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一文深度解析嵌入式总线技术的原理、分类及技术指标

作者:时间:2018-07-30来源:网络收藏

1. 基础

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201807/384516.htm

(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。


2. 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)。

3. 总线的分类

A. 按功能和规范分。

图1三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。

B. 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,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。

C. 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。

4. 总线的主要技术指标

(1)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,即每钞钟传送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

(2)总线的位宽

总线的位宽指的是总线能同时传送的数据的位数,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。

(3)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。

5. 总线的优缺点

采用总线结构的主要优点:

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

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关键词: 总线 二进制 IBM

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