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[经验] 一文看懂嵌入式总线的原理、分类及优缺点

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    [LV.1]初来乍到

    发表于 2019-11-28 09:22:52 |显示全部楼层
    总线
    基础总线(Bus)是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线,它是由导线组成的传输线束,按照计算机所传输的信息种类,计算机的总线可以划分为数据总线、地址总线和控制总线,分别用来传输数据、数据地址和控制信号。

    总线是一种内部结构,它是CPU、内存、输入、输出设备传递信息的公用通道,主机的各个部件通过总线相连接,外部设备通过相应的接口电路再与总线相连接,从而形成了计算机硬件系统。在计算机系统中,各个部件之间传送信息的公共通路叫总线,微型计算机是以总线结构来连接各个功能部件的。

    总线的工作原理
    当总线空闲(其他器件都以高阻态形式连接在总线上)且一个器件要与目的器件通信时,发起通信的器件驱动总线,发出地址和数据。其他以高阻态形式连接在总线上的器件如果收到(或能够收到)与自己相符的地址信息后,即接收总线上的数据。发送器件完成通信,将总线让出(输出变为高阻态)。

    总线的分类
    按功能和规范分
    三类总线在微机系统中的地位和关系

    1、片总线(Chip Bus , C-Bus)
    又称元件级总线,是把各种不同的芯片连接在一起构成特定功能模块(如CPU模块)的信息传输通路,它的宽度可以是8、16、32或64位。目前比较流行的几种内部总线技术:I2C总线、SCI总线等。

    2、内总线(Internal Bus , I-Bus)
    又称系统总线或板级总线,是微机系统中各插件(模块)之间的信息传输通路。例如CPU模块和存储器模块或I/O接口模块之间的传输通路。常用的有PC总线、AT总线(ISA总线)、PCI总线等。

    3、外总线(External Bus , E-Bus)
    又称通信总线,是微机系统之间或微机系统与其他系统(仪器、仪表、控制装置等)之间信息传输的通路,如EIA RS-232C、IEEE-488等。

    其中的系统总线,即通常意义上所说的总线,一般又含有三种不同功能的总线,即数据总线DB、地址总线AB和控制总线CB。有的系统中,数据总线和地址总线是复用的,即总线在某些时刻出现的信号表示数据而另一些时刻表示地址;而有的系统是分开的。

    51系列单片机的地址总线和数据总线是复用的,而一般PC中的总线则是分开的。“数据总线DB”用于传送数据信息。数据总线是双向三态形式的总线,即他既可以把CPU的数据传送到存储器或I/O接口等其它部件,也可以将其它部件的数据传送到CPU。

    数据总线的位数是微型计算机的一个重要指标,通常与微处理的字长相一致。例如Intel 8086微处理器字长16位,其数据总线宽度也是16位。

    需要指出的是,数据的含义是广义的,它可以是真正的数据,也可以是指令代码或状态信息,有时甚至是一个控制信息,因此,在实际工作中,数据总线上传送的并不一定仅仅是真正意义上的数据。

    “地址总线AB”是专门用来传送地址的,由于地址只能从CPU传向外部存储器或I/O端口,所以地址总线总是单向三态的,这与数据总线不同。

    地址总线的位数决定了CPU可直接寻址的内存空间大小,比如8位微机的地址总线为16位,则其最大可寻址空间为2^16=64KB,16位微型机(x位处理器指一个时钟周期内微处理器能处理的位数多少,即字长大小)的地址总线为20位,其可寻址空间为2^20=1MB。一般来说,若地址总线为n位,则可寻址空间为2^n字节。

    “控制总线CB”用来传送控制信号和时序信号。控制信号中,有的是微处理器送往存储器和I/O接口电路的,如读/写信号,片选信号、中断响应信号等;也有是其它部件反馈给CPU的,比如:中断申请信号、复位信号、总线请求信号、设备就绪信号等。

    因此,控制总线的传送方向由具体控制信号而定,一般是双向的,控制总线的位数要根据系统的实际控制需要而定。实际上控制总线的具体情况主要取决于CPU。

    按传输数据的方式划分
    可以分为串行总线和并行总线。串行总线中,二进制数据逐位通过一根数据线发送到目的器件;并行总线的数据线通常超过2根。常见的串行总线有SPI、I2C、USB及RS232等。常见并行总线有VME总线和PCI总线等。串行总线传输速度比并行快,并行总线的时钟一般为33MHz或66MHz。

    按时钟信号是否独立分
    可以分为同步总线和异步总线。同步总线的时钟信号独立于数据,而异步总线的时钟信号是从数据中提取出来的。I2C总线、SPI总线、PCI总线、CPCI总线是同步串行总线,SCI总线、IEEE 488和ANSI X3.131-1986 SCSI总线、VME总线、RS232采用异步串行总线。

    总线的主要技术指标
    总线的带宽(总线数据传输速率)
    总线的带宽指的是单位时间内总线上传送的数据量,即每秒钟传送MB的最大稳态数据传输率。与总线密切相关的两个因素是总线的位宽和总线的工作频率,它们之间的关系:总线的带宽=总线的工作频率*总线的位宽/8 或者 总线的带宽=(总线的位宽/8 )/总线周期。

    总线的位宽
    总线的位宽指的是总线能同时传送的二进制数据的位数,或数据总线的位数,即32位、64位等总线宽度的概念。总线的位宽越宽,每秒钟数据传输率越大,总线的带宽越宽。

    总线的工作频率
    总线的工作时钟频率以MHZ为单位,工作频率越高,总线工作速度越快,总线带宽越宽。

    总线的优缺点
    采用总线结构的主要优点:
    •简化了硬件的设计。便于采用模块化结构设计方法,面向总线的微型计算机设计只要按照这些规定制作cpu插件、存储器插件以及I/O插件等,将它们连入总线就可工作,而不必考虑总线的详细操作。

    •简化了系统结构。整个系统结构清晰。连线少,底板连线可以印制化。

    •系统扩充性好。一是规模扩充,规模扩充仅仅需要多插一些同类型的插件。二是功能扩充,功能扩充仅仅需要按照总线标准设计新插件,插件插入机器的位置往往没有严格的限制。

    •系统更新性能好。因为cpu、存储器、I/O接口等都是按总线规约挂到总线上的,因而只要总线设计恰当,可以随时随着处理器的芯片以及其他有关芯片的进展设计新的插件,新的插件插到底板上对系统进行更新,其他插件和底板连线一般不需要改。

    •便于故障诊断和维修。用主板测试卡可以很方便找到出现故障的部位,以及总线类型。

    采用总线结构的缺点:
    •利用总线传送具有分时性。当有多个主设备同时申请总线的使用是必须进行总线的仲裁。

    •总线的带宽有限,如果连接到总线上的个硬件设备没有资源调控机制容易造成信息的延时(这在某些即时性强的地方是致命的)。

    •连到总线上的设备必须有信息的筛选机制,要判断该信息是否是传给自己的。

    目前比较流行的几种内部总线技术:
    内部总线Internal Bus :将处理器的所有结构单元内部相连。它的宽度可以是8、16、32、或64位。

    I2C总线
    I2C(Inter-IC)总线10多年前由Philips公司推出,是近年来在微电子通信控制领域广泛采用的一种新型总线标准。它是同步通信的一种特殊形式,具有接口线少,控制方式简化,器件封装形式小,通信速率较高等优点。在主从通信中,可以有多个I2C总线器件同时接到I2C总线上,通过地址来识别通信对象。

    SPI总线
    串行外围设备接口SPI(serial peripheral interface)总线技术是Motorola公司推出的一种同步串行接口。Motorola公司生产的绝大多数MCU(微控制器)都配有SPI硬件接口,如68系列MCU。SPI总线是一种三线同步总线,因其硬件功能很强,所以,与SPI有关的软件就相当简单,使CPU有更多的时间处理其他事务。SCI总线

    SCI总线
    串行通信接口SCI(serial communicaTIon interface)也是由Motorola公司推出的。它是一种通用异步通信接口UART,与MCS-51的异步通信功能基本相同。

    目前比较流行的几种系统总线技术:
    •系统总线又称内总线或板级总线。因为该总线是用来连接微机各功能部件而构成一个完整微机系统的,所以称之为系统总线。常用的有PC总线、AT总线(ISA总线)、PCI总线等。

    •系统总线上传送的信息包括数据信息、地址信息、控制信息,因此,系统总线包含有三种不同功能的总线,即数据总线DB(Data Bus)、地址总线AB(Address Bus)和控制总线CB(Control Bus)

    ISA总线
    ISA(industrial standard architecture)总线标准是IBM 公司1984年为推出PC/AT机而建立的系统总线标准,所以也叫AT总线。它是对XT总线的扩展,以适应8/16位数据总线要求。它在80286至80486时代应用非常广泛,以至于现在奔腾机中还保留有ISA总线插槽。ISA总线有98只引脚。






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