chap4总线技术与总线标准

通信与信息工程学院无线通信与嵌入式系统实验室阎波E-mail:[e-mail]：028-61831107微处理器系统结构与嵌入式系统设计第四章总线技术与总线标准4.1总线技术总线基础总线组织总线仲裁总线操作与时序4.2常见总线标准并行总线标准串行总线标准要素（介质、协议）、分类、性能（总线带宽）单/双/多级总线集中/分布，串行/并行总线周期，同步/异步/半同步RS232、USB、1394、SPI、现场总线AMBA（片内总线）、PCI（系统内总线）、VXI（系统外总线）2020/1/112/84第四章习题作业：3~6、14思考：1、2、7、12、152020/1/113/84通信与信息工程学院无线通信与嵌入式系统实验室阎波E-mail:[e-mail]：028-61831107第四章结束计算机互联结构-总线interconnectionstructure：指计算机系统中连接各子系统的通路集合。总线(bus)是使用最普遍的互连结构。一．总线特点二．总线优势–减少部件间连线的数量非总线结构的N个设备的互联线组数为N*(N-1)/2非总线结构的M发N收设备间的互联线组数为M*N–扩展性好，便于构建系统–便于产品更新换代公用性2020/1/115/84总线要素一．线路介质1.种类：有线（电缆、光缆）、无线（电磁波）2.特性原始数据传输率带宽：传输介质可用的最高和最低频率之差对噪声的敏感性：内部或外部干扰对失真的敏感性：信号和传输介质之间的互相作用引起对衰减的敏感性：信号通过传输介质时的功率损耗二．总线协议总线信号：有效电平、传输方向/速率/格式等电气性能机械性能总线时序：规定通信双方的联络方式总线仲裁：规定解决总线冲突的方式如接口尺寸、形状等其它：如差错控制等无线电频段名称甚低频低频中频高频甚高频超高频特高频极高频符号VLFLFMFHFVHFUHFSHFEHF频率3-30KHz30-300KHz0.3-3MHz3-30MHz30-300MHz0.3-3GHz3-30GHz30-300GHz波段超长波长波中波短波米波分米波厘米波毫米波波长1KKm-100Km10Km-1Km1Km-100m100m-10m10m-1m1m-0.1m10cm-1cm10mm-1mm传播特性空间波为主地波为主地波与天波天波与地波空间波空间波空间波空间波主要用途海岸潜艇通信;远距离通信;超远距离导航越洋通信;中距离通信;地下岩层通信;远距离导航船用通信;业余无线电通信;移动通信;中距离导航远距离波通信;国际定通信电离层散射(30-60MHz);流星余迹通信;人造电离层通信(30-144MHz);对空间飞行体通信;移动通信小容量微波中继通信;(352-420MHz);对流层散射通信(700-10000MHz);中容量微波通信(1700-2400MHz)大容量微波中继通信(3600-4200MHz);大容量微波中继通信(5850-8500MHz);数字通信;卫星通信;国际海事卫星通信(1500-1600MHz)再入大气层时的通信;波导通信11总线通信协议总线协议设计要素一．信号线类型–专用信号线、复用信号线二．总线仲裁方法–集中仲裁、分布仲裁三．总线定时方法–同步、异步、半同步四．总线宽度–地址总线、数据总线五．数据传输类型–读/写/读-修改-写/写后读/块传输2020/1/1112/84总线分类按所处位置(数据传送范围)片上总线芯片总线（片间总线、元件级总线）系统内总线（插板级总线）系统外总线（通信总线）非通用总线（与具体芯片有关）通用标准总线地址总线控制总线按总线功能数据总线并行总线串行总线按数据格式按时序关系(握手方式)同步异步半同步同步异步单总线多级总线按总线组织双总线2020/1/1113/84④④外部总线、(系统)外总线如并口、串口③③系统总线、(系统)内总线如ISA、PCI②②片(间)总线三总线形式①①片内总线单总线形式计算机系统的四层总线结构运算器寄存器控制器CPU存储芯片I/O芯片主板扩展接口板扩展接口板计算机系统其他计算机系统其他仪器系统2020/1/1114/8415内总线（插板级总线）外总线(通信总线）2020/1/1115/84SoC的片上总线一．片上总线特点–简单高效•结构简单：占用较少的逻辑单元•时序简单：提供较高的速度•接口简单：降低IP核连接的复杂性–灵活，具有可复用性•地址/数据宽度、互联结构、仲裁机制可变–功耗低•信号尽量不变、单向信号线功耗低、时序简单二．片上总线标准ARM的AMBA、IBM的CoreConnectSilicore的Wishbone、Altera的AvalonARM的AMBA:AdvancedMicrocontrollerBusArchitecture一．先进高性能总线AHB（AdvancedHigh-performanceBus）–适用于高性能和高吞吐设备之间的连接，如CPU、片上存储器、DMA设备、DSP等二．先进系统总线ASB（AdvancedSystemBus）–适用于高性能系统模块。与AHB的主要不同是读写数据采用了一条双向数据总线三．先进外设总线APBAdvancedPeripheralBus）–适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；拥有众多的第三方支持。2020/1/1117/84AMBA2.0总线结构图高性能ARM核高性能片上RAM高性能DMAC核高带宽片外存储器接口桥键盘UARTTimerPIOAHBorASBAPB2020/1/1118/84IBM的CoreConnect总线一．处理器局部总线PLB（ProcessorLocalBus）–高带宽、低延迟、高性能–连接高速CPU核、高速MEM控制器、高速DMAC等高性能设备二．片内的外设总线OPB（On-chipPeripheralBus）–连接低性能设备，减少其对PLB的性能影响–通过OPB桥实现PLB主设备和OPB从设备的数据传输三．设备控制寄存器总线DCR（DeviceControlRegister）–用于配置PLB设备和OPB设备的状态寄存器和控制寄存器–减轻PLB总线在低性能状态下的负荷方案完整，但一般用于高性能系统设计中（如工作站），不太适合简单的嵌入式系统应用。2020/1/1119/84IBM的CoreConnect总线结构框图高性能CPU核高速存储器仲裁DMAC核外部总线结构接口OPB桥KeyboardUARTTimerPIOPLBOPBDCR2020/1/1120/84Silicore的Wishbone总线一．定义了一条高速总线的信号和总线周期在复杂系统中可采用两条Wishbone总线分别连接高速和低速设备，两条总线之间的接口简单二．提供了4种互连方式两个IP核的点到点连接；多个串行IP核的数据流连接；多个IP核的共享总线连接、高吞吐量的交叉开关完全免费，开发性强；结构简单、互连灵活；通常应用于简单的嵌入式控制器和一些高速系统中，但对高性能系统的支持不够2020/1/1121/84Altera的Avalon总线主要用于Altera公司的NIOS软核系统中实现SOPC。规定了主设备和从设备之间进行连接的端口和通信时序，配置简单，可由EDA工具（SOPCBuilder）快速生成。采用从设备仲裁技术，允许多个主设备真正同步操作，优化了数据流，提高了系统的吞吐量。2020/1/1122/84Avalon的交换式总线结构2020/1/1123/84控制器2（DMA控制器）UART程序存储器PIO数据存储器系统总线控制器1（系统CPU）仲裁器瓶颈传统总线的仲裁方式2020/1/112020/1/1124/84Avalon总线控制器2（DMA控制器）UART程序存储器PIO数据存储器系统总线控制器1（系统CPU）仲裁器Avalon总线的仲裁方式2020/1/1125/812020/1/1125/84传统芯片总线（三总线）MPURAMROMI/O接口外设ABDBCB哈佛体系结构DSP程序数据I/O接口外设程序地址数据读地址数据写地址程序读总线数据读总线程序/数据写数据程序冯•诺依曼体系结构2020/1/1126/84现代芯片总线结构2020/1/1127/84总线的性能指标一．总线时钟频率（Hz）二．总线宽度（bits）三．总线速率（次/s）＝总线时钟频率/总线周期数四．总线带宽（bytes/s）＝总线速率×（总线宽度/8）五．总线同步方式六．总线负载能力数据线（数据通路宽度）地址线（寻址空间）传送一次数据所需的时钟周期数2020/1/1128/841.CPU的前端总线(FSB)频率为400MHz或800MHz，总线周期数为1/4(即1个时钟周期传送4次数据)，位宽64bit，则FSB带宽为多少？400×(64/8)/(1/4)=12.8GB/s–或800×(64/8)/(1/4)=25.6GB/s2.PCI总线频率为33.3MHz，位宽32/64bit，总线周期数为1，则PCI总线带宽为多少？33.3×(32/8)×1=133MB/s–或33.3×(64/8)×1=266MB/s总线带宽的计算2020/1/1129/84总线带宽的提高总线带宽(busbandwidth)表示单位时间内总线能传送的最大数据量。有时也用“数据总线宽度×数据周期数×时钟频率”来表示。2020/1/1130/81成本、串扰系统功能设计每个时钟周期内传送数据的次数总线偏离（skew）、兼容性2020/1/1130/84总线带宽的充分利用一．总线共享技术（多路复用）TDM、FDM、CDM、SDM、WDM二．其它信源编码（如数据压缩）、信道编码（如调制解调）…时分复用频分复用2020/1/1131/84常见的几种总线组织形式2020/1/11几种总线组织形式的比较一．单总线–特点存储器和I/O分时使用同一总线–优点结构简单，成本低廉，易于扩充–缺点带宽有限，传输率不高（可能造成物理长度过长）二．双总线–特点存储总线+I/O总线–优点提高了总线带宽和数据传输速率–缺点CPU繁忙三．多级总线–特点高速外设和低速外设分开使用不同的总线–优点高效，进一步提高系统的传输带宽和数据传输速率–缺点复杂2020/1/1133/84总线仲裁总线周期一般包括4个阶段：总线请求与仲裁、寻址、传数、结束。其中总线仲裁(arbitration)也称为总线判决，其目的是合理地控制和管理系统中多个主设备的总线请求，以避免总线冲突。一．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–协议复杂且昂贵，效率高二．集中式(主从式)仲裁–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CPU中–协议简单而有效，但总体系统性能较低其他分类方式：串行仲裁、并行仲裁、串并行仲裁特点：各主控模块共用请求信号线BR和忙信号线BB，其优先级别由其在链式允许信号线上的位置决定；优点：具有较好的灵活性和可扩充性；缺点：主控模块数目较多时，总线请求响应速度较慢；菊花链（串行）总线仲裁主控模块1主控模块2主控模块N允许BG请求BR忙BB总线仲裁器……2020/1/1135/84特点：各主控模块有独立的请求信号线BR和允许信号线BG，其优先级别由总线仲裁器内部模块判定；优点：总线请求响应的速度快；缺点：扩充性较差；并行仲裁主模块1主模块2主模块N允许BG请求BR忙BB总线仲裁器…集中式(主从式)2020/1/1136/84串并行二维仲裁从下一设备主模块1主模块2主模块3允许BG请求BR忙BB总线仲裁器……主模块4到下一设备综合了前两种仲裁方式的优点和缺点2020/1/1137/84总线操作与时序一．总线操作二．总线周期如存储器读/写周期、I/O口读/写周期、DMA周期、中断周期多主控制器系统的总线操作周期一般分为四个阶段：总线请求及仲裁阶段、寻址阶段、传数阶段和结束阶段单主控制器系统的总线操作周期一般只需要寻址和传数两个阶段三．总