第03章 计算机总线技术

1、2020/7/9,计算机控制技术,1,第3章 计算机总线技术,2020/7/9,计算机控制技术,2,第3章 计算机总线技术,总线的基本概念 内部总线 外部总线,2020/7/9,计算机控制技术,3,3.1 总线的基本概念,本节主要内容,总线的分类 总线的模板化结构,2020/7/9,计算机控制技术,4,3.1.1 总线的分类,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。,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 采用

2、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,总线的定义,总线的特点,2020/7/9,计算机控制技术,5,计算机主板,总线的分类（续）,2020/7/9,计算机控制技术,6,按照总线内部信息传输的性质 ，总线可分为,总线的分类（续）,数据总线:DB 用于传送数据信息,地址总线:AB 是专门用来传送地址的,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 :PB 用于向系统提供电源,DB,AB,CB,PB,2020/7/9,计算机控制技术,7,按照总线在系统结构中的层次位置 ，总线可分为,总线的分类（续）,片内总线 (On-Chip BUS) 在集成电路的内部，用来连接各功

3、能单元的信息通路,内部总线（Internal Bus) 用于计算机内部模块（板）之间通信,外部总线（External Bus)：又称通讯总线 用于计算机之间或计算机与设备之间通信,2020/7/9,计算机控制技术,8,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,串行总线：所有信号复用一对信号线,总线的分类（续）,2020/7/9,计算机控制技术,9,计算机总线结构示意图,总线的分类（续）,2020/7/9,计算机控制技术,10,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）,片内总线,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，这

4、有利于芯片集成度和成品率的提高，而对于内部数据传送速度要求较高的，也可采用双总线或三总线结构。,ASIC技术的出现，用户也可以按照自己的要求，借助于适当的EDA工具，设计自己的芯片。,2020/7/9,计算机控制技术,11,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总线等,总线的分类（续）,内部总线：系统总线或板级总线,按功能可分为数据总线DB、地址总线AB、控制总线CB、和电源总线PB,2020/7/9,计算机控制技术,12,数据总线D：用于传递数据信息,总线宽度：数据信号线的根数。 决定设备获得最大性能 影响计算机系统性能,地址总线宽度：地址

5、线的根数 决定直接寻址能力 避免IO地址与内存地址的重叠,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，决定了总线的性能好坏,电源总线P：提供电源,2020/7/9,计算机控制技术,13,如：IEEE-488、RS-232C、RS-422、RS-485等,外部总线,总线的分类（续）,2020/7/9,计算机控制技术,14,3.1.2 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,总线频率,即总线工作时钟频率，单

6、位为MHz，它是影响总线传输速率的重要因素之一。,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。,总线带宽,2020/7/9,计算机控制技术,15,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。,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。,总线复

7、用,采用多路复用技术，可以减少总线的数目。,信号线数,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。,2020/7/9,计算机控制技术,16,几种微型计算机总线性能参数,2020/7/9,计算机控制技术,17,3.1.3 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,2020/7/9,计算机控制技术,18,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

8、，总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(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；,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；,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；,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,寻址阶段,数据传输阶段,结束阶段,2020/7/9,计算机控制技术,19,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： 申请分配阶段 由

9、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； 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； 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； 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。,2020/7/9,计算机控制技术,20,3.2 内部总线,STD总线 PC系列总线,本节主要内容,2020/7/9,计算机控制技术,21,STD总线起初设计为可用于64K存储空间的8位总线，后发展成可用于寻址16M空间

10、的16为总线,3.3.1 STD总线,STD总线的特点：,56根并行总线，采用小模板结构, 尺寸为165114mm,模块化的总体设计布局,开放式的系统结构,兼容式总线结构，拥有丰富的I/O功能，广泛适用于工业控制,小模板结构，模板尺寸小,可减少冲击和震动的影响,2020/7/9,计算机控制技术,22,56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16) (2)数据总线8根(引线714) (3)地址总线16根(引线1530) (4)控制总线22根(引线3152) (5)辅助电源线4根(引线5356),STD总线的信号分配,2020/7/9,计算机控制技术,23,总线

11、低位地址A0A12直接连接到各存储器芯片,STD总线与存储器连接方法,高位地址A13A15用来选片（可选64K基本存储器，通过扩展，可增至128K）,2020/7/9,计算机控制技术,24,地址码的低位字节连接到总线译码器, 形成6根选板信号和2根选口信号, 选通I/O端口工作,STD总线与I/O的连接方法,（可选128个口，扩展后可增至256个口）,2020/7/9,计算机控制技术,25,ISA总线,3.3.2 PC系列总线,MCA：微通道体系结构,ESIA总线,PCI局部总线,2020/7/9,计算机控制技术,26,问世较早，是8位、16位数据传输总线的工业标准 最高传输速率8Mbps 寻

12、址空间为16MB 将CPU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DMA和协处理器,ISA总线,2020/7/9,计算机控制技术,27,IBM在推出386时提出 数据、地址总线宽度32位，支持4GB的寻址能力 数据传输速率33Mbps 在电气及物理上与ISA不兼容 IBM没有公布标准,MCA总线（Micro Channel Architecture）,2020/7/9,计算机控制技术,28,89年，推出486时提出 32位数据总线，支持32位地址通路 总线主控技术，扩展卡上具有总线主控处理器 与ISA兼容，支持多个主模块 可以自动根据需要进行32、16、8位数据间的转换 支

13、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统和扩展板,ESIA总线,2020/7/9,计算机控制技术,29,PCI(Peripheral Component Interconnect，设备部件互连)总线是一种高性能局部总线，它是92年由Intel公司带头制定的设备总线标准 支持32位/64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 支持64位寻址 最大数据传输速率：133MHz/266MHz 具有即插即用功能(PnP) 最高传送数据132Mbps 兼容性强、成本低,PCI局部总线,2020/7/9,计算机控制技术,30,PCI总线特有的配置寄存器为用户使用提供

14、了方便。系统嵌入自动配置软件，在加电时自动配置PCI扩展卡，为用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满足了不同系统的需求，低成本的PCI总线构成的计算机系统达到了较高的性能/价格比水平。因此，PCI总线被应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PCI总线具有很好的I/O性能，最大限度地使用各类CPU/RAM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SCSI、HDTV、3D等。,2020/7/9,计算机控制技术,31,PCI总线

15、结构,2020/7/9,计算机控制技术,32,3.3 Unit 3,External Bus,2020/7/9,计算机控制技术,33,3.2 外部总线,IEEE-488总线 RS-232-C总线 RS-422和RS-485总线 通用串行总线（USB）,本节主要内容,2020/7/9,计算机控制技术,34,IEEE-488是1970年由美国惠普公司开发的并行通讯总线,总线上连接的设备有三种，工作方式也有三种:,3.3.1 IEEE-488总线,控者（“控制”方式）：每时只能有一个,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,2020/7/9,计算机控制技术,35,I

16、EEE-488总线的连接示意图,2020/7/9,计算机控制技术,36,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REN,IEEE-488总线的信号分配,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,2020/7/9,计算机控制技术,37,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2m 采用负逻辑,使用IEEE-488的约定,2020/7/9,计算机控制技术,38,采用异

17、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,IEEE-488总线数据传送时序,2020/7/9,计算机控制技术,39,RS-232-C总线是一种串行外部总线，专门用于数据终端设备DTE和数据通信设备DCE之间的串行通信。,3.3.2 RS-232-C总线,是1969年由美国电子工业协会（EIA）从CCITT远程通信标准中导出的一个标准。,2020/7/9,计算机控制技术,40,RS-232-C总线的接口连接器采用DB-25插头和插座，其中阳性插头（DB-25-P）与DTE相连，阴性插座（DB-25-S）与DCE相连。,RS-232-C总线的机械特性,RS-232-C 25个引脚

18、只定义了22个。,通常使用的RS-232-C接口信号只有9根引脚，其插头插座在RS-232-C的机械特性中都有规定。,最基本的三根线是发送数据线2、数据线3和信号地线7,2020/7/9,计算机控制技术,41,MODEM控制和状态引脚分为两组 一组为DTR和RTS，负责从计算机通过RS-232C接口送给MODEM 另一组为DSR、CTS、DCD和RI，负责从MODEM通过RS-232C接口送给计算机的状态信息,常用的9根引脚分为两类：,另一类是用于调制解调器（MODEM）的控制和反 映其状态的引脚。,基本数据传送引脚包括：TXD、RXD和GND,一类是基本的数据传送引脚,2020/7/9,计算

19、机控制技术,42,RS-232C总线的电气特性,电气连接方式,主要特点： 非平衡的连接方式 采用点对点通信 公用地线,2020/7/9,计算机控制技术,43,最高通信速率为115200bps RS-232C标准规定通信距离应小于15m。,电气参数,引线信号状态 RS-232C标准引线状态必须是以下三种之一，即SPACE/ MARK(空号/传号)、或ON/OFF(通/断)、或逻辑0/逻辑1。,引线逻辑电平,用-3-15V表示逻辑1 用+3+15V表示逻辑0,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,通信速率,2020/7/9,计算机控制技术,44,具有MODEM设备的远

20、距离通信线路,RS-232-C总线的通信结构,2020/7/9,计算机控制技术,45,不用MODEM的 直接通信线路,最简单的RS-232C数据通信,2020/7/9,计算机控制技术,46,3.3.3 RS-422和RS-485总线,RS-422A标准接口,RS-422由RS-232C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,2020/7/9,计算机控制技术,47,RS-42

21、2的数据信号采用差分传输方式传输。,RS-422 有4 根信号线，两根发送、两根接收，RS-422 的收与发是分开的，支持全双工的通讯方式 。,RS-422的最大传输距离为1200m，最大传输速率为10Mbps。,RS-422A接口电路,2020/7/9,计算机控制技术,48,RS-485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）,2020/7/9,计算机控制技术,49,RS485具有以下特点：,RS-

22、485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+2V+6V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-2V -6V表示。,RS-485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，抗共模干能力增强。,RS-485接口的最大传输距离为1200m，在总线上是允许连接多达128个收发器,即具有多站能力和多机通信功能。,2020/7/9,计算机控制技术,50,RS-485与RS-422的区别在于：,硬件线路上，RS-422至少需要4根通信线，而RS-485仅需2根； RS-422不能采用总线方式通信，但可以采用环路方式通信， 而RS-485两者均可。,通信方式上，RS-422可以全双工，而RS-485只能半双工。,其它差异见表3.4,2020/7/9,计算机控制技术,51,串行总线协议转换器,2020/7/9,计算机控制技术,52,USB设备的主要特点 采用USB接口的设备支持热拔插) USB接口可以同时连接127台USB设备。 速度方面，USB 1.1总线规范定义了12 Mb/s的带宽，而USB2.0可提供480Mb/s的传输速度。 USB总线能够提供500 mA的电流。,3.3.4 USB通用串行总线,USB协议标准 USB1.0、