计算机测控系统02第二章计算机总线技术

第二章

计算机总线技术

BusTechnologyofComputer

---计算机测控技术---31.08.20241第二章计算机总线技术本章主要内容计算机总线的一般概述计算机总线的体系结构内部总线外部总线总线的未来31.08.20242第二章计算机总线技术第一节Unit1计算机总线的一般概述IntroductionofComputerBus31.08.20243第二章计算机总线技术本节主要内容总线结构连接总线的分类总线的模板化结构总线：一组进行互连和传输信息的信号线。好比是连接计算机系统各个部件之间的桥梁。广义上也将AGP(图形加速端口)接口、USB(通用串行总线)接口等称为AGP总线、USB总线。31.08.20244第二章计算机总线技术在计算机应用系统内部，有各种功能模块：如I/O接口、A/D、D/A等，模块之间要进行信息交换；一般并行传输。在不同独立的应用系统之间也要进行信息交换；一般串行传输。传输的方式要遵循某种原则：

插件的几何尺寸应相同；插头座的规格应统一，针数相同；插针的定义应统一；信号定义和工作时序应相同诞生了总线31.08.20245第二章计算机总线技术2-1概述总线的定义：一组公用线的集合，组成信息通道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(起到桥梁作用)符合某种总线的标准实际上是计算机系统真正的核心总线技术通道控制功能、使用方法、仲裁方法和传输方式等总线的标准、结构不同，性能差异很大31.08.20246第二章计算机总线技术总线标准计算机中使用的总线标准有二类：1.IEC（国际电工委员会）和IEEE（美国电气与电子工程师协会）制定的：S100、STD、MultiBus、VMESCSI总线等，其特点是通用性、兼容性、可扩展性、适应能力强，适用于各类CPU。大部分厂商都支持这些标准2.著名厂家如IBM、Intel、Microsoft、Compaq、HP、Motorola、Apple等联合推出的总线标准，成为事实上的国际标准，外围设备提供商和兼容机厂家都遵循其标准。如IBMPC-XT、PC/AT/ISA总线等。31.08.20247第二章计算机总线技术总线标准的通用性按某种总线标准设计的外围接口设备适用于采用这种总线标准的任何系统；进行接口设计时，不用研究计算机系统的具体结构和CPU的具体特性，只要按总线标准进行接口设计即可。31.08.20248第二章计算机总线技术并行总线并行总线分为计算机内部和系统间二种内部总线采用三总线结构（DB、AB、CB），数据传输能力由DB宽度和时钟决定，寻址范围由AB决定，控制管理协调能力由CB决定。系统间又称为并行通讯总线，速度快，一般用于连接近距离（几米）高速数据传输设备，一般为8位数据线和几根握手线，并同时制定通讯协议。31.08.20249第二章计算机总线技术31.08.202410第二章计算机总线技术各类总线性能对比31.08.202411第二章计算机总线技术2-1-1总线结构连接（1）总线结构连接示意图总线1#总线接口2#3#4#5#6#总线与总线接口一起便称之为总线结构31.08.202412第二章计算机总线技术2-1-1总线结构连接（2）总线结构连接的优点结构由面向CPU变为面向总线硬件、软件模块化设计与生产结构清晰,便于灵活组态、扩充、改进与升级符合同一总线标准的产品兼容性强满足用户不同的需要,容易构成各种用途的计算机应用系统31.08.202413第二章计算机总线技术2-1-2总线的分类（1）根据总线的功能和应用场合，总线有内部总线（InternalBus)用于计算机内部模块（板）之间通信外部总线（ExternalBus)：又称通讯总线用于计算机之间或计算机与设备之间通信根据总线的结构，总线可分为并行总线：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31.08.202414第二章计算机总线技术2-1-2总线的分类（2）内部总线：又称系统总线或模板级总线常用的有PC、STD、VME、MULTIBUS等数据总线D：用于传递数据信息地址总线A：用于传递地址信息控制总线C：包括控制、时序和中断信号线，用于传递各种控制信息电源总线P：向总线提供电源外部总线如：IEEE-488、RS-232C、RS-485等31.08.202415第二章计算机总线技术2-1-2总线的分类（3）局部总线、系统总线、通信总线局部总线----是在传统的ISA/EISA总线和CPU总线之间增加的一级总线或管理层，这是因为ISA/EISA已远远不能适应系统高传输能力的要求，如PCI。系统总线即内部总线通信总线即外部总线31.08.202416第二章计算机总线技术2-1-2总线的分类（4）……CPU总线母板RAMROMA/DD/A外部总线接口数据总线D地址总线A控制总线C电源总线P计算机内部总线结构示意图31.08.202417第二章计算机总线技术决定总线性能的因素总线时钟频率(即总线工作频率，单位MHz)；总线宽度即数据总线的位数，单位为bit；总线传输速率即总线带宽，在总线上每秒钟传输的最大字节数MB/s，每秒处理多少兆字节。它们之间的相关计算公式：

传输速率=总线时钟频率*总线宽度/831.08.202418第二章计算机总线技术2-1-3总线的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总线连接的模板结构：CPU主板、RAM/ROM存储板、A/D、D/A、DI、DO等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、扩展性和可靠性为系统的维修提供了方便31.08.202419第二章计算机总线技术第二节Unit2计算机总线的体系结构ArchitectonicsofComputerBus31.08.202420第二章计算机总线技术本节主要内容计算机技术的发展过程在一定意义上来说是总线技术的发展史，每一次新的主流总线技术的出现都给计算机带来了全面的革新。总线的体系结构总线的控制方式31.08.202421第二章计算机总线技术2-2-1总线的体系结构（1）主控模块（Master,主模块)可以控制总线并启动数据传送的任何模块受控模块（Slave,从模块)能够响应总线主模块发出命令的任何模块体系结构指由总线本身定义地址空间、数据长度、操作定时信号以及传输协议等，以保证CPU的性能得到充分发挥而与CPU无关。31.08.202422第二章计算机总线技术2-2-1总线的体系结构（2）单总线体系结构(SingleBusArchitecture)所有模块都连到单一总线上，只有一个数据通路，仅适用于慢速的计算机。31.08.202423第二章计算机总线技术2-2-1总线的体系结构（3）单总线体系结构(SingleBusArchitecture)CPU协处理器Modem显示器硬驱打印机打印机存储器31.08.202424第二章计算机总线技术2-2-1总线的体系结构（4）并发总线体系结构

(ConcurrentBusArchitecture)将存储器和I/O的数据通路分开，以解决CPU与存储器、I/O之间数据传输的速度不一的矛盾。31.08.202425第二章计算机总线技术2-2-1总线的体系结构（5）并发总线体系结构(ConcurrentBusArchitecture)CPU协处理器Modem显示器硬驱打印机打印机存储器总线控制器31.08.202426第二章计算机总线技术2-2-1总线的体系结构（6）带cache的并发总线体系结构(ConcurrentBusArchitectureWithcache)类似于并发总线体系结构，只是在CPU和存储器的数据通路上多了一个高速缓冲存储器cache及cache控制器。31.08.202427第二章计算机总线技术2-2-1总线的体系结构（7）带cache的并发总线体系结构Cache控制器协处理器Modem显示器硬驱打印机打印机主存储器总线控制器光盘驱动器其它I/O卡Cache存储器CPU31.08.202428第二章计算机总线技术2-2-2总线的控制方式（1）总线控制总线上可以挂多个主模块,但在同一时刻只能有一个主模块控制总线；对信息的传送需要控制,以防止信息丢失。总线控制线路包括总线判优或仲裁逻辑、总线控制驱动器和中断逻辑等。31.08.202429第二章计算机总线技术2-2-2总线的控制方式（2）用硬件进行总线裁决（控制）的方式串行链接式总线裁决定时查询方式独立请求式总线裁决31.08.202430第二章计算机总线技术2-2-2总线的控制方式（3）串行链接式总线裁决总线可用部件0总线控制器部件1部件N-1总线请求总线总线忙图中，请求线是公共的，图中部件0的优先级最高。31.08.202431第二章计算机总线技术2-2-2总线的控制方式（4）定时查询方式这种方式中，优先级可以用程序控制，灵活性较强。计数值有2种方式。总线忙部件0总线控制器部件1部件N-1总线请求总线计数值31.08.202432第二章计算机总线技术2-2-2总线的控制方式（5）独立请求式总线裁决这种方式中，总线控制器根据某种算法对同时来的请求进行裁决。部件0总线控制器部件1部件N-1总线BR0BG0BR1BG1BRN-1BGN-1总线忙信号SACK31.08.202433第二章计算机总线技术2-2-2总线的控制方式（6）总线裁决采用的主要算法静态优先级算法（又称作菊花链算法）固定时间算法动态优先级算法先来先服务算法31.08.202434第二章计算机总线技术2-2-2总线的控制方式（7）总线的通信方式(1)同步式通信(SynchronousTransfer)数据的传输在一个共同的时钟信号控制下进行优点是模块间的配合简单一致,缺点是对所有模块都强求一致的同一时限,设计缺乏灵活性(2)异步式传输(AsynchronousTransfer)利用数据发送部件和接收部件之间的“握手(Handshaking)”信号线来实现总线数据传送可以实现不同速度的设备之间的数据传送31.08.202435第二章计算机总线技术第三节Unit3内部总线InternalBus31.08.202436第二章计算机总线技术本节主要内容STD总线当前主流总线31.08.202437第二章计算机总线技术STD总线STD总线即StandardBus，是一种规模最小，面向工业控制，设计周密的8位系统总线。STD总线支持8位微处理器。

31.08.202438第二章计算机总线技术2-3-1STD总线（1）STD总线的特点：56根并行总线，采用小模板结构,尺寸为165×114mm模块化的总体设计布局开放式的系统结构拥有丰富的I/O功能模板的小尺寸设计,减少冲击和震动的影响31.08.202439第二章计算机总线技术2-3-1STD总线（2）STD总线的信号分配56根并行总线都有明确的定义，按功能可分为五大类(1)逻辑电源线6根(引线1～6)(2)数据总线8根(引线7～14)(3)地址总线16根(引线15～30)(4)控制总线22根(引线31～52)(5)辅助电源线4根(引线53～56)31.08.202440第二章计算机总线技术2-3-1STD总线（3）STD总线与存储器和I/O的连接与存储器的连接方法总线低位地址A0～A12直接连接到各存储器芯片,高位地址A13～A15用来选片（可选64K基本存储器，通过扩展，可增至128K）与I/O的连接地址码的低位字节连接到总线译码器,形成选板信号和选口信号,选通I/O端口工作（可选128个口，扩展后可增至256个口）31.08.202441第二章计算机总线技术2-3-2主流总线与IPC机IPC机的优点(1)IPC机与PC机的软件完全兼容；(2)开放性的结构和软硬件标准的公开；(3)各类高性能I/O模板成熟,性能价格比提高；(4)IPC机本身的性能指标不断提高,已能适应工业环境的基本要求；(5)通信与网络技术的引入，便于通过网络连接,组成可靠性高、灵活性强的多级系统体系。31.08.202442第二章计算机总线技术2-3-2主流总线的发展PC系列总线IBM公司1981年推出基于8位机的PC/XT总线，PC总线1984年推出基于16位机的PC/AT总线，AT总线

但从未公开过AT总线的技术规格Intel公司、IEEE和EISA集团联合推出与IBM/AT原装机总线意义相近的ISA(IndustryStandardArchitecture)总线，即8/16位的“工业标准结构”：数据传输率最高8MB/s,寻址空间为224=16MB31.08.202443第二章计算机总线技术ISA总线总线的元老特点：CPU为唯一主模块，插卡数量亦有限缺少中枢寄存器，不能动态分配资源已接近淘汰但因许多老设备如声卡、Modem等仍离不开它，故许多主板芯片依然提供对其的支持(如下页的主板示意图等)31.08.202444第二章计算机总线技术31.08.202445第二章计算机总线技术用到ISA总线的声卡示意图31.08.202446第二章计算机总线技术过渡总线MCA(MicroChannelArchitecture)IBM提出的支持386的系统总线标准，数据宽度32位(支持4G的寻址能力)，传输率33MB/s，与ISA不兼容，技术未公开EISA(ExtendedISA)总线由Compaq、HP等九家公司在1988年推出的与MCA抗衡的总线，与ISA有良好的兼容性31.08.202447第二章计算机总线技术PCI局部总线PCI(PeripheralComponentInterconnect)现在是主板上最常见的插槽(如下页图示)不依附于某个具体的处理器结构上是在CPU与原来的系统总线间插入的一级总线，具体由一个桥接电路实现对该层的管理；提供信号缓存，支持10种外设数据总线32/64位，最大传输速率达132MB/s可同时支持多组外围设备31.08.202448第二章计算机总线技术31.08.202449第二章计算机总线技术采用PCI的显卡31.08.202450第二章计算机总线技术CompactPCI

CompactPCI的意思是“坚实的PCI”，是当今第一个采用无源总线底板结构的PCI系统，是PCI总线的电气和软件标准加欧式卡的工业组装标准，是当今最新的一种工业计算机标准。CompactPCI是在原来PCI总线基础上改造而来，它利用PCI的优点，提供满足工业环境应用要求的高性能核心系统，同时还考虑充分利用传统的总线产品，如ISA、STD、VME或PC/104来扩充系统的I/O和其他功能。

31.08.202451第二章计算机总线技术PC/I04(1)专门为嵌入式控制而定义的工控总线实质上是一种紧凑型，小型化的IEEE-P996.其型号定义和PC/AT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入式控制系统。PC/104总线产品软件上与PC/AT完全兼容。31.08.202452第二章计算机总线技术PC/I04(2)

31.08.202453第二章计算机总线技术PC/I04硬件特点小尺寸结构,标准模块：96x90mm堆栈式，“针”“孔”总线连接，即PC/104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,有极好的抗震性。4mA总线驱动既可使模块正常工作，低功耗，减少元件数量自我堆栈式连接，无须母板31.08.202454第二章计算机总线技术PC/I04版本

PC/104,8位，16位分别与PC和PC/AT相对应PC/104plus则与PCI总线相对应一个PC/104CPU模块则可以同时拥有PC/104和PC/104plus总线

31.08.202455第二章计算机总线技术AGP总线(1)AGP(AcceleratedGraphicsPort)更确切地说为图形加速接口，是Intel公司推出的新一代图形显示卡专用数据通道，它只能安装AGP的显示卡。它将显示卡同主板内存芯片组直接相连，大幅提高了电脑对3D图形的处理速度，信号的传送速率可以提高到533MB/s。AGP的工作频率为66.6MHz，是现行PCI总线的一倍。31.08.202456第二章计算机总线技术AGP总线(2)AGP显示卡和内存之间有一条高速的通道，它要直接使用系统内存来处理图像数据，不过宝贵的系统内存就会被占用了。现在的SLOT1主板、SUPER7主板都提供了AGP接口。AGP接口图示31.08.202457第二章计算机总线技术SLOT1主板31.08.202458第二章计算机总线技术USB接口(1)USB(UniversalSerialBus)是由个人电脑协会和电讯工业厂家(包括Compaq、IBMNEC、Microsoft等)共同开发的新一代的多媒体电脑的外设接口。将不同的接口统一用一个4针标准插头。所有的USB外设利用“One-Size-Fits-All”连接器简单方便地连接入计算机。

31.08.202459第二章计算机总线技术USB接口(2)使用新的、通用标准连接器，在计算机上添加设备时不必再打开机箱，安装板卡，甚至都不必重新启动，就可以使用新的设备，USB使您的计算机更易使用。USB接口示意图31.08.202460第二章计算机总线技术USB接口(3)连结的设备数一个USB最多可以连结127个设备传输速度若是使用鼠标或者键盘等不需要高速的设备时，它就采用1.5Mbps的传输速率若是使用MODEM，音箱、打印机等需要高速传输数据的设备时，则采用12Mbps的同步传输速率(结点间距离5米)。最新USB2.0标准的MAX传输率480Mbps.31.08.202461第二章计算机总线技术USB采用四线电缆，其中两根是用来传送数据的串行通道，另两根为下游设备提供电源.VBUSD—GNDD+VBUSD+D—GND31.08.202462第二章计算机总线技术另外的一些总线IEEE1394总线IDE总线SCSI总线AMR总线31.08.202463第二章计算机总线技术第四节Unit4外部总线ExternalBus31.08.202464第二章计算机总线技术本节主要内容IEEE-488总线概述IEEE-488总线的信号分配RS-232CRS-422/48531.08.202465第二章计算机总线技术2-4-1IEEE-488总线概述（1）IEEE-488是1970年由美国惠普公司开发的并行通讯总线,用来连接系统，如微计算机、数字电压表、数码显示器等设备及其他仪器仪表均可用IEEE-488总线装配起来。它按照位并行、字节串行双向异步方式传输信号，连接方式为总线方式，仪器设备直接并联于总线上而不需中介单元，但总线上最多可连接15台设备。最大传输距离为20米，信号传输速度一般为500KB/s，最大传输速度为1MB/s。

总线上连接的设备有三种，工作方式也有三种听者（“受话”方式）：同时可有多个讲者（“送话”方式）：每时只能有一个控者（“控制”方式）：每时只能有一个31.08.202466第二章计算机总线技术2-4-1IEEE-488总线概述（2）IEEE-488总线的连接示意图DIO1～

DIO8DAVNRFDNDAC

EOI

IFCATNSRQREN

设备A

控者讲者听者

计算机

设备B

讲者听者

电压表1

设备C

讲者听者

设备D

听者

数据线数据控制线接口管理线电压表2打印机31.08.202467第二章计算机总线技术2-4-1IEEE-488总线的信号分配（1）IEEE-488共定义了24根线（其中8根地线）数据总线DIO0~DIO8数据传送控制线数据有效线DAV、未准备好接受数据线NRFD、未接受好数据线NDAC接口管理总线接口清除线IFC、服务请求线SQR、注意线ATN、结束或识别线EQI、远程允许REN31.08.202468第二章计算机总线技术2-4-1IEEE-488总线的信号分配（2）使用IEEE-488的约定数据传输率不得超过每秒1M字节总线上的设备数不得多于15个电缆总长度不超过20m，两设备间不超过4m采用负逻辑31.08.202469第二章计算机总线技术2-4-2RS-232C总线标准及应用RS-232C是美国电子工业协会EIA（ElectronicIndustryAssociation）制定的一种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数。RS-232-C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道，在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。RS-232-C标准规定的数据传输速率为每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。RS-232-C标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用150pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15m；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m以内的通信。31.08.202470第二章计算机总线技术2-4-2RS-232C总线标准及应用引脚号信号名称方向信号功能1DCDPC机←仪器PC机收到远程信号（载波检测）2RXDPC机←仪器PC机接收数据3TXDPC机→仪器PC机发送数据4DTRPC机→仪器PC机准备就绪5GND-信号地6DSRPC机←仪器仪器准备就绪7RTSPC机→仪器PC机请求发送数据8CTSPC机←仪器仪器已切换到接收状态（清除发送）9RIPC机←仪器通知PC机，线路正常（振铃指示）31.08.202471第二章计算机总线技术2-4-3RS-485总线在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485串行总线标准。RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用RS-485可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器