计算机总线技术

1、2022-6-261电子系统总线技术第四部分 计算机总线技术主讲人：于海滨二教中楼309室2022-6-262 课时数：课时数：12，共，共4周周 课程安排课程安排 概述及缓存系统中的总线切换技术（概述及缓存系统中的总线切换技术（3-4） 总线数据传输中的同步技术与总线数据传输中的同步技术与UART技术（技术（2-3） 学生课程汇报（学生课程汇报（6） 课程考核课程考核 课程小论文与课程汇报课程小论文与课程汇报 参考教材：参考教材： 计算机控制技术计算机控制技术，刘川来、胡乃平编著，机械工业出，刘川来、胡乃平编著，机械工业出版社。其中第三章版社。其中第三章“计算机总线技术计算机总线技术” 微型

2、计算机组成原理微型计算机组成原理，陆志才，高等教育出版社。其，陆志才，高等教育出版社。其中第九、十章中第九、十章“总线技术总线技术”2022-6-263课程小论文要求 结合自己的科研实际完成一篇与总线相关的小论文结合自己的科研实际完成一篇与总线相关的小论文 至少包含以下内容至少包含以下内容 我正在从事的课题是我正在从事的课题是“xxxxxx”，里面用到了，里面用到了xxx总线技总线技术术 选取选取xxx总线的依据是总线的依据是 系统的基本结构是系统的基本结构是，用，用来实现来实现xxx总线，拟实现总线，拟实现的技术指标是的技术指标是 实现的细节，包括硬件、软件实现的细节，包括硬件、软件 题目自

3、拟，但必须包含选取的总线名称，副标题为题目自拟，但必须包含选取的总线名称，副标题为学号、姓名学号、姓名 字数在字数在3000字左右，需打印字左右，需打印 提交时间：提交时间：12月月25日之前，二教中楼日之前，二教中楼309，可集中，可集中后一起交后一起交2022-6-264课程小论文要求 若暂时还未进入课题若暂时还未进入课题 从下述总线中选取一种，完成一篇综述性文章，介绍该总线从下述总线中选取一种，完成一篇综述性文章，介绍该总线的基本原理、主要特性、应用范围，并列举至少一个应用实的基本原理、主要特性、应用范围，并列举至少一个应用实例，给出该应用实例的电路结构框图、工作原理、实现的功例，给出该

4、应用实例的电路结构框图、工作原理、实现的功能和具体技术指标能和具体技术指标 CAN USB RS232 RS485 I2C SPI Modbus Profibus 无线方面的总线协议无线方面的总线协议2022-6-265课程汇报要求 课程汇报时间：课程汇报时间：12月月18日、日、12月月25日上午日上午10:00-12:30 两人一组（自由组合），两人共同制作汇报用的两人一组（自由组合），两人共同制作汇报用的PPT，其中一人负责汇报，一人负责回答问题其中一人负责汇报，一人负责回答问题 汇报内容应以课程小论文内容为基础，须包含课程小汇报内容应以课程小论文内容为基础，须包含课程小论文内容当中的要

5、素论文内容当中的要素 汇报时间严格控制在汇报时间严格控制在5分钟以内，回答问题分钟以内，回答问题2分钟左右分钟左右 本课程后续不再组织考试，本次课程汇报成绩即为考本课程后续不再组织考试，本次课程汇报成绩即为考试成绩，须认真对待（汇报试成绩，须认真对待（汇报60%+小论文小论文30%+出勤率出勤率10%） 一组两人成绩相同，根据一组两人成绩相同，根据PPT汇报与回答问题情况决汇报与回答问题情况决定定 不参加课程汇报者本门课程无成绩不参加课程汇报者本门课程无成绩2022-6-266 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

6、后出现了ISA、MCA、EISA、VESA、PCI、AGP、IEEE1394、SATA、USB等总线。等总线。 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。具有竞争力的总线标准。 工业控制的工业控制的CAN、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

7、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。 2022-6-267PCI-E槽槽: PCI-Express，Intel提出，提出，可全面取代现行的可全面取代现行的PCI和和AGP，最终实，最终实现总线标准的统一。传输率目前最高现总线标准的统一。传输率目前最高可达到可达到10GB/s以上以上AGP槽槽: Accelerate Graphical Port，加速图形接口，加速图形接口，实质为实质为PCI 2.1 DIMM槽槽: Dual Inline Memory Module，双列直插内存模块双列直插内存模块 ISA 槽槽南桥

8、主要是负责南桥主要是负责IO 北桥用于北桥用于CPU和内存、显卡、和内存、显卡、PCI交换数据交换数据 2022-6-268计算机总线技术 总线的基本概念总线的基本概念 内部总线内部总线 外部总线外部总线2022-6-2691 总线的基本概念总线的基本概念总线就是一组信号线的集合，它定义了各引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。立信号联系，进行数据传递和通信。 规定了各引线的信号、时序、电气和规定了各引线的信号

9、、时序、电气和机械特性机械特性 为计算机系统内部各部件、各模块之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间或计算机各系统之间提供了标准的公共信息通路公共信息通路 采用总线标准设计、生产的计算机模采用总线标准设计、生产的计算机模板和设备具有很强的兼容性板和设备具有很强的兼容性 总线的定义总线的定义总线的特点总线的特点2022-6-2610 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1.1 总线的分类总线的分类数据总线数据总线: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

10、制总线控制总线: :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2022-6-2611 按照总线在系统结构中的层次位置按照总线在系统结构中的层次位置 ，总线可分为，总线可分为总线的分类（续）总线的分类（续）片内总线片内总线 (On-Chip Bus) 在集成电路的内部，用来连接各功能单元在集成电路的内部，用来连接各功能单元的信息通路的信息通路 内部总线内部总线 (Internal Bus) 用于计算机内部模块（板）之间通信用于计算机内部模块（板）之间通信外部总线外部总线 (External Bus)：

11、又称通讯总线：又称通讯总线 用于计算机之间或计算机与设备之间通信用于计算机之间或计算机与设备之间通信2022-6-2612 根据总线的数据传输方式根据总线的数据传输方式 ，总线可分为，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总线的分类（续）总线的分类（续）2022-6-2613计算机总线结构示意图计算机总线结构示意图总线的分类（续）总线的分类（续）2022-6-2614l在集成电路的内部，用来连接各功能单元的信息通路。在集成电路的内部，用来连接各功能单元的信息通路。总线的分类（续）总线的分类（

12、续）片内总线片内总线l 受芯片面积及对外引脚数的限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制，片内总线大多采用单总线结构，这有利于芯片集成度和成品构，这有利于芯片集成度和成品率的提高，而对于内部数据传送率的提高，而对于内部数据传送速度要求较高的，也可采用双总速度要求较高的，也可采用双总线或三总线结构。线或三总线结构。l ASIC技术的出现，用户也可以技术的出现，用户也可以按照自己的要求，借助于适当的按照自己的要求，借助于适当的EDA工具，设计自己的芯片。工具，设计自己的芯片。2022-6-2615 内部总线是微机系统中最重要的总线，人们平常所说的微内部总线是微机系统中最重要的总线

13、，人们平常所说的微机总线就是指系统总线，如机总线就是指系统总线，如STD总线、总线、PC总线、总线、ISA总线、总线、PCI总线等总线等总线的分类（续）总线的分类（续）内部总线：系统总线或板级总线内部总线：系统总线或板级总线 按功能可分为数据总线按功能可分为数据总线DB、地址总线、地址总线AB、控制总线、控制总线 CB、和电源总线、和电源总线PB2022-6-2616数据总线数据总线D：用于传递数据信息：用于传递数据信息总线宽度：数据信号线的根数。总线宽度：数据信号线的根数。 决定设备获得最大性能决定设备获得最大性能 影响计算机系统性能影响计算机系统性能地址总线宽度：地址总线宽度： 地址线的根

14、数地址线的根数决定直接寻址能力决定直接寻址能力避免避免IO地址与内存地址的重叠地址与内存地址的重叠地址总线地址总线A：用于传递地址信息：用于传递地址信息控制总线控制总线C：包括控制、时序和中断信号线，用于传递各种包括控制、时序和中断信号线，用于传递各种控制信息，决定了总线的性能好坏控制信息，决定了总线的性能好坏电源总线电源总线P：提供电源：提供电源2022-6-2617 如：如：IEEE-488、RS-232C、RS-485等等外部总线外部总线总线的分类（续）总线的分类（续）2022-6-26181.2 总线主要性能指标总线主要性能指标 又称总线传输率，表示在总线上每秒传输字节的多又称总线传输

15、率，表示在总线上每秒传输字节的多少，单位是少，单位是MB/S。影响总线传输率的因素有总线。影响总线传输率的因素有总线宽度、总线频率等。一般的，宽度、总线频率等。一般的，总线带宽（总线带宽（MB/S）= 1/8总线宽度总线宽度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MHz，它是影响总，它是影响总线传输速率的重要因素之一。线传输速率的重要因素之一。又称总线位宽，是总线可同时传输的数据位数，又称总线位宽，是总线可同时传输的数据位数，用用bit（位）表示，如（位）表示，如8位、位、16位、位、32位等。显然，位等。显然，总线的宽度越大，它在同一时刻就能够传输更多总线的宽度越

16、大，它在同一时刻就能够传输更多的数据。的数据。2022-6-2619表明总线拥有多少信号线，是数据总线、地址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。与总线性能不成正比，但一般与复杂度成正比。可分为同步方式和异步方式。在同步方式下，总线上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，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，

17、只要总线上的设备都是高速的，就可达的传输操作，只要总线上的设备都是高速的，就可达到很高的总线带宽。到很高的总线带宽。采用多路复用技术，可以减少总线的数目。采用多路复用技术，可以减少总线的数目。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、包括并发工作、自动配置、仲裁方式、逻辑方式、计数方式等。逻辑方式、计数方式等。2022-6-2620几种微型计算机总线性能参数几种微型计算机总线性能参数 名称名称ISA(PC-AT)EISASTDMCAPCIPCI-E适用机型适用机型80286,386,486系列机系列机386,486,586 IBM系列系列机机Z-80，IBM-PC系列机系列机I

18、BM个人个人机与工作机与工作站站P5个人机个人机, PowerPC, Alpha工作站工作站全面取代现有全面取代现有内部总线，实内部总线，实现统一标准现统一标准最大传输率最大传输率8MB/s33MB/s2MB/s33MB/s133MB/s1GB/s（1x）8GB/s（16x）总线宽度总线宽度8/16位位32位位8/16位位32位位32位位8位位总线频率总线频率8MHz8.33MHz2MHz10MHz2033MHz2.5GHz同步方式同步方式半同步半同步同步同步同步同步异步异步同步同步支持同步支持同步地址宽度地址宽度2432243232/6432/64负载能力负载能力86无限制无限制无限制无限制

19、3无限制无限制信号线数信号线数9814356109120164（x16）64位扩展位扩展不可不可无规定无规定不可不可可可可可可可多路复用多路复用非非非非非非是是是是2022-6-26211.3 总线的模板化结构总线的模板化结构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：准设计成由总线连接的模板结构：CPU主板、主板、RAM/ROM存储板、存储板、A/D、D/A、DI、DO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、开放增加计算机系统的通用性、灵活性、开放性、扩展性和可靠性性、扩展性和可

20、靠性 为系统的维修提供了方便为系统的维修提供了方便2022-6-2622 总线控制总线控制1.4 总线控制与总线传输总线控制与总线传输 将控制逻辑集中在一处将控制逻辑集中在一处(如在如在CPU中中) 。集中。集中控制是单总线、双总线和三总线结构计算机控制是单总线、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。立请求总线控制方式。 将总线控制逻辑分散在与总线连接的各个部将总线控制逻辑分散在与总线连接的各个部件或设备上。如件或设备上。如CAN总线总线

21、2022-6-2623 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：线在完成一次传输周期时，可分为四个阶段：由需要使用总线的主模块由需要使用总线的主模块(或主设备或主设备)提出申请，经总线仲裁机提出申请，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；构决定在下一传输周期是否能获得总线使用权；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块(或从设备或从设备)的存储地址或设备地址及有关命令，启动参与的存储地址或设备地址及

22、有关命令，启动参与本次传输的从模块；本次传输的从模块；主模块和从模块进行数据交换，数据由源模块发出经数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；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。主模块的有关信息均从系统总线上撤除，让出总线使用权。 申请分配阶段申请分配阶段寻址阶段寻址阶段数据传输阶段数据传输阶段结束阶段结束阶段2022-6-26242 内部总线内部总线 STD总线总线 PC系列总线系列总线2022-6-2625STD总线起初设计为可用于总线起初设计为可用于64K存储空间的存储空间的8位总线，后发展成可用于寻址位总线，后发展成可用于

23、寻址16M空间的空间的16位总线位总线美国美国PRO-LOGPRO-LOG公司公司19781978年推出，后被重新定名为年推出，后被重新定名为IEEE961IEEE9612.1 STD总线总线STD总线的特点：总线的特点：l56根并行总线，采用小模板结构根并行总线，采用小模板结构, 尺寸为尺寸为165114mml模块化的总体设计布局模块化的总体设计布局l开放式的系统结构开放式的系统结构l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/O功能，广泛适用功能，广泛适用于工业控制于工业控制l小模板结构，模板尺寸小小模板结构，模板尺寸小,可减少冲击和震动的影响可减少冲击和震动的影响2022-6

24、-262656根并行总线都有明确的定义，按功根并行总线都有明确的定义，按功能可分为五大类能可分为五大类(1)逻辑电源线逻辑电源线6根根(引线引线16)(2)数据总线数据总线8根根(引线引线714)(3)地址总线地址总线16根根(引线引线1530)(4)控制总线控制总线22根根(引线引线3152)(5)辅助电源线辅助电源线4根根(引线引线5356)STD总线的信号分配总线的信号分配2022-6-2627 总 线 低 位 地 址总 线 低 位 地 址A0A12直接连接直接连接到各存储器芯片到各存储器芯片STD总线与存储器连接方法总线与存储器连接方法 高位地址高位地址A13A15用来选片（可选用来选

25、片（可选64K基本存储器，基本存储器，通过扩展，可增至通过扩展，可增至128K）2022-6-2628 地址码的低位地址码的低位字节连接到总字节连接到总线译码器线译码器, 形成形成6根选板信号和根选板信号和2根选口信号根选口信号, 选通选通I/O端口工端口工作作STD总线与总线与I/O的连接方法的连接方法 （可选（可选128个个口，扩展后可口，扩展后可增至增至256个口）个口）2022-6-2629ISA：Industry Standard Architecture2.2 PC系列总线系列总线MCA：Micro Channel ArchitectureEISA：Extension ISAPCI

26、：Peripheral Components InterconnectIBM PC总线的简称，因总线的简称，因IBM及其兼容机的广泛普及成为及其兼容机的广泛普及成为全世界用户承认的一种事实上的标准全世界用户承认的一种事实上的标准PCI-E：PCI Express2022-6-2630问世较早，是问世较早，是8位、位、16位数据传输总线位数据传输总线的工业标准的工业标准最高传输速率最高传输速率8Mbps寻址空间为寻址空间为16MB将将CPU看作唯一的主模块，其余外设看作唯一的主模块，其余外设均为从模块，包括可以暂时掌握总线均为从模块，包括可以暂时掌握总线的的DMA和协处理器和协处理器 98根总线

27、分成根总线分成5类：地址线、数据线、控制类：地址线、数据线、控制线、时钟线和电源线线、时钟线和电源线 ISA总线总线2022-6-2631IBM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的的寻址能力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MCA总线（总线（Micro Channel Architecture）2022-6-2632 89年，为冲破年，为冲破IBM公司对公司对MCA标准的垄断，以标准的垄断，以Compaq公司为首的公司为首的9家兼容机制造商联合推出

28、家兼容机制造商联合推出 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系统和扩展板EISA总线总线2022-6-2633 PCI(Peripheral Component Interconnect，设备部件互连总线设备部件互连总

29、线)是一种高性能局部总线，它是一种高性能局部总线，它是是92年由年由Intel公司带头制定的设备总线标准公司带头制定的设备总线标准 支持支持64位数据传送、多总线主控模块、线性猝位数据传送、多总线主控模块、线性猝发读写和并发工作方式发读写和并发工作方式 具有即插即用功能具有即插即用功能(PnP，Plug and Play) 最高传送数据最高传送数据132Mbps 兼容性强、成本低兼容性强、成本低PCI局部总线局部总线2022-6-2634 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

30、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

31、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、HDTV、3D等。等。2022-6-2635PCI总线结构总线结构2022-6-2636 PCI Express和和PCI不同的是实现了传输方式不同的是实现了传输方式从并行到串行的转变。从并行到串行的转变。 PCI Express是采用点对点的串行连接方式，是采用点对点的串行连接方式，这个和以

32、前的并行通道大为不同，这个和以前的并行通道大为不同， 允许和每个设备建立独立的数据传输通道。不允许和每个设备建立独立的数据传输通道。不用再向整个系统请求带宽，这样也就轻松地到用再向整个系统请求带宽，这样也就轻松地到达了高带宽要求。达了高带宽要求。PCI-E（PCI Express）总线）总线2022-6-2637PCI-E总线结构总线结构2022-6-2638 串行的点对点互连串行的点对点互连 差分信号传送差分信号传送 采用交换开关互连多台设备采用交换开关互连多台设备 PCI Express 事务与包事务与包 PCI Express的事务分成两类：的事务分成两类： 非转发事务，即请求者发送请求

33、包给完成者，完成者返回非转发事务，即请求者发送请求包给完成者，完成者返回完成包给请求者，如存储器读事务；完成包给请求者，如存储器读事务； 转发事务，即只有请求者给完成者发送请求包，而完成者转发事务，即只有请求者给完成者发送请求包，而完成者不用返回完成包给请求者，如存储器写事务不用返回完成包给请求者，如存储器写事务 具有更高的数据传输率具有更高的数据传输率PCI-E总线主要特点总线主要特点2022-6-2639 PCI Express设备采用层次结构设备采用层次结构 采用层次结构的优势采用层次结构的优势 分散关注分散关注 松散耦合松散耦合 逻辑复用逻辑复用 标准定义标准定义 2022-6-264

34、0 错误处理错误处理 具有优先级的传送具有优先级的传送 两种中断方式两种中断方式 一种是类似一种是类似PCI-X的的MSI协议，协议，PCI Express设备启设备启动一个写存储器包，向根复合体发送一个中断向量，动一个写存储器包，向根复合体发送一个中断向量，根复合体再中断根复合体再中断CPU。 另一种是使用中断消息事务向根复合体传送传统另一种是使用中断消息事务向根复合体传送传统PCI总线上的总线上的INT x信号的跳变情况，这种中断方信号的跳变情况，这种中断方式只对具有传统功能的端点设备和式只对具有传统功能的端点设备和PCI Express-PCI桥的系统有用。桥的系统有用。 支持热插拔（即

35、带电插拔，允许用户在不关闭支持热插拔（即带电插拔，允许用户在不关闭系统，不切断电源的情况下取出设备）系统，不切断电源的情况下取出设备）2022-6-26413 外部总线外部总线 外部总线又称为外部总线又称为通信总线通信总线，用于计算机之间，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。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。外部用电子工业或其他领域已有的总线标准。外部总线又分为总线又分为并行总线并行总线和和串

36、行总线串行总线. 2022-6-2642 IEEE-488总线总线 RS-232-C总线总线 RS-422和和RS-485总线总线 通用串行总线（通用串行总线（USB）2022-6-2643 IEEE-488IEEE-488总线是一种并行外部总线，专门用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这些仪器设备之间的并行通信。 IEEE-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,总线上连接的设备有三种，工作方式也有三种总线上连接的设备有三种，工作方式也有三种:3.

37、1 IEEE-488总线总线 控者（控者（“控制控制”方式）：每时只能有一方式）：每时只能有一个个 听者（听者（“受话受话”方式）：同时可有多个方式）：同时可有多个 讲者（讲者（“送话送话”方式）：每时只能有一方式）：每时只能有一个个2022-6-2644IEEE-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

38、管理线管理线电压表电压表2 2打印机打印机2022-6-2645 接口管理总线接口管理总线 接口清除线接口清除线IFC、服务请求线、服务请求线SQR、注意线、注意线ATN、结束或识别线结束或识别线EQI、远程允许、远程允许RENIEEE-488总线的信号分配总线的信号分配IEEE-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）数据总线数据总线D1-D8D1-D8 数据传送控制线数据传送控制线 数据有效线数据有效线DAV、未准备好接受数据线、未准备好接受数据线NRFD、未、未接受好数据线接受好数据线NDAC2022-6-2646数据传输率不得超过每秒数据传输率不得超过每秒1M字

39、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，两设备间不超过超过2m采用负逻辑采用负逻辑使用使用IEEE-488的约定的约定2022-6-2647采用异步方式，利用三条控制线进行握手联络，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实现三线握手的数据传输 IEEE-488总线数据传送时序总线数据传送时序2022-6-2648 RS-232-C总线是一种串行外部总线，专总线是一种串行外部总线，专门 用 于 数 据 终 端 设 备门 用 于 数 据 终 端 设 备 D T E （ D a t a Terminal

40、Equipment）和数据通信设备）和数据通信设备D C E （ D a t a C o m m u n i c a t i o n Equipment）之间的串行通信。）之间的串行通信。3.2 RS-232-C总线总线 是是1969年由美国电子工业协会（年由美国电子工业协会（EIA）从）从CCITT远程通信标准中导出的一个标准。远程通信标准中导出的一个标准。 2022-6-2649RS-232-C总线的接口连接器采用总线的接口连接器采用DB-25插头和插座，插头和插座，其中阳性插头（其中阳性插头（DB-25-P）与）与DTE相连，阴性插座相连，阴性插座（DB-25-S）与）与DCE相连。相连

41、。 RS-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。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，其插头根引脚，其插头插座在插座在RS-232-C的机械特性中都有规定。的机械特性中都有规定。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和信号和信号地线地线72022-6-2650 MODEM控制和状态引脚分为两组控制和状态引脚分为两组 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接接口送给口送给MODEM 另一组为另一组为DSR、CTS、DCD和

42、和RI，负责从，负责从MODEM通过通过RS-232C接口送给计算机的状态信息接口送给计算机的状态信息 常用的常用的9根引脚分为两类根引脚分为两类：另一类是用于调制解调器（另一类是用于调制解调器（MODEM）的控制和反）的控制和反 映其状态的引脚。映其状态的引脚。 基本数据传送引脚包括：基本数据传送引脚包括：TXD、RXD和和GND 一类是基本的数据传送引脚一类是基本的数据传送引脚2022-6-2651RS-232C总线的电气特性总线的电气特性电气连接方式：电气连接方式：TTL电平：电平：+5V为逻辑为逻辑“1”，0V为逻辑为逻辑“0”；EIA电平：电平：315V为逻辑为逻辑“1”，-3-15

43、V为逻辑为逻辑“0” 主要特点：主要特点：非平衡的连接方式非平衡的连接方式采用点对点通信采用点对点通信公用地线公用地线2022-6-2652最高通信速率为最高通信速率为115200bpsRS-232C标准规定通信距离应小于标准规定通信距离应小于15m。 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(通通/断断)、或逻辑、或逻辑0/逻辑逻辑1。引线逻辑电平引线逻辑电平 用用-3-15V表示逻辑表示逻辑1用用+3+15V表示逻辑表示逻辑0 短路抑制性能短

44、路抑制性能 RS-232C的驱动电路必须能承受电缆中任何的驱动电路必须能承受电缆中任何导线短路导线短路 通信速率通信速率 2022-6-2653具有具有MODEM设备的远距离通信线路设备的远距离通信线路 RS-232-C总线的通信结构总线的通信结构2022-6-2654 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2022-6-26553.3 RS-422和和RS-485总线总线 RS-422A标准接口标准接口 RS-422由由RS-232C发展而来发展而来 RS-422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输的总线是一种单机发送、多机接收的

45、单向、平衡传输的总线标准标准 RS-422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，完成始端的信息传送；通过传输线接线驱动器，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，把电位差转变成逻辑电平，实现终端的信息接收收器，把电位差转变成逻辑电平，实现终端的信息接收2022-6-2656RS-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

46、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10Mbps。RS-422A接口电路接口电路 2022-6-2657RS-485标准接口标准接口RS-485是一种多发送器的电路标准，它是是一种多发送器的电路标准，它是RS-422A性能的性能的扩展，是真正意义上的总线标准。扩展，是真正意义上的总线标准。允许在二根导线允许在二根导线(总线总线)上挂接上挂接32台台RS-485负载设备。负载设备。负载设备可以是负载设备可以是发送器、被动发发送器、被动发送器、接收器或送器、接收器或组合收发器（发组合收发器

47、（发送器和接收器的送器和接收器的组合）组合） 2022-6-2658RS485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表示。表示。RS-485的数据最高传输速率为的数据最高传输速率为10MbpsRS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强。合，抗共模干扰能力增强。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，在总线上是允许连接多达允许连接多达12

48、8个收发器个收发器,即具有多站能力和多机通即具有多站能力和多机通信功能。信功能。2022-6-2659RS-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不能采用总线方式通信，但可以采用环路方式通信，而信，但可以采用环路方式通信，而RS-485两者两者均可。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。2022-6-2660串行总线协议转换器串行总线协议转换器 2022-6-2661USB设备的主要

49、特点设备的主要特点采用采用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的带的带宽，而宽，而USB2.0可提供可提供480Mb/s的传输速度，的传输速度，USB3.0传输速度为传输速度为4.8Gb/s。USB总线能够提供总线能够提供500mA的电流，的电流，USB3.0为为900mA。 3.4 USB通用串行总线通用串行总线USB (Universal Serial Bus) 协议标准协议标准 USB1.0、USB1.1、USB2.0、USB On-Th

50、e- Go（OTG）、）、USB3.0总线标准总线标准 2022-6-2662USB传输速率及其适用范围传输速率及其适用范围 2022-6-2663USB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USB 集线器（集线器（HUB）USB总线的设备，又称总线的设备，又称USB功能外设。功能外设。USB设备及其体系结构设备及其体系结构2022-6-2664USB的传输方式的传输方式控制控制(Control)传输方式传输方式设备控制指令、状态查询及确认命令设备控制指令、状态查询及确认命令中断中断(Interrupt)传输方式传输方式数据量小、需及时处理的数据，如键盘

51、、鼠标数据量小、需及时处理的数据，如键盘、鼠标同步同步(Isochronous)传输方式传输方式对数据正确性要求不高、对时间敏感的外部设备，对数据正确性要求不高、对时间敏感的外部设备，如麦克风、喇叭如麦克风、喇叭批批(Bulk)传输方式传输方式正确无误的大批量数据，如移动硬盘、打印机、正确无误的大批量数据，如移动硬盘、打印机、扫描仪和数码相机扫描仪和数码相机2022-6-2665 所有所有USB外设都有一个上行的连接，上外设都有一个上行的连接，上 行连接采用行连接采用A型接口，而下行连接一般则型接口，而下行连接一般则采用采用B型接口。型接口。USB设备的电气连接设备的电气连接USB连接分为上行

52、连接和下行连接。连接分为上行连接和下行连接。USB电缆中有四根导线，电缆中有四根导线，VBUS为电为电源，源，+5V2022-6-2666USB连接设备和主机的连接方法连接设备和主机的连接方法 USB 集线器和设备的电阻连接集线器和设备的电阻连接2022-6-2667USB连接设备和主机的连接方法连接设备和主机的连接方法 USB集线器通过监视差分数据线来检测设备是否已连接到集线集线器通过监视差分数据线来检测设备是否已连接到集线器的端口上器的端口上.当没有设备连接到当没有设备连接到USB端口时，端口时，D+和和D-通过下拉电阻通过下拉电阻Rpd电平是电平是近地的。近地的。USB设备必须至少在设备

53、必须至少在D+和和D-线的任意一条上有一个上拉电阻线的任意一条上有一个上拉电阻Rpu 由于由于Rpu=1.5K,Rpd=15K ,所以数据线上会有所以数据线上会有90%的的Vcc电压电压集线器通过检测不同的数据线电压接近集线器通过检测不同的数据线电压接近Vcc来判别是哪一类来判别是哪一类USB设备连接到其端口上设备连接到其端口上如如D+电平接近电平接近Vcc，D-近地，则所连设备为全速设备近地，则所连设备为全速设备如如D-电平接近电平接近Vcc，D+近地，则所连设备为低速设备近地，则所连设备为低速设备当当D+和和D-的电压都降到的电压都降到0.8V以下，并持续以下，并持续2.5微秒以上的话，微

54、秒以上的话，就认为该设备断开连接了。就认为该设备断开连接了。2022-6-2668其他几种常见的串行总线 I2C总线总线 SPI总线总线2022-6-2669串行通信串行通信：使用串口通信时，发送和接收到的每一个字符串行通信：使用串口通信时，发送和接收到的每一个字符实际上都是一次一位的传送的，每一位为实际上都是一次一位的传送的，每一位为1或者为或者为0采用串行总线技术可以使系统的硬件设计大大简化、系统采用串行总线技术可以使系统的硬件设计大大简化、系统的体积减小、可靠性提高。同时，系统的更改和扩充极为的体积减小、可靠性提高。同时，系统的更改和扩充极为容易容易可分为可分为同步通信同步通信和和异步通

55、信异步通信两类两类 同步通信：发送时钟和接收时钟保持严格的同步，如：同步通信：发送时钟和接收时钟保持严格的同步，如：I2C，SPI 异步通信：发送端和接收端可以由各自的时钟来控制数据的异步通信：发送端和接收端可以由各自的时钟来控制数据的发送和接收，这两个时钟源彼此独立，互不同步。每个字符发送和接收，这两个时钟源彼此独立，互不同步。每个字符都有开始位和停止位，一次同步一个字符，在开始位进行同都有开始位和停止位，一次同步一个字符，在开始位进行同步。如：步。如：UART（RS232）2022-6-2670I2C总线（IIC、I2C） I2C（Inter IC Bus）总线是）总线是Philips公司

56、开发的公司开发的一种双向两线串行总线，以实现集成电路之间一种双向两线串行总线，以实现集成电路之间的有效控制。目前，的有效控制。目前，Philips及其它半导体厂商及其它半导体厂商提供了大量的含有提供了大量的含有I2C总线的外围接口芯片，总线的外围接口芯片，I2C总线已成为广泛应用的工业标准之一总线已成为广泛应用的工业标准之一 I2C总线传输率总线传输率 标准模式下，基本的标准模式下，基本的I2C总线规范的规定的数据传输总线规范的规定的数据传输速率为速率为100kb/s 快速模式下，数据传输速率为快速模式下，数据传输速率为400KB/s 高速模式下，数据传输速率为高速模式下，数据传输速率为3.4

57、Mb/s2022-6-2671 I2C总线采用二线制传输，一根是数据线总线采用二线制传输，一根是数据线SDA（Serial Data Line），另一根是时钟线），另一根是时钟线SCL（Serial Clock Line），所有），所有I2C器件都连接器件都连接在在SDA和和SCL上，每一个器件具有一个唯一的上，每一个器件具有一个唯一的地址地址 I2C总线是一个多主机总线，总线上可以有一总线是一个多主机总线，总线上可以有一个或多个主机（或称主控制器件），总线运行个或多个主机（或称主控制器件），总线运行由主机控制由主机控制 主机是指启动数据的传送（发起始信号）、发出时钟信号、发出终止信号的器件。

58、通常，主机由单片机或其它微处理器担任 被主机访问的器件叫从机（或称从器件），它可以是其它单片机，或者其他外围芯片，如：A/D、D/A、LED或LCD驱动串行存储器芯片2022-6-2672 I2C总线支持多主（总线支持多主（multi-mastering）和主从）和主从（master-slave）两种工作方式）两种工作方式 多主方式下，I2C总线上可以有多个主机。I2C总线需通过硬件和软件仲裁来确定主机对总线的控制权 主从工作方式时，系统中只有一个主机，总线上的其它器件均为从机（具有I2C总线接口），只有主机能对从机进行读写访问，因此，不存在总线的竞争等问题。在主从方式下，I2C总线的时序可以

59、模拟 ，I2C总线的使用不受主机是否具有I2C总线接口的制约 在嵌入式系统的串行总线扩展中，经常遇到的是以MCU为主机，其它接口器件为从机的单主机情况2022-6-26732022-6-2674采用I2C总线设计系统的优点 功能框图中的功能模块与实际的外围器件对应，功能框图中的功能模块与实际的外围器件对应，可以使系统设计直接由功能框图快速地过渡到可以使系统设计直接由功能框图快速地过渡到系统样机系统样机 外围器件直接外围器件直接“挂在挂在”I2C总线上，不需设计总线上，不需设计总线接口；增加和删减系统中的外围器件，不总线接口；增加和删减系统中的外围器件，不会影响总线和其他器件的工作，便于系统功能

60、会影响总线和其他器件的工作，便于系统功能的改进和升级的改进和升级 集成在器件中的寻址和数据传输协议可以使系集成在器件中的寻址和数据传输协议可以使系统完全由软件来定义统完全由软件来定义2022-6-2675I2C总线的数据传输 I2C总线通过上拉电阻接正电源。当总线空闲时，两根总线通过上拉电阻接正电源。当总线空闲时，两根线均为高电平。连到总线上的任一器件输出的低电平，线均为高电平。连到总线上的任一器件输出的低电平，都将使总线的信号变低，即各器件的都将使总线的信号变低，即各器件的SDA及及SCL都是都是线线“与与”关系关系2022-6-2676 1、数据位的有效性、数据位的有效性 I2C总线进行数