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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。2）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4）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