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          一文看懂嵌入式總線技術(shù)的原理、分類及技術(shù)指標(biāo)

          作者: 時(shí)間:2017-04-10 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

            1. 總線基礎(chǔ)

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201704/346379.htm

            總線(Bus)是計(jì)算機(jī)各種功能部件之間傳送信息的公共通信干線,它是由導(dǎo)線組成的傳輸線束,按照計(jì)算機(jī)所傳輸?shù)男畔⒎N類,計(jì)算機(jī)的總線可以劃分為數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線,分別用來傳輸數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)地址和控制信號(hào)。總線是一種內(nèi)部結(jié)構(gòu),它是CPU、內(nèi)存、輸入、輸出設(shè)備傳遞信息的公用通道,主機(jī)的各個(gè)部件通過總線相連接,外部設(shè)備通過相應(yīng)的接口電路再與總線相連接,從而形成了計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中,各個(gè)部件之間傳送信息的公共通路叫總線,微型計(jì)算機(jī)是以總線結(jié)構(gòu)來連接各個(gè)功能部件的

            2. 總線的工作原理

            當(dāng)總線空閑(其他器件都以高阻態(tài)形式連接在總線上)且一個(gè)器件要與目的器件通信時(shí),發(fā)起通信的器件驅(qū)動(dòng)總線,發(fā)出地址和數(shù)據(jù)。其他以高阻態(tài)形式連接在總線上的器件如果收到(或能夠收到)與自己相符的地址信息后,即接收總線上的數(shù)據(jù)。發(fā)送器件完成通信,將總線讓出(輸出變?yōu)楦咦钁B(tài))。

            3. 總線的分類

            A. 按功能和規(guī)范分。

              

            圖1三類總線在微機(jī)系統(tǒng)中的地位和關(guān)系

            (1) 片總線(Chip Bus, C-Bus) 又稱元件級(jí)總線,是把各種不同的芯片連接在一起構(gòu)成特定功能模塊(如CPU模塊)的信息傳輸通路,它的寬度可以是8、16、32或64位。目前比較流行的幾種內(nèi)部總線技術(shù):I2C總線、SCI總線等。

            (2) 內(nèi)總線(Internal Bus, I-Bus) 又稱系統(tǒng)總線或板級(jí)總線,是微機(jī)系統(tǒng)中各插件(模塊)之間的信息傳輸通路。例如CPU模塊和存儲(chǔ)器模塊或I/O接口模塊之間的傳輸通路。常用的有PC總線、AT總線(ISA總線)、總線等。

            (3) 外總線(External Bus, E-Bus)

            又稱通信總線,是微機(jī)系統(tǒng)之間或微機(jī)系統(tǒng)與其他系統(tǒng)(儀器、儀表、控制裝置等)之間信息傳輸?shù)耐罚鏓IA RS-232C、IEEE-488等。

            其中的系統(tǒng)總線,即通常意義上所說的總線,一般又含有三種不同功能的總線,即數(shù)據(jù)總線DB、地址總線AB和控制總線CB。有的系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)總線和地址總線是復(fù)用的,即總線在某些時(shí)刻出現(xiàn)的信號(hào)表示數(shù)據(jù)而另一些時(shí)刻表示地址;而有的系統(tǒng)是分開的。51系列單片機(jī)的地址總線和數(shù)據(jù)總線是復(fù)用的,而一般PC中的總線則是分開的?!皵?shù)據(jù)總線DB”用于傳送數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)總線是雙向三態(tài)形式的總線,即他既可以把CPU的數(shù)據(jù)傳送到存儲(chǔ)器或I/O接口等其它部件,也可以將其它部件的數(shù)據(jù)傳送到CPU。數(shù)據(jù)總線的位數(shù)是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要指標(biāo),通常與微處理的字長相一致。例如Intel 8086微處理器字長16位,其數(shù)據(jù)總線寬度也是16位。需要指出的是,數(shù)據(jù)的含義是廣義的,它可以是真正的數(shù)據(jù),也可以是指令代碼或狀態(tài)信息,有時(shí)甚至是一個(gè)控制信息,因此,在實(shí)際工作中,數(shù)據(jù)總線上傳送的并不一定僅僅是真正意義上的數(shù)據(jù)。“地址總線AB”是專門用來傳送地址的,由于地址只能從CPU傳向外部存儲(chǔ)器或I/O端口,所以地址總線總是單向三態(tài)的,這與數(shù)據(jù)總線不同。地址總線的位數(shù)決定了CPU可直接尋址的內(nèi)存空間大小,比如8位微機(jī)的地址總線為16位,則其最大可尋址空間為2^16=64KB,16位微型機(jī)(x位處理器指一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)微處理器能處理的位數(shù)多少,即字長大小)的地址總線為20位,其可尋址空間為2^20=1MB。一般來說,若地址總線為n位,則可尋址空間為2^n字節(jié)?!翱刂瓶偩€CB”用來傳送控制信號(hào)和時(shí)序信號(hào)??刂菩盘?hào)中,有的是微處理器送往存儲(chǔ)器和I/O接口電路的,如讀/寫信號(hào),片選信號(hào)、中斷響應(yīng)信號(hào)等;也有是其它部件反饋給CPU的,比如:中斷申請(qǐng)信號(hào)、復(fù)位信號(hào)、總線請(qǐng)求信號(hào)、設(shè)備就緒信號(hào)等。因此,控制總線的傳送方向由具體控制信號(hào)而定,一般是雙向的,控制總線的位數(shù)要根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際控制需要而定。實(shí)際上控制總線的具體情況主要取決于CPU。

            B. 按傳輸數(shù)據(jù)的方式劃分

            可以分為串行總線和并行總線。串行總線中,二進(jìn)制數(shù)據(jù)逐位通過一根數(shù)據(jù)線發(fā)送到目的器件;并行總線的數(shù)據(jù)線通常超過2根。常見的串行總線有SPI、I2C、USB及RS232等。常見并行總線有VME總線和總線等。串行總線傳輸速度比并行快,并行總線的時(shí)鐘一般為33MHz或66MHz。

            C. 按時(shí)鐘信號(hào)是否獨(dú)立分

            可以分為同步總線和異步總線。同步總線的時(shí)鐘信號(hào)獨(dú)立于數(shù)據(jù),而異步總線的時(shí)鐘信號(hào)是從數(shù)據(jù)中提取出來的。I2C總線、SPI總線、總線、CPCI總線是同步串行總線,SCI總線、IEEE 488和ANSI X3.131-1986 SCSI總線、VME總線、RS232采用異步串行總線。

            4. 總線的主要技術(shù)指標(biāo)

            (1)總線的帶寬(總線數(shù)據(jù)傳輸速率)

            總線的帶寬指的是單位時(shí)間內(nèi)總線上傳送的數(shù)據(jù)量,即每鈔鐘傳送MB的最大穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)傳輸率。與總線密切相關(guān)的兩個(gè)因素是總線的位寬和總線的工作頻率,它們之間的關(guān)系:總線的帶寬=總線的工作頻率*總線的位寬/8 或者 總線的帶寬=(總線的位寬/8 )/總線周期

            (2)總線的位寬

            總線的位寬指的是總線能同時(shí)傳送的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù),或數(shù)據(jù)總線的位數(shù),即32位、64位等總線寬度的概念??偩€的位寬越寬,每秒鐘數(shù)據(jù)傳輸率越大,總線的帶寬越寬。

            (3)總線的工作頻率

            總線的工作時(shí)鐘頻率以MHZ為單位,工作頻率越高,總線工作速度越快,總線帶寬越寬。

            5. 總線的優(yōu)缺點(diǎn)

            采用總線結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn):

            1、簡化了硬件的設(shè)計(jì)。便于采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,面向總線的微型計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)只要按照這些規(guī)定制作cpu插件、存儲(chǔ)器插件以及I/O插件等,將它們連入總線就可工作,而不必考慮總線的詳細(xì)操作。

            2、簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰。連線少,底板連線可以印制化。

            3、系統(tǒng)擴(kuò)充性好。一是規(guī)模擴(kuò)充,規(guī)模擴(kuò)充僅僅需要多插一些同類型的插件。二是功能擴(kuò)充,功能擴(kuò)充僅僅需要按照總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)新插件,插件插入機(jī)器的位置往往沒有嚴(yán)格的限制。

            4、系統(tǒng)更新性能好。因?yàn)閏pu、存儲(chǔ)器、I/O接口等都是按總線規(guī)約掛到總線上的,因而只要總線設(shè)計(jì)恰當(dāng),可以隨時(shí)隨著處理器的芯片以及其他有關(guān)芯片的進(jìn)展設(shè)計(jì)新的插件,新的插件插到底板上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行更新,其他插件和底板連線一般不需要改。

            5、便于故障診斷和維修。用主板測試卡可以很方便找到出現(xiàn)故障的部位,以及總線類型。

            采用總線結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn): 1、利用總線傳送具有分時(shí)性。當(dāng)有多個(gè)主設(shè)備同時(shí)申請(qǐng)總線的使用是必須進(jìn)行總線的仲裁。 2、總線的帶寬有限,如果連接到總線上的個(gè)硬件設(shè)備沒有資源調(diào)控機(jī)制容易造成信息的延時(shí)(這在某些即時(shí)性強(qiáng)的地方是致命的)。

            3、連到總線上的設(shè)備必須有信息的篩選機(jī)制,要判斷該信息是否是傳給自己的。

            總線技術(shù)分類

            一、 內(nèi)部總線、系統(tǒng)總線和外部總線

            1、內(nèi)部總線

            Internal Bus :將處理器的所有結(jié)構(gòu)單元內(nèi)部相連。它的寬度可以是8、16、32、或64位。目前比較流行的幾種內(nèi)部總線技術(shù):

            I2C總線

            I2C(Inter-IC)總線10多年前由Philips公司推出,是近年來在微電子通信控制領(lǐng)域廣泛采用的一種新型總線標(biāo)準(zhǔn)。它是同步通信的一種特殊形式,具有接口線少,控制方式簡化,器件封裝形式小,通信速率較高等優(yōu)點(diǎn)。在主從通信中,可以有多個(gè)I2C總線器件同時(shí)接到I2C總線上,通過地址來識(shí)別通信對(duì)象。 SPI總線

            串行外圍設(shè)備接口SPI(serial peripheral interface)總線技術(shù)是Motorola公司推出的一種同步串行接口。Motorola公司生產(chǎn)的絕大多數(shù)MCU(微控制器)都配有SPI硬件接口,如68系列MCU。SPI總線是一種三線同步總線,因其硬件功能很強(qiáng),所以,與SPI有關(guān)的軟件就相當(dāng)簡單,使CPU有更多的時(shí)間處理其他事務(wù)。 SCI總線

            串行通信接口SCI(serial communicaTIon interface)也是由Motorola公司推出的。它是一種通用異步通信接口UART,與MCS-51的異步通信功能基本相同。

            2、系統(tǒng)總線

            系統(tǒng)總線又稱內(nèi)總線或板級(jí)總線。因?yàn)樵摽偩€是用來連接微機(jī)各功能部件而構(gòu)成一個(gè)完整微機(jī)系統(tǒng)的,所以稱之為系統(tǒng)總線。常用的有PC總線、AT總線(ISA總線)、PCI總線等。

            系統(tǒng)總線上傳送的信息包括數(shù)據(jù)信息、地址信息、控制信息,因此,系統(tǒng)總線包含有三種不同功能的總線,即數(shù)據(jù)總線DB(Data Bus)、地址總線AB(Address Bus)和控制總線CB(Control Bus)

            目前比較流行的幾種系統(tǒng)總線技術(shù): ISA總線

            ISA(industrial standard architecture)總線標(biāo)準(zhǔn)是IBM 公司1984年為推出PC/AT機(jī)而建立的系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn),所以也叫AT總線。它是對(duì)XT總線的擴(kuò)展,以適應(yīng)8/16位數(shù)據(jù)總線要求。它在80286至80486時(shí)代應(yīng)用非常廣泛,以至于現(xiàn)在奔騰機(jī)中還保留有ISA總線插槽。ISA總線有98只引腳。

           



          關(guān)鍵詞: 嵌入式 PCI

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