單總線系統(tǒng)

單總線系統(tǒng)由硬件配置、處理次序和單總線信號三部分組成。系統(tǒng)按單總線協(xié)議規(guī)定的時序和信號波形完成初始化、識別器件和數(shù)據(jù)交換。

1.硬件配置

單總線系統(tǒng)定義了一根信號線，總線上的每個器件都能驅(qū)動它。為了區(qū)分不同的芯片，廠家為每個芯片都編制了唯一的序列號，用激光刻錄的一個64位二進制ROM代碼，從最低位開始前8位是族碼表示產(chǎn)品的分類編號，接著的48位是一個唯一的序列號，最后8位是前56位的CRC校驗碼。當(dāng)有多個器件連接在一根信號線上進行串行分時數(shù)據(jù)交換時，就能通過尋址把芯片識別出來。

2、單總線信號

單總線傳送數(shù)據(jù)或命令是由一系列時序信號組成的。通常，單總線上共有以下四種時序信號。初始化信號;寫0信號;寫1信號;讀信號。設(shè)計中可以用單片機的匯編語言編程以確保指令執(zhí)行時間小于或等于時序信號中的最小時間，尤其注意當(dāng)單片機工作頻率不同時，單總線的時延也不同的。

3、處理次序

在單總線系統(tǒng)中軟件設(shè)計的處理次序是關(guān)鍵。單片機做主控機時，依據(jù)單總線協(xié)議，處理次序要保證數(shù)據(jù)可靠的傳送，并且任一時刻單總線上只有一個控制信號或數(shù)據(jù)。

采用簡單的單總線結(jié)構(gòu)，雖然可以構(gòu)成計算機系統(tǒng)，但是它的工作效率和計算機的使用范圍受到很大的限制。

例如，目前的計算機系統(tǒng)中都設(shè)有顯示子系統(tǒng)。顯示子系統(tǒng)主要包括顯示控制器、顯示數(shù)據(jù)存儲器和顯示器等。為了保證顯示內(nèi)容的正確性，顯示控制器需要不斷從顯示數(shù)據(jù)存儲器中讀取數(shù)據(jù)送顯示器，這個過程就是我們通常所說的顯示器刷新。顯示器刷新和中央處理器使用存儲器將競爭使用總線，這對于中央處理器和顯示刷新的效率都會產(chǎn)生影響，尤其對于高速的中央處理器，將會嚴(yán)重地影響運行效率。

又如在計算機系統(tǒng)中都設(shè)有鍵盤，它的速度是人的手指動作的速度，一般為每分鐘兩百次以內(nèi)。如果將鍵盤和存儲器連接在同一條總線上，顯然中央處理器訪問存儲器的工做效率將受倒影響。

在單總線系統(tǒng)中，當(dāng)CPU取一條指令時，首先把PC(程序計數(shù)器)中的地址:同控制信息一起送至總線上。該地址不僅加至內(nèi)存，同時也加至總線上的所有外部設(shè)備，但是，只有與出現(xiàn)在總線上的地址相對直的沒備，才執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送操做。由于在取指情況下的地址是內(nèi)存地址。所以，此時該地址所指定的內(nèi)存單元的內(nèi)容(一條指令)將被取出送給CPU，指令取出之后，CPU將查操作碼以確定下一次要執(zhí)行什么操作。對采用單總線的計算機來講，操作碼規(guī)定了對數(shù)據(jù)要執(zhí)行什么操作以及數(shù)據(jù)是流進還是流出CPU。

在單總線系統(tǒng)中，訪內(nèi)指令同輸入/輸出指令的區(qū)別僅僅在于地址的數(shù)值。因此， CPU只要把指令的地址段送到總線上，并依靠相應(yīng)的設(shè)備作出響應(yīng)就可以了。

如果該地址對應(yīng)的地址是內(nèi)存地址，則內(nèi)存將響應(yīng)，這時，在CPU和內(nèi)存之間將發(fā)生數(shù)據(jù)傳送。

如果該指令地址對應(yīng)的是外部設(shè)備地址，則外部設(shè)備將響應(yīng)，這時，CPU和與該地址相對應(yīng)的外部設(shè)備之間，將發(fā)生數(shù)據(jù)傳送。

1、部件獨立性

采取異步工作方式各部件的運行速度可以與總線上其他部件完全無關(guān)，而不是一切以存貯器周期為轉(zhuǎn)移。因此可以局部更新，增強系統(tǒng)適應(yīng)性延長系統(tǒng)使用壽命。積木化也有利于各部件獨立地設(shè)計、生產(chǎn)、調(diào)試和改進。

2、面向外圍

單總線結(jié)構(gòu)是一種面向外圍的系統(tǒng)組織方法。I/O設(shè)備"直接存貯器存取"(DMA)可以繞過CPU;外圍設(shè)備之間可以直接通信，例如顯示器可從磁盤直接獲得畫面數(shù)據(jù)形成與CPU獨立的I/O子系統(tǒng);與另一臺單總線計算機互連，也只要兩者的總線互連，易于擴充為多機系統(tǒng)。

3、總線限制

系統(tǒng)中所有設(shè)備都連接在單總線上，使總線實際上比較長，電氣負(fù)載很重，決定了單總線不能成為高速總線。而總線速率限制了系統(tǒng)性能，限制了可擴充性?？偩€可靠性則限制了系統(tǒng)可靠性。事實上，CPU和主存之間的信息交換是系統(tǒng)中最經(jīng)常的事件，并主要由它決定了整個系統(tǒng)性能。可是單總線系統(tǒng)卻忽視了主存的特殊地位，只放在外圍設(shè)備同等地位。因此改進單總線系統(tǒng)性能的途徑自然是在主存與CPU之間增加一條獨立的高速總線，實際上部分地轉(zhuǎn)移到以存貯器為中心組織系統(tǒng)。

總線異步通信也稱為異步定時方式。 異步通信允許總線上的各部件有各自的時鐘，在部件之間進行通信時沒有公共的時間標(biāo)準(zhǔn)，而是靠發(fā)送信息時同時發(fā)出本設(shè)備的時間標(biāo)志信號，用“應(yīng)答方式”來進行。

異步通信又分單向方式和雙向方式兩種。單項方式不能判別數(shù)據(jù)是否正確傳送到對方。在單總線系統(tǒng)或雙總線中的I/O總線，大多采用雙向方式。因此這里介紹雙向方式，即應(yīng)答式異步通信。

發(fā)送部件將數(shù)據(jù)放在總線上，延遲t時間后發(fā)出READY信號，通知對方數(shù)據(jù)已在總線上。接收部件以READY信號作為選通脈沖接收數(shù)據(jù)，并發(fā)出ACK作回答，表示數(shù)據(jù)已接收，發(fā)送部件收到ACK信號后可以撤除數(shù)據(jù)和READY信號，以便進行下一次傳送。

另一方面，接受部件在收到READY信號下降延時必須結(jié)束ACK信號。這就使得在ACK信號結(jié)束以前不會產(chǎn)生下一個READY信號，從而保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｔ谶@種全互鎖的雙向通信中，READY信號和ACK信號的寬度是依據(jù)傳輸情況的不同而浮動變化的。傳輸距離不同，或者部件的存取速度不同，信號的寬度也不同，即“水漲船高”式變化，從而解決了數(shù)據(jù)傳輸中存在的時間同步問題。

由于異步通信采用了應(yīng)答式全互鎖方式，它就能夠適用于存取周期不同的部件之間的通信，對總線長度也沒有嚴(yán)格的要求。