IP设计与验证技术讲义

微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术1 微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术22008-2009秋学秋学Agenda一、绪论二、总线技术三、APB总线和基于APB总线的IP设计四、Avalon总线和基于Avalon总线的IP设计微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术32008-2009秋学秋学第1章 绪论一、Introduction二、IP Reuse三、IP Usable微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术42008-2009秋学秋学年代年代199719992001200320062009工艺工艺(nm)25018015013010070晶体管晶体管11M21M40M76M200M520M面积面积(mm2)300340385430520620时钟时钟(MHz)75012001400160020002500金属层金属层66-7777-88-9电压电压(v)2.151.651.351.351.050.75线长线长(m)820148020002840514010000Buffers/片片5k25k40k54k230k797k第1章 绪论 一、Introduction微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术52008-2009秋学秋学System On a Chipl Logic(CPU,DSP)l Memory (SRAM, ROM, EPROM, FeRAM, MRAM, DRAM)l Analog or Mixed Signal (DAC,ADC)l MEMSl Optoelectronic Function 微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术62008-2009秋学秋学SoC example: PDA ControllerLCDMemoryVGAMemoryRAMDACPLLsAudioDACADCARM720T CorePiccolo DSPUARTsTimerIrDALCDControllerVGAControllerPCMCIARTCUSBPMUINTCSDRAMCtrlDMAKBDBUSCtrll Technology: 0.35um 1P3M l Chip Size: 9.37 X 9.37 mm2l ARM7201 basedl Gate Count: 500K gatesl Application : Data Terminals, PDA, CNS, Web Phone微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术72008-2009秋学秋学C1: 由于芯片集成度指数级增长引起的复杂性 - 更多的器件 - 更大的功耗 - 异种器件、部件或电路的集成C2 :由于特征尺寸指数级减小引起的复杂性 - 互连线延迟 - 耦合噪声 - EMIC3:嵌入处理器 - 软硬件协同设计- 嵌入OS和应用软件More & more complex HWMore complex Embedded SW Applications设计复杂性设计复杂性 C1 x C2C1 x C2 x C3 x C3SOC 设计的复杂性微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术82008-2009秋学秋学Source:2002 Collett International Research, Inc.199920022004100%39%44%48%North America Re-spin StatisticsSoCs Requiring One or more re-spins:61%Why Is So Difficult Design SoC?微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术92008-2009秋学秋学One key to successful SoC design is to have a library of reusable components from which to build the design.Reusable IP的必要性微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术102008-2009秋学秋学IP Define:IP Define:为满足为满足TTMTTM的要求的要求SoCSoC的设计要采用新的设计方法的设计要采用新的设计方法学来提高设计效率。目前多采用基于平台的设计学来提高设计效率。目前多采用基于平台的设计方法，用已设计好的模块来集成，这些模块就称方法，用已设计好的模块来集成，这些模块就称为为IP(IntellectualIP(Intellectual Property) Property)核。核。IP的可用性的可用性IP的复用性的复用性微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术112008-2009秋学秋学Predesigned Blocks as a Percent of SoCs50%80%95%200020052010Source: Dataquest, 2000微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术122008-2009秋学秋学IP分类n软核（Soft IP）软核以可综合的HDL的形式交付的，具有更灵活的优点和在性能（时序，面积，功耗）方面不可预测的缺点。软核增加了知识产权保护的风险，因为使用者需要RTL源代码。n固核（Firm IP）n硬核（Hard IP）已经进行了功耗，尺寸和性能的优化并映射到一个特定的工艺，通常以GDSII的形式交付。它们具有更可预测的优点，但是由于工艺相关性，因此有更少的灵活性和可移植性。因为版权保护并且不需要RTL代码，保护硬核的能力更好一些。微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术132008-2009秋学秋学IP来源来源一：芯片设计公司的自身积累 传统Fabless设计公司在多年的芯片设计中往往有自身的技术专长，如Intel的处理器技术、TI的DSP技术、Motorola的嵌入式 MCU技术、Trident的Graphics技术等。这些技术成功地开发了系列芯片，并在产品系列发展过程中确立了设计重用的原则，一些成功设计成果的可重用部分经多次验证和完善形成了IP。这些IP往往是硬核，如果这类硬核作为可提供给其他芯片设计公司使用的IP，就成了商品化的IP。微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术142008-2009秋学秋学IP来源来源二：Foundry的积累 Foundry 厂商是没有自身芯片产品的芯片代加工厂，但Foundry厂商为了吸引更多的芯片设计公司投片，往往设立后端设计队伍，来配合后端设计能力较弱的芯片设计公司开展布局布线工作。这支设计队伍也积累了一定的芯片设计经验，并积累了少量的IP(主要是Memory、EEPROM和FlashMemory等)，这些IP可以被需要集成或愿意在该Foundry流片的公司采用。 此外，IP专职供应商与主要的Foundry厂商有长期的合作关系，经过投片验证的IP可由Foundry厂向用户提供，IP专职供应商从中提取一定利润。微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术152008-2009秋学秋学IP来源来源三：专业IP公司 这是20世纪90年代中期兴起的，迎接SoC时代到来的设计公司。这类公司的特点是已经认识到将自身多年积累的IP资源转化成商品的商业价值，因此，它们不仅提供已经成熟的IP，同时针对当前的技术热点、难点开发芯片设计市场急需的IP核。它们提供的IP同样有硬核、固核、软核之分，但通过与Foundry 厂合作，及时对所开发的IP核进行流片验证是IP硬核供应商的通行做法，这也是IP核及早面市的必要措施。 微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术162008-2009秋学秋学IP来源来源三：专业IP公司 ARM、Motorola、MIPS是提供嵌入式MCUIP核的主要专业公司；LEDA是模拟、混合信号IP硬核的最主要供应商，它同时还针对当前通信市场的需求开发并提供宽带应用、蓝牙和光通信(SONET/SDH)的IP核。上述这些公司都是当今芯片设计行业中专业IP供应商的代表。这些专业IP供应商的业务重点是开发IP核，对于进入自身所不熟悉的地区，则往往通过与当地的芯片设计服务公司结成合作伙伴或战略联盟来实现。微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术172008-2009秋学秋学IP来源来源四：EDA厂商 在美国，EDA厂家也是提供IP资源的一个主要渠道，占到IP交易量的10%左右。主要的EDA厂商为了提供更适合SoC设计的平台，在其工具中集成了各类IP核以方便用户的 IP嵌入设计，这些IP核基本是以软核形式出现。EDA厂商也并不直接设计开发IP核，而是与一些提供IP软核的设计公司合作，提供一种集成IP核的设计环境。 由于集成的IP核多为软核，用户还要对这些软核做综合、时序分析、验证等工作，对用户的及时上市要求没有本质性改善，在IP核的支持、服务方面也存在诸多不便。因此，在国内的EDA厂家目前仍以经营EDA工具为主，从人员配备上讲，几乎没有提供IP资源的服务力量。微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术182008-2009秋学秋学IP来源来源五：设计服务公司 我国台湾较有名的芯片设计服务公司有创意电子、智原科技等，它们除了积累了一定自己的IP硬核外，还与专业IP供应商，如ARM结成合作伙伴向用户提供更丰富的IP资源。祖国大陆的芯片设计服务公司有泰鼎(上海)，目前可为用户提供300多种IP硬核，涉及高速数字逻辑、I/O模块、模拟、混合信号、RF等领域。 目前，国内还没有像国外那种专门设计IP硬核的公司，芯片设计公司的成功设计还不能被称为IP。但国内已经有专门提供软核的公司，以RTL形式提供给用户。微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术192008-2009秋学秋学第1章 绪论一、Introduction二、IP Reuse三、IP Usable微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术202008-2009秋学秋学IP重用对设计生产率的提高微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术212008-2009秋学秋学IP Reuse软IP固IP硬IP验证IPSpec. 文档文档功能验证文档功能验证文档IP开发与集成的功能验证分类标准开发与集成的功能验证分类标准提交什么？提交什么？什么格式？什么格式？满足性能？满足性能？如何验证？如何验证？费用多少？费用多少？Need Clean Hand-of如何发布？如何发布？如何包装？如何包装？如何保护？如何保护？属性描述、选择和转让格式标准属性描述、选择和转让格式标准微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术222008-2009秋学秋学How to choose？微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术232008-2009秋学秋学VC接口接口微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术242008-2009秋学秋学VCI 接口协议规范 VCIVCI（Virtual Component Virtual Component InterfaceInterface）是定义一个通用接是定义一个通用接口，以便任何来源的口，以便任何来源的IPIP都可以都可以在芯片集成者的在芯片集成者的SoCSoC内进行互连。内进行互连。按这种方式，按这种方式，IPIP就不再局限为就不再局限为被设计者一次使用。它们可以被设计者一次使用。它们可以被反复重用。采用被反复重用。采用VCIVCI作为自身作为自身接口的接口的IPIP模块即可直接点对点模块即可直接点对点地连接，也可通过带有地连接，也可通过带有VCIVCI接口接口的总线进行互连。的总线进行互连。 VCIVCI的定义包括：的定义包括：一个请求响应协议一个请求响应协议 一个传输请求响应的协议一个传输请求响应的协议 这些请求和响应的内容和编码这些请求和响应的内容和编码 微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术252008-2009秋学秋学VCI/AHBHostI/FVCIRXRXI/FHostI/FTXTXI/FFIFOBufferControl10/100MACVCIVCIVCIPHYHostDMATransaction10/100BusControllerLayerMACVCI 接口:for example微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术262008-2009秋学秋学OCPOCP接口协议接口协议规范规范OCP-IP接口标准接口标准OCP-IPOCP-IP的的OCPOCP规范，开发于规范，开发于20012001年，年，20032003年推出年推出2.02.0版，有版，有工具，有技术支持，目前工具，有技术支持，目前OCP-IPOCP-IP的成员有的成员有110110家左右。家左右。微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术272008-2009秋学秋学 当各当各IPIP模块集成到模块集成到SoCSoC上时，原上时，原本本IPIP边界上的边界上的I/OI/O端口会嵌入到端口会嵌入到SoCSoC内部，不能被芯片外界访问到，内部，不能被芯片外界访问到，IPIP核失去了原本的可控制性和可核失去了原本的可控制性和可观察性。如何通过观察性。如何通过SoCSoC芯片的芯片的I/OI/O端口访问到内部的端口访问到内部的IPIP核是一个必核是一个必须解决的问题。必须进行须解决的问题。必须进行IPIP核测核测试访问机制的研究。试访问机制的研究。 目前，目前，VSIAVSIA和和IEEEIEEE提出了一些提出了一些解决方案和标准，如解决方案和标准，如IEEEIEEE的的P1500P1500标准（草案），标准（草案），VSIAVSIA测试访问体测试访问体系结构（系结构（TST 2 1.0TST 2 1.0）。）。 IP核测试存取结构标准微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术282008-2009秋学秋学IP核质量标准 采用第三方提供的采用第三方提供的IPIP核，核，IPIP核的性能和可靠性如何保证，核的性能和可靠性如何保证，IPIP售主提供售主提供的验证方法和测试向量是否足够测试的验证方法和测试向量是否足够测试IPIP等问题，都是等问题，都是IPIP使用过程中必须使用过程中必须考虑的。例如，要设计一个高质量的考虑的。例如，要设计一个高质量的IPIP，在系统级就应考虑设计风格，在系统级就应考虑设计风格，时钟策略，复位方式，验证策略，可测性设计，低功耗设计等时钟策略，复位方式，验证策略，可测性设计，低功耗设计等。 还有还有RTLRTL级的代码编写质量，作为级的代码编写质量，作为IPIP核的核的HDLHDL代码的编写要具有可读性、可移代码的编写要具有可读性、可移植性和可综合性等。这些都是植性和可综合性等。这些都是IPIP核质量标准应涉及的内容。核质量标准应涉及的内容。IP ProviderIP Integrator微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术292008-2009秋学秋学 集成电路集成电路 IP 核标准体系核标准体系 IP核质量评估标准核质量评估标准 IP 核接口设计标准核接口设计标准 IP核交付使用文档规范核交付使用文档规范/标准标准 IP核知识产权保护标准核知识产权保护标准 集成电路集成电路 IP核标准体系核标准体系 IP核标准框架核标准框架 IP 打包和集成自动化标准打包和集成自动化标准微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术302008-2009秋学秋学第1章 绪论一、Introduction二、IP Reuse三、IP Usable微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术312008-2009秋学秋学The Key of IP Design nIP 开发项目管理 nISO9000管理体系n合理的SchedulenIP 开发团队人员结构n软件专业工程师（VIP，验证）n微电子专业工程师(RTL, Circuit, Layout)nIP 开发流程n统一的开发目录结构、统一的交付格式n统一的文档规范微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术322008-2009秋学秋学Soft IP Design Flow阅读相关规范、协议制定功能规范建立行为模型制定验证计划开发验证平台设计开发撰写设计文档编写RTL代码完善验证平台进行验证微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术332008-2009秋学秋学Soft IP Design Flow - Docoment阅读相关规范、协议制定功能规范建立行为模型制定验证计划开发验证平台设计开发撰写设计文档编写RTL代码完善验证平台进行验证“Functional Specification”“Design Manual”“Verification Manual”“Functional Verification”微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术342008-2009秋学秋学Problems on IP DesignRequired customize work 44%Hard to test 11%Hard to implementation flow 7%Specific Error, Ambiguity, Miss interpretation 43%Unable to meet the specification 32%微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术352008-2009秋学秋学一个好的IP的要求To support the broadest range of applications, and provide the highest reuse benefits, IP should have these features:qConfigurable to meet the requirements of many different designsqStandard interfacesqComplete set of deliverables to facilitate integration into a chip design微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术362008-2009秋学秋学ConfigurabilityMost IP has to be configurable to meet the needs of many different designs (and if it doesnt meet the needs of many different designs, it is not worth investing much money to make it reusable). For example:(1) Processors may offer different implementations of multipliers, caches, and cache controllers.(2) Interface blocks like USB may support multiple configurations (low-speed, full-speed, high-speed) and multiple interfaces for different physical layer interfaces.(3) Buses and peripherals may support configurable address and data bus widths, arbitration schemes, and interrupt capability.Configurability is key to the usability of IP, but also possess great challenges, since it makes the core harder to verify.微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术372008-2009秋学秋学Standard InterfacesReusable IP should, wherever possible, adopt industry standard interfaces rather than unique or core-specific interfaces. This makes it possible to integrate many different cores without having to build custom interfaces between the IP and the rest of the chip.微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术382008-2009秋学秋学Complete Set of DeliverablesqSynthesizable RTL (encrypted or unencrypted)qVerification file for verifying the core stand-alone and for chip-level verificationqSynthesis scriptsqDocumentation微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术392008-2009秋学秋学IP开发目录结构微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术402008-2009秋学秋学 IP Functional Specification 文档n简介n外围接口特性n寄存器描述n功能描述微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术412008-2009秋学秋学 IP Functional Verification 文档n简介n验证计划n验证组件n验证环境微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术422008-2009秋学秋学 IP 设计文档(Design Manual)n简介n微体系结构n实现细节（子模块描述）n补充说明微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术432008-2009秋学秋学 IP 验证平台开发指南n概述n验证平台结构n层次结构n编码规则微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术442008-2009秋学秋学AMBA AHBArbitration& Decode& MuxAMBA APBAHB/APBBridgeAHBMaster/SlaveBFM AHBMonitorAPBMonitorAPBMaster/SlaveBFM 3rd PartyIP3rd PartyIP Design / Verification PlatformApplicationSpecificLogic mPCPU/DSPHigh SpeedPeripheralsE.g., USB, PeripheralsE.g., Timer, GPIO,UARTS, MemoryController RAM ROM ApplicationSpecificLogic RAM ROM 微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术452008-2009秋学秋学软IP开发、验证平台 AHBMBFMDUTBFMAHBSBFMTestRandom StimulusAutomated TestStimulus to hitCorner CasesExpected ResultsChecking自测试自测试Ref.ModelTransaction-Level TestsAbstraction separatestest from design detail可复用的标准接口可复用的标准接口Protocol CheckingBehavior SpecificationDUTRTL微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术462008-2009秋学秋学第2章 总线技术一、总线分类二、总线技术的发展三、总线技术微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术472008-2009秋学秋学第2章 总线技术 一、总线分类1、为什么CPU和外设之间要使用总线呢？ 如果将各部件和每一种外围设备都分别用一组线路与CPU直接连接，那么连线将会错综复杂，甚至难以实现 为了简化硬件电路设计、简化系统结构，常用一组线路，配置以适当的接口电路，与各部件和外围设备连接，这组共用的连接线路被称为总线。采用总线结构便于部件和设备的扩充，尤其制定了统一的总线标准则容易使不同设备间实现互连。微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术482008-2009秋学秋学第2章 总线技术 一、总线分类2、总线的分类按信息传送方向分类： 单向总线 双向总线。按信号线传送的内容分类： 数据总线(传送数据)、 地址总线(传送地址) 控制总线(传送控制信号)。 按信号的传送形式：串行总线、并行总线。微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术492008-2009秋学秋学第2章 总线技术 一、总线分类2、总线的分类按总线在微机系统结构中所处的位置分类：n(1) 芯片总线芯片总线(Chip Bus, C-Bus)n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的信息传输通路。n(2) 内部总线内部总线(Internal Bus, I-Bus)n又称母板总线、板间总线、传统意义上的系统总线，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。微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术502008-2009秋学秋学第2章 总线技术 一、总线分类2、总线的分类按总线在微机系统结构中所处的位置分类：n(3) 外部总线外部总线(External Bus, E-Bus)n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。微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术512008-2009秋学秋学E-Bus设备设备Modem仪器仪器仪器仪器微型计算机微型计算机控制部件控制部件寄存器组寄存器组ALUC-Bus存储器存储器I/O接口接口I/O接口接口存储器存储器I-Bus三类总线在微机系统中的地位和关系三类总线在微机系统中的地位和关系微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术522008-2009秋学秋学第2章 总线技术一、总线分类二、总线技术的发展三、总线技术微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术532008-2009秋学秋学n为了充分发挥总线的作用，每个总线标准都必须有具体和明确的规范说明，通常包括如下几个方面的技术规范或特性： n(1) 机械特性机械特性：规定模块插件的机械尺寸，总线插头、插座的规格及位置等；n(2) 电气特性电气特性： 规定总线信号的逻辑电平、噪声容限及负载能力等；n(3)功能特性：功能特性： 给出各总线信号的名称及功能定义；n(4) 协议特性协议特性：对各总线信号的动作过程及时序关系进行说明。第2章 总线技术 二、总线技术的发展0、总线标准微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术542008-2009秋学秋学n总线标准的产生通常有两种途径总线标准的产生通常有两种途径： n(1) 某计算机制造厂家(或公司)在研制本公司的微机系统时所采用的一种总线，由于其性能优越，得到用户普遍接受，逐渐形成一种被业界广泛支持和承认的事实上的总线标准。n(2) 在国际标准组织或机构主持下开发和制定的总线标准，公布后由厂家和用户使用。微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术552008-2009秋学秋学n在微型机总线标准方面，推出比较早的是S-100总线。总线。有趣的是，它是由业余计算机爱好者为早期的微型计算机而设计的，后来被工业界所承认，并被广泛使用。n经IEEE修改，成为总线标准IEEE 696。n由于S-100总线是较早出现的用于PC机的总线，没有其他总线标准或技术可供借鉴，因此在设计上存在一定的缺点。第2章 总线技术 二、总线技术的发展1、总线发展简史微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术562008-2009秋学秋学n如布线不够合理，时钟信号线位于9条控制信号线之间，容易造成串扰；n在100条引线中，只规定了两条地线，接地点太少，容易造成地线干扰；n对DMA传送虽然作了考虑，但对所需引脚未做明确定义；没有总线仲裁机构，因此不适于多处理器系统，等等。n这些缺点已在IEEE 696标准中得到克服和改进，并为后来的总线标准的制定提供了经验。微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术572008-2009秋学秋学n随着微处理器及微机技术的发展，总线技术和总线标准也在不断发展和完善，原先的一些总线标准已经或正在被淘汰，新的性能优越的总线标准及技术也在不断产生。新的总线标准以高带宽高带宽(即高数据传输率即高数据传输率)及实用性和及实用性和开放性开放性为特点。为特点。第2章 总线技术 二、总线技术的发展微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术582008-2009秋学秋学n在总线标准的发展、演变历程中，比较有名或曾产生一定影响的总线标准有：nIntel MultiBus(IEEE 796);nZilog Z-Bus(122根引线)；nIBM PC/XT 总线(IBM 62线总线)；nIBM PC/AT 总线；nISA 总线；nEISA 总线；nVESAnPCI 总线；nUSB 总线nPCI-XnPCI-Express等。第2章 总线技术 二、总线技术的发展微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术592008-2009秋学秋学第2章 总线技术 二、总线技术的发展2、典型总线简介(1) PC/XT总线 PC/XT总线是最古老的总线之一，它却是第一种被认可为广泛标准的总线技术。PC/XT总线最早出现在IBM公司1981年推出的PC/XT电脑中，它基于8位结构的8088处理器，也被称为PC总线、或XT总线。(2) PC/AT总线 PC/XT总线沿用了三年多时间，直到1984年，IBM推出基于16位英特尔80286处理器的PC/AT电脑，系统总线才被16位的PC/AT总线所代替。而这个时候，PC产业已初具规模，加之IBM允许第三方厂商开发兼容产品，PC/AT总线规范也被逐渐标准化，并衍生出著名的ISA总线（Industry Standard Architecture，工业标准架构）。微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术602008-2009秋学秋学第2章 总线技术 二、总线技术的发展(3) ISA总线 PC产业已初具规模，加之IBM允许第三方厂商开发兼容产品，PC/AT总线规范也被逐渐标准化，并衍生出著名的ISA总线（Industry Standard Architecture，工业标准架构）。 与PC/AT总线不同，ISA总线工作频率采用8MHz，采用8位和16位模式，它的最大数据传输率为8MBps和16MBps今天来看这样的性能低得不可思议，但在当时8MBps的速率绰绰有余，完全可满足多个CPU共享系统资源的需要。既然是标准化的总线技术，ISA就基本不存在什么兼容性问题，后来的兼容PC也无一例外都采用ISA技术作为系统总线。ISA总线一直贯穿286和386SX时代，在当时，16位X86系统对总线性能并没有太高的要求，ISA也没有遭遇任何麻烦。2、典型总线简介微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术612008-2009秋学秋学n在一段时间内，大多数Pentium系列的PC机主板上仍保留34个ISA总线扩充槽，即可以插入8位ISA卡，又可以插入16位ISA卡。n ISA总线插槽总线插槽nISA总线插槽有一长一短两个插口共98个引脚.n长插口有62个引脚，以A31A1和B31B1表示，分别列于插槽的两面；n短插口有36个引脚，以C18C1和D18D1表示，也分别列于插槽的两面。微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术622008-2009秋学秋学微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术632008-2009秋学秋学D18D1C18C1B31B1A31A1ISA总线插槽总线插槽微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术642008-2009秋学秋学第2章 总线技术 二、总线技术的发展(4) EISA总线（386以上使用） 在32位386DX处理器（1986年左右）出现之后，16位宽度的ISA总线就遇到问题，总线数据传输慢使得处理器性能也受到严重的制约。 康柏、惠普、AST、爱普生等九家厂商1988年协同将ISA总线扩展到32位宽度，EISA（Extended Industry Standard Architecture，扩展工业标准架构）总线由此诞生。 EISA总线的工作频率仍然保持在8MHz水平，但受益于32位宽度，它的总线带宽提升到32MBps。另外，EISA可以完全兼容之前的8/16位ISA总线，用户已有扩展设备可继续使用，一定程度受到用户的欢迎。然而，EISA并没有重复ISA的辉煌，它的成本过高，且速度潜力有限；更要命的是，在还没有来得及成为正式工业标准的时候，更先进的PCI总线就开始出现，EISA也就成为附庸。不过，EISA总线并没有因此快速消失，它在计算机系统中与PCI总线共存了相当漫长的时光，直到2000年后EISA才正式彻底退出而此时距EISA标准的提出已经过去了12年。 2、典型总线简介微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术652008-2009秋学秋学第2章 总线技术 二、总线技术的发展(5) VLBus（也称VESA总线，90年前后486年代使用） VLBus: 也称Video Electronics Standard Association。 视频电子标准协会制订，普遍用于486的主板及外围设备接口，为32bit的IO插槽。VLBus是与CPU的接脚直接相通的总线，由于CPU的速度越来越快，接在扩展槽的扩展卡或外围设备无法大幅度的提升速度，而造成稳定性和匹配性较差，因为与CPU挂接在同一条总线上，直接影响到CPU的工作效率，扩展槽不能超过三个。2、典型总线简介微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术662008-2009秋学秋学nPCI总线总线-对传统总线结构的突破对传统总线结构的突破n人们注意到，随着微处理器速度及性能的改进与更新，作为微型计算机重要组成部件的总线也被迫作相应的改进和更新。否则，低速的总线将成为系统性能的瓶颈。n同时，人们也看到了另一个不容忽视的事实，即随着微处理器的更新换代，一个个曾颇具影响的总线标准也相继黯然失色了，与其配套制造的一大批接口设备(板卡、适配器及连接器等)也渐渐被束之高阁。n这就迫使人们思考一个问题，即能否制定和开发一种性能优越且能保持相对稳定的总线结构和技术规范来摆脱传统总线技术发展的这种困境呢?第2章 总线技术 二、总线技术的发展(6) PCI总线（486以上） 2、典型总线简介微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术672008-2009秋学秋学nPCI总线总线(Peripheral Component Interconnect，外围部件互连总线)于1991年由Intel公司首先提出，并由PCI SIG(Special Interest Group)来发展和推广。nPCI SIG是一个包括Intel、IBM、Compaq、Apple和DEC等100多家公司在内的组织集团。1992年6月推出了PCI 1.0版，1995年6月又推出了支持64位数据通路、66MHz工作频率的PCI 2.1版。n由于PCI总线先进的结构特性及其优异的性能，使之成为现代微机系统总线结构中的佼佼者，并被多数现代高性能微机系统所广泛采用。第2章 总线技术 二、总线技术的发展(6) PCI总线（486以上） 2、典型总线简介微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术682008-2009秋学秋学CPU存储器存储器CPU总线总线CPU总线总线/PCI总线桥（总线桥（北桥北桥）PCI总线总线/ISA总线桥（总线桥（南桥南桥）PCI图形图形适配器适配器PCI网卡网卡PCI硬盘硬盘控制器控制器PCI总线总线ISA总线总线ISA卡卡. . .ISA卡卡PCI总线结构框图总线结构框图微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术692008-2009秋学秋学n由图可见，这是一个由CPU总线、PCI总线及ISA总线组成的三层总线结构三层总线结构。nCPU总线也称“CPU-主存总线”或“微处理器局部总线”，CPU是该总线的主控者。此总线实际上是CPU引脚信号的延伸。n通过桥芯片(北桥和南桥北桥和南桥)，上边与高速的CPU总线相连，下边与ISA总线相连。nPCI总线是一个32位/64位总线，且其地址和数据是同一组线，分时复用。在现代PC机(如Pentium系列)主板上一般都有23个PCI总线扩充槽。微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术702008-2009秋学秋学 在上述PCI总线结构中，CPU总线、PCI总线及ISA总线通过两个桥芯片两个桥芯片连成一个整体，桥芯片起到信号缓冲、电平转换和控制协议转换的作用。n人们通常将“CPU总线/PCI总线桥”称为“北桥北桥”，称“PCI总线/ISA总线桥”为“南桥南桥”。n这种以“桥”的方式将两类不同结构的总线“粘合”在一起的技术特别能够适应系统的升级换代。n每当微处理器改变时只需改变CPU总线和改动“北桥”芯片，而全部原有外围设备及接口适配器仍可保留下来继续使用，从而保护了用户的投资。微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术712008-2009秋学秋学PCI总线的引脚信号总线的引脚信号nPCI总线的数据宽度为32位或64位，地址总线为32位(可扩展至64位)。另外，它的地址线和数据线是多路复用的，以节省引脚并减小连接器的尺寸。这些多路复用的引脚信号标识为AD0AD63。nPCI总线有5V和3V两种插槽类型，每种插槽的全部引脚号均为194(A1/B1A94/B94)，32位卡只用位卡只用162号，号，64位卡则占用全部位卡则占用全部194号引脚。号引脚。n其中，标为res的引脚为保留未用(reserved)的引脚；标为code的引脚是防止将插卡插错而设置的接口标记，也称连接器钥匙(connector key)。微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术722008-2009秋学秋学在老式的PC机中，三维图形卡与主存之间是通过PCI总线进行连接和通信的，其最大数据传输率仅为132MB/S(兆字节/秒)。加之PCI总线还接有其他设备(如硬盘控制器、网卡、声卡等)，所以，实际数据传输率远低于132MB/S。而三维图形加速卡在进行三维图形处理时不仅有极高的数据处理量，而且要求具有很高的总线数据传输率。因此，这种通过PCI总线的连接和通信方式，实际上成了三维图形加速卡进行高速图形数据传送和处理的一大瓶颈。第2章 总线技术 二、总线技术的发展(7) AGP总线2、典型总线简介微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术732008-2009秋学秋学nAGP(Accelerated Graphics Port，高速图形端口)是为解决计算机三维图形显示中“图形纹理”数据传输瓶颈问题应运而生的。现在许多PC机系统都增加了AGP功能。nAGP是由Intel公司开发，并于1996年7月正式公布的一项新型视频接口技术标准。n它定义了一种高速的连通结构，把三维图形控制卡从把三维图形控制卡从PCI总总线上分离出来，直接连在线上分离出来，直接连在CPU/PCI控制芯片组控制芯片组”(北桥北桥)上上，形成专用的高速点对点通道形成专用的高速点对点通道高速图形端口高速图形端口(AGP)。微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术742008-2009秋学秋学Pentium处理器处理器局部总线局部总线(66MHz或或100MHz)CPU/PCICPU/PCI桥芯片桥芯片(440LX(440LX或或440BX)440BX)存储器存储器AGP视频视频控制卡控制卡AGP接口接口(66MHz)局部帧局部帧缓冲区缓冲区PCI/ISA桥芯片桥芯片PCI卡卡PCI卡卡ISA卡卡ISA卡卡ISA总线总线(8MHz)USB总线总线(12MB/s)PCI总线总线(22MHz或或66MHz)Pentium系统中的系统中的AGP微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术752008-2009秋学秋学n从严格的总线意义上讲，AGP并不是一种总线标准，因为总线通常是多个设备共享的资源。而AGP仅为供AGP视频控制卡专用的高速数据传输端口。nAGP允许视频卡能与系统RAM(主存)直接进行高速连接，即支持所谓DIME(Direct Memory Execute，直接存储器执行)方式，当显存容量不够时，将主存当作显存来使用，当显存容量不够时，将主存当作显存来使用，把耗费显存的三维操作全部放在主存中来完成。这样一可以节省显存，二可以充分利用现代PC机大容量主存(现已达GB容量级)的优越条件。n这在三维图形操作需要越来越多存储资源的今天显得特别重要。微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术762008-2009秋学秋学nAGP可以工作于处理器的时钟频率下，若以66MHz的基本频率(实际为66.66MHz)运行，则称为基本AGP模式(即AGP 1X)，每个时钟周期完成一次数据传输。n由于AGP的数据传输宽度为32位(4字节)，所以在66MHz的时钟频率下能达到约266MB/S的数据传输能力；微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术772008-2009秋学秋学n此外，还定义了AGP 2X模式模式，每个时钟周期完成两次数据传输(宽度仍为32位)，速率达533MB/S；大多数AGP卡都工作在2X模式。nAGP 2.0规范增加了4X模式模式的传输能力，每个时钟周期完成四次数据传输，达1066MB/S(约1GB/S)的数据传输速率，是传统PCI数据传输率的8倍。n奔腾时代PC主板均全面支持AGP2.0规范及AGP 4X模式。微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术782008-2009秋学秋学n在传统的PC机使用中，为了连接显示器、键盘、鼠标及打印机等外围设备，必须在主机箱背后接上一大堆信号线缆及连接器端口，给PC机的安装、放置及使用带来极大的不便。n另外，为了安装一个新的外设，除需要关掉机器电源外，还需安装专门的设备驱动程序，否则，系统是不能正常工作的。这也给用户带来不少麻烦。第2章 总线技术 二、总线技术的发展2、总线发展简史(8) USB总线 微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术792008-2009秋学秋学nUSB总线总线(Universal Serial Bus，通用串行总线)是PC机与多种外围设备连接和通信的标准接口，它是一个所谓“万能接口”，可以取代传统PC机上连接外围设备的所有端口(包括串行端口和并行端口)，用户几乎可以将所有外设装置包括键盘、显示器、鼠标、调制解调器、打印机、扫描仪及各种数字音影设备，统一通过USB接口与主机相接。n同时，它还可为某些设备(如数码相机、扫描仪等)提供电源，使这些设备无须外接独立电源即可工作。微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术802008-2009秋学秋学nUSB是1995年由称为“USB实现者论坛” (USB Inplementer Forum)的组织联合开发的新型计算机串行接口标准。n有许多著名计算机公司，如Compaq、IBM、Intel、DEC及Microsoft等均是该联合组织的重要成员。微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术812008-2009秋学秋学n1996年1月，颁布了USB 1.0版本规范，其主要技术规范是：n(1) 支持低速低速(1.5M bps)和全速全速(12M bps)两种数据传输速率。前者用于连接键盘、鼠标器、调制解调器等外设装置；后者用于连接打印机、扫描仪、数码相机等外设装置。n(2) 一台主机最多可连接一台主机最多可连接127个外设装置个外设装置(含USB集线器Hub)；连接节点(外设或Hub)间距可达间距可达5米米，可通过USB集线器级联的方式来扩展连接距离，最大扩展连接距离可达可达20米。米。微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术822008-2009秋学秋学n(3) 采用采用4芯连接线缆芯连接线缆，其中两线用于以差分方式传输串行数据，另外两线用于提供+5V电源。线缆种类有两种规格，即无屏蔽双绞线(UTP)和屏蔽双绞线(STP)。前者适合于1.5M bps的数据速率，后者适合于12M bps的数据速率。n(4) 具有真正的真正的“即插即用即插即用”特性。主机依据外设的安装情况自动配置系统资源，用户无需关机即可进行外设更换，外设驱动程序的安装与删除完全自动化。微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术832008-2009秋学秋学微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术842008-2009秋学秋学USB的结构的结构n主机与USB设备连接的拓扑结构从整体上看是一种树状结构，可利用集线器级联的方式来延长连接距离，还可将几个功能部件(例如一个键盘和一个轨迹球)组装在一起构成一个“复合型”设备，“复合型”设备通过其内部的USB Hub与主机相连，主机中的USB Hub称为“根 Hub”微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术852008-2009秋学秋学主主 机机根根 HubHub复合型设备复合型设备设备设备设备设备Hub设备设备设备设备设备设备HubUSB总线的拓扑结构总线的拓扑结构微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术862008-2009秋学秋学nUSB总线的拓扑结构为了防止环状接入，USB总线的拓扑结构进行了层次排序，最多可分为五层： 第一层是主机，第二、三、四层是外设或USB Hub，第五层只能是外设。n层与层之间的线缆长度不得超过5米。nUSB Hub自身也是USB设备，它主要由信号中继器和控制器组成，中断器完成信号的整形、驱动并使之沿正确方向传递，控制器理解协议并管理和控制数据的传输。微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术872008-2009秋学秋学引脚引脚1234Vcc（电源）（电源）DataDataGround（地）（地）(a) 4芯芯USB线缆线缆1234A系列系列2134B系列系列(b) 两种类型的两种类型的USB连接器连接器USB线缆及连接器线缆及连接器微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术882008-2009秋学秋学端口端口1端口端口2端口端口3端口端口4端口端口5端口端口6上行端口上行端口连接至连接至USB主主机机USB集线器集线器微电子中心微电子中心IPIP设计与验证技术设计与验证技术892008-2009秋学秋学第2章 总线技术 二、总线技术的发展2、总线发展简史(8) USB总线USB总线的发展趋势：第一代：第一代：USB 1.0/1.1的最大传输速率为的最大传输速率为12Mbps。1996年推出。年推出。 第二