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
分离式通信
分离式通信充分挖掘系统总线每个瞬间的潜力，充分提高了总线的有效占用，其特点：各模块有权申请占用总线但须先申请
采用同步方式通信，不等对方回答
各模块准备数据时，不占用总线
总线被占用时，都在做有效工作无空闲等待时间
这种方式充分发挥了总线的有效占用，对大型计算机系统极为重要。
实验
内容
本章无安排实验
课内
练习
PPT多媒体教学课件后的课堂练习题
课外
作业
P67页教材课后练习题3.14、3.15、3.16
考核
要求
1.本章考试题型主要有：选择题、填空题、简答题、设计应用题
2.本章主要考核总线分类、总线的仲裁、定时和数据传送模式；总线的概念、总线接口等
参考
资料
[1]白中英.计算机组成原理（第四版.立体化教材）.科学出版社,2012
[2]唐朔飞.计算机组成原理学习指导与习题解答.高等教育出版社,2010
[3]李淑芝.计算机组成原理考研指定教材习题解答.自编,2013
[4]李淑芝,欧阳城添,等.计算机组成原理实验指导书(2013版), 自编,2013
教学
后记
学生通过系统总线学习，能够更加理解总线在计算机硬件结构中的“桥梁”地位和作用。
