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1、*1 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 *2 3.1 总线概述 3.1.1 总线分类 n片内总线:芯片内部总线（VLSI课程相关） n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、 n内总线:设备内部总线，电路板间互连。 u 标准内总线:国际标准,如:STD、PCI、 u 专用内总线:由设计者根据需要采用、自定 义 n外总线：设备间总线，不同设备间通信。 均为标准总线，如：RS232、USB、 *3 3.1.2 标准总线与专用总线 n标准总线 u 由国际标准化组织发布，业界统一 u 优点：简化设计、易于扩展、便于更新、方便维修 u
2、 通用设备（如PC机）的内、外总线都采用标准总线 n专用总线 u 由设备设计者定义的、适应设备特点的总线 u 特点：专用性、不兼容，效率高、开销少、成本低 u 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。 *4 3.2 内总线 3.2.1 专用内总线 n单片机扩展总线： u 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。 u 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
3、对单片机外 部引脚信号进行必要处理。 *5 例：给AT89C51单片机扩展RAM EBI总线 n介绍 uEBI总线主要用于处理器与外部存储器芯片之间进 行数据交换 u根据处理器的不同，数据线宽度有8位，16位，32 位，64位等 u工作速率从0133MHz u传输带宽=位宽X速率，最高可达8Gbps 外设外设外设外设外设外设外设外设外设外设外设外设外设外设外设内存 CPU EBI总线 n接口信号 uEBI总线根据用途可以分为数据总线、地址总线和 控制总线，数据总线用D0,D1,D2来表示，地址 总线用A0,A1,A2来表示，控制总线则根据各个 控制线作用的不同，分别用CS（芯片片选信号）、 C
4、K（时钟使能）、WR（写控制信号）、OE（输 出使能）等表示 u多个外设可以共享地址总线和数据总线，通过不同 的CS信号线来选择不同的外设 EBI总线 n总线时序 u读操作 EBI总线 n总线时序 u读操作 发起数据传输的主机首先在总线上发出地址 信息，然后使能nGS，选中某个外设，该外设 在EXTCLK（外部时钟信号）的同步下读取地 址信息；之后主机再将读使能信号nOE拉低， 产生读操作信号，此后外设就将对应地址中的 数据放在DATA信号线上，主机也在EXTCLK 的同步下读取DATA值，从而完成一次读操作 EBI总线 n总线时序 u写操作 EBI总线 n总线时序 u写操作 写操作时主机首先
5、将需要写入数据的地址值 从ADDR信号线送出，然后主机使能nGS，选 中某个外设，外设在EXTCLK的同步下读取该 地址信息。主机再将需要写入的数据放于 DATA线上，并使能nWE信号，外设在 EXTCLK的同步下从DATA线上读取数据值， 并写入到ADDR指定的地址中 *12 3.2.2 标准内总线 n标准内总线的种类已超过100种 n我们介绍嵌入式系统中常用的几种 1） STD总线 nSTD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 n8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
6、。 nSTD总线在1987年被批准为IEEE961标准 *13 STD总线信号 *14 nSTD总线信号功能: u 引脚 1-6、53-56：电源及辅助电源 u 引脚 7-14：8位数据总线 / 高位地址扩展 u 引脚 15-30：16位地址总线 / 高位数据扩展 u 引脚 31-52：控制总线。其中： F RD / WR：总线读 / 写 F MEMRQ / IORQ ：存储器请求 / IO请求 F BUSRQ / BUSAK：总线请求 / 总线响应 F INTRQ / INTAK：中断请求 / 中断响应 F SYSRESET / PBRESET： 系统 / 按键复位 F CLOCK：处理器时
7、钟输出 F PCI / PCO：中断优先链路输入 / 输出 *15 nSTD总线中断优先链的使用: u 串行连接 u 优先级由高到低分布 u 高优先中断启动时关闭后续中断链 *16 STD-8031 CUP板 nSTD总线的特点： u采用小模板结构, 尺寸为 165114mm u模块化的总体设计布局 u开放式的系统结构 u拥有丰富的I/O功能 u模板的小尺寸设计, 减少 冲击和震动的影响 *17 2） PC机内总线 nPC机内总线经历了PC/XT、ISA、EISA、PCI、 PCI-E的发展过程 n1981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
8、理器的，当时 被称为PC/XT总线，带宽2MB/s n1984年，16-bit Intel 80286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 ：Industry Standard Architecture )，带宽 8MB/s 基于ISA总线的显卡 *18 n1988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，Extended ISA），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 n1992年，PCI总线随着
9、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 。 *19 n1996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。 nAGP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AGP 2X、 AGP 4X、AGP8X， AGP8X带宽已经达到 了2.1GB/s，是PCI总 线带宽的16倍。 基于AGP 8X总线的显
10、卡 AGP与PCI的关系 *20 n2002年，PCI Express 规范被批准，并称之为第 三代I/O总线技术 (3rd Generation I/O，3GIO) nPCI Express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 PCI Express设备都拥有 自己独立的数据连接。 3GIO连接示意图 n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。 *21 n在传输速率方面，PCI Express总线利用串行 的连接特点，达到
11、远超 出PCI总线的传输速率 。 nPCI Express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) nPCI Express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PCI Express 16X总线的显卡 PCI Express的模式 模式 双向传输模式 数据传输模式 PCI Express x1 500MB/s 250MB/s PCI Express x2 1GB/s 500MB/s PCI Express x4 2GB/s 1GB/s PCI Express
12、x8 4GB/s 2GB/s PCI Express x16 8GB/s 4GB/s PCI Express x32 16GB/s 8GB/s *22 n目前用于嵌入式系统的PC总线主要是PCI和少 量的ISA nPCI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： u Compact PCI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 (Hot Swap)、后走线(Rear IO)，在电信、军工、 交通等领域得到广泛的应用。 u PXI总线：在CPCI基础上加入同步时钟、触发等 测量
13、专用信号，在测量、控制领域应用。 u PMC总线：配合CPCI总线在电信行业中使用。 *23 CPU 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 *24 C/BE(30) AD(6332) C/BE(74) AD（310） PCI总线信号定义 n必要引脚 49条 n目标设备 引脚47条 n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 ） n总引脚数 120条（ 包含电源 、地、保 留引脚等 等） *25 PCI总线信号时序 *26 3） 其他标准内总线 nVME（VersaModule Euroca
14、rd）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。 nVXI (VMEbus eXtension for Instrumentation)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。 *27 3.3 外总线 n标准外总线的种类也有近百种 n我们介绍嵌入式系统中常用的几种 3.3.1 RS-232C n异步串行通信接口，由EIA（美国电子工业协会）发布 n
15、全双工（同时收发），传输距离最大约为15M n电气特性： u 数据“0”（“空号” space）+3 - +15V u 数据“1”（“传号” mark） -3 - -15V u 噪声容限：+/-（3 - 5）V *28 9脚 RS-232C 接口定义 n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。 *29 UART 与 RS-232C n通用异步收发 UART（Universal Asynchronous Receiver and Transmitter）通常是单片机的一个部件 nUART提供异步串行通信接口，它使用逻辑电平标准 (如 ：TTL电平
16、) ，通过电平转换即可构成RS-232C接口 n常用电平转换器件：MC1488、MC1489、MAX232 *30 异步串行通信的几个关键参数 n 波特率（baud rate）：19200、9600、4800、 n 起始位： 1 n 数据位： 5、6、7、8 n 停止位： 1、1.5、2 n 校验方式、校验位：NULL、ODD、EVEN *31 3.3.2 RS-485、RS-422 nRS-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。 nRS-485、RS-422 最大的通信距离约为1200M，最大 传输速率为10Mb/S （10M bps） nRS-485 半双工，1组双绞线2线传输（较常用） nRS-422 全双工，2组双绞线4线传输 nRS-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。 nRS-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12
