各類總線的介紹

1、各類總線的介紹總線一.總線的概念總線是一組用于計算機之間各部件之間進行數據和命令的傳送的公用信號線。 二,總線的分類(一)總線(微機通用總線)按功能和規(guī)范可分為三大類型：(1)片總線(Chip Bus, CBus)又稱元件級總線，是把各種不同的芯片連接在 一起構成特定功能模塊(如CPU模塊)的信息傳輸通路。(2)內總線(IntemalBus,IBus)又稱系統(tǒng)總線或板級總線，是微機系統(tǒng)中各 插件(模塊)之間的信息傳輸通路。例如CPU模塊和存儲器模塊或I/O接口模塊 之間的傳輸通路。(3)外總線(Extemal Bus, E-Bus)又稱通信總線，是微機系統(tǒng)之間或微機系 統(tǒng)與其他系統(tǒng)(儀器、儀表

2、、控制裝置等)之間信息傳輸的通路，如EIA RS-232C. IEEE-488等。(現場總線CAN屬于外總線)存儲器I/O 接口I/O 接口存儲器ALU控制部件寄存器組£設備E-BusModem儀器三類總線在微機系統(tǒng)中的地位和關系其中的系統(tǒng)總線，即通常意義上所說的總線，一般又含有三種不同功能的總線，即數據總線DB (Data Bus)、地址總線AB (Address Bus)和控制總線CB (Control Bus)。（二）總線按照傳輸數據的方式劃分：可以分為串行總線和并行總線。串 行總線中，二進制數據逐位通過一根數據線發(fā)送到目的器件；并行總線的數據 線通常超過2根。常見的串行總線有

3、SPI、I2C、USB及RS232等。（三）總線按照時鐘信號是否獨立劃分：可以分為同步總線和異步總線。 同步總線的時鐘信號獨立于數據，而異步總線的時鐘信號是從數據中提取出來 的。SPI、12c是同步串行總線，RS232采用異步串行總線。按照計算機所傳輸的信息種類，計算機的總線可以劃分為數據總線、地址 總線和控制總線，分別用來傳輸數據、數據地址和控制信號。三.各類總線介紹內部總線1. I2C總線是同步通信的一種特殊形式，具有接口線少，控制方式簡化， 器件封裝形式小，通信速率較高等優(yōu)點。在主從通信中，可以有多個I2C總線 器件同時接到12c總線上，通過地址來識別通信對象。2. SPI總線串行外圍設

4、備接DSPI是一種同步串行接口，SPI總線是一種 三線同步總線，因其硬件功能很強，所以與SPI有關的軟件就相當簡單，使CPU 有更多的時間處理其他事務。3. SCI總線串行通信接口 SCI是一種通用異步通信接口 UART,與 MCS-51的異步通信功能基本相同。系統(tǒng)總線1. ISA總線總線標準是IBM公司推出的系統(tǒng)總線標準。它是對XT總線 的擴展，以適應8/16位數據總線要求。它在80286至80486時代應用非常廣泛, 以至于現在奔騰機中還保留有ISA總線插槽，ISA總線有98只引腳。2. EISA總線是在ISA總線的基礎上使用雙層插座，在原來ISA總線的 98條信號線上又增加了 98條信號

5、線，也就是在兩條ISA信號線之間添加一條 EISA信號線。在實用中，EISA總線完全兼容ISA總線信號。3. VESA總線 是一種局部總線，簡稱為VL（VESA local bus）總線。該總線 系統(tǒng)考慮到CPU與主存和Cache的直接相連，通常把這部分總線稱為CPU總 線或主總線，其他設備通過VL總線與CPU總線相連，所以VL總線被稱為局 部總線。它定義了 32位數據線，且可通過擴展槽擴展到64位，使用33MHz 時鐘頻率，最大傳輸率達132MB/s,可與CPU同步工作。是一種高速、高效的 局部總線，可支持386SX、386DX、486SX、486DX及奔騰微處理器。4. PCI總線是當前最

6、流行的總線之一，它是由Intel公司推出的一種局部 總線。它定義了 32位數據總線，且可擴展為64位。PCI總線主板插槽的體積比 原ISA總線插槽還小，其功能比VESA、ISA有極大的改善，支持突發(fā)讀寫操 作，最大傳輸速率可達132MB/s,可同時支持多組外圍設備。PCI局部總線不 能兼容現有的 ISA、EISA、MCA （micro channel architecture）總線，但它不 受制于處理器，是基于奔腌等新一代微處理器而發(fā)展的總線。5. Compact PCI總線 是當今第一個采用無源總線底板結構的PCI系統(tǒng)， 是PCI總線的電氣和軟件標準加歐式卡的工業(yè)組裝標準，是當今最新的一種工

7、 業(yè)計算機標準。Compact PCI是在原來PCI總線基礎上改造而來，它利用PCI 的優(yōu)點，提供滿足工業(yè)環(huán)境應用要求的高性能核心系統(tǒng)，同時還考慮充分利用 傳統(tǒng)的總線產品，如ISA、STD、VME或PC/104來擴充系統(tǒng)的I/O和其他功能。6. PC/104總線PC/104也是一種工業(yè)計算機總線標準。PC/104是一種專門 為嵌入式控制而定義的工業(yè)控制總線，即IEEE-P996。7. VME 總線 Versa Module Eurocard 由 Motorola 公司 1981 年推出的第一 代32位工業(yè)開放標準總線，即IEEE 10141987。（作為測控總線使用）8. AGP 全稱 Acc

8、elerated Graphic Ports, PC 的圖形系統(tǒng)接口的一種。為了 使系統(tǒng)和圖形加速卡之間的數據傳輸獲得比PCI總線更高的帶寬，AGP應運而 生。9. PCI-Express是最新的總線和接口標準，它原來的名稱為“3GIO”，是由 英特爾提出的，很明顯英特爾的意思是它代表著下一代I/O接口標準。交由 PCI-SIG （PCI特殊興趣組織）認證發(fā)布后才改名為“PCLExpress”，簡稱 “PCIE”。這個新標準將全面取代現行的PCI和AGP,最終實現總線標準的統(tǒng) 一。它的主要優(yōu)勢就是數據傳輸速率高，目前最高的16X2.0版本可達到10GB/S, 而且還有相當大的發(fā)展?jié)摿?。PCI

9、Express也有多種規(guī)格，從PCI Express IX到 PCI Express 16X,能滿足現在和將來一定時間內出現的低速設備和高速設備的 需求。外部總線1. RS232C總線設有25條信號線，包括一個主通道和一個輔助通道，在 多數情況下主要使用主通道，對于一般雙工通信，僅需幾條信號線就可實現。 RS-232-C標準規(guī)定的數據傳輸速率為每秒50、75、100、150、300、600、1200、 2400、4800、9600、19200波特。RS232C標準規(guī)定，驅動器允許有2500pF的 電容負載，通信距離將受此電容限制。傳輸距離短的另一原因是RS232屬單端 信號傳送，存在共地噪聲和

10、不能抑制共模干擾等問題，因此一般用于20m以內 的通信。2. RS-485總線在要求通信距離為幾十米到上千米時，廣泛采用RS-485串 行總線標準。RS485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。 加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測低至200mV的電壓，故傳輸信號能在千 米以外得到恢復。RS485采用半雙工工作方式，任何時候只能有一點處于發(fā)送 狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號加以控制。RS-485用于多點互連時非常方 便，可以省掉許多信號線。應用RS-485可以聯網構成分布式系統(tǒng)，其允許最多 并聯32臺驅動器和32臺接收器。3. IEEE-488總線上述兩種外部總線是串行總線，而

11、IEEE-488總線是并 行總線接口標準，用來連接系統(tǒng)，如微計算機、數字電壓表、數碼顯示器等設 備。它按照位并行、字節(jié)串行雙向異步方式傳輸信號，連接方式為總線方式， 儀器設備直接并聯于總線上而不需中介單元，但總線上最多可連接15臺設備。 最大傳輸距離為20米，信號傳輸速度一般為500KB/S,最大傳輸速度為1MB/So4. USB總線通用串行總線USB它基于通用連接技術，實現外設的簡單快 速連接，達到方便用戶、降低成本、擴展PC連接外設范圍的目的。它可以為外 設提供電源。另外，快速是USB技術的突出特點之一，USB的最高傳輸率可達 12Mbps比串口快100倍，比并口快近10倍，而且USB還能

12、支持多媒體。5. CAN總線CAN是控制器局域網絡（Controller Area Network, CAN）的簡 稱，是由研發(fā)和生產汽車電子產品著稱的德國BOSCH公司開發(fā)了的，并最終 成為國際標準（ISO11898）。是國際上應用最廣泛的現場總線之一。在北美和 西歐，CAN總線協議已經成為汽車計算機控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網的 標準總線，并且擁有以CAN為底層協議專為大型貨車和重工機械車輛設計的 J1939協議。具有的高可靠性和良好的錯誤檢測能力。（現場總線）6. 以太網接口接口類型是RJ-45接口。它遵循IEEE802.3標準，傳輸速率 通常為10M/100/1000Mbps,可工作

13、在全雙工、半雙工模式。如下圖的WAN 口(廣域網口)和1、2、3、4標識的端口就是RJ45端口。測控總線(儀器專用總線)測控總線是指以組成測量和控制系統(tǒng)為主要目標而開發(fā)的總線。雖然在PC、 ISA、PCI總線系統(tǒng)上加入各種I/O功能模塊板，也可以組成測控系統(tǒng)，但這不 是這些總線標準設計的主要目的。為測控系統(tǒng)設計的總線主要有STD、CPCK GPIB、VME、VXI和PXI等總線。目前常用的測試系統(tǒng)平臺總線基本上還是 并行總線，如PCI、GPIB、PXI和VXI等總線。1 . PCI/Compact PCI 總線PCI是一種高性能局部總線，它構成微處理器與外設之間的高速通道。PCI 支持多個外設

14、，與CPU的時鐘頻率無關。PCI局部總線的特征體現在其高性能、 可兼容性、處理器的獨立性、成本有限性和將來支持性等方面。PCI局部總線是 一個系統(tǒng)的解決辦法，它使網絡適配器、硬盤驅動器和高速外設的性能進一步 提高。PCI總線工作于33MHz時鐘頻率時，其峰值速度為132MB/s,這比 ISA(9MB/s)和EISA(33MB/s)的傳輸速率提高數倍。PCI總線主控性允許多個 智能外部設備中的任何一個控制此總線，以加速信息流量，使優(yōu)先級高的任務 先執(zhí)行。PCI的并行處理能力使微處理器與外部設備同時運行，而不是等待它們。因為PCI被設計成是對擴充總線的一種補充，所以與ISA. EISA和MCA 總

15、線兼容。雖然每個系統(tǒng)插槽個數有限，但PCI總線允許制造商們提供“分享插 槽”，使之既能適應一個PCL也能適應一個ISA、EISA或MCA卡連接器。另 外，所有PCI兼容附加板可對任何服從PCI的系統(tǒng)進行操作，而與使用中的擴 充總線或微處理器無關。PCI總線的64位數據地址復用總線能使系統(tǒng)的帶寬達到264MB/S,其32 位和64位外部通信對用戶是透明的。這種透明性由一個連接器提供，連接器有 接收32位和64位長的能力，具有非常好的兼容性。PCI總線具有自動匹配能力, 用戶安裝一個新的外設板/卡時，不必人工設置DIP開關或中斷。PCI總線的獨 立處理器特性使其適用于PC平臺的所有系列，包括臺式、

16、筆記本和服務器等。Compact PCI總線是PCI總線在工控領域的擴展，它采用兩種尺寸的歐式 板結構，即單高、雙高和傳統(tǒng)的機箱式安裝方式。系統(tǒng)插槽上的模塊為控制模 塊，負責系統(tǒng)的管理，包括其它模塊的初始化、總線仲裁、時鐘分配和復位功 能。Compact PCI還規(guī)范了熱切換，即帶電插拔，便于適合工業(yè)和嵌入式應用 場合。2 . PXI總線PXI定義用于測試、測量與控制應用，是基于PC的一種小型模塊化儀器平 臺。PXI是建立在Compact PCI規(guī)范的基礎上。Compact PCI規(guī)范定義了封裝 堅固的PCL提供出眾的機械完整性并使硬件部件易于裝卸。因為PXI平臺基 于PCL所以它具有PCI的

17、一些優(yōu)點，如較低的成本、不斷提高的性能，以及 為最終用戶提供主流軟件等。PXI總線是PCI/Compact PCI在儀器領域的擴展，不僅保留了 PCI總線較 高的數據吞吐能力，而且采用了堅固的歐洲插卡組裝技術。為了適應測試儀器 的需要，還擴展了與VXI總線類似的儀器總線，如觸發(fā)總線、本地總線、系統(tǒng) 參考時鐘以及只有D尺寸VXI才有的星型觸發(fā)總線。PXI模塊儀器的優(yōu)點主要 包括：(1) PXI 與 Compact PCI 保持 100%兼容；(2)將臺式PC技術引入到測試與測量設備；(3)比臺式PC提供了更多的I/O擴展槽；(4)擴充了臺式PC機中所沒有的儀器特性；(5)更加緊湊，比臺式PC更節(jié)

18、省空間；(6)提供了更嚴格的標準，促進了多供應商之間的兼容，有利于系統(tǒng)集 成；(7)定義了標準的軟件框架，要求兼容的產品提供相應的驅動軟件，有利 于簡化系統(tǒng)集成。3 .VXI總線VXI總線是在VME總線的基礎上擴展而成的儀器系統(tǒng)總線，由于該總線采 用的是開放式結構并集中了先進的計算機數字接口技術與模塊化儀器的優(yōu)點， 從而擴大了它在電子測量技術領域里的應用范圍?；趥鹘y(tǒng)的“數據采集-分析處 理-傳輸顯示”的結構模式并以此為開發(fā)平臺，充分發(fā)揮計算機的功能和調用各種 有關測試軟件就可方便地組成具有不同功能的儀器虛擬儀器。虛擬儀器可 以把智能儀器、PC儀器以及GPIB系統(tǒng)的特長都集成起來，組成數據吞吐

19、量大、 兼容性強、可擴展性好、標準化的各種專用測試系統(tǒng)。當其接入到計算機網絡 后，便可構成數據采集、傳輸與處理的網絡化系統(tǒng)。VXI總線促進了整個測試系統(tǒng)向開放式、集成化方向發(fā)展，推動了測試儀 器標準化、模塊化、通用化的進程，使系統(tǒng)資源，包括所有硬件與軟件獲得共 享。同時也使新的測試系統(tǒng)的研制周期縮短、成本降低、風險減小。VXI總線采用模塊化開放式結構，易于擴展、重構和系統(tǒng)集成。它可以很 方便地應用于數據采集、虛擬儀器和測試系統(tǒng)中，是計算機操縱的模塊化儀器。 它依靠有效的標準化，采用模塊化的方式，實現了系列化、通用化以及VXI總 線儀器的互換性和互操作性。由于VXI提供了多種常規(guī)儀器模塊，并與G

20、PIB 兼容，而且高度集成，所以很快成為軍用測試界公認的軍用測試總線。十多年 的應用證明，VXI總線具有如下主要優(yōu)點：(1)開放式標準使儀器組合靈活和容易；(2)系統(tǒng)吞吐量增強，減少測試時間或提高性能；(3)小體積與高密度的設計減少系統(tǒng)占用空間，可以就近放置于待測設備 旁進行測試，便于移動與攜帶；(4)更精確的定時與同步功能改善測量能力；(5)標準化VXI即插即用軟件簡化系統(tǒng)設定、編程及集成；(6)模塊化、堅固的設計提高可靠度、延長失效的平均間隔時間、并降低 修復所需時間；(7)可降低系統(tǒng)研制成本；VXI總線十多年的應用證明歐式插卡組裝技術是其中最成功和可靠的技術, 特別適合于嵌入式計算機系統(tǒng)

21、。由于其采用歐式插卡，還具有以下優(yōu)勢：(1)插卡垂向而平行地插入機箱，有利于通風散熱；(2)每塊插卡都有金屬前面板，便于安裝連接器和指示燈；(3)每塊插卡用螺釘鎖住，有較強的抗震、抗顫動能力；(4)采用插入式電源模塊，便于維修；(5)適合安裝在標準化工業(yè)機架上。4 .VME總線VME總線是一種高性能總線，支持多處理器系統(tǒng)，總線規(guī)范嚴謹而全面，主要應用于實時信號處理和控制領域。VME總線特點如下:(1)尋址空間大，數據傳輸率高，滿足高性能微計算機的要求；(2)在多處理器系統(tǒng)中，其中斷機構可保證各處理器之間的相互通信，提 高了多處理器系統(tǒng)的性能；(3) VME易于組成開放式系統(tǒng)。5. GPIB總線

22、通用接 口總線(General Purpose Interface Bus,簡寫為 GPIB)是由 IEEE 協會 (Institute of Electrical and Electronic Engineers)規(guī)定的一種 ANSDIEEE488 標 準。典型的GPIB系統(tǒng)由一臺PC機、一塊GPIB接口卡和若干臺BPIB形式的 儀器通過GPIB電纜連接而成。GPIB技術可用計算機實現對儀器的操作和控制, 替代傳統(tǒng)的人工操作方式，可以很多方便地把多臺儀器組合起來，形成自動測 量系統(tǒng)。GPIB測量系統(tǒng)的結構和命令簡單，主要應用于臺式儀器，適合于精確度要 求高的，但不要求對 計算機高速傳輸狀況時

23、應用。GPIB最高速率為IMBytes/s, 傳輸距離20m,器件容量15臺。PXI總線與VXI總線VXI和PXI之間的主要差別源于它們各自的底層總線結構不同。VXI基于 VME總線，而PXI基于PCI總線，PCI總線多年來一直在臺式PC機中廣泛應 用。由于標準PCI總線最大帶寬是132MB/s,標準VME總線只有40MB/S,所 以PXI總線更具優(yōu)勢。使用PCI總線的另外一個好處是能夠降低系統(tǒng)成本，這 是因為各種PCI總線硬件插卡種類齊全、生產廠家多。第三是由于PXI插卡尺 寸小，所以它能夠為便攜式、臺式與固定架式裝置提供一個通用平臺。VXI總線的不足是受限于VME總線的規(guī)范，速度難于提升。

24、VME不是當 前計算機總線技術發(fā)展的主流，在數據吞吐、即插即用、軟件、網絡連接等方 面不及PCI總線。VME總線采用TTL技術，在64位寬度時TTL電路固有的 噪聲和信號抖動遠高于PXI所使用的PCI總線；VME總線只能使用5V電壓, 不能滿足快速傳輸和低功耗的要求，而PXI則能使用64位的5V和3.3V信號, 并且使用了與VXI相同的組裝技術。就傳輸速度而言，PXI為VXI總線的三倍 多，因而在PXI上實現的實時圖像采集技術在VXI上卻無法實現，限制了其應 用領域的拓展。PXI總線設計技術與CPCI總線的差異1 .在機械結構設計上PXI系統(tǒng)的硬件由機箱(含電源)、背板和插入式模板組成。模板用

25、歐洲板規(guī) 格，有兩種尺寸：3U(100X 160mm)和6U(233.35X 160 mm)。3U模板上有兩個 110對接點的IEC標準連接器J1和J2, J1要有32位PCI信號線，J2上有64 位PCI信號線。此外，它們還包含有CPCI定義的各種信號線。6U模板上除了 J1和J2外，還增加了 J3、J4和J5連接器，它們留待將來PXI進一步擴充用。在PXI機箱內至少有一個系統(tǒng)控制器模板插槽和一個外圍模板插槽，插槽 間距為20.32mnu 一個PXI總線段最多可連接7個外圍模板，若系統(tǒng)需要更多 的外圍模板，可通過PCIPCI橋增加總線段。以上特性是PXI與CPCI在結構上完全兼容的特性，PX

26、I在結構上要求上 的區(qū)別主要是：PXI規(guī)定系統(tǒng)控制器模板安裝在1號插槽，如果它需要更大的空 間，應向左邊擴充。PXI又規(guī)定星式觸發(fā)控制器模板安裝在2號插槽，如果系統(tǒng) 不需要該模板，2號槽可供其它外圍模板用。PXI還參照有關國際標準，在模 板的安裝方位、強迫風冷的能力和氣流方向、產品的工作和存貯環(huán)境溫度范圍、 電磁兼容性等方面作了明確的規(guī)定。PXI和CPCI的產品具有完全的互操作性，PXI標準的模板可安裝在CPCI 的機箱中使用，反之亦然。當然，在這種情況下，只能實現CPCI的功能，而不 能執(zhí)行PXI特有的功能。2 .在電氣技術標準上PXI所沿用的CPCI電氣標準主要有：33MHz時鐘頻率，32

27、位和64位的 數據傳輸帶寬，132MB/S(32位)和264MB/S(64位)的峰值傳輸率，支持3.3V 的電源環(huán)境和即插即用技術，PXI所沿用的CPCI電氣標準有PCI-PCI橋擴展 總線段技術標準等。在PCI和CPCI標準基礎上PXI增加的電氣標準主要有以下幾種：(1)系統(tǒng)參考時鐘：PXI為外圍模板提供精度為土 lOOppm的10MHz公 用參考時鐘，它可作為多個模板的同步信號。它在背板上的實現提供了嚴格定 義的，低失真的信號。(2)觸發(fā)信號總線：PXI規(guī)定了 8條非常靈活的公共觸發(fā)總線，可用于模 板之間的同步與通信。例如，用戶能夠使用觸發(fā)線同步7個不同的PXI模塊的 操作。(3)星式觸發(fā)

28、信號線：PXI有13條星式觸發(fā)信號線，它們從星式觸發(fā)控制 器插槽分別引向不同的外圍插槽，而且采用了等線長技術，所以星式觸發(fā)信號 線可以用作向多個模塊發(fā)送非常精確的觸發(fā)信號；主要有兩個優(yōu)點：首先可以 保證系統(tǒng)中的每個模塊具有單獨的觸發(fā)總線。其次。保證了與單一觸發(fā)點的低 失真連接。它們還可以用作接收外圍模板的狀態(tài)和響應信號。(4)本地總線：PXI的局部總線是一種用戶可定義的菊花鏈總線，它連接每 個外圍插槽及其相鄰插槽，共有13根線。從高速的TTL信號到高達42V的模 擬信號都可以在本地總線上傳送。本地總線還可以作為高速旁路的通信路徑， 而且不影響PXI的數據傳輸帶寬。3 .在軟件結構上PXI支持VXI plug & play系統(tǒng)聯盟推薦的虛擬儀器軟件結構(Virtual instrument Software Architecture,簡稱 VISA),可用于配置 VXI、GPIB> 串口 和PXI儀器的控制。而CPCI驅動程