ICS計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)課件第八章習(xí)題答案202307062317199297043

習(xí)題1.給出以下概念的解釋說(shuō)明。I/O硬件I/O軟件用戶I/O軟件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序I/O端口系統(tǒng)I/O軟件中斷服務(wù)程序控制端口系統(tǒng)調(diào)用處理程序流緩沖區(qū)系統(tǒng)調(diào)用服務(wù)例程設(shè)備控制器狀態(tài)端口數(shù)據(jù)端口I/O地址空間I/O指令獨(dú)立編址統(tǒng)一編址存儲(chǔ)器映射I/O中斷控制I/O中斷嵌套程序直接控制I/O中斷請(qǐng)求寄存器中斷處理優(yōu)先級(jí)設(shè)備無(wú)關(guān)I/O軟件就緒狀態(tài)中斷屏蔽字中斷響應(yīng)優(yōu)先級(jí)DMA控制器多重中斷可編程中斷控制器簡(jiǎn)單回答下列問(wèn)題。DMA方式2.（1）I/O子系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)是怎樣的？（2）系統(tǒng)調(diào)用的封裝函數(shù)對(duì)應(yīng)的機(jī)器級(jí)代碼結(jié)構(gòu)是怎樣的？（3）為什么系統(tǒng)調(diào)用的開(kāi)銷(xiāo)很大？（4）C標(biāo)準(zhǔn)I/O庫(kù)函數(shù)是在用戶態(tài)執(zhí)行還是在內(nèi)核態(tài)執(zhí)行？（5）與I/O操作相關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)是在用戶態(tài)執(zhí)行還是內(nèi)核態(tài)執(zhí)行？（6）I/O端口的編址方式有哪兩種？各有何特點(diǎn)？（7）什么是程序直接控制I/O方式？說(shuō)明其工作原理。（8）什么是中斷控制I/O方式？說(shuō)明其工作原理。（9）為什么中斷控制器把中斷類型號(hào)放I/O總線的數(shù)據(jù)線上而不是放在地址線上？（10）為什么在保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)的過(guò)程中，CPU必須關(guān)中斷？（11）DMA方式能夠提高成批數(shù)據(jù)交換效率的主要原因何在？（12）DMA控制器在什么情況下發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)？3．以下是在IA-32/Linux系統(tǒng)中執(zhí)行的用戶程序P的匯編代碼：1#hello.s＃2#displayastring"Hello,world."345.section.rodatamsg:6.ascii"Hello,world.\n"789.section.text.globl_start_start:1011121314151617181920movl$4,%eaxmovl$1,%ebxmovl$msg,%ecxmovl$14,%edxint$0x80#系統(tǒng)調(diào)用號(hào)(sys_write)#filedescriptor（參數(shù)一）:文件描述符(stdout)#stringaddress（參數(shù)二）:要顯示的字符串#stringlength（參數(shù)三）:字符串長(zhǎng)度#調(diào)用內(nèi)核功能movl$1,%eaxmovl$0,%ebxint$0x80#系統(tǒng)調(diào)用號(hào)(sys_exit)#參數(shù)一:退出代碼#調(diào)用內(nèi)核功能針對(duì)上述匯編代碼，回答下列問(wèn)題。（1）程序的功能是什么？272

（2）執(zhí)行到哪些指令時(shí)會(huì)發(fā)生從用戶態(tài)轉(zhuǎn)到內(nèi)核態(tài)執(zhí)行的情況？（3）該用戶程序調(diào)用了哪些系統(tǒng)調(diào)用？參考答案：（1）程序的功能是在標(biāo)準(zhǔn)輸出設(shè)備（文件描述符為stdout）上顯示字符串“Hello,world.”。（2）執(zhí)行到第16行和20行的“int$0x80”指令時(shí)會(huì)發(fā)生從用戶態(tài)轉(zhuǎn)到內(nèi)核態(tài)執(zhí)行的情況。（3）該用戶程序調(diào)用了4號(hào)系統(tǒng)調(diào)用write和1號(hào)系統(tǒng)調(diào)用exit。4．第3題中用戶程序的功能可以用以下C語(yǔ)言代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)：12345intmain(){write(1,"Hello,world.\n",14);exit(0);}針對(duì)上述C代碼，回答下列問(wèn)題或完成下列任務(wù)。（1）執(zhí)行write()函數(shù)時(shí)，傳遞給write()的實(shí)參在main棧幀中的存放情況怎樣？要求畫(huà)圖說(shuō)明。（2）從執(zhí)行write()函數(shù)開(kāi)始到調(diào)出write系統(tǒng)調(diào)用服務(wù)例程sys_write()執(zhí)行的過(guò)程中，其函數(shù)調(diào)用關(guān)系是怎樣的？要求畫(huà)圖說(shuō)明。（3）就程序設(shè)計(jì)的便捷性和靈活性以及程序執(zhí)行性能等方面，與第3題中的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行比較，并說(shuō)明哪個(gè)執(zhí)行時(shí)間更短？參考答案：（1）用“objdump-d”命令將對(duì)應(yīng)的可執(zhí)行文件反匯編后，其main()函數(shù)對(duì)應(yīng)的機(jī)器級(jí)指令序列如下圖所示（左圖是動(dòng)態(tài)鏈接生成，右圖是靜態(tài)鏈接生成）。從上述指令序列可看出，在使用call指令調(diào)用write()函數(shù)之前，main函數(shù)在自身?xiàng)袀鬟f了三個(gè)參數(shù)，首先在地址R[esp]+8處存放了14（0xe），然后在R[esp]+4處存放了0x8048510（動(dòng)態(tài)鏈接）或0x80aa848（靜態(tài)鏈接），這個(gè)是指向字符串"Hello,world.\n"的指針，最后在R[esp]處存放了0x1。根據(jù)上述指令可以畫(huà)出如右圖所示的實(shí)參在main棧幀中的存放情況。EBPEBP在P中的舊值main棧幀14（2）從執(zhí)行write()函數(shù)開(kāi)始到調(diào)出write系統(tǒng)調(diào)用服務(wù)例程sys_write()執(zhí)行的過(guò)程中，首先通過(guò)call指令進(jìn)入write封裝函數(shù)執(zhí)行。上述左圖中的指令“call8048350<write@plt>”（動(dòng)0x8048510ESP1態(tài)鏈接情況下）或右圖中的指令“call804f8d0<__libc_write>”（靜態(tài)鏈接情況下）執(zhí)行后，便進(jìn)入封裝函數(shù)write執(zhí)行。在進(jìn)入write()封裝后，執(zhí)行如下指令（靜態(tài)鏈接情況下），可以看出，在執(zhí)行陷阱指令（軟中斷指令）“int$0x80”之前，有4條MOV指令，其中有三條MOV指令用來(lái)將main棧幀中的三個(gè)參數(shù)：字符串長(zhǎng)度（0xe）、指向字符串"Hello,world.\n"的指針、文件描述符（0x1），分別送EDX、ECX、EBX。還有一273

條MOV指令用來(lái)將調(diào)用號(hào)（4）送EAX。這樣，當(dāng)執(zhí)行到完“int$0x80”指令后，就從用戶態(tài)陷入內(nèi)核態(tài)，調(diào)出系統(tǒng)調(diào)用處理程序system_call()執(zhí)行。在system_call()中，根據(jù)系統(tǒng)調(diào)用號(hào)為4，再跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用服務(wù)例程sys_write()執(zhí)行，以完成將一個(gè)字符串寫(xiě)入文件的功能，其中，字符串的首地址由ECX指定，字符串的長(zhǎng)度由EDX指出，寫(xiě)入文件的文件描述符由EBX指出。system_call()執(zhí)行結(jié)束時(shí)，從內(nèi)核返回的參數(shù)存放在EAX中。（3）顯然，對(duì)于第3題給出的實(shí)現(xiàn)方式，其程序設(shè)計(jì)的便捷性和靈活性都不如本題給出的實(shí)現(xiàn)方式，第3題采用匯編程序設(shè)計(jì)方式，只要參數(shù)不同，就需要重新編寫(xiě)不同的指令；而本題采用高級(jí)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)方式，只要在write函數(shù)中改變不同的實(shí)參，就可以完成不同的功能。不過(guò)，第3題實(shí)現(xiàn)方式下的程序執(zhí)行性能比本題實(shí)現(xiàn)方式好，因?yàn)橛脜R編實(shí)現(xiàn)時(shí)，省去了高級(jí)語(yǔ)言程序中大量的函數(shù)調(diào)用，因而它的執(zhí)行時(shí)間更短。5．第3題和第4題中用戶程序的功能可以用以下C語(yǔ)言代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)：12345#include<stdio.h>intmain(){printf("Hello,world.\n");}假定源程序文件名為hello.c，可重定位目標(biāo)文件名為hello.o，可執(zhí)行目標(biāo)文件名為hello，程序用GCC編譯驅(qū)動(dòng)程序處理，在IA-32/Linux系統(tǒng)中執(zhí)行。回答下列問(wèn)題或完成下列任務(wù)。（1）為什么在hello.c的開(kāi)頭需加“#include<stdio.h>”？為什么hello.c中沒(méi)有定義printf()函數(shù)，也沒(méi)它的原型聲明，但main()函數(shù)引用它時(shí)沒(méi)有發(fā)生錯(cuò)誤？（2）需要經(jīng)過(guò)哪些步驟才能在機(jī)器上執(zhí)行hello程序？要求詳細(xì)說(shuō)明各個(gè)環(huán)節(jié)的處理過(guò)程。（3）為什么printf()函數(shù)中沒(méi)有指定字符串的輸出目的地，但執(zhí)行hello程序后會(huì)在屏幕上顯示字符串？（4）字符串"Hello,world.\n"在機(jī)器中對(duì)應(yīng)的0/1序列（機(jī)器碼）是什么？這個(gè)0/1序列存放在hello.o文件的哪個(gè)節(jié)中？這個(gè)0/1序列在可執(zhí)行目標(biāo)文件hello的哪個(gè)段中？（5）若采用靜態(tài)鏈接，則需要用到printf.o模塊來(lái)解析hello.o中的外部引用符號(hào)printf，printf.o模塊在哪個(gè)靜態(tài)庫(kù)中？靜態(tài)鏈接后，printf.o中的代碼部分（.text節(jié)）被映射到虛擬地址空間的哪個(gè)段中？若采用動(dòng)態(tài)鏈接，則函數(shù)printf()的代碼在虛擬地址空間中的何處？（6）假定printf()函數(shù)最終調(diào)用的write系統(tǒng)調(diào)用的封裝函數(shù)為write()，其對(duì)應(yīng)的匯編代碼如下：274

請(qǐng)給出以上每條匯編指令的注釋，并說(shuō)明該Linux系統(tǒng)中系統(tǒng)調(diào)用返回的最大錯(cuò)誤號(hào)是多少？（7）就程序設(shè)計(jì)的便捷性和靈活性以及程序執(zhí)行性能等方面，與第3題和第4題中的實(shí)現(xiàn)方式分別進(jìn)行比較，并分析說(shuō)明哪個(gè)執(zhí)行時(shí)間更短？參考答案：（1）為什么在hello.c的開(kāi)頭需加“#include<stdio.h>”？為什么hello.c中沒(méi)有定義printf()函數(shù)，也沒(méi)它的原型聲明，但main()函數(shù)引用它時(shí)沒(méi)有發(fā)生錯(cuò)誤？（2）需要經(jīng)過(guò)哪些步驟才能在機(jī)器上執(zhí)行hello程序？要求詳細(xì)說(shuō)明各個(gè)環(huán)節(jié)的處理過(guò)程。（3）為什么printf()函數(shù)中沒(méi)有指定字符串的輸出目的地，但執(zhí)行hello程序后會(huì)在屏幕上顯示字符串？（4）字符串"Hello,world.\n"在機(jī)器中對(duì)應(yīng)的0/1序列（機(jī)器碼）是什么？這個(gè)0/1序列存放在hello.o文件的哪個(gè)節(jié)中？這個(gè)0/1序列在可執(zhí)行目標(biāo)文件hello的哪個(gè)段中？（5）若采用靜態(tài)鏈接，則需要用到printf.o模塊來(lái)解析hello.o中的外部引用符號(hào)printf，printf.o模塊在哪個(gè)靜態(tài)庫(kù)中？靜態(tài)鏈接后，printf.o中的代碼部分（.text節(jié)）被映射到虛擬地址空間的哪個(gè)段中？若采用動(dòng)態(tài)鏈接，則函數(shù)printf()的代碼在虛擬地址空間中的何處？（6）假定printf()函數(shù)最終調(diào)用的write系統(tǒng)調(diào)用的封裝函數(shù)為write()，其對(duì)應(yīng)的匯編代碼如下：請(qǐng)給出以上每條匯編指令的注釋，并說(shuō)明該Linux系統(tǒng)中系統(tǒng)調(diào)用返回的最大錯(cuò)誤號(hào)是多少（4095）？（7）就程序設(shè)計(jì)的便捷性和靈活性以及程序執(zhí)行性能等方面，與第3題和第4題中的實(shí)現(xiàn)方式分別進(jìn)行比較，并分析說(shuō)明哪個(gè)執(zhí)行時(shí)間更短？從以下匯編代碼（條件轉(zhuǎn)移指令JAE）可知，若返回參數(shù)大于等于0xfffff001（按無(wú)符號(hào)數(shù)比較），則說(shuō)明在內(nèi)核中執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤，程序?qū)⑥D(zhuǎn)到__syscall_error進(jìn)行6．假定采用中斷控制I/O方式，則以下各項(xiàng)工作是在4個(gè)I/O軟件層的哪一層完成的？（1）根據(jù)邏輯塊號(hào)計(jì)算磁盤(pán)物理地址（柱面號(hào)、磁頭號(hào)、扇區(qū)號(hào)）（2）檢查用戶是否有權(quán)讀寫(xiě)文件（3）將二進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)換為ASCII碼以便打印輸出（4）CPU向設(shè)備控制器寫(xiě)入控制命令（如“啟動(dòng)工作”命令）（5）CPU從設(shè)備控制器的數(shù)據(jù)端口讀取數(shù)據(jù)參考答案：（1）根據(jù)邏輯塊號(hào)計(jì)算磁盤(pán)物理地址（柱面號(hào)、磁頭號(hào)、扇區(qū)號(hào)）：在內(nèi)核的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)?。?）檢查用戶是否有權(quán)讀寫(xiě)文件：在內(nèi)核的與設(shè)備無(wú)關(guān)軟件層。（3）將二進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)換為ASCII碼以便打印輸出：在用戶I/O軟件層，例如，對(duì)于printf()函數(shù)中指定的需要輸出的二進(jìn)制整數(shù)變量，通常在調(diào)用write封裝函數(shù)之前先轉(zhuǎn)換為用ASCII表示的字符串，因?yàn)閣rite系統(tǒng)調(diào)出的？？？（4）CPU向設(shè)備控制器寫(xiě)入控制命令（如“啟動(dòng)工作”命令）：在內(nèi)核的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)?。?）CPU從設(shè)備控制器的數(shù)據(jù)端口讀取數(shù)據(jù)：在內(nèi)核的中斷服務(wù)程序?qū)印?．假設(shè)某計(jì)算機(jī)帶有20個(gè)終端同時(shí)工作，在運(yùn)行用戶程序的同時(shí)，能接受來(lái)自任意一個(gè)終端輸入的字符信息，并將字符回送顯示（或打?。?。每一個(gè)終端的鍵盤(pán)輸入部分有一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖寄存器RDBRi(i=1~20)，當(dāng)在鍵盤(pán)上按下某一個(gè)鍵時(shí)，相應(yīng)的字符代碼即進(jìn)入RDBRi，并使它的“完成”狀態(tài)標(biāo)志Donei(i=1~20)置275

1，要等CPU把該字符代碼取走后，Donei標(biāo)志才置0。每個(gè)終端顯示（或打?。┹敵霾糠忠灿幸粋€(gè)數(shù)據(jù)緩沖寄存器TDBRi(i=1~20)，并有一個(gè)Readyi(i=1~20)狀態(tài)標(biāo)志，該狀態(tài)標(biāo)志為1時(shí)，表示相應(yīng)的TDBRi是空著的，準(zhǔn)備接收新的輸出字符代碼，當(dāng)TDBRi接收了一個(gè)字符代碼后，Readyi標(biāo)志才置0，并將字符代碼送到終端顯示（或打?。?，為了接收終端的輸入信息，CPU為每個(gè)終端設(shè)計(jì)了一個(gè)指針PTRi(i=1~20)指向?yàn)樵摻K端保留的主存輸入緩沖區(qū)。CPU采用下列兩種方案輸入鍵盤(pán)代碼，同時(shí)回送顯示（或打印）。（1）每隔一固定時(shí)間T轉(zhuǎn)入一個(gè)狀態(tài)檢查程序DEVCHC，順序地檢查全部終端是否有任何鍵盤(pán)信息要輸入，如果有，則順序完成之。（2）允許任何有鍵盤(pán)信息輸入的終端向處理器發(fā)出中斷請(qǐng)求。全部終端采用共同的向量地址，利用它使處理器在響應(yīng)中斷后，轉(zhuǎn)入一個(gè)中斷服務(wù)程序DEVINT，由后者詢問(wèn)各終端狀態(tài)標(biāo)志，并為最先遇到的請(qǐng)求中斷的終端服務(wù)，然后轉(zhuǎn)向用戶程序。要求畫(huà)出DEVCHC和DEVINT兩個(gè)程序的流程圖。8.某臺(tái)打印機(jī)每分鐘最快打印6個(gè)頁(yè)面，頁(yè)面規(guī)格為50行×80字符。已知某計(jì)算機(jī)主頻為500MHz，若采用中斷方式進(jìn)行字符打印，則每個(gè)字符申請(qǐng)一次中斷且中斷響應(yīng)和中斷處理時(shí)間合起來(lái)為1000個(gè)時(shí)鐘周期。請(qǐng)問(wèn)該計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能否采用中斷控制I/O方式來(lái)進(jìn)行字符打印輸出？為什么？9．假定某計(jì)算機(jī)的CPU主頻為500MHz，所連接的某個(gè)外設(shè)的最大數(shù)據(jù)傳輸率為20KBps，該外設(shè)接口中有一個(gè)16位的數(shù)據(jù)緩存器，相應(yīng)的中斷服務(wù)程序的執(zhí)行時(shí)間為500個(gè)時(shí)鐘周期，則是否可以用中斷方式進(jìn)行該外設(shè)的輸入輸出？假定該外設(shè)的最大數(shù)據(jù)傳輸率改為2MBps，則是否可以用中斷方式進(jìn)行該外設(shè)的輸入輸出？10.若某計(jì)算機(jī)有5級(jí)中斷，中斷響應(yīng)優(yōu)先級(jí)為1>2>3>4>5，而中斷處理優(yōu)先級(jí)為1>4>5>2>3。要求：（1）設(shè)計(jì)各級(jí)中斷處理程序的中斷屏蔽位(假設(shè)1為屏蔽，0為開(kāi)放)；（2）若在運(yùn)行主程序時(shí)，同時(shí)出現(xiàn)第2、4級(jí)中斷請(qǐng)求，而在處理第2級(jí)中斷過(guò)程中，又同時(shí)出現(xiàn)1、3、5級(jí)中斷請(qǐng)求，試畫(huà)出此程序運(yùn)行過(guò)程示意圖。11.假定某計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)16位，沒(méi)有cache，運(yùn)算器一次定點(diǎn)加法時(shí)間等于100ns，配置的磁盤(pán)旋轉(zhuǎn)速度為每分鐘3000轉(zhuǎn)，每個(gè)磁道上記錄兩個(gè)數(shù)據(jù)塊，每一塊有8000個(gè)字節(jié)，兩個(gè)數(shù)據(jù)塊之間間隙的越過(guò)時(shí)間為2ms，主存周期為500ns，存儲(chǔ)器總線寬度為16位，總線帶寬為4MBps，假定磁盤(pán)采用DMA方式進(jìn)行I/O，CPU時(shí)鐘周期等于主存周期?；卮鹣铝袉?wèn)題。（1）磁盤(pán)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)的最大數(shù)據(jù)傳輸率是多少？（2）當(dāng)磁盤(pán)按最大數(shù)據(jù)傳輸率與主機(jī)交換數(shù)據(jù)時(shí)，主存周期空閑百分比是多少？（3）直接尋址的“存儲(chǔ)器-存儲(chǔ)器”SS型加法指令在無(wú)磁盤(pán)I/O操作打擾時(shí)的執(zhí)行時(shí)間為多少？當(dāng)磁盤(pán)I/O操作與一連串這種SS型加法指令執(zhí)行同時(shí)進(jìn)行時(shí)，則這種SS型加法指令的最快和最慢執(zhí)行時(shí)間各是多少？12.假設(shè)某計(jì)算機(jī)所有指令都在兩個(gè)總線周期內(nèi)完成，一個(gè)總線周期用來(lái)取指令，另一個(gè)總線周期用來(lái)存取數(shù)據(jù)