微機(jī)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(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于擴(kuò)充網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度快，便于廣播式工作設(shè)備量少，價(jià)格低廉缺點(diǎn)：節(jié)點(diǎn)多時(shí)，網(wǎng)絡(luò)性能下降任何節(jié)點(diǎn)故障可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)失效 總線型網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)缺點(diǎn)51.概念總線：構(gòu)成系統(tǒng)的互聯(lián)機(jī)構(gòu)，是多個(gè)功能部件之 間進(jìn)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(yùn)算器寄存器控制器CPU存儲(chǔ)芯片I/O芯片主板擴(kuò)展接

2、口板擴(kuò)展接口板微機(jī)系統(tǒng)其 他 微 機(jī)系 統(tǒng)其 他 儀 器系 統(tǒng)微機(jī)系統(tǒng)的四級(jí)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(shí)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(shí)序信號(hào)控制總線傳送操作。2）異步總線：不采用統(tǒng)一時(shí)鐘周期劃分，根據(jù)傳送的 實(shí)際需要決定總線周期長(zhǎng)短，以異步應(yīng)答方式控制總線傳送操作。 3）擴(kuò)展同步總線：以時(shí)鐘周期為時(shí)序基礎(chǔ)，允許總線周期中的時(shí)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(biāo)（1）數(shù)據(jù)傳輸率（2）負(fù)載能力（3）仲裁方式（4）信號(hào)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(hào)線信號(hào)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(fù)雜度1516（3）電氣特性：定義每一根線上信號(hào)的傳遞方向、有效電平范圍及阻抗特性。1）總線輸出信號(hào)的電平形式2）總線信號(hào)的傳輸方向幾種門輸出的各自特點(diǎn)173) 電路輸出端連接時(shí)的注意事項(xiàng)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(shí)刻只能有一個(gè)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(fù)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(cè)上規(guī)定的最大值。18 功耗?。篊MOS門工作時(shí)，總是一管導(dǎo)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(qiáng)：MOS管是多數(shù)載流子工作，射線輻 射對(duì)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(dòng)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(shí)應(yīng)注意靜電屏蔽，焊接時(shí)電烙鐵 應(yīng)接地良好。4) CMOS集成電路特點(diǎn)197) 扇出系數(shù) 灌電流負(fù)載5) 噪聲容限6) 電平轉(zhuǎn)換 拉電流負(fù)載8) 傳輸速度20（4）時(shí)間特性：定義了每根線在什么時(shí)間有效，即規(guī)定了總線上各信號(hào)有效的時(shí)序關(guān)系。216. 操作過程總線請(qǐng)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(qǐng)，由總線仲裁器確 定把總線分配給哪個(gè)請(qǐng)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(chǔ)器或I/O端口)地址信息以及有關(guān)命令，啟動(dòng)從模塊；數(shù)據(jù)傳送(Data Transfer)階段 主從模塊進(jìn)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(biāo)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?zhǔn)讲樵?也稱作“菊花鏈”式結(jié)構(gòu)232 計(jì)數(shù)器定時(shí)243 獨(dú)立請(qǐng)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(shí)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(hào)總線傳輸速度可根據(jù)設(shè)備的響應(yīng)速度自動(dòng)調(diào)整適應(yīng)能力強(qiáng)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(dá)到與異步總線相同的功能29PC系統(tǒng)總線發(fā)展9.微機(jī)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(jì)算

8、機(jī)結(jié)構(gòu) 31PC/AT ISA總線的微機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 32EISA總線的微機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)33PCI總線的微機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)34AGP總線的微機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)35Pentium 4 微處理器微機(jī)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(jìn)制位用一條數(shù)字信號(hào)線，一位一位地順序傳送的通信方式。（2）串行通信的優(yōu)勢(shì)：通信的線路少，因而在遠(yuǎn)距離通信時(shí)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(shí)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(jì)算機(jī)外設(shè) 1 2 3 4 5 6 7 8同步時(shí)鐘高位先送1位 數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)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(hào)的傳輸速率，它用單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)亩M(jìn)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(hào)對(duì)載波的調(diào)制速率，它用單位時(shí)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(fù)責(zé)USB標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)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(jìn)行通信。這些外圍器件可以是簡(jiǎn)單的TTL移位寄存器、復(fù)雜的 LCD顯示驅(qū)動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)外圍器件直接連接。在多主機(jī)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(kuò)展從設(shè)備數(shù)量的方法52四個(gè)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(shí)鐘線SCL； 每個(gè)連接到

12、總線的器件都具有唯一的地址； 它是一個(gè)真正的多主機(jī)總線； 具有三種串行雙向數(shù)據(jù)傳輸模式：標(biāo)準(zhǔn)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(shí)際的IC相對(duì)應(yīng)，設(shè)計(jì)可以快速從結(jié)構(gòu)圖向最后的原理圖推進(jìn)； 不需要設(shè)計(jì)總線接口,因?yàn)镮2C 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(jì)人員受益56 在系統(tǒng)中增加或刪除IC 不會(huì)

13、影響總線的其他電路； 故障診斷和調(diào)試都很簡(jiǎn)單故障可被立即尋跡； 通過匯編一個(gè)可再使用的軟件模塊庫，能夠減少軟件開發(fā)時(shí)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(jiǎn)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(jī)功能允許通過外部連接到生產(chǎn)線快速測(cè)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(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(yàn)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(gè)字符（812位） 第n1 個(gè)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(hào)功能說明縮寫針號(hào)功能說明縮寫1數(shù)據(jù)載波檢測(cè)DCD8數(shù)據(jù)載波檢測(cè)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(zhǔn)備DTR20數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備DTR5信號(hào)地GND7信號(hào)地GND6數(shù)據(jù)設(shè)備準(zhǔn)備好DSR6數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好DSR7請(qǐng)求發(fā)送RTS4請(qǐng)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(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)連接 全雙工最簡(jiǎn)系統(tǒng)連接 72機(jī)械特性電氣特性（4）RS-232C的機(jī)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(biāo)準(zhǔn))15M9600bps1.2公里9600bps1.2公里9600bps最大距離(Moxa 實(shí)驗(yàn)室測(cè)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式 1.4KM 9600bps 1.1KM 38400bp* DE-211, AWG28 直通電纜, 多站方式，32節(jié)點(diǎn)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(diǎn)：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(dòng)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(cè)假啟動(dòng)位。自動(dòng)檢測(cè)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(cuò)檢測(cè)具有奇偶、溢出和幀錯(cuò)誤等檢測(cè)電

18、路。與8088/8086CPU完全兼容（5） 8251A簡(jiǎn)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(fù)位操作輸出第一個(gè)同步字符 輸出模式字輸出第二個(gè)同步字符雙同步？ 輸出命令字 收/發(fā)數(shù)據(jù)傳遞完？ 復(fù) 位？同步方式 ？是是是是否否否8251A工作流程簡(jiǎn)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(diǎn)6) 采用同步操作 7) 支持兩種電壓下的擴(kuò)展卡 8) 具有即插即用功能 9) 可靠性高10) 預(yù)留擴(kuò)展空間 獨(dú)立于處理器2) 傳輸效率高3) 壽命長(zhǎng)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(gè)IDE接口2個(gè)USB接口I/OAPICPCI總線PCI插槽 系統(tǒng)BIOSISA總線84鍵盤鼠標(biāo)串行口并行口處理器8XX系列存儲(chǔ)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(dòng)器USB端口AC97編碼Super I/OLPC I/FAGP圖形控制器主存儲(chǔ)器處理器CPU總線LAN連接852.機(jī)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(hào)定義871、系統(tǒng)接口信號(hào) CLK IN：PCI系統(tǒng)總線時(shí)鐘 最高33MHz/66MHz，最低0Hz。 PCI大部分信號(hào)在CLK的上升沿有效。2、地址與數(shù)據(jù)接口信號(hào) AD31:00 T/S：它們是地址、數(shù)據(jù)多路復(fù)用的輸入/輸出信號(hào) 在FRAME#有效的第1個(gè)時(shí)鐘，傳送的是地址，稱為地址期。 在IRDY#和TRDY#同時(shí)有效時(shí)，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(fù)用信號(hào)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(hào)。 PAR T/

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

22、誤報(bào)告信號(hào) SERR# O/D：系統(tǒng)錯(cuò)誤報(bào)告信號(hào) 6、中斷接口信號(hào) PCI有4條中斷線，分別是INTA#、INTB#、INTC#、INTD# 917、64位總線擴(kuò)展信號(hào) AD63:32 T/S：擴(kuò)展的32位地址和數(shù)據(jù)多路復(fù)用 線 C/BE7:4# T/S：總線命令和字節(jié)使能多路復(fù)用擴(kuò)展信號(hào)線 REQ64# S/T/S，64位傳輸請(qǐng)求信號(hào) ACK64# S/T/S：64位傳輸允許信號(hào) PAR64 T/S：奇偶雙字節(jié)校驗(yàn) 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(chǔ)器多行讀0101保留1101雙地址周期(傳64位地址)0110存儲(chǔ)器讀(從內(nèi)存空間映像中讀數(shù))1110Cache讀0111存儲(chǔ)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(hào)。 從設(shè)備設(shè)置了DEVSEL#信號(hào)，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(hào)發(fā)生器12位，4路增強(qiáng)模擬量輸出卡14-bit 12-ch Analog Output PCI Card with Digital IO973.自動(dòng)控制電壓型伺服電機(jī)卡 4軸經(jīng)濟(jì)型步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)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(hù)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