微机系统与接口：接口与通讯-总线

1、1,第三章 微机总线与接口标准,第一节 总线与接口概述,一、总线和接口及其标准的概念,总线：是在模块和模块之间或设备与设备之间的一组进行互连和传输信息的信号线，信息包括指令、数据和地址,同一时间段内，只有一个主设备可主动进行信号的传输,2,总线标准 指芯片之间、扩展卡之间以及系统之间，通过总线进行连接和传输信息时，应该遵守的一些协议与规范,接口标准 接口标准指外设接口的规范，涉及接口信号线定义、信号传输速率、传输方向和拓扑结构，以及电气特性和机械特性等多个方面,3,总线与接口的区别,总线标准具有公用性； 总线往往以主板上的总线扩展槽形式提供使用； 接口一般是以接口插座（头）形式提供使用。 总线

2、一般是并行传输；接口有并行传输，也有串行传输。 总线定义的信号线多， 而且齐全，有分离的控制线、数据线和地址线；接口的信号线少，而且不齐全，一般是控制线、数据线和地址线共用,4,二、总线的分类,1.按总线功能或信号类型划分,数据总线、地址总线、控制总线,5,三、总线的主要性能参数,1总线频率 2总线宽度,3总线的数据传输率 总线的数据传输率=(总线宽度/8位)总线频率,例：PCI总线的总线频率为33.3MHz，总线宽度为64位的情况下，总线数据传输率为266MB/s,6,四、 总线标准的特性,1物理特性 信号线数量、及其排列，总线插头，插座尺寸形状等 2功能特性 每根线的功能定义。 3电器特性

3、 每根线上信号的传输方向及有效电平范围。 4时间特性 总线操作时序,7,五、 总线操作和总线传送控制,1. 总线操作的4个阶段,1）总线请求和仲裁阶段 2）寻址阶段 3）数据传送阶段 4）结束阶段,8,2. 总线传送控制,1）同步方式 2）异步方式 3）半同步方式 4）分离方式,9,第二节 系统总线,一、 ISA总线 (Industry Standard Architecture,1. ISA总线的信号 （98线,ISA，EISA，MCA，PC-104，STD,10,11,2. ISA总线扩展卡的设计,1）ISA总线扩展卡的物理尺寸,2）ISA总线扩展卡的地址分配和中断号分配,12,二、 其它

4、系统总线,1. EISA总线 EISA总线支持32位地址，具有32位数据总线，总线频率8.33MHz，最大数据传输率达到33.3MB/s(8.3332位/8,结构与ISA兼容，EISA总线插槽与ISA插槽等长等宽，内部被设计成为双层引脚,13,2. PC-104总线,主要特点,采用超小尺寸插卡，64+40线，嵌入式系统 插卡均采用PC-104标准的90mm96mm尺寸,自叠总线结构,总线驱动电流小，功耗低,14,第三节 PCI总线,一、 PCI总线的特点,独立于处理器 2) 传输效率高 3) 多总线共存 4) 支持突发传输 5) 支持总线主控方式,6) 采用同步操作 7) 支持两种电压下的扩展

5、卡 8) 具有即插即用功能 9) 合理的管脚安排 10) 预留扩展空间,15,二、 PCI信号定义,1. 系统接口信号 CLK IN：PCI系统总线时钟 最高33MHz/66MHz，最低0Hz。 PCI大部分信号在CLK的上升沿有效,2. 地址与数据接口信号 AD31:00 T/S：它们是地址、数据多路复用的输入/输出信号,主：49条，从：47条，可选：51条,16,C/BE3:0# T/S：它们是总线命令和字节使能多路复用信号线,PAR T/S：针对AD31:00和C/BE3:0#进行奇偶校验的校验位,在FRAME#有效的第1个时钟，AD31:00上传送的是32位地址，称为地址期,在IRDY

6、#和TRDY#同时有效时，AD31:00上传送的为32位数据，称为数据期,17,STOP# S/T/S：从设备发出的要求主设备终止当前的数据传送的信号。 LOCK# S/T/S：锁定信号,IDSEL IN：初始化设备选择信号 DEVSEL# S/T/S：设备选择信号,3.接口控制信号 FRAME# S/T/S：帧周期信号 IRDY# S/T/S：主设备准备好信号 TRDY# S/T/S：从设备准备好信号,18,4.仲裁接口信号 REQ# T/S：总线占用请求信号 GNT# T/S：总线占用允许信号,5.错误报告接口信号 PERR# S/T/S：数据奇偶校验错误报告信号 SERR# O/D：系统

7、错误报告信号,6.中断接口信号 PCI有4条中断线，分别是INTA#、INTB#、INTC#、INTD,19,7. 64位总线扩展信号 AD63:32 T/S：扩展的32位地址和数据多路复用线 C/BE7:4# T/S：总线命令和字节使能多路复用扩展信号线 REQ64# S/T/S，64位传输请求信号 ACK64# S/T/S：64位传输允许信号 PAR64 T/S：奇偶双字节校验,20,三、PCI插槽和PCI扩展卡,1.PCI插槽,21,2.PCI插卡,22,四、 PCI总线命令,23,五、 PCI总线协议,1PCI总线的传输控制,遵循的管理规则： (1) FRAME#和IRDY#定义了总线

8、的忙/闲状态。 (2) 一旦FRAME#信号被置为无效，在同一传输期间不能重新设置,3) 除非设置IRDY#信号，一般情况下不能设置FRAME#信号无效。 (4) 一旦主设备设置了IRDY#信号，直到当前数据期结束为止，主设备不能改变IRDY#信号和FRAME#信号的状态,24,2PCI总线的寻址,1) I/O地址空间,在I/O地址空间，32位AD线全部被用来提供一个完整的地址编码（字节地址）。 AD1:0和C/BE3:0指明传输的最低有效字节,25,2) 内存地址空间,3) 配置地址空间,26,3字节对齐,4PCI总线的驱动与过渡,PCI总线上不能进行字节的交换。具有64位通道的主设备可以进

9、行DWORD（双字）的交换,主设备可在每个新数据期开始的时钟前沿改变字节使能信号，且在整个数据期中保持不变,读缓冲中的数据可以不考虑字节使能信号，而传送所有的字节,在每个地址（数据）期中，所有的AD线都必须被驱动到稳定的状态（数据），包括那些字节使能信号表明无效的字节所对应的AD线,从一个设备驱动总线到另一个设备驱动PCI总线之间设置一个过渡期，又称为交换周期，以防止总线访问冲突,27,5设备选择,28,六、 PCI总线数据传输过程,1总线上的读操作,图3.7 读操作时序,29,2总线上的写操作,30,3传输的终止过程,1) 由主设备提出的终止,2) 由从设备提出的终止,原因：传输结束，超时,

10、处理：建立IRDY#，撤消FRAME#，直到TRDY#有效后传输完最后一个数据,原因：死锁，8个时钟内无响应,处理：发STOP,31,当STOP#信号有效时，FRAME#应该在其后的23个时钟周期内尽快撤消，但撤消时应使IRDY#有效，从设备应无条件的保持STOP#的有效状态直到FRAME#撤消为止。FRAME#撤消后，STOP#也应该紧跟着撤消,PCI总线上FRAME#、IRDY#、TRDY#和STOP#遵循的规则,在任何时钟的上升沿，若STOP#和TRDY#同时有效，就表示是传输的最后周期，IRDY#要在下一个时钟的上升沿之前撤消，表示传输的结束,对被目标设备终止的传输，主设备要继续完成它

11、，就必须用下一个未传输的数据的地址来重试访问,32,七、 总线仲裁,33,八、 PCI总线配置,1、配置空间头区域及功能,34,1)设备识别,2)设备控制,3)设备状态,35,4)基址寄存器,地址映射寄存器,36,举例1,基址寄存器的值=FFF00000h,位0=0，表示是一个存储器地址空间映射 位2:1=00b，它使32位存储器映射 位3=0，表示它不是预取存储器。 位31:4第一个为1的是位20，表示映射的存储空间为1MB。这意味着存储映射的基地址应该起始于1MB、2MB、3MB等的边界上,系统经过权衡后再向该基址寄存器写入实际映射的空间基址,37,举例2,基址寄存器的值=FFFFFF01

12、h,位0=1，表示是一个I/O地址空间映射 位31:2第一个为1的是位8，表示映射的I/O空间为256。这意味着I/O映射的基地址应该起始于256的整数倍,38,最大/最小映射地址空间是多少,最大/最小存储映射地址空间,最小存储映射地址空间=16字节 最大存储映射地址空间=2GB,最大/最小I/O映射地址空间,最小I/O映射地址空间=4字节 最大存储映射地址空间=256字节,39,扩展ROM基地址寄存器,扩展ROM基地址=FFFF0001H,位0=1，表示扩展ROM访问允许 位31:11第一个为1的是位16，表示映射的存储空间为64K。这意味着ROM映射的基地址应该起始于64KB的边界,5)头

13、区域中其它寄存器,40,2配置空间的访问,1) 配置空间访问时目标设备的选择,对于某一PCI设备，只有当输入它的IDSEL信号有效，并且在地址期内AD1:0为00时，才能被作为配置访问的目标设备,41,2) 配置空间访问的类型,0类配置空间访问 对（正在运行的）当前PCI总线上的目标设备配置寄存器所进行的访问。 被配置访问的目标设备必须在地址期采样到其IDSEL输入信号有效，并且AD10必须为00。 地址期，AD108用于选择物理设备的八种功能之一,1类配置空间访问 对（通过PCI/PCI桥连接的）下一级PCI总线上的目标设备（配置寄存器）所进行的访问。 一旦PCI/PCI桥检测到1类配置访问

14、，就有三种情况，须分别进行处理,42,3) 配置访问的访问方法,针对x86兼容的系统，PCI协议定义了将处理器发出的I/O或存储器访问识别或转换为配置访问的转换机构，称为配置机构,配置机构是利用两个32位的I/O端口寄存器来访问PCI设备的配置空间的。一个叫配置地址端口寄存器（I/O地址为0CF8H0CFBH），另一个叫配置数据口寄存器（I/O地址为0CFCH0CFFH,第一步，将要访问的总线号、设备号、功能号和双字号写到配置地址端口寄存器。（32位写,第二步，执行一次对配置数据端口寄存器的I/O读/写,43,九、 PCI BIOS,1、通过PCI BIOS才能直接访问PCI配置寄存器,2、1

15、6位PCI BIOS的调用,3、32位PCI BIOS的调用,44,一、 USB（Universal Serial Bus)系统组成,1. USB的软硬件,USB主控制器/根集线器 USB集线器(USB Hub) USB设备,USB设备驱动程序 USB驱动程序 USB主控制器驱动程序,第四节 通用串行总线USB,硬件,软件,45,USB优点： 1、无需扩展卡、跳线、中断、DMA通道等设置； 2、真正的热插拔 3、400多家大公司的支持 4、高速传输：USB1.0-12Mb/s USB2.0-480Mb/s 5、可连接127个外设,46,2. USB的拓扑结构,47,二、USB系统的接口信号和电

16、气特性,1.接口信号线,48,如何识别设备已连接上？ 如何识别处于工作状态,设备未连接(或断开)时： abs(VD+-VD-)2.5s,设备空闲(J状态)： abs(VD+-VD-)2.5V，时间2.5s,设备工作(K状态)： abs(VD+-VD-)2.5V，时间2.5s,2.电气特性 对地电源电压为4.755.25V，设备吸入的最大电流值为500mA,49,3.NRZI编码,空闲表示： (VD+-VD-) 维持不变,数据位表示：有电平跳变为0，无电平跳变为1,特例：连续6个1后插入1个0,目的： abs(VD+-VD-)2.5V，时间2.5s,50,三、 USB数据流类型和传输类型,1.U

17、SB数据流类型,2.USB的基本传输类型,2）批传输：单/双向，用于大批数据传输，要求准确，出错重传。时间性不强,1）控制传输 ：双向，用于配置设备或特殊用途，发生错误需重传,3）中断传输 ：单向入主机，用于随机少量传送。采用查询中断方式，出错下一查询周期重新传,4）等时传输 ：单/双向，用于连续实时数据传输，时间性强，但出错无需重传。传输速率固定,控制信号流、块数据流、中断数据流、实时数据流,51,四、 USB交换的包格式,52,53,包的一般格式,SYNC：同步序列,所有数据发发送都时从低位开始向高位发送,数据为10000000,PID：包标识别，发送从低位到高位,结束间隔区：发送方把两条

18、差分数据线上的电压降低，并保持2个位的传输时间，之后进入J状态,54,1. 标志包,1) 帧开始包,55,2) 接受包,接受交换包括了全部4种传输类型,接受交换: 根Hub广播接受包目标设备返回数据包根发握手包（等时传输无握手包,3)发送包,发送交换: 根Hub广播发送包根发数据包目标设备发握手包（批传输才有握手包,接受交换包括了除等时传输外的其他3种传输类型,56,4)设置包,2数据包,控制传输开始由主机发设置包，后面可能由一个或多个IN或OUT交换，或只包含一个端点传到主机的状态,57,3握手包,4 特殊包,只有SYNC和PID组成 主机希望与低速设备进行低速传输的时候发此包 PID域应该

19、高速（全速）发送。 PID之后，在低速数据包传输之前要延迟4个高速字节时间 低速设备只支持控制传输与中断传输 与低速设备交换数据只有8字节,58,五、 USB设备状态和总线枚举,59,HW9911 USB外围芯片,六、 USB外围芯片及应用,1、HW9911重要信号线 CS# RD# WR# INT# ALE SCL SDA D+ D- AD0AD7,2、HW9911的内部结构和应用,60,61,62,第五节 高性能串行总线标准IEEE1394,一、 IEEE1394的主要性能特点,通用性强，一个接口最多可连接63个不同设备。 传输速率高，支持100Mb/s3.2Gb/s的高传输速率。 实时性好 总线提供电源，可提供410