《计算机组成原理》第二版第三章课后习题解答
- 什么是总线？总线传输有何特点？为了减轻总线负载，总线上的部件都应具备什么特点？
答：总线是连接多个部件的信息传输线，是各个部件共享的传输介质。
总线传输特点:在某一时刻，只允许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。
特点：总线上的部件应通过三态驱动缓冲电路与总线连通。
- 总线如何分类?什么是系统总线？不同的总线结构对计算机的性能有什么影响?举例说明。
答：2.1分类：2.11.数据传送方式：并行传输总线和串行传输总线；
2.12.总线适用范围：计算机总线，测控总线，网络通信总线等；
2.13.连接部位不同：片内总线，系统总线，通信总线。
2.2系统总线：系统总线是指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。
2.3按照系统总线传输信息不同，可分为三类：数据总线、地址总线和控制总线。
2.3.1数据总线：数据总线是用来传输各功能部件之间的数据信息，他是双向传输总线，其位数与机器字长、存储字长有关，一般为8位、16位、32位。
2.3.2地址总线：地址总线主要用来支出数据总线上的源数据或目的数据在主存单元的地址。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，有CPU输出，是单向的，地址线的尾数与存储单元的个数有关，如地址线有20根，则对应的存储单元为2^20.
2.3.3控制总线：控制总线是用来发出各种控制信号的传输线，使各部件能在不同时刻占有总线使用权，但对于控制总线来说，可认为是双向的。
- 常用的总线结构有哪几种？不同的总线结构对计算机的性能有什么影响？举例说明。
答：3.1种类：单总线结构和多总线结构。
3.1.1当总线结构：是将CPU、主存、I/O设备（通过I/O接口）都挂在一组总线上，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。这种结构简单，也便于扩充，但是所有的传送都通过这组共享总线，易形成瓶颈，这类总线多数用于为小型机或微型机所采用的。
3.1.2多总线结构：包括双总线结构、三总线结构、四总线结构。将速率不同的I/O设备进行分类，然后将它们连接在不同的通道（具有特殊功能的处理器）上，name计算机系统的利用率金会提高，由此发展成多总线结构。
举例：
- 为什么要设置总线判优系统？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？
答：4.1总线判优系统：解决多个部件同时申请总线时的使用权分配问题，分为集中式和分布式两种，前者将控制逻辑集中在一起，后者将控制逻辑分散在与总线连接的各个部件或设备上。
4.2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；
4.3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。
答：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。
3 . 6 试比较同步通信和异步通信。
解：同步通信：指 通信双方 由统一时 标 控制 数据传送 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 总线长度较短、各部件存取时间比较一致 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。
3 . 7 画图说明异步通信中请求与回答有哪几种互锁关系？
解：有三种：不互锁方式、半互锁方式和全互锁方式。
（ a ）不互锁 （ b ）半互锁 （ c ）全互锁
图 3 . 2 异步通信中请求与回答 的 几种互锁关系
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？
解：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。
3 . 9 分离式通信有何特点，主要用于什么系统？
解： （ 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，主模块在限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，使总线可接受其他模块的请求；
（ 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，充分地利用了总线的有效占用，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式传送，这对大型计算机系统是极为重要的 。
3 . 10 什么是总线标准？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？
解：所谓总线标准，可视为系统与各模块、模块与模块之间的一个互连的标准界面。
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。
3 . 11 画一个具有双向传送功能的总线逻辑图。
图 3 . 3 具有双向传送功能的总线逻辑图
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 3.4 所示。
图 3 . 4 同一时间实现 D → A 、 D → B 和 D → C 寄存器间的传送
（ 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 3. 5 所示。
图 3 . 5 实现 D → A → B 寄存器间的传送
3 . 13 什么是总线的数据传送速率，它与哪些因素有关？
解：数据传送速率用波特率来衡量，波特率是指单位时间内传送二进制数据的位数，单位用 bps （位 / 秒）表示，记作波特。
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？
解：总线周期 = 时钟周期 =1/ 频率 =1/8MHz=0.125 μ s 。
总线带宽 =16b/T=16 × 8MHz=64Mbps=16MBps 。
3 . 15 在一个 32 位的总线系统中，总线的时钟周期频率为 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。若想提高数据的传输率，可采取什么措施？
解：总线最短传输周期 =4 × 1 个时钟周期 =4 ×（ 1/66MHz ） =4/66( μ s) 。
总线的最大传输率 =32b/T=66MBps=528Mbps 。
提高数据的传输率：总线系统改为 64 位，频率不变；宽度不变，频率加到 132MHz 。
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。
解：一个字符包括： 1+8+1+2=12 位
波特率为： 12 （位）× 120 （字符） =1440 波特
有效数据位为 8 位，则比特率为 =1440 ×（ 8/12 ） =960bps 。