【计算机组成原理】（唐朔飞）笔记-计算机总线 补充+习题

  • 概念补充
    • 系统总线
      • 常见的控制信号有：
      • 总线的性能指标
      • 一些特殊的总线特性
    • 3.5总线控制
      • 3.5.1 总线判优控制
      • 3.5.2总线通信控制
        • 总线在完成一次传输周期时，可分为四个阶段：
        • 同步通信例子：
      • 波特率和比特率
      • 异步串行传输图形表示
  • 慕课习题
  • 习题
    • 1.什么是总线?总线传输有何特点?为了减轻总线负载，总线上的部件应具备什么特点?
    • 2.总线如何分类?什么是系统总线?系统总线又分为几类，它们各有何作用，是单向的，还是双向的，它们与机器字长、存储字长、存储单元有何关系?
    • 3.常用的总线结构有几种 ?不同的总线结构对计算机的性能有什么影响?举例说明
    • 4.为什么要设置总线判优控制?常见的集中式总线控制有几种?各有何特点?哪种方式响应时间最快 ?哪种方式对电路故障最敏感 ?
    • 5.解释下列概念∶总线宽度、总线带宽、总线复用、总线的主设备（或主模块）总线的从设备（或从模块）、总线的传输周期和总线的通信控制。
    • 6.试比较同步通信和异步通信。
    • 7.画图说明异步通信中请求与回答有哪几种互锁关系
    • 8.为什么说半同步通信同时保留了同步通信和异步通信的特点?
    • 9.分离式通讯有何特点，主要用于什么系统 ?
    • 10.为什么要设置总线标准?你知道目前流行的总线标准有哪些?什么叫 plug and play ?哪些总线有这一特点 ?
    • 11. 画一个具有双向传输功能的总线逻辑图
    • 12.设数据总线上接有A、B、C、D四个寄存器，要求选用合适的74系列芯片，完成下列逻辑设计∶
    • 13. 什么是总线的数据传输率，它与哪些因素有关?
    • 14.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?
    • 15.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?
    • 16.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。
    • 补充：写出EISA/ISA总线定义

版权声明：本文为博主原创文章，遵循 CC 4.0 BY-SA 版权协议，转载请附上原文出处链接和本声明。
本文链接：https://blog.csdn.net/dive668/article/details/115048951
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概念补充

系统总线

数据总线：用来传输各功能部件之间的信息，是双向传输总线，位数与机器字长和存储字长有关。
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。例如，欲从存储器读出一个数据，则CPU要将此数据所在的存储单元的地址送到地址线上。又如，欲将某数据经I/O设备输出，则CPU除了需将数据送到数据总线外，还需将该输出设备的地址(通常都经I/O接口)送到地址总线上。地址总线上的代码是用来指明CPU欲访问的存储单元或I/O端口的地址，由CPU输出，是单向的，地址线的位数与存储单元的个数有关，如地址线有20根，则对应的存储单元个数为2^20
(3)控制总线：控制总线是用来发出各种控制信号的传输线，其传输是单向的。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。对任一控制线而言，它的传输只能是单向的。例如，命令存储器读/写命令或I/O读/写都是由CPU发出的。但对于控制总线总体来说，又可认为是双向的。例如I/O设备也可以向CPU发出请求信号。如当某设备准备就绪时，便向CPU发中断请求；又如当某部件（如DMA接口）需获得总线使用权时，就得向CPU发出总线请求等等。此外，控制总线还起到监视各部件状态的作用。如査询该设备是处于“忙”还是“闲”，是否出错等等。因此对CPU而言，控制信号既有出，又有入。

考试必考：中断！

常见的控制信号有：

  • 时钟：用来同步各种操作；
  • 复位：表示各模块恢复初始状态
  • 总线请求：表示某部件需获得总线使用权；(入)
  • 总线允许：表示需要获得总线使用权的部件已获得了控制权；(出)
  • 中断请求 ：表示某部件提出中断请求；(入)
  • 中断确认 ：表示中断请求以被接收；(出)
  • 存储器写：将数据总线上的数据写至存储器的指定地址单元内；(出)
  • 存储器读：将指定存储单元中的数据读到数据总线上；(出)
  • I/O读：从指定的I/O端口将数据读到数据总线上；
  • I/O写：将数据总线上的数据输出到指定的I/O端口内；
  • 传输响应：表示数据已被接收或已被读到数据总线上。

总线的性能指标

总线宽度又成总线位宽，它是总线上同时能够传输的数据位数，通常是指数据总线 的根数
总线带宽：总线的信息传输速率。通常用每秒传输的字节数来衡量，单位用MBps（兆字节每秒）。例如，总线工作频率为33MHz，总线宽度为32位(4B)，则总线带宽为33*(32/8)=132MBps
通道是具有特殊功能的处理器，由通道对I/O统一管理

一些特殊的总线特性

  • 1.机械特性 尺寸、形状、管脚数及排列顺序
  • 2.电气特性 传输方向和有效的电平范围
  • 3.功能特性 每根传输线的功能(数据/控制/地址)
  • 4.时间特性 信号的时序关系

只有USB总线和RS-232C总线是串行通信。其余都是并行。RS-232C的电气特性也很独特：规定低电平表示逻辑1，且要求-15~-3V为低电平。高电平为逻辑0，且要求3V ~15V为高电平。

3.5总线控制

3.5.1 总线判优控制

链式查询特点：离总线控制部件最近的设备具有最高的优先级。这种方式的特点是：只需很少几根线就能按一定优先次序实现总线控制，并且很容易扩充设备，但对电路故障很敏感。
计数器定时查询特点是：计数可以从“0”开始，此时设备的优先次序是固定的；计数也可以从终止点开始，即是一种循环方法，此时设备使用总线的优先级相等；计数器的初始值还可由程序设置，故优先次序可以改变。此外，对电路故障不如链式査询方式敏感，但增加了主控制线（设备地址）数，控制也较复杂。
独立请求方式是：响应速度快，优先次序控制灵活（通过程序改变），但控制线数量多，总线控制更复杂。链式查询中仅用两根线确定总线使用权属于哪个设备，在计数查询中大致用log2n根线(2分法)，其中n是允许接纳的最大设备数，而独立请求方式需采用2n根线。

3.5.2总线通信控制

目的：解决通信双方协调配合问题。

总线在完成一次传输周期时，可分为四个阶段：

・申请分配阶段：由需要使用总线的主模块（或主设备）提出申请，经总线仲裁机构决定下一传输周期的总线使用权授于某一申请者
・寻址阶段：取得了使用权的主模块，通过总线发出本次打算访问的从模块（或从设备）的存储地址或设备地址及有关命令，启动参与本次传输的从模块；
・传数阶段：主模块和从模块进行数据交换，数据由源模块发出经数据总线流入目的模块；
・结束阶段：主模块的有关信息均从系统总线上撤除，让出总线使用权。

同步通信例子：

通信双方由统一时标控制数据传送称为同步通信。时标通常由CPU的总线控制部件发出，送到总线上的所有部件；也可以由每个部件各自的时序发生器发出，但必须由总线控制部件发出的时钟信号对它们进行同步。

下图是某输入设备向CPU传入数据的同步通信过程：
同步式数据输入传输：

对于读(输入)命令，其传输周期为：
T1 主模块发地址 ：
T2 主模块发读命令

从模块按照所指定的地址和命令进行一系列内部动作，必须在T3时刻前找到CPU所需的数据，并送到数据总线上；

T3 从模块提供数据

CPU在T3时刻开始，一直维持到T4时刻，可以从数据线上获取信息并送到其内部寄存器中；

T4 主模块撤消读命令。

T4时刻开始输入设备不再向数据总线上传送数据，撤消它对数据总线的驱动。

对于写命令：

对于写命令，其传输周期为：
T1 主模块发地址
T1.5 主模块提供数据
T2 主模块发出写命令，从模块接收到命令后，必须在规定时间内将数据总线上的数据写到地址总线所指明的单元中
T4 主模块撤消写命令和数椐等信号。

异步通信：

半同步通信：
分离式通信：
1.各模块有权申请占用总线
2.采用同步方式通信，不等对方回答
3.各模块准备数据时，不占用总线
4.总线被占用时，无空闲
充分提高了总线的有效占用

波特率和比特率

波特率是所有我位数。比特率是有效位数。

异步串行传输图形表示

十六进制95H进行异步串行传输，要求：1位起誓位，8位数据位，1位偶校验位，1位终止位。
首先知道起始位之后是数据位的最低位，D0。而16进制的写法：9是1001，5是0101，则十六进制D7D6D5…D0为：10010101b。则紧跟起始位后的D0为1，高电平。
校验位使1的个数满足特定要求，比如奇校验使1的个数为奇数。偶校验使1的个数为偶数。

慕课习题

1.DMA总线用于___之间交换信息 主存与I/O设备
2.总线的异步通信方式是 不采用时钟信号，只采用握手信号
3.三总线结构：
在三总线结构中，主存总线用于CPU和主存之间的信息传送；
I/O总线用于CPU和各个I/O之间进行信息传输；
DMA总线用于高速外设和主存之间的信息交换；

习题

1.什么是总线?总线传输有何特点?为了减轻总线负载，总线上的部件应具备什么特点?

答∶总线是一种能由多个部件分时共享的公共信息传送线路。
总线传输的特点是∶某一时刻只允许有一个部件向总线发送信息，但多个部件可以同时从总线上接收相同的信息。
为了减轻总线负载，总线上的部件应通过三态驱动缓冲电路与总线连通。

2.总线如何分类?什么是系统总线?系统总线又分为几类，它们各有何作用，是单向的，还是双向的，它们与机器字长、存储字长、存储单元有何关系?

答∶按照连接部件的不同，总线可以分为片内总线、系统总线和通信总线。
系统总线是连接 CPU、主存、I/O 各部件之间的信息传输线。
系统总线按照传输信息不同又分为地址线、数据线和控制线。地址线是单向的，其根数越多，寻址空间越大，即 CPU 能访问的存储单元的个数越多;数据线是双向的，其根数与存储字长相同，是机器字长的整数倍。控制线：控制总线是用来发出各种控制信号的传输线，其传输是单向的，但对整个CPU来说，传输是双向的。

3.常用的总线结构有几种 ?不同的总线结构对计算机的性能有什么影响?举例说明

有单总线结构:在数据传输需求量和传输速度要求不太高的情况下，为克服总线瓶颈问题，尽可能采用增加总线宽度和提高传输速率来解决；但当总线上的设备如高速视频显示器、网络传输接口等，其数据量很大和传输速度要求相当高的时候，单总线结构怎么也满足不了系统工作的需要。因此，为了根本解决数据传输速率，解决CPU、主存与I/O设备之间传输速率的不匹配，实现CPU于其他设备相对同步，不得不采用多总线结构。
有多总线结构

4.为什么要设置总线判优控制?常见的集中式总线控制有几种?各有何特点?哪种方式响应时间最快 ?哪种方式对电路故障最敏感 ?

总线判优控制解决多个部件同时申请总线时的使用权分配问题 ;
常见的集中式总线控制有三种∶链式查询、计数器定时查询、独立请求;
特点∶链式查询方式连线简单，易于扩充，对电路故障最敏感;
计数器定时查询方式优先级设置较灵活，对故障不敏感，连线及控制过程较复杂;
独立请求方式速度最快，但硬件器件用量大，连线多，成本较高

5.解释下列概念∶总线宽度、总线带宽、总线复用、总线的主设备（或主模块）总线的从设备（或从模块）、总线的传输周期和总线的通信控制。

总线宽度 ∶通常指数据总线的根数;
总线带宽∶总线的数据传输率，指单位时间内总线上传输数据的位数;
总线复用∶指同一条信号线可以分时传输不同的信号。
总线的主设备（主模块）∶指一次总线传输期间，拥有总线控制权的设备（模块）;
总线的从设备（从模块）∶指一次总线传输期间，配合主设备完成数据传输的设备（模块 ），它只能被动接受主设备发来的命令;
总线的传输周期∶指总线完成一次完整而可靠的传输所需时间;
总线的通信控制∶指总线传送过程中双方的时间配合方式。

6.试比较同步通信和异步通信。

同步通信∶指由统一时钟控制的通信，控制方式简单，灵活性差，当系统中各部件工作速度差异较大时，总线工作效率明显下降。适合于速度差别不大的场合。
异步通信∶指没有统一时钟控制的通信，部件间采用应答方式进行联系，控
制方式较同步复杂，灵活性高，当系统中各部件工作速度差异较大时，有利于提高总线工作效率。

7.画图说明异步通信中请求与回答有哪几种互锁关系

8.为什么说半同步通信同时保留了同步通信和异步通信的特点?

半同步通信既能像同步通信那样由统一时钟控制，又能像异步通信那样允许传输时间不一致，因此工作效率介于两者之间

9.分离式通讯有何特点，主要用于什么系统 ?

分离式通讯的特点是∶（1）各模块欲占用总线使用权都必须提出申请;（2）在得到总线使用权后，主模块在先定的时间内向对方传送信息，采用同步方式传送，不再等待对方的回答信号;（3）各模块在准备数据的过程中都不占用总线，使总线可接受其它模块的请求;（4）总线被占用时都在做有效工作，或者通过它发送命令，或者通过它传送数据，不存在空闲等待时间，充分利用了总线的占用，从而实现了总线在多个主、从模块间进行信息交叉重叠并行传送。
分离式通讯主要用于大型计算机系统

10.为什么要设置总线标准?你知道目前流行的总线标准有哪些?什么叫 plug and play ?哪些总线有这一特点 ?

总线标准的设置主要解决不同厂家各类模块化产品的兼容问题 ;
目前流行的总线标准有∶ISA、EISA、PCI 等 ;
plug and play∶即插即用，EISA、PCI等具有此功能。

11. 画一个具有双向传输功能的总线逻辑图

12.设数据总线上接有A、B、C、D四个寄存器，要求选用合适的74系列芯片，完成下列逻辑设计∶

（1）设计一个电路，在同一时间实现 D→A、D→B和D→C寄存器间的传送;
（2）设计一个电路，实现下列操作∶
T0时刻完成 D→总线;
T1时刻完成总线→A;
T2时刻完成 A→总线;
T3 时刻完成总线→B。

解∶（1）由T打开三态门将 D寄存器中的内容送至总线 bus，由cp脉冲同时将总线上的数据打入到 A、B、C寄存器中。T和cp的时间关系如图（1）所示

（2）三态门1受T0+T1控制，以确保TO时刻D→总线，以及T1时刻总线→接收门1→A。三态门2受T2+T3 控制，以确保T2时刻A→总线，以及T3时刻总线→接收门2→B。T0、T1、T2、T3波形图如图（2）所示

13. 什么是总线的数据传输率，它与哪些因素有关?

答∶总线数据传输率即总线带宽，指单位时间内总线上传输数据的位数，通常用每秒传输信息的字节数来衡量。它与总线宽度和总线频率有关，总线宽度越宽，频率越快，数据传输率越高

14.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?

解∶由于∶f=8MHz，T=1/f=1/8M秒，一个总线周期等于—个时钟周期。所以∶总线带宽=16/（1/8M） = 128Mbps

15.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?

解∶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

16.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。

解 ∶ 一帧包含∶1+8+1+2=12 位
故波特率为∶（1+8+1+2）120=1440bps
比特率为∶8120=960bps

补充：写出EISA/ISA总线定义

包含：
①物理形状
②A,B(C,D)面的管脚位置，排序，含义
③指出地址A0，数据D0的编号。
比如：8位、16位的，地址线有多少个，哪里有中断，申请，电源线，地线。
ISA总线：

ISA总线
A1-A31包含数据位8位，地址位20位，I/O奇偶校验，I/O准备，地址使能。
B1-B31包含地，正负电源，中断请求，DMA请求/DMA确认，存储器读/写，计数终止，地址锁存。
地址A0的编号是引脚A31，数据D0的编号是引脚A9。

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