天大嵌入式系统课件-3-总线设计

2020/3/131嵌入式系统设计天津大学计算机学院车明第三章:总线设计2020/3/1323.1总线概述3.1.1总线分类片内总线:芯片内部总线（VLSI课程相关）器件总线:芯片间互连总线,可由设计者自定义，也有标准的总线，如：I2C、SPI、…内总线:设备内部总线，电路板间互连。标准内总线:国际标准,如:STD、PCI、…专用内总线:由设计者根据需要采用、自定义外总线：设备间总线，不同设备间通信。均为标准总线，如：RS232、USB、…2020/3/1333.1.2标准总线与专用总线标准总线由国际标准化组织发布，业界统一优点：简化设计、易于扩展、便于更新、方便维修通用设备（如PC机）的内、外总线都采用标准总线专用总线由设备设计者定义的、适应设备特点的总线特点：专用性、不兼容，效率高、开销少、成本低嵌入式设备因受应用环境限制，可能不易实现标准总线，且可能存在浪费；因此经常采用专用总线。许多较小的系统也可能不需要内总线。2020/3/1343.2内总线3.2.1专用内总线单片机扩展总线：一般地，通过选择合适的单片机，其内部资源应可以满足应用需求，则其外部引脚就可以看作器件总线或内总线，实现与相关外设的连接。当单片机资源不足时，可通过单片机扩展内部总线，增加相关资源，这时内总线应能适应相关资源的驱动需求，有必要对单片机外部引脚信号进行必要处理。2020/3/135例：给AT89C51单片机扩展RAM2020/3/1363.2.2标准内总线标准内总线的种类已超过100种我们介绍嵌入式系统中常用的几种1）STD总线STD总线是一个面向工业控制的8位总线，目前已被升级到16位、32位8位STD总线是由56条信号线组成的并行底板总线，它又分为4条小总线，即8根双向数据线、16根地址线、22根控制线、10根电源线。STD总线在1987年被批准为IEEE961标准2020/3/137STD总线信号2020/3/138STD总线信号功能:引脚1-6、53-56：电源及辅助电源引脚7-14：8位数据总线/高位地址扩展引脚15-30：16位地址总线/高位数据扩展引脚31-52：控制总线。其中：RD/WR：总线读/写MEMRQ/IORQ：存储器请求/IO请求BUSRQ/BUSAK：总线请求/总线响应INTRQ/INTAK：中断请求/中断响应SYSRESET/PBRESET：系统/按键复位CLOCK：处理器时钟输出PCI/PCO：中断优先链路输入/输出2020/3/139STD总线中断优先链的使用:串行连接优先级由高到低分布高优先中断启动时关闭后续中断链2020/3/1310STD-8031CUP板STD总线的特点：采用小模板结构,尺寸为165×114mm模块化的总体设计布局开放式的系统结构拥有丰富的I/O功能模板的小尺寸设计,减少冲击和震动的影响2020/3/13112）PC机内总线PC机内总线经历了PC/XT、ISA、EISA、PCI、PCI-E的发展过程1981年，IBM公司开发的首台个人计算机PC/XT采用的系统总线，是基于8bit的8088处理器的，当时被称为PC/XT总线，带宽2MB/s1984年，16-bitIntel80286诞生，总线也相应地扩展为16bit，并被称呼为PC/AT总线，既后来的ISA总线(工业标准架构：IndustryStandardArchitecture)，带宽8MB/s基于ISA总线的显卡2020/3/13121988年，32-bit外部总线的386DX处理器成为主流后，ISA总线标准也被扩展到了32-bit，成为了EISA（扩展ISA，ExtendedISA），带宽32MB/s，但由于EISA成本过高，很快被PCI取代。基于PCI总线的显卡1992年，PCI总线随着486处理器一起问世，问世之初就是一种32bit/33MHz（相当于带宽133MB/s）的总线标准；在1993年被升级为64bit/66MHz，但直到现在我们使用的仍是32bit/33MHz的PCI总线。2020/3/13131996年，Intel推出了AGP局部总线规范，这是专门为显卡量身打造的一种总线标准，独立于PCI总线。AGP的工作频率为66MHz，1X模式下带宽为266MB/s，是PCI总线的两倍。后来依次又推出了AGP2X、AGP4X、AGP8X，AGP8X带宽已经达到了2.1GB/s，是PCI总线带宽的16倍。基于AGP8X总线的显卡AGP与PCI的关系2020/3/13142002年，PCIExpress规范被批准，并称之为第三代I/O总线技术(3rdGenerationI/O，3GIO)PCIExpress总线是一种点对点串行连接的设备连接方式，这意味着每一个PCIExpress设备都拥有自己独立的数据连接。3GIO连接示意图除了3D显示卡以外，直到现在还没有哪个计算机配件脱离PCI总线的规范另起炉灶。但PC技术的快速发展尤其是最近的千兆网络以及视频应用等外设，会使PCI可怜的133MB/s带宽难以承受。2020/3/1315在传输速率方面，PCIExpress总线利用串行的连接特点，达到远超出PCI总线的传输速率。PCIExpress的接口根据总线位宽不同而有所差异，包括x1、x4、x8以及x16(x2模式专用于内部接口而非插槽模式)PCIExpress总线支持双向传输模式，还可运行全双工模式，而它的双单工连接能提供更高的传输速率和质量基于PCIExpress16X总线的显卡PCIExpress的模式模式双向传输模式数据传输模式PCIExpressx1500MB/s250MB/sPCIExpressx21GB/s500MB/sPCIExpressx42GB/s1GB/sPCIExpressx84GB/s2GB/sPCIExpressx168GB/s4GB/sPCIExpressx3216GB/s8GB/s2020/3/1316目前用于嵌入式系统的PC总线主要是PCI和少量的ISAPCI总线以其优越的电性能获得了业界的一致认可，同时利用PCI总线的电性能，结合不同的机械结构，产生了各种各样的总线：CompactPCI简称CPCI，中文称紧凑型PCI，将PCI总线与欧规卡的机械结构相结合，支持热插拔(HotSwap)、后走线(RearIO)，在电信、军工、交通等领域得到广泛的应用。PXI总线：在CPCI基础上加入同步时钟、触发等测量专用信号，在测量、控制领域应用。PMC总线：配合CPCI总线在电信行业中使用。2020/3/1317CPU存储控制器存储器PCI桥标准总线桥设备标准总线ISA…设备设备设备PCI总线PCI总线的结构2020/3/13185V32位插槽5V64位插槽3.3V32位插槽3.3V64位插槽卡口4种PCI卡插槽A1外内A49A52B1B49B52A62B621.273.8277.485V32位PCI插槽PCI总线的插槽2020/3/1319C/BE(3~0)AD(63~32)C/BE(7~4)AD（31~0）PCI总线信号定义必要引脚49条目标设备引脚47条可选引脚51条（主要用于64位扩展、中断请求、高速缓存支持等）总引脚数120条（包含电源、地、保留引脚等等）2020/3/1320PCI总线信号按功能分类系统控制:CLK，PCI时钟，上升沿有效RST:Reset信号传输控制:FRAME#，标志传输开始与结束IRDY#:Master可以传输数据的标志DEVSEL#:当Slave发现自己被寻址时置低应答TRDY#:Slave可以转输数据的标志STOP#:Slave主动结束传输数据的信号IDSEL:在即插即用系统启动时用于选中板卡的信号地址与数据总线:AD[31::0]，地址/数据分时复用总线C/BE#[3::0]:命今/字节使能信号PAR:奇偶校验信号仲裁信号:REQ#，Master用来请求总线使用权的信号GNT#:Arbiter允许Master得到总线使用权的信号错误报告:PERR#，数据奇偶校验错SERR#:系统奇偶校验错2020/3/1321PCI总线信号时序2020/3/13223）其他标准内总线VME（VersaModuleEurocard）总线是一种通用的计算机总线，结合了Motorola公司Versa总线的电气标准和在欧洲建立的Eurocard标准的机械形状因子，是一种开放式架构，围绕其开发的产品遍及了工业控制、军用系统、航空航天、交通运输和医疗等领域。VXI(VMEbuseXtensionforInstrumentation)总线是VME计算机总线在仪器领域中的扩展,由HP等公司提出,1992年成为IEEE1155标准。2020/3/13233.3外总线标准外总线的种类也有近百种我们介绍嵌入式系统中常用的几种3.3.1RS-232C异步串行通信接口，由EIA（美国电子工业协会）发布全双工（同时收发），传输距离最大约为15M电气特性：数据“0”（“空号”space）+3-+15V数据“1”（“传号”mark）-3--15V噪声容限：+/-（3-5）V2020/3/13249脚RS-232C接口定义通常使用数据接收（2脚）、数据发送（3脚）和信号地（5脚）即可构成最简单的串行通信线路。2020/3/1325UART与RS-232C通用异步收发UART（UniversalAsynchronousReceiverandTransmitter）通常是单片机的一个部件UART提供异步串行通信接口，它使用逻辑电平标准(如：TTL电平)，通过电平转换即可构成RS-232C接口常用电平转换器件：MC1488、MC1489、MAX2322020/3/1326异步串行通信的几个关键参数波特率（baudrate）：19200、9600、4800、…起始位：1数据位：5、6、7、8停止位：1、1.5、2校验方式、校验位：NULL、ODD、EVEN2020/3/13273.3.2RS-485、RS-422RS-485、RS-422接口标准是对RS-232C在性能上的增强改进，通信时序与RS-232C相同。RS-485、RS-422最大的通信距离约为1200M，最大传输速率为10Mb/S（10Mbps）RS-485半双工，1组双绞线2线传输（较常用）RS-422全双工，2组双绞线4线传输RS-485、RS-422支持多点数据通信。其总线网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构，不支持环形或星型网络。RS-485、RS-422总线一般最大支持32个节点，如果使用特制的485芯片，可以达到128个或256个节点。2020/3/1328RS-485、RS-422电平转换RS-485、RS-422采用平衡发送和差分接收方式实现通信：发送端将串行口的TTL电平信号转换成差分信号分A,B两路输出，经过线缆传输之后在接收端将差分信号还原成TTL电平信号。常用电平转换器件：DS3695、DS3696(RS-485收发器)2020/3/13293.3.3USB通用串行总线USB（UniversalSerialBus）USB是在1994年底由Intel、IBM、Microsoft等多家公司联合提出的。不过直到近期，它才得到广泛地应用。1994年发表了USBV0.7版本以后，USB目前的实用版本为V1.1和V2.0传输速率：USB1.112Mb/s；USB2.0480Mb/s支持热插拔和即插即用在同一线上支持同步、异步两种传输模式支持对多个设备的同时操作最多可以连接127个外部设备2020/3/1330USB体系结构USB采用多级星型网络把所有的外设连接起来图3－1总线的拓扑结构2020/3/1331USB体系结构中包括三种设备：Host：USB主控制器Device：USB设备（外部设备）HUB：U