嵌入式系統(tǒng)原理與應用 課件 第4章 總線與接口

嵌入式系統(tǒng)原理與設計第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準常用接口標準/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備與設備之間傳送信息的一組公用信號線，是系統(tǒng)在主控器(模塊或設備)的控制下，將發(fā)送器(模塊或設備)發(fā)出的信息準確地傳送給某個接收器(模塊或設備)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)（指令也可以認為是一種數(shù)據(jù)）在主存單元或I/O設備的地址。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刻占有總線使用權，需依靠控制總線來完成?？偩€基本概念3.總線的性能指標（1）總線位寬總線位寬指的是總線上能同時傳送的二進制數(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鐘信號頻率。（3）總線帶寬總線帶寬指的是單位時間內(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.總線結構單總線結構使用單一的總線來連接CPU、主存和I/O設備總線基本概念4.總線結構多總線結構中，包括CPU總線、系統(tǒng)總線、高速總線、擴充總線。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傳輸周期的總線使用權（2）尋址階段。取得使用權的模塊通過總線發(fā)出本次要訪問的從模塊的地址及有關命令（3）傳數(shù)階段。主模塊和從模塊進行數(shù)據(jù)交換（4）結束階段。主模塊總線上撤除，讓出總線使用權?？偩€仲裁1.集中式總線仲裁（1）鏈式查詢控制總線中有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I/O接口送到下一個I/O接口。離總線仲裁部件最近的設備具有最高的優(yōu)先級?？偩€仲裁1.集中式總線仲裁（2）計數(shù)器定時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，總線仲裁的計數(shù)器計數(shù)，并通過設備地址線，向各設備發(fā)出計數(shù)值。當某個請求占用總線的設備的設備地址與計數(shù)值一致時，獲得總線使用權，建立總線忙BS信號?？偩€仲裁1.集中式總線仲裁（3）獨立請求方式每一臺設備均有一對總線請求線Bri和總線同意線Bgi

。當設備要求使用總線時，便發(fā)出該設備的請求信號。總線控制部件中有一排隊電路，可根據(jù)優(yōu)先次序確定響應哪一臺設備的請求?？偩€仲裁2.分布式仲裁分布式仲裁中，每個主控設備都有自己的仲裁號和仲裁器。當需要總線請求時，把它們唯一的仲裁號發(fā)送到共享的仲裁總線上。每個仲裁器將仲裁總線上得到的號與自己的號進行比較。如果仲裁總線上的號大，則它的總線請求不予響應，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?，分布式仲裁是以優(yōu)先級仲裁策略為基礎，分布式仲裁下仲裁號愈大優(yōu)先級愈高。總線仲裁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個仲裁號。競爭線默認為邏輯“1”，仲裁線的邏輯為“線或”總線仲裁2.分布式仲裁【例4-1】假定設備1和設備2同時要求使用總線，它們的仲裁號分別為00000101和00001010，解釋兩個設備的分布式仲裁過程。兩個設備的CN7~CN4經(jīng)過如圖4-5的邏輯后，AB7~AB4均為1。設備1的CN3為0，設備2的CN3為1，經(jīng)過仲裁后AB3為0。此時設備1中AB3對應的或門電路的輸入為CN3=0和AB3=0，所以對應的競爭線W3輸出為0。根據(jù)電路邏輯，設備1的后續(xù)仲裁結果均為1，與仲裁號CN無關。而設備2的CN3為1，其對應的競爭線W3輸出為仍為1，后續(xù)的仲裁結果與CN有關。以此類推，最后仲裁線得到的結果為11110101，取反后即為設備2的仲裁號00001010，所以設備2獲得總線的使用權。總線握手1.同步通信時序必須由總線控制部件發(fā)出的時鐘信號對它們進行同步同步式數(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，當主模塊發(fā)出請求信號時，一直等待從模塊反饋回來“確認”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)過一段時間，確認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，所有的地址、命令、數(shù)據(jù)信號的發(fā)出時間，都嚴格參照系統(tǒng)時鐘的某個前沿開始，而接收方都采用系統(tǒng)時鐘后沿時刻來進行判斷識別；同時又像異步通信那樣，允許不同速度的模塊和諧地工作。/03常用總線標準AMBA總線高級微控制器總線架構（AMBA）包括高級高性能總線(AHB)和高級外設總線（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）總線設備工作與

CPU相對獨立（3）即插即用（4）支持多主控設備（5）錯誤檢測及報告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總線充分利用先進的點到點互連、基于交換的技術、基于包的協(xié)議PCI-E與PCI總線保持良好的繼承性PCI-E總線充分利用先進的點到點互連，降低了系統(tǒng)硬件平臺設計的復雜性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）