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《软件设计师》复习笔记（2.4）——输入输出、中断、总线、可靠性

ds 2025/7/18 0:12:19

1. 输入输出技术

（1）内存与接口编址方式

（2）数据交互方式

2. 总线结构

真题示例：

3. 计算机可靠性

（1）可靠性指标

（2）系统可靠性模型

真题示例：

1. 输入输出技术

（1）内存与接口编址方式

独立编址
- 内存和接口地址空间完全独立，使用不同指令访问。
- 优点：编程易区分；缺点：接口指令功能有限。
统一编址
- 内存和接口共享地址空间，内存指令可操作接口。
- 优点：接口操作灵活；缺点：内存地址可能不连续。

（2）数据交互方式

程序控制（查询）方式
- CPU主动轮询外设状态，效率低。
程序中断方式
- 外设通过中断请求CPU处理，效率较高。
- 关键概念：中断响应时间（请求→处理开始）、中断处理时间（处理→结束）、中断向量（服务程序入口地址）、多级中断嵌套（堆栈保护现场）。

DMA方式
- 由DMA控制器直接管理数据传输，CPU仅初始化。
- 特点：高效，总线周期结束后响应DMA请求。
对比：中断方式在指令结束时响应，DMA在总线周期结束时响应。

2. 总线结构

定义：共享的公共数据通道，连接设备并传输信息。
分类：
- 内部总线：芯片级（如CPU与缓存通信）。
- 系统总线：板级，分为：
  - 数据总线（传输位数）、地址总线（内存寻址范围）、控制总线（控制信号）。
  - 示例：ISA、EISA、PCI总线。
- 外部总线：设备级（如RS232串行总线、USB支持热插拔）。
总线特性：
- 串行总线（如USB）适合短距离高速传输，并行总线（如SCSI）适合长距离但时钟频率受限。
- 单总线结构设计简单但性能低；半双工总线只能单向传输。

真题示例：

计算机系统中常用的输入/输出控制方式有无条件传送、中断、程序查询和DMA方式等。当采用（）方式时，不需要CPU执行程序指令来传送数据。

A.中断 B.程序查询 C.无条件传送 D.DMA

DMA（直接存储器访问）：
- DMA控制器直接管理数据传输，CPU仅初始化操作（设置源/目标地址、数据量等），传输过程无需CPU干预。
- 特点：完全由硬件控制数据块传输，适用于高速设备（如磁盘、显卡）。
其他选项分析：
- 中断：需CPU执行中断服务程序处理数据（仍需指令参与）。
- 程序查询：CPU主动轮询外设状态（完全依赖指令）。
- 无条件传送：CPU直接读写外设（需执行I/O指令）。

以下关于总线的说法中，正确的是（）。

A.串行总线适合近距离高速数据传输，但线间串扰会导致速率受限

B.并行总线适合长距离数据传输，易提高通信时钟频率来实现高速数据传输

C.单总线结构在一个总线上适应不同种类的设备，设计复杂导致性能降低

D.半双工总线只能在一个方向上传输信息

单总线结构：
- 所有设备共享一条总线，需仲裁逻辑解决冲突，设计复杂度高且带宽受限（性能降低）。
其他选项错误原因：
- A选项：串行总线（如USB）通过差分信号抗干扰，适合长距离；串扰问题主要在并行总线中显著。
- B选项：并行总线因时钟偏移（Clock Skew）问题，长距离难以提高频率（如PCIe转向串行设计）。
- D选项：半双工总线可双向传输，但同一时间只能单向（如I2C、RS485）。

3. 计算机可靠性

（1）可靠性指标

MTTF（平均无故障时间）= 1/失效率。
MTTR（平均修复时间）= 1/修复率。
MTBF（平均故障间隔时间）= MTTF + MTTR。
系统可用性 = MTTF / (MTTF + MTTR) × 100%。

（2）系统可靠性模型

串联系统：任一设备故障导致系统失效，可靠性 = R₁ × R₂ × ... × Rₙ。
并联系统：所有设备故障才失效，可靠性 = 1 - (1-R₁)(1-R₂)...(1-Rₙ)。
N模冗余系统：
- 由N=2n+1个子系统和表决器组成，需至少n+1个子系统正常。
- 示例：三模冗余（TMR）需2个子系统正确输出。

真题示例：

某系统的可靠性结构框图如下图所示，假设部件1、2、3的可靠度分别为0.90、0.80、0.80（部件2、3为冗余系统）。若要求该系统的可靠度不小于0.85，则进行系统设计时，部件4的可靠度至少应为（）。

A. $\frac{0.85}{0.9\times[1 - (1 - 0.8)^2]}$ B. $\frac{0.85}{0.9\times(1 - 0.8)^2}$

C. $\frac{0.85}{0.9\times(0.8 + 0.8)}$ D. $\frac{0.85}{0.9\times(0.8 + 0.8)}$