计算机组成原理期末复习必备知识点大全——第三章（系统总线）

Posted 2021-08-04 静Yu

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了计算机组成原理期末复习必备知识点大全——第三章（系统总线）相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

前文导读：

第二章内容是计算机的发展史，一些了解性的东西，没有太大必要进行总结，我们直接上第三章

学习本章内容之前，先了解一下本书的整体结构

第1篇：概论，介绍计算机系统的基本组成，应用与发展

第2篇:计算机系统的硬件结构，引导读者自顶向下了解计算机系统的硬件结构，包括中央处理器、存储器、I/O等主要部件以及连接它们的系统总线。其中，除中央处理器比较复杂放在第3篇单独讲述外,其他各部件均在此篇介绍。

第3篇:中央处理器(CPU),本篇讲述CPU的功能和结构，并对影响CPU特性、结构和功能的算逻单元及其运算方法、指令系统、指令流水、中断系统等进行详细分析。有关控制单元(CU)在第4篇单独介绍。

第4篇:控制单元(CU) ,本篇在详细分析时序系统以及微操作命令节拍安排的基础上,分别介绍如何用组合逻辑控制及微程序控制两种方法设计和实现控制单元。

一、总线的基本概念

总线的概念：总线是连接多个部件的信息传输线，是各部件共享的传输介质。总线由许多传输线或通道构成，每条线可以一位一位地传输二进制代码，一串二进制代码可在一段时间内逐一传输完成。

总线的特点：总线上有超过一个信息接收部件，且在任一时刻，只允许有一个部件向总线发送信息。

总线结构举例：

图3.2与图3.1相比，优点是当I/O设备与主存交换信息时，原则上不影响CPU的工作，CPU仍可继续处理不访问主存和I/O设备的工作，提高了CPU的工作效率。

图3.3，增加CPU和主存之间专用的存储总线，提高传输速度，减轻系统总线负担，保留了主存与I/O直接交换信息的特点。

二、总线的分类

（1）片内总线：片内总线是指芯片内部的总线。

例如：CPU芯片内部，寄存器与寄存器之间，寄存器与算逻单元ALU之间都由片内总线连接。

（2）系统总线：处理器与主存、I/O等部件之间的信息传输线。

三总线结构：数据总线、地址总线、控制总线

数据总线：

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、32位。

数据总线的位数称为数据总线带宽。

地址总线：

用来标识主存或I/O设备上存储单元的位置。

回答以下问题（寻址到字节）：

如有256B存储单元，需要多少条地址线？ 8条

如有2KB存储单元，需要多少条地址线？ 11条

如有16MB存储单元，需要多少条地址线？ 24条

如有4GB存储单元，需要多少条地址线？ 32条

控制总线：

控制总线发送各种控制信号；单一的控制总线是单向的；但对于控制总线总体来说是双向的。

（3）通信总线：计算机系统之间，或计算机与其他设备之间的信息传输线。

传输方式有两种：并行通信和串行通信

三、总线特性和性能指标

（1）总线特性：

总线特性包括以下几点：

1.机械特性：总线在机械连接方式上的一些特性。

2.电气特性：总线在每一根传输线上信号的传递方向和有效的电平范围。

3.功能特性：总线中每根传输线的功能。

4.时间特性：总线中的任一根线在什么时间内有效。

（2）总线性能指标

总线性能指标如下：

1.总线宽度：数据总线的根数，如8位、16位

2.总线带宽：总线的数据传输速率，单位时间内总线上传输数据的位数

3.时钟同步/异步：总线上的数据与时钟同步工作的总线称为同步总线，与时钟不同步工作的总线称为异步总线。

4.总线复用：一条信号线上分时传送两种信号。

5.信号线数：地址总线、数据总线和控制总线三种总线数的和。

6.总线控制方式：突发工作、仲裁方式等

（3）总线标准

概念：是系统与模块、模块与模块之间的一个互连的标准界面，能够隐藏符合标准的部件内部的操作细节。（模块、系统之间不需要知道对方的实现细节。）

四、总线结构

1.单总线：结构简单、便于扩充、传输速率低、容易形成瓶颈。

2.双总线结构：将速度较低的设备从主存总线上分离出来，形成主存总线与I/O总线分开的结构。

通道是一个具有特殊功能的处理器，负责对I/O统一管理。

3.三总线结构1：主存总线用于CPU和主存交换信息，I/O总线用于CPU和I/O设备间传送信息，DMA总线负责在主存和I/O设备间直接传递信息。

三总线结构2：处理器采用局部总线连到cache，再利用系统总线连接主存，通过扩展总线接口连接其他接口。

四总线结构：系统把设备总线分为两个层次，高速设备连接高速总线，低速设备连接扩展总线，各总线直接由桥连接。

五、总线控制

（1）导言：

总线上连接有多个部件时，何时由哪个部件发送信息，如何给信息传送定时，如何防止信息丢失，如何避免多个部件同时发送信息，如何规定信息发送的部件等问题，由总线控制器统一管理。

包括总线判优控制和总线通信控制

（2）总线判优控制

1.主设备：对总线有控制权，可以发起信息传送。

2.从设备：只能相应总线上的命令。

3.判优逻辑：当多个主设备同时申请使用总线时，总线判优逻辑电路按照一定的优先级顺序来确定哪个主设备可以使用总线。

4.判优逻辑分类：

总线判优可分为集中式和分布式，前者是将控制逻辑集中在一处，后者是将逻辑分散在与总线连接的各个部件或设备上。

集中式（3种）：

①链式查询

解析：BS －总线忙 BR－总线请求 BG－总线同意

总线同意信号BG是串行地从一个I/O接口送到下一个I/O接口。如果BG到达的接口有总线请求，BG信号不再往下传，意味着该接口获得了总线使用权，并建立总先忙BS信号，表示它占用了总线。

特点：离总线控制部件最近的设备有最高的优先级，自动支持优先级，连接简单，易于扩充设备，但是对电路故障敏感，而且优先级低的设备获得请求很难。

②计数器定时查询

解析：与链式查询方式相比，多了一组设备地址线，少了一根总线同意线BG.

总线控制部件接到由BR送来的总线请求信号后，在总线未被使用的情况下，总线控制部件中的计数器开始计数，并通过设备地址线，向各设备发出一组地址信号。当某个请求占用总线的设备与计数值一致时，变便获得总线使用权，此时终止计数查询。

特点：对故障不敏感，但是增加了设备地址线，控制复杂。

③独立请求方式

解析：每一台设备均有一对总线请求线和总线同意线。当设备要求使用总线时，便发出该设备的请求信号。总线控制部件中有一排队电路，可根据优先次序确定相应哪一台设备的请求。

特点：响应速度快，优先次序控制灵活，但控制线数量多，总线控制更复杂。

（3）总线通信控制

总线周期分为四个阶段：

申请分配阶段：各主模块提出申请，总线仲裁器选中合适的模块。

寻址阶段：主模块发出地址和命令

传数阶段：主模块和从模块交换数据

结束阶段：主模块撤销有关信息

总线通信的四种方式：

同步通信（读和写）：

CPU在T,上升沿发出地址信息;在T2的上升沿发出读命令;与地址信号相符合的输人设备按命令进行一- 系列内部操作,且必须在T,的上升沿到来之前将CPU所需的数据送到数据总线上;CPU在T,时钟周期内，将数据线上的信息送到其内部寄存器中;CPU在T.的上升沿撤销读命令,输人设备不再向数据总线上传送数据,撤销它对数据总线的驱动。如果总线采用三态驱动电路,则从T起,数据总线呈浮空状态。

异步通信：分为不互锁、半互锁、全互锁

不互锁：主模块发出请求信号后，不必等待接到从模块的回答，经过一段时间，确定从模块接收到信号就撤销请求信号；

半互锁：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；

全互锁：主模块发出请求信号,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,必须待获知主模块请求信号已撤销后,再撤销其回答信号。

半同步通信：

同步通信、异步通信、半同步通信，在整个传输周期中，系统总线的使用权完全由占有使用权的主模块和它选中的从模块占据。

分离式通信：每个总线传输周期分为两个子周期

子周期1：主模块申请占用总线，使用完后即放弃总线的使用权。

子周期2：从模块申请占用总线，将各种信息送到总线上。

分离式通信特点：

各模块有权申请占用总线。

采用同步方式通信，省去握手开销。

各模块准备数据时，不占用总线资源。

总线无空闲等待时间，提高了利用率。

典型例题：

1.总线中地址线的作用______

A.只用于选择存储器单元

B.由设备向主机提供地址

C.用于选择指定存储器单元和I/O设备接口电路的地址

答案：C

2.在三种集中式总线控制中，______方式响应时间最快。

A.链接查询

B.计数器定时查询

C.独立请求

答案：C

3.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、主存总线和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

答案：B

解析：见图可知

4.在计数器定时查询方式下，若每次计数从上一次计数的终止点开始，则_____

A.设备号小的优先级高

B.每个设备使用总线的机会相等

C.设备号大的优先级高

答案：B

解析：计数器定时查询方式的特点是: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的顺序降序排列，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式查询方式敏感,但增加了控制线(设备地址)数,控制也较复杂。

5.在计数器定时查询方式下，若计数从0开始，则_____

A.设备号小的优先级高

B.每个设备使用总线的机会相等

C.设备号大的优先级高

答案：A