第04讲第3章系统总线(34-35)

计算机组成原理课程教案（第4次课）

章节

名称

第3章系统总线

（3.4~3.5）

课时

安排

第2周2学时

授课

方式

理论课

教学环境及

教具准备

有投影仪的教室

PPT多媒体教学课件

教学

目的

让学生对系统总线在计算机硬件结构中的地位和作用有所了解，掌握总线判优、仲裁、总线定时、总线数据传送模式

教学

重点

判优控制和通信控制

教学

难点

总线的判优控制

教学基本内容

是否重、难点

方法及手段

3.4总线结构

3.4.1单总线结构

3.4.2多总线结构

3.4.3总线结构举例

3.5总线控制

3.5.1总线判优控制

3.5.2总线通信控制

了解

了解

了解

重点&难点

重点

多媒体讲解

多媒体讲解

多媒体讲解

多媒体讲解

举例讲解

教学过程与设计

复习旧课：计算机五大组成部件靠总线连接起来后，看不见、摸不着的各类信息是怎么样“各行其道”的呢？

引入新课：计算机中数据、地址、控制等信息流在总线上传输时如何保证不“碰撞”、“不拥塞”（可举高速公路多车道、各走各道、单向车道、双向车道等例子）呢？

3.4总线结构

总线结构通常分为单总线结构和多总线结构。

3.4.1单总线结构

单总线结构的示意图见P42图3.2，它是将CPU、主存、I/O设备（通过I/O接口）都挂在一组总线上，允许I/O设备之间、I/O设备与CPU之间或I/O设备与主存之间直接交换信息。特点：结构简单、便于扩充，所有传送都通过这组共享总线，容易形成计算机系统的瓶颈，

多被小型机或微型机所采用。

3.4.2多总线结构

双总线结构的示意图见动画演示P53图3.7，双总线结构的特点是将速度较低的I/O设备从单总线上分离出来，形成主存总线与I/O总线分开的结构。结构中的通道是一个具有特殊功能的处理器，CPU将一部分功能下放给通道，以统一管理I/O设备完成外部设备与主存之间的数据传送，这种结构大多用于大、中型计算机系统。

将速率不同的I/O设备进行分类，然后将它们连接在不同的通道上，那么计算机系统的工作效率将会更高，由此发展成多总线结构。

三总线结构的示意图见P53图3.8，主存总线用于CPU与主存之间的传输；I/O总线供CPU 与各类I/O设备之间传递信息；DMA总线用于高速I/O设备与主存之间交换信息。其特点是三总线结构中，任一时刻只能使用一种总线。改进型的三总线结构的示意图见P54图3.9，工作效率明显提高。

为了进一步提高I/O设备的性能，使其更快地响应命令，又出现了四总线结构，见P54图3.10。四总线结构增加了一条与计算机系统紧密相连的高速总线。其特点是对于高性能设备与CPU来说，各自的效率将获得更大的提高。

3.4.3总线结构举例

传统微型计算机的总线结构示意图见P55图3.11。

VL-BUS局部总线结构示意图见P56图3.12。

PCI总线结构示意图见P56图3.13。（FLASH动画演示PCI总线结构）

多层PCI总线结构示意图见P57图3.14。

3.5总线控制

总线控制主要包括判优控制和通信控制。

3.5.1总线判优控制

主设备和从设备有关概念的区别，前者有总线控制权，后者没有。

总线判优控制可分为集中式和分布式两种，前者将控制逻辑集中在一处，后者将控制逻辑分散在与总线连接的各个部件或设备上。

常见的集中控制优先权仲裁方式有以下三种（FLASH动画演示）：

（1）链式查询

链式查询方式见动画演示P58图3.15(a)所示，这种方式的特点是：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，且优先级别低的设备可能很难获得请求。

（2）计数器定时查询

计数器定时查询方式见动画演示P58图3.15(b)所示，这种方式的特点是：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0，1，2…，n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，但增加了控制线数，控制也较复杂。

（3）独立请求方式

独立请求方式见动画演示P58图3.15(c)所示，这种方式的特点是：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。

3.5.2总线通信控制

（1）目的

解决通信双方协调配合问题

（2）总线传输周期

申请分配阶段：主模块申请，总线仲裁决定

寻址阶段：主模块向从模块给出地址和命令

传数阶段：主模块和从模块交换数据

结束阶段：主模块撤消有关信息

（3）总线通信控制通常有四种方式：同步通信、异步通信、半同步通信和分离式通信。1）同步通信

通信双方由同一时标控制数据传送称为同步通信。

优点：规定明确、统一，模块间的配合简单一致。

缺点：主、从模块间时间配合属于强制性“同步”，必须在限定时间内完成规定的要求。同步通信一般用于总线长度较短、各部件存取时间比较一致的场合。

问题1：为什么在同步通信的总线系统中，总线传输周期越短，数据线的位数越多，越直接影响总线的数据传输率？

剖析P61例题3.1。

异步通信

异步通信克服了同步通信的缺点，允许各模块速度的不一致性，它没有公共的时钟标准，采用应答方式。

异步通信的应答方式又可分为不互锁、半互锁和全互锁三种类型。动画演示示意图P62图3.18。

异步通信可用于并行传送或串行传送。前者需要“Ready”和“Strobe”这样的联络信号；后者没有同步时钟，需约定字符格式：1个起始位（低电平）、5~8个数据位（低位先传）、1个奇偶校验位、1或1.5或2个终止位（高电平）。

两帧之间可以有空闲位（高电平）或没有空闲位，示意图如P63图3.19（a）、图3.19（b）。异步串行通信的数据传送速率用波特率。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），记作波特。

剖析P62例题3.2。

问题2：比特率与波特率有什么区别？

剖析P64例题3.4。

全国硕士研究生入学考试计算机组成原理试题分析：在系统总线的数据线上，不可能传输的是：

A．指令

B．操作数

C．握手（应答）信号

D．中断类型号

答案：C

解析：握手（应答）信号在通信总线上传输。

3）半同步通信

半同步通信既保留了同步通信的基本特点，如所有的地址、命令、数据信号的发出时间，都严格参照系统时钟的某个前沿开始，而接收方都采用系统时钟后沿时刻来进行判断识别；同时又像异步通信那样，允许不同速度的模块和谐地工作。

上述三种通信的共同点小结：

一个总线传输周期（以输入数据为例）

主模块发地址、命令占用总线

从模块准备数据不占用总线、总线空闲

从模块向主模块发数据占用总线