计算机组成原理--3.系统总线 知识点总结及习题

知识点总结系统总线核心考点总结总线的定义与分类定义总线是计算机各部件之间传送信息的公共通信干线是一组导线和标准的集合。三级分类体系片内总线芯片内部如CPU内部寄存器与ALU之间。系统总线连接CPU、主存、I/O接口等各大部件。通信总线用于计算机系统之间或计算机与外部设备如打印机之间的通信。系统总线的三大组成必考这是系统总线最核心的内容必须熟练掌握其功能、方向和位宽含义。总线类型英文缩写传输方向核心功能关键关系/影响数据总线DB双向传输数据信息包括指令代码、操作数。位数通常等于机器字长决定了一次能传输的数据量。地址总线AB单向传输地址信息指出数据去向或来源。位数决定了CPU的最大寻址空间2n2n 。控制总线CB双向传输控制信号、时序信号、状态信号。决定了总线的控制能力如中断、DMA请求等。性能指标与计算总线带宽单位时间内总线上传输的数据量即总线的最大数据传输率。公式总线带宽总线工作频率×(总线宽度/8)×(1/总线周期与时钟周期的比值)总线带宽总线工作频率×(总线宽度/8)×(1/总线周期与时钟周期的比值)1- **单位**通常用 MB/s 或 B/s 表示。波特率与比特率串行通信波特率每秒传输的码元信号个数即总位数/秒含起始、校验、停止位。比特率每秒传输的有效数据位数仅数据位。总线标准与即插即用标准的作用解决兼容性问题便于积木化扩展降低成本。常见标准ISA早期低速标准。PCI经典的并行总线标准。PCI-E目前主流的高速串行总线标准显卡、SSD常用。USB通用的外部串行总线支持热插拔。即插即用系统自动识别和配置设备资源如中断号、I/O地址无需人工跳线。USB、PCI、PCI-E 均支持。拓展重要知识点补充内容这一部分补充了计算机组成原理中关于总线的高频考点和深层原理。总线的四大特性总线标准通常从以下四个维度进行定义机械特性尺寸、形状、引脚数及排列如USB接口的形状。电气特性信号电平高/低电平范围、驱动能力、负载能力。功能特性每根线的功能地址、数据、控制、地线等。时间特性信号的时序关系如建立时间、保持时间、时钟同步。总线仲裁Bus Arbitration当多个主设备如CPU、DMA控制器同时申请使用总线时需要由总线仲裁机构决定谁获得使用权。集中式仲裁链式查询菊花链结构简单但对电路故障敏感优先级固定离控制器越近优先级越高。计数器定时查询优先级可变控制较复杂。独立请求方式响应速度快优先级灵活但控制线多每个设备都有独立的请求和响应线。分布式仲裁不需要中央仲裁器每个设备都有自己的仲裁逻辑如通过ID号比较。总线定时通信方式同步通信使用统一的公共时钟信号。优点传输频率高速度快控制简单。缺点必须按最慢设备的速度设计时钟总线长度受限。异步通信没有公共时钟采用握手信号应答机制如“请求”和“回答”。优点兼容性好允许速度差异大的设备通信。缺点速度较慢控制复杂。总线复用技术为了减少引脚数量有时会采用分时复用。地址/数据复用同一组线路在不同时间分别传输地址和数据如PCI总线。这可以减少芯片引脚数但需要额外的锁存器来保存地址信息。总线拓扑结构单总线结构所有设备挂在一条总线上结构简单但容易形成瓶颈。双总线结构将低速I/O设备分离出来。三总线结构主存总线、I/O总线、DMA总线分离提高并行度。现代总线架构现代计算机如基于Intel芯片组通常采用分层总线或点对点连接如QPI/UPI连接CPU与北桥PCI-E连接高速设备传统的“前端总线”概念已逐渐淡化。三态门与总线驱动三态门总线上的设备必须通过三态门连接。三态指逻辑“1”、逻辑“0”、高阻态。高阻态的作用当设备不发送数据时输出端处于高阻态相当于断路避免干扰其他设备在总线上的数据传输。总结与复习建议重点记忆三大总线DB, AB, CB的区别、总线带宽的计算公式、同步与异步通信的区别。理解难点总线仲裁的逻辑特别是菊花链的优先级、三态门的工作原理。关注趋势了解从并行总线PCI向串行总线PCI-E, SATA, USB转变的原因抗干扰、高速度、少引脚。相关习题一. 单选题1.(单选题)CPU 的芯片中的总线属于 。A. 内部B. 局部C. 系统D. 板级解析总线按位置和功能可分为内部总线、系统总线和外部总线。CPU芯片内部的总线属于内部总线用于连接CPU内部的运算器、控制器、寄存器等部件。2.(单选题)下面所列的 不属于系统总线接口的功能。A. 数据缓冲B. 数据转换C. 状态设置D. 完成算术和逻辑运算解析系统总线接口的主要功能包括数据缓冲、数据格式转换、状态设置、控制信号协调等以解决CPU与外设之间在速度、信号电平、数据格式等方面的差异。而完成算术和逻辑运算是运算器ALU的功能不属于总线接口的功能。3.(单选题)信息只用一条传输线,且采用脉冲传输的方式称为 。A. 串行传输B. 并行传输C. 并串行传输D. 分时传输解析串行传输是指数据在单条传输线上按位依次进行传输每次只传输一位数据。并行传输则是使用多条传输线同时传输多位数据。4.(单选题)同步通信比异步通信具有较高的传输频率,这是因为 。A. 同步通信不需要应答信号。B. 同步通信方式的总线长度较短。C. 同步通信一个公共时钟信号进行同步。D. 同步通信中各部件存取时间比较短。解析同步通信使用统一的公共时钟信号来协调各部件的操作所有操作都严格按照时钟节拍进行因此可以实现较高的传输频率。异步通信则依靠应答信号握手信号来协调速度相对较慢。5.(单选题)在菊花链方式下,越靠近控制器的设备 。A. 得到总线使用权的机会越多,优先级越高B. 得到总线使用权的机会越少,优先级越低C. 得到总线使用权的机会越多,优先级越低D. 得到总线使用权的机会越少,优先级越高解析菊花链Daisy Chain是一种集中式总线仲裁方式。总线请求信号串行连接各设备越靠近总线控制器的设备其请求信号越先到达控制器因此优先级越高获得总线使用权的机会也越多。6.(单选题)在独立方式下,若有几个设备,则( ) 。A. 有几个总线请求信号和几个总线响应信号B. 有一个总线请求信号和一个总线响应信号C. 总线请求信号多于总线响应信号D. 总线请求信号少于总线响应信号解析独立请求方式是另一种集中式总线仲裁方式。每个设备都有独立的总线请求线和总线响应线连接到总线控制器。因此若有n个设备则有n个总线请求信号和n个总线响应信号。二. 判断题1.(判断题)三态缓冲门可组成运算器的数据总线,它的输出电平有逻辑“ 1 ”或逻辑“0 ”、高阻抗三种状态。A. 对B. 错解析三态门Three-state gate的输出除了常规的逻辑“1”和逻辑“0”外还有第三种状态——高阻抗状态Hi-Z。在高阻抗状态下输出端相当于断开不影响总线上的其他信号。这使得多个设备可以共享同一条总线。2.(判断题)计算机使用总线结构的主要优点是便于积木化, 同时减少了信息传输线的数目。A. 对B. 错解析总线结构将各个部件连接到一组公共的传输线上简化了系统结构减少了连线的数量使得系统易于扩展和模块化积木化降低了系统成本。3.(判断题)地址线的条数反映了微处理器的寻址能力。A. 对B. 错解析地址总线用于传输内存或I/O端口的地址信息。地址线的数量n直接决定了CPU能够寻址的存储空间大小即寻址能力为 2^n 个地址单元。4.(判断题)地址总线的特点是可双向传输,控制总线的特点是双向传输。A. 对B. 错解析地址总线通常是单向传输的由CPU发出指向存储器或I/O设备。数据总线是双向传输的CPU可以从中读取数据也可以向其写入数据。控制总线中的信号线大部分是单向的如读/写信号但也有部分是双向的如中断请求/应答。5.(判断题)总线的发展与 CPU 的发展休戚相关,CPU 的主频提高后,总线的数据传输如果不随之提高,必将妨碍整机性能的提高。A. 对B. 错解析CPU的处理速度非常快如果总线的数据传输速率带宽跟不上CPU的速度CPU就需要花费大量时间等待数据传输形成“瓶颈”从而限制了整个计算机系统性能的提升。三. 填空题1.(填空题)计算机中各功能部件是通过( ) 连接的,它是各部件间进行信息传输的公共通路。正确答案总线解析总线是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线它是由导线组成的传输线束。2.(填空题)总线控制方式可分为( )式和( )式两种。正确答案集中分布解析总线控制方式主要解决多个主设备同时竞争总线控制权的问题可分为集中式仲裁和分布式仲裁两大类。3.(填空题)总线的基本特性包括机械特性、( ) 、 和电气特性。正确答案功能特性时间特性解析总线的四大基本特性机械特性指总线在机械连接方式上的一些性能如插头与插座使用的标准几何尺寸、形状、引脚个数及排列顺序等。电气特性指总线的每一条信号线的信号传递方向、信号的有效电平范围、负载能力等。功能特性指总线中每根传输线的功能如地址总线用于传送地址信息数据总线用于传送数据信息控制总线用于传送控制信号。时间特性指总线中的任一根线在什么时间内有效信号的先后顺序等时序关系。4.(填空题)根据总线传输的信息内容的不同,总线可分为 、 和 。 任何类型的计算机总线都包括这三种总线。正确答案数据总线地址总线控制总线解析这是按照传输信息内容对系统总线的经典划分数据总线Data Bus用于在CPU、内存和I/O设备之间传输数据。地址总线Address Bus用于指定内存或I/O设备的地址。控制总线Control Bus用于传输控制信号、时序信号和状态信号。四. 计算题1.(计算题)在一个16位的总线中,若时钟频率为100MHz ,总线数据周期为5个时钟周期传输一个字。试计算总线的数据传输率。时钟频率为 100MHz所以一个时钟周期 T 1 / (100 × 10^6) s 10 ns。5个时钟周期 5 × 10 ns 50 ns 0.05 μs。总线宽度为16位即2字节2B。数据传输率 数据量 / 时间 2B / 50ns 2B / (50 × 10^-9 s) 40 × 10^6 B/s 40 MB/s。2.(计算题)⑴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?⑵若一个总线周期中并行传送 64 位数据,总线时钟提高为66MHz ,问总线带宽是多少?⑶分析影响带宽的有哪些因素?⑴设带宽用 Dr 表示总线时钟频率用 f 表示一个总线周期传送的数据量用 D 表示。已知 D 4Bf 33MHz 33 × 10^6 /s且一个总线周期等于一个时钟周期。根据定义可得Dr D × f 4B × 33 × 10^6 /s 132 × 10^6 B/s 132 MB/s。⑵已知 D 64位 8Bf 66MHz 66 × 10^6 /s。Dr D × f 8B × 66 × 10^6 /s 528 × 10^6 B/s 528 MB/s。⑶总线带宽是总线能提供的数据传送速率通常用每秒传送信息的字节数或位数来表示。影响总线带宽的主要因素有总线宽度数据总线的位数总线时钟频率或工作频率每个总线周期传输的数据量总线周期与时钟周期的比例即多少个时钟周期完成一次数据传输总线控制方式、传输效率是否插入等待周期等。3.(计算题)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。一个数据帧的总位数 1起始位 7数据位 1奇校验位 1结束位 10位。每秒传输20个数据帧。波特率Baud Rate指每秒钟传输的信号码元或符号个数在串行通信中通常指每秒传输的二进制位数总位数。波特率 每帧位数 × 帧率 10位/帧 × 20帧/秒 200 b/s (或 Baud)。比特率Bit Rate指每秒钟传输的有效数据位数不包括起始位、校验位、停止位等开销。比特率 每帧有效数据位 × 帧率 7位/帧 × 20帧/秒 140 b/s。4.(计算题)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?已知条件时钟频率 f 8 MHz 8 × 10^6 Hz一个总线周期 一个时钟周期总线宽度 16 位 2 字节 (B)计算过程总线带宽是指单位时间内总线上传输的数据量。由于一个总线周期等于一个时钟周期所以总线每秒可以传输 8 × 10^6 次数据。每次传输的数据量为 16 位。方法一以字节/秒 (B/s) 为单位带宽 每次传输数据量 × 每秒传输次数带宽 2 B × 8 × 10^6 /s 16 × 10^6 B/s 16 MB/s方法二以比特/秒 (b/s) 为单位带宽 16 bit × 8 × 10^6 /s 128 × 10^6 b/s 128 Mb/s解析总线带宽的计算公式为带宽 总线宽度 × 总线工作频率。本题中总线宽度为16位总线工作频率等于时钟频率8MHz。关键在于理解“一个总线周期等于一个时钟周期”意味着总线的工作频率就是时钟频率。计算时需注意单位换算1字节(Byte) 8比特(bit)。5.(计算题)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。已知条件字符格式1 起始位 8 数据位 1 校验位 2 终止位字符传输速率120 字符/秒计算过程计算每个字符的总位数每个字符的总位数 1 8 1 2 12 位计算波特率 (Baud Rate)波特率是指每秒钟传输的码元或符号总数。在异步串行通信中通常指每秒传输的总位数包括所有开销位。波特率 每个字符的总位数 × 每秒传输的字符数波特率 12 位/字符 × 120 字符/秒 1440 波特 (Baud)计算比特率 (Bit Rate)比特率是指每秒钟传输的有效数据位数不包括起始位、校验位、终止位等控制开销。比特率 每个字符的有效数据位 × 每秒传输的字符数比特率 8 位/字符 × 120 字符/秒 960 b/s解析本题的关键是区分波特率和比特率的概念。波特率关注的是物理层信号的传输速率即每秒传输了多少个“位”无论这个位是数据还是控制信息。比特率关注的是应用层有效信息的传输速率即每秒真正传输了多少个“数据位”。计算时先求出一个数据帧一个字符的总长度和有效数据长度再乘以每秒传输的帧数即可。五.简答题1. 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、存储单元有何关系总线的分类按功能层次分片内总线芯片内部的总线用于连接寄存器、运算器等功能部件。系统总线连接计算机各大部件CPU、内存、I/O 接口的总线。通信总线用于计算机之间或计算机与外部设备之间的通信。按传输方向分单向总线、双向总线。按传输方式分并行总线、串行总线。系统总线是连接 CPU、主存和 I/O 设备的公共信息通道。系统总线的分类、作用、方向及关系数据总线 (Data Bus, DB)作用在各功能部件之间传输数据信息。方向双向。与机器字长的关系数据总线的位数宽度通常与机器字长相等决定了一次能并行传输的数据位数。地址总线 (Address Bus, AB)作用传输 CPU 要访问的存储单元或 I/O 设备的地址。方向单向由 CPU 或 DMA 控制器发出。与存储单元的关系地址总线的位数决定了可寻址的最大内存空间。例如20 位地址总线可寻址 2^20 1 MB 的内存单元。控制总线 (Control Bus, CB)作用传输控制信号和时序信号协调系统中各部件的操作。方向双向不同控制信号方向不同如读/写信号由 CPU 发出中断请求信号由 I/O 设备发出。解析本题考查对总线分类体系的理解以及对系统总线三大组成部分数据、地址、控制的核心功能、传输特性和系统影响的掌握。关键在于明确数据总线宽度与机器字长、地址总线宽度与寻址能力之间的直接关系。2. 什么是总线标准为什么要设置总线标准目前流行的总线标准有哪些什么是即插即用哪些总线有这一特点总线标准指由国际组织或厂商共同制定的关于总线物理和电气特性、功能特性及规程特性的规范。它规定了总线的机械尺寸、引脚定义、信号时序、传输协议等使不同厂商的设备可以互连。设置总线标准的原因兼容性保证不同厂商生产的模块/设备能在同一总线上正常工作。可扩展性方便用户灵活增减设备简化系统设计。降低成本标准化促进大规模生产降低硬件和开发成本。便于维护统一标准使故障诊断和设备替换更简单。流行的总线标准ISA 总线早期的 16 位系统总线。PCI 总线曾广泛使用的 32/64 位并行总线。PCI-E 总线目前主流的高速串行扩展总线。USB 总线用于连接各种外部设备的通用串行总线。SATA 总线用于连接硬盘、光驱等存储设备。即插即用 (PnP)指设备插入总线后系统能自动识别并配置其资源如中断号、I/O 地址等无需用户手动设置即可正常工作的特性。具备即插即用特性的总线USB 总线支持热插拔PCI 总线PCI-E 总线SATA 总线支持热插拔解析本题考察对总线标准化重要性的理解以及对当前主流总线技术和即插即用概念的认知。需要区分不同总线标准的应用场景并理解即插即用技术带来的便利性。