嵌入式系统原理与应用 课件 第4章 总线与接口

嵌入式系统原理与设计第4章总线与接口第4章01020304总线基本概念总线操作常用总线标准常用接口标准/01总线基本概念总线基本概念1.总线定义总线是在模块与模块之间或者设备与设备之间传送信息的一组公用信号线，是系统在主控器(模块或设备)的控制下，将发送器(模块或设备)发出的信息准确地传送给某个接收器(模块或设备)的信号通路。总线基本概念2.总线分类（1）按数据的传输方式分类按数据的传输方式可以将总线分为并行总线和串行总线两类。并行总线指数据位在多条数据线上并行传输，数据线的数量等于数据的宽度。在并行总线中，按传输数据宽度分为8位、16位、32位、64位等传输总线。总线基本概念2.总线分类（2）按总线传输信息性质分类数据总线上传输的是各功能部件之间的数据信息，一般为双向传输总线，数据总线的宽度一般等于机器字长，常为8位、16位或32位。地址总线用来传输数据（指令也可以认为是一种数据）在主存单元或I/O设备的地址。地址总线是单向总线，一般由CPU输出。控制总线发出各种控制信号。由于数据总线、地址总线都是被挂在总线上的所有部件共享的，如何使各部件能在不同时刻占有总线使用权，需依靠控制总线来完成。总线基本概念3.总线的性能指标（1）总线位宽总线位宽指的是总线上能同时传送的二进制数据位数。常说的32位总线、64位总线指的就是总线位宽。（2）总线工作频率总线工作频率指的是用于控制总线操作周期的时钟信号频率。（3）总线带宽总线带宽指的是单位时间内总线上可传送的数据量，又称最大传输率，一般以Bps为单位，即每秒可以传输的字节数。总线带宽=总线工作频率×总线位宽/8总线基本概念4.总线结构单总线结构使用单一的总线来连接CPU、主存和I/O设备总线基本概念4.总线结构多总线结构中，包括CPU总线、系统总线、高速总线、扩充总线。由于各种总线的速度不一致，因此需要一种称为“桥”的部件实现多种总线的互联互通。/02总线操作总线操作阶段（1）申请分配阶段。由需要使用总线的模块提出申请，由总线仲裁模块决定将下一个传输周期的总线使用权（2）寻址阶段。取得使用权的模块通过总线发出本次要访问的从模块的地址及有关命令（3）传数阶段。主模块和从模块进行数据交换（4）结束阶段。主模块总线上撤除，让出总线使用权。总线仲裁1.集中式总线仲裁（1）链式查询控制总线中有3根线用于总线控制（BS-总线忙、BR-总线请求、BG-总线同意），其中总线同意信号BG是串行地从一个I/O接口送到下一个I/O接口。离总线仲裁部件最近的设备具有最高的优先级。总线仲裁1.集中式总线仲裁（2）计数器定时查询总线仲裁部件接到由BR送来的总线请求信号后，在总线未被使用（BS=0）时，总线仲裁的计数器计数，并通过设备地址线，向各设备发出计数值。当某个请求占用总线的设备的设备地址与计数值一致时，获得总线使用权，建立总线忙BS信号。总线仲裁1.集中式总线仲裁（3）独立请求方式每一台设备均有一对总线请求线Bri和总线同意线Bgi

。当设备要求使用总线时，便发出该设备的请求信号。总线控制部件中有一排队电路，可根据优先次序确定响应哪一台设备的请求。总线仲裁2.分布式仲裁分布式仲裁中，每个主控设备都有自己的仲裁号和仲裁器。当需要总线请求时，把它们唯一的仲裁号发送到共享的仲裁总线上。每个仲裁器将仲裁总线上得到的号与自己的号进行比较。如果仲裁总线上的号大，则它的总线请求不予响应，并撤销它的仲裁号。最后，获胜者的仲裁号保留在仲裁总线上。可见，分布式仲裁是以优先级仲裁策略为基础，分布式仲裁下仲裁号愈大优先级愈高。总线仲裁2.分布式仲裁假定仲裁总线由8根仲裁线组成，则可以分配28个仲裁号。竞争线默认为逻辑“1”，仲裁线的逻辑为“线或”总线仲裁2.分布式仲裁【例4-1】假定设备1和设备2同时要求使用总线，它们的仲裁号分别为00000101和00001010，解释两个设备的分布式仲裁过程。两个设备的CN7~CN4经过如图4-5的逻辑后，AB7~AB4均为1。设备1的CN3为0，设备2的CN3为1，经过仲裁后AB3为0。此时设备1中AB3对应的或门电路的输入为CN3=0和AB3=0，所以对应的竞争线W3输出为0。根据电路逻辑，设备1的后续仲裁结果均为1，与仲裁号CN无关。而设备2的CN3为1，其对应的竞争线W3输出为仍为1，后续的仲裁结果与CN有关。以此类推，最后仲裁线得到的结果为11110101，取反后即为设备2的仲裁号00001010，所以设备2获得总线的使用权。总线握手1.同步通信时序必须由总线控制部件发出的时钟信号对它们进行同步同步式数据输入传输同步式数据输出传输总线握手2.异步通信异步通信允许各模块速度的不一致性，当主模块发出请求信号时，一直等待从模块反馈回来“确认”信号后，才开始通信。总线握手2.异步通信（1）不互锁方式主模块发出请求信号后，不必等待接到从模块的回答信号，而是经过一段时间，确认从模块已收到请求信号后，便撤销其请求信号；（2）半互锁方式主模块发出请求信号，必须等待接到从模块的回答信号后再撤销其请求信号，有互锁关系；（3）全互锁方式主模块发出请求信号，必须待从模块回答后再撤销其请求信号；从模块发出回答信号，必须待获知主模块请求信号已撤销后，再撤销其回答信号。双方存在互锁关系，故称为全互锁方式。总线握手3.半同步通信半同步通信既保留了同步通信的基本特点，所有的地址、命令、数据信号的发出时间，都严格参照系统时钟的某个前沿开始，而接收方都采用系统时钟后沿时刻来进行判断识别；同时又像异步通信那样，允许不同速度的模块和谐地工作。/03常用总线标准AMBA总线高级微控制器总线架构（AMBA）包括高级高性能总线(AHB)和高级外设总线（APB）AHB用于高性能系统模块的连接，可以有效地连接处理器、片上和片外存储器，支持流水线操作APB用于较低性能外设的简单连接，一般是通过桥和AHB相连，是接在系统总线上的第二级总线PCI总线（1）高性能（2）总线设备工作与

CPU相对独立（3）即插即用（4）支持多主控设备（5）错误检测及报告PCI-E总线PCI-E是串行总线PCI-E总线支持双向传输和数据分通道传输PCI-E总线充分利用先进的点到点互连、基于交换的技术、基于包的协议PCI-E与PCI总线保持良好的继承性PCI-E总线充分利用先进的点到点互连，降低了系统硬件平台设计的复杂性USB总线通用串行总线USB（UniversalSerialBus）是目前电脑端不可或缺的接口总线（1）传输速率高（2）