第3讲 总线技术、通信及人机接口

1、计算机控制技术1第第3讲讲 计算机总线技术计算机总线技术主要内容：主要内容： 1.总线的基本概念总线的基本概念 2.内部总线内部总线 3.外部总线外部总线计算机控制技术2 随着微处理器技术的飞速发展，总线技术也得到不随着微处理器技术的飞速发展，总线技术也得到不断创新。先后出现了断创新。先后出现了ISA、MCA、EISA、VESA、PCI、AGP、IEEE1394、USB等总线技术。等总线技术。 芯片内部的总线技术也在不断发展，芯片内部的总线技术也在不断发展，AMBA、Core Connect 、CoreRAM等已经形成集成电路内部十分等已经形成集成电路内部十分具有竞争力的总线标准。具有竞争力的

2、总线标准。 工业控制的工业控制的PROFIBUS，FF等现场总线技术。等现场总线技术。 总线的数据传输速度也不断提升，目前，总线的数据传输速度也不断提升，目前，AGP局部局部总线数据可达总线数据可达528MB/s，PCI-X可达可达1GB/s，系统总，系统总线传输速率也由线传输速率也由66MB/s提高到提高到100MB/s甚至更高的甚至更高的133MB/s、150MB/s、200MB/s。计算机控制技术3一、一、总线的基本概念总线的基本概念物理特性：根数、引脚排序、插头形状等物理特性：根数、引脚排序、插头形状等功能特性：每根线的功能定义功能特性：每根线的功能定义电气特性：信号传输方向、有效电平

3、范围电气特性：信号传输方向、有效电平范围时间特性：时序时间特性：时序1.总线的定义总线的定义2.总线标准总线标准计算机各模块之间计算机各模块之间互联（硬件）互联（硬件）和和传递信息（软件协议）传递信息（软件协议）的的一一组信号线组信号线3.总线传输过程总线传输过程四个阶段：总线请求和仲裁阶段、寻址阶段、数据传输阶段和结束阶段四个阶段：总线请求和仲裁阶段、寻址阶段、数据传输阶段和结束阶段4. 总线的分类总线的分类（1）按照总线内部信息传输的性质分按照总线内部信息传输的性质分数据总线数据总线:DB 用于传送数据信息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是专门用来传送地址的控制

4、总线控制总线:CB 控制总线包括控制、时序和中断信号线控制总线包括控制、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用于向系统提供电源 计算机控制技术5（2）按照总线在系统结构中的层次位置分按照总线在系统结构中的层次位置分片内总线片内总线 (On-Chip BUS)：在集成电路的内部，用来连接各功能单在集成电路的内部，用来连接各功能单元的信息通路元的信息通路内部总线（内部总线（Internal Bus)： 又叫又叫系统总线或板级总线，系统总线或板级总线，用于计算机用于计算机内部模块（板）之间通信。它内部模块（板）之间通信。它是微机系统中最重要的总线，人们平是微机系统中最重要的总线

5、，人们平常所说的微机总线就是指系统总线，如常所说的微机总线就是指系统总线，如STD总线、总线、PC总线、总线、ISA总总线、线、PCI总线等总线等外部总线（外部总线（External Bus)：又称通讯总线，：又称通讯总线， 用于计算机之间或计用于计算机之间或计算机与设备之间通信，算机与设备之间通信，IEEE-488、RS-232C、RS-485等等（3）根据总线的数据传输方式）根据总线的数据传输方式 分分并行总线：并行总线：每个信号都有自己的信号线每个信号都有自己的信号线串行总线串行总线：所有信号复用一对信号线所有信号复用一对信号线计算机控制技术6计算机总线结构示意图计算机总线结构示意图5.

6、 计算机总线结构图计算机总线结构图计算机控制技术7 总线频率：总线频率：即总线工作时钟频率，单位为即总线工作时钟频率，单位为MHzMHz，它是影响总线传输速，它是影响总线传输速率的重要因素之一率的重要因素之一。总线宽度：总线宽度：称总线位宽，是总线可同时传输的数据位数，用称总线位宽，是总线可同时传输的数据位数，用bitbit（位）（位）表示，如表示，如8 8位、位、1616位、位、3232位等。总线的宽度越大，它在同一时刻就能位等。总线的宽度越大，它在同一时刻就能够传输更多的数据。够传输更多的数据。总线带宽：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，又称总线传输率，表示在总线上

7、每秒传输字节的多少，单位是单位是MB/SMB/S。影响总线传输率的因素有总线宽度、总线频率等。一。影响总线传输率的因素有总线宽度、总线频率等。一般般地：地：总线带宽（总线带宽（MB/SMB/S）= 1/8= 1/8总线宽度总线频率总线宽度总线频率同步方式：同步方式：分为同步方式和异步方式。在同步方式下，总线上主模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

8、速的，就可达到很高的总线带宽都是高速的，就可达到很高的总线带宽6. 总线的性能指标总线的性能指标计算机控制技术8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、计包括并发工作、自动配置、仲裁方式、逻辑方式、计数方式等。数方式等。7. 总线的模板化结构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：模板结构：CPUCPU主板、主板、RAM/ROMRAM/ROM存储板、存储板、A/DA/D、D/AD/A、DIDI、DODO等等二、内部总线二、内部总线1.STD总线总线STDSTD总

9、线起初设计为可用于总线起初设计为可用于64K64K存储空间的存储空间的8 8位总线，后发展成可用于寻位总线，后发展成可用于寻址址16M16M空间的空间的1616位总线位总线特点：特点：5656根并行总线，小模板结构根并行总线，小模板结构, , 尺寸：尺寸：165165114mm114mm 开放式的系统结构开放式的系统结构 兼容式总线结构，拥有丰富的兼容式总线结构，拥有丰富的I/OI/O功能，广泛适用于工业控制功能，广泛适用于工业控制计算机控制技术95656根并行总线按功能可分为五大类根并行总线按功能可分为五大类逻辑电源线逻辑电源线6 6根根( (引线引线1 16)6)数据总线数据总线8 8根根

10、( (引线引线7 714)14)地址总线地址总线1616根根( (引线引线151530)30)控制总线控制总线2222根根( (引线引线313152)52)辅助电源线辅助电源线4 4根根( (引线引线535356)56)（1 1）STDSTD总线的信号分配总线的信号分配（2 2）STDSTD总线与存储器连接方法总线与存储器连接方法总线低位地址总线低位地址A0A0A12A12：直接连直接连接到各存储器芯片接到各存储器芯片高位地址高位地址A13A13A15A15：用来选片：用来选片（可选（可选64K64K基本存储器，通过基本存储器，通过扩展，可增至扩展，可增至128K128K）计算机控制技术10（

11、3 3）STDSTD总线与总线与I/OI/O的连接方法的连接方法地址码的低位字节地址码的低位字节连接到总线译码器连接到总线译码器, , 形成形成6 6根选板信号根选板信号和和2 2根选口信号根选口信号, , 选通选通I/OI/O端口工作端口工作计算机控制技术11ISAISA总线总线：问世较早，是问世较早，是8 8位、位、1616位数据传输总线的工业标准位数据传输总线的工业标准 最高传输速率最高传输速率8Mbps8Mbps；寻址空间；寻址空间16MB16MB；将；将CPUCPU看作唯一的主模看作唯一的主模块，其余外设均为从模块，包括可以暂时掌握总线的块，其余外设均为从模块，包括可以暂时掌握总线的

12、DMADMA和协和协处理器；处理器；9898根总线分成根总线分成5 5类：地址线、数据线、控制线、时钟类：地址线、数据线、控制线、时钟线和电源线线和电源线MCA：微通道体系结构。IBMIBM在推出在推出386386时提出，数据、地址总时提出，数据、地址总线宽度线宽度3232位，支持位，支持4GB4GB的寻址能力；数据传输速率的寻址能力；数据传输速率33Mbps33Mbps；在；在电气及物理上与电气及物理上与ISAISA不兼容；不兼容；IBMIBM没有公布标准没有公布标准EISA总线：8989年推出年推出486486时提出，时提出，3232位数据总线，支持位数据总线，支持3232位地位地址通路；

13、总线主控技术，扩展卡上具有总线主控处理器；与址通路；总线主控技术，扩展卡上具有总线主控处理器；与ISAISA兼容，支持多个主模块；可以自动根据需要进行兼容，支持多个主模块；可以自动根据需要进行3232、1616、8 8位数据间的转换；支持多总线主控模块；位数据间的转换；支持多总线主控模块；PCIPCI高性能局部总线：高性能局部总线：9292年由年由IntelIntel公司带头制定的设备总线标公司带头制定的设备总线标准；支持准；支持6464位数据传送、多总线主控模块、线性猝发读写和并位数据传送、多总线主控模块、线性猝发读写和并发工作方式；具有即插即用功能发工作方式；具有即插即用功能(PnP)(P

14、nP)；最高传送数据；最高传送数据132Mbps132Mbps；兼容性强、成本低兼容性强、成本低2.PC系列总线系列总线计算机控制技术12 PCI总线特有的配置寄存器为用户使用提供了方便。系统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，在加电时自动配置嵌入自动配置软件，在加电时自动配置PCI扩展卡，为用扩展卡，为用户提供了简便的使用方法。户提供了简便的使用方法。 PCI局部总线已形成工业标准。它的高性能总线体系结构局部总线已形成工业标准。它的高性能总线体系结构满足了不同系统的需求，低成本的满足了不同系统的需求，低成本的PCI总线构成的计算机总线构成的计算机系统达到了较高的性

15、能系统达到了较高的性能/价格比水平。因此，价格比水平。因此，PCI总线被应总线被应用于多种平台和体系结构中。用于多种平台和体系结构中。 PCI总线的组件、扩展板接口与处理器无关，在多处理总线的组件、扩展板接口与处理器无关，在多处理器系统结构中，数据能够高效地在多个处理器之间传输。器系统结构中，数据能够高效地在多个处理器之间传输。与处理器无关的特性，使与处理器无关的特性，使PCI总线具有很好的总线具有很好的I/O性能，性能，最大限度地使用各类最大限度地使用各类CPU/RAM的局部总线操作系统、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，如各类高档图形设备和各类高速外部设备，如SCSI

16、、HDTV、3D等。等。计算机控制技术13PCI总线结构总线结构计算机控制技术14又称为又称为通信总线通信总线，用于计算机之间，计算机与远程终端，计算机与，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。外部总线又分为域已有的总线标准。外部总线又分为并行总线并行总线和和串行总线串行总线。常用的外部总线：常用的外部总线： IEEE-488总线总线 RS-232-C总线总线 RS-42

17、2和和RS-485总线总线 通用串行总线（通用串行总线（USB）三、外部总线三、外部总线计算机控制技术15IEEE-488IEEE-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。入输出设备，以及这些仪器设备之间的并行通信。 IEEE-488IEEE-488是是19701970年由美国惠普公司开发的并行通讯总线年由美国惠普公司开发的并行通讯总线, ,总线上连接的总线上连接的设备有三种，工作方式也有三种设备有三种，工作方式也有三种: :听者听者（“受话受话”方式）：同时可有多个方式）：同时可

18、有多个讲者讲者（“送话送话”方式）：每时只能有一个方式）：每时只能有一个控者控者（“控制控制”方式）：每时只能有一个方式）：每时只能有一个1.IEEE-488总线总线（1）IEEE-488IEEE-488总线的信号分配总线的信号分配IEEE-488IEEE-488共定义了共定义了2424根线（其中根线（其中8 8根地线）根地线） 1 1）数据总线）数据总线DIO0 DIO8DIO0 DIO8 2 2）数据传送控制线）数据传送控制线 数据有效线数据有效线DAVDAV、未准备好接受数据线、未准备好接受数据线NRFDNRFD、未接受好数据线、未接受好数据线NDACNDAC 3 3）接口管理总线接口管

19、理总线 接口清除线接口清除线IFCIFC、服务请求线、服务请求线SQRSQR、注意线、注意线ATNATN、结束或识别线、结束或识别线EQIEQI、远、远程允许程允许RENREN计算机控制技术16（2 2）IEEE-488IEEE-488总线的连接示意图总线的连接示意图DIO1 DIO8DAVNRFDNDAC EOI IFC ATN SRQREN 设备设备A 控者控者 讲者讲者 听者听者 计算机计算机 设备设备B 讲讲 者者 听听 者者 电压表电压表1 1 设备设备C 讲讲 者者 听听 者者 设备设备D 听听 者者 数据线数据线数数 据据控制线控制线接接 口口管理线管理线电压表电压表2 2打印机

20、打印机计算机控制技术17采用异步方式，利用三条控制线进行握手联络，实现三线握手的采用异步方式，利用三条控制线进行握手联络，实现三线握手的数据传输数据传输 （3 3）IEEE-488IEEE-488总线数据传送时序总线数据传送时序计算机控制技术18 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，两设备间不超过2m 采用负逻辑采用负逻辑（4 4）使用）使用IEEE-488IEEE-488的约定的约定2. RS-232-C总线总线RS-232-C总线是一种串行外部总线，专门用于数

21、据终端设备总线是一种串行外部总线，专门用于数据终端设备DTE和数和数据通信设备据通信设备DCE之间的串行通信之间的串行通信（1 1）RS-232-CRS-232-C总线的机械特性总线的机械特性RS-232-C 25个引脚只定义了个引脚只定义了22个；个；最基本的三根线是发送数据线最基本的三根线是发送数据线2、接收数据线接收数据线3和信号地线和信号地线7；通常使用的通常使用的RS-232-C接口信号只有接口信号只有9根引脚根引脚计算机控制技术19（2 2）常用的）常用的9 9根引脚分类根引脚分类一类是基本的数据传送引脚：包括一类是基本的数据传送引脚：包括TXD、RXD和和GND 一类是用于调制解

22、调器（一类是用于调制解调器（MODEM）的控制和反映其状态的引脚：）的控制和反映其状态的引脚： 一组为一组为DTR和和RTS：负责从计算机通过负责从计算机通过RS-232C接口送给接口送给MODEM 一组为一组为DSR、CTS、DCD和和RI：负责从负责从MODEM通过通过RS-232C接口接口送给计算机的状态信息送给计算机的状态信息（3 3）RS-232CRS-232C总线的电气特性总线的电气特性1）电气参数）电气参数 引线信号状态：引线信号状态：RS-232C标准引线状态必须是以下三种之一，即标准引线状态必须是以下三种之一，即SPACE/ MARK(空号空号/传号传号)、或、或ON/OFF

23、(通通/断断)、或逻辑、或逻辑0/逻辑逻辑1 引线逻辑电平：负逻辑，引线逻辑电平：负逻辑，-3-15V表示逻辑表示逻辑1；+3+15V表示逻辑表示逻辑0 短路抑制性能：短路抑制性能：RS-232C的驱动电路必须能承受电缆中任何导线短路的驱动电路必须能承受电缆中任何导线短路 通信速率：通信速率：最高通信速率为最高通信速率为115200bps，通信距离应小于通信距离应小于15m2）电气连接方式）电气连接方式 特点：非平衡的连接方式特点：非平衡的连接方式 点对点点对点通信（单发单收）通信（单发单收） 公用地线公用地线3）RS-232-C总线的通信结构总线的通信结构具有具有MODEM设备的远距离通信线

24、路设备的远距离通信线路计算机控制技术21不用不用MODEM的的 直接通信线路直接通信线路最简单的最简单的RS-232C数据通信数据通信计算机控制技术223.RS-422总线总线RS-422由由RS-232C发展而来发展而来 RS-422是一种是一种单机发送单机发送、多机接收多机接收的单向、平衡传输的总线标准的单向、平衡传输的总线标准 RS-422标准规定了标准规定了双端电气接口型式双端电气接口型式，使用双端线传送信号。它通，使用双端线传送信号。它通过传输线驱动器，过传输线驱动器，把逻辑电平变换成电位差把逻辑电平变换成电位差，完成始端的信息传送；，完成始端的信息传送；通过传输线接收器，把电位差转

25、变成逻辑电平，实现终端的信息接收通过传输线接收器，把电位差转变成逻辑电平，实现终端的信息接收（差动收发差动收发）计算机控制技术23 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 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 的收与发是分的收与发是分开的，支持全双工的通讯方式开的，支持全双工的通讯方式 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，最大传输速率为10MbpsRS-422ARS-422A接口电路接口电路 计算机控制技术244.RS-485标准接口标准接口 RS-485RS-485

26、是一种是一种多发送器多发送器的电路标准，是的电路标准，是RS-422ARS-422A的扩展，的扩展，是真正意是真正意义上的总线标准义上的总线标准 允许在二根导线允许在二根导线( (总线总线) )上挂接上挂接3232台台RS-485RS-485负载负载设备。负载设备可设备。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）的组合） 逻辑电平：逻辑电平：1 1：两线间压差为：两线间压差为+2V+6V+2V+6V；0 0：两线间压差为：两线间压差为-2V -6V-2V -6V 最高传输速率为最高传输速率为10Mbps

27、10Mbps，最大传输距离，最大传输距离1200m1200m，总线上最多，总线上最多允许连允许连接接128128个收发器个收发器, ,具有多站能力和多机通信功能具有多站能力和多机通信功能 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，抗共模干能力增强计算机控制技术25RS-485与与RS-422的区别的区别硬件线路上：硬件线路上：RS-422RS-422至少需要至少需要4 4根通信线，而根通信线，而RS-485RS-485仅需仅需2 2根；根；RS-RS-422422不能采用总线方式通信，但可以采用环路方式通信，而不能采用总线方式通信，但可以采用环路方式通信，而RS-485RS-485两两者均可者均可通信方式上：通信方式上：RS-422RS-422可以全双工，而可以全双工，而RS-485RS-485只能半双工只能半双工计算机控制技术26串行总线协议转换器串行总线协议转换器 计算机控制技术27（2 2）USBUSB设备的主要特点设备的主要特点采用采用USBUSB接口