5.4 总线的仲裁（课件）-《计算机原理》(电工版第五版) 同步精品课堂

计算机原理 -第21课时- 电工版第五版 总线的仲裁 教学目标 理解总线仲裁的概念和作用 掌握主模块和从模块的区别 熟悉常用的三种总线裁决方式（串行、并行、计数器）及其工作原理 教学重难点 总线仲裁的概念和必要性 不同裁决方式下模块获得总线使用权的机制 理解分布仲裁方式中优先权的灵活控制 让我们一起开启单片机的学习之旅。 导入新课 同学们，在计算机的总线系统中，多个主模块可能会同时请求使用总线。 该如何决定哪个模块能获得总线使用权呢？ 让我们一起深入探究总线仲裁的奥秘。 新知讲授 总线的仲裁 什么是仲裁？ 新知讲授 思政小课堂 想一想生活里需要 “排队争资源、定先后” 的场景，这些场景里是怎么公平分配使用权的？这和我们倡导的公平公正原则有什么联系？ 新知讲授 连接在总线上的设备分为主模块和从模块。 主模块具备总线控制权，如 8088/8086 CPU 和 DMA 控制器 8237 等； 从模块能响应数据请求，但无总线控制权。当多个主模块同时请求总线时，需总线仲裁器按原则判优，决定使用总线的模块，此即总线仲裁。 总线仲裁的基本概念 新知讲授 总线仲裁机制概述 多个主设备争抢总线控制权时，以某种方式选择一个主设备优先获得总线控制权称为总线仲裁 总线仲裁定义 01 只有获得总线使用权的模块才能传送数据，这保证了总线数据传输的有序性和高效性 总线使用权控制 03 高效、合理地使用总线资源，使总线资源发挥最大作用 总线仲裁目的 02 总线仲裁机制概述 新知讲授 串行总线仲裁方式中，涉及 “忙” 信号（BS）、“总线请求” 信号（BR）和 “总线同意” 信号（BG）。主模块使用总线前先检测 BS，无效时可发 BR 请求。 串行总线仲裁方式 新知讲授 并行仲裁方式中，各模块相互独立。有部件的 “总线请求” 信号（BR1、BR2…BRn）、“总线同意” 信号（BG1、BG2…BGn）和 “忙” 信号（BS）。 并行仲裁方式 新知讲授 串/分布仲裁方式工作流程 串行总线仲裁方式工作流程 总线控制器接收到BR后发出BG，BG在各模块间传递，到达发出请求的模块时停止传递，该模块获得总线控制权。越靠近总线控制器的模块，优先权越高。 总线“忙”信号无效时，模块可单独申请。模块申请前先检测BS，有效则等待。总线控制器内有优先权编码器和译码器，根据请求信号产生优先权编码，向最高优先权模块发“总线同意”信号。 并行仲裁方式工作流程 新知讲授 总线的仲裁方式 为什么要仲裁？ 总线作为一种共享设备，不可避免地会出现同一时刻有多个主设备竞争总线控制权的问题。 新知讲授 集中式仲裁中每个功能模块有两条线连到总线控制器：一条是送往仲裁器的总线诸求信号线BR，一条是仲裁器送出的总线授权信号线BG。 总线的仲裁方式——集中式仲裁 主设备发出请求信号 主设备发出请求信号，启动总线使用申请流程。 总线控制器仲裁 若多个主设备同时要使用总线，则由总线控制器的判优、仲裁逻辑按一定的优先等级顺序确定哪个主设备能使用总线。 数据传送开始 获得总线使用权的主设备开始传送数据，完成总线使用流程。 新知讲授 总线仲裁的三种主要信号 总线忙信号BS指示当前总线是否处于被占用状态，防止多个设备同时访问造成冲突，确保数据传输的完整性。 总线忙信号BS 总线同意信号BG由总线控制器发出，表示允许申请设备使用总线，是协调多设备访问的重要控制信号。 总线同意信号BG 总线申请信号BR用于设备向总线控制器发出使用总线的请求，是总线仲裁机制中的关键信号之一。 总线申请信号BR 新知讲授 总线控制器（仲裁器）收到总线申请BR，BG（总线同意信号）逐个往下传； 遇到某接口有总线申请（BR：总线申请信号），BG停止往下传； 该接口获得总线使用权，并建立总线忙信号BS。 集中仲裁方式-链式查询方式 新知讲授 总线控制器（仲裁器）收到总线申请BR，计数器开始计数； 当某个有总线申请的设备地址与计数器一致，便获得总线使用权，并建立总线忙信号BS。 集中仲裁方式-计时器定时查询方式 新知讲授 每个设备有独立的请求信号和总线同意信号； 总线控制器根据设备的优先级决定将总线的使用权交给哪个设备。 集中仲裁方式-独立请求方式 新知讲授 集中仲裁方式的三种方式的对比： 新知讲授 总线集中式仲裁方式应用场景 适用于系统中各模块地位相对平等，需要在一定程度上保证公平性的同时又能灵活调整优先权的场景，如多用户共享的计算机系统。 适用于系统中模块功能多样、工作情况复杂，需要根据不同任务动态调整模块优先权的场景，如大型计算机服务器系统。 适用于系统中模块功能和重要性相对固定，对总线使用顺序有明确要求的场景，如一些简单的嵌入式系统。 串行总线仲裁方式应用场景 分布仲裁方式应用场景 计数器仲裁方式应用场景 03 02 01 新知讲授 分布式仲裁不需要集中的总线仲裁器，每个潜在的主方功能模块都有自己的仲裁号和仲裁器。 分布仲裁方式 新知讲授 分布仲裁方式工作流程 当它们有总线请求时，把它们唯一的仲裁号发送到共享的仲裁总线上。 总线请求阶段 每个仲裁器将仲裁总线上得到的号与自己的号进行比较。 仲裁号比较阶段 如果仲裁总线上的号大，则它的总线请求不予响应，并撤销它的仲裁号。 请求响应判断阶段 最后，获胜者的仲裁号保留在仲裁总线上。显然，分布式仲裁是以优先级仲裁策略为基础。 仲裁结果确定阶段 04 03 02 01 随堂检测1 在总线仲裁中，主模块和从模块都具备总线控制权。（ ） 答案：× 解析：主模块具备总线控制权，从模块能对总线上的数据请求做出响应，但本身不具备控制总线的能力，所以该说法错误。 串行总线仲裁方式中，越远离总线控制器的模块优先权越高。（ ） 答案：× 解析：串行总线仲裁方式中，越靠近总线控制器的模块，就具有越高的优先权，所以该说法错误。 练一练 随堂检测2 分布仲裁方式中，总线控制器通过（ ）来确定优先权最高的模块。 A. 总线请求信号的发出时间 B. 优先权编码器产生的优先权编码 C. 模块与总线控制器的距离 D. 模块的工作重要性 答案：B 解析：分布仲裁方式中，总线请求信号经优先权编码器产生优先权编码，总线控制器根据该编码向优先权最高的模块发出 “总线同意” 信号，所以选 B。 练一练 随堂检测3 计数器仲裁方式中，若从 0 开始计数，优先顺序与（ ）一致。 A. 串行总线仲裁方式 B. 分布仲裁方式 C. 随机顺序 D. 模块的工作重要性顺序 答案：A 解析：计数器仲裁方式中，如果从 0 开始计数，优先顺序与串行方式是一致的，所以选 A。 练一练 随堂检测4 以下哪种总线裁决方式对优先权控制最灵活？（ ） A. 串行总线仲裁方式 B. 分布仲裁方式 C. 计数器仲裁方式 D. 以上都一样 答案：B 解析：分布仲裁方式可以预先固定优先权、通过程序改变优先权、屏蔽某个请求，对优先权控制最为灵活，所以选 B。 练一练 师生互动 1 请同学们分组讨论，在一个实时性要求极高且模块重要性差异较大的计算机系统中，应该选择哪种总线裁决方式最为合适？并说明理由。 课题小结 1. 总线仲裁概述 总线的仲裁 2. 集中仲裁方式 链式查询方式 计时器定时查询方式 独立请求方式 模块与从模块的定义 总线仲裁的概念与必要性 常用的总线裁决方式 分布仲裁方式的结构 分布仲裁方式的工作流程 分布仲裁方式的优先权控制特点 3. 分布仲裁方式 谢谢观看 THANKS UTC 2025-12-22 06:06:01 Lavf58.76.100 UTC 2025-12-23 04:37:23 Lavf58.76.100 $