计算机组成原理答案第三章_计算机组成原理第三版

计算机组成原理课后答案(唐朔飞第三版) 第三章 　　计算机组成原理课后答案(唐朔飞第3版) 　　第3章 系统总线 　　教材课后思考题与习题： 　　3.1 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？ 　　总线：连接多个部件（模块）的信息传输线，是各部件共享的传输介质。 　　总线传输特点：某一时刻，只允许有一个部件向总线发送信息，而多个部件可以同时从总线上接收相同的信息。 　　为了减轻总线上的负载，各种 I/O 设备要通过 I/O 接口接在总线上，而且还要通过三态门挂在总线上，没有数据交换时置成高阻态。 　　3.2 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、存储单有何关系？ 　　总线分类： 按数据的传输方式： 分为并行传输总线和串行传输总线按使用范围： 分为计算机总线、测控总线、网络通信总线按连接部件： 片内总线、系统总线、通信总线系统总线： 指CPU、主存、I/O设备（通过I/O接口）各大部件之间的信息传输线。 　　按照系统总线传输信息的不同，又可分为三类：数据总线、地址总线和控制总线： 　　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，其位数与机器字长、存储字长有关，一般为8位、16位或32位。 　　地址总线： 用来指出数据总线上的源数据或目的数据在主存单的地址或 I/O设备的地址。单向传输，其位数与存储单的个数有关（几次幂的关系）。 　　控制总线： 用来发出各种控制信号的，对任意控制线而言，是单向的。与机器字长、存储字长、存储单无关。 　　3.3 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。 　　单总线结构： 　　
　　将CPU、主存、I/O设备（通过I/O接口）都挂到一组总线上，允许I/O设备之间、I/O设备与CPU之间或I/O设备与主存之间直接交换信息。 　　特点： 结构简单，便于扩充，但所有的传送都通过这组共享总线，因此极易形成计算机系统的瓶颈。它也不允许两个以上的部件在同一时刻向总线传输信息，这就必然会影响系统工作效率的提高。 双总线结构： 　　
　　将速度较低的 I/O设备从单总线上分离出来，形成主存总线与I/O总线分开的结构。图中通道是一个具有特殊功能的处理器，CPU将一部分功能下放给通道，使其对I/O设备具有统一管理的功能，以完成外部设备与主存储器之间的数据传送，其系统的吞吐能力可以相当大。此结构多用于大、中型计算机系统。 　　如果将速率不用的I/O设备进行分类，然后将它们连接在不同的通道上，那么计算机系统的工作效率将会更高，由此发展成多总线结构。 三总线结构1： 　　
　　主存总线用于CPU与主存之间的传输；I/O总线供CPU与各类I/O设备之间的传递信息；DMA总线用于高速I/O设备（磁盘、磁带等）与主存之间直接交换信息。 　　在三总线结构中，任一时刻只能使用一种总线。主存总线与DMA总线不能同时对主存进行存取，I/O总线只有在CPU执行I/O指令时才能用到。 三总线结构2： 　　
　　处理器与Cache之间有一条局部总线，它将CPU与Cache或与更多的局部设备连接。 　　Cache的控制机构不仅将Cache连到局部总线上，而且还直接连接到系统总线上，这样Cache就可以通过系统总线与主存传输信息，而且I/O设备与主存之间的传输也不必通过CPU。 　　还有一条扩展总线，它将局域网、小型计算机接口（SCSI）、调制解调器（Modem）以及串行接口等都连接起来，并且通过这些接口又可与各类I/O设备相连，因此它可以支持相当多的I/O设备。与此同时，扩展总线又通过扩展总线接口与系统总线相连，由此便可实现这两种总线之间的信息传递，可见其系统的工作效率明显提高。 四总线结构： 　　
　　在三总线结构的基础之上，又增加了一条与计算机系统紧密相连的高速总线。在高速总线上挂接了一些高速I/O设备，如高速局域网、图形工作站、多媒体、SCSI等。它们通过Cache控制机构中的高速总线桥或告诉缓冲器与系统总线和局部总线相连，使得这些高速设备与CPU更紧密。 　　而一些较低速设备如图文传真FAX、调制解调器及串行接口仍挂在扩展总线上，并由扩展总线接口与高速总线相连。 　　这种结构对高速设备而言，其自身的工作可以很少依赖CPU，同时它们又比扩展总线上的设备更贴近CPU，可见对于高性能设备与CPU来说，各自的效率将获得更大的提高。 　　3.4 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？ 　　为什么要设置总线判优控制？ 　　因为总线传输的特点就是在某一时刻，只允许一个部件向总线发送信息，如果有两个以上的部件同时向总线发送信息，势必导致信号冲突传输无效，故需要判优解决。 　　常见的集中式总线控制： 　　1）链式查询： 　　
　　链式查询中，用了3根线来实现总线判优控制：BS（Bus State）、BR（Bus Request）、BG（Bus Grant）。而BG线是串行的连接了多个I/O接口，这也是”链式查询“名称的由来。 　　该判优控制过程： 比如I/O接口1 和I/O接口n，都通过BR线向总线控制部件提出申请占用总线，总线控制部件收到总线占用的请求，这时还并不知道是哪一个接口发出的总线占用请求，得通过BG线去链式查找（按接口排列顺序一个个的往下查找）。如查找到第一个发送占用请求的I/O接口1时，就再继续往下查找，I/O接口1通过BS线发送总线忙的信号，表示I/O接口1占用了总线。 　　特点： 只需要很少的几根线就能按一定的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，且优先级别低的设备可能很难获得请求。 　　2）计数器定时查询： 　　
　　计数器定时查询中，实现总线判优控制的主要是3根线：BS（Bus State）、BR（Bus Request）、设备地址线。而设备地址线也是该名称”计数器定时查询“名称的由来。 　　该判优控制过程： 如上图，I/O接口1和I/O接口n，通过BR线向总线控制部件发出占用总线的请求，总线控制部件内部有一个计数器，该计数器用来标识下面要去查找的是哪一个I/O接口。比如计数器为”0“，总线控制部件就通过设备地址线去查找I/O接口0，然而发现I/O接口0并没有发出占用请求，那么计数器累加得”1“，总线控制部件又通过设备地址线去查找I/O接口1，发现I/O接口1发出过总线占用请求，因此I/O接口1获得总线使用权，终止计数查询。所以：仅当计数值 = 发占用请求的设备地址时，该设备便获得总线使用权。 　　特点： 计数可以从”0“开始，此时一旦设备的优先次序被固定，设备的优先级就按0,1，…，n的顺序排列，而且固定不变；计数也可以从上一次计数的终止点开始，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以由程序设置，故优先次序可以改变。这种方式对电路故障不如链表查询方式敏感，但增加了控制线（设备地址）数，控制也较复杂。 　　3）独立请求方式： 　　
　　独立请求方式中： 每个I/O设备都有一对总线请求线BR和总线同意线BG。 　　该判优控制过程：当某几个设备要求使用总线时，便通过各自独立的总线请求线BR发出该设备的请求信号。总线控制部件内部有一个排队器电路，可根据优先次序确定响应那一台设备发出的请求。 　　特点： 影响速度快，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。 　　3.5 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： 通常是指数据总线的根数，用bit（位）表示，如8位、16位、32位、64位（即8根、16根、32根、64根） 　　总线带宽： 总线的数据传输速率，即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，即MBps。 　　总线复用： 地址线 与 数据线 复用 　　总线的主设备（或主模块）： 对总线有控制权连接设备 　　总线的从设备（或从模块）： 只能响应从主设备发来的总线命令，对总线没有控制权 　　总线的传输周期： 连接在总线上的两个部件完成一次完整且可靠的信息传输时间 　　总线的通信控制： 解决通信双方如何获知传输开始和传输结束，以及通信双方如何协调如何配合 　　3.6 试比较同步通信和异步通信。 　　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。 　　3.7 画图说明异步通信中请求与回答有哪几种互锁关系？ 　　
　　1）不互锁方式： 　　主模块发出请求请求信号后，不必等待从模块的回答信号，而是经过一段时间，确认从模块已收到请求信号后，便撤销其请求信号；从模块接收请求信号后，在条件允许时发出回答信号，并且经过一段时间（这段时间的设置对不同设备而言是不同的）确认主模块已收到回答信号后，自动撤销回答信号。 　　2）半互锁方式： 　　主模块发出请求信号，必须待接到从模块的回答信号后再撤销其请求信号，有互锁关系；而从模块在接到请求信号后发出回答信号，但不必等待获知主模块的请求信号已经撤销，而是隔一段时间后自动撤销其回答信号，无互锁关系。由于一方存在互锁关系，一方不存在互锁关系，故称为半互锁方式。 　　3）全互锁方式： 　　主模块发出请求信号后，必须待从模块回答后再撤销其请求信号；从模块发出回答信号后，必须待获知主模块请求信号已撤销后，再撤回其回答信号。双方存在互锁关系，故称为全互锁方式。 　　3.8 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？ 　　保留同步信息特点： 发送方用系统时钟前沿发信号，接收方用系统时钟后沿判断、识别 　　保留异步通信特点： 允许不同速度的模块和谐工作，增加一条”等待“响应信号（WAIT） 　　3.9 分离式通讯有何特点，主要用于什么系统？ 　　特点： 　　各模块欲占用总线使用权都必须提出申请； 　　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； 　　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； 　　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。 　　3.10 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？ 　　制定总线标准使系统设计简化，便于模块化生产批量化，确保其性能稳定，质量可靠，实现可移化，便于维护等，较好地解决了系统、模块、设备与总线之间不适应、不通用及不匹配的问题。 　　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。 　　3.11 画一个具有双向传输功能的总线逻辑图。 　　答：在总线的两端分别配置三态门，就可以使总线具有双向传输功能。 　　
　　3.12 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 T0 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。 　　
　　3.13 什么是总线的数据传输率，它与哪些因素有关？ 　　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。 　　例如： 总线工作频率为33MHz，总线宽度为32位（4 Byte），则总线的宽度为33 x 4 = 132MBps。 　　3.14 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？ 　　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 　　2.15 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？ 　　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。 　　3.16 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。 　　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：8120=960bps