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1、嵌入式计算平台 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望计算平台综合平台n nCPUCPUn nI/OI/O设备设备n n存储器存储器1、CPU总线传统计算机：CPU内存总线，I/O总线嵌入式系统：CPU，存储器加上设备总线总线是连接是连接I/O设备、设备、CPU、存储器各子系统间的共享通、存储器各子系统间的共享通信线路信线路最大优点：最大优点：价格低、通用性、灵活性好价格低、通用性、灵活性好最大缺点：最大缺点：通信瓶颈（带宽）通信瓶颈（带宽）商用系统：商用
2、系统：I/O 频繁频繁 科学系统：科学系统：I/O速度要与处理机速度相匹配速度要与处理机速度相匹配总线类型总线类型传输方向传输方向传输方向传输方向 单向单向单向单向 双向（半双工、全双工）双向（半双工、全双工）双向（半双工、全双工）双向（半双工、全双工）用法用法用法用法 专用专用专用专用 ：流量高、无争用现象、控制简单；：流量高、无争用现象、控制简单；：流量高、无争用现象、控制简单；：流量高、无争用现象、控制简单；总线数目多，时间利用率低，难小型化。总线数目多，时间利用率低，难小型化。总线数目多，时间利用率低，难小型化。总线数目多，时间利用率低，难小型化。非专用：共享性。非专用：共享性。非专用
3、：共享性。非专用：共享性。造价低、模块性强，易扩充造价低、模块性强，易扩充造价低、模块性强，易扩充造价低、模块性强，易扩充 会出现争用现象、对失效敏感。会出现争用现象、对失效敏感。会出现争用现象、对失效敏感。会出现争用现象、对失效敏感。非专用总线的多种连接方式：非专用总线的多种连接方式：单总线单总线-可靠性差可靠性差 简化和统一的接口，简化和统一的接口，多重总线多重总线 总线流量与总线长度有矛盾总线流量与总线长度有矛盾 多组非专用总线多组非专用总线 CPU-Memory总线：总线：短、快短、快 I/O总线：总线：长，各设备有不同的数据宽度、延长，各设备有不同的数据宽度、延 时、和带宽。使用总线
4、标准。时、和带宽。使用总线标准。远距离通讯总线（集线器）远距离通讯总线（集线器）纵横开关矩阵（每行每列最多只有一个开关接通）纵横开关矩阵（每行每列最多只有一个开关接通）通讯方式通讯方式 同步通讯：两部件由定宽、定距的时标同步。同步通讯：两部件由定宽、定距的时标同步。传输速率高，受总线长度影响小。但有传输速率高，受总线长度影响小。但有同步误差。同步误差。提高可靠性的方法：目的部件作回答。提高可靠性的方法：目的部件作回答。异步通讯：单向控制异步通讯：单向控制-（源（源/目的）目的）双向控制双向控制-互锁互锁/非互锁非互锁 总线标准总线标准 ESIA总线：总线：IBM-PC的的ISA发展而来，发展而
5、来，32,33MSCSI总线总线:来源于数组多路通道来源于数组多路通道PCI总线：总线：IPI总线：总线：异步总线协议四周期基本协议1、设备1上升Req2、当设备2就绪，上升ACK3、数据传输完毕时，设备2下降Req4、设备1下降ACK总线地址线数据线控制线n nReqReqn nACKACKn nDataRdyDataRdyn nRead/WriteRead/Writen nEtc.Etc.提高CPU总线利用率突发传输n n一次一次AddrAddrn n多个数据多个数据非连接传输n n请求与响应分开请求与响应分开DMADMADMA控制器在控制器在控制器在控制器在CPUCPU启动启动启动启动I
6、/O I/O 操作后，直接在设备与操作后，直接在设备与操作后，直接在设备与操作后，直接在设备与存储器间传递数据。存储器间传递数据。存储器间传递数据。存储器间传递数据。传送完毕再向传送完毕再向传送完毕再向传送完毕再向CPUCPU发中断请求。通过周期挪用方式发中断请求。通过周期挪用方式发中断请求。通过周期挪用方式发中断请求。通过周期挪用方式占用总线。占用总线。占用总线。占用总线。DMA控制器寄存器n n起始地址寄存器起始地址寄存器n n长度寄存器长度寄存器n n状态寄存器状态寄存器控制电路控制器基本工作原理多总线方式CPU，高速设备：高速总线低速设备：低速总线总线之间：总线桥桥：n n传输指令传输
7、指令n n协议翻译协议翻译ARM的AMBA总线AMBA总线宽度有32位、64位和128位多种定义。AMBA的AHB连接高性能和高时钟频率的系统模块，同时具有多主机、脉冲传输和分段处理的功能。高级高性能总线AHBAHBAHB的作用是允许在主从器件之间传输数据。的作用是允许在主从器件之间传输数据。AHBAHB主器件主器件n n可以向从器件传输数据可以向从器件传输数据n n向其提供外部地址空间中的地址以接收从器件的数据向其提供外部地址空间中的地址以接收从器件的数据AHBAHB从器件从器件n n在选中后，提供或接收主器件的数据。在选中后，提供或接收主器件的数据。n n从器件可以延迟数据传输过程或返回错
8、误代码。从器件可以延迟数据传输过程或返回错误代码。AHBAHB主器件的实例为主器件的实例为ARMARM处理器，或其它有处理器，或其它有DMA(DMA(直接存储访问直接存储访问)功能的外设，如以太网功能的外设，如以太网MACMAC或或USBUSB主机主机/器件控制器。器件控制器。主要的AHB信号HCLKHCLK总线参考时钟总线参考时钟HADDRHADDR地址地址(由由AHBAHB主器件发出主器件发出)HWRITEHWRITE传输方向：读传输方向：读/写写(由由AHBAHB主器件发出主器件发出)HREADYHREADY传输完成响应传输完成响应(由由AHBAHB从器件发出从器件发出)HWDATAHW
9、DATA写入数据总线写入数据总线(从从AHBAHB主器件至主器件至AHBAHB从从器件器件)HRDATAHRDATA读取数据总线读取数据总线(从从AHBAHB从器件至从器件至AHBAHB主主器件器件)(AHB)控制信号和状态信号HRESP传输状态(由AHB从器件发出)HBURST脉冲模式(由AHB主器件发出)HTRANS传输状态(由AHB主器件发出)HSIZE脉冲长度(由AHB主器件发出)HPROT保护类型(由AHB主器件发出)AHBAHB外设可能立即发送外设可能立即发送/接收数据，或通过发出接收数据，或通过发出HREADYHREADY信号插入等待状态。从器件也通过信号插入等待状态。从器件也通
10、过HRESPHRESP信号返回传输状态，这些状态可能如下信号返回传输状态，这些状态可能如下OKAY(OKAY(成功成功)：传输成功成功完成信号传输的传输成功成功完成信号传输的缺省响应。缺省响应。ERROR(ERROR(错误错误)：不成功的传输表示出现了异：不成功的传输表示出现了异常中断，例如访问一个不存在的内存地址。常中断，例如访问一个不存在的内存地址。RETRY(RETRY(重试重试)：从器件无法立即实现操作，主器：从器件无法立即实现操作，主器件应在稍后重试。件应在稍后重试。SPLIT(SPLIT(等待等待)：从器件将要求列队等待从器件：从器件将要求列队等待从器件将在可以提供或接收数据时发出
11、通知，可用于中将在可以提供或接收数据时发出通知，可用于中断多个传输断多个传输(脉冲脉冲)。重试和等待的主要区别在于，重试表明从器件仍未就绪；主器件可在任意时重试和等待的主要区别在于，重试表明从器件仍未就绪；主器件可在任意时刻重发命令。而等待包含的协议较为复杂，它就绪后将通过这一协议通知判刻重发命令。而等待包含的协议较为复杂，它就绪后将通过这一协议通知判优器。等待处理对从器件逻辑的要求较为复杂，并非必备的从器件功能。优器。等待处理对从器件逻辑的要求较为复杂，并非必备的从器件功能。AHB主器件判优信号HREQ总线要求(由AHB主器件发出)HGNT总线指派(由AHB判优器发出)HLOCK总线锁定(由
12、AHB主器件发出)HMASTER指定目前工作的主器件(由AHB判优器发出)HMASTLOCK主器件执行锁定传输(由AHB判优器发出)AHB-Lite，定义了一种没有多主总线功能的纯AHB接口子集AHB和AHB-Lite之间的关键差别不论是主模块还是从模块，后者都可以通过各种互连策略不论是主模块还是从模块，后者都可以通过各种互连策略链接，在芯片设计中获得最大带宽链接，在芯片设计中获得最大带宽高级外设总线(APB)AMBA的APB用于连接速度较慢的系统模式和带宽较低的外设，将功耗降至最低，并减小接口的复杂性。所有的总线信号都与时钟有关，可以使用时钟频率较低的总线(低于AHB)。AHB主器件不直接与
13、APB外设相连，而是通过APB桥进行通信。如下图主要的APB信号PCLK外部时钟，可以是HCLK的乘积，由APB桥控制PADDR外设地址PWRITE外设传输方向(读/写)PSELx外设选中，与HSEL相似PWDATA写入数据总线(写入外设)PRDATA读取数据总线(从外设中读取)PENABLE外设数据起动AMBA例子ExcaliburExcalibur是是AlteraAltera公司的系列嵌入式处理器可编公司的系列嵌入式处理器可编程逻辑解决方案程逻辑解决方案单个单个ExcaliburExcalibur器件上包含了单端口器件上包含了单端口RAMRAM和双端口和双端口RAMRAM、3030万门的标
14、准单元区域、嵌入式处理器万门的标准单元区域、嵌入式处理器IPIP内核和一百万门的内核和一百万门的APEX20KEPLDAPEX20KEPLD，片上的晶体，片上的晶体管总数达到了管总数达到了8 8千多万千多万IPIP包括基于包括基于ARMARM的嵌入式处理器、基于的嵌入式处理器、基于MIPSMIPS的嵌的嵌入式处理器或其它任何商用嵌入式处理器入式处理器或其它任何商用嵌入式处理器总线可以分成三层。最上二层完全包含在带内，而其它两条总线用于在系统的可编程部分集成用户IP。在嵌入式ARM器件内的所有总线的宽度都为32位如图SHARC总线两个接口n n外部存储接口外部存储接口n n主机接口主机接口DMA
15、n n内存，外存，设备之间传输数据内存，外存，设备之间传输数据外存接口外部数据总线宽度16bit48bitDM总线与IO处理器可以访问整个外部地址空间PM总线24bit外存分为4个区接口信号（略）主机接口将SHARC连接到标准微处理器总线上主机将DSP功能移交给SHARC接口信号（略）SHARCDMA10个通道外部端口DMA通道，链接端口DMA通道：双向串口DMA：单向每个DMA通道一个中断2、存储设备存储器容量带宽随机存储器RAMSRAMDRAM只读存储器ROM掩模编程ROM现场可编程ROMn n紫外线可编程紫外线可编程ROMROMn n快速可编程快速可编程ROMROM闪存闪存3、IO设备1）定时器与计数器2）A/D和D/A转换器3）键盘4）发光二极管5）显示器6）触摸屏