計算機組成原理(下)

第6章總線系統(tǒng)

6.1選擇題

1.計算機使用這解優(yōu)點是便于實現(xiàn)積木化，同時

A.減少了信息傳輸量B.提新了信息傳輸?shù)乃俣?/p>

C.減少了信息傳輸線的條數(shù)，

2.在集中式總線仲裁中立式響應時間最快旦方式對電路故障最敏感。

A.菊花鏈方式B.獨立請求方式c.計數(shù)器定時查詢方式

3.系統(tǒng)總線中地址線的功用是

A.用于選擇主存單元

B.用于選擇進行信息傳輸?shù)脑O備

C.用于指定主存單元和I/O設備接口電路的地址

D.用于傳送主存物理地址和邏輯地址

4.數(shù)據(jù)總線的寬度由總線的定義。

A.物理特性B.功能特性C.電氣特性D.時間特性

5.在單機系統(tǒng)中,三總線結構的計算機的總線系統(tǒng)由組成。

A.系統(tǒng)總線、內(nèi)存總線和I/O總線B.數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線

C.內(nèi)部總線、系統(tǒng)總線和I/O總線D.ISA總線、VESA總線和PCI總線

6.從總線的利用率來看一①的效率最低;從整個系統(tǒng)的吞吐量來看包的效率最高。

A.單總線結構B.雙總線結構C.三總線結構

7.下列陳述中不正確的是

A.在雙總線系統(tǒng)中，訪存操作和輸入/輸出操作各有不同的指令

B.系統(tǒng)吞吐量主要取決于主存的存取周期

C.總線的功能特性定義每一根線上的信號的傳遞方向及有效電平范圍

D.早期的總線結構以CPU為核心，而在當代的總線系統(tǒng)中，由總線控制器完成多個總線請求

者之間的協(xié)調(diào)與仲裁

8.一個適配器必須有兩個接口：一是和系統(tǒng)總線的接口,CPU和重配器的數(shù)據(jù)交換是色，方

式;二是和外設的接口，適配器和外設的數(shù)據(jù)交換是&_方式。

A.并行B.串行C.并行或串行D.分時傳送

9.下列陳述中不正確的是

A.總線結構傳送方式可以提高數(shù)據(jù)的傳輸速度

B.與獨立請求方式相比，鏈式查詢方式對電路的故障更敏感

C.PCI總線采用同步時序協(xié)議和集中式仲裁策略

D.總線的帶寬是總線本身所能達到的最高傳輸速率

10.在的計算機系統(tǒng)中，外設可以和主存儲器單元統(tǒng)一編址，因此可以不使用I/O指令。

A.單總線B.雙總線C.三總線D.多種總線

11.以RS-232為接口，進行7位ASCII碼字符傳送，帶有一位奇校驗位和兩位停止位，當渡特率

為9600波特時，字符傳送率為

A.960B.873C.1371D.480

12.下列各項是同步傳輸?shù)奶攸c。

A.需要應答信號B.各部件的存取時間比較接近

C.總線長度較長D.總線周期長度可變

13.計算機系統(tǒng)的輸入輸出接口是之間的交接界面。

A.CPU與存儲器B.主機與外圍設備

C.存儲器與外圍設備D.CPU與系統(tǒng)總線

14.下列各種情況中，應采用異步傳輸方式的是

A.I/O接口與打印機交換信息B.CPU與存儲器交換信息

C.CPU與I/O接口交換信息D.CPU與PC1總線交換信息

15.描述當代流行總線結構基本概念中,正確的句子是

A.當代流行的總線結構不是標準總線

B.當代總線結構中,CPU和它私有的cache一起作為一個模塊與總線相連

C.系統(tǒng)中只允許有一個這樣的CPU模塊

16.描述PCI總線基本概念中,正確的句子是

A.PCI總線是一個與處理器無關的高速外圍總線

B.PCI總線的基本傳輸機制是猝發(fā)式傳送

C.PCI設備一定是主設備

D.系統(tǒng)中允許只有一條PCI總線

17.描述PCI總線基本概念中，不正確的句子是

A.HOST總線不僅連接主存，還可以連接多個CPU

B.PCI總線體系中有三種橋，它們都是PCI設備

C.以橋連接實現(xiàn)的PCI總線結構不允許多條總線并行工作

D.橋的作用可使有的存取都按CPU的需要出現(xiàn)在總線上

18.描述Futurebus+總線基本概念中，不正確的句子是

A.Futurebus+是一個高性能的同步總線標準

B.基本上是一個異步數(shù)據(jù)定時協(xié)議

C.它是一個與結構、處理器、技術有關的開發(fā)標準

D.數(shù)據(jù)線的規(guī)模在32位、64位、128位、256位中動態(tài)可變

19.以下描述的基本概念中，不正確的句子是

A.PCI總線不是層次總線

B.PCI總線采用異步時序協(xié)議和分布式仲裁策略

C.Futurebus+總線能支持64位地址

0.Futurebus+適合于高成本的較大規(guī)模計算機系統(tǒng)

參考答案：

1.C2.①B②A3.C4.B5.A6.①C②C7.C8.①A②C9.A

10.All.AI2.B13.B14.A15.B16.A,B17.C18.A,C

19.A,B

6.2分析題

1.①某總線在一個總線周期中并行傳送4個字節(jié)的數(shù)據(jù)，假設一個總線周期等于一個總線時

鐘周期，總線時鐘頻率為33MHz,求總線帶寬是多少？

②如果一個總線周期中并行傳送64位數(shù)據(jù)，總線時鐘頻率升為66MHz，求總線帶寬是多少？

③分析哪些因素影響帶寬？

【解KD設總線帶寬用Dr表示，總線時鐘周期用T=l/f表示，一個總線周期傳送的數(shù)據(jù)量用D

表示，根據(jù)定義可得：-

Dr=D/T=DXl/T=DXf=4BX33X10A6/s=132MB/s

②因為64位=8B,所以

Dr=DXf=8BX66X10A6/s=528MB/s

③總線帶寬是總線能提供的數(shù)據(jù)傳送速率，通常用每秒鐘傳送信息的字節(jié)數(shù)(或位數(shù))來表示。

影響總線帶寬的主要因素有：總線寬度、傳送距離、總線發(fā)送和接收電路工作頻率限制以及

數(shù)據(jù)傳送形式。

2.單機系統(tǒng)中采用的總線結構有三種基本類型。請分析這三種總線結構的特點。

【解】根據(jù)連接方式的不同，單機系統(tǒng)中采用的總線結構有以下三種基本類型：

①單總線結構。它是用一組總線連接整個計算機系統(tǒng)的各大功能部件，各大部件之問的所有

的信息傳送都通過這組總線。其結構如圖6.1(a)所示。單總線的優(yōu)點是允許I/O設備之間或

I/O設備與內(nèi)存之間直接交換信息，只需CPU分配總線使用權,不需要CPU干預信息的交換。

所以總線資源是由各大功能部件分時共享的。單總線的缺點是由于全部系統(tǒng)部件都連接在一

組總線上，所以總線的負載很重，可能使其吞吐量達到飽和甚至不能勝任的程度。

②三總線結構。即在計算機系統(tǒng)各部件之間采用三條各自獨立的總線來構成信息通路。這三

條總線是:主存總線，輸入/輸出(I/O)總線和直接內(nèi)存訪問(DMA)總線，如圖6.1(b)所示。主存總

線用于CPU和主存之問傳送地址、數(shù)據(jù)和控制信息;I/O總線供CPU和各類外設之間通訊用;

DMA總線使主存和高速外設之間直接傳送數(shù)據(jù)。一般來說，在三總線系統(tǒng)中，任一時刻只使

用一種總線。

③雙總線結構。它有兩條總線，一條是系統(tǒng)總線，用于CPU、主存和通道之間進行數(shù)據(jù)傳送；

另一條是I/O總線，用于多個外圍設備與通道之間進行數(shù)據(jù)傳送。其結構如圖6.1(c)所示。

雙總線結構中，通道是計算機系統(tǒng)中的一個獨立部件，使CPU的效率大為提高，并可以實

現(xiàn)形式多樣而更為復雜的數(shù)據(jù)傳送。雙總線的優(yōu)點是以增加通道這一設備為代價的，通道實

際上是一臺具有特殊功能的處理器，所以雙總線通常在大型計算機或服務器中采用。

3.分析圖6.2所示電路的基本原理，說明它屬于哪種總線仲裁方式，并說明這種總線方式的優(yōu)

缺點。

【解】這種電路中，除數(shù)據(jù)總線D和地址總線A外,在控制總線中有三根線用于總線使用權的

分配：

BS:表示總線忙閑狀態(tài)，當其有效時，表示總線正被某外設使用。

BR:總線請求線，當其有效時，表示至少有一個外設要求使用總線。

BG:總線授權線，當其有效時，表示總線仲裁部件響應總線請求（BR）。

總線授權信號（BG）是串行地從一個I/O接口送到下一個I/O接口，如果BG達到的接口無總線

請求,則繼續(xù)往下傳，如果BG到達的接口有總線請求，BG信號便不再往下傳。這意味著該I/O

接口獲得了總線使用權。BG信號線就像一條鏈一樣串聯(lián)所有的設備接口，故這種總線仲裁

方式稱為鏈式查詢方式。在查詢鏈中，離總線仲裁器最近的設備具有最高優(yōu)先權，離總線仲

裁器越遠的設備，優(yōu)先權越低。

鏈式查詢方式的優(yōu)點是:只用很少幾根線就能按一定優(yōu)先次序?qū)崿F(xiàn)總線請求仲裁，并且這種鏈

式結構很容易擴充設備。其缺點是:對詢間鏈的電路故障很敏感，如果第i個設備的接口中有

關鏈的電路有故障，那么，第i個設備以后的設備都不能進行工作。另外，查詢鏈的優(yōu)先級

是固定的；如果優(yōu)先級高的設備出現(xiàn)頻繁的請求，優(yōu)先級較低的設備就可能長期不能使用總

線。

4.分析圖6.3所示電路的基本原理，說明它屬于哪種總線仲裁方式，并說明這種總線仲裁方式

的優(yōu)缺點。

【解】這是屬于獨立請求總線仲裁方式，其工作原理如下：

每一個共享總線的設備均有一對“總線請求”（BR）和“總線授權”（BG）線。當設備要求使用

總線時，便發(fā)出“總線請求”信號，總線控制部件中一般有一個排隊電路，根據(jù)一定的優(yōu)先

次序決定首先響應哪個設備的請求，當請求的設備排上隊，便收到“總線授權”（BG）信號，從

而可以使用總線。

獨立請求方式的優(yōu)點是:響應時間快，對優(yōu)先次序的控制也是相當靈活的，它可以預先固定，

也可以通過程序來改變優(yōu)先次序，并且可以在必要時屏蔽某些設備的請求。缺點是:控制線

數(shù)量多，為控制n個設備，必須有2n根“總線請求”和“總線授權”線，相比之下鏈式查

詢方式只需2根，計數(shù)器定時查詢方式只需約log2n根；另外，總線仲裁器也要復雜得多。

5.分析總線寬度對系統(tǒng)性能的影響。

【解】總線需要有發(fā)送電路、接收電路、傳輸線（導線或電纜）、轉接器（轉換插頭等）和電源

等。這部分比起邏輯線路的成本要高得多，而且轉接器占去了系統(tǒng)中相當大的物理空間，往

往是系統(tǒng)中不可靠的部分。總線的寬度越寬，相應的線數(shù)越多,則成本越高、干擾越大、可靠

性越低、占用的物理空間也越大，當然傳送速度和吞吐率也越高。此外，總線的長度越長,

成本就越高；干擾越大，可靠性越低。為此，越是長的總線，其寬度就應盡可能減小。減小

總線寬度的方法可采用線的組合、串/并行轉換和編碼技術。當然減少總線寬度應滿足性能

要求以及與所用通信類型和速率相適應為前提。

6.何謂“總線仲裁”？一般采用何種策略進行仲裁，簡要說明它們的應用環(huán)境。

【解】連接到總線上的功能模塊有主動和被動兩種形態(tài)。主方可以啟動一個總線周期，而

從方只能響應主方的請求。每次總線操作，只能有一個主方占用總線控制權，但同一時間里

可以有一個或多個從方。

除CPU模塊外，I/O功能模塊也可提出總線請求。為了解決多個主設備同時競爭總線控制

權，必須具有總線仲裁部件，以某種方式選擇其中一個主設備作為總線的下一次主方。

一般來說，采用優(yōu)先級或公平策略進行仲裁。在多處理器系統(tǒng)中，對CPU模塊的總線請求

采用公平原則處理，而對I/O模塊的總線請求采用優(yōu)先級策略。

7.比技同步定時與異步定時的優(yōu)缺點。

【解】同步定時協(xié)議采用公用時鐘，具有較高的傳輸效率。但由于同步總線必須按最慢的

模塊來設計公共時鐘，當各功能模塊存取時同相差很大時，會大大損失總線效率。

異步定時的優(yōu)點是總線周期長度可變，不把響應時間強加到功能模塊上，因面允許快速和慢

速的功能模塊都能連接到同一總線上。但缺點是:總線復雜，成本較高。

8.圖6.4(a)是某種計算機總線定時時序圖，請判斷它是哪種定時方式的時序圖，并分析其控制

過程，同時用細線標出信號的相互作用關系。

總段請求BR

，底間;ftBG,

設備同替SACK

BUSY

1____j

(a)

【解】題目給定的總線定時時序圖中，沒有同步時鐘信號，而且有總線請求，總線授權和設

備回答信號，所以，必定是異步雙向全互鎖總線控制方式。其控制過程如下：

①當某個設備請求使用總線時.，在該設備所屬的請求線上發(fā)出信號BRi。

②CPU根據(jù)優(yōu)先原則授權后以BGi回答。

③設備收到BGi有效信號，下降自己的BRi信息(使無效)，并上升SACK信號證實已收到BGi

信號。

④CPU接到SACK信號后，下降BGi作為回答。

⑤在BBSY為“0”的情況下，該設備上升BBSY表示設備獲得了總線控制權，成為控制總線

的主設備。

⑥在設備用完總線以后，下降BBSY和SACK,即釋放總線。

⑦在上述選擇主設備的過程中，現(xiàn)行的主從設備可能正在講行傳送，在此情況下，需要等待

現(xiàn)行傳送結束，現(xiàn)行主設備下降BBSY信號后，新的主設備才能上升BBSY,獲得總線控制權。

過程①~⑦以及各信號的相互作用關系如圖6.4(b)所示。

8.圖6.5(a)是有四個部件(控制器)共享總線的、分布式同步SBI總線定時示意圖，每個控制器

對應一根數(shù)據(jù)傳送請求線TR,其優(yōu)先權次序是TRO最高，TR3最低；這四條線又都接到各

個控制器，每個控制器內(nèi)部有一個自己是否可用總線的判別電路。公共時鐘信號的周期為T,

每個周期可完成一個數(shù)據(jù)傳送。

終

終

,嫡

TR

四

匹

配~nC

配

n-m

控制AH控制器I控瓶H2控制in

(1)敘述某個控制器要求使用SBI總線進行數(shù)據(jù)傳送的實現(xiàn)過程。

(2)圖6.6(b)是圖6.6(a)系統(tǒng)的一個數(shù)據(jù)傳送序列的時序圖，試分析其總線控制過程。

【解】(1)某個控制器要求使用SBI總線進行數(shù)據(jù)傳送的步驟如下：

①控制器在決定要進行數(shù)據(jù)傳送的下一個周期T,在本設備對應的請求線上發(fā)出TR信號。

②在該周期末尾判斷優(yōu)先權更高的TR線狀態(tài)。

③如果沒有更高的TR請求,則撤掉本身的TR請求，在下一周期進行數(shù)據(jù)傳送;如果有更高的

TR請求，則不撤掉本身的TR請求，繼續(xù)做步驟②。

⑵圖6.5(b)的時序圖表示一個有三個設備先后控制總線,且設備2連續(xù)傳送兩個數(shù)據(jù)的數(shù)傳

序列。三個設備(控制器)控制總線的過程如下：

①控制器3在T1周期發(fā)總線請求TR3,控制器1和控制器2在T2周期發(fā)總線請求TR1,和

TR2。

②在T1結束時，控制器3的判別電路識別沒有優(yōu)先權更高的TR請求，因而撤掉TR3,在

T2周期進行數(shù)據(jù)傳送。

③在T2結束時，控制器2識別TR1是高的，所以繼續(xù)保持TR2為高，等待傳送機會;而控制

器1識別沒有更高級的請求，故撇去TR1,在T3周期進行數(shù)據(jù)傳送。

④在T3結束時，控制器2識別沒有更高級的請求，便撇掉TR2,在T4周期進行數(shù)據(jù)傳送。

⑤控制器2希望速續(xù)傳送兩個數(shù)據(jù)，所以在T4周期傳送數(shù)據(jù)的同時，升高TRO以占用T5

周期傳送第二個數(shù)據(jù)，因為TRO具有最高優(yōu)先權。

圖6.5(a)中，控制器4沒有TR4信號，這是因為它的優(yōu)先級最低，其他控制器不必獲得TR4

信號，控制器4傳送數(shù)據(jù)前不需要發(fā)請求信號，在沒有任何TR請求的下一周期使可傳送數(shù)

據(jù)。TRO不固定分配給任何控制器，只給需連續(xù)傳送數(shù)據(jù)(并已獲得總線控制制權)的控制器

用?

9.圖6.6為某單總線微機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入時序圖，請說明其傳送過程。

(3)(6)

蚪線0「________

地址線d1______________

控.線一面~_________________

主同步MSYN”0mL..弋_______________

從同步SSYNV]________

圖6,6

【解】圖6.6是數(shù)據(jù)由從設備到主設備的傳送時序圖。首先主設備在地址總線上發(fā)出從設

備地址，在控制線上發(fā)出讀信號如圖中(1)(此處讀表示數(shù)據(jù)由從設備到主設備，一般指數(shù)據(jù)

從內(nèi)存到CPU和其他的I/O設備，而寫命令則表示相反的過程)。在延遲一段時間(此處是

150ns，用于信號畸變和設備地址譯碼)后，主設備發(fā)出主同步信號MSYN如圖中(2)。從設備

接到MSYN后，開始讀操作，并將讀出的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線上，同時發(fā)從同步信號SSYN如圖中

(3)。主設備接到SSYN后，延遲一段時間后選通數(shù)據(jù)，并清除MSYN即圖中⑷;再等待75ns

后清除地址線和控制線即圖中(5)。從設備接到MSYN下降信號后,清除數(shù)據(jù)線和SSYN即圖

中⑹，于是這一次數(shù)據(jù)傳送結束。

11.計算機系統(tǒng)采用“面向總線”的形式有何優(yōu)點？

【解】面向總線結構形式的優(yōu)點主要有：

①簡化了硬件的設計。從硬件的角度看,面向總線結構是由總線接口代替了專門的I/O接口,

由總線規(guī)范給出了傳輸線和信號的規(guī)定,并對存儲器、I/O設備和CPU如何掛在總線上都作

了具體的規(guī)定，所以，面向總線的微型計算機設計只要按照這些規(guī)定制作CPU插件、存儲器插

件以及I/O插件等，將它們連入總線即可工作，而不必考慮總線的詳細操作。

②簡化了系統(tǒng)結構。整個系統(tǒng)結構清晰,連線少，底板連線可以印刷化。

③系統(tǒng)擴充性好。一是規(guī)模擴充，二是功能擴充。規(guī)模擴充僅僅需要多插一些同類型的插

件;功能擴充僅僅需要按總線標準設計一些新插件。插件插入機器的位置往往沒有嚴格的限

制。這就使系統(tǒng)擴系既簡單又快速可靠，而且也便于查錯。

④系統(tǒng)更新性能好。因為CPU、存儲器、I/O接口等都是按總線規(guī)約掛到總線上的，因而只

要總線設計恰當，可以隨時隨著處理器芯片以及其他有關芯片的進展設計新的插件，新的插件

插到底板上對系統(tǒng)進行更新，而這種更新只需更新需要更新的插件，其他插件和底板連線一般

不需更改。

12.請畫出用異步方式連續(xù)傳送字符“a”和“6”的波形圖,已知數(shù)據(jù)位為8位，起止位1位,

停止位1位，奇偶校驗位1位(奇校驗)。

【解】"a”的ASCII碼為61H=01100001B,1的個數(shù)為奇數(shù)，故校驗位為0,“6”的ASCII

碼為36H=00110110B,l的個數(shù)為偶數(shù)，故校驗位為lo波形如圖6.7所示。

1

O

o

O

I

I

O

o

I

I

O

I

O

I

I

。O

?

-

-

^

?I

一-

1

I

-

?

-一

停起敷數(shù)數(shù)

效敢數(shù)敏校停起t依數(shù)散觸數(shù)嵌敷獸停

止ft

始?

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據(jù)值裾據(jù)南蜀據(jù)據(jù)鬃照位止

位位ffi

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位位位位位位位位位位位位位位

O

I

2

3

4

5

6

7

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3

5

7

4

?6

程。

作過

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電路

這種

說明

圖，并

輯結構

路的邏

查詢電

出鏈式

13.畫

部

線控制

上離總

輯連接

，在邏

先級

的優(yōu)

一定

設置

部件

線的

用總

個使

為每

方式

查詢

鏈式

【解】

信號

加三根