第六章——总线技术

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第六章——总线技术
- 一、总线的基本概念
- - （一）总线的概念
  - （二）具体读写操作
  - （三）实例：PC XT总线
  - （四）总线的性能指标
  - （五）总线时序
  - （六）串行总线
  - （七）总线的标准化
- 二、常用扩展总线
- - （一）SPI(串行外设接口)
  - （二）I^2 C总线
  - （三）USB(通用串行总线)
  - （四）其他
- 三、ARM总线
- - （一）SoC总线
  - （三）AMBA
  - （三）AHB(ASB)/APB
  - （四）其他

一、总线的基本概念

（一）总线的概念

总线，是在计算机的各设备之间传输数据和进行控制的技术和系统。

总线结构：

早期：并行、多分支(multidrop)、共享式结构。（需要传送信息的设备都连接到一组公共的并行通信线上，这一组通信线划分为数据总线、地址总线、控制总线）
当前：串行、点对点、交换式结构。

但是这里我们学以前的结构：

数据线(Data Bus)：用于承载总线设备之间传送的数据。
- 双向通信
- 数据线宽度：数据线的条数。直接连接CPU的总线的数据线宽度一般与CPU的字长相同。
地址线(Address Bus)：用于识别通信对象或数据位置。
- 单向通信
- 地址线宽度：决定了系统管理的地址空间的大小，n位地址线管理2^n字节地址空间。
控制线(Control Bus)：由若干独立的信号线组成，用于指示当前总线的操作。
- 基本组成：存储器读信号线(MEMR)、存储器写信号线(MEMW)、IO读写信号线(IOR/IOW)。
总线中，除地址、数据、控制线外，一般还包含有支持DMA、中断、仲裁等功能的信号线，以及必须的电源、时钟等。

（二）具体读写操作

CPU首先向地址线发送存储器或I/O设备的地址，然后从控制线发出命令(读或写)。
在读操作时，CPU等候一段时间，从数据线上获取数据；存储器或I/O设备随时判断地址线上的地址是否是自己的地址(地址译码)，如果是，则根据控制线的命令，向数据线提供数据。
在写操作时，CPU将数据驱动到数据线上，并持续一段时间，以便目标设备可靠地接收；存储器或I/O设备随时判断地址线上的地址是否是自己的地址(地址译码)，如果是，则根据控制线的命令，从数据线接收数据。

具有发起总线操作能力的设备，称为总线主设备(master)。
不具有这样的能力，只服从总线命令的设备，称为从设备(slave)。
除CPU之外，DMA控制器也是一种常见的总线主设备，存储器、IO设备等通常都是从设备。

（三）实例：PC XT总线

PC XT总线是IBM在其PC XT计算机中使用的总线，后来被扩展成ISA总线。
8位总线，包含62根信号线，其中包括：

8根数据线；
20根地址线；
若干控制线，主要包括存储器读、存储器写、IO读、IO写、时序控制信号；
支持中断和DMA功能的信号线；
电源、时钟、复位等。

（四）总线的性能指标

带宽/吞吐量

总线单位时间内最大的数据传送能力，称为总线的带宽(bandwidth)或吞吐量(throughput)。若总线数据宽度为w(字节)，时钟周期为T(秒)，则吞吐量最大的可能值为w/T(字节/秒)。
现代总线，通过突发等技术，可以接近在每个时钟周期传送一次数据，即吞吐量接近w/T。由于总线周期的交替、协议开销等原因，总线周期不止一个时钟周期，实际传送数据的速率通常不会达到w/T。
举例：
ISA总线宽度为2字节，时钟频率为10MHz，则其最大可能吞吐量为20M(字节/秒)。
若ISA总线周期由2个时钟周期组成，则其吞吐量为20/2=10M(字节/秒)。

灵活性和扩展能力

（五）总线时序

为保证数据可靠地在设备之间传递，接收数据的设备需要知道有效数据何时出现在数据线上，而发送数据的设备需要知道何时数据被可靠地接收。总线通过规定明确的操作时间关系来保证传输的可靠性，这种时间关系称为时序。

同步总线：总线使用一个统一的时钟，可以规定所有设备根据这个时钟的周期进行操作。
异步总线：总线操作不需要统一的时钟，需要在总线中增加状态信号线以表明数据的状态(数据是否被送出或接收)。【需要明确，在总线操作中，发起者不一定是发送数据的一方。如在存储器读操作中，由存储器(操作对象)发出数据，由CPU(发起者)接收数据。】
半同步总线：总线按照统一的时钟工作，但总线周期并不完全固定其中可以插入1个或多个时钟周期（称为等待周期），这样高性能的可以按最快的工作，低性能的可以适当延长周期。这类总线称为半同步总线。

总线仲裁：
在共享式总线中，当总线上存在多个主设备时，需要保证一个时刻只有一个主设备操作总线，这就需要仲裁。

集中仲裁：总线主设备在操作总线之前，需要首先向仲裁器提出申请(request)，并在收到许可(grant)后使用总线。仲裁器在同时收到多个申请时，按照某种优先级原则，向申请者发出许可。
分布式仲裁：不使用独立的集中仲裁器，每个主设备需要附带一个实现仲裁功能的组件。在需要使用总线时，由各自的仲裁组件交互信息，使用选举或其它原则决定总线的使用权。

DMA：
上文提到总线上存在多个主设备，除了CPU，DMA也是主设备。
I/O设备与存储器之间的大量数据传送，如果用CPU读写，会占用大量的CPU处理时间。此时我们就采用了DMA功能（直接存储器访问），可以直接进行数据传送，此时CPU能够执行其他任务。DMA需要的DMA控制器就是一个独立的总线主设备。

DMA传输特点：
在存储器和外设或外设和外设之间建立直接传输通路，传输数据无需CPU中转。
需专门的DMA控制器(DMAC)，DMA传输期间由DMAC控制总线。
适合高速大批量数据传送的场景。
硬件复杂、成本较高。

总线操作阶段：
申请、裁决、传送、结束。

实例：PCI总线

基础的PCI总线是32位宽度，时钟为33MHz的同步总线。
总线宽度可扩充到64位，支持64位寻址。
具有较高的吞吐量，最大数据传输率133MB/s(266MB/s)。
时钟同步方式。
具有隐含的中央仲裁系统。
支持突发方式，具有完备的多个主设备支持，能够实现自动配置(即插即用)。
兼容性好，独立于CPU。
PCI是同步总线，所有操作有总线时钟CLK同步。PCI支持突发操作，一个周期中，可以从一个地址开始顺序传送多个数据。
采用集中仲裁：PCI总线主设备具有独立的总线请求信号REQ#和总线允许信号GNT#。设备使用它的REQ#信号提出总线请求，经仲裁器经过裁决，通过GNT#允许某个申请的设备使用总线。

（六）串行总线

按照信息传输形式，总线可分为并行总线和串行总线。串行总线使用差分信号线串行传送信号，所有要传送的地址、控制、数据信息，都逐比特地在一对差分线上顺序传送。
差分线可以达到数Gbps的速率。2.5GHz的串行通信线，去掉必要的开销和复用的地址、控制信息，其数据吞吐量接近1Gbps。

由于信号完整性的要求，与并行式完全不同，串行通信线只能点对点地连接两个设备。总线拓扑呈现出以多个集线器为中心的星型结构的互联形态。

构成连接多个设备的总线结构时，需要使用集线器(hub)或交换器(switch)芯片。这些芯片具有多个端口，不同端口的数据在芯片内部进行交换和缓冲。在外部，每个端口连接一个总线设备，设备间的数据通过集线器中转传输。

串行总线操作：
总线一次操作所需要的地址、数据、命令等信息，需要包装成一个具有特定结构的“报文”进行传输。
接收设备在接收完整的报文后，提取其中的信息并完成要求的操作。接收设备还可以发送一个应答报文以确认总线操作的成功。

串行总线规范：
串行总线规范一般分为多个协议层次来定义。

物理层：规定串行比特电平和时间特征
链路层：规定报文结构和校验
交互层：规定通过报文序列、总线操作
串行总线使用点对点的连接取代了共享的多分支连接，不同设备之间的操作不再共用物理介质，因此不存在冲突问题，也就不需要仲裁机构。

串行总线实例：PCIe
PCIe(PCI Express)是一种高速串行总线标准，由PCI SIG颁布
PCIe拓扑结构：

（七）总线的标准化

总线需要连接不同制造商的设备，因此必须成为制造商共同遵循的标准。
计算机总线标准一般由一些有影响力的企业组成的合作组织制定。

二、常用扩展总线

总线的层次结构：
计算机系统内使用多种不同技术的总线，组织成层次的结构，以满足不同的数据传输要求。
一般情况，在层次结构中，靠近CPU的总线，具有更高的性能，连接高带宽和低延迟要求的设备，如CACHE，主存储器；而性能要求较低的设备，则可以使用低成本和较为传统的总线接入系统；不同技术的总线之间，使用桥接芯片连接并转发总线操作。

扩展总线：
计算机中存在很多简单的、性能要求不高、成本敏感的设备，需要灵活的低成本的总线。完成这种任务的总线，通常称为外部总线(external bus)或扩展总线(extended bus)。
扩展总线通过总线桥路接入到较高性能的系统总线。
嵌入式微处理器通过芯片内部的桥路功能和外部引脚，直接扩展出多种总线，方便地连接各种简单设备和模块，能灵活和低成本地提供多种功能。

（一）SPI(串行外设接口)

SPI(Serial Peripheral Interface)是一种同步串行总线，采用全双工主从方式工作。
总线中有1个主设备，可以连接多个从设备。

总线有4根信号线构成。

SPI工作时，主设备需要首先配置时钟频率，选择一个从设备支持的频率。
SPI主设备还需要设置工作模式(mode)，即设置两个配置比特：CPOL和CPHA，以确定时钟跟数据的相位关系。

多个从设备的SPI总线可以使用两种连接方式：

独立连接方式：每个从设备有单独的SS信号，主设备需要提供多个不同的SS信号
链式连接方式：从设备的数据输入输出顺次相连，主设备是需要一个SS信号，总线所有设备均同时传送数据。

（二）I^2 C总线

I²C (Inter-Integrated Circuit)是一种异步、支持多个主设备和从设备的串行总线。
I²C由两根集电极开路(OC)或漏极开路(OD)信号组成，分别是串行数据线SDA(Serial Data Line)和串行时钟线SCL(Serial Clock Line)。
I²C时钟工作速率有100KHz的标准模式和400KHz的快速模式，后续的版本定义了1MHz和3.4MHz的高速模式。
I²C的操作的基本单元是消息(message)。消息有起始信号(start)，若干地址、数据和应答比特以及停止信号(stop)构成。

（三）USB(通用串行总线)

USB(Universal Serial Bus)是连接计算机和外部设备（键盘、移动存储设备、数码设备等）的总线标准。目前使用的主要是2.0和3.x版本。
USB的主要特点：

使用方便，即插即用
高速传输速率
连接灵活
独立供电

USB设备使用点对点的串行连接，使用**集线器（hub）**扩展出多个端口连接多个设备。
USB系统中，只有一个USB主机（USB HOST），主机管理USB总线设备，控制总线的操作。在传送数据时，主机通过设备的地址信息指定与哪个设备进行通信，而不关心该设备具体连接在哪个位置，也不管理数据在HUB中的交换和路由。因此从逻辑上看，所有设备都直接连接到主机。

USB是一种轮询总线，所有USB操作都由主机发起。
数据通过分组方式传送，这些报文称作USB报文。
大多数数据传输由三个USB报文组成的序列完成：
- USB主机首先发出一个令牌报文(token packet)，指明传输的类型、方向(IN: 设备至主机,OUT:主机至设备)，USB设备的地址以及端点(endpoint)编号，
- 由主机或被寻址的设备发出数据报文(data packet)，
- 接收数据的设备发送一个握手报文(handshake packet)，指明本次传输是否成功。
USB定义了4类报文：令牌报文、数据报文、握手报文和特殊报文。
USB的数据有四种基本的传输类型：
- 控制传输(Control Transfers)：用于在连接阶段配置设备，或是传输配置信息或命令状态信息。传输的数据不允许丢失。
- 批量数据传输(Bulk Data Transfers)：是在有大量或突发性数据时采用的传输方式，它可利用USB的可用带宽，通过差错检测和重传保证数据的可靠传输，但不保证传输时延和传输间隔。
- 中断数据传输(Interrupt Data Transfers)：用于传输及时的、限定时间延迟的数据。可以用来报告事件、发送(pointing device)的坐标等信息。
- 准同步传输(Isochronous Transfers)：也被称为流模式实时传输，是按预先商定的速率和时延进行的传输。收端自动识别传输速率。

USB 3.2版本极大地提高了USB总线的性能。
USB 3.2中包含了两条总线，其一是USB 2.0总线，另外增加了更高速率的信号的3.2总线。
USB 3.2的物理接口中，新增加了支持SS速率的两对或更多的差分线，使用单向的全双工方式工作。

（四）其他

SCSI(Small Computer System Interface，小型计算机系统接口)定义了一种在计算机和外部设备之间传输数据的物理接口和协议，主要用于连接硬盘和磁带机等存储设备，广泛用于服务器，工作站和RAID系统。
ATA(AT Attachment)是一种并行接口，主要用于计算机中连接硬盘、固态盘等存储设备。sATA(Serial ATA)使用串行连接取代ATA，提供了更高的性能和扩展的功能，如热插拔。
CAN(Controller Area Network Bus)是一种用于嵌入式控制器之间通信的总线标准。
1553B是由美国国防部定义的一种高可靠串行总线标准(MIL-STD-1553)。用于军用航空器上的设备通信，也用于其它需要高可靠性的场合。
系统级的互联：大型数据中心、云计算等场合，经常以集群的方式使用计算机和服务器，以提供更高的性能、扩展性和灵活性。提供集群内部通信能力的技术包括infiniband、fiber channel、高速以太网等，这些技术部分地具有总线的特征，也经常称作总线。

三、ARM总线

（一）SoC总线

随着半导体技术的发展，集成电路的规模和性能显著提高。当一个芯片可以容纳以往的一个系统的能力的时候，就诞生了soc (system on a chip，片上系统)。
SoC总线技术就用于soc芯片内部的功能模块之间的通信。
芯片内部连接资源相对丰富和灵活，一般没有驱动能力、相互干扰问题和延迟差异问题，因此即使是高性能的通信，仍然可以使用并行信号方式，甚至支持宽达1024比特的数据线。

（三）AMBA

AMBA (Advanced Microcontroller Bus Architecture，先进微控制器总线结构)是由ARM公司提出的，用于芯片内部功能互联的总线规范，支持芯片内多个处理器和众多功能模块的连接。
早期的AMBA采用类似计算机中的系统总线、扩展总线的方式，分为高性能的ASB(Advanced System Bus)/AHB(AMBA High-performance Bus)和连接外设功能的APB(Advanced Peripheral Bus)。
为提高总线性能，AMBA 3中增加了AXI(Advanced Extensible Interface)，并在后续的AMBA 4和AMBA 5中增加了ACE(AXI Coherency Extensions)和CHI(Coherent Hub Interface)，提供总线操作CACHE一致性支持。

（三）AHB(ASB)/APB

AHB定义了具体总线接口规范。
AMBA总线的设备，包括主设备、从设备和交叉连接器，使用AHB接口相互连接，构成系统
AHB的特征：
- 支持突发传送
- 不使用三态逻辑实现
- 支持很宽的可配置的数据总线宽度
AHB操作：
- AHB的基本操作很简单，分为地址和数据两个阶段，在地址阶段，主设备给出地址和控制信号，在数据阶段接收数据。

- 从设备可以使用hready信号延长数据阶段。
AHB连接：
AHB上存在多个主设备时，可以使用交叉连接矩阵将主从设备连接起来。
交叉连接矩阵是一个交换式连接矩阵，可以支持不同的主从设备之间并行通信。这种连接方式称为AHB的多层结构(multi-layer)。
在交叉连接矩阵内部，增加了多个主设备连接到同一个从设备的仲裁器。当不同主设备同时操作一个从设备时，由该仲裁器决定操作的顺序。

性能要求不高的外设一般连接到APB，AHB和APB之间用称作APB桥路(APB bridge)的AHB从设备连接。
APB信号和操作与AHB类似，但不支持突发等高性能操作，简化了设计要求。
APB BRIDGE是APB上唯一的主设备，并提供设备选择(PSEL)和设备使能(PENABLE)信号以方便外设功能的连接。

（四）其他

AXI
AXI定义了一种新的高性能低延迟的接口，替代AHB连接功能实体，提高了AMBA的性能。
AXI是一种点对点的连接，操作的地址阶段和数据阶段分离，读写操作使用独立的物理通道。
AXI连接由5个独立的通道(channel)组成：读地址、读数据、写地址、写数据、写应答。5个通道使用相似的信号线和基本数据传送方式。
ACE/CHI
ACE是AXI的扩展，用于从硬件上保持多个处理器中的cache一致。
ACE接口难以满足大量的CPU、GPU等高性能处理的集成要求，ARM在AMBA 5中定义了能够提供更高互联性能的CHI接口，它定义了具有多个层次的分层通信模型，并使用基于报文的通信方式。

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一、总线的基本概念

（一）总线的概念

（二）具体读写操作

（三）实例：PC XT总线

（四）总线的性能指标

（五）总线时序

（六）串行总线

（七）总线的标准化

二、常用扩展总线

（一）SPI(串行外设接口)

（二）I^2 C总线

（三）USB(通用串行总线)

（四）其他

三、ARM总线

（一）SoC总线

（三）AMBA

（三）AHB(ASB)/APB

（四）其他

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