第5章 高速实时数据通信

1、5 高速实时数据通信高速实时数据通信 5.1 概述概述5.2 运算与运算与I/O的平衡的平衡 5.3 运算与运算与I/O的并行的并行5.4 数据通信方式数据通信方式5.1 概述概述 运算能力与I/O能力匹配 I/O时间不超过运算时间。 运算密集型算法 FIR、FFT、矩阵乘等。 I/O密集型算法 矩阵加运算。 I/O瓶颈问题运算速度：10MHz300MHz 3GHzI/O速度：20MHz 133MHz算法：运算密集型 I/O密集型5.2 运算与运算与I/O的平衡的平衡运算速度与I/O速度不匹配5.2.1 运算和I/O5.2.2 数据采样率和数据量 信号带宽的增加 处理位数的提高 积累时间的延长

2、 处理方法的复杂化信息量增大，造成更加严重的IO瓶颈 5.2.3 处理单元个数对处理机性能要求的不断提高，单片处理机已经满足不了处理任务的要求了。多片处理器进行计算，处理器的数量在不断增大。处理器的内核处理速度的不断加快，处理器的通信瓶颈凸现。多处理器的通信瓶颈更加突出。尚无好的并行处理开发工具，数据通信难以单纯用程序完成。 5.2.4 解决IO瓶颈的软件途径从算法软件设计入手。采用运算密集型的算法，或者以增加运算来降低IO。通过改进任务划分和分配算法，增加运算与IO比，使负载、运算和IO平衡。 5.2.5 解决IO瓶颈的硬件途径 增加数据通路 增加总线带宽 增加其他通信口 增加板卡输入输出连

3、线 提高通信速率（ISAPCI PCI-E） 采用新技术（LVDS、光纤、SERDES）5.3 运算和运算和IO的并行的并行5.4 数据通信方式数据通信方式5.4.1 数据通信分类通信的结构 多点到多点、点到多点和点到点的结构。高速总线，如PCI、CPCI、PCI-E，VME等总线 准总线，如CAN、USB和I2C总线等 总线标准 并行总线和串行总线(LVDS:1Gb/s ,USB:480 Mb/s , SERDES: 2.6Gb/s) 数据通信的接口 并行接口（打印口）和串行接口（RS232）5.4.2 总线的性能1、四个指标数据宽度(data width)速率(cycle rate)设备管

4、理(device management)类型(device type) 2、三个参数 总线的带宽 总线的位宽总线的工作时钟频率5.4.3 总线标准的发展低端总线 如ISA总线、RS232、I2C。高端总线 如32位或 64位的 PCI、VME总线。PCI已取代ISA，PCI总线包括它的变种（如 Compact PCI、 PCI Express ）占主导地位。串行总线 LVDS、USB、SERDES、SATA、PCI-E 5.4.3.1 ISA总线总线 工业标准结构（Industry Standard architecture）总线，在 PC机刚起步时就已出现，到目前仍在一些系统中服役。虽然由于

5、传输率、成本、体积、性能等方面的原因、它将被PCI总线所取代。由于它作为一个基础，这里还是简要地介绍。 ISA总线经历了8位标准总线（PCXT）、16位标准总线（PCAT），甚至 32位标准总线（EISA，VESA）的历程，目前服役的ISA总线一般为16位标准总线。 主要包括完整的DP多路复用地址总线A19A0、8位数据总线D0D7及用于IO接口及存储器、中断与DMA的一组控制线、电源、地、晶振等。 16位ISA总线是在8位ISA总线的基础上加上一个额外的接插件构成的。16位ISA总线在8位ISA总线的基础上，将地址总线扩展至A0A23；数据总线扩展至 D0D15；另外还增加了一些用于中断及

6、DMA的信号。 EISA即扩展的ISA结构是对ISA的一个 32位的修正版。与 ISA总线比起来，它是将ISA总线插槽加密而得到的32位数据总线宽度。由于EISA采用的总线制造技术及数据的实发方式为许多现代总线所采用，尽管EISA已经消亡， 但它作为计算机系统总线发展中的总基石地位不可动摇。8位标准ISA总线、16位标准ISA总线及32位的EISA总线都工作在8 MHz的频率下。 这使它们只能应用于传输速率要求不高的场合，如EISA最常用的是磁盘控制器或图形适配器。VESA在ESIA的基础上将工作时钟由8 MHz提高到33MHz，使数据传输数率大大提高，满足了如视频、磁盘接口等场合的应用要求。

7、EISA在486PC机中得到了稳定的应用。VESA的总线接插件与EISA不同。EISA在ISA总线的基础上加了一个VESA接插件。普通PC已取消，但PC104等还在用。 5.4.3.2 PCI总线总线 PCI（Peripheral Component Interconnect）总线的发展动力从技术上来讲可以归功于GUI（Graphical user interface）的发展；图形用户接口以其良好的人机界面和操作方便的优点得到迅速发展，Windows操作系统风靡全球；图报界面操作系统需要大容量存储器。这些在刺激RAM发展的同时(SRAM、 DRAM、EDO RAM、SDRAM、NVSDRAM、

8、SBSRAM ）， 也促进了信息传输渠道总线的发展。从成本的角度来讲，用大量面向PCI总线的处理芯片构造设计的单片机、工作站、外围设备及板卡 的处理能力、智能控制水平和传输率都很高，并且可以节省成本1015。从市场竞争的角度来看，PCI的诞生是Intel、Microsoft迅速发展状大，IBM的垄断地位被打破的结果。PCI总线由Intel、IBM、Compaq、Ast、HP、DEC等100多家公司组成的PCI集团于1991年提出的。PCI总线广泛应用于解压卡、声卡、显卡、SCSI卡、网卡等。计算机外设中它的应用范围从便携机到服务器，主要集中在台式机中。 1、PCI总线优点总线优点 （1）高性能

9、 数据通道可由32位升级到64位；同步总线操作达到 33 MHz；数据传输率可达 133 MBS或 266MBS；可变长度线性地址的触发反复读写模式改善图形质量；低延迟随机存取；隐含的中心仲裁及处理器内存子系统完全一致的处理能力等。 （2）低成本 最优化的内部结构；电气驱动能力；频率规范是标准的ASIC技术和其它处理技术结合的结晶；多路复用结构减少了引脚数目和PCI部件的封装尺寸；PCI扩展卡独立工作在ISA、EISA和MCA的系统中，减少了开发成本，避免了用户混乱。 （3）使用方便 能够自动配置参数；支持PCI局部总线扩展板和部件；PCI设备寄存器用来存放设备配置信息。这些信息允许计算机自动

10、地配置PCI卡。这种特性叫做即插即用（plugandplay）。 (4）使用寿命长 独立处理器；可以支持多种处理器；可扩展至64位寻址；支持5V3.3V信号环境等等。这都使PCI总线面向未来有较强的生命力。 （5）可靠性强，可操作性好 扩展板小型化。使用扩展卡允许超过系统电力负荷预算的最大值，以便硬件能进行32000多个小时的电子Spice模拟试验验证。 32位和 64位扩展卡和部件正反向兼容，排除缓冲和粘附逻辑，在局部总线的部件级满足负载和频率的需求，以满足扩展中的可靠性和可操作性，并具有MCA微通道扩展连接器。 （6）适应性 多主控允许任何PCI主设备和主设备之间进行点对点的访问。（7）数

11、据完整性 PCI提供了数据和地址奇偶校验，客户机平台更加可靠。（8）软件兼容性 PCI部件和驱动程序可以用于各种不同的平台。 2、 PA总线的地址数据总线总线的地址数据总线 PCI的地址数据总线标识为AD31AD0，为地址数据复用总线。在64位总线系统中，还有专门用于 传送AD32AD63数据总线，该总线同样被用来进行地址总线扩展。 PCI总线与以前的其它总线不同。它的设计不是以ISA总线为基础的。另外，PCI总线采用的是地址总线和数据总线复用的形式。这样使PCI总线的体积比较小。PCI总线的宽度可以是32位或64位，时钟可以是33MHz或66MHz。 3、PCI总线接口设计总线接口设计 PC

12、I总线是外设元件互连总线，被认为是最可靠、最灵活的方案。但并不是最简单，真正实现PCI总线接口有一定困难。主要体现在： PCI总线是同步总线，完全靠CLK信号同步各个状态的翻转。所有逻辑与控制都需要CLK严格同步时序。同时PCI总线负载能力差，仅能支持23个负载。这样CLK时钟的扇出问题比较严重。 PCI总线接口远比ISA，EISA复杂得多。这种复杂的接口需要大量的逻辑单元来完成逻辑译码时序控制，并实现配置寄存器、用户寄存器FIFO、后端设备接口。这使得接口电路逻辑十分复杂。 PCI总线规范的动态指标（如动态特性交流参数、信号延迟时间、边沿翻转速度）非常高。这使得实现接口电路逻辑的元件选择有一

13、定的困难。一般都采用FPGA，CPLD来实现，而对它们的使用本身也有一定的难度。 PCI总线接口设计的主要任务是为了PCI总线提供主、从设备接口，要求能完成单一或触发读、写操作，可访问主存空间和IO空间，能产生奇偶校验信号等，其中最主要的任务便是完成主从设备之间的状态机。PCI总线接口设计可以采用专用PCI接口芯片比如PCI9050，也可以采用EPLD/FPGA自主设计。 4、 PCI总线的技术规范类型总线的技术规范类型 PCI总线规范是为板上局部总线的少量插卡而不是为无源背板而设计的。这种规范存在诸多不足，如带负载能力差（3个，连接不够可靠）等等。随着PCI总线的发展和应用领域的拓宽，其它一

14、些PCI技术规范被纷纷推出。 自1981年提出PCI总线到现在已经出现了10多种相关PCI技术规范。 如无源背板PCI技术规范、无源背板桥接技术规范、Compact PCI技术规范、IEEE1386（PMC）夹层插卡技术规范、小型PCI（SPCI）技术规范、PC104技术规范、工业（PCI）技术规范、传导散热PCI（CCPMC）技术规范、PISA（PCI和EISA）技术规范、IEEEP1996高可靠性。PCI技术规范、PZCI技术规范等、其中 Compact PCI被认为是比较有前途的一种技术规范。 下节将介绍 Compact PCI和在它的基础上发展起来的仪器用 PCI（PXI）。 5、 C

15、ompact PCI和和 PXI 由于PCI总线具有开放性、高性能、低成本和通用性等优点，因而得到了飞速的发展和普及。但是PCI应用于工控、通信和仪器领域时，PCI存在三个问题： 在通信系统等要求高可靠性的系统中，主要设备的可使用性要求到达99.999，计算机要每天工作24个小时，远远比通常商用计算机系统的要求要严格得多。要达到这一要求，一方面对计算机系统的建立要有高标准严要求；另一方面特别要求通信系统在不停电的情况下就能更换已换坏的插板热切换能力（hotplug）。1998年通过Compact PCI标准具有热切换能力。Compact PCI的热切换支持三种模式：基本热切换、全热切换和高可用

16、性支持。 PCI采用的插卡机械性能不够好，用于工业系统可靠性不够高。因此在Compact PCI中采用了欧氏插卡（Eurocard）。欧氏插卡已经广泛使用于VME总线系统中。实践证明欧式卡的组装技术很成熟，特别适合于嵌入式计算机系统。它具有插卡垂向而平行地插入机箱的形式，有利于通风散热。每块插卡都有金属前面板，便于安装连接器，并有指示灯。每块插卡用螺钉锁住，有较强的抗震能力；采用插入式电源模块，便于维修，适合于安装在标准化工业机架上。 原有的 PCI规范只允许容纳 4块插卡，对工业应用远远不够。 Compact PCI规范规定采用无源底板，其主系统则可容纳 8块插卡。其实Compact PCI

17、和 PCI规定的指标一样，只允许总线上有 10个负载。其中 PCI芯片加上台式 PC机的连接器相当于 2个负载。 每个插卡只允许增加2个负载。所以PCI的PC机总共只允许增加 4个附加卡，也即所谓的只能带 4个负载。然而，Compact PCI通过改进信号的端接方法，使 Compact PCI底板允许 8块插卡。改进的方法是：在总线板上的所有信号线都串接一个10的限流电阻。而且电阻安装在距引脚15.2 mm以内的位置上，使之起到隔离作用，防止信号产生振荡且能缩小延迟时间。必须接电阻的信号有：AD32.00、奇偶检验信号PAR等33条。如果系统中有中断信号，高速缓存或与64位总线有关的信号也必须

18、端接电阻，而时钟CLK、总钱请求REQ、总线允许CNT、边界扫描的一组信号 TDI，TDO，TCK，TMS和测试复位信号 TRST等不必端接电阻。因此在本质上Compact是采用欧式插卡的PCI总线。 解决了 PCI总线上的上述三个问题之后，美国 PCIMG把Compact PCI标准扩展至工业系统，使Compact PCI规范成为开放的工业计算机标准。目前 Compact PCI已经占PCI市场的80。 6、PCI-E和和CPCI-E PCI Express规范是由Intel推出的下一代串行总线规范，在主板上将使用PCI Express 1代替现行的PCI接口，使用PCI Express 1

19、6取代现行的AGP插槽。在最新的主板上已经出现了这种新的接口，已有声卡、显卡、TV卡等产品。 优点：采用串行方式，有效地提高频率，达到更大的总线带宽， CPU的占用率低。传统PCI只能达到133MB/s的带宽，而PCI Express 1单行就可以达到250MB/s的带宽。 DSP与PCI/CPCI总线的连接采用CPCI总线的TMS320C6201板卡采用PCI总线的TMS320C6701板卡 5.4.3.3 VME总线总线 VME为英文Versabus Modular Eurocard的缩写，中译文为Versa总线模块欧式卡。VME总线是一种开放式系统结构，它主要是为微型计算机系统制定的，其

20、实是由Motorola公司制定的Versabus(逻辑、电气特性)和欧洲的Eurocard标准(机械特性)构成的。 Versabus总线是Motorola公司于1979年针对其68000微处理器定义的，因此VME总线接口在电气和逻辑上类似于68000微处理器。不过它只作概括性的规定，并不涉及或规定任何特定的微处理器。 自1981年10月Motoro1a，Mostek和Signetics公布第一版本以来，几经修改和完善，于1987年VME获ANSI(美国国家标准局)IEEE的认可，并正式宣布其为微处理器标准。 VME总线的开放性及其优良的机械持性，获得了广泛市场。众多厂商开发出了用于工业控制、远

21、程通讯和仪器仪表等领域的成千上万种VME总线插件产品，VME总线支持多处理器系统，地址总线32位，数据总线32位(最高64位)；能处理7级中断，具有总线仲裁能力，VME数据传输总线为高速异步并行的，理论上数据传输速率可达40Mbytess；实际为20Mbytess左右。 VME规范允许最多可容纳21块插件。VME总线插件分为：A型100/160mm(单高)；B型233/160mm(双高)。A型的96根引脚连接器称P1连接器，P1由3列32根引脚构成。B型带有个P1和P2连接器，P2的引脚和外形与P1相同。主要总线分布如下： （a）P1：24位地址线A0A23；16位数据线D0D15；地址修改码

22、AM0M5；握手、仲裁、中断和电源(+ 5V、+12V)等。 (b) P2：地址线A24A31；数据线D16D31等。采用VME总线的TMS320C6201板卡采用VME总线的超高速数据采集板卡 5.4.3.4 LVDS总线总线 LVDS(Low Voltage Differential Signaling)是一种小振幅差分信号技术，它使用非常低的幅度信号(约350 mV)，通过一对差分PCB。走线或平衡电缆传输数据。它允许单个信道传输速率达到数百兆比特每秒，其特有的低振幅及恒流源模式驱动只产生极低的噪声，消耗非常小的功率。同时，LVDs也是高速低功耗数据传输的一个多任务接口标准。LVDS标准

23、从1996年诞生以来，迅速被业界所接受，数量众多的供应商提供了各种不同的接口方案，允许信号速率高达1 GHz，传输距离达到数十米，而其功耗很小。LVDS总线的优点： 高速传输能力 点到点的连接，传输速率可达1GBs 低噪声低电磁干扰 差分方式，恒流源驱动不易产生振铃和切换尖锋信号，进一步降低了噪声。 低功耗 负载(100终端电阻)的功耗仅为1.2 mW。节省成本 低成本实现高性能，对电缆、连接器和PCB材料无荷刻要求，减少板面、层数、接插件和电缆。 5.4.3.5 USBUSB总线总线 1 1、概述、概述 通用串行总线(Universal Serial Bus，USB)并不是一种新的总线标准，

24、而是应用在PC领域的新型接口技术。USB同传统PC机IO接口相比，其功用有很大改变。它具有即插即用、数据传输质量高、节省系统资源等多种优点。随着双层ATX主板的盛行和USB20标准的推出，USB获得了广泛支持，现已成为计算机系统连接外围设备的IO接口标准的主流。 2 2、USBUSB系统描述系统描述 USB系统包括三部分：USB设备、USB主机和USB连接。 每个USB系统有一台USB主机，最多可拥有127台外部设备。USB设备可分为HUB和功能外设二大类。 3 3、USBUSB总线协议总线协议 USB采用投票式总线结构，并由主机系统的USB接口(即主控制器)按照既定原则发起所有的数据传输。多

25、数总线传输包括3种信息包，即令牌包、数据包和握手包。每次数据传输首先由主控器发送1个USB令牌包。该包包含PID类型标志、传输方向(由主机到终端或由终端到主机)、USB设备地址和端口地址，然后由数据源传输一个数据包或者指示当前没有数据传输。通常在目的地以“握手包”进行应答，指示传输是否成功。 4 4、USBUSB数据传输方式数据传输方式 USB体系结构包括4种基本的数据传输方式。(1)同步传输；(2)控制传输；(3)中断传输；(4)批量传输。 5 5、USBUSB总线传输信息包总线传输信息包 USB总线传输包括3种信息包：令牌包、数据包、握手包。所有的信息包都以PID码开始，标志包和数据包都以

26、CRC码结束。事实上所有的USB包都以同步码(SYNC)开始。全低速设备使用8bit同步码，高速设备使用32bit同步码。任何同步码的最后2bit是同步码结束标志，也是包标志(PID)开始标志。SCL6SDA5A01A12A23VCC8WC7VSS4U12AT24C04AN-10SI-2.7FD025FD126FD227FD328FD429FD530FD631FD732FD852FD953FD1054FD1155FD1256FD131FD142FD153FA044FA145FA243CS/FLAGD47SLRD8SLWR9PKTEND46FLAGA36FLAGB37FLAGC38READY40

27、RESET49WAKEUP51INT41SLOE42IFCLK20AVCC10VCC16VCC214VCC318VCC424VCC534VCC639VCC750RSV21GND14GND27GND419GND317GND533GND635GND748AGND13SCL22SDA23D+15D-16XIN12XOUT11U5CY7C68001-56PVCD0D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12D13D14D15L9BLM18PG121SN1+3.3VL10BLM18PG121SN1GNDUSB+USB-GND+3.3VGNDC218PFC118PF1122X324MHZA0A1

28、A2USB_CSRDWEUSB_PKTERESETUSB_INTUSB_WKUPUSB_FLAGAUSB_FLAGBUSB_FLAGCUSB_READYGNDU_SCLU_SDAUSBAGNDUSBAGND12C90.1UFC1010UFGNDUSB+USB-USB_VCC12345JP3采用USB总线的DSP板卡（CY7C68001） 5.4.3.6 CAN总线总线 1、概念、概念 CAN(Controller Area Network)即控制器局域网，是一种多主方式的串行通信总线 ，非常适用于实时性强的控制领域。应用于汽车电子、航空系统、自动控制、智能大厦、电力系统、安防监控等众多领域，是目前国际上应用最广泛的现场总线之一。 2、特点、特点 1、高速的数据传输速率高达1Mbits； 2、很远的数据传输距离(长达10 km) 50 kbits ； 3、极高的总线利用率（单一网络中，理论上可以挂接无数个节点）； 4、较低成本的现场总线（双绞线（常用）、光纤， 2线差分电压传送）； 5、可靠的错误处理和检错机制（大大增强了抗电磁干扰能力）；6、具有很高的可靠性（可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文，发送的信息遭到破坏后可自动重发，节点在错误严重的情况下具有