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第3章计算机总线技术计算机控制技术1第3讲计算机总线技术主要内容：1.总线的基本概念2.内部总线3.外部总线第3章计算机总线技术计算机控制技术2•随着微处理器技术的飞速发展，总线技术也得到不断创新。先后出现了ISA、MCA、EISA、VESA、PCI、AGP、IEEE1394、USB等总线技术。•芯片内部的总线技术也在不断发展，AMBA、CoreConnect、CoreRAM等已经形成集成电路内部十分具有竞争力的总线标准。•工业控制的PROFIBUS，FF等现场总线技术。•总线的数据传输速度也不断提升，目前，AGP局部总线数据可达528MB/s，PCI-X可达1GB/s，系统总线传输速率也由66MB/s提高到100MB/s甚至更高的133MB/s、150MB/s、200MB/s。第3章计算机总线技术计算机控制技术3一、总线的基本概念物理特性：根数、引脚排序、插头形状等功能特性：每根线的功能定义电气特性：信号传输方向、有效电平范围时间特性：时序1.总线的定义2.总线标准计算机各模块之间互联（硬件）和传递信息（软件协议）的一组信号线3.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第3章计算机总线技术4.总线的分类（1）按照总线内部信息传输的性质分数据总线: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DBABCBPB第3章计算机总线技术计算机控制技术5（2）按照总线在系统结构中的层次位置分片内总线(On-ChipBUS)：在集成电路的内部，用来连接各功能单元的信息通路内部总线（InternalBus)：又叫系统总线或板级总线，用于计算机内部模块（板）之间通信。它是微机系统中最重要的总线，人们平常所说的微机总线就是指系统总线，如STD总线、PC总线、ISA总线、PCI总线等外部总线（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，IEEE-488、RS-232C、RS-485等（3）根据总线的数据传输方式分并行总线：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第3章计算机总线技术计算机控制技术6计算机总线结构示意图5.计算机总线结构图第3章计算机总线技术计算机控制技术7总线频率：即总线工作时钟频率，单位为MHz，它是影响总线传输速率的重要因素之一。总线宽度：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。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：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。一般地：总线带宽（MB/S）=1/8×总线宽度×总线频率同步方式：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6.总线的性能指标第3章计算机总线技术计算机控制技术8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。7.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模板结构：CPU主板、RAM/ROM存储板、A/D、D/A、DI、DO等二、内部总线1.STD总线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空间的16位总线特点：56根并行总线，小模板结构,尺寸：165×114mm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第3章计算机总线技术计算机控制技术956根并行总线按功能可分为五大类—逻辑电源线6根(引线1～6)—数据总线8根(引线7～14)—地址总线16根(引线15～30)—控制总线22根(引线31～52)—辅助电源线4根(引线53～56)（1）STD总线的信号分配（2）STD总线与存储器连接方法存储器译码器A13-A15A0-A12MEMRQWRRDMEMEXD0-D7STD总线与存储器的连接总线低位地址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）第3讲计算机总线技术计算机控制技术10IO板卡译码器A5-A7A0-A1WRRDIOEXPD0-D7STD总线与IO板的连接译码器译码器A2-A4选板信号选口信号选板信号（3）STD总线与I/O的连接方法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端口工作第3章计算机总线技术计算机控制技术11–ISA总线：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；寻址空间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；98根总线分成5类：地址线、数据线、控制线、时钟线和电源线–MCA：微通道体系结构。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–EISA总线：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；支持多总线主控模块；–PCI高性能局部总线：92年由Intel公司带头制定的设备总线标准；支持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；具有即插即用功能(PnP)；最高传送数据132Mbps；兼容性强、成本低2.PC系列总线第3章计算机总线技术计算机控制技术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。第3讲计算机总线技术计算机控制技术13PCI总线结构处理器CacheDRAM声卡视频卡桥/存储控制器PCI局部总线网卡图像卡扩展总线桥基本I/O设备SCSI卡其它总线显示器硬盘硬盘第3章计算机总线技术计算机控制技术14•又称为通信总线，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。•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。外部总线又分为并行总线和串行总线。•常用的外部总线：IEEE-488总线RS-232-C总线RS-422和RS-485总线通用串行总线（USB）三、外部总线第3章计算机总线技术计算机控制技术15•IEEE-488总线是一种并行外部总线，专门用于计算机与测量仪器、输入输出设备，以及这些仪器设备之间的并行通信。•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:•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1.IEEE-488总线（1）IEEE-488总线的信号分配IEEE-488共定义了24根线（其中8根地线）1）数据总线DIO0~DIO82）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NDAC3）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第3章计算机总线技术计算机控制技术16（2）IEEE-488总线的连接示意图DIO1～DIO8DAVNRFDNDACEOIIFCATNSRQREN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打印机第3章计算机总线技术计算机控制技术17–采用异步方式，利用三条控制线进行握手联络，实现三线握手的数据传输（3）IEEE-488总线数据传送时序第3章计算机总线技术计算机控制技术18–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（4）使用IEEE-488的约定2.RS-232-C总线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（1）RS-232-C总线的机械特性RS-232-C25个引脚只定义了22个；最基本的三根线是发送数据线2、接收数据线3和信号地线7；通常使用的RS-232-C接口信号只有9根引脚第3章计算机总线技术计算机控制技术19（2）常用的9根引脚分类一类是基本的数据传送引脚：包括TXD、RXD和GND一类是用于调制解调器（MODEM）的控制和反映其状态的引脚：一组为DTR和RTS：负责从计算机通过RS-232C接口送给MODEM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（3）RS-232C总线的电气特性1）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：负逻辑，-3～-15V表示逻辑1；+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：最高通信速率为115200bps，通信距离应小于15m第3章计算机总线技术2）电气连接方式特点：非平衡的连接方式点对点通信（单发单收）公用地线3）RS-232-C总线的通信结构具有MODEM设备的远距离通信线路第3章计算机总线技术计算机控制技术21不用MODEM的直接通信线路最简单的RS-232C数据通信第3章计算机总线技术计算机控制技术223.RS-422总线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（差动收发）第3章计算机总线技术计算机控制技术23RS-422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10MbpsRS-422A接口电路第3章计算机总线技术计算机控制技术244.RS-485标准接口RS-485是一种多发送器的电路标准，是RS-422A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）逻辑电平：1：两线间压差为+2V~+6V；0：两线间压差为-2V~-6V最高传输速率为10Mbps，最大传输距离1200m，总线上最多允许连接128个收发器,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，抗共模干能力增强第3章计算机总线技术计算机控制技术25RS-485与RS-422的区别硬件线路上：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只能半双工第3章计算机总线技术