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1、总线结构与分类总线时序总线标准：片内AMBA总线总线标准：PCI总线现代串行总线4.1 4.1 总线技术总线技术u 总线要素总线要素实现计算机互联线路介质种类 电缆（双绞线、同轴线），光缆，无线特性 数据传输率（MB/s，Mb/s）带宽，噪声、失真、衰减特性等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。总线的特点在于公用性，总线由多条通信线路（线缆）组成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总线协议 总线参与者必须遵守的规则和约定MPUMI/O总线总线单总线MPUI/OM存储器总线存储器总线I/O总线总线双总线MPU局部局部I/O局部局部M缓冲
2、器缓冲器总线控总线控制逻辑制逻辑 全局全局 全局全局MI/ODMA控制器控制器双重总线局局部部总总线线全局总线全局总线u 总线组织总线组织多级总线 高速设备和低速设备分开 提高总线利用率暂存器暂存器ALU寄存器寄存器控制器控制器片片内内总总线线（主板）（主板）片总线片总线AB CB DB （插槽）（插槽）内总线内总线（系统间连接）外总线（系统间连接）外总线MPURAMROMI/OI/O接口外设ABDBCB一般控制信号包括lM/IO写lM/IO读l中断请求l中断响应l时钟l复位 l总线请求l总线请求允许l总线传输确认u 总线分类总线分类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
3、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）地址总线地址总线控制总线控制总线数据总线数据总线并行总线并行总线串行总线串行总线同步同步异步异步半同步半同步同步同步异步异步位置位置范围范围功能功能数据数据格式格式时序时序总线驱动 （缓冲器）数据锁存（锁存器）总线隔离（三态门）设备抗干扰（光电耦合）T操作00BA10ABx1高阻OEAiTOEBi双向三态缓冲器STBDiDCLKDoOE三态锁存/缓冲DiSTBOEDo例 8086微处理器中的总线复用 8086采用地址总线与数据总线、地址总线与控制总线合用引脚的方式节约引脚数量。这种复
4、用技术的基础是时间分隔和总线锁存技术。数据数据缓冲器缓冲器地址地址锁存器锁存器ABDBALEDEN8086AB/DBAB/DBALEDENVcc8282OESTB8282OESTB8282OESTB8286OET8286OETALEDENRDT/AD15-0BHEA19/S6 A16/S3AB CS译码器译码器RAMAB CSRAMMN/MXRDWRD0-D15D0-D158284ACLKREADYRESET8086CPUVccDIDOABBADODIDIDOu 总线带宽总线带宽单位时间总线能传送的最大数据（bit）量)Hz()(bit时钟频率传输周期数总线位宽例 总线位宽16bit，传输需要
5、2个周期，时钟频率33MHz。总线带宽=16*33/2=264Mbps=33MBps提高总线带宽提高时钟频率增加位宽减少传输周期数例 PCI总线位宽32bit，时钟33MHz， 带宽=32X33/8=132MB/su 总线仲裁总线仲裁管理系统中多个主设备的总线请求，避免总线冲突管理系统中多个主设备的总线请求，避免总线冲突当多个设备同时提出请求时按优先级裁决使用权当多个设备同时提出请求时按优先级裁决使用权l 分布式(对等式)仲裁 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 协议复杂且昂贵，效率高协议复杂且昂贵，效率高l 集中式(主从式)仲裁 采用专门
6、的控制器或仲裁器采用专门的控制器或仲裁器 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 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模块1模块2模块N仲仲裁裁器器串行仲裁模块1模块2模块N仲仲裁裁器器并行仲裁总线请求BR总线忙BB总线允许BGBRBGBBl 集中式仲裁优先级由模块在BG线的位置决定灵活、易扩展模块数量多会减慢总线响应速度优先级别由总线仲裁器内部模块判定；总线请求响应的速度快；扩充性较差l 分布式仲裁in out主设备1in out主设备2in out主设备3in out主设备n+5V使用总线的主设备必须i
7、n端为高，且将out置低无中央仲裁器，主设备自带控制逻辑请分析仲裁逻辑？仲裁线仲裁线总线忙总线忙总线请求总线请求u 总线操作与时序总线操作与时序通过总线进行数据传送称为总线操作总线设备完成一次完整信息交换的时间称为总线周期总线时序是指总线事件的协调方式为实现可靠的数据传送，收发双方必须遵守的定时关系读/写存储器周期读/写IO端口周期DMA周期中断周期总线请求和仲裁阶段总线请求和仲裁阶段寻址阶段寻址阶段传送阶段传送阶段结束阶段结束阶段u 总线时序总线时序同步总线时序总线上所有信号之间的时间关系以同一个时钟为参考CLKABRD*DBCLK上升沿发出地址，下降沿读/写协调总线设备的步骤和配合，协调总
8、线设备的步骤和配合，实现可靠的寻址和数据传输实现可靠的寻址和数据传输电路简单电路简单,传输率高传输率高TADTDSTRSTRH TDH T地址建立时间地址建立时间数据建立时间数据建立时间数据维持时间数据维持时间读信号维持时间读信号维持时间读信号建立时间读信号建立时间异步总线时序DBABRD/MasterSlave读写无绝对时间关系，采用握手方式保证数据传输同步互锁联系互锁联系,可靠性好，控制复杂可靠性好，控制复杂,速度降低；适用于收发速率差速度降低；适用于收发速率差异较大的总线操作异较大的总线操作WR准备好接收了准备好接收了（ M线变高）线变高）ok，收到了，收到了（M线变低）线变低）知道，开
9、始发送（知道，开始发送（ S线变高）线变高）（DB有数据，有数据，RD/WR=1 读读 ）那就结束了。那就结束了。 （ S线变低）线变低）（DB数据撤销数据撤销 ）半同步总线时序共有时钟，可插入等待周期协调主控、受控设备同步TWWAITDBRD/CLKAB写读受控设备提出等待请求，主控设备延长数据保持时间兼有同步总线简洁高速和兼有同步总线简洁高速和异步总线可靠灵活的优点异步总线可靠灵活的优点WR逻辑规范 信号有效电平，格式，传输方向定时规范 传输时序，收发同步差错控制 检错和纠错方法机械规范 连接器的物理尺寸与标准电气规范 总线元件的电气性能和约束通信协议 总线参与者必须遵从的规定和约定u 片
10、内片内AMBA总线总线AMBA Advanced Microcontroller Bus Architecture先进高性能总线AHB （Advanced High-performance Bus）适用于高性能和高吞吐设备之间的）适用于高性能和高吞吐设备之间的连接，如连接，如CPUCPU、片上存储器、片上存储器、DMADMA设备、设备、DSPDSP等等先进系统总线ASB（Advanced System Bus）适用于）适用于高性能系统模块。与高性能系统模块。与AHBAHB的主要不同是读写数据采用了一的主要不同是读写数据采用了一条双向数据总线条双向数据总线先进外设总线APB（Advanced P
11、eripheral Bus）适）适用于低功耗外部设备，经优化减少了功耗和接口复杂度。用于低功耗外部设备，经优化减少了功耗和接口复杂度。适合较复杂的应用，需要遵守较简单的操作协议；拥有众适合较复杂的应用，需要遵守较简单的操作协议；拥有众多的第三方支持多的第三方支持l AHBAHB总线总线AHB主要用于高性能模块(如CPU、DMA和DSP等)之间的连接 单个时钟边沿操作；单个时钟边沿操作；非三态的实现方式；非三态的实现方式；支持突发传输；支持突发传输；支持分段传输；支持分段传输；支持多个主控制器；支持多个主控制器；可配置可配置32位位128位总线宽度位总线宽度 高带宽外部高带宽外部存储器接口存储器
12、接口高性能高性能ARM处处理器理器高带宽高带宽片上片上RAMDMAC桥桥接接器器UARTTimerkeypadPIOAMBA总线微处理器系统AHB/ASBAPBAHB 主机 总线主机能够通过提供地址和控制信息发起读写操作。任何时候只允许一个总线主机处于有效状态并能使用总线。AHB 从机 总线从机在给定的地址空间范围内响应读写操作。总线从机将成功、失败或者等待数据传输的信号返回给有效的主机。AHB 仲裁器 总线仲裁器确保每次只有一个总线主机被允许发起数据传输。AHB 译码器 用来对每次传输进行地址译码并且在传输中包含一个从机选择信号。所有AHB 执行都必须仅要求有一个中央译码器。 典型的AMBA
13、 AHB 系统设计包含以下的成分： AHB互连互连 AHB总线的接口信号总线的接口信号AHB主模块接口AHBmaster仲裁器授予仲裁器授予HGRANTxHREADYHRSEP1:0HRSETnHCLKHRDATA31:0HBUSREQxHLOCKxHADDR31:0HSIZE2:0HPROT3:0HBURST2:0HWDATA31:0HTRANS1:0HWRITE传输完成传输完成复位复位时钟时钟读数据读数据写数据写数据地址地址总线请求总线请求总线锁定总线锁定传输类型传输类型读写控制读写控制传输大小传输大小突发类型突发类型保护控制保护控制传输响应传输响应AHB从模块接口AHBslaveHREA
14、DYHRSEP1:0HRSETnHCLKHRDATA31:0HADDR31:0HSIZE2:0HBURST2:0HWDATA31:0HTRANS1:0HWRITE传输完成传输完成复位复位时钟时钟读数据读数据写数据写数据地址地址传输类型传输类型读写控制读写控制传输大小传输大小突发类型突发类型传输响应传输响应HSELxHMASTER3:0HMASTLOCKHSPLITx15:0Split- capable slave主机号主机号锁定序列锁定序列从机选择从机选择分块完成请求分块完成请求每个从机的最大地址空间1kB在在AHB总线上，一次完整的传输可以分成两个阶段：地址传送阶段总线上，一次完整的传输可以
15、分成两个阶段：地址传送阶段与数据传送阶段。数据传送阶段传送的是读或写的数据和响应信号与数据传送阶段。数据传送阶段传送的是读或写的数据和响应信号Address phaseData phaseHCLKHADDR31:0ControlHWDATA31:0HRDATA31:0HREADYDataDataATovaTovctlTovwdTohwdTisrdyTihrdTisrd地址有地址有效时间效时间写数据有写数据有效时间效时间写数据保写数据保持时间持时间准备信号准备信号有效时间有效时间读数据有读数据有效时间效时间读数据维读数据维持时间持时间控制信号控制信号有效时间有效时间HWRITEHSIZEHBUR
16、STHPROTControl传输过程主机传输发起从机传输响应分块传输1 主机发起传输2 从机给出SPLIT传输响应，并记录主机号3 仲裁器移交总线至其他主机4 从机准备好后，由HSPLITx指示仲裁器哪个主机应重获总线5 仲裁器授予该主机总线6 传输开始，从机以“OKAY”响应结束HRESP1HRESP1响应00OKAY01Error10RETRY11SPLITHREADY与与HRESP1：0配合配合l APB APB总线总线APB主要用于低带宽的周边外设之间的连接主要用于低带宽的周边外设之间的连接APBslavePENABLEPRSETnPCLKPRDATA31:0PADDR31:0PWRI
17、TE读数据读数据PSELxPWDATA31:0写数据写数据地址地址读写控制读写控制从机选择从机选择复位复位时钟时钟选通选通 低速、低功耗外部总线; 单个总线主设备控制器; 非常简单,加上CLOCK和RESET,总共只有4个控制信号; 锁存地址和控制;APB从模块接口APB 桥既是APB总线上唯一的主模块，也是AHB系统总线上的从模块。其主要功能是锁存来自AHB系统总线的地址、数据和控制信号，并提供二级译码以产生APB外围设备的选择信号，从而实现AHB协议到APB协议的转换。 桥桥接接器器UARTTimerkeypadPIOAPBAHB 锁存地址使之在整个传输期有效； 译码地址并产生外设选择信号
18、PSELx,在一次传输期间只有一个选择信号有效； 写传输,驱动数据到APB总线上； 读传输,驱动APB数据到系统总线上； 为传输产生选通信号PENABLE。APBBRIDGEPENABLEPRSETnPCLKPRDATA31:0PADDR31:0PWRITEPSEL1nPWDATA31:0系统总线系统总线从机接口从机接口 AHBAPBAPBslavePENABLEPRSETnPCLKPADDR31:0PWRITEPSELxPWDATA31:0PWDATA31:0HCLKA1T1T2T3T4T5D1D1A1HADDRHRDATAHWRITEHREADYPADDRPRDATAPWRITEPSELP
19、ENABLE从APB读HCLKHADDRHWDATAHWRITEHREADYPADDRPWDATAPWRITEPSELPENABLEA1T1T2T3T4T5D1D1A1T6来自AHB写IDELPSELx=0PENABLE=0SETUPPSELx=1PENABLE=0ENABLEPSELx=1PENABLE=1TransferNo transferTransferNo transferAPB传送状态u （Peripheral Component Interconnection 外围组件互连外围组件互连 ）独立于CPU构造，支持多种外设，为PC广泛采用同步总线，33/66MHz时钟，32位传输（可
20、扩展64位） ；突发传输模式，基本传输率132MBps地址/数据总线复用，减小总线规模AD31:0地址地址/数据数据C/BE3:0控制命令控制命令/数据位允数据位允许许PAR奇偶校验信号奇偶校验信号FRAME帧周期帧周期IRDY主设备准备好主设备准备好TRDY从设备准备好从设备准备好STOP从设备要求主设备从设备要求主设备停止当前数据传输停止当前数据传输IDSEL初始化设备选择初始化设备选择DEVSEL设备选择设备选择PERR数据奇偶检验错数据奇偶检验错SERR系统出错系统出错REQ总线请求总线请求GNT总线允许总线允许CLK时钟时钟RST复位复位1 2 3 4 5 6 7 8 CLKADFR
21、AMEC/BEIRDYTRDYDEVEL字节使能字节使能CMDADDRESSDATA1DATA2DATA3PCI 总线读操作有效有效,代表总线周期开始代表总线周期开始FRAMET1 AD输出地址输出地址, 输出总线命令码输出总线命令码T2 AD输出高阻输出高阻, 有效，从机有效，从机 响应响应DEVELIRDYC/BET3 AD输出数据输出数据, 输出字节使能输出字节使能C/BE主机在每个数据期主机在每个数据期1/2处采样处采样AD1 2 3 4 5 6 7 8 CLKADFRAMEC/BEIRDYTRDYDEVEL使能使能1CMDADDRESSDATA1DATA2DATA3PCI 总线写操作
22、PAR效验效验效验效验1效验效验2效验效验3使能使能2使能使能3总线共享总线共享 充分利用总线带宽ABCD组组合合ABCDA数据包多路多路转换转换ABCDABCD组组合合f1(A)f2(B)多路多路转换转换ABCD共享总线共享总线f3(C)f4(D)TDMFDM分时传送分时传送分频带传送分频带传送ABCD组组合合s1(A)s2(B)多路多路转换转换ABCD共享总线s3(C)s4(D)CDM分码型传送分码型传送u 串行总线串行总线总线数据传输按位（总线数据传输按位（bit）依时间次序进行）依时间次序进行现代串行总线特征：差分信号、数据包形式、点对点现代串行总线特征：差分信号、数据包形式、点对点特
23、点：经济、远距离、低干扰。应用日益广泛l 传输方向发送器接收器接收器发送器接收器发送器发送器接收器发送器接收器ABBBAA单工半双工全双工l 传输速率与距离比特率(bit/s) 单位时间传送的二进制位波特率(baud/s) 发送到通信线路的电脉冲速率基波传送下，通信线路状态每改变一次送出1位数据，此时波特率=比特率例：按 RS-232C串行总线标准（非平衡传输）传输距离15m（波特率9600bps） ；RS-485/422标准（平衡传输）传输距离1219m（波特率100kbps）；USB2.0（平衡传输）传输距离5m（波特率480Mbps ）传输速率越高，传输距离越短。当然还与信号驱动方式有关
24、l 差错控制发送方根据发送数据产生效验码，接受方根据收到的数据和效验码来判断传送数据是否正确。常用控制机制有检错重发(ARQ)、前向纠错(FEC)、混合纠错(HEC) 。奇偶效验和CRC循环冗余效验是常用检错方法。l 传输时序同步总线：收、发方使用同一个总线时钟异步总线：收、发方使用同各自时钟01100001CLKDATA时钟下降沿发送时钟上升沿接收典型的同步传输时序同步字符 数据1 数据2 数据n CRC字符1 CRC字符2同步数据格式典型的异步传输时序（协议） 1 1 0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1 1 1 1 0 1/0 1/0空闲位空闲位 数据位
25、数据位 1 帧帧奇偶校验奇偶校验停止位停止位b0 b1 b2 b3 b4 b5 b6 起始位起始位空闲下一帧比较：同步通信有更严格的时间关系，以数据块为单位传输，速度快、效率高，结构较复杂（需调制时钟）。适合大量数据长距离传输（网络）；异步通信结构简单，以字符为单位传输，需要额外信息保证同步，效率低。适合少量数据短距离传输（点对点）。 异步通信的关键在于准确检测起始位的前沿,以及随后的传输同步。 通常的作法是，使接收方选取比位时钟频率（波特率）高若干倍的时钟来控制采样时间，比如16倍频、32倍频、64倍频。以16倍频时钟为例，接收方在检测到一个下降沿后开始计数，计数时钟即是接收时钟。计到8个时
26、钟时对输入信号采佯，若仍为低电平，则确认起始位。此后接收方每隔16个时钟对输入线采样一次，直至停止位到来。 接收接收方检方检测到测到“低低”8T后后采样采样采采样样b0采采样样b116T16T确认起始位采样停采样停止位止位异步通信错误异步通信错误 效验错，溢出，帧错效验错，溢出，帧错l RS-232C异步通信接口标准美国电子工业协会（Electronic Industry Association，简称EIA）颁布的串行总线标准，支持异步通信协议。RS-232C对信号电平、控制信号定义两方面的内容作了规定。EIA标准规定被驱动电路/终端的电容(包括电缆连接电容)必须小于2500pF，这时电缆最长
27、为50英尺(15.24m)。数据10电平(LOAD)-15-3V+3+15VEIA电平电气规范计算机通信中常用的RS232C信号引脚号引脚号符号符号方向方向功能功能3TXD输出输出发送数据发送数据2RXD输入输入接收数据接收数据7RTS输出输出请求发送请求发送8CTS输入输入清除发送清除发送6DSR输入输入数据通信设备数据通信设备DCEDCE准备好准备好5GND信号地信号地1DCD输入输入数据载体检测数据载体检测4DTR输出输出数据终端数据终端DTEDTE准备好准备好9RI输入输入振铃指示振铃指示几种常用的RS-232C接口连线计算机计算机TXDRXDGNDTXDRXDGNDDTRDSRRTS
28、CTSTXDRXDGNDDTRDSRRTSCTSTXDRXDGNDDTRDSRRTSCTSTXDRXDGNDDTRDSRRTSCTS串行通信接口电路示意总总线线电平转换、电平转换、驱动驱动+15V，-15V接接口口芯芯片片D0D7译码ABD0D7A0A2CSCLKRDWRRESMRIOWIORIRQINTR14881489CTSRIRLSDDSRSINSOUTRTSDTRTXDRTSDTRCTSDSRCFRIRXDDCETTLEIAl RS-485标准采用平衡差分传输技术，提高传输速率和距离最大传输率10Mb/s最长传输距离1200m(90Kb/s)节点 1发32收RODIDIABBADERE
29、RODERE现代串行总线现代串行总线 PCI Express x1 两个方向同时以2.5GHz频率传送数据l PCI-E总线USB 2.0 480Mbps 半双工USB 3.0 5.0Gbps 全双工l 通用串行总线 Universal Serial BUS VBUSGNDD+D-方便使用电缆和连接器具有唯一的型号、支持PnP、提供内置电源 应用范围广支持多连接、支持对多个设备的同时操作、支持127个物理外设，同时支持全速和低速设备l SATA （ Serial Advanced Technology Attachment） SATA1.0150MB/s SATA2.0 300MB/sl Fire wire-IEEE 1394标准 视频设备、数字音频产品、数码相机、扫描仪和打印机、家庭娱乐设备（DVD、PVR、数字电视机等） FireWire 400 400 Mbit/s 4.5mFireWire 800 800Mbps 100m(玻璃纤维)