第五章_总线技术

1、1第五章 总线技术2第五章 总线 总线的基本概念总线的基本概念 5 5.1.1 系统总线的结构系统总线的结构 5 5.2.2 总线信息的传送方式总线信息的传送方式5 5.3.3 总线仲裁和定时总线仲裁和定时 5 5.4.4 实用总线标准实用总线标准 5 5.5.535.1 总线的基本概念 总线指通过分时共享的方式，将信息以一个或多个源部件传送到一个或多个目的部件的一组传输线。是计算机中传输数据的公共通道。 分时和共享是总线的两个基本特性。 共享是指多个部件连接在同一条总线上，各个部件之间都可以通过这条总线来进行信息的交换。 分时是指同一时刻，总线上只能传输一个部一个部件件发送出来的信息。 45

2、.1 总线的基本概念 总线的特性总线的特性一一 总线的分类总线的分类二二 总线的性能指标总线的性能指标 三三5一、总线的特性电气特性电气特性指总线上每一根传输线的信号传递方向和有效电平范围。机械特性机械特性指总线在机械连接方式上的一些特性。功能特性功能特性指总线中每一根传输线的功能。 时间特性时间特性指总线的每一根传输线在什么时间内有效，以及每一根线产生的信号之间时序关系。时间特性一般可以用信号的时序图来表示。只有严格按照总线特性设计的部件或外设接口，才能保证系统的可靠传输和运行。6二、总线的分类 按连接部件分类 CPU内部总线：即内总线，是CPU内部各部件之间的信息传送线。 系统总线：指连接

3、CPU与主存或I/O接口之间的信息传送线，它是连接整机系统的基础。 通信总线：主要是用于计算机系统之间或计算机与外部设备之间的通信。 按数据传送方式分类 并行总线采用多根数据线同时传送一个字节或一个字的所有位。 串行总线采用一根数据线一位一位地传送数据。 7二、总线的分类 按总线的通信定时方式分类 同步总线：指互联的部件或设备均通过统一的时钟进行同步，即所有的互联的部件或设备都必须使用同一个时钟（同步时钟），在规定的时钟节拍内进行规定的总线操作，来完成部件或设备之间的信息交换。 异步总线：指没有统一的时钟而依靠各部件或设备内部定时操作，所有部件或设备是以信号握手的方式进行，即发送设备和接收设备

4、互用请求（request）和确认（acknowledgement）信号来协调动作，总线操作时序不是固定的。因此，异步总线能兼容多种不同的设备，而且不必担心时钟变形或同步问题使得总线长度不受限制。例如，火线协议（Firewire 或IEEE1394）和USB2.0协议都是异步总线协议。 8三、总线的性能指标 总线宽度：即数据总线宽度，指一次总线操作中通过总线传送的数据位数，一般有8、16、32和64位。总线周期：指一次总线操作所用的时间。总线频率：总线的工作频率，单位是MHZ。工作频率越高，总线工作速度越快，总线带宽越宽。总线带宽（标准传输率）：指单位时间内总线上可传送的数据量，用每秒多少兆字节

5、（MB/S）表示。总线带宽=总线宽度/8总线工作频率 MB/s信号线类型：指信号线是专用还是分时复用。将地址线和数据线单独设置可使写操作的性能更高，因为地址和数据可在同时传送出去。而采用分时复用可使总线利用率更高。仲裁方法：指集中式裁决还是分布式裁决。定时方式：指同步方式还是异步方式。95.2 系统总线的结构 根据连接方式的不同，单机系统中采用的总线结构有3种基本类型：单总线结构、双总线结构和多总线结构。10双总线结构11三总线结构12四总线结构135.3 总线信息的传送方式 并行传送 并行传送：指每一位数据需要1根传输线，多位数据同时传送。并行传送的优点是传送速度快。但该传送方式要求线数多，

6、成本高，一般在近距离时采用并行传送。系统总线上传送的信息必须采用并行传送方式 。 并行传送的速度指标为最大数据传输率（MB/S），例如，时钟频率为33MHZ的PCI总线的最大数据传输率为132MB/S（32位）164MB/S(64位)。145.3 总线信息的传送方式 串行传送 采用按位进行传送，发送用一根数据线，接收用一根数据线，适合于远距离传输。 发送方:并串转换，接收方:串并转换； 串行传送的速度指标为每秒钟传送的二进制位数（波特率）。 串行传送方式有异步方式和同步方式两种。15串行传送方式 异步方式：以一个字符为一个传送单位即一帧。一帧信息通常以1个起始位（低电平表示）和开始；接着是58

7、位数据位，数据位从低位到高位顺序传送；然后可以有（或没有）一个校验位；最后是12个停止位（高电平）来作为一帧的结束。 同步方式：将若干个字符作为1个传送单位或1个数据块进行传送，在数据块的开始和结束处用1个或几个同步字符做标志，而数据块中的各个字符不再有起始、停止附加位。 同步方式比异步方式速度快，但它要求由时时钟钟来实现发送端和接收端的同步，并且接口的硬件较复杂。165.3 总线信息的传送方式 分时传送分时传送有两种含义。一种是：指采用总线复用，即在传输线上既传送地址信息，又传送数据信息，这样可以减少总线的线数，为此，必须划分时间片，使得同一总线上在不同的时间片中完成传送地址和传送数据的任务

8、。二种是：指共享总线的部件分时使用总线。因为，总线是系统的公共资源，可以有很多部件挂在总线上，但在一个时间片内，总线只为一对互相交换信息的源设备和目的设备提供服务。所以，如果有多个设备要求使用总线时，要由总线控制器按时间片来分时提供服务。175.4 总线仲裁和定时 一、总线仲裁一、总线仲裁 总线仲裁和定时总线仲裁和定时二、总线的定二、总线的定时时 18一、总线仲裁总线上可以挂很多设备，但任一时刻都只能由一个设备控制和使用总线，此设备称为主设备。当多个设备同时提出使用总线的请求时，必须由总线控制器按事先规定的原则进行仲裁，确定使用总线的先后次序，从而决定由哪一个设备控制总线，称为总线仲裁。除CP

9、U外，I/O设备也可以提出总线请求。在对多个主设备提出的占用总线请求，一般采用优先级或公平策略进行仲裁。根据总线仲裁电路的位置不同，总线仲裁方式可分为： 集中式仲裁方式集中式仲裁方式 1 分布式仲裁分布式仲裁 2191、集中式仲裁方式 将总线访问的控制逻辑做在一个控制器中，通过将所有总线请求集中起来，采用一个特定的仲裁算法来进行仲裁。 该总线控制器可能是处理器中的部件，也可能是一个独立的控制单元。系统中每个设备至少有两条控制线连接到总线控制器上 一条是送往总线控制器的总线请求信号BR； 另一条是总线控制器送出的总线授权信号BG； （可能）还有一条送往总线控制器的总线忙信号BS。 常用的集中式总

10、线仲裁方式重要有链式查询方式、计数器定时查询方式和独立请求方式。20链式查询方式 优点：只用很少几根线就能实现按一定优先级的总线仲裁，并且链式结构很容易扩充设备。 缺点：对查询链的电路故障很敏感，如果第i个设备接口中有关链的电路出现故障，则该设备后的设备都不能工作。 查询链的优先级是固定不变的，假如优先级高的设备出现繁忙的总线请求，则优先级低的设备可能长期得不到总线的使用权。21计数器定时查询方式 为总线上的每个设备分配一个总线地址，各设备的总线地址按连续值分配，并且在总线控制器中设置一个计数器，若设备数为N，计数器的位数n应满足。总线请求信号BR和总线忙信号BS与链式查询方式同样地与控制器连

11、接。 计算器定时查询方式的优先级设置较为灵活，但它需要增加额外的计数线。 22独立请求方式 优点：响应速度快，即确定优先响应的设备所花费的时间少，不需要一个设备接一个设备地查询；而且，对优先级的控制非常灵活，总线控制器可以根据一定的仲裁算法给各请求线以固定的优先级；也可以通过编程设置动态优先级；另外还可以用屏蔽（禁止）某个请求线的办法，不响应无效设备的请求。由于独立请求方式的这些优点，因此现代总线标准普遍采用独立请求方式。232、分布式仲裁 分布式仲裁方式没有独立的总线控制器，总线上每个主设备都有自己的总线仲裁逻辑。每次总线仲裁都由各个设备的总线仲裁逻辑根据一定的仲裁算法来决定自己是否占用总线

12、。 常用的分布式仲裁方式分为： 自举分布式仲裁 冲突检测分布式仲裁 并行竞争分布式仲裁24自举分布式仲裁 自举分布式仲裁方式中，每个设备有一根自己的总线请求线，每个需要总线请求的设备在各自的总线请求线上发出请求信号，同时接收其他设备的总线请求信号； 如果没有接收到优先级比自己高的设备的总线请求信号，且此时“总线忙”信号无效，则该设备可以立即使用总线，并发出“总线忙”信号以阻止其他设备使用总线。 如果一个设备在发出总线请求信号时，同时也检测到其他优先级更高的设备也请求使用总线，则该设备放弃本次对总线的请求。 “总线忙”信号是多个设备共享的一根信号。 自举分布式仲裁方式的缺点是：需要较多的连线，每

13、个设备不仅要有发出总线请求的线，还要有接收其他设备的总线请求线。25冲突检测分布式仲裁方式 主要用于网络通信总线。 每个设备都可以独立地请求总线，当某个设备要使用总线时，它首先检测是否有其他设备正在使用总线，如果没有，则置总线忙，然后使用总线； 如果多个设备同时检测到总线不忙而造成同时使用总线时会产生冲突，这时检测到冲突，并按照某种策略在冲突的各方选择一个设备获得总线控制权。不同的系统可以有不同的冲突解决策略，例如，以太网中，在同时访问总线的情景发生时，设备便检测到“冲突”，采用的策略是冲突的几个设备都停止传送，经过一段随机延迟时间，再重新向抢占总线，直到抢占总线发送数据成功为止。这样冲突就解

14、决了，这也就是以太网的不确定性特征，是一种不可预测的仲裁方案。 26并行竞争仲裁方式 每个主设备都有自己的仲裁号和控制器，当某个设备有总线请求时，把它的仲裁号发送到共享的仲裁线上，每个设备的控制器将仲裁线上接收到的号与自己的仲裁号进行比较，如果比自己的仲裁号大，则在仲裁线上撤销自己的仲裁号。最后，竞争获胜者的仲裁号被保留在仲裁线上。显然，这种方案中仲裁号越大，优先级越高。 并行竞争分布式仲裁比自举分布式仲裁所需的的连接线要少，因为，并行竞争分布式仲裁中，对于n根仲裁线可以表示个优先级。例如，在并行竞争分布式仲裁中，具有8根仲裁线共可以表示256个优先级，仲裁号为255的设备优先级最高，仲裁号为

15、0的设备优先级最低。而在自举分布式仲裁中，请求线是8根，只能表示8个优先级，也即只有对8个设备进行仲裁。27二、总线的定时总线的一次信息传送过程，大致可分为五个阶段： 请求总线阶段； 总线仲裁阶段； 寻址阶段； 信息传送阶段； 结束阶段。为了同步主方、从方的操作，必须制订定时协议。定时：是指事件出现在总线上的时序关系。 数据传送过程中采用两种定时方式： 同步定时 异步定时28同步定时 在同步定时中，总线上有一根设备公用的时钟信号线，每个信号出现在总线上的时刻由总线时钟信号来确定。 同步定时传输频率较高。 适用于总线长度较短、各功能模块存取时间比较接近的情况。当各功能模块存取时间相差很大时，会大

16、大损失总线效率。 29异步定时 建立在应答式或互锁机制基础上。不需要统一的公共时钟信号。总线周期的长度是可变的。 异步定时的优点是：允许快速和慢速的功能模块都能连接到同一总线上。异步定时传送的可靠性高。 缺点：增加了总线的复杂性和成本为代价。 305.5 实用总线标准 ISA ISA总线总线 一一二二 PCI Express PCI Express总线总线 三三 PCI PCI总线总线 四四 RS-232C/RS-485 RS-232C/RS-485接口总线接口总线 五五 USB USB接口总线接口总线 六六七七 IEEE1394 IEEE1394接口总线接口总线 SPISPI/ /I I2

17、2C C接口总线接口总线 31一、ISA总线 ISA总线也叫AT总线。286、386和486微机大多采用ISA总线。其主要特点如下：主存寻址空间为16MB,I/O寻址空间为64KB；可进行8位或16位数据访问；支持15级硬件中断、7级DMA通道。支持8种总线事务类型：存储器读、存储器写、I/O读、I/O写、中断响应、DMA响应、存储器刷新、总线仲裁。采用独立时钟，频率为8MHZ，最大数据传输率为16Mb/s；信号线共98根它是一种简单的多主控总线。除了CPU外，DMA控制器、DRAM刷新控制器和带处理器的智能接口卡等都可以成为总线的主设备。32二、PCI总线 PCI（Peripheral Co

18、mponent Interconnect，外部设备互连）总线是一种由Intel公司提出的局部总线标准，用来连接高速外设接口，如硬盘控制器、高速网卡和图形显示卡等。 PCI设备可以是主设备，也可以是从设备。挂接在PCI总线上的设备能与CPU并发工作。PCI桥使得PCI总线独立于CPU，并且提供了数据缓冲功能。 33二、PCI总线 34二、PCI总线 PCI总线的主要性能： 总线频率为33.33/66.66MHz，与CPU时钟频率无关。 数据线宽度为32/64位，数据最大传输率为132533Mb/s；地址线宽度为32/64位。 采用同步传送方式和集中式仲裁策略，并具有自动配置能力。 地址线和数据线

19、分时复用，支持无限猝发无限猝发式数据传输式数据传输。在该模式下，PCI能在极短的时间内发送大量的数据。 PCI总线支持即插即用技术，当配置PCI适配器时，配置带有即插即用功能的BIOS，即可由软件自动识别插卡。35三、PCI Express总线 PCI Express和PCI不同的是实现了传输方式从并行到串行的转变。PCI Express是采用点对点的串行连接方式，这个和以前的并行通道大为不同，它允许和每个设备建立独立的数据传输通道。不用再向整个系统请求带宽，这样也就轻松地到达了高带宽要求。 PCI Express PCI Express总线的结构总线的结构 1 PCI Express PCI

20、 Express总线的主要特点总线的主要特点 2361、PCI Express总线的结构 PCI Express系统中的主要组件包括： 根复合体（Root Complex）：将CPU和主存储器连到PCI Express线路结构（Fabric）的设备。根复合体内部有一条虚拟PCI总线，总线号总是为0，可以下挂一个多个PCI Express端口，每个端口连出一条PCI Express链路，下挂一个端点设备或一个交换开关。根复合体能代表CPU启动PCI Express事务和访问主存；能在端口上接收来自PCI Express设备的访存请求；也可以将事务从一个端口路由到另一个端口。根复合体内部提供中央资

21、源：热插拔控制器、电源管理控制器、中断控制器、错误检测和报告逻辑等。371、PCI Express总线的结构 PCI Express系统中的主要组件包括：交换开关（Switch）是一个具有2n个端口的设备，每个端口连一条PCI Express链路，在系统中用于多设备的互连。交换开关可以将事务从任一个端口路由到另一个端口。 端点（Endpoint）是具体的设备，如以太网、USB或图形设备，是PCI Express事务的请求者（启动事务）或完成者（响应事务）。端点使用PCI类型00配置头标，每个端点初始化时设置一个设备ID，由总线号、设备号和功能号组成。端点作为挂连在一条链路上的唯一设备，设备号总

22、是0。381、PCI Express总线的结构 PCI Express系统中的主要组件包括：端口（Port）是PCI Express设备与链路之间的接口，由差分发送器和接收器组成。指向根复合体方向的端口为上游端口；离开复合体方向的端口为下游端口。端点上只有上游端口，根复合体上只有下游端口，而交换开关既有上游端口，也有下游端口。一个端口中接收包的是入端口，发送包的是出端口。 PCI Express到PCI/PCI-X的桥是将PCI/PCI-X总线和设备兼容到PCI Express系统的一个连接桥，PCI/PCI-X总线与系统统一编号。392、PCI Express总线的主要特点 串行的点对点互连

23、 差分信号传送 采用交换开关互连多台设备 PCI Express 事务与包PCI Express的事务分成两类：非转发事务，即请求者发送请求包给完成者，完成者返回完成包给请求者，如存储器读事务；转发事务，即只有请求者给完成者发送请求包，而完成者不用返回完成包给请求者，如存储器写事务。 具有更高的数据传输率402、PCI Express总线的主要特点 PCI Express设备采用层次结构412、PCI Express总线的主要特点 错误处理 具有优先级的传送 两种中断方式一种是类似PCI-X的MSI协议，PCI Express设备启动一个写存储器包，向根复合体发送一个中断向量，根复合体再中断C

24、PU。另一种是使用中断消息事务向根复合体传送传统PCI总线上的INT x信号的跳变情况，这种中断方式只对具有传统功能的端点设备和PCI Express-PCI桥的系统有用。 支持热插拔 42四、RS-232C/RS-485接口总线 RS232C通常应用于数据终端设备（计算机）和数据通信设备之间的连接。 如果要在两台计算机之间直接用RS-232-C连接进行串行通信，其最长距离约为15米（在满足最高速度误码率109前提下，在低速和误码率要求低的情况下，传送距离可达300米）。43四、RS-232C/RS-485接口总线 RS-232-C接口连接器一般使用型号为DB-9插头座，通常插头在DCE端，插

25、座在DTE端。PC机的RS-232口为9芯针插座。一些设备与PC机连接的RS-232接口，因为不使对方的传送控制信号，只需要三条接口线，即“发送数据TXD”、“接收数据RXD”和“信号地GND”。RS-232传输线采用屏蔽双绞线。 在RS-232-C中信号线的电压均为负逻辑。 RS-232-C总线传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps。远距离串行通信必须使用Modem。44四、RS-232C/RS-485接口总线 如果要求通信距离在几十米到上千米时，可以采用RS-485串行总线标准。RS485总线收发器具有较高的灵敏度，能检测最低200mV的电压，因此可以使超过千米的传输信号得到恢复

26、。RS485采用半双工通信，任何时候只能有一点处于发送状态，所以，发送电路必须由允许信号来控制。RS-485标准符合真正多点通信网络要求，并且该标准规定在一条单总线（2线）上支持32个驱动器和32个接收器。有些RS-485收发器修改输入阻抗以便允许多达8倍以上的节点数连接到相同总线。RS-485最常见的应用是在工业环境下可编程逻辑控制器之间、现场控制器之间的通信连接，许多智能仪器设备均配有RS-485总线接口，将它们联网也十分方便。45五、SPI接口和I2C接口 SPI和I2C是两种最重要的低速、低成本芯片间接口规范； 这两种通信协议非常适合近距离低速芯片间通信。 Philips（ IC）和M

27、otorola（SPI） 出于不同背景和市场需求制定了这两种标准通信协议462022-3-2446I2C总线术语的定义472022-3-2447I2C总线的特征每个连接到总线的器件都可以通过唯一的地址和一直存在的简单的主机从机关系软件设定地址主机，可以作为主机发送器或主机接收器。它是一个真正的多主机总线，如果两个或更多主机同时初始化数据传输可以通过冲突检测和仲裁防止数据被破坏。 串行的8 位双向数据传输位速率在标准模式下可达100kbit/s， 快速模式下可达400kbit/s ，高速模式下可达3.4Mbit/s。片上的滤波器可以滤去总线数据线上的毛刺波保证数据完整。连接到相同总线的IC 数量

28、只受到总线的最大电容400pF 限制。482022-3-2448I2C总线的总体特征SDA 和SCL 都是双向线路都通过一个电流源或上拉电阻连接到正的电源电压，当总线空闲时这两条线路都是高电平，连接到总线的器件输出级必须是漏极开路或集电极开路才能执行线与的功能。SDA 线上的数据必须在时钟的高电平周期保持稳定，数据线的电平状态只有在SCL 线的时钟信号是低电平时才能改变。492022-3-2449I2C总线的起始和停止条件在SCL 线是高电平时，SDA 线从高电平向低电平切换，这个情况表示起始条件。当SCL 是高电平时，SDA 线由低电平向高电平切换表示停止条件。起始和停止条件一般由主机产生，

29、总线在起始条件后被认为处于忙的状态，在停止条件的某段时间后总线被认为处于空闲状态。502022-3-2450传输数据 字节格式 发送到SDA 线上的每个字节必须为8 位，每次传输可以发送的字节数量不受限制，每个字节后必须跟一个响应位。首先传输的是数据的最高位MSB，如果从机要完成一些其他功能，例如一个内部中断服务程序才能接收或发送下一个完整的数据字节，可以使时钟线SCL 保持低电平迫使主机进入等待状态。当从机准备好接收下一个数据字节并释放时钟线SCL 后数据传输继续。512022-3-2451传输数据响应： 数据传输必须带响应，相关的响应时钟脉冲由主机产生，在响应的时钟脉冲期间发送器释放SDA

30、 线(高)。 在响应的时钟脉冲期间接收器必须将SDA 线拉低，使它在这个时钟脉冲的高电平期间保持稳定的低电平。522022-3-24522 SPI总线接口 SPI总线接口概述 SPI（Serial Peripheral Interface）一般称为串行外设接口，是Motorola在其MC68HCxx微处理器系列中定义的一种标准接口，实现了一个串行同步协议，目前在嵌入式系统中得到了广泛的应用。SPI采用同步、全双工串行传输技术，业内也称为同步串行总线接口。532022-3-24532 SPI总线接口 SPI允许计算机与计算机、微处理器与外设之间串行同步通信。可以与SPI通信的外设有：ADC、DA

31、C、LCD、LED、外置闪存、网络控制器等等。另外还有许多厂家生产的多种标准外围器件可以与SPI接口。通信时，通信双方要规定好一个为主设备，另一个（或多个）为从设备。主设备也允许选择工作在主方式或从方式。当带有SPI接口的两个计算机之间通信时，通常每个计算机的SPI允许选择使用主方式或从方式。542022-3-2454 计算机与计算机、微处理器与外设使用SPI总线连接。图9.29552022-3-2455562022-3-2456SPI总线接口 连接在SPI总线上的多个从设备，某一时刻只有一个，即被主设备选中的那个从设备，能与主设备通信。其他未被选中的从设备不能与主设备通信。 通信中主设备和被

32、选中的从设备使用同一个时钟，主设备创建并发送时钟信号（以下简称时钟），从设备接收时钟，主设备和从设备使用同一个时钟将数据送出和锁存。 Motorola SPI总线通常包含4条I/O线。572022-3-2457SPI总线接口 nSS（Slave Select）：从设备选择线，信号低电平有效，由主设备发出信号，通知连接的从设备被选中，它们之间的通信通道已经被激活。当一个主设备连接多个从设备时，主设备与每个从设备要连接一条单独的nSS线，某段时间只能有一条nSS线上的信号为低电平。582022-3-2458SPI总线接口 SCK（Serial Clock）：串行时钟线，时钟由主设备创建、驱动并发送

33、，从设备只能接收。主设备发送的时钟作为主、从设备数据传输的同步时钟。使用该时钟锁存串行输入线上接收到的数据位，或送出要发送的数据位到串行输出线上。592022-3-2459SPI总线接口 MOSI（Master Out Slave In）：主设备输出、从设备输入串行数据线，数据由主设备驱动输出，从设备接收，使用SCK同步传输。 MISO（Master In Slave Out）：主设备输入、从设备输出串行数据线，数据由从设备驱动输出，主设备接收，使用SCK同步传输。602022-3-2460SPI总线接口 SPI传输的数据以8位二进制数为一个单位，一般先发送MSB。 SPI一般控制特性有： 发

34、送速率（同时也是接收速率）可选择； 主/从方式、时钟极性和时钟相位可选择； 中断允许/禁止可选择。 正确传输的关键与时钟极性和时钟相位的选择有关，同步时钟的一个边沿使发送器改变输出（输出串行数据位），另一个边沿使接收器锁存数据（输入串行数据位）。61六、USB接口总线 USB接口的主要特点有：即插即用支持“热”插拔是一种通用万能插口扩展灵活USB总线标准由1.1版升级到2.0版后，传输率由12Mbps增加到了240Mbps，更换介质后连接距离由原来的5米增加到近百米。可以支持宽带数字摄像设备及新型扫描仪、打印机及存储设备。USB总线结构简单：信号定义仅由2条电源线和2条信号线组成，编码方式为NRZ-I编码。 62六、USB接口总线 USB采用四线电缆，其中两根是用来传送数据的串行通道，另两根为所接设备提供电源，对于高速且需要高带宽的外设，USB以全速12Mbps的传输数据；对于低速外设，USB则以1.5Mbps的传输速率来传输数据。USB总线会根据外设情况在两种传输模