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  第11题      
  知识点:   计算机系统的结构和工作原理   系统总线   总线
  关键词:   计算机系统   总线        章/节:   硬件基础知识       

 
以下关于计算机系统总线的说法中,错误的是()。
 
 
  A.  地址总线宽度决定了CPU能直接访问的内存单元的个数
 
  B.  数据总线的宽度决定了在主存储器和CPU之间数据交换的效率
 
  C.  地址总线的宽度越小,则允许直接访问主存储器的物理空间越大
 
  D.  数据总线的宽度决定了通过它能并行传递的二进制位数
 
 
 

 
  第12题    2010年上半年  
   52%
若不考虑I/O设备本身的性能,则影响计算机系统I/O数据传输速度的主要因素是(12)。
  第10题    2012年上半年  
   36%
在8位、16位、32位和64位字长的计算机中,(10)位字长计算机的数据运算精度最高;计算机的运算速度通常是指每秒钟所能执行(11)..
  第9题    2009年上半年  
   23%
计算机的用途不同,对其部件的性能指标要求也有所不同。以科学计算为主的计算机,对(9)要求较髙,而且应该重点考虑(10)。
   知识点讲解    
   · 计算机系统的结构和工作原理    · 系统总线    · 总线
 
       计算机系统的结构和工作原理
               计算机的分类
               计算机是快速而高效地完成数字化信息处理的电子设备,它能按照人们预先编写的程序对输入数据进行存储、处理和传送,从而获得有用的输出信息或知识,以便促进社会的生产和发展,提高人民的生活质量。计算机主要具有以下特点:运算速度快、计算精度高、存储容量大、具有逻辑判断能力、可靠性高和自动化程度高等。
               计算机的发展经历了大型机、小型机、微型机、客户机/服务器和互联网5个阶段。1989年11月美国IEEE(电子电器工程师学会)的一个专门委员会根据计算机种类的演变和发展趋势,把当时的计算机分为六大类,即大型主机(Mainframe)、小型计算机(Minicomputer)、个人计算机(Personal Computer)、工作站(Workstation)、巨型计算机(Supercomputer)、小巨型机(Mini Super)。
               现在通常把计算机分为服务器、工作站、台式机、便携机和手持设备五大类。
               (1)服务器(Server)。具有功能强大的处理能力、容量很大的存储器以及快速的输入输出通道和联网能力,通常它的处理器也由高端微处理器芯片组成。
               (2)工作站。它与高端微机的差别主要表现在工作站通常要有一个屏幕较大的显示器,以便显示设计图、工程图和控制图等。
               (3)台式机(Desktop PC)。就是通常所说的微型机,由主机箱、显示器、键盘和鼠标等组成。
               (4)便携机(Mobile PC)。又称笔记本(Notebook),它的功能已经与台式机不相上下,但体积小、重量轻,价格却比台式机贵。
               (5)手持设备。又称掌上电脑(Handheld PC)或称亚笔记本,它比笔记本更小、更轻。
               计算机的组成
               计算机包括硬件系统和软件系统,两者缺一不可。硬件系统是计算机应用的基础,它包括各种设备;而软件系统就是平常所说的程序,是一组有序的计算机指令,这些指令用来指挥计算机硬件系统进行工作。硬件系统往往是固定不变的,而计算机千变万化的功能则是通过软件实现。现在,计算机已发展成由巨型机、大型机、中型机、小型机和微型机组成的一个庞大的计算机家族,其中每个成员尽管在规模、性能、结构和应用等方面存在着很大差别,但是它们的基本组成结构却是相同的。
               计算机的硬件系统由中央处理器(由运算器和控制器等组成)、内存储器、外存储器和输入/输出设备组成。计算机的软件系统分为两大类,即计算机系统软件和应用软件。计算机系统的组成如下图所示。
               
               计算机系统的组成
               计算机的工作原理
               计算机的基本工作原理是存储程序和进行程序控制。预先把指挥计算机如何进行操作的指令序列(称为程序)和原始数据输入到计算机内存中,每一条指令中明确规定了计算机从哪个地址取数,进行什么操作,然后送到什么地方去等步骤。计算机在运行时,先从内存中取出第1条指令,通过控制器的译码器接受指令的要求,再从存储器中取出数据进行指定的运算和逻辑操作等,然后再按地址把结果送到内存中去。接下来,取出第2条指令,在控制器的指挥下完成规定操作,依次进行下去,直至遇到停止指令。
               程序与数据一样存储。按照程序编排的顺序,一步一步地取出命令,自动完成指令规定的操作是计算机最基本的工作原理。这一原理最初是由美籍匈牙利数学家冯·诺依曼于1945年提出来的,故称其为冯.诺依曼原理。虽然现在的计算机系统从性能指标、运算速度、工作方式、应用领域和价格等方面与当时的计算机有很大差别,但基本结构没有变。
               在计算机中基本上有两股信息在流动。一种是数据,即各种原始数据、中间结果和程序等。原始数据和程序要由输入设备输入并经运算器存于存储器中,最后结果由运算器通过输出设备输出。在运行过程中,数据从存储器读入运算器进行运算,中间结果也要存入存储器中。人们用机器自身所具有的指令编写指令序列,即程序,并以数据的形式由存储器送入控制器,再由控制器向机器的各个部分发出相应的控制信号。另一种信息是控制信息,它控制机器的各部件执行指令规定的各种操作。
               在计算机系统中,各部件之间传输信息的通路叫总线,通常分为芯片内总线(用于集成电路芯片内部各部分的连接)、元件级总线(用于一块电路板内多个元器件的连接)、系统总线(用于计算机各组成部分的连接)和外总线(用于计算机与外设或计算机与计算机之间的连接或通信)。其中系统总线又分为数据总线、地址总线和控制总线。
               (1)数据总线:用于传递数据信息。数据总线的宽度指组成数据总线的信号线的数目,它决定了在该总线上一次可以传送的二进制数的位数。
               (2)地址总线:用于传送地址信息,指示数据总线上数据的来源或去向。
               (3)控制总线:用于传递控制信息。
               以下是几种常用的标准总线。
               (1)ISA总线:是工业标准总线,16位数据线,24位地址线,数据传输速率为16MB/s。
               (2)EISA总线:是扩充工业标准的缩写,32位数据线,32位地址线,数据传输速率为32MB/s。
               (3)PCI总线:有两种标准,适用于32位机的124个信号的标准和适用于64位机的188个信号的标准。传输速率至少为133MB/s。
 
       系统总线
        系统总线有时也称为内总线,其性能直接影响计算机的性能。常见的内总线标准有以下3种。
        (1)ISA(Industry Standard Architecture)总线。它是工业标准总线,向上兼容更早的PC总线,在PC总线62个插座信号的基础上,再扩充另一个36个信号的插座构成ISA总线。它主要包括24个地址线、16条数据线等。
        (2)EISA(Extended Industry Standard Architecture)总线。它是在ISA总线的基础上发展起来的36位总线。该总线定义32位地址线、32位数据线以及其他控制信号线、电源线等共196个连接点。总线传输速率达33Mb/s。该总线利用总线插座与ISA总线相兼容。
        (3)PCI(Peripheral Component Interconnection,外部设备组件互连)总线。当前最流行的总线之一,它是由Intel公司推出的一种局部总线。它定义了32位数据总线,且可扩展为64位。PCI总线的传输速率至少为133Mb/s,64位PCI总线的传输速率为266Mb/s。PCI总线的工作与处理器相互独立。PCI总线上的设备是即插即用的。
 
       总线
        所谓总线(Bus),是指计算机设备和设备之间传输信息的公共数据通道。总线是连接计算机硬件系统内多种设备的通信线路,它的一个重要特征是由总线上的所有设备共享,因此可以将计算机系统内的多种设备连接到总线上。
               总线的分类
               微机中的总线分为数据总线、地址总线和控制总线3类。不同型号的CPU芯片,其数据总线、地址总线和控制总线的条数可能不同。
               数据总线(Data Bus,DB)用来传送数据信息,是双向的。CPU既可通过DB从内存或输入设备读入数据,也可通过DB将内部数据送至内存或输出设备。DB的宽度决定了CPU和计算机其他设备之间每次交换数据的位数。
               地址总线(Address Bus,AB)用于传送CPU发出的地址信息,是单向的。传送地址信息的目的是指明与CPU交换信息的内存单元或I/O设备。存储器是按地址访问的,所以每个存储单元都有一个固定地址,要访问1MB存储器中的任一单元,需要给出220个地址,即需要20位地址(220=1M)。因此,地址总线的宽度决定了CPU的最大寻址能力。
               控制总线(Control Bus,CB)用来传送控制信号、时序信号和状态信息等。其中有的信号是CPU向内存或外部设备发出的信息,有的是内存或外部设备向CPU发出的信息。显然,CB中的每一条线的信息传送方向是单方向且确定的,但CB作为一个整体则是双向的。所以,在各种结构框图中,凡涉及控制总线CB,均是以双向线表示。
               总线的性能直接影响整机系统的性能,而且任何系统的研制和外围模块的开发都必须依从所采用的总线规范。总线技术随着微机结构的改进而不断发展与完善。
               在计算机的概念模型中,CPU通过系统总线和存储器之间直接进行通信。实际上在现代的计算机中,存在一个控制芯片的模块。CPU需要和存储器、I/O设备等进行交互,会有多种不同功能的控制芯片,称之为控制芯片组。对于目前的计算机结构来说,控制芯片集成在主板上,典型的有南北桥结构和单芯片结构。与芯片相连接的总线可以分为前端总线(FSB)、存储总线、I/O总线、扩展总线等。
                      南北桥芯片结构
                      北桥芯片直接与CPU、内存、显卡、南桥相连,控制着CPU的类型、主板的总线频率、内存控制器、显示核心等。前端总线(FSB)是将CPU连接到北桥芯片的总线。内存总线是将内存连接到北桥芯片的总线,用于和北桥之间的通信。显卡则通过I/O总线连接到北桥芯片。
                      南桥芯片主要负责外部设备接口与内部CPU的联系。其中,通过I/O总线将外部I/O设备连接到南桥,比如USB设备、ATA和SATA设备以及一些扩展接口。扩展总线则是指主板上提供的一些PCI、ISA等插槽。
                      单芯片结构
                      单芯片组方式取消了北桥。由于CPU中内置了内存控制器,不再需要通过北桥来控制,这样就能提高内存控制器的频率,减少延迟。还有一些CPU集成了显示单元,使得显示芯片的频率更高,延迟更低。
               常见总线
               常见总线包括:
               (1)ISA总线。ISA是工业标准总线,只能支持16位的I/O设备,数据传输率大约是16MB/s,也称为AT标准。
               (2)EISA总线。EISA是在ISA总线的基础上发展起来的32位总线。该总线定义32位地址线、32位数据线以及其他控制信号线、电源线、地线等共196个接点。总线传输速率达33MB/s。
               (3)PCI总线。PCI总线是目前微型机上广泛采用的内总线,采用并行传输方式。PCI总线有适于32位机的124个信号的标准和适于64位机的188个信号的标准。PCI总线的传输速率至少为133MB/s,64位PCI总线的传输速率为266MB/s。PCI总线的工作与CPU的工作是相互独立的,也就是说,PCI总线时钟与处理器时钟是独立的、非同步的。PCI总线上的设备是即插即用的。接在PCI总线上的设备均可以提出总线请求,通过PCI管理器中的仲裁机构允许该设备成为主控设备,主控设备与从属设备间可以进行点对点的数据传输。PCI总线能够对所传输的地址和数据信号进行奇偶校验检测。
               (4)PCI Express总线。PCI Express简称为PCI-E,采用点对点串行连接,每个设备都有自己的专用连接,不需要向整个总线请求带宽,而且可以把数据传输率提高到一个很高的频率。相对于传统PCI总线在单一时间周期内只能实现单向传输,PCI Express的双单工连接能提供更高的传输速率和质量。
               PCI Express的接口根据总线位宽不同而有所差异,包括X1、X4、X8以及X16(X2模式将用于内部接口而非插槽模式),其中X1的传输速度为250MB/s,而X16就是等于16倍于X1的速度,即是4GB/s。较短的PCI Express卡可以插入较长的PCI Express插槽中使用。PCI Express接口能够支持热拔插。同时,PCI Express总线支持双向传输模式,还可以运行全双工模式,它的双单工连接能提供更高的传输速率和质量,它们之间的差异与半双工和全双工类似。因此连接的每个装置都可以使用最大带宽。
               (5)前端总线。微机系统中,前端总线(Front Side Bus,FSB)是将CPU连接到北桥芯片的总线。选购主板和CPU时,要注意两者的搭配问题,一般来说,如果CPU不超频,那么前端总线是由CPU决定的,如果主板不支持CPU所需要的前端总线,系统就无法工作。也就是说,需要主板和CPU都支持某个前端总线,系统才能工作。通常情况下,一个CPU默认的前端总线是唯一的。北桥芯片负责联系内存、显卡等数据吞吐量最大的部件,并与南桥芯片连接。CPU通过前端总线(FSB)连接到北桥芯片,进而通过北桥芯片与内存、显卡交换数据。FSB是CPU和外界交换数据的最主要通道,因此FSB的数据传输能力对计算机整体性能作用很大,如果没足够快的FSB,再强的CPU也不能明显提高计算机整体速度。
               (6)RS-232C。RS-232C是一条串行外总线,其主要特点是所需传输线比较少,最少只需三条线(一条发、一条收、一条地线)即可实现全双工通信。传送距离远,用电平传送为15m,电流环传送可达千米。有多种可供选择的传送速率。采用非归零码负逻辑工作,电平≤-3V为逻辑1,而电平≥+3V为逻辑0,具有较好的抗干扰性。
               (7)SCSI总线。小型计算机系统接口(SCSI)是一条并行外总线,广泛用于连接软硬磁盘、光盘、扫描仪等。其中,SCSI-1是第一个SCSI标准,传输速率为5MB/s;Ultra2 SCSI的传输速率为80MB/s;Ultra160 SCSI也称Ultra3 SCSI LVD,传输速率为160MB/s;Ultra320 SCSI也称Ultra4 SCSI LVD,传输速率可高达320MB/s。
               (8)SATA。SATA是Serial ATA的缩写,即串行ATA。它主要用作主板和大量存储设备(如硬盘及光盘驱动器)之间的数据传输。SATA总线使用嵌入式时钟信号,具备了更强的纠错能力,与以往相比其最大的区别在于能对传输指令(不仅仅是数据)进行检查,如果发现错误会自动矫正,这在很大程度上提高了数据传输的可靠性。串行接口还具有结构简单、支持热插拔的优点。
               (9)USB。通用串行总线(USB)当前风头正劲,目前得到十分广泛的应用。USB由4条信号线组成,其中两条用于传送数据,另外两条传送+5V容量为500mA的电源。可以经过集线器(Hub)进行树状连接,最多可达5层。该总线上可接127个设备。USB 1.0有两种传送速率:低速为1.5Mb/s,高速为12Mb/s。USB 2.0的传送速率为480Mb/s。USB 3.0的传送速率为5Gb/s。USB总线最大的优点还在于它支持即插即用,并支持热插拔。
               (10)IEEE-1394。IEEE-1394是高速串行外总线,近几年得到广泛应用。IEEE-1394也支持外设热插拔,可为外设提供电源,省去了外设自带的电源,能连接多个不同设备,支持同步和异步数据传输。IEEE-1394由6条信号线组成,其中两条用于传送数据,两条传送控制信号,另外两条传送8~40V容量为1500mA的电源,IEEE-1394总线理论上可接63个设备。IEEE-1394的传送速率从400Mb/s、800Mb/s、1600Mb/s直到3.2Gb/s。
               (11)IEEE-488总线。IEEE-488是并行总线接口标准。微计算机、数字电压表、数码显示器等设备及其他仪器仪表均可用IEEE-488总线连接装配,它按照位并行、字节串行双向异步方式传输信号,连接方式为总线方式,仪器设备不需中介单元直接并联于总线上。总线上最多可连接15台设备。最大传输距离为20m,信号传输速率一般为500KB/s,最大传输速率为1MB/s。
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