系统与技术系列讲座论文 总线.docx

系统与技术系列讲座论文姓名： 学号：*17班级：11自动化班总线一，总线概述：总线是将信息以一个或多个源部件传送到一个或多个目的部件的一组传输线。它是由导线组成的传输线束，通俗的说，就是多个部件间的公共连线，用于在各个部件之间传输信息。总线是一种内部结构，它是CPU、内存、输入、输出设备传递信息的公用通道，主机的各个部件通过总线相连接，外部设备通过相应的接口电路再与总线相连接，从而形成了计算机硬件系统。在计算机系统中，各个部件之间传送信息的公共通路叫总线，微型计算机是以总线结构来连接各个功能部件的。二，工作原理：当总线空闲（其他器件都以高阻态形式连接在总线上）且一个器件要与目的器件通信时，发起通信的器件驱动总线，发出地址和数据。其他以高阻态形式连接在总线上的器件如果收到（或能够收到）与自己相符的地址信息后，即接收总线上的数据。发送器件完成通信，将总线让出（输出变为高阻态）三， 总线分类： 总线按功能和规范可分为三大类型:1. 片总线(Chip Bus, C-Bus)片总线(Chip Bus, C-Bus)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模块(如CPU模块)的信息传输通路。2. 内总线(Internal Bus, I-Bus)内总线(Internal Bus, I-Bus)又称系统总线或板级总线，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。3. 外总线(External Bus, E-Bus)外总线(External Bus, E-Bus)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。系统总线，即通常意义上所说的总线，一般又含有三种不同功能的总线，即数据总线DB（Data Bus）、地址总线AB（Address Bus）和控制总线CB（Control Bus）。1. 数据总线DB“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，即他既可以把CPU的数据传送到存储器或IO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Intel8086微处理器字长16位，其数据总线宽度也是16位。需要指出的是，数据的含义是广义的，它可以是真正的数据，也可以是指令代码或状态信息，有时甚至是一个控制信息，因此，在实际工作中，数据总线上传送的并不一定仅仅是真正意义上的数据。2. 地址总线AB“地址总线AB”是专门用来传送地址的，由于地址只能从CPU传向外部存储器或IO端口，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8位微机的地址总线为16位，则其最大可寻址空间为21664KB，16位微型机（x位处理器指一个时钟周期内微处理器能处理的位数（1、0）多少，即字长大小）的地址总线为20位，其可寻址空间为2201MB。一般来说，若地址总线为n位，则可寻址空间为2n字节。3. 控制总线CB“控制总线CB”用来传送控制信号和时序信号。控制信号中，有的是微处理器送往存储器和IO接口电路的，如读写信号，片选信号、中断响应信号等；也有是其它部件反馈给CPU的，比如：中断申请信号、复位信号、总线请求信号、设备就绪信号等。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。 按传输数据的方式划分总线按传输数据的方式划分可以分为串行总线和并行总线。串行总线中，二进制数据逐位通过一根数据线发送到目的器件；并行总线的数据线通常超过2根常见的串行总线有SPI、I2C、USB及RS232等。常见并行总线有VME总线和PCI总线等。串行总线传输速度比并行快，并行总线的时钟一般为33MHz或66MHz 按时钟信号是否独立划分总线按时钟信号是否独立划分可以分为同步总线和异步总线。同步总线的时钟信号独立于数据，而异步总线的时钟信号是从数据中提取出来的。I2C总线、SPI总线、PCI总线、CPCI总线是同步串行总线，SCI总线、IEEE 488和ANSI X3.131-1986 SCSI总线、VME总线、RS232采用异步串行总线。四，总线的特性1. 物理特性：物理特性又称为机械特性，指总线上部件在物理连接时表现出的一些特性，如插头的几何尺寸、形状。引脚个数及排列顺序等2. 连线类型：电缆式、主板式、底板式3. 连线数量：串行总线、并行总线4. 电气特性：总线的每一条信号线的信号传递方向、信号的有效电平范围5. 信号方向：数据位双向、地址为单（同）向、控制位单（异）向6. 电平表示方式：单端方式、差分方式7. 功能特性：总线中每根传输线的功能8. 时间特性：总线中任一根传输线在什么时间内有效，以及每根线产生的信号之间的时序关系五，总线的性能指标1. 总线宽度：数据线的宽度(8位/16位/32位)【注：总线带宽 = 频率 * 宽度（Bytes/sec）】2. 信号线类型：专用信号线/复用信号线3. 仲裁方法：集中式裁决/分布式裁决4. 定时方式：同步通信/异步通信5. 事务类型:总线所支持的各种数据传输类型和其他总线操作类型6. 总线带宽（标准传输率/最大数据传输率）：每秒钟在总线上能传输的最大字节数（例：总线工作频率为33MHz），总线宽度为32位，则总线带宽为132MB/s7. 信号线条数：数据线、地址线。控制线的总和六，总线的优缺点采用总线结构的主要优点：1、简化了硬件的设计。便于采用模块化结构设计方法，面向总线的微型计算机设计只要按照这些规定制作cpu插件、存储器插件以及I/O插件等，将它们连入总线就可工作，而不必考虑总线的详细操作。2、简化了系统结构。整个系统结构清晰。连线少，底板连线可以印制化。3、系统扩充性好。一是规模扩充，规模扩充仅仅需要多插一些同类型的插件。二是功能扩充，功能扩充仅仅需要按照总线标准设计新插件，插件插入机器的位置往往没有严格的限制。4、系统更新性能好。因为cpu、存储器、I/O借口等都是按总线规约挂到总线上的，因而只要总线设计恰当，可以随时随着处理器的芯片以及其他有关芯片的进展设计新的插件，新的插件插到底板上对系统进行更新，其他插件和底板连线一般不需要改。5、便于故障诊断和维修。用主板测试卡可以很方便找到出现故障的部位，以及总线类型。采用总线结构的缺点:1、利用总线传送具有分时性。当有多个主设备同时申请总线的使用是必须进行总线的仲裁。2、总线的带宽有限，如果连接到总线上的个硬件设备没有资源调控机制容易造成信息的延时（这在某些即时性强的地方是致命的）。3、连到总线上的设备必须有信息的筛选机制，要判断该信息是否是传给自己的。七，目前流行的总线技术1. I2C总线I2C（Inter-IC）总线10多年前由Philips公司推出，是近年来在微电子通信控制领域广泛采用的一种新型总线标准。它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简化，器件封装形式小，通信速率较高等优点。在主从通信中，可以有多个I2C总线器件同时接到I2C总线上，通过地址来识别通信对象。2. SPI总线串行外围设备接口SPI（serial peripheral interface）总线技术是Motorola公司推出的一种同步串行接口。Motorola公司生产的绝大多数MCU（微控制器）都配有SPI硬件接口，如68系列MCU。SPI总线是一种三线同步总线，因其硬件功能很强，所以，与SPI有关的软件就相当简单，使CPU有更多的时间处理其他事务。3. SCI总线串行通信接口SCI（serial communication interface）也是由Motorola公司推出的。它是一种通用异步通信接口UART，与MCS-51的异步通信功能基本相同八，几种较新的分立仪器总线技术。1. USBUniversal Serial Bus (USB) 因为其在PC机上的广泛使用、即插即用的易用性和USB 2.0高达480Mbits/s的传输速率，也逐渐的成为仪器控制的主流总线技术。现在计算机上的USB口越来越多，也使得工程师可以很方便的将基于 USB的测量仪器连接到整个系统中。但是USB在仪器控制方面亦有一些缺点。比如说USB的排线没有工业标准的规格，在恶劣的环境下，可能造成数据的丢失;此外，USB对排线的距离也有一定的限制。2. LAN和LXILAN作为一种成熟的技术，在数年前就已经被广泛的应用于各种测试系统，如远程的网络分析仪和数据记录仪等，并特别适用 于分布式的系统和远程监控，填补了传统仪器原来在这方面的空白。作为VXIbus规范的一部分，当时的VXI-11规范就定义了网络仪器通过TCP/IP 进行控制器和设备之间通讯的一系列标准。LXI(LAN eXtensions for Instrumentation)总线规范源于美国军方应用的需求，它重新定义了一系列基于LAN的仪器类，其中包含基于现成的IEEE 1588技术的定时指标和可选的LXI触发总线。但归根结底，LXI的仪器还是一种基于LAN的分立式仪器，只是将多种现有的技术(如LAN，IEEE 1588等)重新整合成一种新的标准，并没有太多技术上的革新。此外，LXI目前主要还是针对美国军方的一些高端测量应用，还没有在工业界得到普及，市场 上真正可供选择的LXI仪器也很有限。无论是LAN还是LXI，因为都是基于以太网的通讯方式，以太网本身的一些缺陷还是会存在，如需要人工配置IP地址，如何解决IP地址的冲突问题等;此外，数据传递的实时性、数据的完整性和安全性等都是需要进一步探讨的问题。3. IEEE 1588IEEE 1588是被LXI所采用的新型时间同步协议，它提供了标准的方法用于在网络上实现亚微秒级的设备同步。协议将从设备的时钟和主设备的时钟进行同步，保证了所有设备中的任何事件和时间标记都使用同一个时间基准。使用IEEE 1588进行设备同步需要分两步：(1)根据最佳主时钟算法确定哪个设备将提供主时钟;(2)测量和修正由于时钟的偏移量(offset)和网络延迟 (network delay)造成的时间误差。在现实的应用中，IEEE 1588时钟同步的精度还取决于许多的因素。如主从时钟的时钟频率、时钟的稳定性、网络的拓扑结构等。此外，网络通讯中许多的变数都会或多或少的影响到同步的精度。九，总线在计算机中的重要作用任何一个微处理器都要与一定数量的部件和外围设备连接，但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。微机中总线一般有内部总线、系统总线和外部总线。内部总线是微机内部各外围芯片与处理器之间的总线，用于芯片一级的互连；而系统总线是微机中各插件板与系统板之间的总线，用于插件板一级的互连；外部总线则是微机和外