一个页，规则简单，查找方便，块冲突的可能性大。

组相联映像法：每一个内存页可以与Cache中一个组内的若干个页面相对应，规则稍复杂，查找工作量中等，块冲突的可能性中等。

11.什么叫“突发总线周期”？它有什么优点？“突发总线周期”也称为“成组传送方式”，总线主设备在发送一个主存地址之后，通过连续的多个周期，传输（读/写）多个地址相连的存储单元的数据。

这种方式省去了多次发送地址、多次申请总线和多次相互联络的过程，因此可以获得很高的数据传输速率。

12.逻辑地址是怎样转换成线性地址的？简要叙述转换过程。

实地址方式下没有“线性地址”。

保护模式下，逻辑地址由“段号”和“段内地址”两部分组成。

使用“段号”查找“段描述符表”，可以获得该段的起始地址，与“段内地址”相加，就得到了对应的“线性地址”。

13.线性地址是怎样转换成物理地址的？简要叙述转换过程。

“线性地址”由处于高位的“页组号”、处于中间的“页号”和处于低位的“页内地址”三部分组成。

用“页组号”查找“页组表”，得到“页表”的起始地址；用“页号”查找该“页表”，得到该页的起始地址；页起始地址加上“页内地址”就得到了它对应的物理地址。

14.请分析使用虚拟存储管理带来的利弊。

虚拟存储管理把辅存的一部分用作“虚拟”的主存，扩大了操作系统可分配，程序员可利用的存储空间，便于实现任务之间的隔离和保护，有效地支持了“多任务”运行环境的实现。

它还可以有效地克服“内存碎片”问题，简化了存储管理。

但是，实现虚拟存储后，每次访问主存都需要进行两次地址的转换，增加了系统的复杂性，增加了系统的硬件成本，降低了访问主存的速度，而且，由于系统复杂程度的增加，系统的可靠性也会受到影响。

15.32位微处理器实施保护机制的目的是什么？有哪些主要措施？32位微处理器实施保护机制的根本目的在于增加在“多任务”运行环境下系统的可靠性，使得任务之间、任务和操作系统之间实现隔离和保护。

为了实现隔离和保护，采取了以下几项措施：为任务和资源设定一个“优先级”，优先级较低的任务不能访问优先级较高的资源，不能调用优先级较高的程序模块。

使用虚拟内存管理机制，使得任务和任务、任务和操作系统所使用的存储空间相互隔离，从而保证每个任务的正常运行不受其它任务的影响，一个任务的故障不影响整个系统的正常运行。

16.说明操作系统在保护模式下启动一个任务的过程。

一个任务用JMP或CALL指令启动一个新的任务时，处理器将当前任务的所有通用寄存器、所有段寄存器中的选择子、EFLAGS、EIP存入该任务自身的TSS，然后将新任务的选择子、描述符装入TR 寄存器，并且将对应TSS段中所保存的通用寄存器、段寄存器、EFLAGS、EIP副本装入处理器对应的寄存器中。

在CS:EIP的控制下，一个新的任务开始执行。

用JMP、CALL指令调用同一个任务中其他程序段时，指令中的“段选择子”及其描述符被存入CS寄存器，“偏移地址”进入EIP，于是，目标程序被执行。

对于CALL指令，原来程序的返回信息“CS: EIP”被压入堆栈，和16位微处理器中十分相似。

中断和异常也会导致任务的转换。

17.32位微处理器如何实施对I/O过程的管理？保护方式下对I/O过程的管理主要有两项措施：任务状态段TSS中有一个最多64Kbits组成的“I/O允许位图（IOM）”，它的每一位对应一个I/O端口，为0表示该端口允许这个用户进行I/O操作。

处理器首先检查存放在CS中的当前任务的CPL（当前任务优先级），如果CPL的特权级高于或等于EFLAGS中由IOPL规定的特权级，I/O操作不会受限制，否则将进一步检查IOM，对IOM为1的端口进行操作将产生保护异常；对于运行在虚拟8086方式的任务，用IOM来控制对I/O端口进行访问，对位图对应位为1的端口进行访问将产生保护异常。

另一种办法是：在IOM中封锁对所有端口的访问，当前任务一旦执行I/O指令，立即产生保护异常，进入由操作系统设置的“异常处理程序”，在操作系统的控制下进行间接的“I/O操作”。

18.简要叙述保护方式与实地址方式下的中断管理方法的区别。

在实地址方式下，32位80X86微处理器采用与16位80X86相同的中断管理机制，用1KB大小的“中断向量表”存储各中断服务程序入口地址，这些“中断向量”按照“中断类型”的顺序存放。

中断向量表存放在地址0000：0000开始的主存中。

保护方式下用“中断描述符表”来指出各中断处理程序的入口地址，每一个中断类型对应一个“中断门”或“陷阱门”描述符。

中断描述符表可以放在内存的任何位置，表的首地址存放在IDTR寄存器中。

保护模式下中断响应的过程与实地址方式基本相同，但是可以用中断机制进行任务的切换。

19.什么叫“串行中断”？它有什么优点？串行中断用一根SERIRQ来传递中断请求信号。

SERIRQ信号线上的信息组织成“包”，用PCI的时钟信号对“包”内的信号进行同步。

所有支持串行中断的设备都可以用一个三态门连接到这根线上发送各自的中断请求信号。

使用串行中断减少了中断请求的引脚数，可以不受中断请求引脚的限制灵活地扩充中断请求数目。

20.什么叫“APIC”中断？它有什么用途？APIC是“高级可编程中断控制子系统”的缩写，用于解决多处理器环境下处理器之间的联络、任务分配和中断处理。