【正文】 微處理器系統(tǒng)結構與嵌入式系統(tǒng)設計 總線操作與時序 ? 總線操作 ：計算機系統(tǒng)中，通過總線進行信息交換的過程稱為總線操作 ? 總線周期 ：總線設備完成一次完整信息交換的時間 ? 讀 /寫存儲器周期 ? 讀 /寫 IO口周期 ? DMA周期 ? 中斷周期 ? 多主控制器 系統(tǒng)，總線操作周期一般分為 四個階段 ? 總線請求及仲裁階段、尋址階段、傳數(shù)階段和結束階段 ? 單個主控制器 系統(tǒng)，則只需要尋址和傳數(shù)兩個階段 39 林水生 2023 電子科技大學 通信與信息工程學院 微處理器系統(tǒng)結構與嵌入式系統(tǒng)設計 總線主控制器的作用 ? 總線系統(tǒng)的資源分配與管理 ? 提供總線定時信號脈沖 ? 負責總線使用權的仲裁 ? 不同總線協(xié)議的轉換和不同總線間數(shù)據(jù)傳輸?shù)木彌_ 40 林水生 2023 電子科技大學 通信與信息工程學院 微處理器系統(tǒng)結構與嵌入式系統(tǒng)設計 總線時序 ? 總線時序 是指總線事件的協(xié)調方式，以實現(xiàn)可靠的尋址和數(shù)據(jù)傳送 ? 總線時序類型 ?同步 ：所有設備都采用一個統(tǒng)一的時鐘信號來協(xié)調收發(fā)雙方的定時關系 ?異步 ：依靠傳送雙方互相制約的握手(handshake)信號來實現(xiàn)定時控制 ?半同步 ：具有同步總線的高速度和異步總線的適應性 41 林水生 2023 電子科技大學 通信與信息工程學院 微處理器系統(tǒng)結構與嵌入式系統(tǒng)設計 同步并行總線時序 ? 特點 ? 系統(tǒng)使用 同一時鐘信號 控制各模塊完成數(shù)據(jù)傳輸 ? 一般 一次讀寫操作可在一個時鐘周期內完成，時鐘前、后沿分別指明總線操作周期的開始和結束 ? 地址、數(shù)據(jù)及讀 /寫等控制信號可在時鐘沿處改變 ? 優(yōu)點： 電路設計簡單，總線帶寬大，數(shù)據(jù)傳輸速率快 ? 缺點： 時鐘以最慢速設備為準，高速設備性能將受到影響 同步時鐘 地址信號 數(shù)據(jù)信號 控制信號 延時 42 林水生 2023 電子科技大學 通信與信息工程學院 微處理器系統(tǒng)結構與嵌入式系統(tǒng)設計 異步并行總線時序 ? 特點：系統(tǒng)中可以 沒有統(tǒng)一的時鐘源 ，模塊之間依靠各種聯(lián)絡（握手）信號進行通信，以確定下一步的動作 ? 優(yōu)點： 全互鎖方式可靠性高，適應性強 ? 缺點： 控制復雜，交互的聯(lián)絡過程會影響系統(tǒng)工作速度 地址信號 數(shù)據(jù)信號 主設備 聯(lián)絡信號 從設備 聯(lián)絡信號 ① ③ ② ① 準備好接收 （ M發(fā)送地址信號） ③ 已收到數(shù)據(jù) （ M撤銷地址信號） ④ ④ 完成一次傳送 （ S撤銷數(shù)據(jù)信號） ② 已送出數(shù)據(jù) （ S發(fā)送數(shù)據(jù)信號） 43 林水生 2023 電子科技大學 通信與信息工程學院 微處理器系統(tǒng)結構與嵌入式系統(tǒng)設計 半同步并行總線時序 ? 特點：同時使用主模塊的 時鐘信號 和從模塊的 聯(lián)絡信號 ? 優(yōu)點： 兼有同步總線的速度和異步總線的可靠性與適應性 ?Ready信號可作為慢速設備的異步聯(lián)絡信號 ?CLK信號作為快速設備的同步時鐘信號 44 林水生 2023 電子科技大學 通信與信息工程學院 微處理器系統(tǒng)結構與嵌入式系統(tǒng)設計 總線標準 ? 總線標準包括： ?邏輯規(guī)范：邏輯信號電平 ?時序規(guī)范 ?電氣規(guī)范 ?機械規(guī)范 ?通信協(xié)議 45 林水生 2023 電子科技大學 通信與信息工程學院 微處理器系統(tǒng)結構與嵌入式系統(tǒng)設計 SoC的片內總線 ? 片上總線特點 ?簡單高效 ? 結構簡單：占用較少的邏輯單元 ? 時序簡單：提供較高的速度 ? 接口簡單：降低 IP核連接的復雜性 ?靈活，具有可復用性 ? 地址 /數(shù)據(jù)寬度 可變、 互聯(lián)結構 可變、 仲裁機制 可變 ?功耗低 ? 信號盡量不變、 單向信號線 功耗低、時序簡單 ? 片內總線標準 ?ARM的 AMBA 、 IBM的 CoreConnect ?Silicore的 Wishbone、 Altera的 Avalon 46 林水生 2023 電子科技大學 通信與信息工程學院 微處理器系統(tǒng)結構與嵌入式系統(tǒng)設計 ARM的 AMBA: Advanced Microcontroller Bus Architecture ? 先進 高性能總線 AHB （ Advanced Highperformance Bus） ? 適用于高性能和高吞吐設備之間的連接，如 CPU、 片上存儲器、 DMA設備、 DSP等 ? 先進 系統(tǒng)總線 ASB（ Advanced System Bus） ? 適用于高性能系統(tǒng)模塊。 總線的特點在于 公用性， 總線由多條通信線路（線纜）組成 ? 計算機系統(tǒng)通常包含 不同種類的總線 ，在不同層次上為計算機組件之間提供通信通路 ? 采用總線的原因 : ? 非總線結構的 N個設備的互聯(lián)線組數(shù)為 N*(N1)/2 ? 非總線結構的 M發(fā) N收設備間的互聯(lián)線組數(shù)為 M*N ? 采 用總線的優(yōu)勢 ?減少部件間連線的數(shù)量 ?擴展性好，便于構建系統(tǒng) ?便于產品更新?lián)Q代 3 林水生 2023 電子科技大學 通信與信息工程學院 微處理器系統(tǒng)結構與嵌入式系統(tǒng)設計 總線要素 ? 線路介質 ?種類： 有線（電纜、光纜）、無線（電磁波） ?特性 ? 原始數(shù)據(jù)傳輸率 ? 帶寬 ? 對噪聲的敏感性： 內部或外部干擾 ? 對失真的敏感性： 信號和傳輸介質之間的互相作用引起 ? 對衰減的敏感性： 信號通過傳輸介質時的功率損耗 ? 總線協(xié)議 總線信號： 有效電平、傳輸方向 /速率 /格式等 電氣性能 機械性能 總線時序： 規(guī)定通信雙方的聯(lián)絡方式 總線仲裁： 規(guī)定解決總線沖突的方式 如接口尺寸、形狀等 其它： 如差錯控制等 4 林水生 2023 電子科技大學 通信與信息工程學院 微處理器系統(tǒng)結構與嵌入式系統(tǒng)設計 總線協(xié)議組件 5 林水生 2023 電子科技大學 通信與信息工程學院 微處理器系統(tǒng)結構與嵌入式系統(tǒng)設計 總線分類 按 所處位置 (數(shù)據(jù)傳送范圍 ) 片內總線 芯片總線 （片間總線、元件級總線） 系統(tǒng)內總線 （插板級總線） 系統(tǒng)外總線 （通信總線） 非通用總線（與具體芯片有關） 通用標準總線 地址總線 控制總線 按 總線功能 數(shù)據(jù)總線 并行總線 串行總線 按 數(shù)據(jù)格式 按 時序關系 (握手方式 ) 同步 異步 半同步 同步 異步 6 林水生 2023 電子科技大學 通信與信息工程學院 微處理器系統(tǒng)結構與嵌入式系統(tǒng)設計 ④ 外部總線、 (系統(tǒng) )外總線 如并口、串口 ③ 系統(tǒng)總線、 (系統(tǒng) )內總線 如 ISA、 PCI ② 片 (間 )總線 三總線形式 ① 片內總線 單總線形式 計算機系統(tǒng)的四層總線結構 運算器 寄存器 控制器 CPU 存儲芯片 I/O芯片 主板 擴展 接口板 擴展 接口板 計算機系統(tǒng) 其 他 計算機 系 統(tǒng) 其 他 儀 器 系 統(tǒng) 7 林水生 2023 電子科技大學 通信與信息工程學院 微處理器系統(tǒng)結構與嵌入式系統(tǒng)設計 總線的組織形式 ?組織形式：單總線、雙總線，多級總線 ?單總線 ?特征：存儲器和 I/O分時使用 同一總線 ?優(yōu)點：結構簡單，成本低廉，易于擴充 ?缺點：帶寬有限，傳輸率不高（可能造成物理長度過長） 8 林水生 2023 電子科技大學 通信與信息工程學院 微處理器系統(tǒng)結構與嵌入式系統(tǒng)設計 雙總線 ? 特征：存儲總線 +I/O總線 ? 優(yōu)點：提高了 總線帶寬和數(shù)據(jù)傳輸速率 ，克服單總線共享的限制，以及存儲 /IO訪問速度不一致而對總線的要求也不同的矛盾 ? 缺點： CPU繁忙 9 林水生 2023 電子科技大學 通信與信息工程學院 微處理器系統(tǒng)結構與嵌入式系統(tǒng)設計 多級總線 ? 特征：高速外設和低速外設分開使用不同的總線 ? 優(yōu)點：高效，進一步提高系統(tǒng)的傳輸帶寬和數(shù)據(jù)傳輸速率 ? 缺點：復雜 10 林水生 2023 電子科技大學 通信與信息工程學院 微處理器系統(tǒng)結構與嵌入式系統(tǒng)設計 微機的典型多級總線結構 存儲總線 高速 IO總線 低速 IO總線 11 林水生 2023 電子科技大學 通信與信息工程學院 微處理器系統(tǒng)結構與嵌入式系統(tǒng)設計 12 林水生 2023 電子科技大學 通信與信息工程學院 微處理器系統(tǒng)結構與嵌入式系統(tǒng)設計 微機系統(tǒng)中的內總線（插板級總線） 13 林水生 2023 電子科技大學 通信與信息工程學院 微處理器系統(tǒng)結構與嵌入式系統(tǒng)設計 微機系統(tǒng)中的外總線（通信總線） 14 林水生 2023 電子科技大學 通信與信息工程學院 微處理器系統(tǒng)結構與嵌入式系統(tǒng)設計 總線分類 按 所處位置 (數(shù)據(jù)傳送范圍 ) 片內總線 芯片總線 （片間總線、元件級總線） 系統(tǒng)內總線 （插板級總線） 系統(tǒng)外總線 （通信總線） 非通用總線（與具體芯片有關） 通用標準總線 地址總線 控制總線 按 總線功能 數(shù)據(jù)總線 并行總線 串行總線 按 數(shù)據(jù)格式 按 時序關系 (握手方式 ) 同步 異步 半同步 同步 異步 15 林水生 2023 電子科技大學