【期末计算机组成原理速成】第二章:系统总线

简介: 【期末计算机组成原理速成】第二章:系统总线

一、本章考点总览


二、考点分析

1、什么是总线?总线有什么用?

考点:总线基本概念

考频:★★★★☆

难度:★★☆☆☆

解析:

总线(Bus)是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线。

总线是一种内部结构,它是 cpu、内存、输入、输出设备传递信息的公用通道,主机的各个部件通过总线相连接,外部设备通过相应的接口电路再与总线连接,从而形成了计算机硬件系统。

因为早期的计算机大多采用的是分散的连接方式,它是以运算器为中心的结构,内部连线十分复杂(每次新增一个输入设备,都需要单独连接到存储器、运算器和控制器),尤其是当 I/O 与存储器交换信息时,都需经过运算器,致使运算器停止运算,严重影响了 CPU 的工作效率。

加入总线后,输入、输出设备可以直接连接到总线上,由总线来由 CPU 交互,这样计算机整个线路结构就变得更加清晰,CPU 的效率也更高


2、总线如何进行分类?

考点:总线的分类

考频:★★★★☆

难度:★★★☆☆

解析:

片内总线

片内总线是指「芯片内部」的总线,如在 CPU 芯片内部,寄存器与寄存器之间、寄存器与算逻单元 ALU 之间都由片内总线连接

系统总线

系统总线是指 CPU、主存、IO 设备(通过I/O接口)各大部件之间的信息传输线。由于这些部件通常都安放在主板或各个插件板(插卡)上,故又称板级总线(在一块电路板上各芯片间的连线)或板间总线。

数据总线:数据总线用来传输各功能部件之间的数据信息,它是「双向传输总线」

地址总线:地址总线主要用来指出数据总线上的源数据或目的数据在主存单元的地址或 I/O 设备的地址。

控制总线:由于数据总线、地址总线都是被挂在总线上的所有部件共享的,如何使各部件能在不同时刻占有总线使用权,需依靠控制总线来完成,因此控制总线是用来发出各种控制信号的传输线。

通信总线

这类总线用于计算机系统之间或计算机系统与其他系统(如控制仪表、移动通信等)之间的通信


3、总线的特性?如何衡量总线指标?

考点:总线特性及性能指标

考频:★★★☆☆

难度:★★★☆☆

解析:

总线特性

机械特性

尺寸、形状、管脚数、排列顺序等

电气特性

传输方向、有效的电平范围

功能特性 每根传输线的功能 (地址信号、数据信号、控制信号)
时间特性 信号之间的时序关系

总线的性能指标

1. 总线的传输周期

       指一次总线操作所需的时间(包括申请阶段、寻址阶段、传输阶段和结束阶段),简称总线周期。

2. 总线时钟周期

       即机器的时钟周期。计算机有一个统一的时钟,以控制整个计算机的各个部件,总线也要受此时钟的控制。

3. 总线的工作频率

       总线上各种操作的频率,为总线周期的倒数。实际上指1秒内传送几次数据。

4. 总线的时钟频率

       即机器的时钟频率,它为时钟周期的倒数。

5. 总线宽度

       又称总线位宽,它是总线上同时能够传输的数据位数,通常指数据总线的根数,如32根称为32位总线。

6. 总线带宽

       可理解为总线的数据传输率,即单位时间内总线上可传输数据的位数,通常用每秒传送信息的字节数来衡量,单位可用字节/秒(B/s)表示。总线带宽=总线工作频率×(总线宽度/8)


4、现代计算机采用何种总线结构?

考点:总线结构

考频:★★★★★

难度:★★★☆☆

单总线结构:

双总线结构:

三总线结构:

四总线结构:


5.总线上有多个部件,它们是如何协同工作的?

考点:总线控制

考频:★★★★★

难度:★★★☆☆

解析:

何时何部件发送信息?

如何给信息传送定时 ?

如何防信息丢失 ?

如何避免多个部件的同时发送?

       总线判优控制(仲裁控制):在同一时刻,总线上只能有一对设备进行占用。但是总线上可不止存在一个设备,若是多个设备都发出了总线占用请求,就得需要总线判优控制来调节占用的顺序了。

       通信控制:已经确定了哪一对设备占用总线进行通信,如何完成这一对设备的通信,保证通信过程的正确性?总线通信控制,其目的就是解决通信双方协调配合问题。

       总线判优控制解决了由哪一个主设备控制总线,主设备获得了使用权以后就要和从设备进行通信。

       总线通信控制就要解决主设备和从设备之间协调配合通信的问题


       总线判优控制:集中式+分布式

       链式查询

BS-总线忙:设备已经占用总线。通过这条线告诉总线控制设备。

BR-总线请求:设备想要占用总线。方向请求设备—>总线控制部件

BG-总线同意:发送允许该设备的占用请求信号,该线方向总线控制部件—>请求设备

总线判优控制:计数器定时查询

总线控制部件中加入一个计数器和一条设备地址线请求传输方式。

设备地址这条线传输信号并且计数器启动,I/O接口若是没有提出请求,计数器+1,设备地址向后顺延直到找出请求设备(接口)。计数器的启动可以从0开始,也可以从上一次启动的位置开始,也可以自己设置计数器的值。相比与链式查询更加灵活

总线判优控制:独立请求方式

每一个设备都有独立的BR和BG两条线。

总线控制部件内部设置了一个排队器,用来确定设备的优先级。优先级可自行设置,更加灵活。需要的线数比较多,k个设备需要2k条线


总线通信控制:同步通信与异步通信

同步是指:发送方发出数据后,等接收方发回响应以后才发下一个数据包的通讯方式。

异步是指:发送方发出数据后,不等接收方发回响应,接着发送下个数据包的通讯方式


三、真题速通

1.计算机中使用总线结构便于增减外设,同时( )

A、减少了信息传输量

B、提高了信息传输速度

C、减少了信息传输线的条数

D、三者均正确

答:C


2.总线结构的主要优点是便于实现系统的模块化,其缺点是( )

A、传输的地址和控制信息不能同时出现

B、传输的地址和数据信息不能同时出现

C、不能同时具有两个总线主设备

D、不能同时使用多于两个总线设备

答:C


3. 总线中地址的作用是

A、选择存储器单元

B、选择总线设备

C、指定存储单元地址

D、选择总线设备,指定存储器及存储单元地址

答:D


4.系统总线用来连接()

A、寄存器和运算器部件

B、运算器和控制器部件

C、CPU、主存和外设部件

D、接口和外部设备

答:C


5.总线是计算机系统各个部件间______,通常由______ 、 ______和 ______组成

答:进行信息传输的公用通路 地址线 数据线 控制线


6.总线是连接多个模块的信息传输线,是各部件共享的传输介质。因此在某一时刻允许有____个部件向总线发送信息。(可以多个接收)

答:1个


7. 若使用链式查询方式,总线上共有N个主设备,则实现总线仲裁需要____ 、 ____ 、 ____

答:一根请求线、一根忙状态和一条应答线


8. 试比较同步通信和异步通信

答: 同步通信和异步通信的主要区别是:前者有公共时钟,总线上的所有设备按统一的时序、统一的传输周期进行信息传输,通信双方按约定好的时序联络;后者没有公共时钟,没有固定的传输周期,采用应答方式通信,具体的联络方式有不互锁、半互锁和全互锁三种。不互锁方式通信双方没有相互制约关系;半互锁方式通信双方有简单的制约关系;全互锁方式通信双方有完全的制约关系。其中全互锁通信可靠性最高


9. 在异步串行传送系统中,字符格式为:1个起始位、8个数据位、1个校验位、2个终止位。若要求每秒传送120个字符,试求传送的波特率和比特率

答:

一帧包含:1+8+1+2=12位

波特率:单位时间内传送二进制数据的位数,单位用bps(位/秒),故波特率为:(1+8+1+2)*120=1440bps

比特率:单位时间内传送二进制有效数据的位数,单位用bps表示,故比特率为:8*120=960bps


10. 设总线的时钟频率为8MHZ,一个总线周期等于一个时钟周期。如果一个总线周期中并行传送16位数据,试问总线的带宽是多少?

答:由于:f=8MHz,T=1/f=1/8M秒,一个总线周期等于一个时钟周期

所以:总线带宽=16/(1/8M) = 128Mbps


11. 在一个32位的总线系统中,总线的时钟频率为66MHZ,假设总线最短传输周期为4个时钟周期,试计算总线的最大数据传输率。若想提高数据传输率,可采取什么措施?

答:总线传输周期=4*1/66M秒

总线的最大数据传输率=32/(4/66M)=528Mbps

若想提高数据传输率,可以提高总线时钟频率、增大总线宽度或者减少总线传输周期包含的时钟周期个数

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