第5章 总线技术

1、第五章第五章 总线技术总线技术教学目的和要求教学目的和要求v通过本章的学习，使学生掌握微机总线的通过本章的学习，使学生掌握微机总线的基本概念基本概念，掌握，掌握总线的分类总线的分类方法及主要的方法及主要的性能指标性能指标。v掌握几种主要的总线技术。熟悉掌握几种主要的总线技术。熟悉PCI总线总线、PC104总线总线以及以及USB总线总线的结构、原理和的结构、原理和开发方法，为今后开发及应用相应总线技开发方法，为今后开发及应用相应总线技术奠定良好的基础。术奠定良好的基础。重点与难点重点与难点 总线总线的基本概念的基本概念 PCI总线、总线、PC104总线、总线、USB等几种典型总线等几种典型总线

2、RS-232C及及RS485串行通信接口基础知识串行通信接口基础知识 PCI总线总线结构结构 PC104总线的结构总线的结构 USB的系统组成、传输类型、交换的包格式的系统组成、传输类型、交换的包格式 其他总线的组成与原理其他总线的组成与原理 本章主要内容本章主要内容5.3 常用外部总线常用外部总线5.2 常用内部总线常用内部总线5.1 总线的基本概念总线的基本概念 总线技术应用十分广泛，从芯片内部各功能部件的连接，到芯片间的互联，再到由芯片组成的板卡模块的连接，以及计算机与外部设备之间的连接，甚至现在工业控制中应用十分广泛的现场总线，都是通过不同的总线方式实现的。由于应用的场合不同，计算机总

3、线采用的技术也不尽相同。 本章主要讨论总线分类及主要技术，并介绍几种常用的总线。5.1 总线的基本概念总线的基本概念介绍总线的分类方法及不同种类总线的定义及原理。介绍总线的定义和主要背景及应用。建立起评价总线的主要指标，了解总线标准与规范，介绍总线的一般控制与传输方法。预备知识预备知识总线分类总线分类总线标准总线标准基本概念基本概念v 微型计算机自诞生以来一直采用总线结构。微型计算机自诞生以来一直采用总线结构。v 1970年年DEC公司公司PDP-11小型计算机首次采用总线技术。小型计算机首次采用总线技术。v 在微型计算机系统中常把在微型计算机系统中常把总线作为一个独立的部件总线作为一个独立的

4、部件看待。看待。v 微机系统中的微机系统中的I/O接口本质接口本质上是上是I/O设备与微机系统总设备与微机系统总线的接口。线的接口。基本概念基本概念v总线的定义总线的定义 总线就是一组线的集合，它定义了各引线的信号、电气总线就是一组线的集合，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。的各系统之间建立信号联系，进行数据传递和通信。v总线的特点总线的特点 规定了各引线的信号、时序、电气和机械特性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

5、算机各系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强的兼容性 5.1.1 总线的分类总线的分类v按照总线内部信息传输的性质按照总线内部信息传输的性质，总线可分为：总线可分为： 数据总线数据总线:DB 用于传送数据信息 地址总线地址总线:AB 是专门用来传送地址的 控制总线控制总线:CB 控制总线包括控制、时序和中断信号线 电源总线电源总线:PB 用于向系统提供电源 5.1.1 总线的分类总线的分类v按照总线在系统结构中的层次位置

6、，总线可分为按照总线在系统结构中的层次位置，总线可分为: : 片内总线片内总线 (On-Chip BUS)(On-Chip BUS) 在集成电路的内部，用来连接各功能单元的信息通路。 受芯片面积及对外引脚数的限制，片内总线大多采用单总线结构 内部总线内部总线（Internal Bus)Internal Bus) 也称作系统总线或板级总线； 用于计算机内部模块（板）之间通信； 内部总线是微机系统中最重要的总线，人们平常所说的微机总线就是指系统总线，如STD总线、PC总线、ISA总线、PCI总线等。 相对于一台完整的微型计算机来说，各种板/卡只是一个子系统，是一个局部，故又把片总线称为局部总线，如

7、PCI、AGP总线。 5.1.1 总线的分类总线的分类计算机总线结构示意图计算机总线结构示意图 外部总线外部总线（External Bus)External Bus)：又称通信总线：又称通信总线 用于计算机之间或计算机与设备之间通信； 外部总线本质上应该算作主机与外设的接口 如：IEEE-488、RS-232C、RS-485、USB、1394等。5.1.1 总线的分类总线的分类v根据总线的数据传输方式，总线可分为：根据总线的数据传输方式，总线可分为： 并行总线：每个信号都有自己的信号线并行总线：每个信号都有自己的信号线 优点是信号线各自独立，接口简单； 缺点是电缆数多； 如：IEEE-488总

8、线为并行总线 串行总线：所有信号复用一对信号线串行总线：所有信号复用一对信号线 优点是电缆线数少，便于远距离传送； 缺点是接口复杂； RS-232-C、RS-485、USB等总线为串行总线。5.1.2 总线主要性能指标总线主要性能指标 v 总线频率总线频率即总线工作时钟频率，单位为MHz，它是影响总线传输速率的重要因素之一。例：PCI总线的总线频率为33.3MHz，总线宽度为64位的情况下，总线数据传输率为266MB/s 。v 总线宽度总线宽度又称总线位宽，是总线可同时传输的数据位数，用bit（位）表示，如8位、16位、32位等。显然，总线的宽度越大，它在同一时刻就能够传输更多的数据。v 总线

9、带宽总线带宽又称总线传输率，表示在总线上每秒传输字节的多少，单位是MB/S。影响总线传输率的因素有总线宽度、总线频率等。一般的，总线带宽（MB/S）= 1/8总线宽度总线频率5.1.2 总线主要性能指标总线主要性能指标v 同步方式同步方式可分为同步方式和异步方式。在同步方式下，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，并严格按照系统时钟来统一定时主模块、从模块之间的传输操作，只要总线上的设备都是高速的，就可达到很高的总线带宽。在异步方式下，采用应答式传输技术，允许从模块自行调整响应时间，即传输周期是可以改变的，故总线带宽减少。 v 总线复用总线复用 采用多路复用技术，可以减少总线的数

10、目。v 信号线数信号线数表明总线拥有多少信号线，是数据总线、地址总线、控制总线和电源总线的总和。信号线数与总线性能不成正比，但一般与复杂度成正比。v 总线控制方式总线控制方式 包括并发工作、自动配置、仲裁方式、逻辑方式、计数方式等。几种微型计算机总线性能参数 名称名称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

11、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5.1.3 总线标准与规范总线标准与规范 v总线标准总线标准 定义定义 所谓总线标准就是对系统总线的插座尺寸、引线数目、信号和所谓总线标准就是对系统总线的插座尺寸、引线数目、信号和时序所作的统一规定。时序所作的统一规定。 特性特性 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

12、序，接头处的可靠接触等。 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。 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。 时间特性：时间特性：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。 5.1.3 总线标准与规范总线标准与规范 模板化结构模板化结构 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：总线连接的模板结构：CPUCP

13、U主板、主板、RAM/ROMRAM/ROM存储板、存储板、A/DA/D、D/AD/A、DIDI、DODO等等 模板化结构的优点模板化结构的优点 增加计算机系统的通用性、灵活性、开放性、扩展性和增加计算机系统的通用性、灵活性、开放性、扩展性和可靠性可靠性 为系统的维修提供了方便为系统的维修提供了方便5.1.4 总线控制与总线传输总线控制与总线传输 v总线的隔离与驱动总线的隔离与驱动 总线上可连接多个部件，具有扩展的灵活性，但总线上可连接多个部件，具有扩展的灵活性，但总线上能连接多少部件，是受总线的驱动能力限制的。总线上能连接多少部件，是受总线的驱动能力限制的。通常一个模块或一个部件限制在通常一个

14、模块或一个部件限制在12个负载以内。当个负载以内。当总线连接多个负载时，数据发送方必须提供足够的电总线连接多个负载时，数据发送方必须提供足够的电流以驱动多个部件，如果原有的驱动能力达不到驱动流以驱动多个部件，如果原有的驱动能力达不到驱动要求，这时候需要总线驱动器提高总线的驱动能力。要求，这时候需要总线驱动器提高总线的驱动能力。在总线上挂接的设备，同一时刻只能有一个部件发送在总线上挂接的设备，同一时刻只能有一个部件发送数据到总线上，不操作时需要将连接到总线上的功能数据到总线上，不操作时需要将连接到总线上的功能部件与之相隔离。在总线操作过程中，有些数据还需部件与之相隔离。在总线操作过程中，有些数据

15、还需要进行数据的缓冲处理，这需要总线能够提供锁存能要进行数据的缓冲处理，这需要总线能够提供锁存能力。力。5.1.4 总线控制与总线传输总线控制与总线传输 v总线的隔离与驱动总线的隔离与驱动 三态门是具有三种输出状态的电路，在计算机系统三态门是具有三种输出状态的电路，在计算机系统中常用作总线驱动器，根据三态门的输出特性及控制方中常用作总线驱动器，根据三态门的输出特性及控制方式，常用的三态门有六种，下图表示了式，常用的三态门有六种，下图表示了6种三态门的逻种三态门的逻辑符号。辑符号。 5.1.4 总线控制与总线传输总线控制与总线传输 v总线的隔离与驱动总线的隔离与驱动 可以利用三态门设计单向总线或

16、双向总线，以及可以利用三态门设计单向总线或双向总线，以及单向总线缓冲器或双向总线缓冲器。其典型实现是总单向总线缓冲器或双向总线缓冲器。其典型实现是总线缓冲器和总线控制器。线缓冲器和总线控制器。 总线缓冲器在总线传输中起到数据缓冲的作用，总线缓冲器在总线传输中起到数据缓冲的作用，它分输入缓冲器和输出缓冲器两种。前者的作用是将它分输入缓冲器和输出缓冲器两种。前者的作用是将外设送来的数据暂时存放，以便处理器将它取走；后外设送来的数据暂时存放，以便处理器将它取走；后者的作用是用来暂时存放处理器送往外设的数据。有者的作用是用来暂时存放处理器送往外设的数据。有了总线缓冲器，就可以使高速工作的了总线缓冲器，

17、就可以使高速工作的CPU与慢速工作与慢速工作的外设起协调和缓冲作用，实现数据传送的同步。由的外设起协调和缓冲作用，实现数据传送的同步。由于缓冲器接在数据总线上，故必须具有三态输出功能。于缓冲器接在数据总线上，故必须具有三态输出功能。 5.1.4 总线控制与总线传输总线控制与总线传输 v总线的隔离与驱动总线的隔离与驱动 总线缓冲器的典型芯片有总线缓冲器的典型芯片有74LS244和和74LS245。74LS244是是一种一种8位的三态总线缓冲器，可以用来进行总线的单向传输控制。位的三态总线缓冲器，可以用来进行总线的单向传输控制。74LS245是一种是一种8位的双向传输的三态缓冲器，可以用来进行总位

18、的双向传输的三态缓冲器，可以用来进行总线 的 双 向 传 输 控 制 ， 也 称 作 总 线 收 发 器 。线 的 双 向 传 输 控 制 ， 也 称 作 总 线 收 发 器 。5.1.4 总线控制与总线传输总线控制与总线传输 v总线控制总线控制 集中式集中式前者将控制逻辑集中在一处(如在CPU中) 。集中控制是单总线、双总线和三总线结构计算机主要采用的方式，常见的集中控制方式主要有链式查询方式、计数器定时查询方式和独立请求总线控制方式。 分布式分布式将总线控制逻辑分散在与总线连接的各个部件或设备上。5.1.4 总线控制与总线传输总线控制与总线传输v总线仲裁总线仲裁 在总线上有多个总线主模块同

19、时请求使用总线时，决在总线上有多个总线主模块同时请求使用总线时，决定由哪个模块获得总线控制权。定由哪个模块获得总线控制权。 实现总线仲裁的机构（或电路），称为实现总线仲裁的机构（或电路），称为总线仲裁器总线仲裁器。（如总线仲裁器（如总线仲裁器82898289） 总线仲裁方式总线仲裁方式：基本的总线仲裁方式有两种：基本的总线仲裁方式有两种： 串行的总线仲裁方式（链形优先级结构）串行的总线仲裁方式（链形优先级结构） 并行的总线仲裁方式（独立请求）并行的总线仲裁方式（独立请求）5.1.4 总线控制与总线传输总线控制与总线传输v串行的总线仲裁方式串行的总线仲裁方式总线允许总线请求总线忙模块I总线访问逻

20、辑模块II总线访问逻辑模块N总线访问逻辑控制器5.1.4 总线控制与总线传输总线控制与总线传输v主要特点：主要特点： 越靠近控制器的模块，优先级越高； 链形优先级存在传播延迟，这种延迟与模块数成正比，所以判优速度较慢，一般只接少量（几个）模块； 链形结构，一个故障，链失效； 结构较简单，造价较低。v串行的总线仲裁方式串行的总线仲裁方式5.1.4 总线控制与总线传输总线控制与总线传输v并行的总线仲裁方式并行的总线仲裁方式模块N总线访问逻 辑模块II总线访问逻 辑模块1总线访问逻 辑控制器（仲裁器）总线请求1总线允许1总线请求2总线允许2总线请求N总线允许N5.1.4 总线控制与总线传输总线控制与

21、总线传输v 工作原理：工作原理： 每个模块有一块独立的“总线请求”和“总线允许”信号线，每对信号线有其相应的优先级； 控制器中有一个优先级编码器和优先级译码器，用以选择优先级最高的请求，并产生出相应的“总线允许”信号； 当“总线忙”信号有效时，表示有的模块正在使用总线，因此请求使用总线的模块必须等待；直至“总线忙”信号变为无效时，所有需要使用总线的模块都可以发出“总线请求”信号，总线仲裁器仅向优先级最高的模块发出“总线允许”信号。v并行的总线仲裁方式并行的总线仲裁方式v 主要特点：主要特点： 判优速度快，且与模块数无关； 所需“请求线”和“允许线”较多，N个模块需要2N条。5.1.4 总线控制

22、与总线传输总线控制与总线传输v总线传输总线传输 总线上的数据在主模块的控制下进行传送。一般的，总线在完成一次传输周期时，可分为四个阶段四个阶段： v 申请分配阶段申请分配阶段由需要使用总线的主模块(或主设备)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；v 寻址阶段寻址阶段取得了使用权的主模块，通过总线发出本次打算访问的从模块(或从设备)的存储地址或设备地址及有关命令，启动参与本次传输的从模块；v 数据传输阶段数据传输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；v 结束阶段结束阶段主模块的有关信息均从系统总线上撤除，让出总线使用权。5.2 内部总线

23、内部总线常用常用内部总线内部总线MCA总线总线EISA总线总线STD总线总线ISA总线总线PCI总线总线PC104总线总线内部总线是计算机内部各功能模板之间进行通信的通道，是构成完整的内部总线是计算机内部各功能模板之间进行通信的通道，是构成完整的计算机系统的内部信息枢纽。计算机系统的内部信息枢纽。限于篇幅，本节只对部分总线作简要介绍。限于篇幅，本节只对部分总线作简要介绍。 5.2.1 STD总线总线v STD( STANDARD)总线是美国PRO-LOG公司1978年推出的一种工业标准微型计算机总线;v 该总线结构简单，全部56根引脚都有确切的定义;v STD总线定义了一个8位微处理器总线标准

24、，其中有8根数据线、16根地址线、控制线和电源线等，可以兼容各种通用的8位微处理器，如8080、8085、6800、Z80、NSC800等;v 通过采用周期窃取和总线复用技术，定义了16根数据线、24根地址线，使STD总线升级为8位/16位微处理器兼容总线，可以容纳16位微处理器，如8086、68000、80286等;v 1987年，STD总线被国际标准化会议定名为IEEE961;v 1989年美国的EAITECH公司又开发出对32位微处理器兼容的STD32总线。 5.2.2 PC系列总线系列总线vPC总线是IBM PC总线的简称，PC总线因IBM及其兼容机的广泛普及而成为全世界用户承认的一种

25、事实上的标准。vPC系列总线就是以8088/8086为CPU的IBM/XT及其兼容机的总线基础上发展起来，从最初的XT总线发展到PCI局部总线。5.2.2 PC系列总线系列总线vISA总线总线ISA总线从数据线的宽度上，分为总线从数据线的宽度上，分为8位和位和16位位ISA总线总线v 8位位ISA总线接口总线接口 8位位ISA总线也称为总线也称为PC总线总线或或XT总线总线 共有共有62引脚，其中，数据线引脚，其中，数据线8根、地址线根、地址线20根、控制线根、控制线21根、根、状态线状态线2根，还有时钟、电源、地线根，还有时钟、电源、地线v 16位位ISA总线接口总线接口 在在IBM PC/

26、AT（80286）机上首先使用，故又称为）机上首先使用，故又称为AT总线总线，在，在8位位PC总线上扩展而成总线上扩展而成 16位位ISA总线在扩展总线在扩展PC总线时，保留了原总线时，保留了原62芯芯PC总线信号的总线信号的大部分定义，仅做了少量更改大部分定义，仅做了少量更改5.2.2 PC系列总线系列总线v8位位ISA总线总线存储器地址存储器地址A19A0，最大存储器，最大存储器1M。I/O地址地址A15A0，最大，最大64K。在在PC及及XT机上实际使用机上实际使用A9A0，I/O范围为范围为000003FFH。2)数据线数据线D7D01)地址线地址线A19A5.2.2 PC系列总线系列

27、总线3) 控制线控制线 21条条AEN：Address Enable，地址允许信地址允许信号号 PC总线可由总线可由CPU或或DMA控制器控制，控制器控制，当当DMAC控制总线时，控制总线时，8237产生产生AEN信号，用于禁止信号，用于禁止CPU控制总线。控制总线。即：即：5.2.2 PC系列总线系列总线ALE：Address Latch Enable，地址锁存允许地址锁存允许 在在ALE的下降沿锁存来的下降沿锁存来自自CPU的地址信号的地址信号读读/写信号写信号 :5.2.2 PC系列总线系列总线IRQ7IRQ2：中断请求信号中断请求信号 总线上的设备通过总线上的设备通过IRQ7IRQ2向

28、主板上的中断控制器向主板上的中断控制器8259发发出中断请求，出中断请求，IRQ7IRQ2对应对应8259的引脚的引脚IR7IR2。8259的的8个请求输入端个请求输入端IR7IR0中中IRQ0被主板上的系统定时器被主板上的系统定时器占用、占用、IRQ1被键盘占用，因此，被键盘占用，因此，IRQ0和和IRQ1不在不在PC总线上出总线上出现现5.2.2 PC系列总线系列总线DRQ3DRQ1 ：DMA请求信号请求信号 DMA控制器控制器8237有四个有四个通道，允许四个设备请通道，允许四个设备请求进行求进行DMA传送，但传送，但通通道道0用于用于DRAM刷新，因刷新，因此，此，DRQ0不在不在PC

29、总线总线上出现上出现: DMA响应信号响应信号5.2.2 PC系列总线系列总线T/C：计数结束信号计数结束信号 一次一次DMA请求可传送多个字节，当任一请求可传送多个字节，当任一DMA通道传送结束时，通道传送结束时，T/C上出现高电上出现高电平。平。Reset Drv：系统总清信号系统总清信号 I/O通道奇偶校验信号。当通道奇偶校验信号。当I/O通道上的设备或存储器的奇偶校验有通道上的设备或存储器的奇偶校验有错时，该信号有效。错时，该信号有效。 I/O通道准备好信号。该信通道准备好信号。该信号为低电平时（未准备好），使号为低电平时（未准备好），使CPU或或DMA插入等待周期插入等待周期。5.2

30、.2 PC系列总线系列总线v16位位ISA总线总线5.2.2 PC系列总线系列总线地址地址24位，位，允许最大空允许最大空间间16M16位数据位数据5.2.2 PC系列总线系列总线16位位ISA总线在扩展总线在扩展PC总线时，保留了原总线时，保留了原62芯芯PC总线信总线信号的大部分定义，仅做了少量更改号的大部分定义，仅做了少量更改5.2.2 PC系列总线系列总线SBHE：总线高字节允许总线高字节允许IRQ15、IRQ14、IRQ12、IRQ11、IRQ10AT机上使用机上使用2片中断控制器片中断控制器8259（主片和从（主片和从片），可有片），可有15级中断请求级中断请求DMA请求请求/响应

31、线响应线5.2.2 PC系列总线系列总线存储器读存储器读/写信号写信号16位访问周期信号位访问周期信号指出当前传送的是16位总线周期总线主控总线主控当DMA控制器使用总线期间， 为低电平5.2.2 PC系列总线系列总线vMCA总线（总线（Micro Channel Architechure） IBM在推出在推出386时提出时提出 数据、地址总线宽度数据、地址总线宽度32位，支持位，支持4GB的寻址能力的寻址能力 数据传输速率数据传输速率33Mbps 在电气及物理上与在电气及物理上与ISA不兼容不兼容 IBM没有公布标准没有公布标准5.2.2 PC系列总线系列总线vEISA总线总线 1989年，

32、推出年，推出486时提出时提出 32位数据总线，支持位数据总线，支持32位地址通路位地址通路 总线主控技术，扩展卡上具有总线主控处理器总线主控技术，扩展卡上具有总线主控处理器 与与ISA兼容，支持多个主模块兼容，支持多个主模块 可以自动根据需要进行可以自动根据需要进行32、16、8位数据间的转换位数据间的转换 支持多总线主控模块支持多总线主控模块 扩展卡的安装十分容易，可根据配置文件自动配置系扩展卡的安装十分容易，可根据配置文件自动配置系统和扩展板统和扩展板5.2.2 PC系列总线系列总线vPC104总线 PC104PC104是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线，是一种专门为嵌入式控制而

33、定义的工业控制总线，实质上就是一种紧凑型的实质上就是一种紧凑型的IEEE-P996IEEE-P996（ISAISA）。）。 PC/104PC/104信号定义和信号定义和PC/ATPC/AT基本一致，但电气和机械规范基本一致，但电气和机械规范却完全不同，是一种优化的、小型、堆栈式结构的嵌却完全不同，是一种优化的、小型、堆栈式结构的嵌入式控制系统。入式控制系统。 PC104PC104具有小型化的尺寸（具有小型化的尺寸（90 x96mm90 x96mm），极低的功耗），极低的功耗（典型模块为（典型模块为1 12 2瓦）和堆栈的总线形式，受到了众瓦）和堆栈的总线形式，受到了众多从事嵌入式产品生产厂商的

34、欢迎。多从事嵌入式产品生产厂商的欢迎。 PC104PC104有两个版本，有两个版本，8 8 位和位和16 16 位，分别与位，分别与PC PC 和和PC/AT PC/AT 相对应。相对应。PC104PLUS PC104PLUS 则与则与PCIPCI总线相对应。总线相对应。5.2.2 PC系列总线系列总线PC104总线模块总线模块5.2.2 PC系列总线系列总线 小尺寸小尺寸 PC/104 PC/104的板卡标准尺寸为的板卡标准尺寸为90mmX96mm90mmX96mm（比一本新华字典还要小很多，（比一本新华字典还要小很多，而传统桌面而传统桌面PCPC系统的板卡尺寸为系统的板卡尺寸为315mmX

35、122mm315mmX122mm），这样小的尺寸），这样小的尺寸使得使得PC/104PC/104、PC/104+PC/104+和和PCI-104PCI-104模块板成为了嵌入式系统应用的模块板成为了嵌入式系统应用的理想产品。理想产品。 开放的高可靠性的工业规范开放的高可靠性的工业规范 PC/104 PC/104、PC/104+PC/104+和和PCI-104PCI-104产品在电气特性和机械特性上可靠性产品在电气特性和机械特性上可靠性极高，功耗低，产生热量少。板卡与板卡之间通过自堆栈进行可极高，功耗低，产生热量少。板卡与板卡之间通过自堆栈进行可靠的连接，抗震能力强。全世界有超过靠的连接，抗震能

36、力强。全世界有超过200200家公司使用这些开放的家公司使用这些开放的规范来生产和销售各种规范来生产和销售各种PC/104PC/104模块板模块板 。vPC/104总线特点总线特点5.2.2 PC系列总线系列总线 模块可自由扩展模块可自由扩展 PC/104模块具有灵活的可扩展性。它允许工程师互换及匹配各种模块具有灵活的可扩展性。它允许工程师互换及匹配各种功能卡，可随系统的需求而升级功能卡，可随系统的需求而升级CPU的性能。增加系统的功能和的性能。增加系统的功能和性能只需通过改变相应的模块即可实现。性能只需通过改变相应的模块即可实现。 低功耗低功耗 4mA的总线驱动电流，即可使模块正常工作，低功

37、耗有利于减少的总线驱动电流，即可使模块正常工作，低功耗有利于减少元件数量。各种插卡广泛采用元件数量。各种插卡广泛采用VLSI芯片、低功耗的芯片、低功耗的ASIC芯片、门芯片、门阵列等，其存储采用大容量固态盘（阵列等，其存储采用大容量固态盘（SSD）。）。 堆栈式连接堆栈式连接 这种结构取消了主板和插槽，可以将所有的这种结构取消了主板和插槽，可以将所有的PC/104模块板利用板模块板利用板上的叠装总线插座连接起来。有效减小整个系统所占的空间。上的叠装总线插座连接起来。有效减小整个系统所占的空间。vPC/104总线特点总线特点5.2.2 PC系列总线系列总线 丰富的软件资源丰富的软件资源 与与PC

38、系统兼容的操作系统、开发工具、应用软件都可以运行在系统兼容的操作系统、开发工具、应用软件都可以运行在PC/104系系统中。这使得用户可以随时利用无处不在的统中。这使得用户可以随时利用无处不在的PC系统丰富的软件资源，从系统丰富的软件资源，从而降低软件购买、学习、培训等方面的成本。此外，在许多而降低软件购买、学习、培训等方面的成本。此外，在许多PC/104系统系统的设计中，大量的实时操作系统已经被成功地应用。的设计中，大量的实时操作系统已经被成功地应用。 大大简化系统设计的复杂性大大简化系统设计的复杂性 通过使用通过使用PC/104、PC/104+和和PCI-104模块，用户可以将精力集中于末模

39、块，用户可以将精力集中于末端系统设计及功能设计上。不用为端系统设计及功能设计上。不用为CPU及其外围器件之间的复杂接口关及其外围器件之间的复杂接口关系花费时间。系花费时间。PC/104模块的模块的“（plug-together-write-application-software）”设计方法确保了设计者面向市场的最快响应速度。设计方法确保了设计者面向市场的最快响应速度。 vPC/104总线特点总线特点5.2.2 PC系列总线系列总线vPC104 与普通与普通PC 总线控制系统的主要不同是：总线控制系统的主要不同是： 小尺寸结构：小尺寸结构： 标准模块的机械尺寸是标准模块的机械尺寸是3.6X3.

40、8 英寸，即英寸，即96X90mm。 堆栈式连接：堆栈式连接： 总线以总线以“针针”和和“孔孔”形式形式层叠连接层叠连接，即，即PC104 总线模块之间总线模块之间总线的连接是通过上层的针和下层的孔相互咬合相连，这种层总线的连接是通过上层的针和下层的孔相互咬合相连，这种层叠封装有极好的抗震性。叠封装有极好的抗震性。 减少元件数量和电源消耗，总线驱动仅需减少元件数量和电源消耗，总线驱动仅需4mA，每个模块，每个模块1-2 瓦能耗。瓦能耗。5.2.2 PC系列总线系列总线vPC/104 模块的使用模块的使用 PC/104 模块的扩展和应用十分灵活,常用的方法有两种：1）独立的模块堆栈独立的模块堆栈

41、 如下图所示，PC/104 模块是自我堆栈式。这方式中，模块是被用作全兼容的总线底板,每个模板不需要背板或插槽，相互层叠而成。每个模块间留出 0.6 英寸的间距。5.2.2 PC系列总线系列总线2）PC104模块作为元件使用模块作为元件使用 如下图所示，模块作为一个元件，插入一个定制的母板上，母板上包含有应用接口和总线逻辑，它的自我堆栈方式，可在一个位置上安装几个模块。这种方式允许在系统调试或者测试时，临时更换模块，同时有利于将来的产品升级或者更换选件。5.2.2 PC系列总线系列总线vPC104 与与PC104PLUSv PC104 有两个版本，有两个版本，8 位和位和16 位，分别与位，分

42、别与PC 和和PC/AT 相对应。相对应。PC104PLUS 则与则与PCI 总线相对应。在总线相对应。在PC104 总线的两个版本中，总线的两个版本中，8 位位PC104 共有共有64 条总线管脚，单列双排插针和插孔，条总线管脚，单列双排插针和插孔，P1：64 针，针，P2：40 针，合计针，合计104 个总线信号，个总线信号，PC104 因此得名。当因此得名。当8 位模块和位模块和16 位模块连接时，位模块连接时，16 位模块必须在位模块必须在8 位模块得下面。位模块得下面。v PC104PLUS 是是专为专为PCI 总线设计的总线设计的，可以连接高速外接设备。，可以连接高速外接设备。PC

43、104PLUS 在硬件上通过一个在硬件上通过一个3X40 即即120 孔插座，孔插座，PC104PLUS 包括了包括了PCI 规范规范2.1 版要求的所有信号。为了向下兼容，版要求的所有信号。为了向下兼容，PC104PLUS 保持了保持了PC104 的所有特性。的所有特性。5.2.2 PC系列总线系列总线v 与与PC104相比，相比，PC104PLUS 特点：特点：1、相对PC/104 连接，增加了第三个连结接口支持 PCI bus.2、改变了组件高度的需求，增加模块的柔韧性.3、加入了控制逻辑单元，以满足高速度 bus 的需求5.2.2 PC系列总线系列总线 PCI总线总线(Peripher

44、al Component Interconnect Special Interest Group)，即外围部件互联专业组，即外围部件互联专业组， 简称简称PCISIG。是由是由Intel、IBM、Compaq、AST、HP、Apple、DEC等等100多家公司于多家公司于1991年共同推出的一种局部总线，广泛应用年共同推出的一种局部总线，广泛应用于当前高档微机、工作站及笔记本电脑。于当前高档微机、工作站及笔记本电脑。 5.2.2 PC系列总线系列总线v与与ISA等总线相比，等总线相比，PCI总线具有如下的特点：总线具有如下的特点：传输速率高传输速率高允许多总线共存允许多总线共存PCI总线不依赖

45、于某一具体的微处理器，它支持多种微处总线不依赖于某一具体的微处理器，它支持多种微处理器和将来发展的微处理器理器和将来发展的微处理器总线数据宽度总线数据宽度32位位或或64位位支持支持64位位寻址寻址5V和和3.3V两种电源供电两种电源供电自动识别与配置外设，方便用户使用自动识别与配置外设，方便用户使用5.2.2 PC系列总线系列总线vPCI总线结构总线结构CPU存储器存储器CPU总线总线CPU总线总线/PCI总线桥总线桥(北桥北桥)PCI总线总线/ISA总线桥总线桥(南桥南桥)PCI图形图形适配器适配器PCI网卡网卡PCI硬盘硬盘控制器控制器PCI总线总线ISA总线总线ISA卡卡. . .IS

46、A卡卡PCI总线结构框图总线结构框图5.2.2 PC系列总线系列总线v 这是一个由这是一个由CPU总线、总线、PCI总线及总线及ISA总线组成的总线组成的三层总三层总线结构。线结构。v CPU总线总线也称也称“CPU-主存总线主存总线”或或“微处理器局部总微处理器局部总线线”，CPU是该总线的主控者。此总线实际上是是该总线的主控者。此总线实际上是CPU引引脚信号的延伸。脚信号的延伸。v 通过桥芯片通过桥芯片(北桥和南桥北桥和南桥)，上边与高速的，上边与高速的CPU总线相连，总线相连，下边与下边与ISA总线相连。总线相连。v PCI总线是一个总线是一个32位位/64位总线，且其地址和数据是同一组

47、位总线，且其地址和数据是同一组线，分时复用。在现代线，分时复用。在现代PC机机(如如Pentium系列系列)主板上一般主板上一般都有都有23个个PCI总线扩充槽。总线扩充槽。5.2.2 PC系列总线系列总线v 在上述在上述PCI总线结构中，总线结构中，CPU总线、总线、PCI总线及总线及ISA总线通总线通过两个桥芯片连成一个整体，桥芯片起到信号缓冲、电平过两个桥芯片连成一个整体，桥芯片起到信号缓冲、电平转换和控制协议转换的作用。转换和控制协议转换的作用。v 人们通常将人们通常将“CPU总线总线/PCI总线桥总线桥”称为称为“北桥北桥”，称，称“PCI总线总线/ISA总线桥总线桥”为为“南桥南桥

48、”。v 这种以这种以“桥桥”的方式将两类不同结构的总线的方式将两类不同结构的总线“粘合粘合”在一在一起的技术特别能够适应系统的升级换代。起的技术特别能够适应系统的升级换代。v 每当微处理器改变时只需改变每当微处理器改变时只需改变CPU总线和改动总线和改动“北桥北桥”芯芯片，而全部原有外围设备及接口适配器仍可保留下来继续片，而全部原有外围设备及接口适配器仍可保留下来继续使用，从而保护了用户的投资。使用，从而保护了用户的投资。5.2.2 PC系列总线系列总线v PCI总线的数据宽度为总线的数据宽度为32位或位或64位，地址总线为位，地址总线为32位位(可可扩展至扩展至64位位)。另外，它的地址线和

49、数据线是多路复用的，。另外，它的地址线和数据线是多路复用的，以节省引脚并减小连接器的尺寸。这些多路复用的引脚信以节省引脚并减小连接器的尺寸。这些多路复用的引脚信号标识为号标识为AD0AD63。v PCI总线有总线有5V和和3V两种插槽类型，每种插槽的全部引脚号两种插槽类型，每种插槽的全部引脚号均为均为194(A1/B1A94/B94)，32位卡只用位卡只用162号，号，64位卡则占用全部位卡则占用全部194号引脚。号引脚。v 其中，标为其中，标为res的引脚为保留未用的引脚为保留未用(reserved)的引脚；标的引脚；标为为code的引脚是防止将插卡插错而设置的接口标记，也的引脚是防止将插卡

50、插错而设置的接口标记，也称连接器钥匙称连接器钥匙(connector key)。5.2 外部总线外部总线常用常用外部总线外部总线USB总线总线RS-232总线总线RS-485总线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。外部总线又分为并行总线和串行总设备以及计算机与测量仪器仪表之间的通信。外部总线又分为并行总线和串行总线，并行总线主要有线，并行总线主要有IEEE-488总线，串行总线主要有总线，串行总线主要有RS-232-C、RS-422、RS-485、

51、IEEE1394以及以及USB总线等。限于篇幅，下面主要介绍总线等。限于篇幅，下面主要介绍RS-485串行总线和串行总线和USB总线，总线，RS-232-C参见本书第十章。参见本书第十章。 5.2.1 外部总线外部总线vIEEE-488是是1970年由美国惠普公司开发的并行通讯年由美国惠普公司开发的并行通讯总线总线vIEEE-488共定义了共定义了24根线（其中根线（其中8根地线）根地线）vIEEE-488总线特点：总线特点： 数据传输率不得超过每秒数据传输率不得超过每秒1M字节字节 总线上的设备数不得多于总线上的设备数不得多于15个个 电缆总长度不超过电缆总长度不超过20m，两设备间不超过，

52、两设备间不超过2m 采用负逻辑采用负逻辑5.2.2 外部总线外部总线- RS-422A标准接口标准接口 v RS-422由由RS-232C发展而来发展而来 v RS-422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输的总是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输的总线标准线标准 v RS-422标准规定了双端电气接口型式，使用双端线传送信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

53、息接收。逻辑电平，实现终端的信息接收。 AA AA -BB -BB 0.2V 0.2V，表示，表示“1”1”；AAAA -BB -BB -0.2V -0.2V，表示，表示“0”0”发送器接收器BTTLRS-422A电平BAATTL5.2.2 外部总线外部总线- v RS-422的数据信号采用差分传输方式传输。的数据信号采用差分传输方式传输。v RS-422 有有4 根信号线，两根发送、两根接收，根信号线，两根发送、两根接收，RS-422 的的收与发是分开的，支持全双工的通讯方式收与发是分开的，支持全双工的通讯方式 。v RS-422的最大传输距离为的最大传输距离为1200m，最大传输速率为，最

54、大传输速率为10Mbps。10Mbps（15m时）；时）；90Kbps（1200m时）时） RS-422A接口电路接口电路 5.2.2 外部总线外部总线- vRS-485标准接口标准接口 RS-485是一种多发送器的电路标准，它是RS-422A性能的扩展，是真正意义上的总线标准。 允许在二根导线(总线)上挂接32台RS-485负载设备。负载设备可以是发送器、被动发送器、接收器或组合收发器（发送器和接收器的组合） 5.2.2 外部总线外部总线- vRS485具有以下特点：具有以下特点： RS-485的电气特性：逻辑的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为以两线间的电压差为+2V+6V表示；逻辑表

55、示；逻辑“0”以两线间的电压差为以两线间的电压差为-2V -6V表表示。示。 RS-485的数据最高传输速率为的数据最高传输速率为10Mbps RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强。模干能力增强。 RS-485接口的最大传输距离为接口的最大传输距离为1200m，在总线上是允许连，在总线上是允许连接多达接多达128个收发器个收发器,即具有多站能力和多机通信功能。即具有多站能力和多机通信功能。5.2.2 外部总线外部总线- vRS-485与与RS-422的区别在于：的区别在于： 硬件线路上，硬件线路上，RS-422至少需要

56、至少需要4根通信线，而根通信线，而RS-485仅需仅需2根；根；RS-422不能采用总线方式通信，但可以采用环路方式不能采用总线方式通信，但可以采用环路方式通信，而通信，而RS-485两者均可。两者均可。 通信方式上，通信方式上，RS-422可以全双工，而可以全双工，而RS-485只能半双工。只能半双工。 其它差异见表其它差异见表5.4 5.2.2 外部总线外部总线- v串行总线协议转换器串行总线协议转换器5.2.3 外部总线外部总线- vUSB协议标准协议标准 USB1.0、USB1.1、USB2.0和和USB On-The-Go（OTG）总线标准）总线标准 vUSB设备的主要特点设备的主要

57、特点 采用采用USB接口的设备支持热拔插接口的设备支持热拔插) USB接口可以同时连接接口可以同时连接127台台USB设备。设备。 速度方面，速度方面，USB 1.1总线规范定义了总线规范定义了12 Mb/s的带宽，的带宽，而而USB2.0可提供可提供480Mb/s的传输速度。的传输速度。 USB总线能够提供总线能够提供500 mA的电流。的电流。5.2.3 外部总线外部总线- 5.2.3 外部总线外部总线- USB设备及其体系结构设备及其体系结构vUSB总线系统中的设备可以分为三个类型总线系统中的设备可以分为三个类型 USB主机主机 在任何在任何USB总线系统中，只能有一个主机。主机系总线系

58、统中，只能有一个主机。主机系统中提供统中提供USB总线接口驱动的模块，称作总线接口驱动的模块，称作USB总线主机总线主机控制器。控制器。 USB 集线器（集线器（HUB） 类似于网络集线器，实现多个类似于网络集线器，实现多个USB设备的互连，主设备的互连，主机系统中一般整合有机系统中一般整合有USB总线的根总线的根(节点节点)集线器，可以集线器，可以通过次级的集线器连接更多的外设。通过次级的集线器连接更多的外设。 USB总线的设备，又称总线的设备，又称USB功能外设。功能外设。 是是USB体系结构中的体系结构中的USB最终设备，如打印机、扫描最终设备，如打印机、扫描仪等，接受仪等，接受USB系统的服务。系统的服务。 5.2.3 外部总线外部总线- USB设备及其体系结构设备及其体系结构USB总线连接外设和主机时，利用菊花链的形式对端总线连接外设和主机时，利用菊花链的形式对端点加以扩展，形成了如下图所示的金字塔型的外设连接方点加以扩展，形成了如下图所示的金字塔型的外设连接方法，最多可以连接法，最多可以连接7层，层，127台设备，有效地避免了台设备，有效地避免了PC机机上插槽数量对扩充外设的限制，减少上插槽数量对扩充外设的限制，减少PC机机I/O接口的数量。接口的数量。 5.2.3 外部总线外部总线- USB