微处理器系统结构与嵌入式系统设计笔记（四）

1. 总线技术概述

• 总线是计算机系统中的信息传输通道，由系统各个部件所共享。或者说，是计算机系统中模块与模块之间、部件与部件之间、设备与设备之间传送信息的一组公用信息传输线。
• 从物理意义上来讲，总线是一种共享的传输媒介。
• 总线分类：
  • 按所处位置分：
    1.片类总线：在微处理器芯片内部的总线。
    如：ARM处理器的AMBA总线。
    2.系统总线：也称微处理器系统总线，是微处理器芯片与存储器芯片、外设接口芯片等连接的总线。
    如：微处理器芯片的引脚信号。
    3.系统外总线： 是微机系统与系统之间、微机系统与外部设备之间的总线。
    如：IEE488、USB。
  • 按总线功能分：
    1.地址总线：完成系统地址信号传输，一般为单项传输总线。
    2.数据总线：为总线所连的各个模块提供数据传送的通道，通常为双向传送总线。
    3.控制总线：传输辅助各项操作的控制信号的总线。
  • 按总线时序控制方式分：
    1.同步总线：同步总线在传送数据时，由严格的时钟周期来定时。
    2.异步总线：异步总线在传送数据时，没有固定的时钟周期定时，而采用应答方式工作，操作时间更具需要可长可短。
  • 按数据传送格式分：
    1.并行总线：有多条数据传输线，可以同时并行传输多个二进制位，其位数位该总线的宽度。内总线一般位并线总线。
    2.串行总线：只有一条数据线，只能串行的逐位传送数据。系统外总线多为串行总线，以节省线路成本，实现远距离传输。
• 总线的性能指标：
  • 总线时钟频率：是总线操作的时钟源每秒产生的脉冲数，反应了总线工作速度的快慢程度。
  • 总线宽度：是总线单次并行传送数据的位数，一般为数据线的条数。
  • 总线速率：是通过总线每秒能传输数据的最大次数。总线速率=总线时钟频率/总线周期数。
  • 总线带宽：是通过总线每秒传输的字节数。总线带宽=总线速率×总线宽度/8。
  • 总线的同步方式：分为同步总线和异步总线。
  • 总线的驱动能力：指当前总线接上负载后，总线输入、输出的逻辑电平保持在正常额定范围内所能挂接的模块器件的数目。

2. 总线仲裁

总线仲裁又称总线判决，其目的是合理地控制和管理系统中多个主设备地总线请求，以避免总线冲突。

• 集中式仲裁：
  • 串行仲裁：又称“菊花链”仲裁，常见地三线“菊花链"由总线请求BR信号、总线允许BG信号和总线忙BB信号完成。串行仲裁的特点是设备使用总线的优先级由它到总线仲裁其的距离决定，最近的优先级最高，最远的优先级最低。
  • 并线仲裁：在并行仲裁方式中，每个主设备都有独立的BR和BG信号线，并接到仲裁器上。
  • 混合仲裁：又称多级仲裁，是把并行仲裁和串行仲裁方法相结合构成的更为灵活的仲裁方式。
• 分布式仲裁：分布式仲裁方式是在每个设备模块中包含访问控制逻辑，这些设备模块共同作用，分享总线。

3. 总线操作与时序

• 总线操作：计算机系统中，通过总线进行信息交换的过程称为总线操作。总线设备完成一次完整信息交换的时间称为总线周期，如读/写存储器周期、读/写IO端口周期、DMA周期、中断周期等。在含有多个主控制器的总线系统中，一个总线操作周期一般分为4个阶段：
  • 总线请求及仲裁阶段。
  • 寻址阶段。
  • 数据传输阶段。
  • 结束阶段。
• 总线时序：是指总线事件的协调方式。总线时序一般分为4种：
  • 同步总线时序：对于同步总线而言，其控制总线包含一个时钟和一个固定的与时钟有关的地址和数据发送协议。
    • 优点：速度较快而且费用低。
    • 缺点：
      • 1.由于总线偏离问题，总线程度一般很短，并且总线上所有的设备必须有相同的时钟频率；
      • 2.总线可以连接不同速度的设备，但工作速度取决于速度最慢的设备。
  • 半同步总线时序：具有同步时钟而又能插入等待周期的时序。
  • 异步总线时序：异步总线协定依靠传送双方互相制约的握手信号来实现实时控制。
    • 优点：能保证两个工作速度相差很大的模块或设备间可靠地进行信息交换，并且传输距离可以比较长。
    • 缺点：由于握手需要额外地总线开销，因此比同步总线效率低。
  • 周期分裂时时序：将一个读写周期分解为两个分离地子周期，两个子周期均按照同步方式传送，在占用总线时刻，进行高速信息传送。这样可以把两个子周期之间的空闲时间给系统中的其他主模块使用，大大提高了总线的利用率。

4. 总线标准

• 总线标准也称总线协议，是为了实现对总线传输信息的分时共享而制定的相关规则。
• 总线标准具有4个特性：
  • 物理特性：指总线物理连接的方式。
  • 功能特性：描述了总线中每条线的功能是什么。
  • 电气特性：定义每条线上的信号的传递方向、有效电平。
  • 时间特性：定义了每条线的信号在什么时间有效，与其他线上的信号时序关系等。

4.1 片内AMBA总线

• AMBA总线是ARM公司研发的一种SoC片上通信总线标准。AMBA总线定义了三种不同的总线：
  • 高级高性能总线（AHB）：担当高性能系统的中枢总线，支持多主机的总线，支持突发传输、分块处理等。
  • 高级系统总线（ASB）：是另一种系统总线，用在并不要求AHB的高性能的地方，支持突发传输、多主机总线等。
  • 高级外设总线（APB）：优化了最小功率消耗并且降低了接口复杂度以支持外设功能。APB桥是AMBA APB中的唯一总线主机，它也是高级系统总线中的异构从机。

4.2 PCI系统总线

• PCI外部设备互联总线是Intel公司提出的。
• PCI总线的特点：
  • 线性突发传输
  • 同步总线操作
  • 多总线主控方式
  • 不受处理器限制
  • 自动配置功能
  • 编码总线命令
  • 地址/数据总线复用
  • 总线错误监视
  • 兼容性强

4.3 异步串行通信总线

• 串行总线是实现数据按位串行传输时所必需的各种信号线的总和。串行总线使用的线缆少，成本低，通常用于远距离通信。
• 串行总线的特点：
  • 传输方式：按照数据流的方式可以分别为单工和双工，而双工可以分为半双工和全双工。
  • 传输速率：指单位时间内传送二进制数据的位数，单位bps。
  • 通信控制方式：分为同步串行总线和异步串行总线。
  • 差错控制：串行数据在传输过程中，由于干扰等原因引起误码时难免的，差错直接影响通信系统的可靠性。差错控制分为两种，检错和纠错。
    • 检错：实质是对传送的数据进行校验。常见的校验方法有：
      • 奇偶校验
      • CRC循环冗成校验
    • 纠错：指一种用于纠正在传送或存储数据期间产生的出错数据的方法。主要有：
      • 重发纠错（ARQ）
      • 前向纠错（FEC）
      • 混合纠错（HEC）
• 串行总线标准：
  • 串行总线标准（协议）就是通信的收发双方共同遵循的传输数据帧结构、传输速率、检错和纠错、数据/控制信息类型的相关规定。串行通信协议包括同步协议和异步协议，这里主要讨论异步串行通信协议，如：RS-232C、RS-422A和RS485等。
  • 串行通信的数据接收：串行异步通信每帧信息包含一个起始位、5-8个有效数据位、1位奇/偶校验位、1位停止位组成。