总线是连接各个部件的信息传输线，是各个部件共享的传输介质。
总线上信息的传输：串行、并行（需要多条数据线）
总线的分类：
片内总线：芯片内部的总线
系统总线：计算机各部件之间的信息传输线.
按系统总线传输信息不同，分为三类：
- 数据总线DB：用来传输各功能部件之间的数据信息。双向，与机器字长、存储字长有关
- 地址总线AB：用来之处数据总线上的元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，与存储地址、I/O地址有关
- 控制总线CB：用来发出各种控制信号的传输线。有出（存储器读写，总线允许中断确认）有入（中断请求，总线请求））
通信总线：用于计算机之间或计算机系统与其他系统（如控制仪表、移动通信等）之间的通信。
传输方式：串行通信总线（距离远、费用低）、并行通信总线（距离远、价格高）。
总线特性及性能指标：
- 机械特性：尺寸、形状、管脚数及排列顺序
- 电气特性：传输方向和有效的电平范围
- 功能特性：每根传输线的功能（地址、数据、控制）
- 时间特性：信号的时序关系
性能指标：
- 总线宽度：数据线的根数
- 标准传输率：每秒传输的最大字节数
- 时钟同步/异步：同步、不同步
- 总线复用：地址线与数据线复用，一条信号线上分时传输两种信号，两种信号不能同时出现。
- 信号线数：地址线、数据线和控制线的总和
- 总线控制方式：突发、自动、仲裁、逻辑、计数
- 其他指标：负载能力
总线结构：
- 单总线结构
- 多总线结构
1、双总线结构（主存总线、I/O总线，用通道连接）
2、三总线结构（I/O总线、主存总线、DMA总线）
3、三总线结构的又一形式（局部总线、系统总线、扩展总线）
4、四总线结构（局部总线、系统总线、高速总线、扩展总线）
总线控制
- 总线判优控制
基本概念
主设备（模块）：对总线有控制权
从设备（模块）：相应从主设备发来的总线命令
总线判优控制包括集中式和分布式
集中式包括链式查询、计数器定时查询、独立请求方式
- 所谓三总线结构的计算机是指:
A、地址线、数据线和控制线三组传输线
B、I/O总线、主存总统和DMA总线三组传输线
C、I/O总线、主存总线和系统总线三组传输线
D、设备总线、主存总线和控制总线三组传输线
正确答案： B - 在单总线结构的计算机中,连接在总线上的多个部件:
A、某一时刻只有一个可以向总线发送数据,并且只有一个可以从总线接收数据
B、某一时刻只有一个可以向总线发送数据,但可以有多个同时从总线接收数据
C、可以有多个同时向总线发送数据,并且可以有多个同时从总线接收数据
D、可以有多个同时向总线发送数据,但可以有一个同时从总线接收数据
正确答案： B - 在集中式总线仲裁中,__方式响应时间最快,菊花链方式对 _最敏感。（1.0分）
A、菊花链方式
B、独立请求方式
C、电路故障
D、计数器定时查询方式
正确答案： - 采用串行接口进行7位ASCII码传送字符,带有1位奇校验位,1位起始位和1位停止位,当波特率为9600波特时,字符传送速率为:（1.0分）
A、960
B、873
C、1371
D、480
正确答案： A
答案解析：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。传送1个字符有7为有效信息,3为冗余信息,共需传送10个字符,波特率为9600波特时,9600/10=960. - 在异步控制的总线传送中,所谓“主设备”是指:（1.0分）
A、向总线传送数据的设备
B、从总线接收传送数据的设备
C、申请总线控制权的设备
D、其地址与总线地址相符合的设备
正确答案： C - 计算机使用总线结构的主要优点是便于实现积木化,缺点是:（1.0分）
A、地址信息、数据信息和控制信息不能同时出现
B、地址信息与数据信息不能同时出现
C、两种信息源的代码在总线中不能同时传送
D、地址信息与数据信息能同时出现
正确答案： C
答案解析：按照计算机设计实现“存在而无害”的原则,地址信息、数据信息和控制信息可同时出现,但不能再总线上同时传送,传输线路可根据需要发送,设备可根或接收信息。 - 以下有关独立请求方式说法正确的是:（1.0分）
A、只有一个总线请求信号和一个总线响应信号
B、总线请求信号数等于总线响应信号数
C、若有n个设备,则需要n条控制线
D、若有n个设备,则需要2n+1条控制线
正确答案： B - 串行总线与并行总线相比:（1.0分）
A、串行总线成本高,速度快
B、并行总线成本高,速度快
C、串行总线成本高,速度慢
D、并行总线成本低,速度慢
正确答案： B - 在计数器定时查询方式下,若计数从0开始,则:（1.0分）
A、设备号小的优先级高
B、设备号大的优先级高
C、每个设备的使用总线机会相等
D、以上都不对
正确答案： A - 异步串行通信的主要特点是:（1.0分）
A、通信双方不需要同步
B、传送的每个字符是独立发送的
C、字符之间的间隔时间相同
D、传送的数据中不包括控制信息
正确答案： A - 总线通信中的同步控制是:（1.0分）
A、只适合于CPU控制的方式
B、由统一时序控制的方式
C、只适合于外围设备控制的方式
D、只适合于主存
正确答案： B - 数据总线的宽度由总线的______定义。（1.0分）
A、物理特性
B、功能特性
C、电气特性
D、时间特性
正确答案： B
答案解析：数据总线的宽度属于总线的物理特性,但它的具体条数是由所连接的设备功能需求确定的。
二.填空题（共12题,40.0分） - 单处理器系统中的总线可以分为三类,CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线称为___内部总线___;中、低速I/O设备之间相互连接的总线称为___I/O总线___;同一台计算机系统内的高速功能部件之间相互连接的总线称为___系统总线___。（3.0分）
- PCI总线是一个与处理器无关的___高速外围总线___,它采用___同步___时序协议和___集中___式仲裁策略,并具有___自动配置___能力。（4.0分）
- 总线按传送信息的类型可分为___地址总线___、数据总线___和___控制总线;按照信息传递的方式,分为___串行总线___和___并行总线___。
- 总线是构成计算机系统的___互联机构___,是多个___系统功能___部件之间进行数据传送的公共通路;其连接方式分为___单总线结构___、双总线结构、___多总线结构___共三种。
- PCI总线的基本传输机制是___猝发式___传送。利用___桥___可以实现总线间的___猝发式___传送,使所有的存取都按CPU的需要出现在总线上。PCI允许___多条___总线___并行___工作。（5.0分）
- 如果采用外围设备与主存单元统一编址的方式,则可以应用___内存访问___指令去访问外围设备(接口)。（1.0分）
- 在总线集中式判优控制中,___链式查询___方式对故障很敏感,独立请求___方式速度最快。对于同步通信而言,影响其效率的主要因素是___以最慢速的部件设计公共时钟,它一般用于___各部件存取时间比较一致的___场合。（4.0分）
- I/O和CPU之间不论是采用串行传送还是并行传送,它们之间的联络方式(定时方式)可分为___立即响应___、异步定时、___同步定时___三种。
- 衡量总线性能的重要指标是___总线带宽____,它定义为总线本身所能达到的最高___传输速率___。PCI总线的带宽可达___264MB/s___。（3.0分）
- 总线仲裁部件通过采用___优先级___策略或___公平竞争___策略,选择其中一个主设备作为总线的下一次主方,接管___总线控制权___。
- AGP总线不同于PCI总线,它是提供___图形加速卡___专用的,它在___图形卡___与系统内存之间提供了一条直接访问的途径。（2.0分）
- USB接口通过使用___集线器(HUB)___,理论上可使一台PC机连接的外设多达___127___台。（2.0分）
三.简答题（共8题,32.0分） - 总线的一次信息传送过程大致分哪几个阶段?若采用同步定时协议,请画出读数据的同步时序图。（4.0分）
正确答案：
读数据同步时序图：
总线的一次信息传送过程,大致可分为如下五个阶段:请求总线,总线仲裁,寻址(目的地址),信息传送,状态返回(或错误报告)。
- 说明总线结构对计算机系统性能的影响。（4.0分）
正确答案：
- 简化了硬件的设计。从硬件的角度看,面向总线是由总线接口代替了专门的I/O接口,由总线规范给出了传输线和信号的规定,并对存储器、I/O设备和CPU如何挂在总线上都作了具体的规定;因此,面向总线的微型计算机设计只要按照这些规定制作CPU插件、存储器插件以及I/O插件等,将它们连入总线即可工作,而不必考虑总线的详细操作。
- 简化了系统结构。整个系统结构清晰,连线少,底板连线可以印刷化。
- 系统扩充性好。一是规模扩充,二是功能扩充。规模扩充仅仅需要多插一些同
类型的插件;功能扩充仅仅需要按总线标准设计一些新插件。插件插入机器的位置往往没有严格的限制。这就使系统扩充既简单又快速可靠,而且也便于查错。 - 系统更新性能好。因为CPU、存储器、I/O接口等都是按总线规约挂到总线上
的,因而只要总线设计恰当,可以随时随着处理器芯片以及其他有关芯片的进展设计新的插件,新的插件插到底板上对系统进行更新,而这种更新只需更新需要更新的插件,其他插件和底板连线一般不需更改。
- 比较单总线、双总线、三总线结构的性能特点。（4.0分）
正确答案：
- 单总线结构:它是一组总线连接整个计算机系统的各大功能部件,各大部件之间的所有信息传送都通过这组总线。其结构如图所示。单总线的优点是允许I/O设备之间或I/O设备与内存之间直接交换信息,只需CPU分配总线使用权,不需要CPU干预信息的交换。所以总线资源是由各大功能部件分时共享的。单总线的缺点是由于全部系统部件都连接在一组总线上,所以总线的负载很重,可能使其吞量达到饱和甚至不能胜任的程度。故多为小型机和微型机采用。
单总线结构图 :
-
双总线结构:它有两条总线,一条是内存总线,用于CPU、内存和通道之间进行数据传送;另一条是I/O总线,用于多个外围设备与通道之间进行数据传送。其结构如图6a-3所示。双总线结构中,通道是计算机系统中的一个独立部件,使CPU的效率大为提高,并可以实现形式多样而更为复杂的数据传送。双总线的优点是以增加通道这一设备为代价的,通道实际上是一台具有特殊功能的处理器,所以双总线通常在大、中型计算机中采用。
双总线结构图:
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三总线结构:即在计算机系统各部件之间采用三条各自独立的总线来构成信息通路。这三条总线是:内存总线,输入/输出(I/O)总线和直接内存访问(DMA)总线,如图6a-4所示。内存总线用于CPU和内存之间传送地址、数据的控制信息;I/O总线供CPU和各类外设之间通讯用;DMA总线使内存和高速外设之间直接传送数据。一般来说,在三总线系统中,任一时刻只使用一种总线;但若使用多入口存储器,内存总线可与DMA总线同时工作,此时三总线系统可以比单总线系统运行得更快。但是三总线系统中,设备到不能直接进行信息传送,而必须经过CPU或内存间接传送,所以三总线系统总线的工作效率较低。
三总线结构图:
- 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?（4.0分）
正确答案：
- 如多个主设备同时要使用总线时,就由总线控制器的判优、仲裁逻辑按一定的优先级顺序,确定那个主设备能使用总线,只有获得总线使用权的主设备才能开始传送数据。
- 常见的集中式总线控制有三种
- 链式查询:其特点是只需很少几根线就能按一定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。
- 计数器定时查询:其特点是,计数可以从“0”开始,此时设备的优先次序是固定的,计数也可以从终止点开始,既是一种循环方式,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。此外,对电路故障不如链式查询方式敏感,但增加了主控线数,控制也较复杂。
- 独立请求方式:其特点是:响应速度快,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。
- 独立请求方式响应时间最快,链式查询对电路故障最敏感。
-
何谓分布式仲裁?画出逻辑结构示意图进行说明。（4.0分）
正确答案：
分布式仲裁不需要中央仲裁器,每个潜在的主方功能模块都有自己的仲裁号和仲裁器。当它们有总线请求时,把它们唯一的仲裁号发送到共享的仲裁总线上,每个仲裁器将仲裁总线上得到的号与自己的号进行比较。如果仲裁总线上的号大,则它的总线请求不予响应,并撤消它的仲裁号。最后,获胜者的仲裁号保留在仲裁总线上。显然,分布式仲裁是以优先级仲裁策略为基础。逻辑结构图如图6a-5。
分布式仲裁逻辑结构示意图:
-
异步通信与同步通信的主要区别是什么,说明通信双方如何联络。（4.0分）
正确答案：
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。 -
某总线在一个总线周期中并行传送4个字节的数据,若一个总线周期等于一个时钟周期,总线频率为33MHz,问总线带宽是多少?（4.0分）
正确答案：
设带宽用Dr表示,总线时钟周期用T=1/f 表示,一个总线周期传送的数据量用D表示,根据定义可得
Dr=D/T=D×f=4B×33×106/S=132MB/S -
在异步串行传输系统中,若每秒可传输20个数据帧,一个数据帧包含1个起始位、7个数据位、一个奇校验位和1个结束位。试计算其波特率和比特率。（4.0分）
正确答案：
波特率=(1+7+1+1)×20=200b/s,比特率=20×7=140b/s
四.名词解释（共8题,16.0分）
- 总线
一组可由多个部件分时共享的信息传输线。 - 总线周期
是通过总线完成一次内存读写操作或完成一次输入输出设备的读写操作所必需的时间。 - 同步传输控制
指在总线上传送数据时,通信双方使用同一个时钟信号进行同步,这个时钟信号通常可以由CPU的总线控制逻辑部件提供,称为总线时钟。 - 异步传输控制
异步传输控制:指在总线上传送数据时,允许通信双方各自使用自己的时钟信号,采用“应答方式”解决数据传输过程中的时间配合关系,而不是共同使用同一个时钟信号进行同步。 - 总线判优
总线判优就是当总线上各个主设备同时要求占用总线时,通过总线控制器,按一定的优先等级顺序确定某个主设备可以占用总线。 - 总线仲裁
总线仲裁即总线判优,主要解决在多个主设备申请占用总线时,由总线控制器仲裁出优先级别最高的设备,允许其占用总线。 - 波特率
每秒钟通过信道传输的码元(携带数据信息的信号单元)数,是传输通道频宽指标。 - 比特率
每秒钟通过信道传输的信息量,表示有效数据的传输率。