微机系统总线9

1、1第一节 系统总线概述前言(1)从需求到产品2举例(2)电路系统的技术抽象3总线型树型星型环型(3)设备之间的互联主、从设备；发、收设备举例4优点：结构简单，便于扩充网络响应速度快，便于广播式工作设备量少，价格低廉缺点：节点多时，网络性能下降任何节点故障可能导致网络失效 总线型网络的优缺点51.概念总线：构成系统的互联机构，是多个功能部件之 间进行数据传送的公共通路。总线不仅是指一组传输线，而且包括相应的总线接口和 总线控制器。 总线与接口的差别？总线的两种形式6(系统)外总线如并口、串口(系统)内总线如ISA、PCI片(间)总线 片内总线 运算器寄存器控制器CPU存储芯片I/O芯片主板扩展接

2、口板扩展接口板微机系统其 他 微 机系 统其 他 仪 器系 统微机系统的四级总线示意图2.分类(1)按照功能（层次结构）分类：模糊7（2）按时序控制方式分类1）同步总线：由控制模块提供统一的同步时序信号控制总线传送操作。2）异步总线：不采用统一时钟周期划分，根据传送的 实际需要决定总线周期长短，以异步应答方式控制总线传送操作。 3）扩展同步总线：以时钟周期为时序基础，允许总线周期中的时钟数可变。（3）按数据传送格式分类1）串行总线2）并行总线8（2）双总线：（1）单总线：3.系统各部件与总线的连接方式9处理器/Cache处理器/Cache主存控制器主存HOST总线HOST/PCI桥PCI设备P

3、CI设备PCI/LAGACY桥中低速I/O设备PCI/PCI桥LANSCSI（ISA,EISA,）LAGACY总线PCI总线PCI总线（3）多总线：模块与层104.性能指标（1）数据传输率（2）负载能力（3）仲裁方式（4）信号线的根数和种类（5）是否支持INT、FIFO、DMA等。115.特性 （1）物理特性：指总线的物理连接方式，包括总线的根数，总线的插头、插座的形状，引脚线的排列方式等。 信号线信号完整性供电线额定功率121314(2)功能特性：功能特性描述的是这一组总线中，每一根线的功能是什么。从功能上划分，总线分为三组（即三总线）：地址总线（AB）、数据总线（DB）、控制总线（CB）。

4、 地址总线宽度影响视野数据总线宽度影响速率控制总线多少影响灵活性和复杂度1516（3）电气特性：定义每一根线上信号的传递方向、有效电平范围及阻抗特性。1）总线输出信号的电平形式2）总线信号的传输方向几种门输出的各自特点173) 电路输出端连接时的注意事项普通门输出端不允许直接并联使用。 三态输出门的输出端可并联使用，但同一时刻只能有一个门工作，其他门输出处于高阻状态。 集电极开路门输出端可并联使用，但公共输出端和 电源 VCC 之间应接负载电阻 RL。 输出端不允许直接接电源 VCC 或直接接地。 输出电流应小于产品手册上规定的最大值。18 功耗小：CMOS门工作时，总是一管导通另一管截 止，

5、因而几乎不由电源吸取电流其功耗极小； CMOS集成电路功耗低内部发热量小，集成度可大 大提高； 抗幅射能力强：MOS管是多数载流子工作，射线辐 射对多数载流子浓度影响不大； 电压范围宽：CMOS门电路输出高电平VOH VDD， 低电平VOL 0V； 输出驱动电流比较大：扇出能力较大，一般可以 大于50； 在使用和存放时应注意静电屏蔽，焊接时电烙铁 应接地良好。4) CMOS集成电路特点197) 扇出系数 灌电流负载5) 噪声容限6) 电平转换 拉电流负载8) 传输速度20（4）时间特性：定义了每根线在什么时间有效，即规定了总线上各信号有效的时序关系。216. 操作过程总线请求和仲裁(Bus r

6、equest & Arbitration)阶段 需要使用总线的主模块提出申请，由总线仲裁器确 定把总线分配给哪个请求源；寻址(Addressing)阶段 取得总线使用权的主模块发出将要访问的从模块(如 存储器或I/O端口)地址信息以及有关命令，启动从模块；数据传送(Data Transfer)阶段 主从模块进行数据交换，数据由源模块发出，经数据 总线传送到目标模块；结束(Ending)阶段 主从模块的数据、地址、状态、命令信息均从总线上 撤除，让出总线，以便其它主模块继续使用总线。举例227.仲裁方式（1）集中式裁决1 链式查询 也称作“菊花链”式结构232 计数器定时243 独立请求25（2

7、）分布式裁决268.传输方式1）同步式传输数据传送速率（或总线带宽）完全由同步时钟频率和数据总线宽度确定无法兼容总线上各种不同响应速度的设备 27 2）异步式传输握手信号总线传输速度可根据设备的响应速度自动调整适应能力强全互锁握手方式28 3）半同步式传输能兼容总线上各种不同响应速度的设备使同步总线达到与异步总线相同的功能29PC系统总线发展9.微机总线的发展ISA1988PCI1992198019902000PCIe2003PCI-X199833M/66MHz266M/533MHz66M/133MHz2.5GHz1M/4MHz2GI/O2.5GI/O3GI/O30PC/XT总线技术的微型计算

8、机结构 31PC/AT ISA总线的微机系统结构 32EISA总线的微机系统结构33PCI总线的微机系统结构34AGP总线的微机系统结构35Pentium 4 微处理器微机系统结构36系统结构中的总线37381.介绍（1）串行通信的概念：将数据分解成二进制位用一条数字信号线，一位一位地顺序传送的通信方式。（2）串行通信的优势：通信的线路少，因而在远距离通信时可以极大地降低成本。（3）通信协议的概念：通信双方为了实现通信而必须共同遵守的约定，这种约定包括编码方式、调制方式、同步方式、通信速率等内容。第二节 串行总线 39（4）通信方式： 发送器 发送器 接收器 接收器 B站 A站 A站 B站 发

9、送器 发送器 接收器 接收器半双工全双工举例40（5）同步方式：同步传输1位 数据计算机外设 1 2 3 4 5 6 7 8同步时钟高位先送1位 数据计算机外设发送速率接收速率异步传输靠发送和接收速率相同来保证同步41（5）传输速率：比特率：比特率描述数字信号的传输速率，它用单位时间内传输的二进制代码的有效位(bit)数来表示，其单位bit/s(bps). 波特率：波特率表征数据信号对载波的调制速率，它用单位时间内载波调制状态改变次数来表示，其单位为波特 baud/s.42(6)串行总线的种类43USB介绍USB (Universal Serial Bus)通用串行总线USBIF(USB Im

10、plementers Forum)负责USB标准制订,其成员包括: Microsoft 、 Intel、NEC等7家公司。44USB 1.1 & USB 2.0USB 1.1 修正了USB1.0出现的问题, USB 1.1是USB开始普及的最早版本;USB 2.0 在USB 1.1的基础上提高了速度;USB的三种速率1.5 Mbit/s(183 KByte/s)低速速率12 Mbit/s(1.4 MByte/s)全速速率480 Mbit/s(57 MByte/s)高速速率USB的传输距离USB 1.15mUSB 2.01.5m45USB的特点方便, 即插即用(PNP)高传输速率无须占用 IRQ

11、 和 I/O 地址应用范围广46USB接头USB接口可提供5V 500mA的电流4748493.SPI接口 SPI（Serial Peripheral Interface）是同步串行外围接口，用于与各种外围器件进行通信。这些外围器件可以是简单的TTL移位寄存器、复杂的 LCD显示驱动器或 AD转换子系统。SPI系统可以容易地与许多厂家的各种标准外围器件直接连接。在多主机系统中SPI还可用于MCU之间的通信。 50DSP作主设备DSP作从设备51扩展从设备数量的方法52四个FPGA用SPI口如何互联？5354(1)I2C 总线的特征 只要求两条总线线路:数据线SDA 和时钟线SCL； 每个连接到

12、总线的器件都具有唯一的地址； 它是一个真正的多主机总线； 具有三种串行双向数据传输模式：标准模式（100kbit/s） 快速模式（400kbit/s） 高速模式（3.4Mbit/s）； 片上的滤波器可以滤去数据线上的毛刺保证数据完整； 连接到相同总线的IC 数量只受到总线的最大电容400pF 限制4.I2C总线55 结构图的功能模块与实际的IC相对应，设计可以快速从结构图向最后的原理图推进； 不需要设计总线接口,因为I2C 总线接口已经集成在芯片内部； 集成的寻址和数据传输协议允许系统完全由软件定义； 相同类型的IC 经常用于很多不同的应用；（2）设计人员受益56 在系统中增加或删除IC 不会

13、影响总线的其他电路； 故障诊断和调试都很简单故障可被立即寻迹； 通过汇编一个可再使用的软件模块库，能够减少软件开发时间； 极低的电流消耗； 抗高噪声干扰； 电源电压范围宽； 工作的温度范围广。57（3）生产厂商受益 简单的两线串行I2C 总线将互联减到最小因此IC 的管脚更少而且PCB 的线路也减少结果使PCB 更小和更便宜； 完全完整的I2C 总线协议不需要地址译码器和其他附加逻辑； I2C 总线的多主机功能允许通过外部连接到生产线快速测试和调整最终用户的设备； 符合I2C 总线的IC 提供SO 小型VSO 超小型以及DIL 封装甚至减少了IC 的空间要求。58标准模式器件和快速模式器件连接

14、到I2C总线59起始和停止条件60I2C 总线的位传输61I2C 总线的数据传输626364第一个字节中位的定义65(7)串行总线性能比较662.UART通信 UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter ）是通用异步收发器的英文缩写。它遵守一种通信协议（数据链路层概念），衍生出多种总线接口标准规范。包括RS232、RS499、RS423、RS422和RS485等，这些规范规定了通信口的电气特性、传输速率、连接特性和接口的机械特性等内容（通信网络中的物理层概念）。67 0 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 1 1 1 0 0/1

15、 起 始 位奇偶校验位 （可有可无） 58位数据位（先送最低位）LSBMSB 空 闲 位停止位（1，11/2 或2位） 第n个字符（812位） 第n1 个字符 异步串行通信格式（1）UART通信协议68为什么异步通信要比同步通信传输速率低？69（2）硬件电路结构709针串口（DB9）25针串口（DB25）针号功能说明缩写针号功能说明缩写1数据载波检测DCD8数据载波检测DCD2接收数据RXD3接收数据RXD3发送数据TXD2发送数据TXD4数据终端准备DTR20数据终端准备DTR5信号地GND7信号地GND6数据设备准备好DSR6数据准备好DSR7请求发送RTS4请求发送RTS8清除发送CTS

16、5清除发送CTS9振铃指示DELL22振铃指示DELL（3）RS-232C引脚定义与连接 71全双工标准系统连接 全双工最简系统连接 72机械特性电气特性（4）RS-232C的机械与电气特性 73（5）其它UART接口特性 接口RS-232RS-422RS-485最大距离(标准)15M9600bps1.2公里9600bps1.2公里9600bps最大距离(Moxa 实验室测量结果)100M 38400bps50M 57600bps20M 115200bps*C168H, 28AWG UL24641.4KM 9600bps1.1KM 38400bp* CP-114I, 28AWG UL2464,

17、 直通电缆， 点对点方式 1.4KM 9600bps 1.1KM 38400bp* DE-211, AWG28 直通电缆, 多站方式，32节点74传输距离与传输速率的关系 速率（b/s）距离（m）100 M 75（5）UART接口的应用领域 76 特点：可用于同步和异步传送同步传送：58bit/字符，内部或外部同步，可自动插入同步字符。异步传送：58bit/字符，波特率因子可取1、16或64可产生中止字符，可产生1、1位半或2位的停止位，可检测假启动位。自动检测和处理中止字符。波特率, DC19.2K(异步)；DC64K(同步)。完全双工，双缓冲发送和接收出错检测具有奇偶、溢出和帧错误等检测电

18、路。与8088/8086CPU完全兼容（5） 8251A简介778251A管脚定义8251A内部结构78CPU通过8251A与串行外设连接图79复位操作输出第一个同步字符 输出模式字输出第二个同步字符双同步？ 输出命令字 收/发数据传递完？ 复 位？同步方式 ？是是是是否否否8251A工作流程简图80异步传送模式方式选择字模式81同步传送模式方式选择字模式82PCI总线规范 1.主要特点6) 采用同步操作 7) 支持两种电压下的扩展卡 8) 具有即插即用功能 9) 可靠性高10) 预留扩展空间 独立于处理器2) 传输效率高3) 寿命长4) 支持突发传输 5) 支持总线主控方式83Pentium

19、 II处理器Pentium II处理器CPU总线82443BX（北桥）主存支持SDRAM 66/100MHz2AGP总线图形设备82371EB（PIIX4E）（南桥）ISA插槽 2个IDE接口2个USB接口I/OAPICPCI总线PCI插槽 系统BIOSISA总线84键盘鼠标串行口并行口处理器8XX系列存储控制中心中心高速接口I/O控制中心固件中心PCI槽PCI总线IDE驱动器USB端口AC97编码Super I/OLPC I/FAGP图形控制器主存储器处理器CPU总线LAN连接852.机械规范5V 32位插槽5V 64位插槽3.3V 32位插槽3.3V 64位插槽连接卡口a. 4种PCI卡插

20、槽A1外内A49A52B1B49B52A62B621.273.8277.48b. 5V32位PCI插槽863.信号定义871、系统接口信号 CLK IN：PCI系统总线时钟 最高33MHz/66MHz，最低0Hz。 PCI大部分信号在CLK的上升沿有效。2、地址与数据接口信号 AD31:00 T/S：它们是地址、数据多路复用的输入/输出信号 在FRAME#有效的第1个时钟，传送的是地址，称为地址期。 在IRDY#和TRDY#同时有效时，传送的是数据，称为数据期。88 C/BE3:0# T/S：它们是总线命令和字节使能多路复用信号线 地址期内表示总线命令，数据期内表示字节使能信号。 PAR T/

21、S：针对AD31:00和C/BE3:0#进行奇偶校验的校验位 3、接口控制信号 FRAME# S/T/S：帧周期信号 FRAME#信号无效表示传输进入最后一个数据期。 IRDY# S/T/S：主设备准备好信号 TRDY# S/T/S：从设备准备好信号 89 STOP# S/T/S：从设备发出的要求主设备终止当前的数据传送的信号。 LOCK# S/T/S：锁定信号 IDSEL IN：初始化设备选择信号 DEVSEL# S/T/S：设备选择信号 4、仲裁接口信号 REQ# T/S：总线占用请求信号 GNT# T/S：总线占用允许信号 905、错误报告接口信号 PERR# S/T/S：数据奇偶校验错

22、误报告信号 SERR# O/D：系统错误报告信号 6、中断接口信号 PCI有4条中断线，分别是INTA#、INTB#、INTC#、INTD# 917、64位总线扩展信号 AD63:32 T/S：扩展的32位地址和数据多路复用 线 C/BE7:4# T/S：总线命令和字节使能多路复用扩展信号线 REQ64# S/T/S，64位传输请求信号 ACK64# S/T/S：64位传输允许信号 PAR64 T/S：奇偶双字节校验 92PCI总线操作 1.总线命令C/BE3:0#命令类型说明C/BE3:0#命令类型说明0000中断响应1000保留0001特殊周期(广播)1001保留0010I/O读(从I/O

23、端口地址中读数据)1010配置读0011I/O写(向I/O端口地址中写数据)1011配置写0100保留1100存储器多行读0101保留1101双地址周期(传64位地址)0110存储器读(从内存空间映像中读数)1110Cache读0111存储器写(向内存空间映像中写)1111Cache写并无效932.总线交易CLKFRAME#IRDY#TRDY#DEVSEL#12345678FASTMEDSLOW设备选择 所有从设备共用PCI总线的DEVSEL#信号。 从设备设置了DEVSEL#信号，传输完成前不能撤消它。94CLKFRAME#123456789ADC/BE#IRDY#TRDY#DEVSEL#A

24、DDRESSDATA1DATA2DATA3BUSCMDBE#s地址期数据期数据期数据期总线上的读/写操作 95PCI总线应用举例 1.数据采集4通道同步30MSs模拟量输入卡1 MSs 16-bit, 16-ch High-resolution Multifunction Card962.模拟信号发生器12位，4路增强模拟量输出卡14-bit 12-ch Analog Output PCI Card with Digital IO973.自动控制电压型伺服电机卡 4轴经济型步进电机运动控制卡 984.数字通信4口RS-232 通用 PCI 聪明型多串口卡2端口RS-422/485 PCI通信卡 含浪涌保护功能994口USB通用 PCI卡普通单口网卡无线网卡100双路光纤通信101PCI转IDE板1025.专用