计算机原理第八章
微型计算机原理及接口技术第8章8253
计数器/定时器的内部结构
8253内部包含三个完全一样的计数器/定时器通道， 每个通道的工作是完全独立的
每个通道包含：
① 一个8位控制字寄存器：由编程设定该通道的工作方式、读 写格式和数制
② 一个16位计数初值寄存器：由程序设定初始计数值，可分 成高8位和低8位两个部分，可作8位寄存器使用
③ 一个计数器执行部件（实际的计数器）：实际上是一个16 位减法计数器，它的起始值是初始寄存器的值，由程序设 定。可分成高8位和低8位两个部分
优点：电路结构简单，价格便宜，通过 改变电阻或电容值，可以在一定的定时 范围内改变定时时间
缺点：电路在硬件已连接好的情况下， 定时时间和范围就不能由程序来控制和 改变，而且定时精度也不高
555定时器外部引脚和内部结构
可编程硬件定时
定时原理：利用可编程定时器/计数器芯 片附加硬件电路实现定时
输出信号的波形由工作方式决定，同时还要受 到GATE引脚上的门控信号控制，它决定是否 允许计数
计数器/定时器的定时功能
当加到CLK引脚上的脉冲为精确的时钟脉 冲，可实现定时的功能。
定时时间决定于计数脉冲的频率和计数 器的初值。
定时时间＝时钟脉冲周期×预置的计数初值
计数器/定时器的计数功能
方式1：可编程单稳态输出方式
写入控制字后OUT初始状态：高电平 门控信号GATE的作用：①高电平或低电平均不起作用；
②只有在GATE发生由低到高的正跳变，输出OUT由高
到低跳变，并开始计数；③在计数过程中，若GATE产 生负跳变，不影响计数；④在计数器回0之前，GATE 又产生由低到高的正跳变，8253又将初始值装入，重 新开始计数，使生成脉冲加宽。 计数过程中OUT状态：保持低电平 计数结束OUT状态：发生由低到高的正跳变。 计数器回0后，是否重新计数：否 应用：用于定时
计算机组成原理课件第8章
光笔和持笔的手能挡住图形，而且由于屏幕玻璃的 厚度，光的折射作用和人眼与光笔的视角等影响，常 使画出的图形偏离预想的位置，而图形板无此问题， 而且长时间使用光笔，悬空的手臂会感到疲劳。
鼠标器、跟踪球和操作杆输入
• 光笔和图形板两种输入方式都可以输入绝对坐标， 即只要把光笔点到屏幕上某点或者把游动标放到图 形板的某一点，就可以读取这一点的坐标值。
• 图形板和画笔结合构成二维坐标的输入系统，主要 用于输入工程图等。
• 将图纸贴在图形板上，画笔沿着图纸上的图形移动， 读取图形坐标，即可输入工程图。
• 为了提高读图精度，常用游动标(cursor)代替画笔 与图形板配合使用。
• 游动标是一个手持的方形坐标读出器，游动标上有 一块透明玻璃，玻璃上刻有十字标记。十字标记的 中心就是游动标的中心。使用时将十字中心对准图 形的坐标点上，它比画笔读取的坐标更精确。
• (3) LCD预映显示器： LCD易于对物体进行取景， 预映屏幕允许重放或即时删除图像，删除图像后可 恢复存储容量。
• (4) 图像质量，取决于以下因素：
• ① 一般数字相机依赖于电荷耦合设备(CCD)获取图 像。
• ② 图像的压缩。
• (5) 如果计划让图像在电视上出现，或被盒式磁带 录像机直接录取，有些品牌的相机可自动生成视频 信号。
• 因此条码技术主要包括： 条码编码规则及标准、 条码译码技术、印刷技术、光电扫描技术、通信技 术、计算机技术等。
• 要阅读条码符号所包含的信息需要一个扫描装置。 在正常工作时，扫描器与条码符号之间要保持的距 离称为工作距离，而允许的最大工作距离和最小工 作距离之差称为扫描景深。
• 还有一类坐标输入设备，只能用来输入相对坐标。 鼠标器、跟踪球和操作杆就属于这一种。它们必须 和显示器的光标配合。
计算机组成原理课后答案(第二版)_唐朔飞_第八章
16. 计算机为了管理中断，在硬件上 计算机为了管理中断 管理中断， 设置？ 作用？ 通常有哪些设置 各有何作用 通常有哪些设置？各有何作用？对指令系 有何考虑？ 统有何考虑？ 计算机为了管理中断， 解：计算机为了管理中断，在硬件上 中断系统。 设有专门处理中断的机构——中断系统 设有专门处理中断的机构——中断系统。 它通常包括 中断请求寄存器、 包括： Байду номын сангаас通常包括：中断请求寄存器、中断优先 级排队器、向量编码器、 级排队器、向量编码器、中断允许触发器 EINT）、中断标记触发器（INT）、 ）、中断标记触发器 （EINT）、中断标记触发器（INT）、 中断屏蔽触发器（寄存器） 功能如下： 中断屏蔽触发器（寄存器）等。功能如下： 中断请求寄存器——对中断源发来的 中断请求寄存器——对中断源发来的 一过性中断请求信号进行登记 登记； 一过性中断请求信号进行登记； 中断优先级排队器——对同时提出的 中断优先级排队器——对同时提出的 裁决， 多个中断请求信号进行裁决 多个中断请求信号进行裁决，选出一个最 紧迫的进行响应； 紧迫的进行响应；
（2）中断周期流程图如下： 中断周期流程图如下： ↓ 关中断（ EINT） 关中断（0→EINT） ↓ SP→BUS→MAR SP→BUS→ ↓ SP+1→ SP+1→SP ↓ PC→BUS→MDR PC→BUS→
说 明
堆栈栈顶地址送MAR 堆栈栈顶地址送MAR 修改堆栈指针 断点送内存
↓ 存储器写（CU(-W)→ 存储器写（CU(-W)→M） 进栈 ↓A
LDA ↓ IR（X）→MAR IR（ ↓ N @=1? ↓Y（间址） 间址） 存储器读（ 存储器读（CU(R) →M） ↓ MDR →BUS →MAR ↓ 存储器读（ 存储器读（CU(R) →M） ↓ MDR →BUS →AC ↓ 直 接 寻 址
计算机组成原理第8章习题指导
第8章CPU的结构和功能例8.1假设指令流水线分取指（IF）、译码（ID）、执行（EX）、回写（WR）四个过程段，共有10条指令连续输入此流水线。
（1）画出指令周期流程。
（2）画出非流水线时空图。
（3）画出流水线时空图。
（4）假设时钟周期为100ns，求流水线的实际吞吐率。
（5）求该流水处理器的加速比。
解:（1）根据指令周期包括IF、ID、EX、WR四个子过程，图8.1（a）为指令周期流程图。
（2）非流水线时空图如图8.1（b）所示。
假设一个时间单位为一个时钟周期，则每隔4个时钟周期才有一个输出结果。
（3）流水线时空图如图8.1（c）所示。
由图可见，第一条指令出结果需要4个时钟周期。
当流水线满载时，以后每一个时钟周期可以出一个结果，即执行完一条指令。
(a)指令周期流程(b) 非流水线时空图(c) 标准流水线时空图图8.1 例8.1答图（4）由图8.1（c）所示的10条指令进入流水线的时空图可见，在13个时钟周期结束时，CPU执行完10条指令，故实际吞吐率为：10/(100ns×13) ≈ 0.77×107条指令/秒（5）在流水处理器中，当任务饱满时，指令不断输入流水线，不论是几级流水线，每隔一个时钟周期都输出一个结果。
对于本题四级流水线而言，处理10条指令所需的时钟周期数为T4 = 4 +（10 −1）= 13。
而非流水线处理10条指令需4×10 = 40个时钟周期。
故该流水处理器的加速比为40 ÷13 ≈ 3.08 例8.2设某机有四个中断源1、2、3、4，其硬件排队优先次序按1→2→3→4降序排列，各中断源的服务程序中所对应的屏蔽字如表8.1所示。
表8.1 例8.2各中断源对应的屏蔽字中断源 屏蔽字1 2 3 41 1 1 0 12 0 1 0 03 1 1 1 14 0 1 0 1（1）给出上述四个中断源的中断处理次序。
（2）若四个中断源同时有中断请求，画出CPU执行程序的轨迹。
计算机组成原理课件第08章
一、接口的功能和组成
1、总线连接方式的I/O接口电路 、总线连接方式的 接口电路 在总线结构的计算机系统中，每一台 I/O设备都是通过I/O接口挂到系统总线上 的。如图示：
数据线： 数据线：传送数据信息 ，其根数一般等于存储 字长的位数或字符的位 数。双向。 设备选择线： 设备选择线：传送设备 码，其根数取决于I/O指 令中设备码的位数。单 向。 命令线： 命令线：传输CPU向设 备发出的各种命令信号 ，其根数与命令信号多 少有关。单向总线。 状态线： 状态线：向主机报告I/O 设备状态的信号线。单 向总线。
CPU在任何瞬间只能接受一个中断源 CPU在任何瞬间只能接受一个中断源 的请求。 的请求。因此，当多个中断源提出中断请 求时，CPU必须对各中断源的请求进行排 队，且只能接受级别最高的中断源的请求 ，不允许级别低的中断源中断正在运行的 中断服务程序。此时，就可用MASK来改 变中断源的优先级别。 另外，CPU总是在统一的时间，即执 CPU总是在统一的时间， 总是在统一的时间 行每一条指令的最后时刻， 行每一条指令的最后时刻，查询所有设备 是否有中断请求。 是否有中断请求。 接口电路中D、INTR、MASK和中断 查询信号的关系如图示：
2、排队器 、 当多个中断源同时向CPU提出请求时，经 排队器的排队，只有优先级高的中断源排上 队，这样就能实现CPU按中断源优先级的高 低响应中断请求。 下图是设在各个接口电路中的排队电路— —链式排队器。
其中首尾相接的虚线部分组成的门电路是排 当各中断源均无中断请求时，各INTRi 为高电 队器的核心，由一个非门和一个与非门构成。 平，其INTP1 '、 INTP2' 、 INTP3 '……均为高电平 中断源优先级最高的是1号中断源。当多个中 。一旦某中断源提出中断请求,就迫使比其优先级 断源提出中断请求时，排队器输出端INTPi， 低的中断源之INTPi '变为低电平，封锁其发中断 只有一个为高电平，表示该中断源排上队。 请求。
《计算机组成原理》8-输入输出系统
允许中断３
INTA &
&
&
允许中断４ &
&
&
&
1
1
1
1
INTR1
INTR2
INTR3
（ b） 串 行 优 先 链 中 断 排 队 线 路
INTR4
&
至下一级
≥1
INT
程序中断方式
2、中断的处理过程
✓ 软件排队的基本做法是：当CPU访问到 INT0
中
有中断请求时，则保留好中断断点后立
断 服
即进入软件排队程序的入口。从最高优
✓ 中断排队的实现 可以用硬件排队或软件排队两种方法来实现
➢ 硬件排队方式 硬件排队的基本特点是，优先级别高的中断源提出中 断请求后，就自动封锁优先级别较低的中断源的中断请求
➢ 软件排队方式 软件排队是通过编写查询程序实现的。
程序中断方式
2、中断的处理过程
➢ 硬排队方式 I N T R0
INTR1 1
程序直接控制方式
2、条件传送方式
✓ 通过程序查询接口中的状态来控制数据传送的方式，也被称为程序查询 方式。
✓ 程序查询方式中，在执行一次有效的数据传送操作之前，必须对外部设 备的状态进行查询，如果外部设备准备就绪，才能执行数据传送操作。
程序直接控制方式
2、条件传送方式
检查状态标记
N 准备就绪？ Y 执行数据传送
I/O接口
1、接口的概念
✓ 介于主机与外部设备之间的一种缓冲电路称为I/O接口电路，简称I/O接口
（Interface）
✓ 对于主机，I/O接口提供了外部设备的工作状态及数据；对于外部设备，I/O
西安交大计算机组成原理—习题解答(第八章)
.
Q D C1 +5V
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Q D C2 Q R
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Q D C3
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1 。
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Q D C4
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CLR
。 S D
Q C5
。
Q
.
10MH 脉冲源
.
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第八章 8.5 ⑵ 解 时序产生器
⑵ 时序产生器逻辑图如下： 节拍译码逻辑如下： T1=C1·/C2 T2=C2 T3=/C1
+5V T3 & T1 & T2 &
Q D C1
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第八章 8.2
8.2请分别分析用硬布线和门阵列两种组合逻辑控制单 元设计技术设计控制器的特点。 解：这两种技术采用的设计方法一样，均为组合逻辑 设计技术，但实现方法不一样。硬布线控制单元基于 传统的逻辑门电路组合逻辑设计方法来构建控制单元 ，门阵列控制器则采用集成度更高、性能更好的门阵 列芯片，利用硬件描述语言等工具编程完成逻辑设计 、通过烧制实现门阵列芯片内部的电路制作。
计算机组成原理第八章 第2讲 程序查询方式
8.2程序查询方式
2、输入输出指令
当用程序实现输入/输出传送时，I/O指令一般具有如下功能：： ① 置“1”或置“0”I/O接口的某些控制触发器，用于控制设备进行 某些动作，如启动、关闭设备等。 ② 测试设备的某些状态，如“忙”、“准备就绪”等，以便决定 下一步的操作。
③ 传送数据，当输入数据时，将I/O接口中数据寄存器的内容送到 CPU某一寄存器；当输出数据时，将CPU中某一寄存器的内容 送到I/O接口的数据寄存器。 不同的机器，所采用的I/O指令格式和操作也不相同。
把CPU中R2内容输出到13号设备的 A数据缓冲寄存器中，同时启动设备 把12号设备中C寄存器的数据送入 CPUR3，并关闭设备
8.2程序查询方式
3、程序查询接口 -接口：转换器 -数据传送方式决定接口结构 -接口包含如下部分：
设备选择电路：接到总线上的每个设备预先都 给定了设备地址码。CPU执行I/O指令时需要把 指令中的设备地址送到地址总线上，用以指示 CPU要选择的设备。每个设备接口电路都包含 一个设备选择电路，用它判别地址总线上呼叫 的设备是不是本设备。
4假如这个设备没有准备就绪则第2第3步重复进行一直到这个设备准备好交换数据发出准备就绪信号步重复进行一直到这个设备准备好交换数据发出准备就绪信号ready为止
程序查询方式
8.2程序查询方式
1、设备编址 统一编址：输入/输出设备中的控制寄存器、 数据寄存器、状态寄存器等和内存单元一 样看待 独立编址：内存地址和I/O设备地址是分开 的，访问内存和访问I/O设备使用不同操作 码的指令
8.2程序查询方式
I/O指令格式
01
R0-R7 OP 01 2 3 4 5 6 7
I/O指令 寄存器地址 8种操作码
微型计算机原理与接口技术第八章课后答案
第八章1. 8253芯片有哪几个计数通道？每个计数通道可工作于哪几种工作方式？这些操作方式的主要特点是什么？答：8253内部包含3个完全相同的计数器/定时器通道，即0～2计数通道，对3个通道的操作完全是独立的。
8253的每个通道都有6种不同的工作方式。
方式0——计数结束中断方式：当对8253的任一个通道写入控制字，并选定工作于方式0时，该通道的输出端OUT立即变为低电平。
要使8253能够进行计数，门控信号GATE 必须为高电平。
经过n十1个脉冲后，计数器减为0，这时OUT引脚由低电平变成高电平。
OUT引脚上的高电平信号，一直保持到对该计数器装入新的计数值，或设置新的工作方式为止。
在计数的过程中，如果GATE变为低电平，则暂停减1计数，计数器保持GATE有效时的值不变，OUT仍为低电平。
待GATE回到高电平后，又继续往下计数。
方式1——可编程单稳态输出方式：当CPU用控制字设定某计数器工作于方式1时，该计数器的输出OUT立即变为高电平。
GATE出现一个上升沿后，在下一个时钟脉冲的下降沿，将n装入计数器的执行部件，同时，输出端OUT由高电平向低电平跳变。
当计数器的值减为零时，输出端OUT产生由低到高的正跳变，在OUT引脚上得到一个n个时钟宽度的负单脉冲。
在计数过程中，若GATE产生负跳变，不会影响计数过程的进行。
但若在计数器回零前，GATE又产生从低到高的正跳变，则8253又将初值n装入计数器执行部件，重新开始计数，其结果会使输出的单脉冲宽度加宽。
方式2——比率发生器：当对某一计数通道写入控制字，选定工作方式2时，OUT端输出高电平。
如果GATE为高电平，则在写入计数值后的下一个时钟脉冲时，将计数值装入执行部件，此后，计数器随着时钟脉冲的输入而递减计数。
当计数值减为1时，OUT端由高电乎变为低电平，待计数器的值减为0时，OUT引脚又回到高电平，即低电平的持续时间等于一个输入时钟周期。
与此同时，还将计数初值重新装入计数器，开始一个新的计数过程，并由此循环计数。
计算机原理第8章
硬盘的基本知识
（3）磁道、扇区和柱面
一个盘面上划分为许多个磁道，每个 磁道分为多个扇区，每个扇区512字节。 各盘面上相同半径的磁道组成一个柱 面。 硬盘的读写顺序为柱面、同一柱面内 的磁道、同一磁道内的扇区
硬盘的基本知识
磁道、扇区和柱面 簇的概念
硬盘的基本知识
（4）分区记录 ）
标准记录： 位密度外低内高; 浪费存储能力； 数据传输速率相等。
（4)寻道时间、等待时间、访问时间
平均寻道时间：是指从发出一个寻址命令，到磁头移动到地址对 应的磁道时所需的平均时间，平均寻道时间越小越好，现在硬盘的 平均寻道时间一般在10ms以下。 平均等待时间：也称平均潜伏期，指磁头移动到数据所在的磁道 后，所需扇区旋转到磁头下方所需的平均时间。一般取盘片旋转一 周所需时间的二分之一。 平均访问时间：近似等于平均寻道时间和平均等待时间之和。
一、硬盘
1、硬盘的基本知识 2、硬盘的分类 3、硬盘的接口 4、硬盘的性能指标
1、硬盘的基本知识
（1）硬盘的发展
1956 年 ， IBM 发 明 世 界 上 第 一 台 硬 盘 （ IBM350 ） ， 1973 年 ， 又 发 明 了 Winchester(温氏)硬盘（IMB3340）。其核心就是：磁盘片被密封、固定并且不 停高速旋转，磁头悬浮于盘片上方沿磁盘径向移动，并且不和盘片接触（与盘片 之间的间隙只有0.1～0.3um ）。后来的硬盘基本都沿用了这一结构。
不归零制（ 不归零制（NRZ）：NonReturn to Zero Change
磁头线圈始终有电流 对连续记录的“ 写电流的方向是不改变的。 对连续记录的“1”和“0”，写电流的方向是不改变的。
不归零制（ 不归零制（NRZ1）NonReturn to Zero Change On One
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第八章输入输出系统
一、选择题
1．主机、外设不能并行工作的方式。
A．程序查询方式B．中断方式C．通道方式
2．在单独（独立）编址下，下面的说法是是对的。
A．一个具体地址只能对应输入输出设备
B．一个具体地址只能对应内存单元
C．一个具体地址既可对应输入输出设备，也可对应内存单元
D．只对应内存单元或只对应I/O设备
3．在关中断状态，不可响应的中断是。
A．硬件中断B．软件中断
C．可屏蔽中断D．不可屏蔽中断
4．禁止中断的功能可由来完成。
A．中断触发器B．中断允许触发器
C．中断屏蔽触发器D．中断禁止触发器
5．在微机系统中，主机与高速硬盘进行数据交换一般用方式。
A．程序中断控制B．DMA
C．程序直接控制D．通道方式
6．常用于大型计算机的控制方式是。
A．程序中断控制B．DMA
C．程序直接控制D．通道方式
7．有关中断的论述不正确的是。
A．CPU和I/O设备可并行工作，但设备间不可并行工作
B．可实现多道程序、分时操作、实时操作
C．对硬盘采用中断可能引起数据丢失
D．计算机的中断源可来自主机，也可来自外设
8．中断系统是由实现的
A．仅用硬件B．仅用软件
C．软、硬件结合D．以上都不对
9．DMA数据的传送是以为单位进行的。
A．字节B．字
C．数据块D．位
10．DMA是在之间建立的直接数据通路。
A．CPU与外设B．主存与外设
C．外设与外设D．CPU与主存
11．数组多路通道数据的传送是以为单位进行的。
A．字节B．字
C．数据块D．位
12．通道是特殊的处理器，它有自己的，故并行工作能力较强。
A．运算器B．存储器
C．指令和程序D．以上均有
13．下列I/O控制方式中，主要由程序实现的是。
A．PPU（外围处理机）B．中断方式
C．DMA方式D．通道方式
14．产生中断的条件是。
A．一条指令执行结束B．机器内部发生故障
C．一次I/O操作开始D．一次DMA操作开始
15．在微机系统中，外设通过与主板的系统总线相连接。
A．适配器B．设备控制器
C．计数器D．寄存器
16．对于低速输入输出设备，应当选用的通道是。
A．数组多路通道B．字节多路通道
C．选择通道D．DMA专用通道
二、填空题
1．实现输入输出数据传送方式分成三种：、和程序控制方式。
2．输入输出设备寻址方式有和。
3．CPU响应中断时最先完成的两个步骤是和。
4．内部中断是由引起的，如运算溢出等。
5．外部中断是由引起的，如输入输出设备产生的中断。
6．DMA的含义是，用于解决。
7．DMA数据传送过程可分为、数据块传送和三个阶段。
8．基本DMA控制器主要由、、数据寄存器、控制逻辑、标志寄存器及地址译码与同步电路组成。
9．在中断服务中，开中断的目的是允许。
10．一个中断向量对应一个。
11．接口收到中断响应信号INTA后，将传送给CPU。
12．中断屏蔽的作用有两个，即和。
13．串行接口之所以需要串、并数据的转换电路，是因为。
14．CPU响应中断时，必须先保护当前程序的断点状态，然后才能执行中断服务程序，这里的断点状态是指。
15．通道是一个特殊功能的，它有自己的专门负责数据输入输出的传送控制，CPU只负责的功能。
16．CPU对外设的控制方式按CPU的介入程度，从小到大为、、。
三、判断题
1．所有的数据传送方式都必须由CPU控制实现。
2．屏蔽所有的中断源，即为关中断。
3．一旦中断请求出现，CPU立即停止当前指令的执行，转去受理中断请求。
4．CPU响应中断时，暂停运行当前程序，自动转移到中断服务程序。
5．中断方式一般适合于随机出现的服务。
6．DMA设备的中断级别比其他外设高，否则可能引起数据丢失。
7．CPU在响应中断后可立即响应更高优先级的中断请求（不考虑中断优先级的动态分配）。
8．DMA控制器和CPU可同时使用总线。
9．DMA是主存与外设之间交换数据的方式，也可用于主存与主存之间的数据交换。
10．为保证中断服务程序执行完毕以后，能正确返回到被中断的断点继续执行程序，必须进行现场保存操作。
四、计算题
1．若输入输出系统采用字节多路通道控制方式，共有8个子通道，各子通道每次传送一个字节，已知整个通道最大传送速率为1200B/S，求每个子通道的最大传输速率是多少？若是数组多路通道，求每个子通道的最大传输速率是多少？
2．某字节多路通道共有6个子通道，若通道最大传送速率为1500B/S，求每个子通道的最大传输速率是多少？
3．用异步方式传送ASCII码，数据格式为：数据位8位、奇校验位1位、停止位1位。
当波特率为4800b/s时，每个字符传送的速率是多少？每个数据位的时间长度是多少？数据位的传送速率又是多少？
解：每个字符包含10位，因此字符传送速率为：4800÷10＝480字符/s
每个数据位长度T＝1÷4800≈0.208ms
数据位传输速率为8×480＝3840位/秒。
4．假定某外设向CPU传送信息最高频率为40K次/秒，而相应中断处理程序的执行时间为40μS，问该外设能否用中断方式工作？
解：外设传送一个数据的时间＝1/40×＝25μS，所以请求中断的周期为25μS，而相应中断处理程序的执行时间为40μS，这样会丢失数据，故不能采用中断方式。
五、名词解释
中断源
向量中断
非向量中断
多重中断
中断请求
六、简答题
1、什么叫程序查询方式、程序中断方式、DMA方式、通道方式？
2、多重中断的特点是什么？
3、中断的处理过程分哪几个阶段？
4、中断响应的条件包括哪些？
5、中断信号如何送给CPU呢？
6、通道有哪几种类型？简述其特点。
7、程序查询方式、程序中断方式、DMA方式各自适用的范围是什么?。