嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用 課件 第4章 總線與接口

嵌入式系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)第4章總線與接口第4章01020304總線基本概念總線操作常用總線標(biāo)準(zhǔn)常用接口標(biāo)準(zhǔn)/01總線基本概念總線基本概念1.總線定義總線是在模塊與模塊之間或者設(shè)備與設(shè)備之間傳送信息的一組公用信號線，是系統(tǒng)在主控器(模塊或設(shè)備)的控制下，將發(fā)送器(模塊或設(shè)備)發(fā)出的信息準(zhǔn)確地傳送給某個(gè)接收器(模塊或設(shè)備)的信號通路?？偩€基本概念2.總線分類（1）按數(shù)據(jù)的傳輸方式分類按數(shù)據(jù)的傳輸方式可以將總線分為并行總線和串行總線兩類。并行總線指數(shù)據(jù)位在多條數(shù)據(jù)線上并行傳輸，數(shù)據(jù)線的數(shù)量等于數(shù)據(jù)的寬度。在并行總線中，按傳輸數(shù)據(jù)寬度分為8位、16位、32位、64位等傳輸總線。總線基本概念2.總線分類（2）按總線傳輸信息性質(zhì)分類數(shù)據(jù)總線上傳輸?shù)氖歉鞴δ懿考g的數(shù)據(jù)信息，一般為雙向傳輸總線，數(shù)據(jù)總線的寬度一般等于機(jī)器字長，常為8位、16位或32位。地址總線用來傳輸數(shù)據(jù)（指令也可以認(rèn)為是一種數(shù)據(jù)）在主存單元或I/O設(shè)備的地址。地址總線是單向總線，一般由CPU輸出?？刂瓶偩€發(fā)出各種控制信號。由于數(shù)據(jù)總線、地址總線都是被掛在總線上的所有部件共享的，如何使各部件能在不同時(shí)刻占有總線使用權(quán)，需依靠控制總線來完成?？偩€基本概念3.總線的性能指標(biāo)（1）總線位寬總線位寬指的是總線上能同時(shí)傳送的二進(jìn)制數(shù)據(jù)位數(shù)。常說的32位總線、64位總線指的就是總線位寬。（2）總線工作頻率總線工作頻率指的是用于控制總線操作周期的時(shí)鐘信號頻率。（3）總線帶寬總線帶寬指的是單位時(shí)間內(nèi)總線上可傳送的數(shù)據(jù)量，又稱最大傳輸率，一般以Bps為單位，即每秒可以傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)?？偩€帶寬=總線工作頻率×總線位寬/8總線基本概念4.總線結(jié)構(gòu)單總線結(jié)構(gòu)使用單一的總線來連接CPU、主存和I/O設(shè)備總線基本概念4.總線結(jié)構(gòu)多總線結(jié)構(gòu)中，包括CPU總線、系統(tǒng)總線、高速總線、擴(kuò)充總線。由于各種總線的速度不一致，因此需要一種稱為“橋”的部件實(shí)現(xiàn)多種總線的互聯(lián)互通。/02總線操作總線操作階段（1）申請分配階段。由需要使用總線的模塊提出申請，由總線仲裁模塊決定將下一個(gè)傳輸周期的總線使用權(quán)（2）尋址階段。取得使用權(quán)的模塊通過總線發(fā)出本次要訪問的從模塊的地址及有關(guān)命令（3）傳數(shù)階段。主模塊和從模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換（4）結(jié)束階段。主模塊總線上撤除，讓出總線使用權(quán)?？偩€仲裁1.集中式總線仲裁（1）鏈?zhǔn)讲樵兛刂瓶偩€中有3根線用于總線控制（BS-總線忙、BR-總線請求、BG-總線同意），其中總線同意信號BG是串行地從一個(gè)I/O接口送到下一個(gè)I/O接口。離總線仲裁部件最近的設(shè)備具有最高的優(yōu)先級?？偩€仲裁1.集中式總線仲裁（2）計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢總線仲裁部件接到由BR送來的總線請求信號后，在總線未被使用（BS=0）時(shí)，總線仲裁的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，并通過設(shè)備地址線，向各設(shè)備發(fā)出計(jì)數(shù)值。當(dāng)某個(gè)請求占用總線的設(shè)備的設(shè)備地址與計(jì)數(shù)值一致時(shí)，獲得總線使用權(quán)，建立總線忙BS信號?？偩€仲裁1.集中式總線仲裁（3）獨(dú)立請求方式每一臺設(shè)備均有一對總線請求線Bri和總線同意線Bgi

。當(dāng)設(shè)備要求使用總線時(shí)，便發(fā)出該設(shè)備的請求信號?？偩€控制部件中有一排隊(duì)電路，可根據(jù)優(yōu)先次序確定響應(yīng)哪一臺設(shè)備的請求?？偩€仲裁2.分布式仲裁分布式仲裁中，每個(gè)主控設(shè)備都有自己的仲裁號和仲裁器。當(dāng)需要總線請求時(shí)，把它們唯一的仲裁號發(fā)送到共享的仲裁總線上。每個(gè)仲裁器將仲裁總線上得到的號與自己的號進(jìn)行比較。如果仲裁總線上的號大，則它的總線請求不予響應(yīng)，并撤銷它的仲裁號。最后，獲勝者的仲裁號保留在仲裁總線上?？梢姡植际街俨檬且詢?yōu)先級仲裁策略為基礎(chǔ)，分布式仲裁下仲裁號愈大優(yōu)先級愈高?？偩€仲裁2.分布式仲裁假定仲裁總線由8根仲裁線組成，則可以分配28個(gè)仲裁號。競爭線默認(rèn)為邏輯“1”，仲裁線的邏輯為“線或”總線仲裁2.分布式仲裁【例4-1】假定設(shè)備1和設(shè)備2同時(shí)要求使用總線，它們的仲裁號分別為00000101和00001010，解釋兩個(gè)設(shè)備的分布式仲裁過程。兩個(gè)設(shè)備的CN7~CN4經(jīng)過如圖4-5的邏輯后，AB7~AB4均為1。設(shè)備1的CN3為0，設(shè)備2的CN3為1，經(jīng)過仲裁后AB3為0。此時(shí)設(shè)備1中AB3對應(yīng)的或門電路的輸入為CN3=0和AB3=0，所以對應(yīng)的競爭線W3輸出為0。根據(jù)電路邏輯，設(shè)備1的后續(xù)仲裁結(jié)果均為1，與仲裁號CN無關(guān)。而設(shè)備2的CN3為1，其對應(yīng)的競爭線W3輸出為仍為1，后續(xù)的仲裁結(jié)果與CN有關(guān)。以此類推，最后仲裁線得到的結(jié)果為11110101，取反后即為設(shè)備2的仲裁號00001010，所以設(shè)備2獲得總線的使用權(quán)。總線握手1.同步通信時(shí)序必須由總線控制部件發(fā)出的時(shí)鐘信號對它們進(jìn)行同步同步式數(shù)據(jù)輸入傳輸同步式數(shù)據(jù)輸出傳輸總線握手2.異步通信異步通信允許各模塊速度的不一致性，當(dāng)主模塊發(fā)出請求信號時(shí)，一直等待從模塊反饋回來“確認(rèn)”信號后，才開始通信?？偩€握手2.異步通信（1）不互鎖方式主模塊發(fā)出請求信號后，不必等待接到從模塊的回答信號，而是經(jīng)過一段時(shí)間，確認(rèn)從模塊已收到請求信號后，便撤銷其請求信號；（2）半互鎖方式主模塊發(fā)出請求信號，必須等待接到從模塊的回答信號后再撤銷其請求信號，有互鎖關(guān)系；（3）全互鎖方式主模塊發(fā)出請求信號，必須待從模塊回答后再撤銷其請求信號；從模塊發(fā)出回答信號，必須待獲知主模塊請求信號已撤銷后，再撤銷其回答信號。雙方存在互鎖關(guān)系，故稱為全互鎖方式?？偩€握手3.半同步通信半同步通信既保留了同步通信的基本特點(diǎn)，所有的地址、命令、數(shù)據(jù)信號的發(fā)出時(shí)間，都嚴(yán)格參照系統(tǒng)時(shí)鐘的某個(gè)前沿開始，而接收方都采用系統(tǒng)時(shí)鐘后沿時(shí)刻來進(jìn)行判斷識別；同時(shí)又像異步通信那樣，允許不同速度的模塊和諧地工作。/03常用總線標(biāo)準(zhǔn)AMBA總線高級微控制器總線架構(gòu)（AMBA）包括高級高性能總線(AHB)和高級外設(shè)總線（APB）AHB用于高性能系統(tǒng)模塊的連接，可以有效地連接處理器、片上和片外存儲器，支持流水線操作APB用于較低性能外設(shè)的簡單連接，一般是通過橋和AHB相連，是接在系統(tǒng)總線上的第二級總線PCI總線（1）高性能（2）總線設(shè)備工作與

CPU相對獨(dú)立（3）即插即用（4）支持多主控設(shè)備（5）錯(cuò)誤檢測及報(bào)告PCI-E總線PCI-E是串行總線PCI-E總線支持雙向傳輸和數(shù)據(jù)分通道傳輸PCI-E總線充分利用先進(jìn)的點(diǎn)到點(diǎn)互連、基于交換的技術(shù)、基于包的協(xié)議PCI-E與PCI總線保持良好的繼承性PCI-E總線充分利用先進(jìn)的點(diǎn)到點(diǎn)互連，降低了系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計(jì)的復(fù)雜性USB總線通用串行總線USB（UniversalSerialBus）是目前電腦端不可或缺的接口總線（1）傳輸速率高（2）