计算机学科专业基础综合组成原理-8

1、计算机学科专业基础综合组成原理 -8一、 综合应用题 （ 总题数： 20，分数： 100.00）1. 何谓总线仲裁 ?一般采用何种策略进行仲裁，简要说明它们的应用环境。 （分数： 4.00 ） 连接到总线上的功能模块有主动和被动两种形态。主方可以启动一个总线周期，而从方只能响应主方的请 求。每次总线操作，只能有一个主方占用总线控制权，但同一时间里可以有一个或多个从方。除 CPU模块外， I/O 功能模块也可以提出总线请求。为了解决多个主设备同时竞争总线控制器，必须具有 总线仲裁部件，以某种方式选择其中一个主设备作为总线的下一次主方。一般来说，采用优先级或公平策略进行仲裁。 在多处理器系统中对

2、CPU模块的总线请求采用公平原则处理， 而对 I/O 模块的总线请求采用优先级策略。（1）. 某总线在一个总线周期中并行传送 4 个字节的数据，假设一个总线周期等于一个时钟周期，总线时钟 频率为 33MHz，问总线带宽是多少 ?（分数： 4.00 ） 设总线带宽用 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 n 表示，根据定义可得：Dr=D/T=Df=4B 33 106/s=132MB/s（2）. 如果一个总线周期中并行传送 64 位数据，总线时钟频率升为 66MHz，求总线带宽是多少 ?（分数：4.00 ） 因为 64 位=8B，所以Dr=Df=8B 66 10

3、6/s=528MB/s（3）. 分析哪些因素影响带宽 ?（分数： 4.00 ） 总线带宽是总线能提供的数据传送速率，通常用每秒钟传送信息的字节数 （或位数 ） 来表示。影响总线带宽 的主要因素有：总线宽度、传送距离、总线发送和接收电路工作频率以及数据传送形式。2. 什么是总线标准 ?为什么要制定总线标准 ?（分数： 4.00 ） 总线标准是国际公布或推荐的互联各个模块的标准，这个标准为各模块互联提供一个标准的界面接口，这 个界面对它两端的模块都是透明的， 即界面的任一方只需根据总线标准的要求来完成自身一方接口的功能， 而不必考虑对方与界面的接口方式。制定总线标准使系统设计简化，便于模块生产批量

4、化，确保其性能稳定，质量可靠，实现可移植，便于维 护等，较好地解决了系统、模块、设备与总线之间不适应、不通用以及不匹配等问题。3. 计算机总线按传输信息的分类由哪 3 个部分组成 ?各部分对计算机系统性能有什么影响 ? （分数： 4.00 ）计算机的总线，从各自承担的不同功能可以分成数据总线、地址总线和控制总线 3 个部分。数据总线在计 算机部件之间传输数据 （数据、指令 ）信息，它的时钟频率和宽度 （位数 ）的乘积正比于它支持的最大的数据 输入/输出能力；地址总线在计算机部件之间传输地址（内存地址、 I/O 设备地址 ）信息，它的宽度 （位数）决定了系统可以寻址的最大内存空间或 I/O 空间

5、；控制总线给出总线周期类型、 I/O 操作完成的时刻、 DMA周 期、中断等有关的控制信号。4. 请简述总线的物理和逻辑连接的具体含义。 注意：需理解总线连接的两个方面，学习时不能仅注重物理连接。（分数： 4.00 ） 物理连接主要是指机械和电气方面的连接，包括连接信号线的数目、连接信号的电平等。地址信号，在总 线上呈现的时间先后顺序等。5. 请画出现代总线的主要组成，并作简要的解释。分数： 4.00 ） 画出现代总线的示意图如下图所示现代总线的组成简要解释：（1）总线上挂有处理机 （处理机-Cache 组成） 、存储器、 I/O 接口和总线控制器等模块， 且运行多个处理机模 块存在，所以称它

6、为包括处理机在内的各功能模块的互连机构。（2）总线控制器模块的作用是其他各模块争用总线时的仲裁者和调度者。（3）信息传送总线传送数据、 地址和控制信息， 且数据和地址传送往往采用复用方式 （如 64 位的数据线中的 低 32 位地址 ） ；仲裁总线用于总线的请求和授权；中断和同步总线用于对具有中断优先级的中断源予以请 求和响应；公用线通常由时钟、电源、地线以及复位等构成。注意：本题考核对现代总线的组成及其理解。6. 请画出最简单的总线连接图，并作简述。（分数： 4.00 ） 总线连接图如下图所示，线路实现把多路输入中的某一路信息送到总线上，图中表示把 A 路输入送到总线 上。简单例子注意：本题

7、看似简单，却是考核实践基础。7. 请画一张多总线结构的图，并作简述。 （分数： 4.00 ） 多总线结构是指在计算机系统中配置两组或两组以上的总线。多总线结构图如下图所示，该结构有 4 组总线，通过具有缓冲、转换和控制等功能的桥实现CPU与主存的高速数据传输，慢速的设备通过扩展总线控制线路，仍可连接到高速的总线上。多总线结构8. 设在异步串行传输系统中，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、 1 个奇 校验位、 1 个结束位，试计算其波特率和比特率。提示：波特率为每秒传送的所有二进制位，比特率则为每秒传送的所有二进制数据位。 （分数： 4.00 ） 设波特率

8、为 B 0 ，比特率为 B，则B 0 =（1+7+1+1） 20=200baudB=720=140bps9. 设某总线在一个总线周期中并行传送 8 个字节的数据，假设一个总线周期等于 5个总线时钟周期，总线 时钟频率为 60MHz，求总线带宽等于多少 ?（分数： 4.00 ） 设总线带宽为 D r ，总线宽度为 D，总线的频率为 f ，总线时钟频率为 f 0 ，即D=8B、f=f 0 /5 ，所以 D r =D f=8 60 10 6 5=96（MB/s）10. 请简述总线的 5 个操作过程。（分数： 4.00 ） 总线的 5 个操作过程分别为：(1) 传输请求：需要使用总线的主模块提出要求，

9、并送出相应的请求信号。(2) 总线仲裁：由总线的仲裁机构确定把下一个传输周期的总线使用权分配给哪一个请求源。(3) 部件寻址： 取得使用权的主模块， 通过地址总线发出本次要访问的从模块的存储器地址或 I/O 端口地址 及有关命令，让参与本次传输的从模块被选中并开始启动传输。(4) 数据传输：主模块和从模块进行数据交换，数据由源模块发出，经数据总线传送到目的模块。(5) 总线释放：主、从模块的有关信息均从总线上撤除，让出总线，以便其他模块能继续使用。某总线时钟频率为 66MHz，在一个 64 位总线中，总线数据传输的周期是 7 个时钟周期传输 6 个字的数据块。 (分数： 8.00 )(1) .

10、 问总线的数据传输率是多少 ?(分数： 4.00 )总线周期为 7 个时钟周期，总线频率为 66/7MHz。 总线在一个完整的操作周期中传输了一个块，64 位 8 6，所以总线的宽度为 48B，传输率为： R=48B667MHz=452.6MB/s(2) . 如果不改变数据块的大小，而是将时钟频率减半，问这时总线的数据传输率是多少?(分数： 4.00 ) 时钟频率减半时的总线频率为 66 72MHz，传输率为： R=48B337MHz=226.3MB/s 注意：一般时钟周期总线周期，只有采用流水线和并发传送等新技术时才有可能在一个时钟周期传送 一个总线宽度的数据。即如果将时钟频率看作总线频率，

11、那么总线宽度就对应一个时钟周期内所传输的二 进制位数。即 f=66MHz，宽度为 48B7。某总线支持 2 级 Cache 块传输方式，若每块 6 个字，每个字长为 4 个字节，时钟频率为 100MHz。(分数： 12.00 )(1) . 当执行读操作时，第 1 个时钟周期接收地址，第 2、 3个为延迟周期，另用 4 个周期用于传送一个块。 读操作的总线传输速率为多少 ?(分数： 4.00 ) 读操作所用时钟周期数为 1+2+4=7(T) 总线读操作周期对应的频率为 10 8 7(MHz) 读操作总线宽度 ( 即一次完整的读操作 ) 为 64=24(B) 所用数据传输速率为 24(10 8 7

12、)=343(MB/s)(2) . 当执行写操作时，第 1 个时钟周期接收地址，第 2 个为延迟周期，另用 4 个周期用于传送一个块。写 操作的总线传输速率为多少 ?(分数： 4.00 ) 写操作所用时钟周期数为 1+1+4=6(T) 总线写操作周期对应的频率 10 8 6(MHz) 一次完整的写操作传送的数据为 64=24(B) 所用数据传输速率为 24(10 8 6)=400(MB/s)(3) . 设全部的传输中， 70%用于读， 30%用于写，则该总线本次全部传输中的平均传送速率为多少?(分数：4.00 ) 平均传输速率为 34370%+400 30%=360(MB/s)11. 画出串行链

13、式查询方式结构图，简述BG、BR和 BS线的作用，并指出该方式的优缺点(分数： 4.00 ) 该结构如下图所示串行链式查询由图可见，由 3 条公用的信号线完成总线申请和响应。BR：总线请求信号，每个设备都可以通过它请求使用总线，当总线仲裁器检测到有总线请求，且总线又正 处于空闲时，就送出总线可用信号： BG。BG：总线授权信号，将依次串行穿过各设备，首先收到BG的设备若正在申请总线，就取得总线使用权，并停止 BG继续传送，同时发出 BS信号，直至该设备撤除总线请求。串行链式查询方式的优缺点：优点：使用的控制线数目少 (仅 3条) ，优先级由设备的位置决定，所以结果简单，易于扩展设备的数目。 缺

14、点：优先级固定，难以改变；高优先级设备频繁请求将影响低优先级设备对总线的使用；该链路若有故 障将严重影响系统的运行。12. 采用总线技术有哪些优点 ?(分数： 4.00 ) 采用总线技术大致有如下优点：(1) 便于采用模块结构设计，以简化设计过程；(2) 标准总线可得到多个厂商的广泛支持；(3) 模块结构便于扩充和升级；(4) 便于故障诊断和维修；(5) 降低成本。13. 什么是计算机总线 ?通常用什么类型的器件构建总线 ?为什么 ? (分数： 4.00 )计算机总线是在计算机的各部件之间传输信息的公共通路，包括传输数据(信息) 信号的逻辑电路、管理信息传输协议的逻辑线路和物理连线。 每次传输

15、时， 总线可从多个信息来源中选择一个并传输到一个(或多个 )信息接收部件。由于总线上往往要连接许多部件或设备，传输的距离较长，负载比较重，故要求总线线路有更强的驱动能 力。总线的硬件组成通常选用集电极开路的输出电路或有高阻态支持的输出电路。14. 异步定时方式根据“请求”和“回答”信号的撤销是否互锁，有三种情况，请用图形的方式表达它们。 (分数： 4.00 ) 有不互锁、半互锁、全互锁 3 种情况，作图如下图所示。时序图15. 为了提高计算机系统的输入 /输出能力，可以在总线的设计与实现中采用哪些方案?这些方案各自解决的是什么方面的问题 ?(分数： 4.00 )(1) 提高总线时钟的频率，以便

16、在单位时间内完成更多次数的数据传送。(2) 增加数据总线的位数，以便在每次数据传送时同时传送更多位数的数据。(3) 采用成组数据传送 (BURST传送 )方式，使得在一组数据传送的过程中，尽可能地把发送地址和传送数据 在时间上重叠起来。(4) 采用多总线结构，使得多个数据同时通过不同的总线完成传送。 最终达到在单位时间内传送尽可能多的数据的目的，即提高输出/ 输入能力。16. 某总线频率为 33MHz，在一个总线周期内并行传送 4个字节，求该总线的带宽。 (分数： 4.00 ) 设总线宽度为 D，总线的工作频率为 f ，总线带宽 (MB/s)为D r ，根据三者关系总线带宽 =总线宽度总线频率所以 D r =Df=4B3310 6 /s=132MB/s提示： 时钟频率对应时钟周期， 总线频率对应总线周期， 后者总线宽度对应总线周期内传送数据的位数。17. 请比较集中仲裁方式中串行链式查询、计数器查询和独立请求3 种方式的优缺点。(分数： 4.00 )(1) 串行链式查询的优点是：使用的控制线数目少 (3 条) ，优先级由设备的位置决定，所以结构简单，易 于扩展设备的数目。缺点是：优先级固定