计算机组成原理复习6

总线结构与控制练习题

1. 计算机系统为什么采用总线结构？

解析：在冯诺依曼计算机体系当中，把计算机基本组成分成了五大部分。运算器，控制器，存储器，输入设备和输出设备。我们可以把运算器和控制器制作在一个芯片上（CPU)，输入设备和输出设备统一为I/O设备，那么计算机的基本组成就包括三大部分。
现代计算机比这个基本组成更加复杂，可能有成百上千个CPU,外部设备的数量和种类也非常的丰富，只有把这些部件连接到一起，他们才能组成一个完整的计算机硬件系统，可以协调的进行工作。
把部件连接到一起，有一种方法是采用分散连接的方式，需要进行信息传递的两个部件，我们把他用线连接起来。那么我们可以想象一下，几百个部件需要两两相互连接，并且两两之间的连线也非常多，那需要的线就会非常多。把这些线都放在电路板上，成本非常高，难度也很大，而且这些线路会占用大量的空间。
这种连接方式的另外一个问题，就是系统很难拓展。比如新增加一个I/O设备，那么这个设备需要和原来的CPU进行连接，那么我们又要增加很多束线，每束线又有若干条，这个操作起来难度非常大。
为了解决这个问题，我们引入了总线连接方式。

2. 比较单总线，双总线，三总线结构的性能特点

解析：
单总线：使用一条系统总线连接CPU，内存和I/O设备。简单易行；系统总线负载重
双总线：在CPU和主存之间专门设置了一组高速的存储总线，保持单总线结构优点的基础上，减轻了CPU的负担
三总线：在各外部设备与通道之间增加一组I/O总线。提高CPU工作效率，同时也最大限度地提高外设的工作速度，但硬件成本增加

3. 简述常见的总线仲裁方式

解析：

1. 集中式仲裁方式
   1. 链式查询方式
   2. 计数器定时查询方式
   3. 独立请求方式
2. 分布式仲裁方式

4. 集中式仲裁有几种方式，画出链式查询的逻辑结构图，说明其工作原理

解析：

1. 三种方式：链式查询方式，计数器定时查询方式，独立请求方式
2. 链式查询方式

• BS:总线忙。获取总线使用权时，建立BS信号
• BR:总线请求
• BG:总线同意。串行地从I/O接口送到下一个I/O接口

3. 工作原理

链式查询方式，除一般数据总线和地址总线外，中央仲裁器主要有三根控制线：

• BS(忙）:该线有效，表示总线正被某外设使用
• BR(总线请求）:该线有效，表示至少有一个外设要求使用总线
• BG(总线同意）:该线有效，表示总线控制部件响应总线请求（BR)

链式查询方式的主要特征是总线同意信号BG的传送方式：串行地从一个I/O接口送到下一个接口。假如BG到达的接口无总线请求，则接着往下传；假如BG到达的接口有总线请求，BG信号不再往下传。这意味着I/O接口就获得了总线使用权。

5. 假定某总线的时钟频率为1GHz。每次总线传输需要1个时钟周期，总线的数据总线宽度为64位。存储器的存储周期为两个时钟周期，求同步方式下CPU从该存储器中读一个存储字时总线的数据传输速率为多少。

解析：
总线时钟周期 = 1/f = 1/1GHz=1ns，则同步方式下存储器读操作步骤及所需的时间分别如下：
(1) 寻址阶段：需要一个总线周期时间1ns.
(2) 存储器读数据并传输到数据总线：需要一个存储周期2ns.
(3) CPU从数据总线取走数据：需要一个总线周期1ns.
则同步方式下从主存读一个存储字的总时间t = 4ns.
数据传输速率=总线宽度/总线周期=8byte/4ns=2GB/s.

6. 假设一个同步总线的时钟频率为100MHz，总线宽度为32位，每个时钟周期传输一个数据，该总线的最大数据传输速率为多少？若要将总线带宽提高一倍，有哪几种可行方案？

**解析： **
T=总线时钟周期=1/f=1/100MHz=0.01ns
总线宽度=32位/8=4字节。
数据传输率=总线宽度/总线时钟周期=4/0.01=400MB/s
提高总线带宽的3个可行方案：

• 将总线数据位宽增加一倍
• 将时钟频率增加一倍
• 每个时钟周期传输2个数据（相当于增加数据宽度）

7. 某16位地址/数据复用的同步总线中，总线时钟频速率为8MHz,每个总线事务只传输一个数据，需要4个时钟周期。该总线的数据传输速率是多少？

解析:
总线宽度=16/8 = 2字节
总线时钟周期 = 1/总线频率 = 1/8* 4 =0.5μs
总线数据传输速率=总线宽度/总线时钟周期=2/0.5=4MB/s

8. 试比较同步通信和异步通信。

• 同步通信：由统一时钟控制的通信，控制简单，灵活性差。当系统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：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。

9. 简述波特率和比特率的区别。

解析：
波特是信号传输速度的单位，波特率等于每秒内线路状态的改变次数。标准波特率有：1200,2400,4800,9600,19200等，1200波特率即指信号能在1秒钟内改变1200次值。二进制系统中，信息的最小单位是比特，仅当每个信号元素代表一比特信息时，波特率才等于比特率。

10. 同步通信之所以比异步通信具有较高的传输频率，是因为同步通信（）

a.不需要应答信号
b.总线长度较短
c.用一个公共时钟信号进行同步
d.各部件存取时间比较接近

解析：C
通信双方由统一时钟控制数据传送称为同步通信。

11. 在异步串行传输系统中，假设每秒传输120个数据帧，若字符格式为：1位起始位，7位数据位，1位奇偶校验位，1位终止位。求此时的波特率和比特率。

解析：

• 波特率表示每秒钟传送的码元符号的个数
• 比特率是指每秒传送的比特（bi)数（描述单位时间内传送数据的多少）

根据题目给出的字符格式，一帧包含1+7+1+1=10位

故波特率为10120=1200bps
比特率为7120=840bps

12. 画图说明异步通信中请求与回答有哪几种互锁关系？

解析：

不互锁： 主从设备都无需等待应答信号，经过一段时间主动确认。
半互锁：主议 :主设备需要等待应答信号，从设备经过一段时间主动确认。
全互锁：主从设备必须等待应答信号。