嵌入式系统IO体系简述

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原创 2023-01-06 17:37:42 1.3k 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

SRIO—IP核——1.Rapid IO协议 RapidIO是由Motorola和Mercury等公司率先倡导的一种高性能、低引脚数、基于数据包交换的互联体系结构，是为满足和未来高性能嵌入式系统需求而设计的一种开放式互联技术标准。Rapid IO主要应用于嵌入式系统内部互连，支持芯片到芯片、板与板之间的通讯，可作为嵌入式设备的背板连接。可以得知Rapid IO是一种总线技术，常见的总线技术包括：传统串行总线：UART、SPI、IIC总线等；接口简单，硬件设计简单；协议较简单；传输速度慢。传统并行总线：EMIF、UPP、PCI总线等；阅读详情

前言：
CPU的主要职责是负责运算，而计算机是需要各种外设的，否则无法和人进行交互。早期x86体系的CPU，需要使用前端总线（fsb）和北桥芯片相连，北桥再和南桥相连。南北桥是一种架构的划分，设计者的原始图架构上，在上部的称为北桥，下部的成为南桥。

典型上，北桥的功能主体是AGP控制、内存控制，南桥包括IDE、PCI、串并口多功能控制单元，集成网卡控制器、音效控制器就在南桥。而集成的图形控制单元，就是集成显卡核心了，就在北桥。总之，CPU控制外部设备需要依赖于南北桥，而南北桥中就集中了各种外部设备的控制器。

而且会发现很多IO设备控制器都是和CPU集中在同一芯片内的。现在的x86处理器已经不是早期那个样子了。最早，AMD做的x86处理器已经将内存控制器集成到了处理器内部了，因此弱化了北桥的功能。后来，英伟达公司为AMD的处理器开发的单芯片就集中了南北桥功能。intel现在的i5、i7已经集成了内存控制器、PCI-E控制器等等。所以南北桥的IO控制器越来越多的放到了CPU内部。现在连显卡都要集成到处理器中。当然，在通用计算机中，慢速外设如串口等似乎没必要集成到cpu中。

所以CPU通过IO控制器控制外部设备；而IO控制器正越来越多的集成到CPU中去，CPU芯片的概念和功能已经超越了单纯的计算。

关于 IO

I/O 技术实现在计算机和存储设备之间的数据交换。

I/O 通路
在计算机中，主存储器（RAM：Random Access Memory）断电丢数据，价格也比较昂贵，所以一般数据都存放在存储设备上，如硬盘

通常，数据从主存储器（RAM）通过系统总线，主机I/O 总线和 I/O 总线移动到磁盘或者磁带等存储设备。

1.1 系统总线
CPU和RAM通过系统总线快速传递数据。该总线使用非常高的时钟频率，使得它能够足够快的给CPU 提供数据。并且高速传输需要短的印制导线。因此，系统总线应该尽可能的短一些，一般连接CPU和主存储器以及一些需要高速数据处理的器件。

1.2 主机I/O 总线
因为系统总线不能挂载太多器件，并且也并不是所有器件都需要那么高的速度传递数据，所以就有了主机I/O 总线，用于挂载对速度要求没那么高的器件设备。并且主机I/O 总线通过桥接芯片连接到系统总线，PCI（Peripheral Component Interconnection:外围互联设备）是当前最广泛使用的实现主机I/O 总线的技术。

1.3 I/O 总线
连接IO控制器和IO设备的总线，这部分的总线种类可就多啦。不同的控制器为不同的目标而设计；同一目标因不同公司设计而不同。目前主流的总线如下表所示。
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一般来说，做嵌入式驱动，都是在驱动这些总线控制器，使其和外设正常通信。说到总线就不得不提到接口。可以这么看，总线是逻辑标准，而接口是为了实现总线上设备互联而设计物理标准。比如UART总线，可以通过RS232/RS485等接口和外设相连。另外还要提到协议，总线上传输的数据是按照一定协议来组织格式的，但是总线不关心协议。

二 X86架构 IO体系

通过x86处理器南北桥对比加深理解

现代计算机系统因为高速设备和低速设备的运行任务的速度差异的问题，一般会有南北桥，北桥是高速总线，就是CPU总线，内存总线等，南桥芯片负责接入一些非高速的总线，IO总线就在其中，而IO总线又有很多的具体的总线，PCI总线，PCIE总线，IDE总线，SCSI总线等等。

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上图所示，和IO设备打交道必须经过主机IO总线，这里的主机IO总线是一个统称，实际的技术方案不止一个，例如PCI总线。IDE总线，USB总线，不同的总线协议不同。

北桥芯片:
北桥芯片（NorthBridge）是主板芯片组中起主导作用的组成部分，也称为主桥。北桥是个人电脑主板芯片组两枚大规模芯片中的一枚。北桥被用来处理高速信号，通常处理CPU（处理器），RAM（内存）和南桥芯片之间的通信。

北桥芯片就是主板上离CPU最近的芯片，这主要是考虑到北桥芯片与处理器之间的通信最密切，为了提高通信性能而缩短传输距离。保证数据在CPU和主存储器之间进行快速的传递。系统总线必须使用非常高的时钟频率，使得它能够足够快的给CPU 提供数据。该总线的实现采用在主电路板上印制导线的形式。出于物理性能的原因，高的系统速度需要短的印制导线。因此，系统总线应该尽可能的短一些

因为北桥芯片的数据处理量非常大，发热量也越来越大，所以现在的北桥芯片都覆盖着散热片用来加强北桥芯片的散热，有些主板的北桥芯片还会配合风扇进行散热。因为北桥芯片的主要功能是控制内存，而内存标准与处理器一样变化比较频繁，所以不同芯片组中北桥芯片是肯定不同的，当然这并不是说所采用的内存技术就完全不一样，而是不同的芯片组北桥芯片间肯定在一些地方有差别。

南桥芯片:
南桥芯片（SouthBridge）是主板芯片组的重要组成部分，一般位于主板上离CPU插槽较远的下方，PCI插槽的附近，这种布局是考虑到它所连接的I/O总线较多，离处理器远一点有利于布线。相对于北桥芯片来说，其数据处理量并不算大，所以南桥芯片一般都没有覆盖散热片。南桥芯片不与处理器直接相连，而是通过一定的方式与北桥芯片相连。

南桥芯片负责I/O总线之间的通信，如PCI总线、USB、LAN、ATA、SATA等。

三 SOC 架构总线

先介绍一下AMBA(Advanced Micro-Controller Bus Architecture)是由ARM Limited公司推出的On-Chip Bus片上总线规范，是目前芯片总线的主流标准。共定义了3组总线：
高性能总线(AdvancedHigh Performance Bus，AHB)
系统总线(AdvancedSystem Bus，ASB)
外设总线(Advanced PeripheralBus，APB)。

典型的基于AMBA总线的系统:

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AHB主要用于高性能模块(如CPU、DMA和DSP等)之间的连接。AHB 系统由主模块、从模块和基础结构(Infrastructure)3部分组成，整个AHB总线上的传输都由主模块发出，由从模块负责回应。

APB，是Advanced Peripheral Bus的缩写，这是一种外围总线。APB主要用于低带宽的周边外设之间的连接，例如UART、1284等。

可以把 AHB 总线理解为北桥总线。APB 理解为南桥总线。南桥总线上挂接的都是鼠标、键盘这些慢速的设备，北桥上挂接显卡等高速设备。南桥频率低，北桥频率高。另外，南桥最后也要接到北桥上。这些感觉都类似于APB和AHB。

以 S3X2440芯片为例，S3C2440结构框图：
在这里插入图片描述

可知AHB总线上挂载了LCD控制器、中断控制器、USB Host控制器、电源管理、NAND控制器、Camera控制器、存储器控制器以及AHB to APB桥和DMA控制器。

APB总线上挂载了UART控制器、I2C控制器、USB Device控制器、I3S控制器SDI/MMC控制器、GPIO、Watchdog/定时器、RTC、ADC、SPI、AC97。

四 SOC 与 IO 控制器件的关系

SOC 控制 IO 控制器
在上面，仅仅是从总线连接的角度上来看SOC与IO控制器之间的联系，但是如何控制，很明显，SOC通过设置IO控制器的寄存器完成对他的控制，如控制UART控制器。SOC可以直接访问IO控制器的寄存器，就像访问内存一样。因为这些寄存器和内存一样，都在4GB物理地址空间上占有一席之地。

IO 控制器向内存传递数据
那么IO控制器是怎么将自己从外部收到的数据送到内存呢？如UART控制器，是怎么做的，答案是使用其自身的DMA控制器直接访问内存。