03计组课后习题：系统总线
第3章 系统总线
教材课后思考题与习题：
2.1 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。
2.2 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？
- 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元的地址或 I/O设备的地址。单向传输，其位数与存储单元的个数有关（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、存储单元无关。
2.3 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。
2.4 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。
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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。
2.5 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
2.6 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：
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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；
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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。
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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。
2.7 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。
2.8 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？
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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
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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）
2.9 分离式通讯有何特点，主要用于什么系统？
特点：
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各模块欲占用总线使用权都必须提出申请；
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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；
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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；
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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。
2.10 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。
2.11 画一个具有双向传输功能的总线逻辑图。
参考学习指导与习题解答（第2版），P29，例3.2
同时，关于三态门的解释参考：https://blog.csdn.net/Reborn_Lee/article/details/83753290
2.12 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。
参考学习指导与习题解答（第2版），P29，例3.3
2.13 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。
2.14 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。
2.16 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：8*120=960bps