第五章-计算机总线技术

第五章计算机总线技术,1总线的基本概念,2常用内部总线,4现场总线,3常用外部总线,主要内容,STD、ISA、PCI、AGP,IEEE488、RS232、USB,PROFIBUS、FF、HART,总线分类、性能指标、标准、控制,1总线的基本概念,总线的分类总线的主要性能指标总线的标准与规范总线控制与总线传输,总线就是一组信号线的集合，它定义了各引线的信号、电气和机械特性，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，进行数据传递和通信。,(1)总线的定义,规定了各引线的信号、时序、电气和机械特性为计算机系统内部各部件、各模块之间或计算机各系统之间提供了标准的公共信息通路采用总线标准设计、生产的计算机模板和设备具有很强的兼容性,(2)总线的特点,(3)总线的分类,按总线内部信息传输性质数据总线(DataBus):用于传送数据信息地址总线(AddressBus):用于传送地址信息控制总线(ControlBus):用于传递控制信息电源总线(PowerBus):用于向系统提供电源,按总线在系统结构中的层次位置片内总线(On-ChipBUS)：集成电路内部，用来连接各功能单元的信息通路，如CPU芯片内部连接ALU、寄存器、控制器等部件的信息通路内部总线（InternalBus)：用于计算机内部模块（板）之间通信，如主板上连接CPU、存储器、I/O接口等各种芯片的信息通路，包括STD、ISA、MCA、PCI、PCI-Express等外部总线（ExternalBus)：用于计算机之间或计算机与外部设备之间通信，包括IEEE488、RS232、RS485、USB等,计算机总线层次结构图,片内总线,计算机内部,XT总线,以8088/8086为CPU的IBM/XT机,ISA总线,以80286为CPU的IBM/AT机,MCA总线,以80386为CPU的计算机,以80486为CPU的计算机,奔腾系列计算机,按总线数据传输方式并行总线(ParallelBUS)：每个信号都有自己的信号线，传输速度快、接口简单，使用电缆线数多串行总线（SerialBus)：多个信号复用少量信号线，电缆线数少，便于远距离传播，信号传输慢，接口复杂,(4)总线的性能指标,总线频率：总线工作时钟频率，单位为MHz，是影响总线传输速率的重要因素之一总线宽度：总线可同时传输的数据位数，单位为bit，总线宽度越大，在同一时刻就能够传输更多数据总线带宽：即总线传输率，表示在总线上每秒传输字节多少，单位是MB/S，总线带宽(MB/s)=1/8总线宽度总线频率,同步方式：分为同步方式和异步方式同步方式下，总线上主模块与从模块进行一次数据传输的时间是固定的，严格按照系统时钟来进行模块间的传输操作异步方式通过握手实现,总线控制方式：传输方式、仲裁方式、中断分配、设备自动配置等总线复用：通常数据总线和地址总线是物理上分开的，为提高利用率，可以将总线分时复用,几种微型计算机总线性能参数,(5)总线的标准与规范,所谓总线标准就是对总线的插座尺寸、引线数目、信号和时序所作的统一规定。,总线标准,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功能特性：每个引脚名称、功能、时序及协议时间特性：总线中任一根线在什么时间内有效,总线的模板化结构按功能划分计算机的各个部件，并按总线标准设计成由总线连接的模板结构：CPU主板、存储板、A/D、D/A、DI、DO等增加计算机系统的通用性、灵活性、开放性、扩展性和可靠性为系统的维修提供了方便,(6)总线控制与总线传输,总线控制设备按有无控制功能可分为主设备和从设备。主设备对设备有控制权，从设备只能接收数据。只有获得总线使用权的主设备才能传送数据，总线可能同时有多个设备申请占用总线。为保证某一时刻只有一个设备获得总线使用权，需设置设备优先级,总线传输总线上的数据在主模块的控制下进行传送总线在完成一次传输周期时，一般可分为四个阶段,2寻址阶段,主模块和从模块进行数据交换，数据由源模块发出经数据总线流入目的模块,主模块的有关信息均从系统总线上撤除，让出总线使用权,1申请分配阶段,需要使用总线的主模块提出申请，经总线仲裁机构决定在下一传输周期是否能获得总线使用权,取得使用权的主模块通过总线发出打算访问的从模块存储地址或设备地址及有关命令，启动参与传输的从模块,3数据传输阶段,4结束阶段,ISA总线MCA：微通道体系结构EISA总线PCI局部总线,2内部总线PC系列总线,1975年，美国的MITS公司的EdRoberts以8080微处理器设计安装了全球第一台PC-Altair单板机系统。在其结构中，制成了全球第一条PC扩展总线，当把Altair总线推向世界并被制造商接受后，便有了一个名字：S100，后来基于S100型总线得到了IEEE认可，被命名为IEEE696总线标准。,最早的PC总线,从1982年以后，逐步确立的IBM公司工业标准体系结构，简称ISA（IndustryStandardArchitecture）总线，也称为PCAT总线是8位、16位数据传输总线的工业标准,ISA总线有98只引脚。最高传输速率8Mbps，寻址空间为16MB将CPU看作唯一的主模块，其余外设均为从模块。掌握总线的DMA和协处理器,ISA总线,一块基于ISA总线的声卡,强大的CPU处理能力与低性能系统总线形成瓶颈，1987年，IBM在推出386时提出：数据、地址总线宽度32位，支持4GB的寻址能力，数据传输速率33Mbps配有总线仲裁机构，可支持16个总线主控制器在电气及物理上与ISA不兼容，不支持ISA外设IBM没有公布标准,MCA总线(MicroChannelArchitecture),EISA总线(ExtensionIndustryStandardArchitecture),1988年由Compaq等9家公司联合推出的总线标准。它是在ISA总线的基础上使用双层插座，在原来ISA总线的98条信号线上又增加了98条信号线，也就是在两条ISA信号线之间添加一条EISA信号线。在实用中，EISA总线完全兼容ISA总线信号。,32位数据总线，支持32位地址通路数据传输速率为33Mbit/s总线主控技术，扩展卡上具有总线主控处理器与ISA兼容，支持多个主模块可自动根据需要进行32、16、8位数据间的转换支持多总线主控模块可根据配置文件自动配置系统和扩展板,EISA总线(ExtensionIndustryStandardArchitecture),EISA并没有重复ISA的辉煌，它的成本过高，且速度潜力有限；另外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总线共存了很长的时光，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。,微处理器快速发展使增强型总线标准EISA等落后，PCI(PeripheralComponentInterconnect，设备部件互连)总线是一种高性能局部总线，它是1992年由Intel公司带头制定的设备总线标准。,PCI局部总线,定义了32位数据总线，且可扩展为64位具有即插即用功能(PlugandPlay,PnP)PCI总线工作频率为33MHz，不受CPU工作频率限制最高传送数据133MB/s（64位可达266MB/s）兼容性强、成本低,PCI局部总线已形成工业标准。其高性能总线体系结构满足了不同系统需求，低成本的PCI总线构成的计算机系统达到了较高的性能/价格比水平。PCI总线被应用于多种平台和体系结构中。PCI总线特有的配置寄存器为用户使用提供了方便。系统嵌入自动配置软件，在加电时自动配置PCI扩展卡，为用户提供了简便的使用方法。,PCI总线的组件、扩展板接口与处理器无关，在多处理器系统结构中，数据能高效地在多个处理器间传输。与处理器无关的特性，使PCI总线具有很好的I/O性能，最大限度使用各类CPU/RAM的局部总线操作系统、各类高档图形设备和各类高速外部设备，如SCSI、HDTV、3D等。,PCI总线结构,随着微处理器性能的次次攀高，PC在耗费大量数据的图形和图像处理领域的应用也不断深入，英特尔于1996年7月正式推出AGP接口，它是一种显示卡专用的局部总线。,AGP总线(AccelerateGraphicalPort),AGP总线实质上是对PCI技术标准的扩充。AGP总线与PCI总线不同，其地址和数据线分离（PCI是49根信号，而AGP总线是65根），可实现“流水线”处理。AGP标准在使用32位总线时，有66和133MHz两种工作频率，最高数据传输率为266和533Mbps，而PCI总线理论上的最大传输率仅为133Mbps。AGP8X模式下，数据传输速度达到了2.1GB/s。,AGP4x总线显卡,支持AGP4x总线的主板,Intel在2004年的处理器和芯片组的计划中，没有提到任何关于AGP的字眼，新的芯片组将不支持AGP总线Intel是希望通过这种方式使显卡从AGP迅速转为PCIExpressVIA（威盛）和SIS（矽统）等芯片厂商也将逐步减少AGP接口,PCI总线只有133MB/S，带宽早已不堪负荷。在经历了长达10年修补补，PCI总线已无法满足电脑性能提升要求，必须由带宽更大、适应性更广、发展潜力更深的新一代总线取而代之。,PCI-Express总线,PCI-Express是最新的总线和接口标准，它原来的名称为“3GIO”（Third-GenerationInput/Output，第三代输入/输出总线），由英特尔提出，英特尔的意思是它代表着下一代I/O接口标准。交由PCI-SIG（PCI特殊兴趣组织）认证发布后才改名为“PCI-Express”。这个新标准将全面取代现行的PCI和AGP，最终实现总线标准的统一。它的主要优势就是数据传输速率高，目前最高可达到5GB/s以上，且还有相当大的发展潜力。,2002年7月23日，PCI-SIG正式公布PCIExpress1.0规范2003年1月，PCI-E1.0正式发布2007年1月，PCI-E2.0发布，数据传输率从2.5Gbps翻番至5Gbps，x16的传输提高到约16Gbps预计2010年，推出PCI-E3.0,技嘉965P-DS3,CPU种类：Core2Extreme/赛扬D/奔腾4/Core2Duo/PentiumD,总线频率：FSB1333MHz,显卡插槽：PCI-E16X,PCI插槽：3条PCI插槽,3条PCI-E1X,硬盘插槽：IDE1个，SATAII2个,Giga-Byte,3外部总线,外部总线又称通信总线，用于计算机之间、计算机与远程终端、计算机与外部设备及计算机与测量仪器仪表之间的通信。,IEEE-488总线RS-232-C总线RS-422和RS-485总线通用串行总线（USB）,IEEE-488是1965年由美国惠普公司开发的并行通讯总线，GPIB(General-PurposeInterfaceBus)通用接口总线。1965年惠普公司设计HP-IB（InterfaceBus）1975年HP-IB变成IEEE-488标准1987年IEEE488.2被采纳,IEEE488-1978变成IEEE488.1-19871990年SCPI规范被引入IEEE488仪器1992年修订IEEE488.21993年NI公司提出HS488,(1)IEEE-488总线,数据传输率2.4V逻辑0：2.4V逻辑：00.4V,逻辑0：-2-6V逻辑1：+2+6V,数据信号采用差分传输方式传输有4根信号线，收发各两根，支持全双工通讯方式最大传输距离为1200m，最大传输速率为10Mbps只有在100kbps速率下，才能达到最大传输距离,多发送器的电路标准，是RS-422A性能的扩展，是真正意义上总线标准。允许在二根导线(总线)上挂接64台RS485设备。负载设备可以是发送器、接收器或组合收发器。,RS485总线的接口电路,电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+2V+6V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-2V-6V表示。采用平衡驱动器和差分接收器组合，抗共模干能力增强数据最高传输速率为10Mbps最大传输距离为1200m，在总线上是允许连接多达128个收发器具有多站能力和多机通信功能,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。,RS485与RS422比较,计算机通常提供RS232接口，通常可用转换器件实现232-485转换。,串行总线协议转换器,计算机通常提供RS232接口，通常可用转换器件实现232-485、232-422转换。,(4)USB通用串行总线,由IBM、Compaq、Intel、Microsoft、Nec等公司联合制定USB1.0、USB1.1、USB2.0和USBOn-The-Go（OTG）总线标准USB1.1有低速模式和全速模式；USB2.0推出高速模式,USB协议标准,采用USB接口的设备支持热拔插，USB接口可以同时连接127台USB设备，速度方面，USB1.1总线规范定义了12Mb/s的带宽，而USB2.0可提供480Mb/s的传输速度。USB总线能够提供500mA电流，可驱动耗电量较少的设备,USB设备的主要特点,USB传输速率及其适用范围,USB总线系统中的设备可以分为三个类型USB主机：只能有一个USB集线器（HUB）：类似于网络集线器USB总线设备（USB功能外设）组成