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微機原理與接口技術 主講易凡wdyifan 武漢大學物理學院電子科學與技術系 第十三章微機總線與接口標準 第十三章微機總線與接口標準 教學重點總線的概念和分類PCI總線USB接口 13 1微機總線和接口概述 總線 是系統(tǒng)與系統(tǒng)之間或系統(tǒng)內部各模塊之間進行信息傳輸所必需的全部信號線的總和 信息包括指令 數據和地址 總線標準指芯片之間 擴展卡之間以及系統(tǒng)之間 通過總線進行連接和傳輸信息時 應該遵守的一些協(xié)議與規(guī)范 接口標準外設接口的規(guī)范 涉及接口信號線定義 信號傳輸速率 傳輸方向和拓撲結構以及電氣特性和機械特性等多個方面 13 1 1總線與接口及其標準的概念 13 1 2總線的分類 1 按總線功能或信號類型劃分為 數據總線 雙向三態(tài)邏輯 線寬表示了總線數據傳輸的能力 地址總線 單向三態(tài)邏輯 線寬決定了系統(tǒng)的尋址能力 控制總線 就某根來說是單向或雙向 控制總線最能體現總線特點 決定總線功能的強弱和適應性 2 按數據傳輸方式分類 并行總線將數據的各位同時在多根并行傳輸線上進行傳輸 適于短距離 高速通信 串行總線將數據的各位按時間順序依次在一根傳輸線上傳輸 適于長距離 中低速通信 13 1 2總線的分類 13 1 2總線的分類 3 按總線的層次結構分為 CPU總線 微機系統(tǒng)中速度最快的總線 主要在CPU內部 連接CPU內部部件 在CPU周圍的小范圍內也分布該總線 提供系統(tǒng)原始的控制和命令 局部總線 在系統(tǒng)總線和CPU總線之間的一級總線 提供CPU和主板器件之間以及CPU到高速外設之間的快速信息通道 13 1 2總線的分類 3 按總線的層次結構分為 系統(tǒng)總線 也稱為I O總線 是傳統(tǒng)的通過總線擴展卡連接外部設備的總線 由于速度慢 其功能已經被局部總線替代 通信總線 也稱為外部總線 是微機與微機 微機與外設之間進行通信的總線 例 CPU總線 例 系統(tǒng)總線 例 系統(tǒng)結構中的總線 例 總線實體 PCI總線 外設接口總線 系統(tǒng) 外總線如并口 串口 系統(tǒng) 內總線如ISA PCI 片 間 總線三總線形式 片內總線單總線形式 微機總線結構 微機系統(tǒng)的四級總線示意圖 13 1 3總線標準 總線標準 是指芯片之間 插板之間及系統(tǒng)之間 通過總線進行連接和傳輸信息時 應遵守的一些協(xié)議與規(guī)范 包括硬件和軟件兩個方面 物理特性 指總線物理連接的方式功能特性 描述總線中每一根線的功能電氣特性 定義每一根線上信號的傳送方向 有效電平范圍時間特性 定義了每根線在什么時間有效 即每根線的時序 13 1 4總線的性能指標 總線寬度總線寬度又稱總線位寬 指的是總線能同時傳送數據的位數總線頻率總線工作頻率是總線工作速度的一個重要參數 工作頻率越高 速度越快 13 1 4總線的性能指標 續(xù) 總線帶寬總線帶寬又稱總線的最大數據傳輸速率 是指在一定時間內總線上可傳送的數據總量 用每秒鐘最大傳送數據量來衡量 總線帶寬 總線寬度 8位 總線頻率單位為 MB s 總線頻率以MHz為單位 例 PCI總線的總線頻率為33 3MHz 總線寬度為64位的情況下 總線數據傳輸率為266MB s 13 1 5總線操作和總線傳送控制過程 總線操作的4個階段 總線請求和仲裁階段需要使用總線的主模塊提出要求 由總線使用的仲裁機構確定 把下一個傳輸周期的總線使用權分配給某個請求源尋址階段取得使用權的主模塊 通過地址總線發(fā)出本次要訪問的從模塊的存儲器地址 或I O端口地址及有關命令 讓參與本次傳輸的從模塊被選中并開始啟動 總線操作的4個階段 續(xù) 傳輸階段主模塊和從模塊進行數據交換 數據由源模塊出 經數據總線傳送到目的模塊 結束階段主 從模塊的有關信息均從總線上撤除 讓出總線 以便其他模塊能繼續(xù)使用 總線傳送控制 1 同步方式 優(yōu)點 電路簡單 適合高速設備的數據傳輸缺點 高速設備和低速設備間只能用低速設備的速度來傳輸數據 2 半同步方式 wait ready信號是單向的 不是互鎖的 總線傳送控制 3 異步方式 比同步方式慢總線頻帶窄總線傳輸周期長 總線讀周期分成兩個子周期 尋址子周期 數據傳送子周期在兩子周期之間 退出總線 從設備準備數據 4 分離方式 并行總線的構成 地址總線AB 數據總線DB 控制總線CB 13 2微機的并行總線 同步時鐘頻率和數據總線寬度確定數據傳輸速度數據傳輸與時鐘同步要求各個設備的速度相當 并行總線的時序 同步并行總線時序 通過聯(lián)絡應答信號實現握手適應能力強 速度取決于較慢的設備 異步并行總線時序 并行總線的時序 續(xù) 在同步的基礎上 插入等待周期能兼容總線上各種不同響應速度的設備使同步總線達到與異步總線相同的功能 半同步并行總線時序 并行總線的時序 續(xù) 并行總線的仲裁 掛接在BUS上的主控設備 CPU DMAC DRAM刷新控制器 總線橋 仲裁方式 菊花鏈 仲裁 串行 并行仲裁串并行二維仲裁 總線仲裁確定模塊如何分配并使用總線任一時刻只能有一個模塊擁有總線的控制權 1 菊花鏈 總線仲裁方式 三線 菊花鏈 總線請求BR 總線允許BG 總線忙BB 三線菊花鏈仲裁原理 任一主控器Ci發(fā)出總線請求時 使BR 1任一主控器Ci占用總線 使BB 1 禁止BG輸出主控器Ci沒發(fā)請求 BRi 0 卻收到BG BGINi 1 則將BG向后傳遞 BGOUTi 1 當BR 1 BB 0時 仲裁器發(fā)出BG信號 此時 BG 1 如果仲裁器本身也是一個主控器 如微處理器 則在發(fā)出BG之前BB 0時 它可以占用一個或幾個總線周期若Ci同時滿足 本地請求 BRi 1 BB 0 檢測到BGINi端出現了上升沿 接管總線Ci接管總線后 BG信號不再后傳 即BGOUTi 0 2 并行總線仲裁方式 各主控器有獨立的總線請求BR 總線允許BG 互不影響總線仲裁器直接識別所有設備的請求 并向選中的設備Ci發(fā)BGi 3 串并行二維總線仲裁方式 各鏈路上優(yōu)先級由總線判決器內部邏輯決定同一鏈路上則由離總線判決器的遠近程度確定 13 3串行總線 串行總線的構成 只有數據總線 沒有地址總線 控制總線總線上信息 數據 地址 按位傳輸總線規(guī)模小 特別適用于遠距離通信也可作為系統(tǒng)內部通信和近距離通信 串行總線標準 起止式通信協(xié)議目前應用最廣泛的標準串行總線接口之一 RS 232標準 RS 422 423標準 采用了平衡差分傳輸技術 提高了共模抑制能力 大大減小了地線電位差引起的麻煩 RS 485標準 為RS 422標準的改進增強版本 并兼容RS 422標準邏輯電平與傳統(tǒng)數字邏輯TTL兼容 且對物理層沒有任何嚴格要求 由Philips公司推出的用于IC之間的一種二線制全雙向同步串行擴展總線串行數據線SDA 串行時鐘線SCL I2C總線標準 USB UniversalSerialBus 是外設與計算機連接的接口總線簡化外設的連接過程 具備即插即用 熱插拔 接口體積小 節(jié)省系統(tǒng)資源 傳輸可靠 良好的兼容性 共享式通信 低成本 USB標準 其前身是1996年由蘋果公司起草的 稱之為火線 FireWire 并注冊為其商標速度高 400Mbps800Mbps1 6Gbps IEEE1394接口有6針和4針兩種類型可提供8 40V最大1 5A電流供物理層使用作為一個工業(yè)標準的高速串行總線 已廣泛用于數字攝像機 機頂盒 計算機及其外設等 1394標準 13 4ISA總線 工業(yè)標準體系結構 在PC總線基礎上發(fā)展而來 最高工作頻率為8MHz 24根地址線 16位數據線擁有大量接口卡 歷經286 386 486和Pentium幾代微機 PC總線或XT總線 數據寬度為8位的ISA總線 由62根信號線組成 分A B面 AT總線 PC總線的基礎上增加了36根信號線 增加了C D面 ISA總線的特點 特點一1K字節(jié)的I O地址空間 0000H 03FFH 24位存儲器地址8位或16位數據存取15級硬件中斷7級DMA通道產生I O等待狀態(tài) 特點二它是一種多主控 MultiMaster 總線除主CPU外 DMA控制器 DRAM刷新控制器和帶處理器的智能接口控制卡都可以成為ISA總線的主控設備 ISA總線的特點 續(xù) 特點三 可支持8種類型的總線周期 8位或16位的存儲器讀周期 8位或16位的存儲器寫周期 8位或16位的I O讀周期 8位或16位的I O寫周期 中斷請求和中斷響應周期 DMA周期 存儲器刷新周期 總線仲裁周期 39 ISA總線的信號 ISA信號說明 數據線D0 D15 雙向三態(tài)低位地址線A0 A19 輸出 可尋址1MB高位地址線LA17 LA23 輸出 尋址范圍16MB A19 A17不復用 提高數據傳輸率地址鎖存允許信號ALE 輸出 高電平有效中斷請求信號IRQ2 IRQ7 IRQ10 IRQ14 輸入 上升沿有效地址使能信號AEN 輸出 高電平有效 高電平表示DMA周期 CPU控制總線時 該信號保持低電平 ISA信號說明 續(xù) I O讀信號IOR 輸出 低電平有效I O寫信號IOW 輸出 低電平有效存儲器讀MEMR 輸出 低電平有效存儲器寫MEMW 輸出 低電平有效數據總線高字節(jié)使能SBHE 輸出 低電平有效16位I O片選信號I OCS16 輸入 低電平有效16位存儲器片選MEMCS16 輸入 低電平有效 ISA總線的電源規(guī)格 ISA總線機械尺寸 ISA總線的典型操作時序 8位存儲器讀 寫周期時序 8位IO讀 寫周期時序 ISA總線的典型操作時序 16位存儲器讀 寫周期時序 16位IO讀 寫周期時序 DMA啟動存儲器讀I O寫周期時序 DMA啟動I O讀存儲器寫周期時序 中斷響應周期時序 13 6PCI總線 PCI總線也稱為外部設備互連 為PeripheralComponentInterconnectSpecialInterestGroup 縮略語為PCISIG1992年6月推出1 0版本1993年4月推出2 01995年6月2 1版本1998年12月推出2 2版本 13 6 1PCI總線特點 傳輸效率高 時鐘頻率33MHz 傳輸速率每秒132 264MB獨立于處理器 不受處理器限制支持突發(fā)數據傳輸多總線共存支持總線主控和同步操作具有即插即用功能合理的管腳安排與ISA EISA及MCA總線完全兼容預留擴展空間 具有自動配置功能支持兩種電壓下的擴展卡 13 6 1PCI總線特點 突發(fā)傳輸原理 啟動機制 停止機制是關鍵 PCI的基本總線傳輸機制是突發(fā)傳輸 包括一個地址期和一個或多個數據期 支持存儲器和I O突發(fā)傳輸是指主橋電路 位于主處理器和PCI總線之間 可將針對存儲器的多次訪問在不影響正常操作的前提下合并為一次傳輸置位基地址寄存器的預取位 可將數據預取與寫合并 并可區(qū)分哪些空間可合并 哪些不能合并遇到不可預取或任意范圍的讀操作時 停止合并I O訪問一般只有一個數據期 因此不能突發(fā)訪問 工作站的PCI系統(tǒng)結構圖 13 6 2PCI插槽和PCI擴展卡 PCI總線規(guī)范定義了5V和3 3V兩種工作電源電壓連接器有32位和64位兩種5V的連接器用于3 3V時 需要旋轉180度PCI接口卡的金手指根據需要可設計成5V通用 5V 32位 5V 64位以及3 3V通用 3 3V 32位 3 3V 64位等多種形式 32位PCI總線連接器 32位PCI總線連接器引腳序號 5V 32位連接器引腳排列 3 3V 32位連接器引腳排列 PCI插槽 2 PCI插卡 13 6 3PCI總線接口信號 系統(tǒng)接口信號 線號類型說明IN 表示輸入信號OUT 表示輸出信號T S 表示雙向三態(tài)I O信號S T S 表示持續(xù)的低電平有效的三態(tài)信號 O D 表示漏極開路 以線或方式允許多個設備共享 CLKIN PCI系統(tǒng)總線時鐘 最高33MHz 66MHz 最低0Hz PCI大部分信號在CLK的上升沿有效 13 6 3PCI總線接口信號 地址與數據接口信號 AD 31 00 T S 地址 數據多路復用信號在FRAME 有效的第1個時鐘 AD 31 00 上傳送的是32位地址 稱為地址期 在IRDY 和TRDY 同時有效時 AD 31 00 上傳送的為32位數據 稱為數據期 C BE 3 0 T S 總線命令和字節(jié)使能多路復用信號地址期內表示總線命令 數據期內表示字節(jié)使能信號 PART S 針對AD 31 00 和C BE 3 0 進行奇偶校驗的校驗位 STOP S T S 從設備發(fā)出的要求主設備終止當前的數據傳送的信號 LOCK S T S 鎖定信號IDSELIN 初始化設備選擇信號 訪問配置空間的時候作為片選DEVSEL S T S 設備選擇信號 由常規(guī)訪問期間被選中的從設備驅動 接口控制信號 FRAME S T S 幀周期信號FRAME 信號無效 有效 表示一幀傳輸開始 FRAME 有效的第1個時鐘為地址期 其后為若干數據期 FRAME 信號有效 無效 表示傳輸進入最后一個數據期 IRDY S T S 主設備準備好信號TRDY S T S 從設備準備好信號 接口控制信號 續(xù) REQ T S 總線占用請求信號GNT T S 總線占用允許信號 錯誤報告接口信號PERR S T S 數據奇偶校驗錯誤報告信號SERR O D 系統(tǒng)錯誤報告信號 中斷接口信號INTA INTB INTC INTD 4條中斷線電平觸發(fā)多功能設備可以任意選擇一個或多個中斷線 單功能設備只能用INTA 仲裁接口信號 AD 63 32 T S 擴展的32位地址和數據多路復用線C BE 7 4 T S 總線命令和字節(jié)使能多路復用擴展信號線REQ64 S T S 64位傳輸請求信號ACK64 S T S 64位傳輸允許信號PAR64T S 奇偶雙字節(jié)校驗 64位總線擴展信號 主 從設備連接PCI信號線示意圖 13 6 4總線操作命令 13 6 5 PCI總線協(xié)議 三種地址空間 內存地址空間 I O地址空間和配置地址空間PCI總線的每個設備都有自己的地址譯碼邏輯支持正向 負向兩種地址譯碼方式正向譯碼 每個設備都監(jiān)視地址總線上的訪問地址是否落在它的地址范圍內負向譯碼 未被其他設備在正向譯碼中接受的所有譯碼要等總線上其他所有設備都拒絕之后才能確定 總線上只能有一個設備采用此種方式 如標準擴展總線 PCI總線的尋址 采用分散地址譯碼技術 I O地址空間 在I O地址空間 32位AD線全部被用來提供一個完整的地址編碼 字節(jié)地址 AD 1 0 和C BE 3 0 指明傳輸的最低有效字節(jié) 如 當AD 1 0 01時 若C BE 3 0 1101 為字節(jié)傳輸 若C BE 3 0 1001 為字傳輸 若C BE 3 0 1011等 操作錯誤 中止傳輸 表3 4AD 1 0 和C BE 3 0 對應關系表 內存地址空間 AD 1 0 00時 突發(fā)傳輸順序為地址遞增方式AD 1 0 01時 為Cache行切換方式AD 1 0 1X時 保留 最低尋址 或訪問 精度為雙字 A1A0必須為00 或不譯碼 可作它用 AD 31 02 譯碼得到雙字邊界對齊的起始地址 每個數據周期過后地址加4 直到傳輸過程結束 配置地址空間 最低尋址 或訪問 精度為雙字 IDSEL信號有效且AD 1 0 00 則該設備被選為訪問的從設備AD 1 0 01 且譯碼符合某橋電路的編號 則說明配置訪問是針對該橋電路后面的設備AD 7 2 用于選擇每個設備配置空間的雙字寄存器 共64個 AD 10 8 用于選擇某個功能設備AD 31 11 無意義 思考 軟件層次如何訪問三種地址空間 總線命令 0110 01110010 00111010 1011接口識別 命令 地址命令 地址配置空間片選 地址軟件指令 MOVIN OUTIN OUT 配置空間片選 同一配置命令 只有一個接口響應總線命令 IN OUT 配置命令使用頻率較低 借用I O指令通過間接訪問實現 字節(jié)對齊 AD 31 00 一次只能進行32位數據交換 不能進行字節(jié)交換 有64位通道的主設備可進行64位 雙字 數據交換 字節(jié)交換辦法 主設備在每個新數據期開始的時鐘前沿改變字節(jié)使能信號 見I O尋址 且在該數據期中保持不變 對可緩沖的存儲器的數據可不考慮字節(jié)使能信號 而傳送所有的字節(jié) 總線寬度 PCI總線的傳輸控制 PCI總線的傳輸控制規(guī)則 FRAME 和IRDY 定義了總線的忙 閑狀態(tài) 11空閑 00數據 10最后一個數據 01啟動或等待狀態(tài)0表示低電平信號有效一旦FRAME 信號被置為無效 在該傳輸期 幀 不能重新設置除非設置IRDY 信號有效 一般情況下不能設置FRAME 信號無效 即FRAME 在IRDY 有效時設置 數據期內設置IRDY 或TRDY 信號無效 表示主或從設備插入了等待周期 PCI總線的驅動與過渡 在每個地址 數據 期中 所有AD線 包括字節(jié)使能信號表明無效字節(jié)所對應的AD線 都必須被驅動到穩(wěn)定的狀態(tài) 才可進行交換 一個設備驅動總線到另一個設備驅動總線之間需設置一個過渡期 又稱為交換周期 以防止總線訪問沖突 例如讀操作 設備選擇 注意DEVSEL 與FRAME TRDY 的關系 無DEVSEL 信號時的處理 所有從設備共用PCI總線的DEVSEL 信號 從設備設置DEVSEL 后 傳輸完成前不能撤消它 總線上的讀操作傳輸過程 一幀中最多只有一個從設備設置DEVSEL 有效 TRDY 無效 表示從設備插入了等待周期 總線上的寫操作傳輸過程 由主設備提出的終止原因 傳輸結束 或超時 DEVSEL 無效 處理 傳輸結束 建立IRDY 撤消FRAME 直到TRDY 有效后傳輸完最后一個數據后 撤消IRDY 超時 建立IRDY 撤消FRAME 撤消IRDY 由從設備提出的終止原因 死鎖 或8個時鐘內來不及響應處理 發(fā)STOP 傳輸中止協(xié)議 當STOP 有效時 FRAME 應在其后2 3個TC內撤消 撤消時應使IRDY 有效 從設備應無條件地保持STOP 有效直到FRAME 撤消為止 STOP 緊跟著撤消 在任何時鐘的上升沿 若STOP 和TRDY 同時有效 就表示是傳輸的最后周期 IRDY 要在下一個時鐘的上升沿之前撤消 表示傳輸的結束 對于被目標設備終止的傳輸 主設備若要繼續(xù)完成它 就必須用下一個未傳輸的數據的地址來重試訪問 PCI總線上傳輸終止遵循的規(guī)則 13 6 6PCI總線仲裁機制 PCI的仲裁機制是基于訪問的 而不是基于時間 采用集中仲裁方式總線管理必須為每次訪問進行仲裁 主設備要訪問總線 必須提出仲裁請求集中仲裁機構通常采用輪轉優(yōu)先級等仲裁算法 13 6 7PCI總線配置 PNP過程BIOS檢查所有PNP卡的ID及所需資源 系統(tǒng)配置程序檢查非PNP卡ID及所需資源 管理程序匯總信息構成硬件樹 統(tǒng)一配置資源到卡 基礎知識 一個擴展卡 PCI物理設備 簡稱設備 可包含多個功能設備 簡稱功能 PCI總線標準規(guī)定最多有8個功能 每個設備 所有功能 只有一個IDSEL引腳信號 2 PCI設備及其配置空間 存在問題 所有設備均沒有I O地址 尚等待管理程序分配 如何選擇某個設備以讀取資源需求和分配資源 在沒有I O地址時 如何選擇某個功能 在沒有I O地址時 如何讀取不同廠家功能設備的資源需求 處理方法 通過IDSEL選擇設備 同一時刻只有一個設備被選擇 選擇設備的同時 用功能號選擇具體功能 每個功能有一個配置空間 前面部分的格式統(tǒng)一 配置空間 大小 256B 前64B 稱頭區(qū)域 格式統(tǒng)一 尋址精度 雙字 32位 A1A0可作他用 關鍵問題 如何實現配置空間選擇 總線 設備和功能 如何利用I O空間命令進行配置空間訪問 如何實現配置空間信息的讀取與分配 3 PCI設備的配置空間選擇方法 總線級 PCI橋應具有功能 總線號譯碼功能 根據命令中地址 識別目標總線是否包含在自己橋下 根據命令中地址 識別目標是否在本級橋總線上 HOST PCI橋發(fā)出的配置命令地址期總線信號 C BE 3 0 1010 1011 配置讀 寫操作碼AD 31 0 AD 31 24 保留 AD 23 16 選擇的目標總線號 AD 10 8 所選目標設備的功能號 AD 7 2 配置空間REG地址 精度為雙字 AD 1 0 00表示目標設備在一級總線上 01表示目標設備在下級總線上 總線號編碼規(guī)則 采用分段式編碼表示各級總線號 段i值為0時表示該總線為i級總線 硬件習慣于從右開始編號 1 PCI橋對是否被選中的檢測選中類型 自己為目標橋 或目標橋的中間橋 選中檢測 被選中時的處理 2 PCI設備對是否被選中 作為目標設備 的檢測選中條件 地址期 C 3 0 為配置操作 它的IDSEL引腳信號有效 AD 1 0 00 檢測原理 所連總線為目標總線 即AD 1 0 00 在目標總線上被選中 目標總線上所有設備的IDSEL引腳信號應只有一個有效 IDSEL引腳連接方法 AD 15 11 分別連接到同一總線上各設備的IDSEL引腳 即總線上設備數 5 PCI橋對AD 15 11 譯碼 產生分離信號到同一總線上各設備IDSEL引腳 即總線上設備數 32 PC機采用該方案 3 PCI設備對某功能是否被選中的檢測選中條件 地址期 C 3 0 為配置操作 IDSEL引腳信號有效 AD 1 0 00 它具備的功能 功能設備 數 AD 10 8 4 配置空間訪問的類型 0類配置空間訪問 AD 1 0 00 對當前PCI總線上的目標設備的功能設備的配置REG進行訪問 1類配置空間訪問 AD 1 0 01 通過PCI橋對下一級PCI總線上的目標設備的功能設備的配置REG進行訪問 PCI橋處理 到達目標總線前 轉發(fā)1類訪問操作到達目標總線時 1類訪問 0類訪問操作 HOST PCI橋發(fā)出的配置訪問類型 對一級總線上的設備用0類訪問類型 對二級以后 含二級 總線上的設備用1類訪問類型 例 PCI總線操作地址期總線信號如下 C BE 1011 AD 00011005H 該操作訪問幾號橋下幾號設備何REG 解 C BE 1011 表示總線操作為配置寫操作 AD 00000000000000010001000000000101 表示訪問1 總線上 2號設備 0號功能配置空間的從00000100B開始的32位寄存器 5 PNP時取得所有設備配置信息的過程 對所有總線 最多28個 處理 對當前總線的所有設備 最多5個 處理 對當前設備的所有功能 最多8個 處理 對當前功能頭區(qū)域所有REG 16個 處理 配置訪問 一級總線為0類訪問 注 配置訪問8個Clock內DEVSEL 無效時 進行下一個訪問 4 配置空間訪問的實現 總線級和指令級 1 HOST PCI橋訪問配置空間的實現 直接訪問C BE 3 0 配置讀 配置寫 1010 1011 AD 31 24 保留 AD 23 16 選擇的目標總線 目標設備所在的總線 AD 15 11 選擇的目標設備IDSEL 只有一個有效 AD 10 8 選擇的目標設備的功能 AD 7 2 選擇的目標功能的配置空間中REG的索引 AD 1 0 目標設備在一級總線上時為00 目標設備在其他總線上時為01 2 CPU訪問配置空間的實現 間接訪問訪問配置空間的指令 OUT IN OUT指令對 先用OUT指令寫總線級配置訪問地址期的地址 再用IN OUT指令傳送總線級配置訪問的數據 I O指令的端口地址 0CF8H 0CFFH 配置地址端口 OUT指令的地址 為0CF8H 配置數據端口 IN OUT指令的地址 為0CFCH I O指令到PCI總線配置命令的轉換 HOST PCI橋中的配置機構保存配置操作所需的地址和數據 第二個I O指令時進行配置轉換 3 配置機構工作原理 保存配置信息 實現配置轉換 5 配置空間頭區(qū)域信息的讀取與分配 1 設備識別信息廠商 設備 版本 分類等 2 設備控制信息I O訪問 MEM訪問 特殊周期 錯誤響應 等待周期等 3 設備狀態(tài)信息運行環(huán)境 錯誤標志 DEVSEL 時序等 4 基址寄存器 思考 如何利用一個REG解決請求和分配問題 例1 基址寄存器的值 FFF00000h D0 0 表示是一個MEM地址空間映射D 2 1 00B 表示使能32位MEM映射D3 0 表示該功能設備不是預取MEMD 31 4 第一個為1的位是D20 表示映射的MEM空間為1MB 220 即將分配的MEM空間的基址應該為1MB的整數倍 系統(tǒng)管理程序經過權衡后再向該基址寄存器寫入實際映射的空間基址 滿足邊界對齊原則 基址寄存器是為簡化設備配置過程 達到配置空間的映射與設備無關的目標而設計的 例2 基址寄存器的值 FFFFFF01H D0 1 表示是一個I O地址空間映射D 31 2 第一個為1的是D8 表示映射的I O空間為256B 即將分配的I O空間的基地址應該為256的整數倍 最大 最小存儲映射地址空間 最小存儲映射地址空間 16字節(jié)最大存儲映射地址空間 2GB 最大 最小I O映射地址空間 最小I O映射地址空間 4字節(jié)最大存儲映射地址空間 256字節(jié) 5 擴展ROM基地址寄存器 例3 擴展ROM基址寄存器的值 FFFF0001H D0 1 表示擴展ROM訪問允許D 31 11 第一個為1的是D16 表示映射的ROM空間為64K 即將分配的ROM空間的基地址應該為64K的整數倍 6 頭區(qū)域中其它寄存器Cache 中斷引腳 中斷請求REG等 例4 讀0號PCI總線的1號擴展槽設備的2號功能的基址REG0 MOVDX 0CF8HMOVEAX 80000A10HOUTDX EAXMOVDX 0CFCHMOVEAX FFFFFFFFHOUTDX EAXMOVDX 0CF8HMOVEAX 80000A10HOUTDX EAXMOVDX 0CFCHINEAX DX 例5 給2號PCI總線的3號擴展槽設備的0號功能的基址REG0分配從1A00H開始的8個地址I O空間 MOVDX 0CF8HOUTDX 80022011HMOVDX 0CFCHOUTDX 00001A00H PCIBIOS 初始化程序只能通過PCIBIOS才能訪問PCI配置寄存器 PCIBIOS再通過配置地址端口寄存器和配置數據口寄存器實現其功能 1 16位PCIBIOS的調用 通過INT1AH實現 AH B1H AL為子功能號 2 32位PCIBIOS的調用 確認32位BIOS是否存在 確認BIOS是否支持PCIBIOS 并取得PCIBIOS入口地址 通過INT1AH實現 AH B1H AL為子功能號 13 6 7可編程邏輯器件實現PCI總線接口 CPLD 復雜可編程邏輯器件 或FPGA 現場可編程門陣列 的優(yōu)點是具有靈活的可編程性PCI接口可以依據插卡功能進行最優(yōu)化 而不必實現所有的PCI功能 這樣可以節(jié)約系統(tǒng)的邏輯資源可以將PCI插卡上的其他用戶邏輯與PCI接口邏輯集成在一個芯片上 實現緊湊的系統(tǒng)設計 當系統(tǒng)升級時 只需對可編程器件重新進行邏輯設計 而無需更新PCB FPGA實現的PCI接口應用 PCI接口專用芯片 專用PCI接口芯片可以實現完整的PCI主控模塊和目標模塊接口功能 將復雜的PCI總線接口轉換為相對簡單的用戶接口廠商對PCI總線接口已經進行了嚴格的測試 用戶只要設計轉換后的總線接口即可 用戶可集中于應用設計 而不是調試PCI總線接口 縮短開發(fā)時間應用比較普遍的主要有AMCC公司的S5920 從 S5933 主 PLX公司的PCI9050 PCI9054及PCI9080等芯片 PCI應用系統(tǒng) 13 7通用串行總線USB USB是英文UniversalSerialBus縮寫1996年公布USB1 0版本協(xié)議1997年有USB外設目前計算機與外設連接采用USB1 1標準2000年發(fā)布了USB2 0規(guī)范 數據的傳輸速率480Mbps 13 7 1概述 USB外設 鍵盤 鼠標 游戲桿攝像頭 掃描儀打印 電視盒調制解調器 網卡CD ROM CDRW 硬盤 軟驅聲卡 音箱手機充電器說寫電子板USBHub USB外設 USB特點 速度快 USB1 1傳輸速率12Mbps USB2 0傳輸速率480Mbps連接簡單快捷 直接連接 無需關機 重新啟動 打開機箱等操作無需外接電源 USB提供內置電源 能向低壓設備提供5V的電源支持多連接 USB支持多設備連接 良好的兼容性 USB接口標準有良好的向下兼容性低功耗 13 7 2USB系統(tǒng)的組成 USB系統(tǒng)連接模式 1 拓撲結構 樹型結構 最多可連接127個設備 USB總線 由VCC GND D D 四根線組成 D 和D 通過差分方式作為一根數據線 半雙工 使用USB事務 USB總線上最基本的一次數據交換操作USB邏輯地址 邏輯地址不通過連線實現 每個USB集線器和USB設備 不連接到PCI總線 均不占用I O地址空間 無I O地址 只具有一個惟一的USB邏輯地址 USB系統(tǒng)自動配置所分配 USB端口 連接USB總線的連接器 USB端點 集線器或設備的內部寄存器 仿照I O端口起名 又要與USB端口區(qū)分 編號在0 15之間 2 基本概念 USB系統(tǒng)的硬件 1 USB主控制器 根集線器 HostCtrl RootHub 由主控制器和根集線器組成主控制器 連接到PCI總線可作為主設備通過PCI總線直接與MEM交換數據 功能 實現并 串轉換 創(chuàng)建USB事務 管理USB事務傳輸過程 在根集線器與主機MEM間傳遞結果 占用一定數量I O地址空間 受CPU控制 根集線器 連接到主控制器功能 控制USB端口電源 啟用 禁止USB端口 識別連接的設備 設置和報告端口的狀態(tài)等 只占用一個USB邏輯地址 0 受主控制器控制 2 USB集線器 USBHub 由控制器和中繼器組成 最多支持4個USB端口 有高速 支持USB2 0 和全速 USB1 x 2種類型 可集成在USB設備內部 不作為獨立硬件出現 每個USBHUB占用一個USB邏輯地址 每個USBHUB具有一定數量 16 的USB端點 3 USB設備可分為HUB設備 USB集線器 和功能設備兩種 功能設備類型 有高速 全速或低速三種類型 每個USB設備占用一個USB邏輯地址 每個USB設備具有一定數量 16 的USB端點 1 USB設備驅動程序將某用戶操作請求轉換成幾個IRP I O請求包 以IRP形式送給USB驅動程序 2 USB驅動程序功能 將I O系統(tǒng)的操作轉換成USB系統(tǒng)的操作 實現 根據USB設備特性 IRP類型等特征 將IRP組織 轉換 成幾個USB事務 用USB事務的傳輸描述符表示 送給USB主控制器驅動程序 傳輸描述符 包括USB設備地址 USB事務類型 I O S等 傳輸數據大小 處理速度 傳輸速度 內存緩沖區(qū)位置等 USB系統(tǒng)的軟件 將這些USB事務調度到一系列事務列表中 USB主控制器定時讀取一個列表信息并執(zhí)行 調度思想 各USB設備在一定時長內得到服務的機會均等 調度方法 一定時長 USB1 x為1ms USB2 0為125 s 定義 該時長稱為幀 微幀機會均等 一定時長內的事務可為不同設備的事務 即各事務占時有限 1個IRP 多個USB事務的原因 調度依據 設備速度和事務類型 已等待事務類型和數量等 3 USB主控制器驅動程序 二 USB系統(tǒng)的通信1 USB系統(tǒng)的通信模型I O系統(tǒng)通信 USB系統(tǒng)通信 并行通信 串行通信 通信核心 USB主控制器 DMA方式與MEM交換數據 串行處理幀內各事務 2 USB系統(tǒng)的通信原理 USB驅動程序將IRP分解為幾個USB事務 描述符 每個事務所用時長不能太長 800ns USB主控制器驅動程序將這些事務調度到各幀中 調度依據 根據已請求事務特征 類型和速度等 當前事務特征等進行調度 幀內事務數量 根據各事務耗時的多少確定 數量不固定 保證每幀執(zhí)行時長 1ms 轉上頁 USB主控制器在規(guī)定時間內串行執(zhí)行完幀中事務 每幀內從根HUB各端口 HUB 設備的空閑時間越來越長 每個事務的執(zhí)行通過1 3個包交換完成 包類型 有標志包 數據包 握手包 特殊包四種 事務與包 每個事務均有標志包或特殊包 全部由主控制器發(fā)出 設備與事務 只有標志包具有USB設備地址 端點號 事務類型 3 USB設備端點 管道與數據流類型USB系統(tǒng)能夠實現即插即用 PNP方式 USB設備端點 每個設備最多有16個端點 配置前 端點0為默認端點 管道 設備驅動程序與設備端點間的邏輯連接管道類型 端點類型 有流管道 消息管道2種 數據流類型 有控制信號流 塊數據流 中斷數據流 實時數據流4種 不同數據流類型采用不同類型管道進行通信 4 USB的基本傳輸類型 流類型 1 控制傳輸 雙向 用于配置設備或特殊用途 出錯時重傳 2 批傳輸 單 雙向 用于大批量數據傳輸 要求準確 出錯時重傳 時間性不強 3 中斷傳輸 單向 用于查詢USB設備有無中斷請求 出錯時在下一查詢周期重傳 4 等時傳輸 單 雙向 用于連續(xù)實時數據傳輸 時間性強 出錯時不重傳 速率固定 所有傳輸類型均為主 從式傳輸 主控制器發(fā)起 思考 兩個PCI機的USB端口能否通信 三 USB總線的接口信號和電氣特性 1 接口信號線 2 電氣特性 1 供電特性HUB收發(fā)器 提供4 75 5 25V電壓 500mA電流 D D 上不加電壓 USB設備 高 全速設備在D 線加3 0 3 6V電壓 低速設備反之 D 線 2 D D 線電壓特性 低速設備反之 發(fā)送端 VOH max 3 6V VOH min 2 8V VOL max 0 3V VOL min 0 0V 接收端 VIHZ min 2 7V VIH min 2 0V VIL max 0 8V VIL min 0 0V 3 USB總線狀態(tài) 低速設備反之 1 總線狀態(tài)轉換未連接狀態(tài) 連接狀態(tài) 空閑狀態(tài)均針對接收端而言 2 USB設備包含狀態(tài)連接狀態(tài) 重置狀態(tài) 上電狀態(tài) 地址默認狀態(tài) 地址狀態(tài) 配置狀態(tài) 空閑狀態(tài) 工作狀態(tài) 4 USB設備狀態(tài)和總線枚舉 5 數據位表示 NRZI編碼 雙向不歸零編碼 無獨立時鐘 需通過數據變化反映時鐘寬度 數據表示 邏輯0 在時鐘寬度內 電平產生跳變 從差動信號 1 0 到差動信號 0 1 邏輯1 在時鐘寬度內 電平不變 時鐘寬度確定 信息包的開始幾位為邏輯 0 填充規(guī)則 發(fā)送方在數據的連續(xù)6個 1 后插入1個 0 接收方將所收數據的連續(xù)6個 1 后1個 0 去掉 目的 提高信號的準確性 防止漂移 NRZI編碼示例 四 USB交換的包格式USB事務的執(zhí)行通過包交換 一次傳輸 完成 一個USB事務由1 3個USB包組成 包的數量由傳輸類型決定 通信幀 定長 由幀開始包和若干事務的包組成 1 包的一般格式 所有信息段 CRC除外 均是從低位 高位發(fā)送 如SYNC PID 包正文信息等的各字符均從bit0 bitx SYNC 同步序列 并行數據為10000000 PID 包分類碼 由PID類型碼及其反碼組成 串行數據如下圖所示 2 標志包類型 幀開始包 接收包 發(fā)送包 設置包 發(fā)送方 主機 主控制器 1 幀開始包 SOF 發(fā)送方 主機 每一幀均以主機廣播幀開始包表示一幀的開始 2 接收包 IN 發(fā)送方 主機 控制 批 中斷傳輸交換 事務 等時傳輸交換 事務 3 發(fā)送包 OUT 發(fā)送方為主機 包格式與接收包一致 PID不同 控制 批 等時傳輸交換 批傳輸才有握手包 中斷傳輸歸接收包 4 設置包 SETUP 發(fā)送方為主機 包格式與接收包一致 PID不同 控制傳輸交換 無批 等時 中斷傳輸 3 數據包發(fā)送方 主機或設備 注意 CRC為16位 標志包中為5位 數據長度 思考 為什么數據包中無USB設備地址 4 握手包發(fā)送方 主機或設備 即數據的接收方發(fā)送 5 特殊包發(fā)送方 主機 包格式 與握手包相同 PID不同