嵌入式系统-6-嵌入式系统总线

嵌入式系统课程内容1)嵌入式系统硬件基础（2学时）2)嵌入式系统软件基础（2学时）3)Arduino开源硬件平台应用开发（6学时）4)嵌入式系统中的总线与网络（2学时）5)嵌入式操作系统（2学时）6)嵌入式系统驱动开发方法（2学时）7)嵌入式数据库（1学时）8)数据流图（1学时）9)实时软件设计方法DARTS（2学时）10)ARM硬件体系结构（2学时）11)ARM应用开发介绍（2学时）12)实时操作系统freeRTOS（2学时）13)实时操作系统freeRTOS的移植（2学时）14)基于freeRTOS的驱动开发（2学时）15)基于实时操作系统的实时应用开发（20学时，实践）第二部分嵌入式系统开发2.1嵌入式系统中的总线嵌入式系统中的总线•系统级总线•板级总线•片上总线板级总线嵌入式系统中，通过总线在多个互连I/O设备间进行计算机或者主机系统并行通信。•PC总线•PC104•VME板级总线——PC总线从整体来看，PC总线大致只经过了ISA和PCI总线两个阶段以及未来的PCIExpress总线。ISA总线阶段1．PC/XT总线（PC总线）:1981年，IBM，PC/XT电脑，基于8bit的8088处理器。2．PC/AT总线:1984年，IBM，基于16-bitIntel80286处理器的PC/AT电脑。为了开发与IBMPC兼容的外围设备，业内逐渐确立了以IBMPC总线规范为基础的ISA（工业标准架构：IndustryStandardArchitecture）总线。3．EISA（ExtendedISA，扩展ISA）总线：1988年，康柏、惠普等9个厂商协同把ISA扩展到32-bit，8MHz，与8/16bit的ISA总线完全兼容。ISA总线阶段ISA:8/16bit，最大传输速率仅为8MB/s，允许多个CPU共享系统资源。兼容性好，是上个世纪80年代最广泛采用的系统总线;弱点:传输速率过低、CPU占用率高、占用硬件中断资源等。在PC’98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。EISA也由于速度有限，且成本过高，在还没成为标准总线之前，在20世纪90年代初的时候，就给PCI总线给取代了。PCI总线阶段PCI总线是独立于CPU的系统总线，采用了独特的中间缓冲器设计，可将显示卡、声卡、网卡、硬盘控制器等高速的外围设备直接挂在CPU总线上，打破了瓶颈，使得CPU的性能得到充分的发挥。•最早提出的PCI总线工作在33MHz频率之下，传输带宽达到了133MB/s（33MHzX32bit/8）。•1993年提出了64-bit的PCI总线。•后来又提出把PCI总线的频率提到66MHz。目前广泛采用的是32-bit、33MHz的PCI总线。PCI总线的特点及系统结构PCI总线是一种兼容性最强、功能最全的计算机总线。他可同时支持多组外围设备，且不受制于处理器。PCI总线有如下主要特点：（1）在全部读写传送中可实现突发传送。（2）并行总线操作。（3）隐式仲裁。（4）访问速度快。（5）软件透明。（6）自动配置。PCI总线阶段PCI总线阶段PCI是一种高性能32／64b地址数据复用总线。PCI总线不仅可以应用到低档至高档的台式系统上，而且也可应用在便携式机及至服务器的范围中。在一个PCI系统中，可做到高速外部设备和低速外部设备共享，PCI总线与ISA／EISA总线并存。PCI总线阶段PCI总线信号与命令接口信号线，通常分为必备的和可选的2大类。•主设备：取得了总线控制权的设备，需要49条接口信号线；•“从设备”或“目标设备”：被主设备选中以进行通信的设备，至少需要47条接口信号线。图中，＃表示低电平有效，否则表示高电平有效。PCI总线阶段总线命令用来规定主、从设备之间的传输类型，出现于地址期的C／BE［3∶0］＃线上。当一个主设备获得PCI总线的拥有权时，他可启动表1的任何一种交易类型。PCI总线阶段PCI总线传输协议PCI总线对协议、时序、负载、电气特性及机械特性等技术指标均有严格的规定和要求。（1）基本的总线传输机制：一次突发传输包括一个地址期和一个或若干个数据期。（2）除RST＃，INTA＃～INTD＃之外的所有信号都是在时钟的上升沿被采样。（3）PCI总线上数据传输基本上都由FRAME＃，IRDY＃和TRDY＃三条信号线控制。（4）当FRAME＃和IRDY＃都无效时，接口处于空闲状态。FRAME＃信号建立后的第一个时钟前沿是地址期，在这个时钟前沿上传送地址和总线命令；下一个时钟前沿开始一个或若干个数据期。IRDY＃和TRDY＃有效的时钟前沿进行一次数据传输。（5）无论是主设备还是目标设备，一旦承诺了数据传输，就要进行到本次传输完成。（6）FRAME＃撤销而IRDY＃建立，表示主设备准备好了最后一次数据传输，等到目标设备发出了TRDY＃信号，就标志着最后一次传输的完成.PCI总线阶段PCI总线配置空间根据PCI规范，每一个PCI设备都有一个PCI配置空间，容量最大为256字节，称为配置寄存器。配置寄存器是PCI设备的硬件与PCI设备的初始化软件及错误处理软件之间的信息交接区，以便软件对Pci设备进行识别和控制以及PCI设备向软件反映设备状态和要求。配置空间的组织结构256字节的配置空间分为•头标区（HeaderRegion）：64个字节，每个PCI设备必备，对所有的PCI设备其寄存器布局和格式大致相同。头标区又分为两部分，头16个字节的对所有类型的PCI设备都是相同的，余下的48字节根据设备的功能类别有不同的布局。•设备关联区（DeviceDependentRegion）：192字节，寄存器的设置与布局完全取决于该PCI设备本身的需要，一个PCI设备因本身的特殊功能所需设置的专用寄存器只能放在这个区域中。PCI总线阶段配置空间的功能1．设备识别头标区有五个寄存器是识别一个PCI设备的，这五个寄存器都是只读的。（1）厂商标识（VendorID）这个标识符由PCI规范的权威组织SIG统一分配，以保证惟一性，例如分配给Intel公司的标识码为“8086h”。“FFFFh”是一个无效的标识。（2）设备标识（DeviceID）标识某一种设备，这个标识符由制造厂商分配。（3）修订版本标识（RevisionID）标识设备具体的修订版本，由制造厂商选择。（4）头标类型（HeadType）表明头标区中10h到3Fh字节空间的布局类型和该设备是否是多功能设备。位7用来标识一个多功能设备，为1则该设备是一个多功能设备；为0该设备为单一功能设备。位6到0规定头标区中10h到3Fh字节的布局类型，目前只有两种类型：00h和01h,此处讨论的是00h类型。(5)分类代码（ClassCode）该寄存器分为三个字节段：高字节（0Bh）是基本分类码，粗略地对设备地功能进行分类；中字节（0Ah）是一个子分类码，标识设备更具体的功能；低字节（09h）标识所用的、寄存器一级的编程接口。PCI总线阶段2.设备控制位于配置空间04h偏移地址处的命令寄存器是一个读/写寄存器，控制一个PCI设备产生和响应PCI周期的能力。I/O空间使能位控制设备对I/O空间访问的响应，为1时，允许该设备对I/O空间的访问进行响应，为0时禁止。如果该设备内有属于PCII/O空间的单元并允许PCI主设备访问时，此位应置为1。存储器空间使能位控制本设备对存储器空间访问的响应，为1时允许该设备对存储器空间的访问进行响应，为0时禁止。如果该设备内有属于PCI存储空间的单元并允许PCI主设备访问时，此位应置为1。PCI总线阶段3基地址头标区中有6个双字的基址寄存器，在上电时，这6个基地址寄存器中的内容向POST软件反映该设备需要多少存储器空间和I/O空间。POST软件通过各设备内的基地址寄存器了解到PCI总线上有哪些存储器设备和I/O设备，根据它们的容量需求把它们映射定位到适当的存储器地址和I/O地址，并把起始地址再写入基地址寄存器，然后引导系统。PCIExpress总线，第三代输入/输出总线，简称3GIO（Third-GenerationInput/Output），另外它的开发代号是Arapahoe，所以又称为Arapahoe总线。Intel在2001年春季的IDF上，正式公布了旨在取代PCI总线的第三代I/O技术，该规范由Intel支持的AWG（ArapahoeWorkingGroup）负责制定。在2002年4月17日，AWG正式宣布3GIO1.0规范草稿制定完毕，并移交PCI-SIG进行审核。PCIExpress总线阶段CPCI总线1995年11月PCI工业计算机制造者联合会（PICMIG）颁布了CompactPCI规范1.0版1997年推出CPCI2.0规范CPCI总线规范=PCI总线的电气规范+标准针孔连接器（IEC-1076-4-101）+欧洲卡规范（IEC297/IEEE1011.1）CPCI总线•在电气特性上，CPCI总线以PCI电气规范为基础，解决了VME等总线技术与PCI总线不兼容的问题，使得基于PC的x86架构、硬盘存储等技术能在工业领域使用。同时由于在接口等地方做了重大改进，使得采用CPCI技术的服务器、工控电脑等拥有了高可靠性、高密度的优点。•在机械结构上，CPCI总线结构使用了欧卡连接器和标准3U、6U板卡尺寸。此外，CPCI总线具有很好的抗震性和通风性，而且还可以从前面板拔插板卡，使更换和维修板卡极为方便。PC/104是一种工业计算机总线标准PC/104是一种工业计算机总线标准。PC/104有两个版本：8位和16位，分别与PC和PC/AT相对应。PC/104PLUS则与PCI总线相对应。PC/104是IEEE-996标准的延伸。第一块PC104产生于1987年，但严格意义的规范说明在1992年才公布，从那以后，对PC104感兴趣的人越来越多，当时就有125个厂家引进PC104规范生产PC104兼容产品。像原来的PC总线一样，PC104一直是以一个非法定标准在执行，而不是委员会设计制定的。1992年IEEE开始着手为PC和PC/AT总线制定一个精简的IEEEP996标准（草稿），PC104作为基本文件被采纳，叫做IEEEP996.1兼容PC嵌入式模块标准。PC104是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线。其信号定义和PC/AT基本一致，但电气和机械规范却完全不同，是一种优化的、小型、堆栈式结构的嵌入式控制系统。板级总线——PC/104总线PC/104是一种工业计算机总线标准PC104与普通PC总线控制系统的主要不同是：1、小尺寸结构：标准模块的机械尺寸是3.6X3.8英寸，即96X90mm2、堆栈式连接：去掉总线背板和插板滑道，总线以“针”和“孔”形式层叠连接，即PC104总线模块之间总线的连接是通过上层的针和下层的孔相互咬和相连，这种层叠封装有极好的抗震性。3、轻松总线驱动：减少元件数量和电源消耗，4mA总线驱动即可使模块正常工作，，每个模块1-2瓦能耗。PC/104是一种工业计算机总线标准PC104和PC104PLUSPC104有两个版本，8位和16位，分别与PC和PC/AT相对应。8位PC104共有64个总线管脚，单列双排插针和插孔，P1：64针，P2：40针，合计104个总线信号，PC104因此得名。当8位模块和16位模块连接时，16位模块必须在8位模块得下面（见附图2）。P2总线连结在8-位元模块中是可选的，这样让这些模块无论何处都可在堆栈中使用。PC104PLUS则与PCI总线相对应。PC104PLUS是专为PCI总线设计的，可以连接高速外接设备。PC104PLUS在硬件上通过一个3X40即120孔插座，PC104PLUS包括了PCI规范2.1版要求的所有信号。为了向下兼容，PC104PLUS保持了PC104的所有特性。PC/104是一种工业计算机总线标准PC104PLUS与PC104相比有以下3个特点：1．相对PC/104连接，增加了第三个连结接口支持PCIbus.2．改变了组件高度的需求，增加模块的柔韧