第7章输入输出习题参考解答

第7章思考题与习题参考答案

1．计算机的I/O系统的功能是什么？它由哪几个部分组成？

答：计算机的I/O系统，主要用于解决主机与外部设备间的信息通讯，提供信息通路，使外围设备与主机能够协调一致地工作。

计算机的I/O系统由I/O硬件和I/O软件两大部分组成。其中I/O硬件包括：系统总线、I/O接口、I/O设备及设备控制器。I/O软件包括：用户的I/O程序、设备驱动程序、设备控制程序。

2．I/O硬件包括哪几个部分？各部分的作用是什么？

答：I/O硬件包括：系统总线、I/O接口、I/O设备及设备控制器。

系统总线的作用是为CPU、主存、I/O设备（通过I/O接口）各大部件之间的信息传输提供通路。

I/O接口通常是指主机与I/O设备之间设置的一个硬件电路及其相应的控制软件。它用于在系统总线和外设之间传输信号，并起缓冲作用，以满足接口两边的时序要求。

I/O设备的作用是为主机与外部世界打交道提供一个工具。

设备控制器用来控制I/O设备的具体动作，不同的I/O设备需要完成的控制功能不同。

3．什么是用户I/O程序？什么是设备驱动程序？什么是设备控制程序？

答：用户I/O程序是指用户利用操作系统提供的调用界面编写的具体I/O设备的输入输出程序。例如用户编写的用打印机输出文本的程序。

设备驱动程序是一种可以使计算机和设备通信的特殊程序。可以说相当于操作系统与硬件的接口，操作系统只有通过这个接口，才能控制硬件设备的工作，假如某设备的驱动程序未能正确安装，便不能正常工作。

设备控制程序就是驱动程序中具体对设备进行控制的程序。设备控制程序通过接口控制逻辑电路，发出控制命令字。命令字代码各位表达了要求I/O设备执行操作的控制代码，由硬件逻辑解释执行，发出控制外设的有关控制信号。

4．说明设计I/O系统的三个要素的具体内容。

答：设计I/O系统应该考虑如下三个要素：

①数据定位： I/O系统必须能够根据主机提出的要求进行设备的选择，并按照数据在设备中的地址找到相应的数据。

②数据传输：I/O系统必须对数据传送的数量、速率及方向进行控制。

③同步：I/O系统必须保证主机与外设间的同步，或称为协调工作。仅当设备准备好时主机才能输出数据；当数据可用时主机才能输入数据。

5．说明主机与I/O设备间的三种连接方式：总线型方式、通道方式及I/O处理机方式的优缺点。

答：①总线型连接方式

CPU通过系统总线与主存储器、I/O接口电路相连接，通过I/O接口电路进一步实现对外设的控制。

总线连接的优点：结构简单、标准化、I/O接口扩充方便。

总线连接的缺点：系统中部件之间的信息交换，均依赖于总线，总线成为系统中的速度瓶颈，因而对于配置大量外设的系统不适合。

②通道方式

输入/输出通道是一个独立于CPU的，专门管理I/O的处理机，它具有自己的指令和程序，专门负责数据输入输出的控制和管理。通道控制方式可以做到一个通道控制多台设备与

主存进行数据交换。因而，通道方式进一步减轻了CPU的工作负担，增加了计算机系统的并行工作程度。

③I/O处理机方式

I/O处理机是通道的进一步发展，它独立于主机工作，在结构上接近于一般的处理机，但其专用性更适于I/O处理。在一个系统中可设置多台I/O处理机，分别承担I/O控制、通信、维护诊断等任务，形式上类似于一个多机系统。

I/O处理机方式与通道方式相比，基本上把原来CPU管理I/O的这部分功能全部接管过来了，这样使得I/O处理与CPU的操作完全并行起来。

6．什么是I/O接口？I/O接口有哪些功能？接口有哪些类型？

答：I/O接口通常是指主机与I/O设备之间设置的一个硬件电路。它用于在系统总线和外设之间传输信号，并起缓冲作用，以满足接口两边的时序要求。

I/O接口应具备的基本功能包括：识别设备地址，选择指定设备的功能；传送控制命令及返回状态信息的功能；数据传送和数据缓冲的功能；数据格式转换的功能；检错纠错功能、中断功能、DMA功能、时序控制功能等。

通常可对接口进行如下分类：

按通用性可以将I/O接口分为通用接口与专用接口。

按可编程性可以将I/O接口分为可编程接口和不可编程接口。

按数据传送方式可以将I/O接口分为并行I/O接口和串行I/O接口。

按数据传送的控制方式可以将I/O接口分为程序型接口和DMA型接口。

7．什么是I/O端口？I/O端口有哪些编址方式？各自的特点是什么？

答：I/O接口中可编址的寄存器称为I/O端口，如命令寄存器被称为命令端口，数据缓冲寄存器被称为数据端口，状态标记寄存器被称为状态端口。

I/O端口的编址方式有两种，一种是独立编址方式，也称为专用的I/O端口编址方式；另一种是存储器映射编址方式，也称为统一编址方式。

独立编址方式的特点是I/O端口和存储器在两个独立的地址空间中进行编址， I/O端口的读、写操作由专用的控制信号（如：IOR和IOW）来实现，在指令系统中需要有专用的I/O指令（如：IN指令和OUT指令）实现对I/O端口的访问。

存储器映射编址方式的特点是I/O端口和存储器共用统一的地址空间，一旦地址空间分配给I/O端口后，存储器就不能再占有这一部分的地址空间。在这种方式下，I/O端口的读写操作同样由访存的控制信号（如：MEMR和MEMW）来实现，所有访问存储器的指令（包括数据传送指令、算术逻辑运算指令）都可以用于访问I/O端口。

8．程序查询方式、程序中断方式和DMA方式各自适用于什么范围？

答：程序查询方式适用于CPU速度不高，CPU工作效率问题不是很重要，需要调试或诊断I/O接口及设备的场合。

程序中断方式适用于随机出现的服务，并且一旦提出要求，应立即响应。

DMA方式适用于主存和高速外设间大批数据交换的场合。

9．什么是程序查询I/O传送方式？以图7．5为例说明其工作过程。

答：程序查询方式是指CPU在进行输入/输出操作之前，先查询外设的状态，只有当外设准备就绪时，才进行数据传送。这种传送方式也称为条件传送方式。

教材图7．5的工作过程如下：

① CPU通过执行输入指令读取“准备好状态”。首先CPU会将相应的端口地址通过地址线送至各设备的地址译码器，只有地址相符的设备的状态线才能被激活，同时CPU通过读状态控制线送读信号，读信号与地址译码器输出的状态线相与后开启“准备好”触发器的三态门，读出“准备好状态”，若打印机未准备好，CPU只能踏步等待，继续读取“准备好