《计算机数据通信》课件第2章

第2章计算机通信技术2.1计算机系统总线

2.2RS-232C串行总线

2.3EIA-449串行总线

2.4USB通用串行总线及应用

2.5IEEE1394总线

2.6I2C总线

2.1计算机系统总线2.1.1总线的分类

1.按相对位置分类按相对于CPU或其他芯片的位置总线可分为:片内总线和片外总线。在CPU内部,寄存器之间和算术逻辑部件ALU及控制部件之间传输数据所用的总线称为片内总线(即芯片内部的总线);通常所说的总线(Bus)指片外总线,是CPU与内存RAM、ROM和输入/输出设备接口之间进行通信的通路。有的资料上也把片内总线叫做内部总线或内总线(InternalBus),把片外总线叫做外部总线或外总线(ExternalBus)。

2.按总线的功能分类按总线的功能可将其分为:地址总线、数据总线和控制总线。通常所说的总线都包括上述三个组成部分。地址总线(ABus)用来传送地址信息,数据总线(DBus)用来传送数据信息,控制总线(CBus)用来传送各种控制信号。例如,ISA总线共有98条线(即ISA插槽有98个引脚),其中数据线有16条(构成数据总线),地址线24条(构成地址总线),其余各条为控制信号线(构成控制总线)、接地线和电源线。

3.按总线的层次结构分类按总线的层次结构可将其分为:CPU总线、存储总线、系统总线和外部总线。

(1)CPU总线包括地址线(CAB)、数据线(CDB)和控制线(CCD),用来连接CPU和控制芯片。

(2)存储总线包括地址线(MAB)、数据线(MDB)和控制线(MCD),用来连接存储控制器和DRAM。

(3)系统总线也称为I/O通道总线,包括地址线(SAB)、数据线(SDB)和控制线(SCB),用来与扩充插槽上的各扩充板卡相连接。系统总线有多种标准,适用于各种系统。

(4)外部总线用来连接外设控制芯片(如主机板上的I/O控制器和键盘控制器),包括地址线(XAB)、数据线(XDB)和控制线(XCB)。

4.按总线的位置分类按总线在微机系统中的位置可分为:机内总线和机外总线。

(1)机内总线:上面介绍的各类都是机内总线。

(2)机外总线(PeripheralBus)：亦称外设总线,指与外部设备接口的总线,实际上是一种外设的接口标准。目前,在PC机上流行的接口标准有:IDE、SCSI、USB和IEEE1394等四种。前两种主要是与硬盘、光驱等IDE设备接口,后面两种新型外部总线可以用来连接多种外部设备。

5.按总线作用范围分类

按总线作用范围可将其分为：系统总线和局部总线。

(1)系统总线。上面说过,我们要讨论的总线主要是系统总线。PC机上的系统总线又可分为ISA、EISA、MCA、VESA、PCI、AGP等多种标准。

(2)局部总线。在以Windows为代表的图形用户接口(GUI)进入PC机之后,要求有高速的图形描绘能力和I/O处理能力。这不仅要求图形适配卡要改善其性能,也对总线的速度提出了挑战。实际上当时外设的速度已有了很大的提高,如硬磁盘与控制器之间的数据传输率已达10Mb/s以上,图形控制器和显示器之间的数据传输率也达到69Mb/s。通常认为I/O总线的速度应为外设速度的3～5倍。因此原有的ISA、EISA已远远不能适应要求,而成为了整个系统的主要瓶颈。

局部总线是PC体系结构的重大发展。它打破了数据I/O的瓶颈,使高性能CPU的功能得以充分发挥。从结构上看,所谓局部总线是在ISA总线和CPU总线之间增加了一级总线或管理层。这样可将一些高速外设,如图形卡、硬盘控制器等从ISA总线上卸下而通过局部总线直接挂接到CPU总线上,使之与高速的CPU总线相匹配。局部总线可分为三种:

·专用局部总线；

·VL总线(VESALocalBus)；

·PCI总线(PeripheralComponentInterconnect)。

2.1.2总线的主要参数

1.总线带宽总线带宽是指一定时间内总线上可传送的数据量,即我们常说的每秒钟传送多少MB的最大稳态数据传输率。与总线带宽密切相关的两个概念是总线的位宽和总线的工作时钟频率。

2.总线位宽总线位宽是指总线能同时传送的数据位数,即我们常说的32位、64位等总线宽度的概念。总线的位宽越宽,则总线每秒数据传输率越大,也即总线带宽越宽。

3.总线工作时钟频率总线的工作时钟频率以MHz或GHz为单位,工作频率越高,则总线工作速度越快,也即总线带宽越宽。总线带宽、总线位宽和总线工作时钟频率的关系举个例子就很容易明白了。高速公路上的车流量取决于公路车道的数目和车辆行驶速度,车道越多、车速越快则车流量越大;总线带宽就像是高速公路的车流量,总线位宽可以看做是高速公路上的车道数,总线时钟工作频率相当于车速,总线位宽越宽、总线工作时钟频率越高,则总线带宽越大。

2.1.3STD总线

STD(Standard)总线是工业控制微机标准总线,它从8位、16位已发展到32位总线。目前仍是国内外某些工业控制机普遍采用的总线标准。

1.STD总线

STD总线是1978年推出的用于工业控制微型机的标准系统总线。自从问世以来,以其优越的性能和强大的生命力在工业控制领域中受到了广泛的欢迎,得到了迅速的发展,被定名为IEEE961。STD总线是流行的工业控制机标准总线。

STD总线开始推出时,是针对当时的8位微型计算机的,随着技术的发展和计算机应用的需要,STD总线经过修订和改进,利用复用技术,在原定义的56个总线信号之下,实现了STD总线支持20位地址,寻址1Mb的直接寻址能力。在保证同现有I/O插件板兼容的条件下,提供全16位数据的传送能力。目前,国内所采用的大多是这种8位、16位兼容的STD总线。20世纪80年代末,STD总线已由56个信号发展到114和136个信号。1989年美国的EAITECH公司开发出了32位的STD32,为高档的STD微机系统的发展打下了良好的基础。

2.STD总线的特点

(1)兼容性好,向上向下均可兼容。例如,8位的STD产品可以与新标准的16位或32位STD产品一起工作。

(2)主板采用小板结构,模块化,开发周期短。STD总线可根据用户的要求组成各种规模的微机应用系统。

(3)可靠性高。该总线构成的工业控制机可以长期可靠地工作于各种恶劣环境之下。

(4)结构简单,能支持多CPU系统,是一种规模小且性能好的系统总线。

(5)系统主板品种齐全,性能良好,价格低廉,为推广STD总线产品打下了基础。

2.1.4

ISA总线

1.ISA总线早期的PC/XT微机作为当时8位机的典型代表,其系统采用的XT总线(也称为IBMPC总线),是为使用8088CPU而设计的,并随着PC/XT微机的普及成为许多微机应用系统设计的标准总线,它定义了62个总线信号,位宽为8位。在XT总线系统里,CPU不仅要处理数据和指令,还要管理扩展总线,而Intel8088时钟频率为4.77MHz,这就限制了扩展总线的速度不能超过4.77MHz。

1984年IBMPC/AT微机闪亮登场时,MCA仍未被使用。在XT总线和MCA总线之间,IBM引入了过渡方案AT总线。AT总线与80286CPU的性能相匹配,它使用16位技术,支持更宽的地址总线和数据总线,保留了原有XT总线的全部62个信号,并扩展了36个信号,形成62引脚大插槽附加36引脚小插槽的特殊结构。AT总线速度与80286相同,为6MHz或8MHz。尽管AT总线是一种拼凑的解决方案,但它提供了有预见性的8/16位混合技术。

由于IBM没有提供AT总线的详细资料,因此扩展卡制造商不得不在一些重要的功能上进行猜测。于是,1987年IEEE定义了工业标准体系结构(ISA),将XT总线定义为8位ISA,将AT总线定义为16位ISA。

2.ISA总线的特点

(1)ISA总线既支持8位数据操作,也支持16位数据操作,为早期的微机提供了良好的兼容性。

(2)ISA总线将AT与XT总线的运行速度提升至8MHz,并可提供最大8Mb/s的数据传输率。

(3)ISA总线更强调I/O处理能力,提供了1kB的I/O空间、15级的硬件中断、7级的DMA通道以及8个设备的负载能力(1台ISA总线微机可提供8个扩展槽)。

(4)ISA总线的地址、数据线采用非多路复用形式,使扩展设计更简便。

(5)ISA总线是一种多主控设备总线。除主CPU外,DMA控制器、DRAM刷新控制器、带处理器的智能卡(只支持一个)都可以成为ISA的主控设备。

(6)用户可选择的现成ISA插件卡种类很多。ISA总线在其定义之前就已广泛流行,因此,可供用户选择的现成ISA插件卡品种较多,如多种通信卡、I/O接口卡等,甚至一些早期的声卡、视卡也是ISA类型。

1.PCI总线

PCI(PeripheralComponentInterconnect,外部组件接口)总线是目前较好的系统总线,也是当前惟一发挥了Pentium或Pentium以上系统优势的总线(有些486类型的微机也使用PCI)。这种总线运行速度为60MHz或更高,提供64位寻址,具有高速存储器和缓冲存储管理的特征。PCI插槽与众不同,它是白色的(ISA发布的标准为黑色),且比ISA插槽短。

由于图形界面及高速传输率扩展卡的需求,Intel公司于1991年首先提出了PCI总线的概念。之后,Intel联合IBM、Compaq等100多家公司共同开发总线,于1993年推出了PCI总线标准。该总线是厂家自发制定的一种企业联盟标准,是专门为奔腾系列芯片设计的。采用面向PCI标准的芯片时,可以大大降低系统的构造成本,这也对PCI总线的发展起到了推动作用。PCIV2.0版本支持32/64位数据总线,总线时钟频率为25～33MHz,数据传输率达132～264Mb/s。PCIV2.1版本(1995年)支持64位数据总线,总线时钟频率为66MHz,最大数据传输率达528Mb/s(8X66),是最初的IBMPC总线的100倍,是最快的ISA总线的40倍。PCI的优良性能使它成为当前Pentium系列芯片的最佳选择,现在所有Pentium主板都使用PCIV2.1或更新版的PCI。

2.PCI总线的特点

(1)PCI总线采用数据线和地址线复用结构,减少了总线引脚数,从而可节省线路空间,降低设计成本。目标设备可用47引脚,总线主控设备可用49引脚。

(2)PCI总线提供了两种信号环境:5V和3.3V,并可进行两种环境的转换,扩大了它的适应范围。

(3)PCI总线对32位与64位总线的使用是透明的,它允许32位与64位器件相互协作。

(4)PCI总线允许PCI局部总线扩展卡和元件进行自动配置,提供了即插即用的能力。

(5)总线独立于处理器,它的工作频率与CPU时钟频率无关,可支持多机系统及新型处理器。

(6)PCI总线具有良好的兼容性,可支持ISA、EISA、MCA、SCSI、IDE等多种总线,同时还预留了发展空间。

(7)PCI总线允许在一个总线中插入32个物理部件(称为设备,当前版本限制为10个),每一个物理部件可以含有最多8个不同的功能部件(称为功能)。除去用于生成广播消息的一个功能部件地址外,在一条PCI总线上最多可有255个可寻址功能部件。

2.1.6

SCSI总线

1.SCSI总线简介

SCSI(SmallComputerSystemInterface,小型计算机系统接口)总线是20世纪80年代由ShugartAssociate公司联合NCR公司研制的高速硬盘接口规范,可用于硬盘、光盘、扫描仪、打印机以及磁带机等多种外围设备的连接,在硬盘驱动器市场有50％以上的占有率。早期的SCSI可传送8位并行数据,数据传输率为5Mb/s,可接8个设备(包括计算机主机)。在1994年正式标准化的SCSI-Ⅱ(ANSIX3.131-1994)包括3种形式:Fast-SCSI采用8位数据传输、10Mb/s数据传输率;Wide-SCSI采用8/16位数据传输;Fast/WideSCSI-Ⅱ数据传输率可达20/40/80Mb/s。

1993年开始草拟的SCSI-Ⅲ开始向并行与串行两个方向发展,形成了SPI、SIP、FCP等10个规范,数据采用8/16/32位,最高数据传输率将达160Mb/s。之后,DEC公司在SCSI-Ⅱ基础上改进形成的UltraSCSI于1996年开始逐步取代FastSCSI-Ⅱ。UltraⅡSCSI于1998年上市,而最新的UltraⅢSCSI数据传输率将达到160Mb/s,最高可达400Mb/s(使用LVD信号,LowVoltageDifferential)。

SCSI被称为小型计算机系统接口总线,它用于计算机与磁带机、软磁盘、硬磁盘、光驱、打印机等设备之间的连接，尤其是广泛应用于计算机与磁盘的连接,是目前市场占有率极高的硬盘驱动器接口标准。

1986年,ANSIX3标准委员会正式接受ShugartAssociated及NCR的提议,将SASI(ShugartAssociatedSystemInterface)改名为SCSI。这就是我们所熟知的SCSI-Ⅰ(ANSIX3.131-1986)。

2.SCSI-Ⅰ总线的主要特点

(1)SCSI-Ⅰ是一种低成本的外总线,其传送速率在异步传送时为1.5Mb/s,在同步传送时高达5Mb/s。

(2)在采用差动驱动器和差动接收器的情况下,工作距离可达25m。当使用单端驱动器和单端接收器进行传送时,允许电缆长度为6m。

(3)总线上最多可以挂接8台总线设备。在任何时刻只允许两个总线设备进行通信。

(4)SCSI-Ⅰ可用于计算机与打印机、软硬磁盘、磁带机、海量光盘的连接,也可以实现计算机与计算机以及数据终端之间的通信。

2.1.7其他总线

1.MCA总线

MCA(MicroChannelArchitecture,微通道体系结构)总线是IBM在1987年为PS/2系统机及其兼容机设计的一个理想的总线,它代表了总线设计的革命性进步。MCA总线使用32位数据总线,将地址总线从24位增加到32位,数据传输率从10Mb／s(16位版本)提高到了16Mb／s(在规范中加入了流式数据协议)。10MHz、32位带宽的MCA总线当时被认为是最好的总线,因为它比ISA高档(甚至比Window95更早提供了即插即用的功能)。但它没能流行起来,原因之一是它没有提供对已在ISA总线结构下运行的产品的兼容性支持,并且它太超前,当时的微机无法将其优势充分发挥出来。

2.EISA总线

EISA(ExtendedIndustryStandardArchitecture,扩展的工业标准体系结构)总线是反垄断的产物。MCA的强劲势头使许多人担心,它的成功会使IBM重新成为市场的领导者,所以包括Compaq在内的9大公司于1988年联合开发32位扩展总线——EISA。EISA借鉴了MCA的优势,包含MCA的全部功能,又保证对ISA产品的兼容。EISA插槽与ISA完全一致,所不同的是它在ISA触点下面又添加了第二行触点。8位ISA卡在EISA中可以很好地工作。EISA总线速度仍为8.33MHz,数据传输率最大可达33Mb/s(传送4字节数据用一个时钟周期)。新EISA-2结构理论上最大数据传输率为132Mb/s。理想状态下EISA比MCA要快50％,然而EISA和MCA一样昂贵,且受到其专利权的影响,因而它也没有获得商业性成功。EISA在早期用于基于386系统的网络服务器中较为常见。

3.VESA总线

VESA(VideoElectronicsStandardsAssociation,视频电子标准协会)总线也叫VL总线,是流行的ISA总线的扩展。随着内存转移到专用总线上,视频成为了下一个总线速度瓶颈的对象。MicrosoftWindows和高质量的游戏要求更快更强大的视频特征,视频也需要从ISA总线上移出。一个较容易的解决方案是将视频转移到内存总线系统,以保证CPU与视频适配器直接通信。视频电子标准协会采用了这种方法,为Intel80486设计的VESA局部总线(VLB)在1992年提出时就获得了成功。VESA提供对32位处理器的直接访问,并可扩展到64位。VLB体系结构支持的最大总线速度为50MHz,最大传输率可达276Mb/s。该总线提高了许多扩展卡尤其是显示卡和图形(2-D和3-D)加速卡的性能。

4.ATA总线

ATA(ATAttachment)总线又称IDE(IntegratedDriveElectronics),是1985年Compaq公司委托WD(WesternDigital)公司为PC/AT机设计、由CDC(ControlData[JP2]Corp.)生产的世界上第一台AT接口硬盘驱动器。1988年CAM(CommonAccessMethod)委员会将AT接口制定为CAM规范,

同时ANSI的X3T9标准委员会也接受了AT接口,定名为ATA。

ATA-1标准于1994年正式公布,标准号为ANSIX3.221—1994。AT接口从1985年上市到1992年,一直是纯硬盘驱动器接口。该接口定义了40个标准信号,采用16位并行数据传输,传输率达8.33Mb/s,最多可接两个硬盘,硬盘驱动器的最大容量为528MB。

1994年,为了与SCSI竞争,WD公司推出了增强型IDE标准EIDE,Seagate公司也推出了FastATA,它们都属于ATA-2标准。ATA-2不仅可以连接硬盘,而且可以连接CD-ROM、磁带机等存储设备,它允许接4台设备,支持大于528MB的磁盘容量,数据传输率为11.1～16.6Mb/s。到1999年,ATA-5的数据传输率已达66.6Mb/s。

总的来讲,系统总线可分为传统的和现代的两类。传统总线对CPU有较强的依赖(有些实际上就是CPU引脚的延伸),侧重于I/O处理能力,如ISA、STD等。现代总线对CPU的依赖在不断减弱,具有兼容性好、支持高速缓存Cache、支持多微处理器、可自动配置等特点,如MCA、EISA、VESA、PCI等。

从系统总线结构上讲,系统总线已从单总线形式向多总线形式发展。在ISA总线流行时,总线已成为CPU与内存间高速数据交换的瓶颈。Compaq改进了ISA,专门在CPU与内存间设立了一条信息通道,内存总线由此诞生。内存总线的工作频率保持与主板工作速度相一致。内存总线的出现,使总线结构发生了变化,它由单总线结构进化到双总线结构。之后,由于大量图像处理的需求,视频等高速扩展卡又成为总线速度瓶颈的对象。解决的方法便是借鉴内存总线的方案,从系统总线又分离出局部总线。这样,总线结构就进一步演化为多总线结构。局部总线具有较高的时钟频率和传输速率,在一定程度上克服了系统总线的瓶颈问题,提高了系统性能。VESA、PCI就是两种典型的局部总线。

2.2

RS-232C串行总线

2.2.1

RS-232C总线

RS-232C标准是美国电子工业协会(EIA)在1969年颁布的一种推荐标准,RS是RecommendedStandard的缩写。RS-232C总线是人们普遍采用公用电话网为媒体进行数据通信的结果,也是调制解调器商品化的产物。RS-232C总线是一种DTE和DCE间的信号传输线,DTE(Data

TerminalEquipment)是数据终端设备的简称,DCE(DataCommunicationEquipment)是数据通信设备的简称。

RS-232C在当代微型计算机系统中得到了广泛使用。PC机通过25线或9线的D型连接器实现主机与RS-232C的连接,连接端口的引脚定义如图2.1所示。

图2.1RS-232C连接端口

RS-232C的标准定义为25条信号线,引脚定义见表2.1。每条引脚在“符号”一栏中按第一个字母分为五类:A表示地线或公共回线,B表示数据线,C表示控制线,D代表定时线,S代表次级信道线。各引脚的功能叙述如下。

1)本地通信线(6条)

AA和AB:AA为保护地线,常与机壳相连,以构成屏蔽地;AB为信号地线,是除保护地外其他信号线的测量基准点。

表2.1RS-232C各信号引脚定义

BA和BB:BA为发送数据线TXD,数据由DTE发送,DCE接收;BB为接收数据线RXD,信号由DCE发送,DTE接收。平时,TXD线始终保持逻辑1(传号)状态,只有在发送数据时才有可能变为逻辑0(空号)状态。RXD线在不发送数据的全部时间里以及发送数据的间隔期内,也始终保持逻辑1(传号)状态。

CA和CB:CA为请求发送线RTS,由DTE发送,DCE接收;CB为允许发送线CTS,由DCE发送,DTE接收。这一对线主要用于DTE询问DCE对信道的连接状况。当DTE需要发送数据时,它就使RTS变为逻辑1有效,用于请求DCE去接通通信链路。一旦DCE和通信链路接通,DCE就使CTS变为逻辑1有效,通知DTE可以在TXD线上发送数据了。

2)远程通信线(7条)

CD:为数据终端就绪线DTR。DTR由DTE发出,DCE接收,用于表示数据终端(DTE)的状态。若DTR＝1,则表示DTE准备就绪;若DTR=0,表示DTE尚未准备就绪。通常,DTE在加电启动后就准备就绪了。

CC:为数据装置就绪线DSR,由DCE发出,DTE接收,是DTE的应答线,用于表示DCE中数据装置的状态。若DSR＝1,则表示DCE的数据设备已准备好(例如:自动呼叫成功),但DCE是否和信道接通应由CTS指示;若DSR＝0,则表示DCE中数据装置尚未准备好。

CE:为振铃指示器线RI,由DCE发出,DTE接收,用于表示通信的另一方有无振铃。若RI＝1,则表示DCE正在接收对方DCE发来的振铃信号。RI在DCE没有收到振铃信号的所有其他时间内都维持在逻辑0电平状态。

CF:为数据载波检测线DCD,又称为接收线路信号检测线。DCD信号由DCE发出,DTE接收。当本地DCE正接收来自远程的DCE载波信号时,DCE变为逻辑1。在调制解调器中,DCD常接到标有载波(Carrier)的发光二极管指示器上。

DA和DB:同步通信方式必须使用的两条线,两个信号不能同时使用,只能使用其中一个。DA是以DTE为源的发送信号码元定时线,该信号是由DTE产生的同步时钟,用于使Modem能和DTE同步地发送数据;DB是以DCE为源的发送信号码元定时线,同步时钟由DCE产生,用于使DTE同步发送数据。

DD:接收信号的码元定时线,该信号由DCE产生,用作同步接收时钟,接收时必须把此信号从解调器发送到DTE。

以上7条通信线配合6条本地通信线,常在以公用电话网为媒体的远程通信中使用,以协调DTE和DCE间的数据传送。应当指出:在以公用电话网为媒体的远程通信中,TXD线上发送数据的条件是RTS、CTS、DTR和DSR皆为逻辑1时为有效状态,但在没有专用数据装置的本地通信中,DTR和DSR两条线是可以不用的。

3)其他引线(12条)这些引线的定义和名称已在表2.1中列出。其中,5条留作用户定义,其余7条在大多数微型计算机系统中都空出不用,故在此从略。

2.2.2

RS-232C的应用为了提高数据通信的可靠性和抗干扰能力,RS-232C标准中规定发送端信号逻辑“0”(空号)电平范围为+5～+15V,逻辑“1”(传号)电平范围为-15～-5V,如图2.2(a)所示;接收端逻辑“0”为+3～+15V,逻辑“1”为-15～-3V，如图2.2(b)所示。噪声容限为2V。-5～+5V以及-3～+3V之间分别为发送端和接收端信号的不确定区。通常,RS-232C总线逻辑电平采用+12V表示“0”,-12V表示“1”。

为了实现上述电平转换,RS-232C可采用运算放大器、晶体管和光电隔离器电路来完成电平转换,或采用专用集成电路来完成电平转换。例如,常采用电平转换器MC1488和MC1489完成电平转换,器件外特性如图2.2(c)所示。MC1488将TTL电平转换成RS-232C电平,MC1489将RS-232C电平转换成TTL电平。

图2.2RS-232C的应用(a)RS-232C发送电平;(b)RS-232C接收电平;(c)电平转换器件在工程应用中,数据终端设备之间也可以采用RS-232C进行通信,如图2.3所示,它不但能提高系统的抗干扰能力,而且能实现远距离通信。数据终端设备与PC机之间进行通信时,在DTE一侧需要进行电平转换,如图2.4所示。在分布式控制系统中,各DTE与后台机之间也可以采用RS-232C进行通信,如图2.5所示。

图2.3数据终端设备之间通信

图2.4

PC机与数据终端设备通信

图2.5

分布式系统通信模块

在工程应用中,除使用MC1488和MC1489进行电平转换外,另一个常用器件是MAX232。由于MC1488需要±12V两组电源,对某些系统就不太方便了。MAX232芯片是一种典型的单电源双组驱动器/接收器,每组驱动器/接收器均能将输入的232电平转换为TTL/CMOS电平,并可将输入的TTL/CMOS电平转换为232电平。MAX232的最大特点是采用＋5V单电源供电,对于大多数单片机应用系统来说简化了系统对电源的要求。MAX232使用起来非常方便,只需按照典型应用电路连接即可实现电平转换。图2.6是MAX232驱动器/接收器的管脚分布图。图2.7为MAX232芯片的典型应用电路。推荐工作条件见表2.2。

图2.6

MAX232引脚图

图2.7

MAX232典型连接

表2.2

MAX232的推荐工作条件

2.3

EIA-449串行总线

EIA-449是计算机和外部设备之间实现数据通信的另一种串行总线。

EIA-449的机械规范定义了两种连接头:一种是37针的DB-37,另一种是9针的DB-9,两种组合成一种46针的配置如图2.8所示。

图2.8

DB-37和DB-9插座

1.DB-37各针脚功能为了保持与EIA-232标准的兼容性,EIA-449标准对交换数据、控制以及时序信息定义了两类针脚(见表2.3)。

表2.3

DB-37针脚功能

2.Ⅰ类连接器第一类插头与EIA-232针脚的功能兼容(其中大多数进行重命名)。对每一个Ⅰ类针脚,EIA-449定义了两根相同的针:一根在表中第一栏,另一根在第二栏。例如,第4针和第22针都叫数据发送,这两根针的功能与EIA-232中针脚2的功能是一样的。第5针和第23针都叫发送时序,第6针和第24针又都叫数据接收。更有意思的是,每对针在连接头中都是垂直相邻的,第二栏中的针脚恰位于第一栏中对应针脚的下方。这种结构就是EIA-449的功能基础。

3.Ⅱ类连接器

Ⅱ类插头是在EIA-232中没有定义或是进行了重定义的针脚。这些新针脚的序号和功能如下:本地回馈:10脚用于本地回馈测试。远程回馈:14脚用于远程回馈测试。频率选择:16脚用于在两种不同的频率之间进行选择。测试方式:18脚用于各级测试。共接收端:20脚对于DCE到DTE的非平衡线路提供了一种公共的信号回线。

终端服务:28脚向DCE设备指示DTE设备是否可用。选择备用:32脚允许在发生故障后使用备用设备。新信号:对于一台主DTE设备控制几台辅助DTE设备的多点通信系统中,脚34是有效的。一旦激活,针脚34就指示一台DTE已经完成了数据交换任务,而另一台新的正准备通信。备用指示:36脚提供了从DCE来的对选择备用(针脚32)报文的确认信号。共发送端:37脚提供DTE到DCE间非平衡线路上的公共信号线。

4.DB-9各针脚功能表2.4列出了DB-9连接头的针脚功能并显示了它们与EIA-232(DB-25)中对应部分的关系。

表2.4

DB-9针脚功能

5.电气规范

1)RS-423非平衡模式

RS-423是一种非平衡电路规范,这意味着它只为信号传播定义了一条线路。在该标准中的所有信号都使用公共线(或是地线)来完成信号交换。图2.9给出了这一类线路的传输示意图以及该标准的规范。在非平衡电路模式中,EIA-449使用每一对Ⅰ类连接器的第一个引脚和所有的Ⅱ类引脚。距离为12m时,传输速率为100kb/s;距离为1200m时,传输速率为1kb/s。

图2.9

RS-423非平衡模式传输

2)RS-422平衡模式

RS-422是一种平衡电路规范,它为每个信号都定义了两条线路。信号的返回仍然采用公共线方式,其传输示意图如图2.10所示。在平衡模式中,EIA-449使用了每一对Ⅰ类引脚但不使用Ⅱ类引脚。正如标准规范中所规定的一样,数据速率与距离的比要比非平衡方式和EIA-232标准规定的都要高,当RS-422平衡模式传输距离为12m时,传输速率为10Mb/s;当传输距离为1200m时,传输速率为1kb/s。在平衡模式中,两条线路承载相同的传输,但是它们并不传输相同的信号。一条线路的信号是另一条线路信号的互补值。用图表显示,互补值看起来就像原始信号的镜像一样,如图2.10所示。此时接收端并不检测其中任何一个实际信号,而是检测两个信号之间的差值。这样传输信号幅值就会增大一倍,使得平衡线路具有比非平衡线路更好的抗噪声干扰能力,从而提高了系统的信噪比。

图2.10

RS-422平衡模式传输

当互补的信号到达接收端时,它们被输入到一个差分放大器中,对信号进行解释前就减去了辅助信号。因为两个信号是互补的,因此它们的差值将两倍于第一个信号的值。例如,如果在某时刻第一个信号值为5V,第二个信号值将是-5V,所以,相减的结果是5-(-5)=10V。

如果在传输中有噪声,则噪声会以同样的方式影响两个互补信号，结果在减法过程中即可消除噪声,如图2.11所示。例如,假定在某点存在2V噪声,而此时第一个信号是+5V,它的互补信号是-5V。额外的畸变使第一个信号值变为7V,第二个信号为-3V。此时7-(-3)=10V。这种特性有助于消除噪声的影响,提高传输可靠性,进而提高传输速率。

图2.11采用平衡模式消除噪声(a)原始信号；(b)原始信号和互补信号；(c)噪声信号;(d)信号和噪声信号；(e)差分放大消除干扰；(f)调整幅值恢复信号2.4USB通用串行总线及应用

2.4.1USB总线概述

1.USB总线的发展连接计算机与外设的串行数据总线(简称串行总线)的发展一直非常缓慢。1969年美国电子工业协会推出的RS-232(后改为RS-232C)串行总线,至今仍是计算机与外设通信的主流串行总线。尽管在20世纪70年代和80年代,陆续推出了RS-422A/423A、RS-449、RS-485和RS-530等串行总线,其中,RS-449的设计初衷就是想取代RS-232,RS-530则是想取代RS-449,但由于种种原因,都没有改变RS-232先入为主的主导地位。而RS-232C的最高传输速率只有20kb/s,RS-530虽高一些,也只有2Mb/s,与20世纪70年代初HP公司推出的通用接口总线GPIB(即IEEE-488)相比,RS-530的传输速率只有GPIB的1/4,更无法与性能先进的并行总线相比。因此,长期以来,串行总线只用于连接低速外设,或用作低速网络的传输总线。

USB(UniversalSerialBus)是1995年Microsoft、Compaq、IBM等公司联合制定的一种新的PC串行通信协议。USB协议出台后,得到各PC厂商、芯片制造商和PC外设厂商的广泛支持。从当初的0.7、0.8版本到现在广泛采用的1.0、1.1、2.0版本,USB本身也得到了不断的发展和完善。尤其是其支持热插拔的特性,使得采用USB总线(接口)的设备使用更方便。USB外设正在以惊人的速度发展,迄今为止,各种USB的外设已经十分普及了,如打印机、扫描仪、移动硬盘、MP3、MP4、数码照相机等。

USB1.0通用串行总线规范是由Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、NorthernTelecom等著名的计算机公司和通信公司于1996年1月提出的。通用串行总线是一种将USB外围设备连接到主机的外部总线结构,它通过PCI总线和PC的内部系统数据线连接,实现数据传送。USB同时又是一种通信协议,它支持主系统(host)和USB的外围设备(device)之间的数据传送,通过一个4针的标准插头,采用菊花链形式把所有的外设连接起来。

2.USB总线的特点与前述几种串行总线相比,USB总线有其明显的优势。概括起来,USB总线有以下特点。

(1)节省了系统资源。USB为所有的USB外设提供了单一的、易于操作的标准连接,排除了外部设备对系统资源的需求,因而减少了硬件的复杂性和对端口的占用,整个USB系统只有一个端口,占用一个中断源。

(2)USB支持热插拔(hotplug)和即插即用(PlugandPlay)。在不关闭计算机的情况下可以安全地插上和断开USB设备,动态加载驱动程序,使用十分方便。

(3)USB连接设备供电方式灵活。USB直接连接到Hub或者连接到host的设备可以通过USB电缆供电,也可以通过电池或者其他电源供电,还可使用两种方式组合,并且支持挂起和唤醒的节能模式。

(4)适应各种不同类型的外设。USB1.1规范提供全速12Mb/s和低速1.5Mb/s的模式,USB2.0规范提供高达480Mb/s的数据传输速率。

(5)USB提供了四种不同数据传送方式,可以适应各种不同类型外围设备的需求。

(6)USB使得多个外围设备可以跟主机通信,最多可支持127个设备,但需要使用USBHub增加分支。

2.4.2USB总线的硬件结构

USB采用四线电缆,其中两根是用来传送数据的串行通道,另外两根为下游(Downstream)设备提供电源,如图2.12所示。

图2.12

USB连接线

D+、D-是一对差模信号线,它支持两种数据传输速率,对于高速且需要高带宽的外设,USB以全速12Mb/s传输数据,但必须使用屏蔽的双绞线,且长度不能超过5m。对于低速外设,USB则以1.5Mb/s的传输速率传输数据,在这种模式下可以使用无屏蔽的非双绞线,但长度不能超过3m。为保证能提供一定电平的信号并且与终端的负载匹配,在电缆的每一端都使用不平衡终端负载。这种终端负载也保证能检测出外设与端口的连接和分离,且能区分高速与低速USB总线,可根据外设情况在两种传输模式中自动转换。VBUS通常为+5V的电源,GND是地线。

USB是基于令牌传输方式的总线,类似于令牌环网络(后面章节将会介绍)。USB主控制器广播令牌,总线上的设备检测令牌中的地址是否与自身相符,通过接收或发送数据给主机来响应。USB通过支持悬挂/恢复操作来管理USB总线电源。USB系统采用级联星型拓扑,该拓扑由三个基本部分组成:主机(Host)、集线器(Hub)和功能设备,如图2.13所示。

图2.13USB系统级联示意图

主机(Host)也称为根、根结,一般集成在计算机主板上。主机包含有主控制器和根集线器(RootHub),控制着USB总线上的数据和控制信息的流动,每个USB系统只能有一个根集线器,它连接在主控制器上。集线器(Hub)是USB结构中的特定成分,它提供叫做端口(Port)的点,从而将设备连接到USB总线上,同时检测连接到总线上的设备,并为这些设备提供电源管理,负责总线的故障检测和恢复。集线器可为总线提供能源,亦可为自身提供能源(从外部得到电源)。自身提供能源的设备可插入总线提供能源的集线器中,但总线提供能源的设备不能插入自身提供能源的集线器或支持超过四个的下游端口中。如果要求总线提供能源的设备需要超过100mA电流时,就不能直接连接到总线提供电源的集线器上。

2.4.3USB总线的软件结构

1.USB总线接口

USB总线接口处理电气层与协议层的互连。从互连的角度来看,相似的总线接口由设备和主机同时给出。USB总线接口由主控制器控制。

图2.14USB软件结构示意图

2.USB系统

USB系统利用主控制器管理主机与USB设备间的数据传输。它与主控制器间的接口依赖于主控制器的硬件定义。同时,USB系统也负责管理USB资源,例如带宽和总线能量,这使客户访问USB成为可能。USB系统还有三个基本软件模块。

1)主控制器驱动程序主控制器驱动程序(HCD)可把不同的主控制器设备映射到USB系统中。HCD与USB之间的接口叫HCDI,特定的HCDI由支持不同主控制器的操作系统来定义。通用主控制器驱动器(UHCD)处于软结构的最底层,由它来管理和控制主控制器。UHCD实现了与USB主控制器通信和控制USB主控制器,并且它对系统软件的其他部分是隐蔽的。系统软件中的最高层通过UHCD的软件接口与主控制器通信。

2)USB驱动程序

USB驱动程序(USBD)在主控制器驱动程序(UHCD)之上,它提供驱动器级的接口,满足现有设备驱动器的设计要求。USBD以I/O请求包(IRPs)的形式提供数据传输架构,由通过特定管道(Pipe)传输数据的需求组成。此外,USBD使客户端出现设备的一个抽象,以便于抽象和管理。作为抽象的一部分,USBD拥有缺省的管道。通过它可以访问所有的USB设备以进行标准的USB控制。该缺省管道描述了一条USBD和USB设备间通信的逻辑通道。

3)主机软件主机软件有以下功能:(1)检测连接和移去的USB设备;(2)管理主机和USB设备间的数据流;(3)连接USB状态和活动统计;(4)控制主控制器和USB设备间的电气接口,包括限制能量供应。

3.USB客户软件

USB客户软件位于软件结构的最高层,负责处理特定USB设备驱动器。客户程序层描述所有直接作用于设备的软件入口。当设备被系统检测到以后,这些客户程序将直接作用于外围硬件。这个共享的特性将USB系统软件置于客户和它的设备之间,客户程序要根据USBD在客户端形成的设备映像对它进行处理,从而实现与主机的数据通信。2.4.4

USB的数据传输方式

1.控制传输控制传输是双向传输,通常数据量较小。

USB系统软件主要用来进行查询、配置和给USB设备发送通用的命令。控制传输方式可以传输包括8、16、32和64字节的数据,这依赖于设备和传输速度。控制传输的典型应用在于主计算机和USB外设的端点之间的传输,但是指定控制传输可能会用到其他的端点。

2.同步传输

同步传输提供了确定的带宽和时间间隔。它主要用于时间要求严格并具有较强容错性的数据流传输,或者用于要求恒定数据传送率的实时应用系统中。例如,即时通话的网络电话使用同步传输模式就是很好的选择。同步数据要求确定的带宽值和确定的最大传输次数。对于同步传输来说,实时的数据传递比数据的完整性更重要。

3.中断传输

中断传输方式主要用于定时查询设备是否有数据要传送中断请求。设备的端点模式结构决定了它的查询范围为1～255ms。这种传输方式应用于少量的、分散的、不可预测数据的传输,如键盘、操纵杆和鼠标与主机之间的数据传输。中断方式传输是单向的,对于Host来说只有输入方式。

4.大量传输大量传输方式主要应用在大量传送和接收数据,同时又没有带宽和时间间隔要求的情况下。如打印机和扫描仪与主机之间的数据传输。这种传输类型可以等到所有其他类型的数据传送完成之后再传送和接收数据。

USB将其有效的带宽分成各个不同的帧,每帧通常为1ms。每个设备每帧只能传送一个同步的传送包。在完成了系统的配置信息和连接之后,USB的Host就会对不同的传送点和传送方式作一个统筹安排,用来适应整个USB的带宽。通常情况下,同步方式和中断方式的传输会占据整个带宽的90％,其余的就安排给控制方式来传输数据。

2.5

IEEE1394总线

2.5.1IEEE1394简介

IEEE1394的正式公布名称是IEEE1394高性能串行总线,是美国国家标准协会于1995年制订的高速、低成本串行总线,用于实现计算机与外设之间的数据通信,或作为计算机底板并行总线的备份总线。

IEEE1394正在被越来越多的PC厂商所采用,作为一种数据传输的开放式技术标准,已被应用在众多的领域当中。目前,IEEE1394技术使用最广的领域还是数字成像领域,支持的产品包括数码照相机和数码摄像机等。

2.5.2IEEE1394总线的特点

(1)传输速率高。在TTL总线主板上,其传输速率为24.576Mb/s;在BTL(BackplaneTransceiverLogic,总线底板收发器逻辑)总线主板上,其传输速率为49.152Mb/s;用电缆传输时其传输速率可达98.304Mb/s、196.608Mb/s和393.216Mb/s。

(2)节点之间的最大距离不能超过4.5m。若输出距离过长,可以使用IEEE1394中继器。一台IEEE1394中继器可以将节点之间传输的距离延长4.5m。因为IEEE1394最多只能支持16层树形网段,所以两个端点之间的最大距离为72(16×4.5)m。

(3)每个网段最多可以连接63台设备,每台IEEE1394可以连接10231394个网段,可以实现各种复杂的网络结构。由于两个节点之间的最大距离为4.5m,因此IEEE1394并不适合在广域网中使用。

(4)IEEE1394设备支持热插拔,可以在任何时候向IEEE1394网络添加或拆除设备。既不用担心影响数据的传输,也不需要进行重新配置,系统可以根据变化的环境进行自动调节。

(5)IEEE1394网络使用的是对等结构,可自动分配节点地址,不需要硬件设置,也不需要专用服务器。因此,对于那些集中进行管理或数据存储的系统来说,IEEE1394并不是一个理想的选择。

(6)同一网络中的数据可以用不同的速率传输。目前可以实现的速率为100Mb/s、200Mb/s和400Mb/s。这就决定了在设计网络时要考虑到不同设备的传输性能。如果在两台传输速度可达400Mb/s的设备之间放置一台100Mb/s的设备,无疑将会使实际的传输速度大大降低。

(7)IEEE1394开放式主控制器接口(OHCI)向所有准备支持IEEE1394技术的厂商提供了开放式标准,便于开发相关产品。在实际操作过程中,设备首先要求控制物理层。进行异步传输时,数据发送和接收方交换地址,然后进行数据传输,当接收方收到数据包时,会向发送方回传确认信息。采用自动检错重发方式(具体内容将在6.1节中介绍)实现差错控制。如果接收方没有接收到数据包,则启动错误修复机制。

进行同步传输时,发送方首先要求获得一个特定带宽的数据通道,然后将通道ID附加在所要传输的数据中一起发送。接收方对数据流进行检测,只有当发现具有特定ID号的数据时才进行接收。同步数据传输模式的优先级要高于异步传输模式。当一台设备发送同步数据时,将获得一个专用的数据通道,直到数据传送完毕为止。而同一时刻发生的异步数据传输则只能使用当前所剩余的可用带宽。

IEEE1394是一种全数字协议,在数据传输过程中不需要进行任何数/模转换。

2.5.3IEEE1394的连接方式

IEEE1394支持两种不同的连接器。最为常用的一种是直接与6根导线相连接,如图2.15所示。其中一对线用于传送数据,一对线用于传送时钟信号,还有一对线传送电源。电缆通过端口把各节点连接起来。端口由收发器、终端匹配器和一些逻辑电路组成。由于可通过串行总线供电,因此即使节点的本地电源出现故障,也不致影响总线的正常工作。另一种是Sony公司推出的只包含4条数据线的小型线缆,该公司还专门设计了与之搭配的新型连接器。这种连接器如果要与标准的6根导线线缆连接的话,需要使用转换器。因为小型线缆不提供电源线,所以与之连接的设备只能使用外部电源供电。

图2.15

IEEE1394串联线的横切面示意图

2.5.4IEEE1394与USB发展前景比较

IEEE1394标准目前仍处于不断改进和发展中,其数据传输速率已达到800Mb/s～3.2Gb/s。USB1.1和后来速度更高的USB2.0都是具有与1394相似的技术特性的串行总线。但是,1394和US