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1、第第3章章 计算机总线计算机总线计算机总线基本概念计算机总线基本概念n计算机中多个功能部件共享的一组信息传输线称为总线。n采用总线结构便于模块和设备的扩充，使用统一的总线标准，不同模块间互连将更容易实现。n总线技术是系统模块化、组件化的基础。计算机总线的标准计算机总线的标准 n总线标准主要包括以下总线标准主要包括以下3个部分个部分机械结构规范机械结构规范：确定总线模块的尺寸，总线插头/插座、连接器的规格及位置。功能规范功能规范：确定总线信号的名称与功能，并对它们相互作用的协议(如时序关系)进行说明。电气规范电气规范：规定总线信号有效的高、低电平、状态转换时间、负载能力、电气性能的额定值及最大值
2、等。计算机总线分类计算机总线分类n片内总线片内总线：AMBA系列总线、IBM CoreConect总线、OCP总线、Wishbone总线等n内部总线内部总线：计算机内部各外围芯片与处理器之间的总线n系统总线系统总线：计算机内各扩展板与系统板之间的总线，用于板级互连n外部总线外部总线：计算机和外部设备之间的总线，计算机通过该总线和其他设备进行信息与数据交换，它用于设备一级的互连计算机系统总线特征计算机系统总线特征n总线的数据宽度n时钟频率n总线带宽：单位时间传输的数据总量n是否同步工作方式n信号线数量，但与复杂度成正比n数据/地址信号是否复用n负载能力：总线上能同时挂载的设备数量n总线控制方式：
3、如突发传输、自动配置、中断方式、仲裁方式等n电路板结构/尺寸n其它指标，如电源电压、扩展升级能力嵌入式系统总线的特点嵌入式系统总线的特点 n机械结构机械结构 通用计算机总线扩展板的结构、插座外型、定位、安装方式都很标准；嵌入式系统总线扩展板一般没有标准化的结构，而且要有良好的温度适应性、抗振动、防水、防潮、防电磁干扰等。n嵌入式系统对总线标准功能的补充嵌入式系统对总线标准功能的补充 由于对电源管理、功耗控制、设备检测、热插拔管理、总线驱动能力等方面存在特殊的要求，所以嵌入式系统总线可能在标准总线的基础上做少量的补充，如增加电源管理方面的信号、增加对热插拔的支持、提高某些信号的驱动能力等。PC机
4、系统总线发展机系统总线发展n1981年年，IBM为8088 PC机推出的系统总线，“PC总线“又称PC/XT”总线 n1984年年，IBM推出基于16位英特尔80286处理器的PC/AT电脑，PC总线才被16位的PC/AT总线所代替，但IBM没有开放PC/AT标准n1987年，年，由INTEL 公司、IEEE和EISA集团共同研制出以IBM PC总线规范为基础的总线标准规范ISA总线，即8/16位的“工业标准结构”n1988年年，九家计算机厂商合作，在ISA总线的基础上推出了为32位微机设计的“扩展工业标准结构”EISA总线PC机系统总线发展（续机系统总线发展（续1）n1992年，年，60余家
5、公司，对PC总线进行创新，推出了VESA Local Bus(简称VL总线)的局部总线标准VESA v1.0，486系列微机基本上都采用了VESA总线n19921993年年，Intel公司研制的PCI（Perpheral Component Interconnect），既具有VESA局部总线的高数据传输率、又与CPU相对独立，数据传输带宽达到132MB/sn19931994年年，Intel公司紧接着提出66MHz、64位的PCI总线，数据传输带宽达到533MB/sISA板卡实例板卡实例PCI卡实例卡实例PC机系统总线发展（续机系统总线发展（续2）n19962000年，Intel特别针对图形数据
6、的传输，相继提出了AGP（Accelerated Graphics Port）规范系列，包括AGP1.0(1X、2X)、2.0(4X)、3.0(8X)。带宽最大到2.1GBPC机系统总线发展（续机系统总线发展（续3）n2002年，Intel 支持的AWG(Arapahoe Working Group)制定PCI Express 总线规范nPCI Express总线是一种完全不同于过去PCI总线的一种全新总线规范 nPCI采用共享总线的方式，PCI-E采用点对点串行连接，各个设备之间并发的数据传输互不影响 nPCI-E技术规格允许实现X1（250MB/秒），X2，X4，X8，X12，X16和X3
7、2通道规格PCI Express板卡实例板卡实例其它系统总线其它系统总线nVME、Multibus、SBus、MicroChannel、IEEE FuturebusPC系统总线技术应用在嵌入式系统系统总线技术应用在嵌入式系统ISA(PC、PC/AT、PCI)PC/104PC/104+PC-104PCICPCIISA总线总线ISA在嵌入式系统中的应用实例在嵌入式系统中的应用实例 单片机驱动的10M以太网ISA总线规范总线规范nISA 是8/16bit 的系统总线n工作频率为8MHz，最大传输率8MB/sn允许多个CPU 共享系统资源。由于兼容性好，它在上个世纪80年代是最广泛采用的系统总线n传输
8、速率过低、CPU占用率高。后来在PC98 规范中，就开始放弃了ISA 总线，而Intel 从i810 芯片组开始，也不再提供对ISA 接口的支持ISA总线原理总线原理ISA总线ISA卡及插座卡及插座扩展板扩展板扩展槽扩展槽ISA总线信号分配总线信号分配 ISA总线信号分类总线信号分类ISA设备读写时序设备读写时序 PCI总线总线PCI总线在嵌入式系统的应用实例总线在嵌入式系统的应用实例 无线投影机网关系统实物系统实物(背面背面)miniPCI插座，扩展无线网卡插座，扩展无线网卡CF卡插座，存储卡插座，存储WinCE基于基于GX533的无线投影机网关的无线投影机网关GX533CS5535Mini
9、PCI槽槽DDR RAMBIOSUSBCF卡卡VGA接口接口PCI总线总线PCI在嵌入式系统的应用实例在嵌入式系统的应用实例 FIC8120开发板PCI总线总线PCI总线基本概念总线基本概念nPCI(Peripheral Component Interconnect，外部设备互连)nPC系统总线发展：ISA、EISA、PCI为什么会有为什么会有PCIn传统的ISA(8MB/S)、EISA(33MB/S)带宽不能满足新型设备的需求nPCI：32位、33MHz时带宽132MB/SnPeripheral Component Interconnect Special Interest Group(外围
10、部件互连特别兴趣组)，简称PCISIG 视频采集卡，分辨率720 x576，25帧/秒，8位R、G、B三分量视频格式：对于1000Mbps网卡设备，需要的数据传输带宽为：PCI总线特点总线特点n高性能：高性能：支持多种位宽和工作频率，32位、33MHz时峰值传输速率为132MB/s，64位、133MHz时峰值传输速率为1064MB/s。n资源丰富、成本低：资源丰富、成本低：PCI总线应用非常普及，通过多年积累，支持PCI总线的各种控制芯片极其丰富，电路成本较低。n易于使用：易于使用：PCI控制器内置配置寄存器，保存设备相关信息，支持上电自动配置，实现即插即用功能。n可扩展性好：可扩展性好：各种
11、位宽、工作频率的PCI扩展卡可实现向前、向后兼容，为系统和设备提供良好的可扩展性能。n支持不同的平台：支持不同的平台：PCI总线不依赖特定的处理器平台，能适应各种系统环境。PCI总线的应用总线的应用PCI总线系统结构总线系统结构典型PC机中的PCI总线 PCI总线信号总线信号 nPCI是一种并行总线并行总线，数据与总线的地址信号复用，可以减少总线连接器的引脚数量nPCI是多主总线多主总线，在一个总线中可以同时有多个主设备存在，多个主设备对总线竞争由PCI桥控制器的仲裁机制进行判决 nPCI接口信号包括信号包括：地址、数据、接口控制、总线仲裁及其它n对于PCI从设备，最少需要47个信号个信号，而
12、对于主设备，最少需要49个信号个信号 PCI总线信号总线信号47+251PCI总线的读操作总线的读操作系统信号系统信号nCLK：系统时钟，033MHz，除了RST#、INTA#、INTB#、INTC#、INTD#外，其余信号都在CLK的上升沿有效nRST#：复位信号，用于复位总线上的接口逻辑，并使PCI专用的寄存器、时序控制器及有关信号复位到特定的初始状态。地址与数据地址与数据nAD3100：地址数据多路复用信号，在FRAME#有效(低电平)时，表示地址相位开始，该组信号线上传送的是32位物理地址；在数据传送相位，该组信号线上传送数据信号，AD70为最低字节数据，而AD3124为最高字节数据n
13、CBE30：总线命令和字节允许复用信号，在地址相位中，这四条线上传输的是总线命令；在数据相位内，它们传输的是字节允许信号nPAR(Parity)：奇偶校验信号，用于对AD3100和cBE30上的信号进行偶校验偶校验，以保证数据的准确性（AD、C/BE及PAR信号上“1”的数量等于偶数）接口控制信号（接口控制信号（7个）个）nFRAME#：帧周期信号，该信号由当前主设备驱动主设备驱动，用来指示一个总线访问的开始和结束。当FRAME#被置为有效，表示传输操作的开始；当FRAME#保持有效状态时，数据传输持续进行；当FRAME#被置为无效，表示当前操作处在最后一个数据周期，或总线操作结束。nIRDY
14、#(Initiator Ready)：主设备准备就绪信号，由主设备驱动。该信号有效表明发起本次操作的主设备已经准备好结束当前传输操作的数据周期，IRDY#要与TRDY#相配合，当两个信号同时有效时，当前数据周期结束。在写周期，IRDY#表示AD31:00上数据有效；在读周期，该信号表示主控设备已准备好接收数据。如果IRDY#和TRDY#没有同时有效，则总线操作将被插入等待周期。接口控制信号（续接口控制信号（续1）nTRDY#(Target Ready)：从设备准备就绪信号，由从设备驱动。该信号有效表示从设备已经准备好结束当前总线操作的数据周期。同样，该信号要与IRDY#配合使用，二者同时有效才
15、能结束当前数据周期。在写周期内，TRDY#有效表示从设备已作好接收数据的准备；在读周期内，该信有效表示有效数据已提交到AD31:00上。nSTOP：当前从设备请求主设备停止当前总线操作。nLOCK#：锁定信号，由主设备驱动。PCI利用该信号提供一种互斥访问机制。该信号有效表示驱动它的设备对PCI桥所进行的一个原子操作(Atomic operation)可能需要多次传输才能完成，期间该桥路被独占。接口控制信号（续接口控制信号（续2）nIDSEL(Initialization Device Select)：设备选择信号（设备的片选信号），高电平有效。PCI桥控制器通过设置该信号选择特定的PCI设备
16、，对该设备的配置寄存器进行读写操作。nDEVSEL#(Device Selecl)：设备选择信号，由从设备驱动。从设备通过置位DEVSEL#信号表明它是被访问的目标。当前主设备根据该信号判断总线上是否有设备被选中 总线仲裁信号总线仲裁信号(主设备使用主设备使用)nREQ#(Request)：总线占用请求信号，需要占用PCI总线的主设备设备向总线仲裁器驱动该信号。REQ#是一个点到点信号，每一个主控设备都有自己专用的REQ#。nGNT#(Grant)：总线占用允许信号，当该信号有效时表示总线占用请求被允许。该信号也是点对点信号，每个总线主控设备都有自己的GNT#。错误报告信号错误报告信号 nPE
17、RR#(Parity Error)：奇偶校验错误信号，用于报告除特殊周期（PCI总线上一种简单的广播操作周期）外的PCI总线传输中的数据奇偶校验错误，由接收数据的设备驱动。nSERR#(System Error)：系统错误信号，用于报告特殊周期总线操作中的地址奇偶校验错误、数据奇偶校验错误，或任何其它可能导致灾难结果的系统错误。中断信号中断信号n每个PCI设备/连接器有四个可用中断请求信号引脚，INTA#、INTB#、INTC#、INTD#n单功能设备只能使用INTA#。n多功能设备可以灵活地使用这些中断信号，如只有一个中断源，则使用INTA#，如果有两个中断源，则可使用INTA#、INTB#
18、，依此类推，也可以多个中断源使用同一个中断信号，如多个功能都使用INTA#nPCI设备/连接器的中断请求信号需要连接到系统主板的中断控制器上，具体的连接方式由系统供应商决定 PCI总线的中断结构总线的中断结构64位总线扩展信号位总线扩展信号 nAD63:32：高位地址/数据复用信号。在地址周期，这些信号上传输的是高32位地址，在数据周期，传输高32位数据。nC/BE7:4#：总线命令和字节使能复用信号。在地址周期可以用于发出总线命令，在数据周期用于指示高32位数据中哪些字节是有效的。nREQ64#：64位传输请求信号。总线主设备将该信号置为有效，表示申请一个64位的数据传输操作。nACK64#
19、：64位传输请求应答信号。被寻址的目标设备将该信号置为有效，表示接受64位数据传输请求。nPAR64：高位数据奇偶校验信号。采用偶校验方式，即AD64:32、C/BE7:4#、PAR64信号中“1”的数量为偶数。PCI总线寻址总线寻址nPCI总线定义了三个地址空间：内存地址空间内存地址空间、I/O地址空间地址空间和配置地址空间配置地址空间nPCI采用分散地址译码，各设备有自己的译码逻辑，不需要中央译码逻辑nPCI的设备译码有两类：正向译码正向译码和反向译码反向译码，反向译码接受所有不被其它设备译码的操作，以免系统出现故障PCI的总线命令的总线命令C/BE3:0命令命令类类型型说说明明0000中
20、断中断应应答答是是对对系系统统中断控制器的一种中断控制器的一种读读操作，操作，总线总线地址相位中地址地址相位中地址信号没有意信号没有意义义，数据相位中字，数据相位中字节节使能信号表示返回的使能信号表示返回的中断矢量的中断矢量的宽宽度。度。0001特殊周期特殊周期为为PCI总线总线提供一种提供一种简单简单的消息广播机制。的消息广播机制。0010I/O读读从映射在从映射在I/O地址空地址空间间的的设备读设备读数据。数据。0011I/O写写向映射在向映射在I/O地址空地址空间间的的设备设备写数据。写数据。0100保留保留未定未定义义，保留，保留给给将来的将来的应应用。用。0101保留保留未定未定义义
21、，保留，保留给给将来的将来的应应用。用。0110存存储储器器读读从映射在存从映射在存储储器地址空器地址空间间的的设备读设备读数据。数据。0111存存储储器写器写向映射在存向映射在存储储器地址空器地址空间间的的设备设备写数据。写数据。PCI的总线命令的总线命令(续续)C/BE3:0命令命令类类型型说说明明1000保留保留未定未定义义，保留，保留给给将来的将来的应应用。用。1001保留保留未定未定义义，保留，保留给给将来的将来的应应用。用。1010配置配置读读读读IDSEL信号信号选选中中设备设备的配置空的配置空间间。1011配置写配置写写写IDSEL信号信号选选中中设备设备的配置空的配置空间间。
22、1100存存储储器多行器多行读读与存与存储储器器读读命令命令类类似，但主似，但主设备设备在一次在一次读读操作中可能操作中可能读读取取多个多个Cache行。行。Cache行行长长度在配置空度在配置空间间有关寄存器中有关寄存器中设设置。置。1101双地址周期双地址周期当地址不在低当地址不在低4GB空空间时间时，该该命令向支持命令向支持64位地址的位地址的设备设备传传送送64位地址。那些只支持位地址。那些只支持32位地址的位地址的设备设备不不应应响响应应该该命令。命令。1110存存储储器行器行读读与存与存储储器器读读命令命令类类似，但主似，但主设备设备在一次在一次读读操作中要操作中要读读取一取一个完
23、整的个完整的Cache行。行。1111存存储储器写并使无效器写并使无效与存与存储储器写命令器写命令类类似，但每次可完成一个或多个完整似，但每次可完成一个或多个完整Cache行的数据行的数据传输传输。PCI总线的读操作总线的读操作PCI总线的写操作总线的写操作PCI即插即用的实现即插即用的实现nPCI是即插即用总线是即插即用总线，当板卡插入系统时，系统会自动对板卡所需资源进行分配，如基地址、中断号等，并自动寻找相应的驱动程序 nPCI总线通过板卡中的一组被称为“配置空间配置空间”的寄存器实现即插即用n配置空间寄存器用配置空间寄存器用来存放各种板卡信息，如设备类型、基地址、中断等。上电后，系统BI
24、OS扫描PCI总线，根据各板卡配置空间的数据，就知道系统中有些什么卡n多功能设备中，每个功能都有自己独立的配置空间 PCI配置空间配置空间n配置空间共256个字节个字节，这些寄存器单元保存有关设备的各种属性n配置空间分成两部分：头标区（64字节）和设备有关区（192字节）配配置置空空间间的的头头标标区区164831 1615 00地址地址设备设备ID号号供供应应商商ID号号00h设备设备状状态态寄存器寄存器设备设备控制寄存器控制寄存器04h设备类设备类型型编码编码设备设备版本版本ID号号08h自自测试测试状状态态头标头标区区类类型型延延迟迟周期周期Cache行大小行大小0Ch基地址寄存器基地址
25、寄存器10h14h18h1Ch20h24hCardbus板卡信息板卡信息结结构指构指针针28h子系子系统设备统设备ID号号子系子系统统供供应应商商ID号号2Ch扩扩展展ROM基地址寄存器基地址寄存器30h保留保留功能列表指功能列表指针针34h保留保留38hMax_LatMin_Gnt中断脚配置中断脚配置中断配置信息中断配置信息3Ch配置空间设备识别类字段配置空间设备识别类字段n生产商识别号生产商识别号(Vendor ID)：该域用以标明设备的制造者。由PCISIG分配，以保证它的惟一性。该域为0FFFFH时属无效值，如果读出该值，说明设备不存在n设备识别号设备识别号(Device ID)：该域
26、用以标明特定的设备，具体代码由设备生产商来分配n版本识别域版本识别域(Revision ID)：指定一个设备特有的修改识别代码，其值由开发商来选定，是设备识别域的扩展n头标类型域头标类型域(Header Type)：一是表示配置空间内字节10H3FH的布局类型，二是指出设备是否具有多种功能。位7为0表示为单功能设备；0到6位编码为00h时，表示普通的PCI设备，当编码为01h时，表示PCI-to-PCI的桥控制器；当编码为02h时，表示CardBus桥控制器 n设备类型码设备类型码(Class Code)：标识设备的总体功能和特定的寄存器级编程接口分类代码域基分类代码域基本分类段定义本分类段定
27、义n分类代码域分三段n最高段（0Bh）为基本基本分类段n中间字节（0Ah）用于对设备类型进行更细致的说明 n最低字节（09h）定义一个特定的寄存器级编程接口，以便独立于设备的软件可以与设备交互数据 基本基本类类型型含含义义00h设备设备出出现现的的时间时间在在类别码类别码定定义义好之前好之前01h大容量存大容量存储储控制器控制器02h网网络络控制器控制器03h显显示控制器示控制器04h多媒体多媒体设备设备05h存存储储器控制器器控制器06h桥设备桥设备07h简单简单通通讯讯控制器控制器08h基本系基本系统统外外设设09h输输入入设备设备0Ah坞坞站站0Bh处处理器理器0Ch串行串行总线总线控制
28、器控制器0Dh无无线线控制器控制器0Eh智能智能I/O控制器控制器0Fh卫卫星通星通讯讯控制器控制器10h加密加密/解密控制器解密控制器11h数据采集与信号数据采集与信号处处理控制器理控制器12h-FEh保留保留FFh不适合任何已定不适合任何已定义类别义类别的的设备设备设备控制寄存器设备控制寄存器 n设备控制寄存器对设备产生或响应PCI总线操作的能力进行粗略的控制 n当该寄存器值被设置为“0”时，设备在逻辑上与PCI总线断开，除了配置访问（读写配置寄存器）外，不响应任何访问操作 设备控制寄存器数据位分配设备控制寄存器数据位分配设备状态寄存器（设备状态寄存器（Status）nStatus状态寄存
29、器用于记录PCI设备的工作状态信息 基地址寄存器基地址寄存器nPCI总线支持设备在地址空间的重定位 n系统上电时，在引导操作系统之前，独立于设备的软件（如PC中的BIOS）探测系统中安装了哪些设备 n软件需要知道系统中有多少内存、系统中安装的PCI设备需要多少占用地址空间 n基于这些信息，软件将PCI设备映射到合理的存储空间，并继续系统的引导过程 n为了支持这种设备无关的地址映射方式，在PCI设备的配置空间的头标区设置了基地址寄存器 映射到内存空间的基地址寄存器映射到内存空间的基地址寄存器映射到映射到I/O空间的基地址寄存器空间的基地址寄存器地址空间的计算及基地址的获取n软件向基地址寄存器写入
30、FFFFFFFFh，再读出来，清除编码信息位（对于内存基地址寄存器，把03位置零，对于I/O基地址寄存器，把0位置零），对得到的数按位取反，再加“1”，即地址空间大小。n如：FFFFFFFFh写入，读回FFF00000h，取反000FFFFFh，再加“1”，得 00100000h，即1MB。系统完成内存重定位，给设备分配基地址，将地址写入该寄存器，此时只有31：20是可写的。PCI配置空间分析工具（配置空间分析工具（PCI View）典型PCI网卡RTL8139配置空间设置93C46 128B存储网卡配置寄存器初始值RTL8019隔离变压器隔离变压器RJ-4593C46PCI总线总线93C46信号说明信号说明课后实验课后实验n使用PCIView查询PCI总线上各设备的配置空间，理解各设备配置空间数据的含义。课后阅读资料课后阅读资料nPCI Local Bus SpecificationS.PCI Special Interest Group，2001 nTom Shanley，Don Anderson.ISA System ArchitectureM.Addison-Wesley Publishing Company，1995.