第6章总线

第6章总线 6 1总线概述所谓总线 就是指计算机中多个部件之间公用的一组连线 这个定义应该着重强调的是 多个部件 和 公用 的概念 也就是说 如果是两个部件之间的专用连线就不能叫总线 6 1 1总线的类别 1 按总线所在的位置分类 可以把总线分为外部总线 内部总线和片内总线三大类 片内总线 就是连接集成电路芯片内部功能单元的信息通道 内部总线 又称系统总线或微型计算机总线 用于微机系统内部模块之间的通道 是微型计算机的重要组成部分 常见的系统总线标准有ISA EISA PCI STD和AGP总线等 外部总线 又称通信总线 它是微机与微机 微机与其他仪器仪表或设备之间的连线 常见的外部总线标准有RS232C IEEE 488 SCSI USB和IEEE 1394总线等 2 按信息传送形式分类 总线可以分为并行总线和串行总线 并行总线 计算机中的信息一般都是由多位二进制码表示的 传输这些信息时 可以让它们固定地占用多条线 即用多条线同时传送所有二进制位 此类总线利用空间实现全部信息的一次传输 虽然可使系统的结构比较复杂 但是换来了信息的快速传输 这个优点在处理器速度不断提高的今天具有十分重要的意义 而所增加的结构复杂度 对于各部件分布距离并不很远的计算机内部来说是不难解决的 所以 并行总线被大量地用在计算机内部各部件的连接中 串行总线 这是一种与并行总线不同的总线类型 它以多位二进制信息共用一条线进行传输方式工作 既然是共用的 就只能让信息位按一定的次序排队 按时间先后依次通过总线 很显然 如果所传送的信息有M位 串行方法传送所需的时间至少是并行方法的M倍 这种总线形式具有结构简单的优点 适合当所需连接的部件距离比较远的情况 6 1 2总线的优点在微型计算机中 系统的各个部件都是通过总线连接在一起的 总线上的各种信号都是利用总线进行传输的 高性能的CPU必须有高性能的总线来支持 才能构成高性能的微型计算机系统 使用总线的优点如下 1 简化了软硬件设计从硬件角度来看 由于总线的定义是十分严格的 大家都采用同样的标准设计制作各种模块 板 用户可根据自己的需要进行选购或者自行设计制作 这样给硬件设计提供了很大 的方便 简化了设计过程 从软件角度来看 由于硬件各个模块是挂在总线上的相对独立的模块 这就使得编写该模块的相应软件变得更加容易 给调试和修改带来诸多方便 2 简化了系统结构由于采用了标准总线 各模块只要挂在总线上就可以构成微型计算机的硬件系统 3 便于系统扩充对于采用标准总线构成的微型计算机 要在规模上加以扩充是很容易的 只要按扩充要求自行设计或直接购买适当的模块 插到总线上就达到了扩充的目的 当然 要使系统功能扩展 还必须在硬件扩充的基础上 编写或购置相应的软件 4 便于系统更新随着电子技术的发展 新的硬件不断涌现 微机系统也要不断更新 采用总线结构的系统在这一方面就更加方便 6 2系统总线对于微型计算机系统而言 系统总线可描述为主板上处理器和外设进行通信时所采用的数据通路 系统总线支持端口 处理器 RAM和其他部分 当数据从键盘或鼠标输入时 它们经过系统总线进入RAM 然后再送入CPU进行处理 微型计算机主板制造商为了使他们的产品具有可扩展性 采取了开放系统总线的方式 以在主板上预留一些空插槽 称为扩展插槽 的形式提供系统总线 新的硬件设备通过插在扩展插槽上被装备到计算机中 以此实现与主板上其他部分之间的通信 衡量系统总线有两项主要指标 总线速度 MHz 和数据通路的可能带宽 b s 系统总线的类型和速度可能会妨碍计算机中其他部件性能的提高 因此 适当地选择总线 不断地更新总线是十分必要的 下面介绍一些比较流行的系统总线类型 6 2 1ISA总线1 ISA总线的特点ISA既支持8位数据操作 也支持16位数据操作 为早期的 微机提供了良好的兼容性 ISA将AT与XT总线的运行速度提升至8MHz 并可提供最大8MB s的数据传输率 ISA更强调I O处理能力 它提供了1KB的I O空间 15级的硬件中断 7级的DMA通道以及8个设备的负载能力 一台ISA总线微机可提供8个扩展槽 ISA的地址 数据线采用非多路复用形式 使扩展设计更简单 ISA是一种多主控设备总线 除主CPU外 DMA控制器 DRAM刷新控制器 带处理器的智能卡 只支持一个 都可以成为ISA的主控设备 ISA总线在其定义之前就已广泛流行 因此 可供用户选择的现成ISA插件卡品种较多 如多种通信卡 I O接口卡等 甚至一些早期的声卡 视卡也是ISA类型 这有利于用户快速构成所需的应用系统 2 ISA总线的体系结构在利用ISA总线构成的微机系统中 当内存速度较快时 通常采用将内存移出ISA总线并转移到自己的专用总线 内存总线上的体系结构 如图6 1所示 微机系统内部采用高速总线 如386 486微机内部采用的是 33MHz 32位总线 DRAM通过内存总线与CPU进行高速信息交换 中断通常由一对Intel8259A可编程中断控制器 PIC 处理 两个8259A采取级联方式连接 ISA总线以扩展插槽形式对外开放 磁盘控制器 显示卡 声卡 打印机等接口卡均可插在8MHz 8 16位ISA总线插槽上 以实现ISA支持的各种外设与CPU的通信 图6 1ISA体系结构图 6 2 2STD总线STD总线是1987年推出的用于工业控制微型计算机的标准系统总线 自从它问世以来 即以其优越的性能和强大的生命力在工业控制领域中受到了广泛的欢迎并得到了迅速的发展 被定名为IEEE961 STD总线不仅是国外流行的工业控制机标准总线 而且也是我国工业控制机的标准总线 STD总线开始推出时 是针对当时的8位微型计算机的 随着技术的发展和应用的需要 STD总线经过修订和改进 利用复用技术 在原定义的56个总线信号之下实现了支持20位 地址 寻址1MB的直接寻址能力 在保证同现有I O插件板兼容的条件下 提供全16位数据的传送能力 20世纪80年代末 STD总线已由56个信号发展到114 136个信号 1989年 美国的EAITECH公司开发出了32位的STD32 为高档的STD微型计算机系统的发展提供了有利的条件 STD总线具有较好的兼容性 可以向上向下兼容 例如 8位的STD产品可以与新标准的16位或32位STD产品一起工作 STD总线的电路板采用小板结构 高度模块化 开发周期短 可根据用户的要求组成各种规模的微机应用系统 STD总线采取一整套高可靠性措施 使该总线构成的工业控制机可以长期可靠地工作于恶劣环境之下 STD总线结构简单 并能支持多微机处理系统 是一种规模小且性能好的系统总线 STD总线系统模板 电路插件板 品种齐全 价格低廉 性能良好 易于选用 为推广STD总线产品创造了有利条件 6 2 3PCI总线1 PCI总线的特点PCI采用数据线和地址线复用结构 减少了总线引脚数 从而可节省线路空间 降低设计成本 目标设备可用47引脚 总线主控设备可用49引脚 PCI提供两种信号环境 5V和3 3V 并可进行两种环境的转换 扩大了它的适应范围 PCI对32位与64位总线的使用是透明的 允许32位与64位器件相互协作 PCI标准允许PCI局部总线扩展卡和元件进行自动配置 提供了即插即用的能力 PCI总线独立于处理器 它的工作频率与CPU时钟无关 可支持多机系统及未来的处理器 PCI有良好的兼容性 可支持ISA EISA MCA SCSI IDE等多种总线 同时还预留了发展空间 PCI总线信号如图6 2所示 图6 2PCI总线信号图 2 PCI总线的系统结构PCI局部总线与奔腾机内部总线组合构成了多总线系统结构 图6 3给出了一个典型的PCI系统 PCI总线允许在一个总线中插入32个物理部件 称为设备 当前版本限制为10个 每一个物理部件最多可以含有8个不同的功能部件 称为功能 除去用于生成广播消息的一个功能部件地址外 在一条PCI总线上最多可有255个可寻址功能部件 图6 3PCI总线系统结构图 在PCI系统中 处理器并不是位于PCI总线上的 处理器与RAM位于主机总线上 它具有64位或更宽的数据通道以及更高的运行速度 指令和数据在CPU和RAM之间快速流动 然后数据被交给PCI总线 PCI负责将数据交给PCI扩展卡或设备 如果需要 也可将数据导向ISA EISA MCA等总线 或IDE SCSI等控制器 以便进行存储 驱动PCI总线的全部控制由PCI桥实现 PCI桥实际上是总线控制器 实现主机总线与PCI总线的适配耦合 它在与主机总线接口中引入了FIFO缓冲器 使PCI总线上的部件可以与CPU并行工作 PCI桥可以利用许多厂家开发的PCI芯片组 PCIset 实现 通过选择适当的PCI桥构成所需的系统 是构成PCI系统的一条捷径 例如 在一台Pentium机中 可以查到它具有如下资源 1 系统设备Intel82371SBPCItoISAbridge 2 系统设备Intel82439HXPentium r ProcessortoPCIbridge 3 硬盘控制器Intel82371SBPCIBusMasterIDEController 显然 这些资源对于构成PCI系统是必需的 6 2 4AGP总线1 AGP总线简介AGP总线实质上是对PCI技术标准的扩充 这也是出于简化开发设计的考虑 使其类似PCI总线 AGP总线与PCI总线不同 其地址和数据线分离 PCI为60根信号线 而AGP总线是65根 可实现 流水线 处理 地址线和数据线分离 没有切换的 开销 提高了系统实际数据传输速度和随机访问主内存时的性能 AGP总线的首要目的是将纹理数据置于主内存 以减少图形存储器的容量 从而可以生产廉价 高性能的图形卡 开通主内存到图形卡的高速传输通道 主内存 PCI控制芯片组具有 事务处理 队列 以实现 流水线 处理图形控制芯片 一旦将请求传送给主内存 PCI控制芯片组 就立刻释放总线 主内存 PCI控制芯片组可以把多个申请命令存入队列 按优先权依次响应处理 在数据的等待时间里 图形控制芯片可以接收处理结果 因而可提高总线的整体使用效率 2 AGP总线的特点AGP总线可以将系统主内存映射为AGP内存 用作图形卡上的专业显存的扩展 并通过直接内存执行方式提高系统的3D图形处理性能 减少图形设备对系统的占用 AGP总线最重要的特征是提高了数据传输的带宽 由于AGP总线宽为32位 基于66MHz时钟 并在时钟脉冲的 上升沿 和 下降沿 都能传输数据 因而可达到533Mb s的理论传输率 比普通PCI接口图形卡提高了4倍 而且由于AGP总线借用了处理器的 流水线 技术 并有8条额外的 边际 Sideband 数据请求线 支持对数据的 流水线 装入和预先读取 同时还可将需要的 边际数据 一起传输 从而大大增加了有效带宽 如果采用新潮的AGP4 模式 AGP总线的时钟频率将增加到133MHz 其数据传输率将突破1Gb s大关 3 AGP总线的工作方式 AGP总线有两种工作方式 一种是直接内存访问方式 DirectMemoryAccess DMA 另一种是直接内存执行方式 DirectMemoryExecute DME 两者最大的区别在于3D图形加速芯片是否能直接利用系统内存中纹理贴图数据进行渲染 1 当AGP总线工作在DMA方式时 AGP总线先将系统主内存中的纹理和其他数据装载到图形加速器的本地内存中 向纹理映射 透明度调整 Z向缓冲等工作都由图形加速器在本地内存中执行 在此模式下 AGP总线与基于PCI的图形加速器的工作方式大致一样 而图形加速器拥有了AGP总线高速数据传输的优势 2 当AGP总线处于DME方式时 图形数据可直接在系统主内存中执行 而不需要将原始数据全部传输到图形控制器 这样做的好处是可减少主内存和图形加速器之间的数据传输量 尤其是在贴图数据量很大时 优势更加明显 AGP图形卡可在CPU存取系统主内存时读取主内存中AGP映射的内容 也可以同CPU及其他外设并行工作 降低了计算机系统对数据通道的竞争和冲突 同样 AGP图形卡相对于PCI图形卡来说 在对主内存的操作中多了个 额外 的端口 AGP可以在从显存中调入框架 Frame 缓冲 Z buffer 值等元素的同时 从系统主内存调入纹理等到图形数据 通过该方式 在理想状态下 AGP图形系统可以比PCI图形系统提高55 的性能 当CPU需要向显示卡传送图形指令或动画等数据时 CPU可直接写到系统主内存的AGP映射中去 所花的时间远远少于通过图形卡写到显存中去的时间 6 3外部总线外部总线 即通信总线 是实现系统或设备间互联的一类总线 在系统与设备间可以以两种形式通信 即并行通信与串行通信 支持并行通信的总线为并行总线 如IEEE 488 SCSI等 支持串行通信的总线为串行总线 如RS232C USB等 一般而言 并行总线具有传输速率高 传送距离较近的特点 串行总线具有传送距离远 传输速率较低的特点 较为常见的外部总线 即通信总线 有如下几种 IEEE 488是HP公司在20世纪70年代为解决各种仪器仪表与各类计算机接口时互不兼容的麻烦而研制的通用接口总线HP IB 1975年 IEEE委员会以IEEE 488标准予以推荐 1977年 IEC 国际电工委员会 又对该总线加以推荐 并命名为IEC IB HP享有该总线所有对接技术的专利 IEEE 488总线包括8条双向数据线 3条字节传送控制线和5条通用控制线 它可以将计算机 电压表 电源 频率发生器等装置通过一条488总线电缆连接起来 IEEE 488系统以机架层叠式智能仪器为主要器件 可以以积木方式构成开放式系统 ATA ATAttachment 又称IDE IntegratedDriveElectronics 1985年 COMPAQ公司委托WD WesternDigital 公司为PC AT机设计 由CDC ControlDataCorp 生产了世界上第一台AT接口硬盘驱动器 1988年 CAM委员会将AT接口制定为CAM规范 同时 ANSI的X3T9标准委员会也接受了AT接口 定名为ATA ATA 1标准于1994年正式公布 标准号为ANSIX3 221 1994 从1985年上市到1992年 AT接口一直是纯硬盘驱动器接口 该接口定义了 40个标准信号 采用16位并行数据传输 传输率达8 33MB s 最多可接两个硬盘 硬盘驱动器的最大容量为528MB 1994年 为了与SCSI竞争 WD公司推出了增强型IDE标准EIDE Seagate公司也推出了FastATA 它们都属于ATA 2标准 ATA 2不仅可以连接硬盘 而且可以连接CD ROM 磁带机等存储设备 它允许接4台设备 支持大于528MB的磁盘容量 数据传输率为11 1 16 6MB s 到1999年 ATA 5的数据传输率已达66 6MB s SCSI SmallComputerSystemInterface 是20世纪80年代由ShugartAssociate公司联合NCR公司研制的高速硬盘接口规范 可用于硬盘 光盘 扫描仪 打印机 磁带机等多种外围设备的连接 在硬盘驱动器市场有50 以上的占有率 早期的SCSI可并行传送8位数据 具有5MB s的数据传输率 可接8个设备 在1994年正式标准化的SCSI II包括3种形式 FAST SCSI采用8位数据传输 10MB s数据传输率 WIDE SCSI采用8 16位数据传输 FAST WIDE SCSI II数据传输率可达20 40 80MB S 1993年开始草拟的SCSI III开始向并行与串行两个方向发展 形成了SPI SIP FCP等10个规范 数据采用8 16 32位 最高数据传输率可达160MB s 之后 DEC公司在SCSI II基础上改进形成的UltraSCSI于1996年开始逐步取代FASTSCSI II UltraIISCSI于1998年上市 而最新的Ultra SCSI数据传输率可达到160MB s 最高达到400MB s Centronics是一种较早推出的计算机与打印机 绘图仪进行连接的并行总线 该总线由36个信号线构成 采用扁平电缆进行8位数据传输 传输率为100KB s 传送距离最大为两米 在用扁平电缆作传输线时 每两条数据线之间夹一条地线 较好地克服了数据间的干扰 RS232C是美国电子工业协会EIA于1969年颁布的数据通信标准 制定该标准的初衷是希望各厂家生产的设备能够达到接插兼容 到目前为止 它不仅实现了初衷 而且成为 使用最成功的串行接口总线 它定义了数据终端设备DTE与数据通信设备DCE之间的连接 特别是定义了用于控制标准电话连接设备和标准调制解调器的对接信号 为了克服RS232C的缺点 提高传送速率 增加通信距离 同时保持与RS232C的兼容性 EIA在1987年提出了RS423A标准 之后 又进一步改进为RS422A 近年来推出的RS485总线标准也开始得到应用 USB是1994年以Intel为首的7家公司联合发布的通用串行总线 到目前版本已升级为 2 1 USB可用于高 中 低速外设的连接 数据传输率为480Mb s 12Mb s 1 5Mb s 它有较强的连接能力 能同时连接多种外设 如鼠标 键盘 游戏杆 显示器 喇叭 Hub甚至ISDN等 最多可接127个设备 有很多人认为 SB有可能取代许多总线标准 成为微机与各种外设或系统进行连接的主要或唯一的途径 IEEE 1394是最早被提出的串行外部存储设备接口规范 Apple公司是1394接口的最早提出者 后来 国际电子电气工程学会IEEE接管了这个接口规范 将之更名为IEEE 1394 IEEE 1394具有更多元的外设支持能力 尤其在影音多媒体方面有优异的支持能力 使用存储器映射地址总线 有真正的即插即用和热插拔能力 提供更长的电缆和更高的速率 IEEE 1394十分容易配置 它采用6线连接 树状结构 最多可接63个设备 在存储设备接口中 被认为将有可能取代SCSI及ATA接口的串行接口是FC AL及IEEE 1394 6 3 1RS232C总线RS232C总线是一种串行的外部总线标准 在微机应用系统中的应用十分广泛 可以说是微型计算机必备的接口总线 1 RS232C总线的特点1 RS232C总线信号线少RS232C总线规定了25条线 包含两个信号通道 即第一通道 主通道 和第二通道 副通道 利用它可以实现双工通信 通常主要使用主通道 副通道较少使用 在通常应用中 完成双工通信只用很少几条线就可实现 例如 一条收 一条发 再加一条地线就可以实现微机到微机或微机到其他设备的通信 在目前的应用中 少则3条线 多则 条线即可完成设备间的通信 2 RS232C总线有多种可供选择的传输速率RS232C规定的标准传输速率有 50 75 110 150 300 600 1200 2400 4800 9600 19200波特 RS232C总线还可以灵活地应用于不同速率的设备 对于慢速外设可以选低的传输速率 反之 可选较高的速率传输 3 RS232C总线传送距离远由于RS232C采用串行传送方式 并且将微机的TTL电平转换为RS232C电平 其传送距离在基带传送时可达30m 若是利用光电隔离20mA电流环进行传送 其传送距离可达到1000m 如果在该总线接口上再加上调制解调器MODEM 利用有线 无线或光纤进行传送 其距离会更远 4 RS232C总线采用负逻辑无间隔不归零电平码传送数据规定逻辑 1 为低于 5 的信号 逻辑 0 为大于 5 的信号 一般多采用 12 或 15 这就大大提高了抗干扰能力 2 RS232C总线定义RS232C的信号定义见表6 1 注 9 11 18 25脚未定义 AA信号线与设备的机壳相连接 构成屏蔽地 AB信号线为所有电路提供参考电位 BA信号线传送要发送的数据 数据由数据终端设备产生 送到本端发送信号变换器 由该信号线将数据发往另一数据终端设备 BB信号线上传送的是本端接收设备将接收的数据 该数据是由远置数据终端设备利用该信号线发到本端来的 CA信号在本端准备发送数据时通知对方 MODEM或远置接收设备 请求向对方发送数据 CB信号为CA的应答信号 当对方做好接收数据的准备工作后 利用该信号对本端做出响应 CC信号是由对方提供的状态信号 它表示对方已经准备就绪 本端可以与它进行通信 CD信号是由本端输出到对方的信号 用来通知对方本端已准备就绪 可以进行通信 CE信号线上传送由对方设备发来的振铃信号 CF信号线输入由调制解调器送来的状态信号 表示它已收到了合乎通信标准的通信信号 其载波能正确检出 C 为数据质量检测信号 用来批示接收到的数据质量不好 误码率很高 CH信号在双速率同步数据设备中用来选择两种码速率中的一种 CI信号或者与CH相同 或者是在非双速率同步数据设备中选择码速率的两个范围中的一种 DA为发送信号变换器提供的码元定时信号 DB为数据终端设备提供的码元定时信号 DD信号为接收到的数据码元提供的码元定时信号 副通道信号专为第二通道使用 其功能与主通道相应信号一样 电流环信号是后来新定义的 可以在此总线接口上直接产生 当然 在前面提到的BA BB上实现20mA电流环也是很方便的 3 PC与其他设备的连接利用PC的RS232C串行接口总线可以实现PC与其他具有RS232C接口的设备或计算机的连接 一种最简单的连接如图6 4 a 所示 在这种连接中 PC与其他计算机或外设只利用3条线连接 利用查询或中断均可以实现它们之间的通信 图6 4中的 b c d 是PC与其他计算机 外设或Modem的连接 实际上还有其他一些连接方式 这里不再仔细说明 a 最简单的接口连接 b 稍复杂的接口连接 c 复杂的设备接口 d 与Modem的连接 图6 4PCRS232C与其他设备的接口 4 RS422及RS423RS422和RS423的信号定义与RS232C是一样的 都是一种串行通信总线 它们的主要不同点就是在信号传输方式上有所不同 从而提高了信号的传输速率和传送距离 RS423采用如图6 5所示的单端输出驱动及差分输入接收电路 利用差分输入的抗共模干扰能力 使数据传输的速率及距离得到了提高 当采用普通双绞线作为传输线时 RS423A可以在130m 或1200m 的距离上使用100 或1200 KB s的传输速率进行可靠的信息传输 图6 5RS423接口驱动及接收电路图 RS422是对RS423的一种改进 它采用了平衡输出发送器与差分输入接收器 比RS423更可靠 并且由于收 发端可以不共地 减少了收 发端地间干扰 因此 RS422可使传输速率更高 传送距离更远 其驱动及接收电路如图6 6所示 RS422在采用双绞线时 在1200m 或200m 的传送距离上 其速率可达38400波特 或200000波特以上 此时传输速率降低 传送距离加大 在采用前面提到的RS232C规定的20000波特以下速率时 RS422的传送距离可达1500m 图6 6RS422接口驱动及接收电路图 6 3 2SCSI总线SCSI被称为小型计算机系统接口总线 它用于计算机与磁带机 软磁盘 硬磁盘 光驱 打印机等设备的连接 尤其广泛应用于计算机与磁盘的连接 是目前市场占有率极高的硬盘驱动器接口标准 1 SCSI是一种低成本的外总线 其传送速率在异步传送时为1 5Mb s 在同步传送时高达5Mb s 2 在采用差动驱动器和差动接收器的情况下 工作距离可达25m 当使用单端驱动器和单端接收器进行传送时 允许电缆长度为6m 3 总线上最多可以挂接8台总线设备 在任何时刻只允许两个总线设备进行通信 4 SCSI可用于计算机与打印机 软硬磁盘 磁带机 海量光盘的连接 也可以实现计算机与计算机之间的通信 6 3 3USB总线USB是由COMPAQ Hewlett Packard Intel Lucent Microsoft NEC Philips这7家公司联合开发的通用串行总线 其总线规范几经修订 已形成了2 0版本 产生USB的原始动力是PC与电话连接的需求 是易于使用及端口膨胀的需求 而对USB的现行推动力是PC性能的不断提高 大数据量传输的要求以及外设性能与功能的增长 USB通过在原有12Mb s 1 5Mb s基础上增加第3种传输率480Mb s来满足上述需求 USB虽然历史不长 但其接口已经逐渐成为低速接口设备的主流 并且正在向高速接口设备进军 目前 Pentium微处理器中提供了Intel生产的通用串行总线控制器 1 Intel82371SBPCItoUSBUniversalHostController 2 USBRootHub 在Windows98中 Microsoft为它们提供了驱动程序 1 USB的特点USB是一种快速的 双向的 同步的 低成本的 可动态加入的串行总线 它有许多优良的性能 1 USB十分易于终端用户使用 它连接模式单一 不需要用户了解详细的电气特征 能够自我识别外设 能自动在驱动器与配置间进行功能映射 可动态地加入与重新配置外设 2 USB的适用范围很宽 它适用于带宽从几Kb s到几百Mb s范围的设备 支持同一束电缆上的同步以及异步传输 支持多设备的并行操作 支持最多127个物理设备 支持主机与设备间的多数据和信息流的传输 允许接入复合设备 因为协议的额外开销较低 所以总线利用率很高 3 USB对电话 音频 视频等设备提供了足够的带宽和极低的等待时间 它完全支持实时数据操作 4 USB是灵活的 它允许传送不同大小的包 并通过适配包的大小与等待时间来允许设备数据率有一定范围的变化 它在协议中建立了用于缓冲处理的流控制 5 USB是健壮的 它在协议中建立了错误处理 故障恢复机制 可在被用户察觉的实时时间内识别动态加入和推出的设备 并支持故障设备的识别 6 USB与PC工业有协同作用 USB协议对于设计与集成来说是简单的 它与PC的即插即用结构相一致 对现有的操作系统接口有影响力 7 USB提供了低成本的实现方案 它提供在1 5Mb s速率下的低成本子通道 它的目标是提供支持480Mb s速率的低成本解决方案 它对外设与主机硬件中的集成进行了优化 适应低成本外设的开发 提供低成本电缆和连接器 使用商品技术 8 USB结构可以升级为在一个系统中支持多个USB主机控制器 2 USB信号定义在USB2 0规范中 USB定义了4个信号 VUSB 电源 GND 地 D 信号正端 D 信号负端 它在一条4线电缆上传送信号和电源 如图6 7所示 其中一对标准规格的双脚信号线可以传送差动信号和电源 另一对电源则可以携带提供给设备的电源 VUSB在源端正常为 5V USB每段电缆的长度是可变的 其长度可以达到几米 图6 7USB电缆图 在USB电缆上 允许以3种速率传输数据 1 USB高速 High speed 信号传输 位速率为480Mb s 2 USB全速 Full speed 信号传输 位速率为12Mb s 3 有限能力的低速 Low speed 信号传输模式 位速率为1 5Mb s 时钟与差分数据一起被发送 编码 3 USB的拓扑结构USB利用USB主机连接USB设备 USB采用分层星型拓扑结构 一个Hub就是一个星形的中心 每一条线段是一个在主机与Hub或功能部件之间的点到点的连接 或者是一个在Hub与Hub或功能部件之间的点到点的连接 USB的拓扑结构如图6 8所示 由于定时对Hub和电缆传输时间的限制 拓扑结构中允许的最大层数为7 包括根层 在主机与任何设备之间的通信通道中 支持最多5个非根 non root Hub 一个符合设备 图6 8 占据两层 因此它不能在第7层加入 只有功能部件允许出现在第7层 1 USB主机在任何USB系统中 仅有一个主机 计算机系统的USB接口成为主控制器 HostController 主控制器是硬件 固化件 软件结合设计而成 根 root Hub被集成在主系统中 它可以提供一个或多个加入点 图6 8USB总线拓扑结构图 USB主机通过主控制器与USB设备相互作用 它负责完成以下几种功能 1 检测USB设备的加入和退出 2 管理主机和USB设备间的控制流 3 管理主机和USB设备间的数据流 4 收集状态和活动统计数字 5 为加入的USB设备提供电源 2 USB设备USB设备可以是下列之一 1 Hub 提供对USB的附加加入点 在USB的即插即用结构中 Hub是一个关键部件 2 功能部件 能够在总线上发送或接收数据或控制信息 为系统提供一些能力 例如ISDN连接 数字游戏杆或扬声器 4 USB协议USB是一种轮询总线 主控制器初始化所有的数据传输 大多数总线事务包含3个包的传输 每一个事务以主控制器发送一个描述事务的类型和方向 USB设备地址和目的端编号的包开始 这个包被称作令牌包 tokenpacket 被寻址的USB设备通过译码相应的地址域来选择自己 在一个确定的事务中 数据要么从主机传到设备 要么从设备传到主机 数据的传输方向在令牌包中规定 在令牌包之后 事务源发送一个数据包 或给出没有数据需要传输的指示 一般目的端用一个指示传输是否成功的握手包 handshakepacket 做出回应 某些在主控制器与Hub之间的总线事务包含4个包的传输 这类事务用来管理主机与全速 低速设备之间的数据传输 在主机和设备末端上 一个源和目的之间的USB数据传输模型被称为一个管道 pipe USB管道是设备末端与主机软件之间的一个联系 管道表现了数据移动的能力 有两种类型的管道 流和消息 流数据为非USB定义结构 消息数据为USB定义结构 管道与数据带宽 传输服务类型 末端参数如方向和缓冲器大小有关 大多数管道在USB设备配置后才存在 而消息管道作为默认控制管道则在设备一加电就存在 这是为了提供对设备的配置 状态和控制信息的访问 对于某些流管道 事务调度允许流控制 流控制机制允许灵活的调度结构 而这种调度提供了多种混合流管道的并行服务 因此 可以以不同的时间间隔 用不同大小的包对多流管道进行服务 USB2 0规范共有11章和3个附录 对USB的结构 数据流模型 机械 电器 协议 设备 主机 Hub等做了详细规定 具体细节可参考该规范 6 3 4串行总线IEEE 1394IEEE 1394 FireWire 火线 是用于传送动画数据的高速总线接口标准 具有100Mb s 200Mb s和400Mb s这3种传输速率 最高可达1Gb s以上的传输速率 IEEE 1394最多可把63个外设以菊花链的形式连接到同一系统中 1 IEEE 1394性能特点随着CPU速度达到上百兆赫兹 存储器容量达到吉位级 以及PC 工作站 服务器对快速I O的强烈需求 工业界期望能有一种更高速 连接更方便的I O接口 1993年 Apple公司公布了一种高速串行接口 希望能取代并行的SCSI接口 IEEE接管了这项工作 在此基础上制定了IEEE 1394标准 IEEE 1394串行接口与SCSI等并行接口相比 有如下3个显著特点 1 数据传输的高速性 IEEE 1394的数据传输率分为100Mb s 200Mb s 400Mb s这3档 而SCSI 2只有40Mb s一档 这样的高速特性特别适合于新型高速硬盘及多媒体数据传送 IEEE 1394之所以达到高速 一是串行传送比并行传送容易提高数据传送时钟速率 二是采用了DS Link编码技术 把时钟信号的变化转化为选通信号的变化 即使在高时钟速率下也不易引起信号失真 2 数据传送的实时性 实时性可保证图像和声音不会出现时断时续的现象 因此对多媒体数据传送特别重要 IEEE 1394之所以做到实时性 原因有二 一是它除了异步传送外 还提供了一种等步传送方式 数据以一系列固定长度的包规整间隔地连续发送 端到端既有最大延时限制 又有最小延时限制 二是总线仲裁除优先权仲裁之外 还有均等仲裁和紧急仲裁方式 3 体积小易安装 连接方便 IEEE 1394使用6芯电缆 直径约 为6mm 插座小 而SCSI使用50芯或68芯电缆 插座体积也大 在当前个人计算机要连接的设备越来越多 主机箱的体积越显窄小的情况下 电缆细 插座小的IEEE 1394是很有吸引力的 尤其是对笔记本计算机一类的机器 IEEE 1394的电缆不需要与电缆阻抗匹配的终端 而且电缆上的设备随时可以从插座拔出或插入 即具有热插拔能力 这对用户安装和使用IEEE 1394设备很有利 2 IEEE 1394配置结构I