总线与总线标准_图文

1、 北京大学本科生主干基础课北京大学信息科学技术学院本科生必修课 北京大学Peking University本讲要点首先继续以AMBA2.0AHB总线协议为实例进行分析,其次介绍系统总线的发展历程,然后讲解PCI总线的结构和协议特点。阅读教材微型计算机:14.214.5阅读“AMBA Specification”(Rev2.0:Ch3 通过学习本课程了解计算机的发展历程,理解计算机的组成原理,掌握计算机的设计方法AHB 总线协议分析(续系统总线的发展PCI 总线结构PCI 总线协议分析主要内容总线逻辑电路示意图地址和控制写数据申请授权选中读数据和响应从模块1仲裁器主模块1从模块2从模块3主模块2

2、译码器AMBA总线传输场景(复习场景三:多个连续的传输场景四:大量连续数据的传输场景五:希望先得到Burst传输中的某个特定数据时序图3:三次连续的总线传输未准备好扩展传输A 完成传输B 完成传输C 完成注意不同传输的地址和数据在时间上的重叠(overlap 发出地址A发出地址B发出地址C发出数据A时序图4:HTRANS和HBURST信号示例传输开始传输进行中地址总线空闲IDLET1T2T3T4T5T6T7时序图5:地址回卷的四个数据的传输IDLE地址回卷*HWRITE信号:1表示写传输,0表示读传输场景六在Burst传输的过程中,主模块未准备好1.主模块无法提供写数据2.主模块无法接收读数据

3、主模块控制信号:HTRANS HTRANS1:0定义传输中各周期的类型编码类型说明00IDLE Indicates that no data transfer is required.The IDLE transfer type is used when a bus master is granted the bus, but does not wish to perform a data transfer.01BUSY Indicates that the bus master is continuing with a burst of transfers,but the next tran

4、sfer cannot take place immediately.The transfer should be ignored by the slave.10NONSEQ Indicates the first transfer of a burst or a single transfer. The address and control signals are unrelated to the previous transfer.(NONSEQUENTIAL11SEQ The remaining transfers in a burst are SEQUENTIAL and the a

5、ddress is related to the previous transfer.The control information is identical to the previous transfer.*编码为二进制时序图6:HTRANS 为BUSY 的示例IDLE INCR4主模块忙地址总线空闲地址保持传输开始传输继续不提供写数据不提供读数据场景七需要传输的数据宽度比数据总线的宽度小例如,需要传输1个16位的数据,而数据总线的宽度是32位的主模块控制信号:HSIZEHSIZE2:0定义了传输数据的宽度编码宽度(bit说明0008字节(Byte00116半字(Halfword 0103

6、2字(Word 01164-100128四字(4-word line 101256八字(8-word line 110512-1111024-ARM体系结构中定义的“字”为32位(4个字节,与x86体系结构的定义不同*编码为二进制时序图7:两次不同数据宽度的总线传输“2个半字数据”的传输“3个字数据”的传输地址递增2地址递增4 主模块输出的控制信号HTRANS:传输中各周期的类型IDLE/BUSY/NONSEQ/SEQ HBURST:传输长度和地址变化方式SINGLE/INCR/INCR4/WRAP4/HWRITE:传输数据的方向READ/WRITEHSIZE:传输数据的宽度8bits/16b

7、its/32bits/1024bits 通过学习本课程了解计算机的发展历程,理解计算机的组成原理,掌握计算机的设计方法AHB 总线协议分析(续系统总线的发展PCI 总线结构PCI 总线协议分析主要内容微型计算机中不同层次总线的简化示意 片上总线通信总线系统总线总线标准的内容规定模块插件的机械尺寸,总线插头、插座的规格及位置等1、机械特性规定总线信号的逻辑电平、噪声容限及负载能力等2、电气特性给出各总线信号的名称及功能定义3、功能特性对各总线信号的动作过程及时序关系进行说明4、规程特性片上总线标准一般只包含第3、4两项为什么?总线标准的两种产生途径事实标准计算机系统厂家所采用的一种总线,由于其性

8、能优越,逐渐形成一种被业界广泛支持和承认的事实总线标准国际标准在国际标准组织或机构主持下开发和制定的总线标准,公布后由厂家和用户使用总线标准举例ISA EISAPCI AGPPCIExpress USB1981年,IBM推出个人计算机PC/XT基于8位字长的8088CPU采用8位宽系统总线,称为PC总线或PC/XT总线1984年,IBM推出个人计算机PC/AT基于16位字长的80286CPU采用与XT总线兼容的16位的PC/AT总线IBM PC及其兼容产品的广泛应用PC/AT总线规范逐渐标准化,形成ISA总线标准ISA总线最大数据传输率8MBps和16MBps1988年,32位80386CPU

9、广泛使用ISA的传输速率无法满足32位80386CPU的需求康柏、惠普、AST、爱普生等九家厂商协同将ISA总线扩展到32位宽度,形成EISA总线EISA总线最大数据传输率32MBps2000年前后,EISA总线逐渐退出市场EISA插槽1992年,80486CPU广泛应用英特尔推出了PCI总线,迅速成为工业标准PCI总线为32位/33MHz,带宽133MBps后续推出了64位/33MHz和64位/66MHz的PCI总线,主要用于服务器领域PCI插槽PCI-SIG组织PCI-SIGPCI Special Interest Group,PCI特别兴趣组1992年成立,现有900多个企业成员该组织拥

10、有并管理作为业界开放标准的PCI规范 AGP (Accelerated Graphics Port 1996年,3D 显卡时代的到来英特尔在PCI 基础上研发出AGP 标准AGP 是专用于显卡的高速点对点通道AGP 插槽AGP 1.0(1996年带宽:266MBps (1X 模式533MBps (2X 模式AGP 2.0(1998年带宽:1.06GBps (4X 模式AGP 3.0(2000年带宽:2.1GBps (8X 模式*工作频率均为66MHz PCI 插槽标准的提出2001年,英特尔提出3GIO总线的概念2002年,更名为PCI Express,由PCI-SIG组织正式推出全新的基础架

11、构串行方式传输数据,依靠高频率获得高性能全双工运作模式,同时进行数据发送和接收点对点连接结构,而非传统的共享结构PCI-E x16插槽PCI-E x4插槽PCI-E x1插槽PCI插槽PCIe的数据传送方式PCIe使用“端到端的数据传送方式”两端都含有TX(发送逻辑和RX(接收逻辑 PCIe总线物理层采用差分信号传输优点抗干扰能力强能有效抑制电磁干扰时序定位准确缺点在电路板上,差分信号一定要走两根等长、等宽、紧密靠近且在同一层面的线,布线难度高PCIe链路的带宽和编码方式PCIe使用GT(Gigatransfer计算链路的峰值带宽峰值带宽的计算公式(单位:GT/s总线频率×数据位宽&

12、#215;2总线规范总线频率单条链路的峰值带宽编码方式1.x 1.25GHz2.5GT/s8/10b编码2.x 2.5GHz5GT/s8/10b编码3.04GHz8GT/s128/130b编码PCIe链路的宽度PCIe链路可以由多个通道(Lane组成目前PCIe链路可以支持1、2、4、8、12、16和32个Lane即×1、×2、×4、×8、×12、×16和×32宽度的PCIe 链路PCIe×16插槽PCIe×4插槽PCIe×1插槽PCI插槽USB总线USB:Universal Serial Bu

13、s,通用串行总线一个使计算机周边设备连接标准化、单一化的接口(可连接键盘、显示器、鼠标、调制解调器、打印机、扫描仪及各种数字音影设备可为某些设备(如数码相机、扫描仪等提供电源,使这些设备无须外接独立电源即可工作1. Micro-B plug;2. ExtUSB plug (HTC;3. Mini-B plug1234564. Standard-A receptacle;5. Standard-A plug;6. Standard-B plugUSB总线(续USB标准由Intel、NEC、Compaq、DEC、IBM、Microsoft、Nortel等公司联合制定版本最大速率速率名称发布时间US

14、B1.0192KB/s低速(Low-Speed1996年1月USB1.1 1.5MB/s全速(Full-Speed1998年9月USB2.060MB/s高速(High-Speed2000年4月USB3.0640MB/s超速(Super-Speed2008年11月 通过学习本课程了解计算机的发展历程,理解计算机的组成原理,掌握计算机的设计方法AHB 总线协议分析(续系统总线的发展PCI 总线结构PCI 总线协议分析主要内容PCI 总线的典型结构片上总线23GHzPCI 总线和插槽33MHz前端总线266/333/800/MHz存储器HOST 主桥CPU PCI 显卡PCI 网卡PCI 总线基于P

15、CI 总线的处理器系统注:有些处理器前端总线系统可能含有多个HOST主桥PCI总线PCI总线的主要特点(1地址空间隔离PCI设备具有独立的地址空间,即PCI总线地址空间PCI总线地址空间与存储器地址空间通过HOST主桥隔离前端总线处理器访问PCI 设备时,必须通过HOST 主桥进行地址转换PCI 总线地址A地址A前端总线PCI 总线地址B地址BPCI 设备访问主存储器时(DMA ,必须通过HOST 主桥进行地址转换PCI总线的主要特点(2可扩展性强HOST主桥可以直接管理一条PCI总线第一条总线可以通过PCI-to-PCI桥(简称PCI桥扩展出一系列PCI总线以HOST主桥为根节点,可以形成一

16、棵PCI总线树,最多挂接256个PCI设备(包括PCI桥总线类型总线频率峰值带宽负载能力PCI 33MHz133MB/s4-5个插槽66MHz266MB/s1-2个插槽PCI总线树示例PCI总线0PCI总线1动态配置机制PCI总线不需要使用硬件跳线解决设备间的地址冲突(ISA或者EISA接口卡使用该方式PCI设备使用的地址可以根据需要由系统软件动态分配,从而实现了“即插即用”功能。总线带宽虽然PCI总线的峰值带宽远不能和PCIe总线相比,但是比之前的局部总线大大提高总线峰值带宽PCI(32位/33MHz132MB/sPCI(64位/66MHz532MB/sISA总线16MB/sEISA总线33

17、MB/sMCA总线40MB/s共享总线机制PCI设备通过仲裁获得PCI总线的使用权后,才能在PCI总线上进行数据传送虽然PCI总线规范并未要求,但是绝大多数HOST主桥和PCI 桥都包含PCI总线仲裁器所有PCI设备共享同一总线带宽,效率远不如PCIe总线采用的交换结构,但是当时最优选择一个包含多条总线的复杂系统的示例系统总线译码器仲裁器微处理器M存储控制器SHOST 主桥SMT IPCI总线仲裁器S 或T: 从设备接口M 或I: 主设备接口PCI 总线的主设备称为Initiator ,从设备称为Target (一般译作目标设备 通过学习本课程了解计算机的发展历程,理解计算机的组成原理,掌握计算机的设计方法AHB 总线协议分析(续系统总线的发展PCI 总线结构PCI 总线协议分析主要内容PCI总线的典型传输下行传输:CPU发起读传输写传输配置传输上行传输:PCI设备发起读传输写传输存储器HOST主桥CPUPCI显卡PCI网卡PCI总线AD31:0信号地址与数据复用的信号总线传输的首个时钟周期传送地址(地址周期地址周期之后的时钟周期传送数据(数据周期在地址周期之后可以有多个数据周期,但目标设备并不知道数据周期的长度