微機系統(tǒng)總線9

1、1第一節(jié) 系統(tǒng)總線概述前言(1)從需求到產(chǎn)品2舉例(2)電路系統(tǒng)的技術(shù)抽象3總線型樹型星型環(huán)型(3)設(shè)備之間的互聯(lián)主、從設(shè)備；發(fā)、收設(shè)備舉例4優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，便于擴充網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度快，便于廣播式工作設(shè)備量少，價格低廉缺點：節(jié)點多時，網(wǎng)絡(luò)性能下降任何節(jié)點故障可能導致網(wǎng)絡(luò)失效 總線型網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)缺點51.概念總線：構(gòu)成系統(tǒng)的互聯(lián)機構(gòu)，是多個功能部件之 間進行數(shù)據(jù)傳送的公共通路?？偩€不僅是指一組傳輸線，而且包括相應(yīng)的總線接口和 總線控制器。 總線與接口的差別？總線的兩種形式6(系統(tǒng))外總線如并口、串口(系統(tǒng))內(nèi)總線如ISA、PCI片(間)總線 片內(nèi)總線 運算器寄存器控制器CPU存儲芯片I/O芯片主板擴展接

2、口板擴展接口板微機系統(tǒng)其 他 微 機系 統(tǒng)其 他 儀 器系 統(tǒng)微機系統(tǒng)的四級總線示意圖2.分類(1)按照功能（層次結(jié)構(gòu)）分類：模糊7（2）按時序控制方式分類1）同步總線：由控制模塊提供統(tǒng)一的同步時序信號控制總線傳送操作。2）異步總線：不采用統(tǒng)一時鐘周期劃分，根據(jù)傳送的 實際需要決定總線周期長短，以異步應(yīng)答方式控制總線傳送操作。 3）擴展同步總線：以時鐘周期為時序基礎(chǔ)，允許總線周期中的時鐘數(shù)可變。（3）按數(shù)據(jù)傳送格式分類1）串行總線2）并行總線8（2）雙總線：（1）單總線：3.系統(tǒng)各部件與總線的連接方式9處理器/Cache處理器/Cache主存控制器主存HOST總線HOST/PCI橋PCI設(shè)備P

3、CI設(shè)備PCI/LAGACY橋中低速I/O設(shè)備PCI/PCI橋LANSCSI（ISA,EISA,）LAGACY總線PCI總線PCI總線（3）多總線：模塊與層104.性能指標（1）數(shù)據(jù)傳輸率（2）負載能力（3）仲裁方式（4）信號線的根數(shù)和種類（5）是否支持INT、FIFO、DMA等。115.特性 （1）物理特性：指總線的物理連接方式，包括總線的根數(shù)，總線的插頭、插座的形狀，引腳線的排列方式等。 信號線信號完整性供電線額定功率121314(2)功能特性：功能特性描述的是這一組總線中，每一根線的功能是什么。從功能上劃分，總線分為三組（即三總線）：地址總線（AB）、數(shù)據(jù)總線（DB）、控制總線（CB）。

4、 地址總線寬度影響視野數(shù)據(jù)總線寬度影響速率控制總線多少影響靈活性和復雜度1516（3）電氣特性：定義每一根線上信號的傳遞方向、有效電平范圍及阻抗特性。1）總線輸出信號的電平形式2）總線信號的傳輸方向幾種門輸出的各自特點173) 電路輸出端連接時的注意事項普通門輸出端不允許直接并聯(lián)使用。 三態(tài)輸出門的輸出端可并聯(lián)使用，但同一時刻只能有一個門工作，其他門輸出處于高阻狀態(tài)。 集電極開路門輸出端可并聯(lián)使用，但公共輸出端和 電源 VCC 之間應(yīng)接負載電阻 RL。 輸出端不允許直接接電源 VCC 或直接接地。 輸出電流應(yīng)小于產(chǎn)品手冊上規(guī)定的最大值。18 功耗?。篊MOS門工作時，總是一管導通另一管截 止，

5、因而幾乎不由電源吸取電流其功耗極?。?CMOS集成電路功耗低內(nèi)部發(fā)熱量小，集成度可大 大提高； 抗幅射能力強：MOS管是多數(shù)載流子工作，射線輻 射對多數(shù)載流子濃度影響不大； 電壓范圍寬：CMOS門電路輸出高電平VOH VDD， 低電平VOL 0V； 輸出驅(qū)動電流比較大：扇出能力較大，一般可以 大于50； 在使用和存放時應(yīng)注意靜電屏蔽，焊接時電烙鐵 應(yīng)接地良好。4) CMOS集成電路特點197) 扇出系數(shù) 灌電流負載5) 噪聲容限6) 電平轉(zhuǎn)換 拉電流負載8) 傳輸速度20（4）時間特性：定義了每根線在什么時間有效，即規(guī)定了總線上各信號有效的時序關(guān)系。216. 操作過程總線請求和仲裁(Bus r

6、equest & Arbitration)階段 需要使用總線的主模塊提出申請，由總線仲裁器確 定把總線分配給哪個請求源；尋址(Addressing)階段 取得總線使用權(quán)的主模塊發(fā)出將要訪問的從模塊(如 存儲器或I/O端口)地址信息以及有關(guān)命令，啟動從模塊；數(shù)據(jù)傳送(Data Transfer)階段 主從模塊進行數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)由源模塊發(fā)出，經(jīng)數(shù)據(jù) 總線傳送到目標模塊；結(jié)束(Ending)階段 主從模塊的數(shù)據(jù)、地址、狀態(tài)、命令信息均從總線上 撤除，讓出總線，以便其它主模塊繼續(xù)使用總線。舉例227.仲裁方式（1）集中式裁決1 鏈式查詢 也稱作“菊花鏈”式結(jié)構(gòu)232 計數(shù)器定時243 獨立請求25（2

7、）分布式裁決268.傳輸方式1）同步式傳輸數(shù)據(jù)傳送速率（或總線帶寬）完全由同步時鐘頻率和數(shù)據(jù)總線寬度確定無法兼容總線上各種不同響應(yīng)速度的設(shè)備 27 2）異步式傳輸握手信號總線傳輸速度可根據(jù)設(shè)備的響應(yīng)速度自動調(diào)整適應(yīng)能力強全互鎖握手方式28 3）半同步式傳輸能兼容總線上各種不同響應(yīng)速度的設(shè)備使同步總線達到與異步總線相同的功能29PC系統(tǒng)總線發(fā)展9.微機總線的發(fā)展ISA1988PCI1992198019902000PCIe2003PCI-X199833M/66MHz266M/533MHz66M/133MHz2.5GHz1M/4MHz2GI/O2.5GI/O3GI/O30PC/XT總線技術(shù)的微型計算

8、機結(jié)構(gòu) 31PC/AT ISA總線的微機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 32EISA總線的微機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)33PCI總線的微機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)34AGP總線的微機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)35Pentium 4 微處理器微機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)36系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的總線37381.介紹（1）串行通信的概念：將數(shù)據(jù)分解成二進制位用一條數(shù)字信號線，一位一位地順序傳送的通信方式。（2）串行通信的優(yōu)勢：通信的線路少，因而在遠距離通信時可以極大地降低成本。（3）通信協(xié)議的概念：通信雙方為了實現(xiàn)通信而必須共同遵守的約定，這種約定包括編碼方式、調(diào)制方式、同步方式、通信速率等內(nèi)容。第二節(jié) 串行總線 39（4）通信方式： 發(fā)送器 發(fā)送器 接收器 接收器 B站 A站 A站 B站 發(fā)

9、送器 發(fā)送器 接收器 接收器半雙工全雙工舉例40（5）同步方式：同步傳輸1位 數(shù)據(jù)計算機外設(shè) 1 2 3 4 5 6 7 8同步時鐘高位先送1位 數(shù)據(jù)計算機外設(shè)發(fā)送速率接收速率異步傳輸靠發(fā)送和接收速率相同來保證同步41（5）傳輸速率：比特率：比特率描述數(shù)字信號的傳輸速率，它用單位時間內(nèi)傳輸?shù)亩M制代碼的有效位(bit)數(shù)來表示，其單位bit/s(bps). 波特率：波特率表征數(shù)據(jù)信號對載波的調(diào)制速率，它用單位時間內(nèi)載波調(diào)制狀態(tài)改變次數(shù)來表示，其單位為波特 baud/s.42(6)串行總線的種類43USB介紹USB (Universal Serial Bus)通用串行總線USBIF(USB Im

10、plementers Forum)負責USB標準制訂,其成員包括: Microsoft 、 Intel、NEC等7家公司。44USB 1.1 & USB 2.0USB 1.1 修正了USB1.0出現(xiàn)的問題, USB 1.1是USB開始普及的最早版本;USB 2.0 在USB 1.1的基礎(chǔ)上提高了速度;USB的三種速率1.5 Mbit/s(183 KByte/s)低速速率12 Mbit/s(1.4 MByte/s)全速速率480 Mbit/s(57 MByte/s)高速速率USB的傳輸距離USB 1.15mUSB 2.01.5m45USB的特點方便, 即插即用(PNP)高傳輸速率無須占用 IRQ

11、 和 I/O 地址應(yīng)用范圍廣46USB接頭USB接口可提供5V 500mA的電流4748493.SPI接口 SPI（Serial Peripheral Interface）是同步串行外圍接口，用于與各種外圍器件進行通信。這些外圍器件可以是簡單的TTL移位寄存器、復雜的 LCD顯示驅(qū)動器或 AD轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)。SPI系統(tǒng)可以容易地與許多廠家的各種標準外圍器件直接連接。在多主機系統(tǒng)中SPI還可用于MCU之間的通信。 50DSP作主設(shè)備DSP作從設(shè)備51擴展從設(shè)備數(shù)量的方法52四個FPGA用SPI口如何互聯(lián)？5354(1)I2C 總線的特征 只要求兩條總線線路:數(shù)據(jù)線SDA 和時鐘線SCL； 每個連接到

12、總線的器件都具有唯一的地址； 它是一個真正的多主機總線； 具有三種串行雙向數(shù)據(jù)傳輸模式：標準模式（100kbit/s） 快速模式（400kbit/s） 高速模式（3.4Mbit/s）； 片上的濾波器可以濾去數(shù)據(jù)線上的毛刺保證數(shù)據(jù)完整； 連接到相同總線的IC 數(shù)量只受到總線的最大電容400pF 限制4.I2C總線55 結(jié)構(gòu)圖的功能模塊與實際的IC相對應(yīng)，設(shè)計可以快速從結(jié)構(gòu)圖向最后的原理圖推進； 不需要設(shè)計總線接口,因為I2C 總線接口已經(jīng)集成在芯片內(nèi)部； 集成的尋址和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議允許系統(tǒng)完全由軟件定義； 相同類型的IC 經(jīng)常用于很多不同的應(yīng)用；（2）設(shè)計人員受益56 在系統(tǒng)中增加或刪除IC 不會

13、影響總線的其他電路； 故障診斷和調(diào)試都很簡單故障可被立即尋跡； 通過匯編一個可再使用的軟件模塊庫，能夠減少軟件開發(fā)時間； 極低的電流消耗； 抗高噪聲干擾； 電源電壓范圍寬； 工作的溫度范圍廣。57（3）生產(chǎn)廠商受益 簡單的兩線串行I2C 總線將互聯(lián)減到最小因此IC 的管腳更少而且PCB 的線路也減少結(jié)果使PCB 更小和更便宜； 完全完整的I2C 總線協(xié)議不需要地址譯碼器和其他附加邏輯； I2C 總線的多主機功能允許通過外部連接到生產(chǎn)線快速測試和調(diào)整最終用戶的設(shè)備； 符合I2C 總線的IC 提供SO 小型VSO 超小型以及DIL 封裝甚至減少了IC 的空間要求。58標準模式器件和快速模式器件連接

14、到I2C總線59起始和停止條件60I2C 總線的位傳輸61I2C 總線的數(shù)據(jù)傳輸626364第一個字節(jié)中位的定義65(7)串行總線性能比較662.UART通信 UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter ）是通用異步收發(fā)器的英文縮寫。它遵守一種通信協(xié)議（數(shù)據(jù)鏈路層概念），衍生出多種總線接口標準規(guī)范。包括RS232、RS499、RS423、RS422和RS485等，這些規(guī)范規(guī)定了通信口的電氣特性、傳輸速率、連接特性和接口的機械特性等內(nèi)容（通信網(wǎng)絡(luò)中的物理層概念）。67 0 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 1 1 1 0 0/1

15、 起 始 位奇偶校驗位 （可有可無） 58位數(shù)據(jù)位（先送最低位）LSBMSB 空 閑 位停止位（1，11/2 或2位） 第n個字符（812位） 第n1 個字符 異步串行通信格式（1）UART通信協(xié)議68為什么異步通信要比同步通信傳輸速率低？69（2）硬件電路結(jié)構(gòu)709針串口（DB9）25針串口（DB25）針號功能說明縮寫針號功能說明縮寫1數(shù)據(jù)載波檢測DCD8數(shù)據(jù)載波檢測DCD2接收數(shù)據(jù)RXD3接收數(shù)據(jù)RXD3發(fā)送數(shù)據(jù)TXD2發(fā)送數(shù)據(jù)TXD4數(shù)據(jù)終端準備DTR20數(shù)據(jù)終端準備DTR5信號地GND7信號地GND6數(shù)據(jù)設(shè)備準備好DSR6數(shù)據(jù)準備好DSR7請求發(fā)送RTS4請求發(fā)送RTS8清除發(fā)送CTS

16、5清除發(fā)送CTS9振鈴指示DELL22振鈴指示DELL（3）RS-232C引腳定義與連接 71全雙工標準系統(tǒng)連接 全雙工最簡系統(tǒng)連接 72機械特性電氣特性（4）RS-232C的機械與電氣特性 73（5）其它UART接口特性 接口RS-232RS-422RS-485最大距離(標準)15M9600bps1.2公里9600bps1.2公里9600bps最大距離(Moxa 實驗室測量結(jié)果)100M 38400bps50M 57600bps20M 115200bps*C168H, 28AWG UL24641.4KM 9600bps1.1KM 38400bp* CP-114I, 28AWG UL2464,

17、 直通電纜， 點對點方式 1.4KM 9600bps 1.1KM 38400bp* DE-211, AWG28 直通電纜, 多站方式，32節(jié)點74傳輸距離與傳輸速率的關(guān)系 速率（b/s）距離（m）100 M 75（5）UART接口的應(yīng)用領(lǐng)域 76 特點：可用于同步和異步傳送同步傳送：58bit/字符，內(nèi)部或外部同步，可自動插入同步字符。異步傳送：58bit/字符，波特率因子可取1、16或64可產(chǎn)生中止字符，可產(chǎn)生1、1位半或2位的停止位，可檢測假啟動位。自動檢測和處理中止字符。波特率, DC19.2K(異步)；DC64K(同步)。完全雙工，雙緩沖發(fā)送和接收出錯檢測具有奇偶、溢出和幀錯誤等檢測電

18、路。與8088/8086CPU完全兼容（5） 8251A簡介778251A管腳定義8251A內(nèi)部結(jié)構(gòu)78CPU通過8251A與串行外設(shè)連接圖79復位操作輸出第一個同步字符 輸出模式字輸出第二個同步字符雙同步？ 輸出命令字 收/發(fā)數(shù)據(jù)傳遞完？ 復 位？同步方式 ？是是是是否否否8251A工作流程簡圖80異步傳送模式方式選擇字模式81同步傳送模式方式選擇字模式82PCI總線規(guī)范 1.主要特點6) 采用同步操作 7) 支持兩種電壓下的擴展卡 8) 具有即插即用功能 9) 可靠性高10) 預(yù)留擴展空間 獨立于處理器2) 傳輸效率高3) 壽命長4) 支持突發(fā)傳輸 5) 支持總線主控方式83Pentium

19、 II處理器Pentium II處理器CPU總線82443BX（北橋）主存支持SDRAM 66/100MHz2AGP總線圖形設(shè)備82371EB（PIIX4E）（南橋）ISA插槽 2個IDE接口2個USB接口I/OAPICPCI總線PCI插槽 系統(tǒng)BIOSISA總線84鍵盤鼠標串行口并行口處理器8XX系列存儲控制中心中心高速接口I/O控制中心固件中心PCI槽PCI總線IDE驅(qū)動器USB端口AC97編碼Super I/OLPC I/FAGP圖形控制器主存儲器處理器CPU總線LAN連接852.機械規(guī)范5V 32位插槽5V 64位插槽3.3V 32位插槽3.3V 64位插槽連接卡口a. 4種PCI卡插

20、槽A1外內(nèi)A49A52B1B49B52A62B621.273.8277.48b. 5V32位PCI插槽863.信號定義871、系統(tǒng)接口信號 CLK IN：PCI系統(tǒng)總線時鐘 最高33MHz/66MHz，最低0Hz。 PCI大部分信號在CLK的上升沿有效。2、地址與數(shù)據(jù)接口信號 AD31:00 T/S：它們是地址、數(shù)據(jù)多路復用的輸入/輸出信號 在FRAME#有效的第1個時鐘，傳送的是地址，稱為地址期。 在IRDY#和TRDY#同時有效時，傳送的是數(shù)據(jù)，稱為數(shù)據(jù)期。88 C/BE3:0# T/S：它們是總線命令和字節(jié)使能多路復用信號線 地址期內(nèi)表示總線命令，數(shù)據(jù)期內(nèi)表示字節(jié)使能信號。 PAR T/

21、S：針對AD31:00和C/BE3:0#進行奇偶校驗的校驗位 3、接口控制信號 FRAME# S/T/S：幀周期信號 FRAME#信號無效表示傳輸進入最后一個數(shù)據(jù)期。 IRDY# S/T/S：主設(shè)備準備好信號 TRDY# S/T/S：從設(shè)備準備好信號 89 STOP# S/T/S：從設(shè)備發(fā)出的要求主設(shè)備終止當前的數(shù)據(jù)傳送的信號。 LOCK# S/T/S：鎖定信號 IDSEL IN：初始化設(shè)備選擇信號 DEVSEL# S/T/S：設(shè)備選擇信號 4、仲裁接口信號 REQ# T/S：總線占用請求信號 GNT# T/S：總線占用允許信號 905、錯誤報告接口信號 PERR# S/T/S：數(shù)據(jù)奇偶校驗錯

22、誤報告信號 SERR# O/D：系統(tǒng)錯誤報告信號 6、中斷接口信號 PCI有4條中斷線，分別是INTA#、INTB#、INTC#、INTD# 917、64位總線擴展信號 AD63:32 T/S：擴展的32位地址和數(shù)據(jù)多路復用 線 C/BE7:4# T/S：總線命令和字節(jié)使能多路復用擴展信號線 REQ64# S/T/S，64位傳輸請求信號 ACK64# S/T/S：64位傳輸允許信號 PAR64 T/S：奇偶雙字節(jié)校驗 92PCI總線操作 1.總線命令C/BE3:0#命令類型說明C/BE3:0#命令類型說明0000中斷響應(yīng)1000保留0001特殊周期(廣播)1001保留0010I/O讀(從I/O

23、端口地址中讀數(shù)據(jù))1010配置讀0011I/O寫(向I/O端口地址中寫數(shù)據(jù))1011配置寫0100保留1100存儲器多行讀0101保留1101雙地址周期(傳64位地址)0110存儲器讀(從內(nèi)存空間映像中讀數(shù))1110Cache讀0111存儲器寫(向內(nèi)存空間映像中寫)1111Cache寫并無效932.總線交易CLKFRAME#IRDY#TRDY#DEVSEL#12345678FASTMEDSLOW設(shè)備選擇 所有從設(shè)備共用PCI總線的DEVSEL#信號。 從設(shè)備設(shè)置了DEVSEL#信號，傳輸完成前不能撤消它。94CLKFRAME#123456789ADC/BE#IRDY#TRDY#DEVSEL#A

24、DDRESSDATA1DATA2DATA3BUSCMDBE#s地址期數(shù)據(jù)期數(shù)據(jù)期數(shù)據(jù)期總線上的讀/寫操作 95PCI總線應(yīng)用舉例 1.數(shù)據(jù)采集4通道同步30MSs模擬量輸入卡1 MSs 16-bit, 16-ch High-resolution Multifunction Card962.模擬信號發(fā)生器12位，4路增強模擬量輸出卡14-bit 12-ch Analog Output PCI Card with Digital IO973.自動控制電壓型伺服電機卡 4軸經(jīng)濟型步進電機運動控制卡 984.數(shù)字通信4口RS-232 通用 PCI 聰明型多串口卡2端口RS-422/485 PCI通信卡 含浪涌保護功能994口USB通用 PCI卡普通單口網(wǎng)卡無線網(wǎng)卡100雙路光纖通信101PCI轉(zhuǎn)IDE板1025.專用