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第2章工业PC机的总线主要内容安排•1.工业控制计算机特点•2.工控机系统组成•3.补充常见工控机资料•4.总线基本知识•5.PC/XT总线•6.ISA总线•7.EISA总线•8.小结工控机系统结构图2-1总线型工控机系统的硬件结构IPC的主要外部结构形式•工业PC简称IPC，是用得最广泛的一种工业微机，也是工控机系统的核心组成部分之一。目前，市场上的IPC多种多样，主要包括台式IPC、盘装式IPC、插箱式IPC、IPC工作站及嵌入式IPC等。不同类型的IPC，其性能、价格和适用场合是不同的。•台式IPC台式IPC的结构如图2-2所示。其主要特点如下：(1)类似于台式个人电脑的结构，但机箱为19英寸工业标准的全钢结构；(2)机箱不带显示器，需外接CRT或液晶显示器；(3)总线型结构，主板和ISA／PCI总线型底板分离，底板一般有多个PCMCIA、ISA、PCI插槽；(4)机箱内安装的吹风机的容量大于抽风机的容量，机箱内为正压，且风口有过滤网，避免粉尘进入机箱；(5)使用工业级电源；(6)电源开关配有保护仓，防止没有授权的人员开关电源。键盘设置有硬件锁，可防止外人进行操作。图2-2台式IPC的外观结构盘装式IPC盘装式IPC的结构如图2-3所示。其主要特点如下：(1)内部是全钢结构，外壳是防火塑料；(2)质量轻、体积小、可以直接安装在控制屏上；(3)采用TFT型LCD显示器，和主机构成一体化结构；(4)使用触摸屏作为信息输入工具；(5)完善的接口功能：串口、并口、USB接口，配有少量PCMCIA、ISA、PCI插槽；(6)集成网卡功能。图2-3盘装式IPC的外观结构IPCIPC工作站的结构如图2-4所示。其主要特点如下：(1)全钢盘装式结构(19英寸)，可以安装在控制屏或机柜上；(2)主机箱、TFTLCD显示屏和触摸屏做成一体化结构；(3)面板上嵌入有专用键盘；(4)内部结构和功能与台式IPC完全类似。图2-4IPC工作站的外观结构•插箱式IPC•插箱式IPC有ISA总线和PCI总线两种类型。基于不同的总线，其底板、总线、板卡尺寸则不同。两种插箱式IPC的板卡在结构上不能互换。图7-5为基于ISA总线的插箱式IPC(如研华公司推出的MIC-2000系列IPC)。图2-5基于ISA总线的插箱式IPC及板卡•基于ISA总线插箱式IPC的主要特点如下：(1)采用19英寸标准插箱式机箱，全钢结构；(2)机箱上下侧都有风机(抽风、吹风各一)，机箱内为正压，空气对流畅通；(3)8～11槽无源ISA总线底板；(4)模块化设计，便于维护，缩短MITR；(5)现场信号直接进入前面板的接线端子；(6)板卡前面板上下两端有把手，容易插拔。图2-6为基于PCI总线的插箱式IPC(如研华公司推出的MIC-3000系列)。•基于PCI总线的插箱式IPC(1)采用19英寸标准插箱式机箱，全钢结构；(2)机箱上下侧都安装有风机，一个抽风，一个吹风，机箱内为正压，空气对流畅通；(3)8槽CompactPCI总线底板，可以扩展；(4)板卡的机械规范符合IEEE1101.1／1101.10标准，类似VME规范；(5)使用气密式连接器(针座式)，接触效果好，符合IEC-1076国际标准。•嵌入式IPC在众多嵌入式IPC中，较有代表性的当数PC／104嵌入式IPC(尺寸为96mm×90mm)、3.5英寸嵌入式IPC(尺寸为146mm×102mm)和5.25英寸嵌入式IPC(尺寸为203mm146mm)。图7-7分别表示PC／104和3.5英寸嵌入式IPC的外形结构。嵌入式IPC不用插板滑道和总线底板，模块之间采用层叠式封装。PC／104与ISA的电气规范兼容，厂商能用与台式PC机同样的ISA芯片和外设芯片系列开发出各类PC／104产品。目前，绝大多数的工业标准总线产品都在以不同的方式向嵌入式PC技术靠拢，有的厂家采用总线转换技术，推出了非ISA总线的产品，也有的厂家推出了基于VME总线规范的嵌入式PC。图2-7嵌入式IPC(a)PC/104嵌入式IPC；(b)3.5英寸嵌入式IPC图2-8工控机机箱(a)外形；(b)内部结构图2-914槽的无源底板图2-10全长CPU卡2.1总线基本知识•1.概念:计算机系统中各个部件用来传递信息的公共线路.计算机总线是CPU与计算机其他部分进行信息传递的公共通道，通常传递三种信号：地址、数据和控制信号。工控机早期使用的总线是STD总线，目前常用的总线有ISA总线、EISA总线、PCI总线等。•2.特点：以分时共享的方法来为多个部件服务的采用总线仲裁电路来避免总线冲突3.总线功能1）数据传输功能2）多设备支持功能3）中断4）错误处理4.总线规定1）机械结构规范：规定模块尺寸，总线插头、边沿连接器等的规格。2）功能结构规范：确定引脚名称与功能，及其相互连接的协议。功能结构规范是总线的核心，通常以时序和状态描述信息的交流、流向及管理规则。总线在功能结构方面的规范包括：数据线、地址线、读/写及其它控制线、状态线、时钟线、电源线和地线等；中断机制；总线主控仲裁；3）电气特性：定义每一根线上信号的传送方向、有效电平范围。输入和输出信号。4）时间特性：定义每根线在什么时间有效。5.总线的数据传送周期1）申请占用总线：需要使用总线的总线主设备向总线仲裁机构提出占用总线的请求，经总线仲裁机构判定，若满足响应条件，则发出响应信号，并把下一个总线传送周期的总线控制权授予申请者。2）寻址：获得总线控制权的总线主设备，通过地址总线发出本次要访问的存储器和I/O端口的地址，经地址译码选中被访问的模块并开始启动数据转换。3）传送数据：总线主设备也叫主模块，被访问的设备叫从模块。主模块和从模块之间的操作是由主模块控制在两个从模块之间通过数据总线进行数据传送。4）结束：主、从模块的信息均从总线上撤除，让出总线，以便其它主模块使用。6.总线指标1)总线宽度:总线宽度是指总线一次操作可以传输的数据位数，STD总线是8位，PC/XT总线是8位,ISA总线是16位，PCI总线是32位或64位。2)总线频率:总线频率是指总线工作时的最高时钟频率。时钟频率越高，单位时间内可传送的数据量越大。ISA总线频率都是8.33MHz，PCI总线频率是33.3MHz或66MHz。3)总线数据传输率:表示单位时间内传送数据量的大小(数据传输率=总线宽度的字节数×总线频率，单位是MB／s)。7.总线结构图CRT显示器存储器I/OCPU总线控制及缓冲片总线4通道串行/并行输入/输出部件内总线外总线8.总线的分类（一）1）并行总线同步并行总线异步串行总线2）串行总线同步串行总线异步串行总线•所以内部一般用并行总线，如PCI，ISA。外部一般用串行总线，如网线。并行总线传输快距离短复杂成本高串行总线传输慢距离远简单成本低一.并行总线由数据总线（DB），地址总线（AB）和控制总线（CB）构成。并行总线，随着技术的不断发展，正朝着高速，半同步，兼容的方向发展。二.串行总线的传输方式单工：只能单向传数据。半双工：能相互传数据，但在一个时刻只能向一个方向传。全双工：在同一时刻，可以相互传数据。主要区别：重在软件，而不是硬件。目前使用比较多的是ＲS-232，ＲS-423和USB标准。总线的分类（二）1）片内总线：它是位于大规模、超大规模集成芯片内部各单元电路之间的总线，作为这些单元电路之间的信息通路。如CPU内部ALU、寄存器组、控制器等部件之间的总线。2）局部总线（也称内部总线）：通常指微机主板上各部件之间的信息通路。由于是一块电路板内部的总线，故又称在板局部总线。较典型的局部总线如：IBM-PC总线，ISA总线，EISA总线，VL和PCI总线等。3）系统总线（也称外部总线）：是指微机底板上的总线，用来构成微机系统的各插件板、多处理器系统各CPU模块之间的信道。较典型的系统总线如：STD-BUS，MULTI-BUS，VME等。4）通信总线：它是微机系统与系统之间、微机系统与其它仪器仪表或设备之间的信息通路。这种总线往往不是计算机专有的，而是借用电子工业其它领域已有的总线标准并加以应用形成的。流行的通信总线如：EIA-RS-232C、RS-422A、RS-485，IEEE-488，VXI等总线标准。各类总线之间关系CPU片内总线MI/O在板局部总线CRT打印机测量仪器通信总线RS-232C存储板I/O接口板I/O接口板...通信总线IEEE-488S-100总线主机板系统总线9.使用标准总线的优点1）简化软、硬件设计：由于总线定义非常严格，任何厂家或个人都必须按其标准制作插件板，有了规范就给用户在硬件设计上带来了很大的方便，简化了设计过程。2）简化系统结构：采用标准总线，只要将各功能模块（板）挂在总线上就可以方便的构成微机的硬件系统。3）便于系统的扩充：对于采用标准总线构成的微机系统，只要按总线标准和用户扩充要求设计或直接购买插件板插到总线插槽上就达到了扩充的目的。4）便于系统的更新：随着电子技术的不断发展，新的器件不断涌现，微机系统也要不断更新，在采用标准总线的插件板上用新的器件取代原来的器件就可以很方便地提高系统性能，而不必做很大改动。2.2PC/XT总线1）从IBMPC/XT总线到ISA总线IBMPC/XT微机系统采用Intel8088CPU，它所连接的存储器、I/O设备均为8位，因此，该系统采用8位总线标准。由于Intel8086及80286为16位的CPU，它们既可以连接8位设备又可以连接16位设备，显然8位总线标准就不再适用。为此，IBM制定了16位工业标准总线(IndustryStandardArchitecture)—ISA总线，又称AT总线。它保留了原来PC总线的全部62个引脚信号，以便与原PC总线插件板兼容，同时它又在底板上增加了一个36引脚的插槽，以便增加新的功能。因此，IBMPC/XT总线又称为ISA-8，而IBMPC/AT总线称为ISA-16。ISA总线是迄今为止最成功的标准总线，其成熟及支持度都是别的总线所不能及的。2)PC/XT总线结构特点PC总线是PC机和XT机中采用的系统总线标准，适用于8位的数据传送，最大通信速率为5MB/s。有62根引脚，符合PC总线的各种扩展板要求，便于扩展微机的功能。2.3ISA总线ISA(IndustrialStandardArchitecture)总线是IBM公司1984年推出的系统总线标准，同时具有8位和16位扩展槽结构，1993年后在很多地方被PCI总线取代。ISA是同步并行总线,有88根信号线,是在原来XT总线62线的基础上再扩充36线而成的.向上与XT总线系统兼容。ISA在PC机上,是南桥与键盘,鼠标,打印机等娱乐设备连接的接口,硬盘和光驱也是接在ISA总线上的。2.4VESA总线（补充）随着80486和Pentium等高性能计算机的问世，CPU部处理速度大大提高，加之集成高速缓存和数值协处理FPU，使得高速的CPU和内存访问同低速的I/O操作成为PC技术中的瓶颈。多媒体的现，对于图形和高速显示提出用更高的速度传送大量信息的要求。为此，一些厂商在不改变ISA标准的基础上为主板设计了一种特殊的高速插槽。将高速外设控制卡直接挂到CPU局部总线上，并以CPU速度运行，这种特殊的总线插槽称为局部总线插槽。它为CPU和外设提供了一个高速桥梁。它为CPU和外设提供了一个高速桥梁。这种总线主要支持高速外部设备板，对于慢速设备仍保持原来的ISA和EISA总线标准，这样既保持了兼容性又解决了瓶颈问题。PC领域出现了两种比较优秀的局部总线：VESA和PCI总线。下页图-2.9给出了具有这种局部总线的PC体系结构。VESA总线是视频电子标准委员会（VideoElectronicsStandardsAssociation）制定的一种局部总线，又称VL-BUS总线。•具有局部总线的PC体系结构CPUCPU总线存储器局部总线控制器局部总线VL或PCI高速外设n网络卡图形卡磁盘控制卡标准总线桥路ISA或EISA总线打印机低速外设1低速外设n...小结•1