第2章_计算机总线技术.doc

太原科技大学课 程 设 计（论 文）设计(论文)题目：计算机总线技术姓 名: 彭 杰 学 院（系）: 化学与生物工程学院(机电系) 专 业: 过程装备与控制工程 年 级: 1121班 学 号: 201121220201 指 导 教 师: 温卫中 2012年 6 月 2 日18计算机总线技术计算机总线技术摘要随着微处理器技术的飞速发展，使得计算机的应用领域不断扩大，与之相应的总线技术也得到不断创新。先后出现了ISA、MCA、EISA、VESA、PCI、AGP、IEEE1394、USB等总线技术，应用于芯片内部的总线技术也在不断发展，AMBA、Core Connect 等已经形成集成电路内部十分具有竞争力的总线标准，加上应用于工业控制的PROFIBUS等现场总线技术，使得总线技术不断提高，总线的种类也日益增加。同时，总线的数据传输速度也不断提升，目前，AGP局部总线数据传输率可达528MB/S，PCI-X可达1GB/S，系统总线传输速率也由66MB/S提高到100MB/S甚至更高的133MB/S、150MB/S。关键词: 微处理器, 总线技术,集成电路Computer bus techniqueAbstractWith the rapid development of microprocessor technology, causes the computer the application domain expands unceasingly, and the corresponding bus technology also gets ceaseless innovation. There are ISA, MCA, EISA, VESA, PCI, AGP, IEEE1394, USB bus technology, applied to the chip to the internal bus technology in developing, AMBA Core Connect, had formed within the integrated circuit is very competitive bus standard, together with the application in industrial control PROFIBUS field bus technology, makes the bus technology continues to improve, bus type also increases increasingly. At the same time, bus data transmission speed is also rising, at present, AGP local bus data transmission rate of 528MB/S, PCI-X reached 1GB/S, the system bus transmission rate is raised from 66MB/S to 100MB/S or even higher 133MB/S, 150MB/S.Keywords: microprocessor, bus technology, integrated circuit目 录摘要IAbstractII前言1第一章 总线的分类21.1 数据总线、地址总线和控制总线21.1.1 片内总线、内部总线和外部总线21.1.2 并行总线和串行总线31.2 总线主要性能指标31.3 总线标准与规范41.3.1 总线的标准41.3.2 总线的模板化结构4第二章常用内部总线52.1 STD总线52.1.1 STD总线的特点52.1.2 STD总线的信号分配52.1.3 STD总线与存储器和I/O的连接方法82.2 PC系列总线82.2.1 ISA总线82.2.2 MCA总线82.2.3 ESIA总线92.2.4 PCI局部总线9第三章 常用外部总线103.1 IEEE-488总线103.1.1 IEEE-488总线的使用约定103.1.2 IEEE-488总线设备的工作方式103.1.3 IEEE-488总线的引脚定义113.2 RS-232-C总线123.2.1 RS-232-C总线的机械特性123.2.2 RS-232C总线的电气特性123.2.3 RS-232-C总线的通信结构133.2.4 RS-232C总线的接口电路143.3 RS-422和RS-485总线143.3.1 RS-422A标准接口143.3.2 RS-485标准接口153.4 串行总线协议转换器16参考文献17小结18计算机总线技术前言随着计算机设计的日益科学化、合理化、标准化和模块化，计算机总线的概念也逐渐形成和完善起来。一般来说，总线就是一类线的集合，它定义了各引线的电气、机械、功能和时序特性，使计算机系统内部的各部件之间以及外部的各系统之间建立信号联系，进行数据传递。采用总线标准的目的主要有二条：一是生产厂能按照统一的标准设计制造计算机；二是用户可以把不同生产厂制造的各种型号的模板或设备用一束无源的标准总线互相连接起来，因而可方便地按各自需要构成各种用途的计算机系统。采用总线标准设计、生产的计算机模板和设备具有很强的兼容性，因为接插件的机械尺寸，各引脚的定义，每个信号的电气特性和时序等都遵守统一的总线标准。按照统一的总线标准设计和生产出来的计算机模板和设备，经过不同的组合，可以配置成各种用途的计算机系统，在此基础上设计的软件具有很好的兼容性，便于系统的扩充和升级。另外，采用总线标准设计的系统便于故障诊断和维修，同时也降低了生产和维护成本。这些都促进了计算机系统的开发和应用。 第一章 总线的分类1.1 数据总线、地址总线和控制总线一般的，总线的数目、定义各不相同，但按总线中信息传输的性质，通常可以把总线分为数据总线DB、地址总线AB、控制总线CB、和电源总线PB四部分，如图1.1所示。数据总线DB 用于传送数据信息。数据总线是双向三态形式的总线，既可以把CPU的数据传送到存储器或I/O接口等其它部件，也可以将其它部件的数据传送到CPU。数据总线的位数是微型计算机的一个重要指标，通常与微处理的字长相一致。例如Intel 8086微处理器字长16位，其数据总线宽度也是16位。内部总线的结构地址总线AB 是专门用来传送地址的，由于地址只能从CPU传向I/O端口或外部存储器，所以地址总线总是单向三态的，这与数据总线不同。地址总线的位数决定了CPU可直接寻址的内存空间大小，比如16位微型机的地址总线为20位，其可寻址空间为1MB。控制总线CB 控制总线包括控制、时序和中断信号线，用于传递各种控制信息，如读/写信号、片选信号、中断响应信号等由CPU发出的信号，以及中断请求信号、复位信号、总线请求信号等发给CPU的信号。因此，控制总线的传送方向由具体控制信号而定，一般是双向的，控制总线的位数要根据系统的实际控制需要而定。实际上控制总线的具体情况主要取决于CPU。电源总线PB 用于向系统提供电源。电源线和地线数目的多少取决于电源的种类和地线的分布与用法。1.1.1 片内总线、内部总线和外部总线一般计算机总线结构示意图。可以看出，构成过程计算机控制系统除了各种功能模板之外，还需要内部总线将各种功能相对独立的模板有机地连接起来，完成系统内部各模板之间的信息传送。计算机系统与系统之间通过外部总线进行信息交换和通信，以便构成更大的系统。 计算机总线结构示意图1.1.2 并行总线和串行总线计算机的内部总线一般都是并行总线，而计算机的外部总线通常分为并行总线和串行总线两种。比如IEEE-488总线为并行总线，RS-232-C总线为串行总线。并行总线的优点是信号线各自独立，信号传输快，接口简单；缺点是电缆数多。串行总线的优点是电缆线数少，便于远距离传送；缺点是信号传输慢，接口复杂。1.2 总线主要性能指标尽管各种总线在设计上有许多不同之处，但从总体原则上，一种总线性能的高低是可以通过一些性能指标来衡量的。一般从如下几个方面评价一种总线的性能高低：（1）总线频率（2）总线宽度，（3）总线带宽（4）同步方式。表 给出了几种流行总线的性能参数，从表中可以看出微机总线技术的发展。表 几种微型计算机总线性能参数名称ISA(PC-AT)EISASTDMCAPCI适用机型80286,386,486系列机386,486,586 IBM系列机Z-80，IBM-PC系列机IBM个人机与工作站P5个人机, PowerPC, Alpha工作站最大传输率8MB/s33MB/s2MB/s33MB/s133MB/s总线宽度8/16位32位8/16位32位32位总线频率8MHz8.33MHz2MHz10MHz2033MHz同步方式半同步同步同步异步同步地址宽度2432243232/64负载能力86无限制无限制3信号线数981435610912064位扩展不可无规定不可可可多路复用非非非是1.3 总线标准与规范1.3.1 总线的标准一般的，总线标准主要包括以下几方面的特性：1）机械特性机械特性规定模板尺寸、插头、连接器的形状、尺寸等规格位置，如插头与插座使用的标准，它们的几何尺寸、形状、引脚的个数以及排列的顺序，接头处的可靠接触等。2）电气特性电气特性规定信号的逻辑电平、最大额定负载能力、信号传递方向及电源电压等。通常规定由CPU发出的信号叫输出信号，送入CPU的信号叫输入信号。并规定总线中有效的电平范围。3）功能特性功能特性规定每个引脚名称、功能、时序及适用协议，如地址总线用来指出地址；数据总线传递数据；控制总线发出控制信号等。4）时间特性时间特性是指总线中的任一根线在什么时间内有效。每条总线上的各种信号，互相存在着一种有效时序的关系，因此，时间特性一般可用信号时序图来描述。1.3.2 总线的模板化结构工业控制计算机是面向工业生产过程的，不同行业的生产过程使用不同的原料，生产不同的产品，即使生产同一产品的生产过程，也有设备和工艺的区别。因此，不可能设计出多种固定配置的计算机来租用于各种不同的生产过程。为了解决这一难题，就需要对计算机和各种控制对象进行分析与综合，针对其共性，设计若干通用功能部件，并把这些部件按功能划分为几块，再按总线标准设计成模板。常用的模板有CPU、RAM/ROM、A/D、D/A、DI、DO、PID(并行输入输出)、SIO(串行输入输出)等。第二章常用内部总线2.1 STD总线2.1.1 STD总线的特点STD总线具有以下三个特点：（1）小模板结构STD总线采用了小模板结构，每块功能模板尺寸为165114mm。这种小模板有较好的机械强度，具有抗震动、抗冲击等优点。一块模板上只有一、两种功能，元器件少。因而便于散热，也便于故障的诊断和维修，从而提高了系统的可靠性和可维护性。STD模板的设计标准化，信号流向基本上都是由总线输送到功能模块，再到I/O驱动输出。（2）开放式系统结构STD总线采取了开放式的系统结构，计算机系统的组成没有固定的模式或标准机型，而是提供了大量的功能模板，用户可根据自己的需要选用各种功能模板，像搭积木一样任意拼装自己所需的计算机系统。必须注意，一个系统只允许选用一块CPU模板（称主模板），其余的从模板可任意选。（3）兼容式总线结构STD总线采取了兼容式的总线结构，既可支持8位微处理器，如8085、Z80等，也可支持16位微处理器，如8086、68000等。这种兼容性可灵活地扩充和升级，只要将新选的CPU主模板插入总线槽，取代原来的CPU板，然后将软件改变过来，而原有的各种从模板仍可被利用。这样可避免重复投资，降低改造费用，缩短新系统的开发和调试周期，提高了系统的可用性。2.1.2 STD总线的信号分配STD总线定义了8位/16位微处理器的总线标准，对模板的尺寸、总线连接器和插脚分配，信号定义和电气等都作了规定。限于篇幅，下面仅给出STD总线的信号分配，其它规定请读者参阅STD的有关资料。STD总线共有56根引线（插脚），或分为五个功能组：逻辑电源线引线16数据总线引线714地址总线引线1530控制总线引线3152辅助电源线引线5356表2.1列出STD总线的56根引线（插脚）的分配。各引线功能如下：表2.1 STD总线的引线分配元件面线路面引脚名称流向说明引脚名称流向说明逻辑电源135VCCGNDVBB#1/VBAT入入入+5VDC逻辑地偏压#1/后备电源246VCCGNDVBB#2/VBAT入入入+5VDC逻辑地偏压#2/后备电源数据总线791113D3/A19D2/A18D1/A17D0/A16入/出入/出入/出入/出数据总线/地址扩展8101214D7/A23D6/A22D5/A21D4/A20入/出入/出入/出入/出数据总线/地址扩展地址总线1517192123252729A7A6A5A4A3A2A1A0出出出出出出出出地址总线1618202224262830A15/D15A14/D14A13/D13A12/D12A11/D11A10/D10A9/D9A8/D8出/入出/入出/入出/入出/入出/入出/入出/入地址总线/数据总线扩展控制总线3133353739414345474951CLOCKPCO出出入/出出出出出出出出出存储器或I/O写I/O地址请求I/O扩展刷新定时CPU状态总线响应中断响应等待请求系统复位处理器时钟优先级链输出3234363840424446485052CRTRLPCI出出入/出出出入入入入入入存储器或I/O读存储器地址请求存储器扩展CPU周期同步CPU状态总线请求中断请求非屏蔽中断请求系统复位辅助定时优先级链输入控制电源5355AUXGNDAUX+V入入辅助地辅助正电源(+12V)5456AUXGNDAUX-V入入辅助地辅助负电源(-12V)2.1.3 STD总线与存储器和I/O的连接方法STD总线与存储器的连接方法如图2.1（a）所示，总线低位地址A0-A12直接连接到各存储芯片，高位地址A13A15用来选片。由存储器请求信号（引线34）、地址信号、读或写信号（引线31、32）的组合来控制64K基本存储器读写操作。如要扩展为128K，增加一块存储器与STD总线连接的插件板，利用存储器扩展信号MEMEX（引线36）实现。当基本存储器工作时，MEMEX为低电平，封锁扩展存储器工作；当扩展存储器工作时，MEMEX为高电平，封锁基本存储器工作。 STD总线与存储器和I/O的连接2.2 PC系列总线2.2.1 ISA总线IBM PC问世初始，就为系统的扩展留下了余地-IO扩展槽，这是在系统板上安装的系统扩展总线与外设接口的连接器。通过I/O扩展槽，用I/O接口控制卡实现主机板与外设的连接。当时XT机的数据位宽度只有8位，地址总线的宽度为20根。稍后一些的以80286为CPU的AT机一方面与XT机的总线完全兼容，另一方面将数据总线扩展到16位，地址总线扩展到24根。IBM推出的这种PC总线成为8位和16位数据传输的工业标准，被命名为ISA（Industry Standard Architecture）。2.2.2 MCA总线由于ISA标准的限制，尽管CPU性能提高了，但系统总的性能没有根本改变。系统总线上的I/O和存储器的访问速度没有很大的提高，因而在强大的CPU处理能力与低性能的系统总线之间形成了一个瓶颈。为了打破这一瓶颈，IBM公司推出第一台386微机时，便突破了ISA标准，创造了一个全新的与ISA标准完全不同的系统总线标准MCA（Micro Channel Architecture）标准，即微通道结构。该标准定义系统总线上的数据宽度为32位，并支持猝发（burst mode）方式，使数据的传输率提高到ISA的4倍，达33Mbps，地址总线的宽度扩展为32位，支持4GB的寻址能力，满足了386和486处理器的处理能力。2.2.3 ESIA总线总线主控技术（Bus Master）。扩展卡上有一个称为总线主控的本地处理器，它不需要系统主处理器的参与而直接接管本地I/O设备与系统存储器之间的数据传输，从而能使主处理器发挥其强大的数据处理功能。EISA还可支持多总线主控模块和对总线主控模块的智能管理。最多支持6个总线主控模块。2.2.4 PCI局部总线微处理器的飞速发展使得增强的总线标准如EISA和MCA也显得落后。这种发展的不同步，造成硬盘、视频卡和其他一些高速外设只能通过一个慢速而且狭窄的路径传输数据，使得CPU的高性能受到很大影响。而局部总线打破了这一瓶颈。从结构上看，局部总线好像是在ISA总线和CPU之间又插入一级，将一些高速外设如图形卡、网络适配器和硬盘控制器等从ISA总线上卸下，直接通过局部总线挂接到CPU总线上，使之与高速CPU总线相匹配。PCI计算机系统结构图第三章 常用外部总线 外部总线又称为通信总线，用于计算机之间，计算机与远程终端，计算机与外部设备以及计算机与测量仪器仪表之间的通信。该类总线不是计算机系统已有的总线，而是利用电子工业或其他领域已有的总线标准。外部总线又分为并行总线和串行总线，并行总线主要有IEEE-488总线，串行总线主要有RS-232-C、RS-422、RS-485、IEEE1394以及USB总线等，在计算机接口、计算机网络以及计算机控制系统中得到了广泛应用，下面主要介绍IEEE-488并行总线、RS-232-C和RS-485串行总线。3.1 IEEE-488总线IEEE-488总线是一种并行外部总线，专门用于计算机与测量仪器、输入输出设备，以及这些仪器设备之间的并行通信。当用IEEE-488总线标准建立一个由计算机控制的测试系统时，不用再加一大堆复杂的控制电路，IEEE-488总线以机架层叠式智能仪器为主要器件，构成开放式的积木测试系统。因此IEEE-488总线是当前工业上应用最广泛的通信总线之一。3.1.1 IEEE-488总线的使用约定数据传输速率10Mbps。连接在总线上的设备（包括作为主控器的微型机）15个设备间的最大距离2m整个系统的电缆总长度20m，若电缆长度超过20m，则会因延时而改变定时关系，从而造成可靠性变差。这种情况应增加调制解调器加以解决。所有数据交换都必须是数字化的。总线规定使用24线的组合插头座，并采用负逻辑，即用小于+0.8V的电平表示逻辑“1”，用大于2V的电平表示逻辑“0”。3.1.2 IEEE-488总线设备的工作方式IEEE-488总线上所连接的设备可按控者、讲者和听者三种方式工作，这三种设备之间是用一条24线的无源电缆互连起来的。该总线的连接情况如图2.5所示。IEEE-488总线的连接示例该总线系统中的控者一般是计算机，用于管理整个系统的通信。比如，起动系统中的设备，使之进入受控状态；指定某个设备为讲者，某个设备为听者，并让讲者和听者之间直接通信；处理系统中某些设备的服务请求等。该总线系统中的讲者功能是通过总线发送信息，而听者功能则是接收别的设备通过总线发送来的信息。3.1.3 IEEE-488总线的引脚定义为了实现系统中各仪器设备互相通信，IEEE-488总线对系统的基本特性、接口功能、异步通信联络的方式、接口消息的编码等都作了规定，如表2.3所示。按照这些规定，不同厂家生产的仪器设备就可以简便地用一条24线的无源电缆互连起来，组成一个自动测试和数据处理系统。IEEE-488总线定义了16条信号线和8条地线。这16条信号线按功能可分3组，其中8条双向数据线，3条数据传输控制线，5条接口管理线。各引线功能如下：（1）数据线D1D8，这8条线用来并行传输数据、地址、状态字和命令等信息。（2）数据传输控制线DAV，NRFD和NDAC；l 数据有效线DAV由讲者操纵，当为低电平时，表示讲者已经把有效数据准备好了，听者可以接收。l 未准备好接收数据线NRFD由听者操纵，当为低电平时，表示总线上至少有一个听者还没有准备好接收讲者的数据。l 未接收完数据线NDAC由听者操纵，当为低电平时，表示总线上至少有一个听者还没有接收完讲者的数据。这三条控制线用来使仪器设备之间彼此了解信息传输情况，从而协调信息的传输，实现三线挂钩的异步传输方式，图2.6给出了信息交换的时序图。三线挂钩时序图3.2 RS-232-C总线RS-232-C总线是一种串行外部总线，专门用于数据终端设备DTE和数据通信设备DCE之间的串行通信，是1969年由美国电子工业协会（EIA）从CCITT远程通信标准中导出的一个标准。当初制定该标准的目的是为了使不同生产厂家生产的设备能够达到接插的“兼容性”。RS-232-C总线分别定义了机械特性标准和电气特性标准。3.2.1 RS-232-C总线的机械特性DB-25引脚编号RS-232-C总线的接口连接器采用DB-25插头和插座，其中阳性插头（DB-25-P）与DTE相连，阴性插座（DB-25-S）与DCE相连。DB-25连接器的25个插针（引线）的编号及定义。3.2.2 RS-232C总线的电气特性RS-232C标准的电气性能主要体现在电气连接方式、电气参数及通信速率等方面。电气连接方式 RS-232C电气连接方式EIA的RS-232C及CCITT(国际电话电报咨询委员会)的V.28建议采用如图2.8所示的电气连接方式。这种连接方式的主要特点是：非平衡的连接方式，即每条信号线只有一条连线，信道噪声会叠加在信号上并全部反映到接收器中，因而会加大通信误码率，但却最大限度降低了通信成本。采用点对点通信，只用一对收发设备完成通信工作，其驱动器负载为37k。公用地线，所有信号线共用一条信号地线，在短距离通信时有效地抑制了噪声干扰；但不同信号线间会通过公用地线产生干扰。3.2.3 RS-232-C总线的通信结构RS-232C的典型的数据通信结构如图2.9所示。图2.9(a)是具有MODEM设备的远距离通信线路。数据终端设备DTE，如计算机、终端显示器，通过RS-232C接口和数据通信设备DCE如调制解调器连接起来，再通过电话线和远程设备进行通信。电话线的两端都有DCE，即MODEM设备。MODEM除具有调制和解调功能外，还必须具有控制功能和反映状态的功能。这些控制功能用来完成与RS-232C接口以及电话线另一端的MODEM进行信息交换和联络控制。图2.2（a）使用了最常用的5根信号线，提供了两个方向的数据线（发送和接收数据）和一对控制数据传输的握手线RTS和DSR。图2.2（b）是不用MODEM的直接通信线路。在实际使用中，若进行近距离通信，即不通过电话线进行远距离通信，则不需要使用DCE，而直接把DTE连接起来，称为零调制解调器连接，因为此时调制解调器已经退化成了一个线路交叉。两个DTE之间可以利用表2.4列出的常用9根线进行通信双方的握手联络。 最简单的RS-232C数据通信 RS-232C发送和接收电路还有一种简单的连接线路，如图2.10所示，仅用3根基本的数据传送线：发送数据线2、接收数据线3和信号地线7。一般近距离CRT终端与计算机之间的通信使用这3根线就足够了，例如PC机向单片机开发装置传送目标程序时，采用这种简单的连接线路即可。3.2.4 RS-232C总线的接口电路一般CRT终端和计算机采用TTL输入/输出电平，为了满足RS-232-C信号电平，采用集成电路MC1488发送器和MC1489接收器，进行TTL电平与RS-232-C电平的相互转换，如图2.3所示。 RS-232C的接口电路示例3.3 RS-422和RS-485总线 RS-232C虽然应用很广，但因其推出较早，在现代网络通信中已暴露出明显的缺点，如数据传输速率慢、通信距离短、未规定标准的连接器、接口处各信号间易产生串扰等。鉴于这些原因，EIA先后推出了新的标准RS-449、RS-422以及RS-485等总线标准，这些标准除了与RS-232C兼容外，在加快传输速率、增大传输距离、改进电气性能等方面都有了明显提高。3.3.1 RS-422A标准接口 RS-422标准规定了双端电气接口型式，使用双端线传送信号。它通过传输线驱动器，把逻辑电平变换成电位差，完成始端的信息传送；通过传输线接收器，把电位差转变成逻辑电平，实现终端的信息接收，如图2.13所示。在电路中规定只能有一个发送器，可以有多个接收器，可以支持点对多的通信方式。该标准允许驱动器输出为26v，接收器可以检测到的输入信号电平可低到200mV。 RS-422电气连接图RS-422的数据信号采用差分传输方式传输。为了满足RS-422-A标准，采用集成电路MC3487发送器和MC3486接收器，如图2.14所示 RS-422A接口电路示意图 3.3.2 RS-485标准接口RS-485与RS-422的区别在于：硬件线路上，RS-422至少需要4根通信线，而RS-485仅需2根；RS-422不能采用总线方式通信，但可以采用环路方式通信，而RS-485两者均可。通信方式上，RS-422可以全双工，而RS-485只能半双工。两者的其它差异见表2.5所示。RS_485与RS422比较比较项目RS-422RS-485驱动方式平衡平衡可连接的台数l台驱动器，10台接收器32台驱动器，32台接收器最大传输距离1200m1200m最大传输速12米10Mbps10Mbps120米1Mbps1Mbps1200米100kbps100kbps驱动器输出电压无负载时5V5V有负载时2V1.5V驱动器负载电阻10054驱动器输出电流上电无规定100 A最大(-7VVcom12V)断电l00A最大(-0.25VVcom6V)100 u A最大接收器输入电压-7+12V-7+12V接收器输入灵敏度200mV200mV接收器输入电阻12KQ12KQ3.4 串行总线协议转换器在计算机控制系统中，通常主机提供了RS-232C标准接口，而控制系统往往分布较远，单独由RS-232C不能实现远距离的通讯任务，就需要进行与RS-485或RS-422 的转换，并且利用RS-485网络功能，可以很方便的实现RS-485通讯网络。完成这种转换的器件很多，可以分为有源和无源两种，有源转换器须提供标准电源，无源转换器利用RS-232C内部的电源信号供电。下面以一种型号为JMW1801的RS-232/RS-485转换器为例说明其使用。JMW1801无源转换器支持半双工通信，利用串口窃电技术供电，无须外供电源；支持远程通信（大于1.2Km）和多机通信（128接点），DB9/DB9结构，速率