第3章嵌入式系统总线

1、嵌入式系统总线嵌入式系统总线PC系统总线技术应用在嵌入式系统系统总线技术应用在嵌入式系统ISA(PC、PC/AT、PCI)PC/104PC/104+PC-104PCICPCIPC/104系列总线系列总线nPC/104协会是一个标准化组织，为PC计算机总线制定工业化的版本 nPC系统总线经历了ISA、PCI、PCI Express 几个主要的发展阶段 nPC/104协会制定了对应的系列工业计算机总线：PC/104（ISA）、PC/104-Plus（ISA和PCI）、PCI-104（PCI）、PCI/104-Express（PCI及PCI Express）及PCIe/104（PCI Express

2、）PC/104系列总线发展系列总线发展n1981年，IBM公司提出了8位PC/XT总线，1984年提出16位PC/AT总线n1987年，由INTEL等提出以IBM PC 总线规范为基础的ISA总线标准（IEEE-996） n1992年，由RTD公司和AMPRO公司等12家从事嵌入式系统开发的厂商发起，组建了国际PC/104协会，制定了PC/104嵌入式总线规范（IEEE-P996.1）nPC/104是一种紧凑型的IEEE-P996，其信号定义和PC/AT基本一致 nPC/104标准确立后，得到业界的广泛支持，迅速发展PC/104系列总线发展（续）系列总线发展（续）n1992年，Intel提出了

3、PCI总线，将总线频率提高到了33MHZ n1997年，PC/104(PC104)协会制订了PC/104+总线，在原PC/104基础上增加了对PCI总线的支持n2003年，PC/104又制订了PCI-104总线规范，取消了对ISA总线的支持为什么有为什么有PC/104系列总线？系列总线？nPC是最普及的通用计算机系统，在PC发展过程中积累了丰富的硬件、软件资源nPC性能发展很快，在需要高性能计算的嵌入式系统应用中引入PC技术是条捷径n在嵌入式系统中引入PC技术，需要遵循PC的体系结构n系统总线是计算机结构的核心n将PC总线技术引入嵌入式系统PC/104PC/104总线总线PC/104紧凑型紧凑

4、型ISA总线总线nPC/104定义8位和16位两种模块，分别对应PC/XT和PC/ATPC/104与与ISA的不同的不同n电路板尺寸减小到90 x96mmn采用自栈(self-stacking)结构，不需要背板n对功耗进行约束，一般12W每module，大多数信号需要的驱动电流小于4mAPC/104电路板外形电路板外形总线总线90mm96mmPC/104连接器连接器64PIN + 40PINPC/104信号分配信号分配nPC/104增加了几个GND引脚，如红圈标注nPC/104信号分配与ISA一致nJ1/P1对应着8位的PC/XT，J2/P2对应着16位的PC/ATPC/104连接器实物连接器

5、实物PC/104安装方式安装方式8位位模模块块结结构构16位位模模块块结结构构PC/104-plusPC/104-plus起源起源nPC/104作为工业标准普遍应用n因为，PCI总线的普及，PCI上的技术资源越来越丰富n因为，PC/104(ISA)总线带宽不能满足图像/视频、高速网络等大数据量应用的要求n所以，将PCI总线技术引入PC/104的架构中PC/104-plusPC/104-plus特点特点n兼容过去的PC/104资源n增加一个120 pin（4x30）的插座（32位PCI局部总线采用124 pin连接器）nPC/104-plus不支持64位扩展、不支持JTAG、PRSNT、CLKR

6、UN信号PC/104-plus机机械结构械结构PC/104 & PC/104-plusPC/104PC/104-plus采用龙芯的采用龙芯的PC/104-plusPC-104PC-104起源起源nPC/104是ISA紧凑形式nPC/104-plus在PC/104的基础上增加了对PCI总线的支持n在PC机中，ISA已经被淘汰，硬件（芯片）和软件集中在PCI总线上发展n在PC/104-plus的基础上，把原ISA部分删除，只剩下对PCI的支持PC-104PC-104机械结构机械结构PC/104的发展的发展PC/104PC/104-plusPC-104ISAISA+PCIPCIPC/104系

7、列总线系列总线CompactPCI总线总线什么是什么是CPCInCPCI，即CompactPCI、紧凑型PCI，应用在一些高性能工业计算机中nCompact PCI是一种基于标准PCI总线的坚固、可靠的高性能总线技术 n1994年PCIMG提出了Compact PCI技术，它定义了更加坚固耐用的PCI版本 n在电气、逻辑和软件方面，它与PCI标准完全兼容 CPCI实物实物PCI6U CPCI3U CPCI插头插头3U CPCICPCI机箱机箱CPCI特点特点/优点优点n业界标准PCI芯片组，以低价格提供高性能n单总线8个槽，可通过PCI桥扩展 n欧式无源背板结构(IEEE 1101.1)n高密

8、度气密2mm针孔接头 n前面板安装和拆卸 n板卡垂直安装利于冷却 n强抗冲击和震动特性n支持热插拔工业计算机的要求工业计算机的要求n坚固：坚固：工业计算机往往要工作在热、冷、脏、差的环境，还要能承受一定的冲击或振动 n可靠：可靠：MTBF要高。它涉及到电气部件、机械部件、连接器以及配套的外围设备的可靠性 n模块化：模块化：除了基本功能，工业计算机往往还有多种不同用途的I/O，如模拟/数字转换器、视频接口或其他各种各样的专用I/O。并且，不同的应用对象要求也各异，这就势必要用模块化解决 n标准化：标准化：成功的计算机设计大都不是一家能做好的，只有基于标准平台和工业标准才能从多个售主获得好产品 n

9、前面板前面板I/O：为了使用方便，工业计算机往往需要从前面连接I/O，前面板也兼有某些状态指示、插卡拔取和锁紧功能CPCI采用背板安装采用背板安装CPCI的总线连接器的总线连接器6U的的CPCI板结构板结构3U的CPCI板结构CPCI的热插拔的热插拔n热插拔功能允许用户在无需关掉主程序的同时在线更改、添加、升级CPC I 板卡而不需要重新启动操作系统nCPC I 热插拔技术包括热替换(hot replacement)、热添加(ho t expansion) 和热升级(ho t upgrade)nCPCI与PCI最主要的区别：机械结构；热插拔CPCI连接器的不等长插针连接器的不等长插针 nCom

10、pactPCI背板的J1连接器插针分为长针、中长针和短针 n长针都是电源和信号地，中长针是PCI信号，IDSEL、BD_SEL#所在插针最短 nJ2的插针都是中长针 CPCI模块的热插入模块的热插入n在CompactPCI模块两侧设计有静电条，模块插入时首先通过静电条向机箱放电，消除静电的影响n随后，模块电源和信号地首先与底板接通，这时对PCI信号进行预充电，使这些信号线在与底板总线连接之前维持在1.0V左右的电压 ，减少热插入设备造成的瞬态干扰 nBD_SEL#和IDSEL信号的插针最短，所以模块插入插槽时，最后连接上是是这两个信号。模块的BD_SEL#有效，板上逻辑才可以开始工作；而IDS

11、EL信号连接到总线上后，主处理器可以访问模块的配置空间，实现后续的设备配置工作 CPCI模块的热拔出模块的热拔出n功能模块的拔出顺序过程与插入过程相反n首先是短针的BD_SEL#、IDSEL信号断开n然后需要预充电的PCI信号电平被调整到1 .0V左右的n最后断开电源和信号地n系统卸载该模块的设备驱动程序及相关资源配置 CompactPCI总线预充电原理总线预充电原理 龙芯CPCIminiPCIminiPCI基本概念基本概念nminiPCI是PCI的一种小尺寸形式n由PCISIG定义n是笔记本计算机中可扩展PCI卡的一种形式n因为具有小巧的结构，在嵌入式系统中时有所见miniPCI与与PCI的

12、转接的转接笔记本电脑中的笔记本电脑中的miniPCIminiPCI在嵌入式系统的应用在嵌入式系统的应用n高性能嵌入式系统经常需要使用PCI的资源n嵌入式系统往往结构紧凑，有机械尺寸的限制。一般不能提供商用计算机的PCI安装结构nminiPCI是嵌入式系统的适用选择nminiPCI的使用可以方便地为嵌入式系统扩充无线网络、有线网络、Modem、声卡等功能miniPCI在嵌入式系统应用实例在嵌入式系统应用实例无线投影无线投影机网关机网关投影机投影机便携机便携机1便携机便携机2便携机便携机n802.11g无线网络VGA连接连接系统结构系统结构GX533DDR RAMCS5535外外部控制器部控制器B

13、IOSUSB1USB1USB1USB1声卡控制器声卡控制器CRT接口接口MiniPCI插座插座(无线网卡无线网卡)CF存储卡存储卡系统实物系统实物(正面正面)GX533CS5535DDR SDRAMUSB VGA BIOS 系统实物系统实物(背面背面)miniPCI插座，扩展无线网卡插座，扩展无线网卡CF卡插座，存储卡插座，存储WinCEminiPCI的特点的特点/优点优点n可升级n灵活性强：如配置不同的接口n降低系统成本n维修方便n软件兼容n小尺寸n标准化的结构n自动配置，容易使用n增加系统板的市场寿命n灵活的电源管理miniPCI的总线信号的总线信号nPCI局部总线信号nPCI电源管理类信

14、号n音频接口信号n网络接口信号nModem接口信号自定义系统总线自定义系统总线自定义系统总线的需求自定义系统总线的需求n嵌入式系统针对具体应用进行设计，对成本、功耗、机械尺寸、安装方式有特殊的要求nPC/104、CPCI等总线的使用极大降低了系统硬件、软件的开发工作量，但是硬件成本很高，只适合工业、军事等对价格不敏感的行业n在需要进行模块化设计的嵌入式系统中，自定义总线是常见设计自定义系统总线实例自定义系统总线实例多录语音记录器 多路语音记录器系统功能要求多路语音记录器系统功能要求n独立的嵌入式设备，上电后自行工作n支持多路语音同时采集、编码、存储、传输n语音通道数量在4、8、12、16、20、24、28、32路可配置自定义总线设计实例自定义总线设计实例系统原理系统原理CPURAMFLASH硬盘网络A/DA/DA/DA/D编码编码编码编码R