【文章內(nèi)容簡介】 學 通信與信息工程學院 微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(nèi)完成，時鐘前、后沿分別指明總線操作周期的開始和結(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)與嵌入式系統(tǒng)設計 SoC的片內(nèi)總線 ? 片上總線特點 ?簡單高效 ? 結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu) 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(nèi)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(jié)構(gòu)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。與 AHB的主要不同是讀寫數(shù)據(jù)采用了一條雙向數(shù)據(jù)總線 ? 先進 外設總線 APB（ Advanced Peripheral Bus） ? 適用于低功耗外部設備，經(jīng)優(yōu)化減少了功耗和接口復雜度 ? 適合較復雜的應用，需要遵守較簡單的操作協(xié)議；擁有眾多的第三方支持 47 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(jié)構(gòu)與嵌入式系統(tǒng)設計 AMBA總線 48 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(jié)構(gòu)與嵌入式系統(tǒng)設計 高性能 ARM核 高性能片上 RAM 高性能 DMAC核 高帶寬片外存儲器接口 橋 鍵盤 UART Timer PIO AHB or ASB APB 49 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(jié)構(gòu)與嵌入式系統(tǒng)設計 IBM CoreConnect ? 處理器 局部總線 PLB（ Processor Local Bus） ? 高帶寬、低延遲、高性能 ? 連接高速 CPU核、高速 MEM控制器、高速 DMAC等高性能設備 ? 片內(nèi)的 外設總線 OPB（ Onchip Peripheral Bus） ? 連接低性能設備，減少其對 PLB的性能影響 ? 通過 OPB橋?qū)崿F(xiàn) PLB主設備和 OPB從設備的數(shù)據(jù)傳輸 ? 設備 控制寄存器總線 DCR（ Device Control Register） ? 用于配置 PLB設備和 OPB設備的狀態(tài)寄存器和控制寄存器 ? 減輕 PLB總線在低性能狀態(tài)下的負荷 ? 方案完整，但一般用于高性能系統(tǒng)設計中（如工作站），不太適合簡單的嵌入式系統(tǒng)應用 50 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(jié)構(gòu)與嵌入式系統(tǒng)設計 CoreConnect總線結(jié)構(gòu)框圖 Embedded System 高性能 CPU核 高速 存儲器 仲裁 DMAC 核 外部總線結(jié)構(gòu) 接口 OPB 橋 Keyboard UART Timer PIO PLB OPB DCR 51 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(jié)構(gòu)與嵌入式系統(tǒng)設計 Silicore的 Wishbone ? 定義了一條高速總線的 信號和總線周期 。在復雜系統(tǒng)中可采用兩條 Wishbone總線分別連接高速和低速設備，兩條總線之間的接口簡單 ? 提供了 4種互連方式 ：兩個 IP核的點到點連接；多個串行 IP核的數(shù)據(jù)流連接；多個 IP核的共享總線連接、高吞吐量的交叉開關 ? 完全免費，開發(fā)性強；結(jié)構(gòu)簡單、互連靈活；通常應用于簡單的嵌入式控制器和一些高速系統(tǒng)中，但對高性能系統(tǒng)的支持不夠 52 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(jié)構(gòu)與嵌入式系統(tǒng)設計 Altera的 Avalon ? 主要用于 Altera公司的 NIOS軟核 系統(tǒng)中實現(xiàn) SOPC ? 規(guī)定了 主設備和從設備 之間進行連接的端口和通信時序，配置簡單，可由 EDA工具（ SOPC Builder）快速生成 ? 采用 從設備仲裁 技術，允許多個主設備真正同步操作，優(yōu)化了數(shù)據(jù)流，提高了系 統(tǒng)的吞吐量 53 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(jié)構(gòu)與嵌入式系統(tǒng)設計 Avalon的交換式總線結(jié)構(gòu) 54 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(jié)構(gòu)與嵌入式系統(tǒng)設計 AMBA總線 ? AMBA總線規(guī)范是由 ARM公司推出的一種用于高性能嵌入式微處理器設計的片上總線標準，由于 AMBA總線的開放性和其本身的高性能，以及由于 ARM處理器的廣泛應用，AMBA已成為 SOC設計中使用最廣泛的總線標準。 ? 目前 AMBA 總線規(guī)范的版本為 ，它定義了三組不同的總線： AMBA高性能總線 AHB， AMBA高性能系統(tǒng)總線ASB和 AMBA 高性能外設總線 APB。 ? AHB作為高性能的系統(tǒng)中樞總線驅(qū)動速度較快的設備，支持突發(fā)模式的數(shù)據(jù)傳送和事務分隔，并支持流水線操作。 ? APB則是作為傳送速度較低的外圍設備總線，驅(qū)動速度較慢的設備。 55 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(jié)構(gòu)與嵌入式系統(tǒng)設計 ARM 處理器核 寬帶片上 RAM DMA 控制器 寬帶外部 RAM接口 橋 UART PIO 定時器 鍵盤控制器 AHB或 ASB總線 APB總線 AHB的特性 ： 單個時鐘邊沿操作； 非三態(tài)的實現(xiàn)方式； 支持突發(fā)傳輸； 支持分段傳輸； 支持多個主控制器（最多 16個模塊）； 可配置 32位～ 128位總線寬度； 支持字節(jié)、半字和字的傳輸。 典型的 AMBA構(gòu)架 56 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(jié)構(gòu)與嵌入式系統(tǒng)設計 AHB總線的接口信號 ? AHB 系統(tǒng)由主模塊 (Master)、從模塊 (Slave)和基礎結(jié)構(gòu) (Infrastructure)3部分組成，整個 AHB總線上的傳輸都是由主模塊發(fā)出，由從模塊負責回應?；A結(jié)構(gòu)則由仲裁器 (arbiter)、主模塊到從模塊的多路器、從模塊到主模塊的多路器 、譯碼器、虛擬從模塊、虛擬主模塊等組成。 AHB總線的接口信號 時鐘信號 仲裁信號 地址信號 控制信號 寫數(shù)據(jù) 讀數(shù)據(jù) 響應信號 除了時鐘與仲裁信號之外，其余的信號皆通過多路器傳送。 57 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(jié)構(gòu)與嵌入式系統(tǒng)設計 AHB總線的互連 58 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(jié)構(gòu)與嵌入式系統(tǒng)設計 AHB總線主模塊接口 59 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(jié)構(gòu)與嵌入式系統(tǒng)設計 AHB總線從模塊接口 60 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(jié)構(gòu)與嵌入式系統(tǒng)設計 AHB總線仲裁器接口 61 林水生 2023 電子科技大學 通信與信息工程學院