第七章-總線技術(shù)

1、第七章 總線技術(shù)張華平 副教授 博士Email: kevinzhangWebsite: http:/ICTCLAS張華平博士大數(shù)據(jù)搜索挖掘?qū)嶒炇?(wSMSBIT)（1）【一般性講解，概念為主】PCI及PCI-E總線（2）【一般性講解，概念為主】USB總線、I2C總線總線技術(shù)的優(yōu)越性便于采用模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，簡化了系統(tǒng)設(shè)計；標準總線可以得到多個廠商的廣泛支持，便于生產(chǎn)與之兼容的硬件板卡和軟件；模塊結(jié)構(gòu)方式便于系統(tǒng)的擴充和升級；便于故障診斷和維修，同時也降低了成本。7.1 總線概述總線定義及分類 總線是一種通訊通道，用以在計算機內(nèi)部及計算機之間傳輸數(shù)據(jù)。總線這個術(shù)語涵蓋了所有的相關(guān)硬件（導(dǎo)線、光

2、線等）及軟件（通訊協(xié)議等）。早期的計算機總線僅指那些擁有多個接口的并行線纜，但現(xiàn)在泛指任何能夠提供通訊邏輯功能的物理布局和設(shè)施。7.1 總線概述按所處的位置分類片內(nèi)總線：指CPU內(nèi)部的總線，即芯片內(nèi)部的總線。片外總線：指CPU與內(nèi)存和IO設(shè)備之間的通信接口，常指外設(shè)的接口標準，如SATA/SCSI/USB/IEEE 1394等。按功能分類地址總線（Address Bus，AB）：用來傳送地址信息。數(shù)據(jù)總線（Data Bus，DB）：用來傳送數(shù)據(jù)信息?？刂瓶偩€（Control Bus，CB）：用來傳送控制信號。按信息傳送方向分類單向總線：信息只能朝一個方向傳送，如地址總線。雙向總線：信息可以朝兩

3、個方向傳送，如數(shù)據(jù)總線。7.1 總線概述按層次結(jié)構(gòu)分類CPU總線：用來連接CPU和控制芯片。存儲總線：用來連接存儲控制器和內(nèi)存。I/O通道總線：用來連接擴充插槽上的各擴展板卡。按通信方式分類并行總線串行總線 按時鐘信號方式分類同步總線：時鐘信號獨立于數(shù)據(jù)。異步總線：時鐘信號是從數(shù)據(jù)中提取出來的，通常利用數(shù)據(jù)信號的邊沿來作為時鐘同步信號。7.1 總線概述總線技術(shù)指標總線的帶寬：總線的帶寬也叫總線數(shù)據(jù)傳輸速率，指的是單位時間內(nèi)總線上傳送的數(shù)據(jù)量，即每鈔鐘傳送的最大穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)量?？偩€的位寬：總線的位寬指的是總線能同時傳送的二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)，或數(shù)據(jù)總線的位數(shù)，32位/64位?？偩€的工作頻率：總線的工作時

4、鐘頻率以MHz為單位，工作頻率越高，總線工作速度越快，帶寬越寬?？偩€的帶寬 = 總線的工作頻率 總線的位寬 87.2 PCI總線PCI總線不依附于某個具體處理器的局部總線標準。顯卡、聲卡、網(wǎng)卡、MODEM等設(shè)備提供了連接接口。升級版本為PCI-E。7.2 PCI總線PCI總線特點采用地址線與數(shù)據(jù)線復(fù)用方式。對32位及64位總線的使用采用透明方式，允許32位與64位器件相互協(xié)作。允許PCI局部總線擴展卡及器件進行自動配置，提供即插即用的能力。獨立于處理器，工作頻率與處理器基準時鐘無關(guān)，可支持多機系統(tǒng)。具有良好的兼容性，可支持ISA、SCSI、IDE等多種總線，同時預(yù)留了拓展空間。PCI總線標準提

5、供了5V和3.3V兩種電源電壓，為此PCI總線定義了從5V到3.3V的轉(zhuǎn)換途徑。7.2 PCI總線PCI總線體系結(jié)構(gòu)32個物理部件8個不同的功能部件7.2 PCI總線PCI總線引腳定義 PCI接口要求的最少引腳數(shù)，對于只作為目標的從設(shè)備為47條，對于主設(shè)備為49條。7.2 PCI總線PCI總線命令 主設(shè)備在C/BE30#線上送出的4位總線命令代碼，決定了PCI總線周期類型。目標設(shè)備根據(jù)C/BE30#來獲得主設(shè)備所要求執(zhí)行的命令。7.2 PCI總線PCI總線協(xié)議PCI總線數(shù)據(jù)傳輸過程時序圖總線仲裁PCI總線配置7.2 PCI總線7.3 PCI-E總線PCI-E：PCI Express每個設(shè)備都有

6、自己的專用連接，不需要向整個總線請求帶寬。數(shù)據(jù)傳輸率提高到一個很高的頻率，達到PCI所不能提供的高帶寬。7.3 PCI-E總線PCI-E邏輯布局7.3 PCI-E總線PCI-E協(xié)議層次7.4 USB總線USB：通用串行總線（Universal Serial Bus）支持熱插拔且即插即用USB總線的物理結(jié)構(gòu)允許總線上掛接多個USB設(shè)備接口小、成本低性能可靠7.4 USB總線USB規(guī)范USB1.1：速度較差，操作系統(tǒng)支持不夠USB2.0：支持3種傳輸速率USB3.0：高帶寬，高達5Gb/s，全雙工7.4 USB總線USB接口的硬件特性7.4 USB總線USB1.1/2.0硬件接口類型7.4 USB

7、總線ID引腳ID腳在OTG（On The Go）功能中才使用。由于Mini USB接口分Mini A、Mini B 和Mini AB 接口，如果設(shè)備僅僅是用作從設(shè)備（Slave），那么就使用B接口，ID腳懸空。當(dāng)設(shè)備插入時，通過上拉電阻將ID拉至高電平，此時主機通過該電平值可以判斷系統(tǒng)接入了USB 從設(shè)備；如果需要將設(shè)備在OTG模式下充當(dāng)主設(shè)備（Master），那么就需要使用A接口，此時ID腳接地，當(dāng)設(shè)備插入時，ID引腳為低，根據(jù)該電平值，決定該設(shè)備為主設(shè)備。OTG：在沒有Host的情況下，實現(xiàn)設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳送。7.4 USB總線USB3.0硬件接口7.4 USB總線USB3.0信號定義（與2

8、.0顏色區(qū)分）7.4 USB總線信號電平檢測檢測是否有設(shè)備接入時：沒有設(shè)備接入，主機收發(fā)器一側(cè)的下拉電阻會將D+和D-引腳的電平拉低。有設(shè)備接入時，D+和D-引腳檢測到高電平。數(shù)據(jù)信號狀態(tài)J、K：J態(tài)和K態(tài)相反，用于數(shù)據(jù)傳輸。接入端口過程：斷開狀態(tài)D+和D-的電壓上升到2.5（2.7）V閑置狀態(tài)維持2.5s以上連接狀態(tài)。從端口斷開過程：連接狀態(tài) D+和D-的電壓全部下降到0.8V并維持2.5s斷開狀態(tài)。7.4 USB總線狀態(tài)定義7.4 USB總線USB OTG技術(shù)ID引腳用于區(qū)分（Host & Device）OTG 技術(shù)就是在沒有主機的情況下，實現(xiàn)從設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送。USB 裝置就擺脫了原來

9、主從架構(gòu)的限制，實現(xiàn)了端對端的傳輸模式。主從設(shè)備判斷：Micro AB型7.4 USB總線USB OTG協(xié)議主機協(xié)商協(xié)議（Host Negotiation Protocol，HNP），用于初始B 設(shè)備與初始A 設(shè)備之間切換Host 角色。會話請求協(xié)議（Session Request Protocol，SRP），允許A device 在總線空閑時通過切斷VBUS 來節(jié)省電源消耗，也為B device 啟動總線活動提供了一種方法。連接檢測協(xié)議（Attach Detection Protocol，ADP），對遠程USB 設(shè)備接入本地設(shè)備或者從本地設(shè)備中拔出進行檢測。7.4 USB總線OTG功能的擴展

10、當(dāng)兩個OTG 設(shè)備連接到一起的時候，系統(tǒng)會根據(jù)ID 線對地電阻來決定OTG 設(shè)備在USB 總線中的地位，通常電阻阻值為R100 k，通過R的值決定ID 的狀態(tài)值。手機和外界的數(shù)據(jù)通信接口除了需要具備USB OTG 的功能之外，還需要承擔(dān)諸如音/視頻接口、串行信息輸出接口、調(diào)試接口和工廠模式下的數(shù)據(jù)通信接口等諸多動能。ID引腳承擔(dān)更多功能，進行功能復(fù)用。7.4 USB總線OTG功能的擴展7.4 USB總線USB通信協(xié)議傳輸類型控制傳輸：用來支持外設(shè)與主機之間的控制、狀態(tài)、配置等信息的傳輸，為外設(shè)與主機之間提供控制通道。同步傳輸：支持具有一定的周期性、有限的時延和帶寬，且數(shù)據(jù)傳輸速率不變的外設(shè)與主

11、機間的數(shù)據(jù)傳輸。中斷傳輸：支持游戲手柄、鼠標和鍵盤等輸入設(shè)備，這些設(shè)備與主機間數(shù)據(jù)傳輸量小，無周期性，但對響應(yīng)時間敏感，要求立即響應(yīng)。數(shù)據(jù)塊傳輸：支持打印機、掃描儀、數(shù)碼相機等外設(shè)，這些外設(shè)與主機間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大，USB 在滿足帶寬的情況下才進行該類型的數(shù)據(jù)傳輸。7.4 USB總線USB通信協(xié)議描述符USB設(shè)備定義了一套描述設(shè)備功能和屬性的具有固定結(jié)構(gòu)的描述符，由特定格式排列的一組數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組成。7.4 USB總線USB通信協(xié)議設(shè)備類型7.5 I2C總線I2C（Inter Integrated Circuit）兩線式串行總線，SCL/SDA。每個連接到總線的器件都可以通過唯一的地址和一直存在的簡單的主機/從機關(guān)系軟件設(shè)定地址。多主機總線。串行的8位雙向數(shù)據(jù)傳輸位速率在標準模式下可達100kb/s，快速模式下可達