[精选]chap4微机总线技术与总线标准.pptx

第第4章章 总线技术与总线标准总线技术与总线标准6学时学时1第第4章章 总线技术与总线标准总线技术与总线标准4.1 总线技术总线技术掌握掌握 总线技术概述总线技术概述总线仲裁总线仲裁总线操作与时序总线操作与时序4.2 总线标准总线标准理解理解 片内片内AMBA总线总线PCI系统总线系统总线异步串行通信总线异步串行通信总线24.1 总线技术n总线是计算机系统中的信息传输通道，由系统中总线是计算机系统中的信息传输通道，由系统中各个部件所共享各个部件所共享。总线的特点在于公用性，总线的特点在于公用性，总线总线由多条通信线路线缆组成由多条通信线路线缆组成n计算机系统通常包含不同种类的总线，在不同层计算机系统通常包含不同种类的总线，在不同层次上为计算机组件之间提供通信通路次上为计算机组件之间提供通信通路n采用总线的原因采用总线的原因:u非总线结构的非总线结构的N个设备的互联线组数为个设备的互联线组数为N*N-1/2u非总线结构的非总线结构的M发发N收设备间的互联线组数为收设备间的互联线组数为M*Nn采用总线的优势采用总线的优势u减少部件间连线的数量减少部件间连线的数量u扩展性好，便于构建系统扩展性好，便于构建系统u便于产品更新换代便于产品更新换代3总线要素总线要素n线路介质线路介质u种类：种类：有线电缆、光缆、无线电磁波有线电缆、光缆、无线电磁波u特性特性 原始数据传输率原始数据传输率 带宽带宽 对噪声的敏感性：对噪声的敏感性：内部或外部干扰内部或外部干扰 对失真的敏感性：对失真的敏感性：信号和传输介质之间的互相作用引起信号和传输介质之间的互相作用引起 对衰减的敏感性：对衰减的敏感性：信号通过传输介质时的功率损耗信号通过传输介质时的功率损耗n总线协议总线协议总线信号：总线信号：有效电平、传输方向有效电平、传输方向/速率速率/格式等格式等电气性能电气性能机械性能机械性能总线时序：总线时序：规定通信双方的联络方式规定通信双方的联络方式总线仲裁：总线仲裁：规定解决总线冲突的方式规定解决总线冲突的方式 如接口尺寸、形状等如接口尺寸、形状等其它：其它：如过失控制等如过失控制等4总线协议组件总线协议组件5总线分类总线分类按所处位置按所处位置数据传送范数据传送范围围片内总线片内总线芯片总线芯片总线片间总线、元件级总线片间总线、元件级总线系统内总线系统内总线插板级总线插板级总线系统外总线系统外总线通信总线通信总线非通用总线非通用总线与具体芯与具体芯片有关片有关通用标准总线通用标准总线地址总线地址总线控制总线控制总线按总线功能按总线功能数据总线数据总线并行总线并行总线串行总线串行总线按数据格式按数据格式按时序关系按时序关系握手方式握手方式同步同步异步异步半同步半同步同步同步异步异步6外部总线、外部总线、系统系统外总线外总线如并口、串口如并口、串口系统总线、系统总线、系统系统内总线内总线如如ISAISA、PCIPCI片片间间总线总线三总线形式三总线形式片内总线片内总线单总线形式单总线形式计算机系统的四层总线结构运算器运算器寄存器寄存器控控制制器器CPU存储存储芯片芯片I/O芯片芯片主板主板扩展扩展接口板接口板扩展扩展接口板接口板计算机系统计算机系统其其 他他 计算机计算机系系 统统其其 他他仪仪 器器系系 统统7总线的组织形式总线的组织形式n组织形式：单总线、双总线，多级总线组织形式：单总线、双总线，多级总线n单总线单总线u特征：存储器和特征：存储器和I/O分时使用同一总线分时使用同一总线u优点：结构简单，成本低廉，易于扩充优点：结构简单，成本低廉，易于扩充u缺点：带宽有限，传输率不高可能造成物理缺点：带宽有限，传输率不高可能造成物理长度过长长度过长8双总线双总线n特征：存储总线特征：存储总线+I/O总线总线n优点：提高了总线带宽和数据传输速率，克服优点：提高了总线带宽和数据传输速率，克服单总线共享的限制，以及存储单总线共享的限制，以及存储/IO访问速度不访问速度不一致而对总线的要求也不同的矛盾一致而对总线的要求也不同的矛盾n缺点：缺点：CPU繁忙繁忙9多级总线多级总线n特征：高速外设和低速外设分开使用不同的总线特征：高速外设和低速外设分开使用不同的总线n优点：高效，进一步提高系统的传输带宽和数据优点：高效，进一步提高系统的传输带宽和数据传输速率传输速率n缺点：复杂缺点：复杂10微机的典型多级总线结构微机的典型多级总线结构存储存储总线总线高速高速IO总线总线低速低速IO总线总线1112微机系统中的内总线插板级总线13微机系统中的外总线通信总线14总线分类总线分类按所处位置按所处位置数据传送范数据传送范围围片内总线片内总线芯片总线芯片总线片间总线、元件级总线片间总线、元件级总线系统内总线系统内总线插板级总线插板级总线系统外总线系统外总线通信总线通信总线非通用总线非通用总线与具体芯与具体芯片有关片有关通用标准总线通用标准总线地址总线地址总线控制总线控制总线按总线功能按总线功能数据总线数据总线并行总线并行总线串行总线串行总线按数据格式按数据格式按时序关系按时序关系握手方式握手方式同步同步异步异步半同步半同步同步同步异步异步15三总线MPURAMROMI/O接口接口外设外设ABDBCB哈佛体系结构哈佛体系结构DSP程序程序数据数据I/O接口接口外设外设程序地址程序地址数据读地址数据读地址数据写地址数据写地址程序读总线程序读总线数据读总线数据读总线程序程序/数据写数据写数据数据程序程序冯冯诺依曼诺依曼体系结构体系结构16典型的控制信号典型的控制信号n总线的控制信号总线的控制信号u存储器写信号存储器写信号u存储器读信号存储器读信号uI/O写信号写信号uI/O读信号读信号u总线请求信号总线请求信号u总线授予信号总线授予信号u中断请求信号中断请求信号u中断应答信号中断应答信号u时钟信号时钟信号u复位信号复位信号17总线隔离与驱动总线隔离与驱动n不操作时把功能部件与总线隔离不操作时把功能部件与总线隔离u同一时刻只能有一个部件发送数据到总线上同一时刻只能有一个部件发送数据到总线上n提供驱动能力提供驱动能力u数据发送方必须提供足够的电流以驱动多个部数据发送方必须提供足够的电流以驱动多个部件件n提供锁存能力提供锁存能力u具有信息缓存和信息别离能力具有信息缓存和信息别离能力18总线电路中常用器件总线电路中常用器件n三态总线驱动器三态总线驱动器u驱动、隔离驱动、隔离u单向、双向单向、双向A A0 0B B0 082868286OEOET TA A1 1A A2 2A A3 3A A5 5A A4 4A A6 6A A7 7B B1 1B B2 2B B3 3B B5 5B B4 4B B6 6B B7 719锁存器锁存器n信息缓存有时也具有驱动能力信息缓存有时也具有驱动能力n信息别离地址与数据别离信息别离地址与数据别离STBSTBDI0DI0DI1DI1直通直通直通直通保持保持保持保持高阻高阻高阻高阻DO0DO0DO1DO1DODO0 0DODO1 1DODO2 2DODO3 3DODO4 4DODO5 5DODO6 6DODO7 7STBSTBV VCCCC828282821 12 23 34 45 56 67 78 89 910102020191918181717161615151414131312121111DIDI1 1DIDI2 2DIDI3 3DIDI4 4DIDI5 5DIDI6 6DIDI7 7OEOEGNDGNDDIDI0 0OEOE20微机系统的三总线结构微机系统的三总线结构21最最小小模模式式总总线线连连接接22 M/IO高高M低低IOCLKT1T2T3T4A150ALEA19A16/S6S3S6 S3A19A16AD15AD0 A15 0D15 0CPU读存储器读存储器/IO的时序图的时序图RDDT/RDEN23微机系统三总线微机系统三总线地地5V读写读写控制控制读写读写控制控制读写读写控制控制CSH奇地址存奇地址存储体储体8284时钟时钟发生器发生器RESETREADYCBD7 D0D15 D8DBCSL偶地址存偶地址存储体储体CSI/O接口接口ABA0A1 A19BHE STB OE8282锁存器锁存器CPUMN/MX INTA RD CLK WRREADY M/IORESETALEBHE A19-A16 AD15-AD0DEN DT/R TOE 8286 收发器收发器AD15AD024单单CPU系统系统8086读操作读操作总线周期时序总线周期时序25单单CPU系统系统8086写操作写操作总线周期时序总线周期时序26比比较较读读/写写区区别别27总线的性能指标总线的性能指标 n总线时钟频率：总线上的时钟信号频率总线时钟频率：总线上的时钟信号频率n总线宽度：数据线、地址线宽度总线宽度：数据线、地址线宽度n总线速率：总线每秒所能传输数据的最大次数。总线速率：总线每秒所能传输数据的最大次数。u总线速率总线速率=总线时钟频率总线时钟频率/总线周期数总线周期数u总线周期数：总线传送一次数据所需的时钟周期数总线周期数：总线传送一次数据所需的时钟周期数有些几个周期才能传输有些几个周期才能传输1 1个数据个数据n总线带宽：总线每秒传输的字节数总线带宽：总线每秒传输的字节数n同步方式同步方式n总线负载能力总线负载能力28总线宽度总线宽度n总线宽度：笼统地说，就是总线所设置的总线宽度：笼统地说，就是总线所设置的通信线路线缆的数目。具体地说，就通信线路线缆的数目。具体地说，就是总线内设置用于传送数据的信号线的数是总线内设置用于传送数据的信号线的数目为数据总线宽度，用于传输地址的信号目为数据总线宽度，用于传输地址的信号线的数目为地址总线宽度，如线的数目为地址总线宽度，如8位、位、16位、位、32位、位、64位等位等n数据总线宽度在很大程度上决定了计算机数据总线宽度在很大程度上决定了计算机总线的性能总线的性能n地址总线的宽度则决定了系统的寻址能力地址总线的宽度则决定了系统的寻址能力29总线带宽总线带宽n总线带宽总线带宽 bus band width 表示单位时间表示单位时间内总线能传送的最大数据量内总线能传送的最大数据量bps/Bpsn用用“总线速率总线速率总线位宽总线位宽/8=时钟频率时钟频率总线总线位宽位宽/8总线周期数总线周期数表示表示u总线位宽：总线位宽：数据信号线的数目，同一时刻传数据信号线的数目，同一时刻传输的数据位数输的数据位数总线复用；成本、串扰；总线复用；成本、串扰；u时钟频率时钟频率总线偏离总线偏离skewskew、兼容性、兼容性30例例nCPU的前端总线的前端总线FSB频率为频率为400MHz或或800MHz，总线周期数为，总线周期数为1/4即即1个时钟周个时钟周期传送期传送4次数据次数据，位宽为，位宽为64bitu则则FSB的带宽为的带宽为40064/81/4=1.28GB/su或或80064/81/4=2.56GB/snPCI总线的频率为总线的频率为33.3MHz，位宽为，位宽为32位或位或64位，总线周期数为位，总线周期数为1u则则PCI总线的带宽为：总线的带宽为：33.332/8=133MB/su或或33.364/8=266MB/s314.1.2 总线仲裁总线仲裁n总线仲裁总线仲裁 arbitration 也称为总线判决，根据连接到总线也称为总线判决，根据连接到总线上的各功能模块所承担任务的轻重缓急，预先或动态地赋上的各功能模块所承担任务的轻重缓急，预先或动态地赋予它们不同的使用总线的优先级，当有多个模块同时请求予它们不同的使用总线的优先级，当有多个模块同时请求使用总线时，总线仲裁电路选出当前优先级最高的那个，使用总线时，总线仲裁电路选出当前优先级最高的那个，并赋予总线控制权并赋予总线控制权n其目的是合理地控制和管理系统中多个主设备的总线请求，其目的是合理地控制和管理系统中多个主设备的总线请求，以防止总线冲突以防止总线冲突n分布式分布式 对等式对等式 仲裁仲裁u控制逻辑分散在连接于总线上的各个部件或设备中控制逻辑分散在连接于总线上的各个部件或设备中u协议复杂且昂贵，效率高协议复杂且昂贵，效率高n集中式集中式主从式主从式仲裁仲裁u采用专门的控制器或仲裁器采用专门的控制器或仲裁器u总线控制器或仲裁器可以是独立的模块或集成在总线控制器或仲裁器可以是独立的模块或集成在CPU中中u协议简单而有效，但总体系统性能较低协议简单而有效，但总体系统性能较低32特点：各主控模块共用请求信号线和忙信号线，其优特点：各主控模块共用请求信号线和忙信号线，其优先级先级别别由其在链式允许信号线上的位置决定；由其在链式允许信号线上的位置决定；优点：具有较好的灵活性和可扩充性；优点：具有较好的灵活性和可扩充性；缺点：主控模块数目较多时，总线请求响应的速度较慢；缺点：主控模块数目较多时，总线请求响应的速度较慢；菊花链串行总线仲裁菊花链串行总线仲裁主控主控模块模块1主控主控 模块模块2主控模主控模块块N允许允许BG请求请求BR忙忙BB总线仲裁器总线仲裁器33三线菊花链三线菊花链仲裁原理仲裁原理n任一主控器任一主控器Ci发出总线请求时，使发出总线请求时，使BR1n任一主控器任一主控器Ci占用总线，使占用总线，使BB1，禁止，禁止BG输出输出n主控器主控器Ci没发请求没发请求BRi=0，却收到，却收到BGBGINil，则将，则将BG向后传递向后传递BGOUTiln当当BR1，BB0时，仲裁器发出时，仲裁器发出BG信号。此时，信号。此时，BG1，如果仲裁器本身也是一个主控器，如微处，如果仲裁器本身也是一个主控器，如微处理器，则在发出理器，则在发出BG之前之前BB0时，它可以占用一个时，它可以占用一个或几个总线周期或几个总线周期n假设假设Ci同时满足同时满足：本地请求：本地请求BRi=1；BB=0；检检测到测到BGINi端出现了上升沿。端出现了上升沿。接管总线接管总线。nCi接管总线后接管总线后，BG信号不再后传，即信号不再后传，即BGOUTi0 34各主控器有独立的各主控器有独立的各主控器有独立的各主控器有独立的总线请求总线请求BRBR、总线允许总线允许BGBG，互不影响，互不影响，互不影响，互不影响总线仲裁器直接识别所有设备的请求，并向选中的设备总线仲裁器直接识别所有设备的请求，并向选中的设备总线仲裁器直接识别所有设备的请求，并向选中的设备总线仲裁器直接识别所有设备的请求，并向选中的设备CiCi发发发发BGiBGi特点：各主控模块有独立的请求信号线和允许信号线，其优先特点：各主控模块有独立的请求信号线和允许信号线，其优先级别由总线仲裁器内部模块判定；级别由总线仲裁器内部模块判定；优点：总线请求响应的速度快；优点：总线请求响应的速度快；缺点：扩充性较差；缺点：扩充性较差；并行仲裁并行仲裁总线仲裁器总线仲裁器C1C2Cn总线总线BR1BG1BR2BG2BRnBGnBBBCLK（总线时钟）（总线时钟）35串并行二维仲裁串并行二维仲裁从下一设备主模块主模块1主模块主模块2主模块主模块3允许允许BG请求请求BR忙忙BB总线仲裁器总线仲裁器主模块主模块4到下一设备综合了前两种仲裁方式的优点和缺点综合了前两种仲裁方式的优点和缺点36分布式总线仲裁方式分布式总线仲裁方式n总线上各个设备都有总线仲裁模块总线上各个设备都有总线仲裁模块n当任何一个设备申请总线，置当任何一个设备申请总线，置“总线忙状态，总线忙状态，以阻止其他设备同时请求以阻止其他设备同时请求IN OUT主设备1IN OUT主设备2IN OUT主设备3IN OUT主设备4IN OUT主设备5总线请求总线忙+5V仲裁线总线374.1.3 总线操作与时序总线操作与时序n总线操作：计算机系统中，通过总线进行信息交总线操作：计算机系统中，通过总线进行信息交换的过程称为总线操作换的过程称为总线操作n总线周期：总线设备完成一次完整信息交换的时总线周期：总线设备完成一次完整信息交换的时间间u读读/写存储器周期写存储器周期u读读/写写IO口周期口周期uDMA周期周期u中断周期中断周期n多主控制器系统，总线操作周期一般分为四个阶多主控制器系统，总线操作周期一般分为四个阶段段u总线请求及仲裁阶段、寻址阶段、传数阶段和结束阶总线请求及仲裁阶段、寻址阶段、传数阶段和结束阶段段n单个主控制器系统，则只需要寻址和传数两个阶单个主控制器系统，则只需要寻址和传数两个阶段段38总线主控制器的作用总线主控制器的作用n总线系统的资源分配与管理总线系统的资源分配与管理n提供总线定时信号脉冲提供总线定时信号脉冲n负责总线使用权的仲裁负责总线使用权的仲裁n不同总线协议的转换和不同总线间数据传不同总线协议的转换和不同总线间数据传输的缓冲输的缓冲39总线时序总线时序n总线时序是指总线事件的协调方式，以实总线时序是指总线事件的协调方式，以实现可靠的寻址和数据传送现可靠的寻址和数据传送n总线时序类型总线时序类型u同步：所有设备都采用一个统一的时钟信号来同步：所有设备都采用一个统一的时钟信号来协调收发双方的定时关系协调收发双方的定时关系u异步：依靠传送双方互相制约的握手异步：依靠传送双方互相制约的握手 handshake 信号来实现定时控制信号来实现定时控制u半同步：具有同步总线的高速度和异步总线的半同步：具有同步总线的高速度和异步总线的适应性适应性40同步并行总线时序同步并行总线时序n特点特点u系统使用同一时钟信号控制各模块完成数据传输系统使用同一时钟信号控制各模块完成数据传输u一般一次读写操作可在一个时钟周期内完成，时钟前、一般一次读写操作可在一个时钟周期内完成，时钟前、后沿分别指明总线操作周期的开始和结束后沿分别指明总线操作周期的开始和结束u地址、数据及读地址、数据及读/写等控制信号可在时钟沿处改变写等控制信号可在时钟沿处改变n优点：优点：电路设计简单，总线带宽大，数据传输速电路设计简单，总线带宽大，数据传输速率快率快n缺点：缺点：时钟以最慢速设备为准，高速设备性能将时钟以最慢速设备为准，高速设备性能将受到影响受到影响同步时钟地址信号数据信号控制信号延时延时41异步并行总线时序异步并行总线时序n特点：系统中可以没有统一的时钟源，模块之间特点：系统中可以没有统一的时钟源，模块之间依靠各种联络握手信号进行通信，以确定下依靠各种联络握手信号进行通信，以确定下一步的动作一步的动作n优点：全互锁方式可靠性高，适应性强优点：全互锁方式可靠性高，适应性强n缺点：控制复杂，交互的联络过程会影响系统工缺点：控制复杂，交互的联络过程会影响系统工作速度作速度地址信号地址信号数据信号数据信号主设备主设备联络信号联络信号从设备从设备联络信号联络信号 准备好接收准备好接收M发送地址信号发送地址信号已收到数据已收到数据M撤销地址信号撤销地址信号完成一次传送完成一次传送S撤销数据信号撤销数据信号已送出数据已送出数据S发送数据信号发送数据信号42半同步并行总线时序半同步并行总线时序n特点：同时使用主模块的特点：同时使用主模块的时钟信号和从模块的和从模块的联络信号n优点：优点：兼有同步总线的速度和异步总线的可靠性与适应性兼有同步总线的速度和异步总线的可靠性与适应性nReady信号可作信号可作为慢速设为慢速设备的异步备的异步联络信号联络信号nCLK信号信号作为快速作为快速设备的同设备的同步时钟信步时钟信号号434.2 总线标准总线标准n总线标准包括：总线标准包括：u逻辑标准：逻辑信号电平逻辑标准：逻辑信号电平u时序标准时序标准u电气标准电气标准u机械标准机械标准u通信协议通信协议444.2.1 SoC的片内总线的片内总线n片上总线特点片上总线特点u简单高效简单高效结构简单：占用较少的逻辑单元结构简单：占用较少的逻辑单元时序简单：提供较高的速度时序简单：提供较高的速度接口简单：降低接口简单：降低IP核连接的复杂性核连接的复杂性u灵活，具有可复用性灵活，具有可复用性地址地址/数据宽度可变、互联结构可变、仲裁机制可变数据宽度可变、互联结构可变、仲裁机制可变u功耗低功耗低信号尽量不变、单向信号线功耗低、时序简单信号尽量不变、单向信号线功耗低、时序简单n片内总线标准片内总线标准uARM的的AMBA、IBM的的CoreConnectuSilicore的的Wishbone、Altera的的Avalon45ARM的的AMBA:Advanced Microcontroller Bus Architecturen先进高性能总线先进高性能总线AHB Advanced High-performance Busu适用于高性能和高吞吐设备之间的连接，如适用于高性能和高吞吐设备之间的连接，如CPU、片上片上存储器、存储器、DMA设备、设备、DSP等等n先进系统总线先进系统总线ASBAdvanced System Busu适用于高性能系统模块。与适用于高性能系统模块。与AHB的主要不同是读写数据的主要不同是读写数据采用了一条双向数据总线采用了一条双向数据总线n先进外设总线先进外设总线APBAdvanced Peripheral Busu适用于低功耗外部设备，经优化减少了功耗和接口复杂适用于低功耗外部设备，经优化减少了功耗和接口复杂度度u适合较复杂的应用，需要遵守较简单的操作协议；拥有适合较复杂的应用，需要遵守较简单的操作协议；拥有众多的第三方支持众多的第三方支持46AMBA总线总线47AMBA2.0总线结构图总线结构图高性能高性能ARM核核高性能片上高性能片上RAM高性能高性能DMAC核核高带宽片外存储器高带宽片外存储器接口接口桥桥键盘键盘UARTTimerPIOAHB or ASBAPB48IBM CoreConnectn处理器局部总线处理器局部总线PLBProcessor Local Busu高带宽、低延迟、高性能高带宽、低延迟、高性能u连接高速连接高速CPU核、高速核、高速MEM控制器、高速控制器、高速DMAC等高性等高性能设备能设备n片内的外设总线片内的外设总线OPBOn-chip Peripheral Busu连接低性能设备，减少其对连接低性能设备，减少其对PLB的性能影响的性能影响u通过通过OPB桥实现桥实现PLB主设备和主设备和OPB从设备的数据传输从设备的数据传输n设备控制存放器总线设备控制存放器总线DCRDevice Control Registeru用于配置用于配置PLB设备和设备和OPB设备的状态存放器和控制存放设备的状态存放器和控制存放器器u减轻减轻PLB总线在低性能状态下的负荷总线在低性能状态下的负荷n方案完整，但一般用于高性能系统设计中如工方案完整，但一般用于高性能系统设计中如工作站，不太适合简单的嵌入式系统应用作站，不太适合简单的嵌入式系统应用49CoreConnect总线结构框图总线结构框图Embedded System高性能高性能CPU核核高速高速存储器存储器仲裁仲裁DMAC核核外部总线结构外部总线结构接口接口OPB 桥桥KeyboardUARTTimerPIOPLBOPBDCR50Silicore的的Wishbonen定义了一条高速总线的信号和总线周期。定义了一条高速总线的信号和总线周期。在复杂系统中可采用两条在复杂系统中可采用两条Wishbone总线分总线分别连接高速和低速设备，两条总线之间的别连接高速和低速设备，两条总线之间的接口简单接口简单n提供了提供了4种互连方式：两个种互连方式：两个IP核的点到点连核的点到点连接；多个串行接；多个串行IP核的数据流连接；多个核的数据流连接；多个IP核核的共享总线连接、高吞吐量的交叉开关的共享总线连接、高吞吐量的交叉开关n完全免费，开发性强；结构简单、互连灵完全免费，开发性强；结构简单、互连灵活；通常应用于简单的嵌入式控制器和一活；通常应用于简单的嵌入式控制器和一些高速系统中，但对高性能系统的支持不些高速系统中，但对高性能系统的支持不够够51Altera的的Avalonn主要用于主要用于Altera公司的公司的NIOS软核系统中实现软核系统中实现SOPCn规定了主设备和从设备之间进行连接的端规定了主设备和从设备之间进行连接的端口和通信时序，配置简单，可由口和通信时序，配置简单，可由EDA工具工具SOPC Builder快速生成快速生成n采用从设备仲裁技术，允许多个主设备真采用从设备仲裁技术，允许多个主设备真正同步操作，优化了数据流，提高了系正同步操作，优化了数据流，提高了系统统的吞吐量的吞吐量52Avalon的交换式总线结构的交换式总线结构53AMBA总线 nAMBA总线标准是由准是由ARM公司推出的一种用于高性能嵌入公司推出的一种用于高性能嵌入式微式微处理器理器设计的片上的片上总线标准，由于准，由于AMBA总线的开放的开放性和其本身的高性能，以及由于性和其本身的高性能，以及由于ARM处理器的广泛理器的广泛应用，用，AMBA已成已成为SOC设计中使用最广泛的中使用最广泛的总线标准。准。n目前目前AMBA 总线标准的版本准的版本为3.0，它定，它定义了三了三组不同的不同的总线：AMBA高性能高性能总线AHB，AMBA高性能系高性能系统总线ASB和和AMBA 高性能外高性能外设总线APB。nAHB作作为高性能的系高性能的系统中枢中枢总线驱动速度速度较快的快的设备，支，支持突持突发模式的数据模式的数据传送和事送和事务分隔，并支持流水分隔，并支持流水线操作。操作。nAPB则是作是作为传送速度送速度较低的外低的外围设备总线，驱动速度速度较慢的慢的设备。54ARM处 理理器核器核宽带片上片上RAMDMA控控 制制器器宽带外部外部RAM接口接口桥UART PIO定定 时器器键盘控控制器制器AHB或或ASB总线APB总线AHB的特性的特性：单个个时钟边沿操作；沿操作；非三非三态的的实现方式；方式；支持突支持突发传输；支持分段支持分段传输；支持多个主控制器最多支持多个主控制器最多16个模个模块；可配置可配置32位位128位位总线宽度；度；支持字支持字节、半字和字的、半字和字的传输。典型的典型的AMBA构架构架55AHB总线的接口信号的接口信号 nAHB 系系统由主模由主模块 Master、从模、从模块 Slave 和基和基础结构构 Infrastructure 3局部局部组成，整个成，整个AHB总线上的上的传输都是都是由主模由主模块发出，由从模出，由从模块负责回回应。基。基础结构构则由仲由仲裁器裁器 arbiter、主模、主模块到从模到从模块的多路器、从模的多路器、从模块到主到主模模块的多路器的多路器 、译码器、虚器、虚拟从模从模块、虚、虚拟主模主模块等等组成。成。AHB总线的接口信号的接口信号 时钟信号信号仲裁信号仲裁信号地址信号地址信号控制信号控制信号写数据写数据读数据数据响响应信号信号 除了除了时钟与仲裁信号之外，其余的信号皆通与仲裁信号之外，其余的信号皆通过多路器多路器传送。送。56AHB总线的互的互连 57AHB总线主模主模块接口接口 58 AHB总线从模从模块接口接口 59AHB总线仲裁器接口仲裁器接口 60AHB基本基本传输 n在在AHB总线上，一次完整的上，一次完整的传输可以分成两个可以分成两个阶段：地段：地址址传送送阶段与数据段与数据传送送阶段。地址段。地址传送送阶段段传送的是送的是地址与控制信号，地址与控制信号，这个个阶段只持段只持续一个一个时钟周期，在周期，在HCLK 的上升沿数据有效，所有的从模的上升沿数据有效，所有的从模块都在都在这个上升个上升沿采沿采样地址信息。地址信息。n数据数据传送送阶段段传送的是送的是读或写的数据和响或写的数据和响应信号，信号，这一一阶段可以持段可以持续一个或几个一个或几个时钟周期。当数据周期。当数据传送无送无法在一个法在一个时钟周期完成周期完成时，可以通，可以通过HREADY 信号来延信号来延长数据数据传送周期，送周期，HREADY信号信号为低低电平平时，表示，表示传输尚未尚未结束，于是就在数据束，于是就在数据传送送阶段中参加等待周期，段中参加等待周期，直到直到HREADY信号信号为高高电平平为止。止。61AHB基本基本传输过程程 62AHB总线流水流水线操操 63APB总线 APB从从单元的接口信号元的接口信号 APB主要主要用于低用于低带宽的周的周边外外设之之间的的连接接 在在APB里面唯一的主模里面唯一的主模块就是与就是与AHB总线相接的相接的APB 桥。64APB传输 nAPB上的状上的状态图 65 APB写写传输时序序图 66APB读传输时序序图 67APB桥 选择信信号号系系统总线从模从模块接口接口APB桥是在是在AMBA APB上唯一的上唯一的总线主模主模块。另外，另外，APB桥也是在更也是在更高高层次系次系统总线上的一上的一个从模个从模块。桥单元把系元把系统总线传输转化化为APB总线传输。68APB桥的的传输过程程 69n锁存存地地址址并并在在整整个个传输过程程中中保保持持其其有有效效，直直到数据到数据传送完成。送完成。n地地址址译码并并且且生生成成一一个个外外部部选择信信号号PSELx，在一次在一次传输期期间只有一个只有一个选择信号有效信号有效.n写写传送送时驱动数据到数据到APB总线上。上。n读传时驱动APB数据到系数据到系统总线上。上。n为传送触送触发使能信号使能信号PENABLE，使其有效。，使其有效。APB桥的功能桥的功能70总线设计要素总线设计要素n信号线类型信号线类型u专用信号线专用信号线u复用信号线复用信号线n总线仲裁方法总线仲裁方法u集中仲裁集中仲裁u分布仲裁分布仲裁n总线定时方法总线定时方法u同步同步u异步异步n总线宽度总线宽度u地址总线宽度地址总线宽度u数据总线宽度数据总线宽度n数据传输类型数据传输类型u读读/写写/读读-修改修改-写写/写后读写后读/块传输联系传输块传输联系传输714.2.2 PCI总线总线nPeripheral ponent Interconnect，外部设备，外部设备互连总线，在互连总线，在CPU与外设之间提供了一条独与外设之间提供了一条独立的数据通道，使得每种设备都能直接与立的数据通道，使得每种设备都能直接与CPU联系，支持即插即用联系，支持即插即用nPCI总线信号总线信号u必备的必备的PCI总线信号包括地址信号、数据信号、总线信号包括地址信号、数据信号、接口控制信号、错误报告信号、仲裁信号和系接口控制信号、错误报告信号、仲裁信号和系统信号统信号u可选的可选的PCI总线信号包括总线信号包括64位总线扩展信号、接位总线扩展信号、接口控制信号、中断信号、口控制信号、中断信号、Cache支持信号和边界支持信号和边界扫描信号扫描信号72PCI总线架构总线架构nPCI总线是多层次总线总线是多层次总线73PCI总线插座示意图总线插座示意图n根据电源电压和位数不同分为根据电源电压和位数不同分为4种种n长插槽长插槽188针，短插槽针，短插槽124针针74PCI插槽实物照片插槽实物照片75PCI总线信号总线信号76必备的必备的PCI总线信号总线信号n地址和数据信号地址和数据信号uAD31:0，双向三态，双向三态uC/BE3:0，双向三态，低有效，双向三态，低有效uPAR，奇偶校验信号，双向三态，奇偶校验信号，双向三态n接口控制信号接口控制信号uFRAME，帧周期信号，低电平有效，帧周期信号，低电平有效uIRDY，主设备准备好信号，低电平有效，主设备准备好信号，低电平有效uTRDY，从设备准备好信号，低电平有效，从设备准备好信号，低电平有效uSTOP，从设备要求主设备停止当前数据传输，低电平，从设备要求主设备停止当前数据传输，低电平有效有效uIDSEL，初始化设备选择，输入，初始化设备选择，输入uDEVSEL，设备选择信号，低电平有效，设备选择信号，低电平有效77必备的必备的PCI总线信号续总线信号续n错误报告信号错误报告信号uPERR，报告数据奇偶检验错，低电平有效，报告数据奇偶检验错，低电平有效uSERR，系统出错信号，低电平有效，系统出错信号，低电平有效n仲裁信号仲裁信号uREQ，总线占用请求信号，双向三态，低有效，总线占用请求信号，双向三态，低有效uGNT，总线占用允许信号，双向单台，低有效，总线占用允许信号，双向单台，低有效n系统信号系统信号uCLK：时钟，输入：时钟，输入uRST，复位，输入，复位，输入78可选的可选的PCI总线信号总线信号n64位总线扩展信号位总线扩展信号uAD64:32，双向三态，双向三态uC/BE7:4，双向三态，低电平有效，双向三态，低电平有效uREQ64，64传输请求，低电平有效传输请求，低电平有效uACK64，表示从设备将用，表示从设备将用64位传输，低电平有效位传输，低电平有效uPAR64，奇偶双字节校验，双向三态，低电平有效，奇偶双字节校验，双向三态，低电平有效n接口控制信号接口控制信号uLOCK，锁定信号，低电平有效，锁定信号，低电平有效n中断信号中断信号uINTA/INTB/INTC/INTD，中断信号，低电平有效，漏极，中断信号，低电平有效，漏极开路开路79可选的可选的PCI总线信号续总线信号续nCache支持信号支持信号uSBO，试探返回信号，低电平有效，输入或输出，试探返回信号，低电平有效，输入或输出uSDONE，表示命中一个缓冲行，输入或输出。有效时，表示命中一个缓冲行，输入或输出。有效时，说明探测完成，无效时，说明探测结果仍未确定说明探测完成，无效时，说明探测结果仍未确定n边界扫描信号边界扫描信号uTDI，数据输入，数据输入uTDO，数据输出，数据输出uTCK，时钟，时钟uTMS，模式选择，模式选择uTRST，复位，复位80PCI总线命令表总线命令表C/BE3:2命令类型说明0000中断应答中断识别0001特殊周期0000I/O读从I/O口地址中读数据0011I/O写向I/O口地址空间写数据0100保存0101保存0110存储器读从内存空间映像中读数据0111存储器写从内存空间映像中写数据1000保存1001保存1010配置读1011配置写1100存储器多行读1101双地址周期1110存储器读一行1111存储器写并无效m1这个也是多了冒号这个也是多了冒号81PCI总线读时序总线读时序n突发读时序，可连续多字节操作突发读时序，可连续多字节操作824.2.3 异步串行通信总线异步串行通信总线n串行总线上的信息则按位传输，通常只需串行总线上的信息则按位传输，通常只需1根或根或2根数据线，根数据线，没有地址总线、控制总线没有地址总线、控制总线n采用差分信号采用差分信号differential signal传输技术传输技术n具有低功耗、低误码率、低串扰和低辐射等优点具有低功耗、低误码率、低串扰和低辐射等优点n高速串行总线的三大特征高速串行总线的三大特征u差分信号传输差分信号传输u以数据包形式传送信息以数据包形式传送信息地址、数据、命令地址、数据、命令u点对点通信点对点通信n串行通信的通信方式、距离、速率、过失控制、传输方式串行通信的通信方式、距离、速率、过失控制、传输方式 口口 RS-232RS-232、RS-RS-485485串行通信接口串行通信接口USBUSB接口接口SPI/QSPISPI/QSPI串行扩展接口串行扩展接口I I2 2C CMicrowireMicrowire83总线共享技术总线共享技术n数据压缩技术n多级编码技术n各种调制解调技术 时分复用时分复用频分复用频分复用84串行数据的通信方式串行数据的通信方式n单工单工n半双工半双工n双工双工n多工多工85串行通信传输距离串行通信传输距离n串行数据在基带传送方式下指信号按原串行数据在基带传送方式下指信号按原样传输，通常只能传输几十米至几百米，样传输，通常只能传输几十米至几百米，并且传输速率越大，传输距离越短并且传输速率越大，传输距离越短n调制解调方法包括频移键控调制解调方法包括频移键控FSK、幅移键控、幅移键控ASK、相移键控、相移键控PSK等方式等方式串串行行接接口口MODEMMODEM计计算算机机串串行行接接口口计计算算机机串串行行接接口口86串行通信传输速率串行通信传输速率n比特率比特率bps：系统单位时间内传送有系统单位时间内传送有效二进制数据的位数效二进制数据的位数n波特率：波特率：