微機(jī)原理與接口技術(shù)課件：微型計(jì)算機(jī)總線技術(shù)

微型計(jì)算機(jī)總線技術(shù)7.1總線基本知識(shí)7.2系統(tǒng)總線7.3外總線7.4現(xiàn)場(chǎng)總線本章小結(jié)學(xué)習(xí)目標(biāo)

總線在微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中負(fù)責(zé)CPU和其他部件之間信息的傳遞，是系統(tǒng)中傳遞各類信息的通道，也是微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各模塊間的物理接口。通過(guò)本章學(xué)習(xí)，應(yīng)熟悉總線的一般概念和微機(jī)系統(tǒng)總線的組成，理解PCI總線、RS-232-C總線和USB總線的性能特點(diǎn)、連接方法及應(yīng)用場(chǎng)合，學(xué)會(huì)根據(jù)總線的規(guī)范設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的擴(kuò)展接口，并且了解近幾年在工業(yè)控制中被廣泛使用的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的特點(diǎn)和工作原理。學(xué)習(xí)重點(diǎn)

(1)總線的基本概念，包括總線的定義、描述總線的特征要素以及總線的電氣特性。

(2)微機(jī)總線的組成結(jié)構(gòu)，片內(nèi)總線、內(nèi)總線、外總線的含義及其應(yīng)用特點(diǎn)。

(3)PCI總線的工作原理、連接方式，以及PCI配置的方法。

(4)RS-232-C總線的接口特點(diǎn)、電氣特性和使用方法。

(5)USB總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、功能特點(diǎn)和連接使用方法。

(6)IEEE1394總線的性能特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合。

(7)現(xiàn)場(chǎng)總線的定義、性能和幾種常見(jiàn)的現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)及基本工作原理。

7.1總線基本知識(shí)

7.1.1微型計(jì)算機(jī)總線概述

在微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，利用總線實(shí)現(xiàn)芯片內(nèi)部、印刷電路板部件之間、機(jī)箱內(nèi)插件板之間、主機(jī)與外部設(shè)備之間或系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的連接與通信。因此總線是將計(jì)算機(jī)微處理器與內(nèi)存芯片以及與之通信的設(shè)備連接起來(lái)的硬件通道。

總線結(jié)構(gòu)對(duì)計(jì)算機(jī)的功能及其數(shù)據(jù)傳播速度具有決定性的意義，總線設(shè)計(jì)直接影響計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能、可靠性、可擴(kuò)展性和可升級(jí)性。目前已將總線作為一個(gè)獨(dú)立的功能部件來(lái)看待。

通常是由發(fā)送數(shù)據(jù)的部件分時(shí)地將數(shù)據(jù)發(fā)往總線，再由總線將該數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)往各接收數(shù)據(jù)部件；而接收數(shù)據(jù)的部件由CPU給出的設(shè)備地址譯碼選中?？偩€仲裁電路對(duì)眾多的設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求進(jìn)行優(yōu)先級(jí)別排隊(duì)，以使設(shè)備相應(yīng)按策略依次使用總線，避免總線沖突。

計(jì)算機(jī)通信方式有并行通信和串行通信之分，相應(yīng)的總線稱為并行總線和串行總線。并行通信速度快、實(shí)時(shí)性好，占用線路多，不適于小型化產(chǎn)品；串行通信速率雖低，在數(shù)據(jù)通信吞吐量不是很大的微處理電路中顯得更加方便、靈活。

總線的主要參數(shù)有帶寬、位寬和時(shí)鐘頻率三個(gè)指標(biāo)。

總線的帶寬是指總線在單位時(shí)間內(nèi)可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總量，它等于總線位寬與工作頻率的乘積。

系統(tǒng)總線頻率是由主板晶振提供時(shí)鐘，CPU的實(shí)際運(yùn)行頻率是通過(guò)內(nèi)部倍頻技術(shù)提供，所以要比系統(tǒng)總線頻率(又稱外頻)高2的整數(shù)倍。

總線的位寬是指總線能同時(shí)傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)，即常說(shuō)的32位、64位等總線寬度的概念。對(duì)于目前的PC機(jī)而言，基本上使用的都是32位的總線位寬；總線的工作時(shí)鐘頻率以MHz為單位，工作頻率越高則帶寬越寬。

微型計(jì)算機(jī)中的總線一般分為內(nèi)部總線、系統(tǒng)總線和外部總線。如圖7-1所示為微型計(jì)算機(jī)的總線結(jié)構(gòu)圖。

總線技術(shù)隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而不斷完善，計(jì)算機(jī)總線技術(shù)種類繁多，各具特色。圖7-1微型計(jì)算機(jī)的總線結(jié)構(gòu)圖7.1.2微型計(jì)算機(jī)總線技術(shù)的現(xiàn)狀

總線是微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中影響系統(tǒng)性能的主要瓶頸之一。

自IBMPC機(jī)問(wèn)世以來(lái)，隨著微處理器技術(shù)的飛速發(fā)展，相應(yīng)的總線技術(shù)也不斷創(chuàng)新，由ISA、MCA、EISA、VESA發(fā)展到PCI、AGP、IEEE1394、USB，現(xiàn)在又出現(xiàn)了EV6、PCI-X、NGIO等總線結(jié)構(gòu)。究其原因，是由于CPU的處理性能迅速提升，致使與外設(shè)的數(shù)據(jù)傳輸速率不匹配，于是不斷地進(jìn)行總線改造，尤其是局部總線。

目前，AGP局部總線數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)528?MB/s，PCI-X可達(dá)1?GB/s，系統(tǒng)總線傳輸率也由100?MB/s升至200?MB/s?？偩€的發(fā)展創(chuàng)新，促進(jìn)了PC系統(tǒng)性能的日益提高。

(1)?ISA總線(IndustryStandardArchitectureBUS，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)總線)：該總線是美國(guó)IBM公司制定的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線，其寬度16位，總線頻率為8?MHz。

(2)?EISA總線(ExtendedIndustryStandardArchitectureBUS，擴(kuò)展工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)總線)：該總線是32位總線擴(kuò)展工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它在ISA總線的基礎(chǔ)上，將總線寬度擴(kuò)展到32位，總線頻率提高到16MHz。

(3)?MCA總線(MicroChannelArchitectureBUS，微通道結(jié)構(gòu)總線)：該總線是適合PS/2系統(tǒng)的總線結(jié)構(gòu)，其寬度32位，總線頻率10?MHz。

(4)?VESA總線(VideoElectronicsStandardsAssociationBUS，視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)總線)：該總線是一種開(kāi)放性總線，其寬度32位，總線頻率33?MHz。

(5)?PCI總線(PeripheralComponentInterconnectBUS，外部設(shè)備連接總線)：該總線是64位總線，其頻率33?MHz，數(shù)據(jù)傳輸率80?Mb/s。

(6)?AGP總線(AcceleratedGraphicsPorBUS，加速圖形接口總線)：該總線是專用于連接主板上的控制芯片和AGP顯示適配卡，為提高視頻帶寬而設(shè)計(jì)的總線規(guī)范，其頻率133?MHz，數(shù)據(jù)傳輸率533?Mb/s。

(7)USB總線(UniversalSerialBus，通用串行總線)：該總線具有足夠帶寬以適應(yīng)多媒體應(yīng)用的要求。其具有高可靠性、設(shè)備與系統(tǒng)相互獨(dú)立性，為用戶提供一種可共享、可擴(kuò)充、使用方便的串行總線。數(shù)據(jù)傳輸率有12Mb/s以及480Mb/s。

(8)?I2C(Intel-IntegratedCircuitbus)總線：該總線是由數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘SCL構(gòu)成的串行總線，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在CPU與被控IC之間、IC與IC之間進(jìn)行雙向傳送，最高傳送速率100?Kb/s。是近年來(lái)在微電子通信控制領(lǐng)域廣泛采用的一種新型總線標(biāo)準(zhǔn)。它是同步通信的一種特殊形式，具有接口線少，控制方式簡(jiǎn)化，器件封裝形式小，通信速率高等優(yōu)點(diǎn)。在主從通信中，可以有多個(gè)I2C總線器件同時(shí)接到I2C總線上，通過(guò)地址來(lái)識(shí)別通信對(duì)象。

(9)?PC104總線：該總線是專門為嵌入式控制而定義的工業(yè)控制總線，其信號(hào)定義和ISA總線一致，但電氣規(guī)范和機(jī)械規(guī)范卻完全不同，是一種優(yōu)化的小型、堆棧式結(jié)構(gòu)的嵌入式總線標(biāo)準(zhǔn)。PC104與ISA相比具有的一些獨(dú)特的功能：小尺寸結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)PC104模塊的機(jī)械尺寸是3.6英寸?×?3.8英寸，即96?mm?×?90?mm，堆棧式連接去掉總線底板和插板滑道，總線以針和孔形式層疊連接，即PC104總線模塊之間的連接是通過(guò)上層的針和下層的孔相互咬合相連，這種層疊封裝有極好的抗震性，并降低總線驅(qū)動(dòng)電流減少元件數(shù)量和電源消耗，4?mA總線驅(qū)動(dòng)即可使模塊正常工作，每個(gè)模塊的功耗大約1～2?Ｗ。

(10)?SPI(SerialPeripheralInterface，串行外圍設(shè)備接口)總線：該總線技術(shù)是Motorola公司推出的一種同步串行接口。Motorola公司生產(chǎn)的絕大多數(shù)MCU(微控制器)都配有SPI硬件接口，如68系列MCU。SPI總線是一種三線同步總線，因其硬件功能很強(qiáng)，所以與SPI有關(guān)的軟件就相當(dāng)簡(jiǎn)單，使CPU有更多的時(shí)間處理其他事務(wù)。

(11)?CAN(ControllerAreaNet，控制器局域網(wǎng))總線：該總線是一種現(xiàn)場(chǎng)總線，主要用于各種過(guò)程檢測(cè)及控制。CAN最初是由德國(guó)BOSCH公司為汽車監(jiān)測(cè)和控制而設(shè)計(jì)的，目前CAN已逐步應(yīng)用到其他工業(yè)控制中，現(xiàn)已成為ISO-11898國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

CAN總線有以下特點(diǎn)：CAN可以是對(duì)等結(jié)構(gòu)，即多主機(jī)工作方式，網(wǎng)絡(luò)上任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，不分主從，通訊方式靈活；CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)可以分為不同的優(yōu)先級(jí)，滿足不同的實(shí)時(shí)需要；CAN采用非破壞性仲裁技術(shù)，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)上傳送信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)自動(dòng)停止發(fā)送，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓；CAN可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，通訊距離最遠(yuǎn)10km?(5kb/s)，節(jié)點(diǎn)數(shù)目可達(dá)110個(gè)；CAN采用的是短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個(gè)，具有CRC校驗(yàn)和其他檢測(cè)措施，數(shù)據(jù)出錯(cuò)幾率小。CAN節(jié)點(diǎn)在嚴(yán)重錯(cuò)誤的情況下，具有自動(dòng)關(guān)閉功能，不會(huì)影響總線上其他節(jié)點(diǎn)操作；通訊介質(zhì)采用廉價(jià)的雙絞線，無(wú)特殊要求，用戶接口簡(jiǎn)單，容易構(gòu)成用戶系統(tǒng)。

(12)?AlphaEV6總線(PeripheralComponentInterconnectBUS，外部設(shè)備連接總線)：該總線是64位總線，其頻率33MHz，數(shù)據(jù)傳輸率480Mb/s。

AMD公司在Athlon處理器上使用了一個(gè)200Mb/s的系統(tǒng)總線，即AlphaEV6總線。AMDAthlon總線采用信息包傳輸協(xié)議，允許單個(gè)處理器容納24項(xiàng)預(yù)處理任務(wù)，是PCI總線結(jié)構(gòu)預(yù)處理任務(wù)的6倍，支持64?B突發(fā)式傳輸，支持CPU8TB以上物理地址尋址。

(13)?PCI-X局部總線：該總線是Compaq等公司利用對(duì)等PCI技術(shù)和Intel公司的快速芯片作為智能I/O電路的協(xié)處理器來(lái)構(gòu)建的。PCI-X技術(shù)通過(guò)增加計(jì)算機(jī)中央處理器與網(wǎng)卡、打印機(jī)、硬盤存儲(chǔ)器等各種外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)流量來(lái)提高服務(wù)器的性能。

(14)?NGIO總線(NextGenerationInput/OutputBUS，下一代I/O總線結(jié)構(gòu))：該總線是交換機(jī)制和系統(tǒng)主芯片連接的對(duì)等PCI總線。NGIO總線將數(shù)據(jù)打包在源通道與目標(biāo)通道適配器間發(fā)送，將CPU從慢速外設(shè)數(shù)據(jù)處理等待中解脫出來(lái)；NGIO內(nèi)含多級(jí)交換器，能夠創(chuàng)建多I/O通道。

(15)?FutureI/O總線(FutureI/OBUS，將來(lái)的輸入輸出總線)：該總線是與NGIO相競(jìng)爭(zhēng)的一種總線，目前在研制中，據(jù)稱數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)10?GB/s。7.1.3計(jì)算機(jī)總線技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

目前，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)總線中，PCI/PCI-X和Compact-PCI總線仍占據(jù)優(yōu)勢(shì)，HyperTransport、InfiniBand、RapidIO、3GIO和StarFabric等總線標(biāo)準(zhǔn)將陸續(xù)融入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。

HyperTransport發(fā)布于2001年，是一種高速、低待時(shí)、支持點(diǎn)到點(diǎn)以及可擴(kuò)充的新型并行總線結(jié)構(gòu)。HyperTransport具有較高的吞吐量。它允許外設(shè)私有的I/O連接，能選擇總線的寬度和速度，提升了總線傳輸性能，可滿足眾多設(shè)備在功率、空間和成本等方面的需求。這些設(shè)備包括工作站、服務(wù)器、Internet路由器、光交換機(jī)、企業(yè)網(wǎng)、中心局設(shè)備、蜂窩基站等。

HyperTransport總線寬度有2/4/8/16/32等選擇，采用菊花鏈結(jié)構(gòu)多組件連接；采用積木塊結(jié)構(gòu)，可組合實(shí)現(xiàn)多功能的高速系統(tǒng)?；谶@種體系結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)可用交換機(jī)進(jìn)行擴(kuò)充，能處理多I/O數(shù)據(jù)流，支持多級(jí)復(fù)雜系統(tǒng)。

HyperTransport器件的互連采用對(duì)稱/非對(duì)稱形式。非對(duì)稱總線能同時(shí)支持上下行不同帶寬，不需專用I/O驅(qū)動(dòng)，其協(xié)議層能夠保證數(shù)據(jù)在交換結(jié)構(gòu)內(nèi)的合理流動(dòng)。

RapidIO是在與HyperTransport的競(jìng)爭(zhēng)中產(chǎn)生的。最新的HyperTransport協(xié)議能夠兼容RapidIO的多主操作，但RapidIO的處理更為簡(jiǎn)便，它所采用的標(biāo)準(zhǔn)低壓差分信號(hào)技術(shù)和基于包的并行操作，使得各種標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)可融入到RapidIO設(shè)計(jì)中，這一優(yōu)點(diǎn)適合嵌入式SOC設(shè)計(jì)，RapidIO的多IP核捆綁還為特殊通信應(yīng)用提供了高性能支持。

InfiniBand將I/O控制集成到具有交換結(jié)構(gòu)的點(diǎn)到點(diǎn)全雙工互連設(shè)備上，提升了數(shù)據(jù)在服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備和外設(shè)間的傳輸速率。占用較小的空間但具有較強(qiáng)的計(jì)算能力，可以和PCI、Fibrechannel等專用標(biāo)準(zhǔn)共存。

InfiniBand是一種高性能、通道基I/O協(xié)議，用來(lái)提高服務(wù)器和其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的性能、可擴(kuò)充性和可靠性；InfiniBand采用數(shù)據(jù)包方式工作，進(jìn)入InfiniBand結(jié)構(gòu)就可以路由至任何應(yīng)用；InfiniBand采用熱連接技術(shù)，熱連接使InfiniBand系統(tǒng)的增添、拆除和維護(hù)比目前的共享總線I/O系統(tǒng)更加方便。

InfiniBand的可擴(kuò)充性通過(guò)統(tǒng)一結(jié)構(gòu)和物理模塊化兩個(gè)途徑實(shí)現(xiàn)。InfiniBand采用通道適配器I/O引擎，將系列化互連通道構(gòu)成一個(gè)結(jié)構(gòu)，在物理上可將多個(gè)主通道適配器將連接器和交換機(jī)組成整體。其次，InfiniBand交換技術(shù)鏈接源、目標(biāo)通道適配器，利用通道基點(diǎn)到點(diǎn)連接，不采用共享總線。存取操作配置將I/O從存儲(chǔ)器子系統(tǒng)中分離開(kāi)來(lái)，使得連接至結(jié)構(gòu)的設(shè)備無(wú)需考慮共享總線帶寬，從而可按照最高速率進(jìn)行通信。InfiniBand這種I/O結(jié)構(gòu)使之能夠應(yīng)付工作負(fù)荷的增加。

HyperTransport技術(shù)是在機(jī)箱內(nèi)提供高速數(shù)據(jù)途徑，InfiniBand則是將高級(jí)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)用于系統(tǒng)間通信，HyperTransport與InfiniBand之間是相輔相成的。7.1.4總線分類和總線標(biāo)準(zhǔn)

1.總線分類

根據(jù)連接部件的不同，總線可以分為內(nèi)部總線、系統(tǒng)總線和外部總線。

內(nèi)部總線的一般設(shè)計(jì)通過(guò)芯片生產(chǎn)廠家完成，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，借助于EDA(ElectronicDesignAutomation，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化)軟件，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者可方便地設(shè)計(jì)符合需求的專用集成電路，片內(nèi)總線設(shè)計(jì)是必須的。

系統(tǒng)總線用于連接計(jì)算機(jī)系統(tǒng)板內(nèi)各元件以及系統(tǒng)板與插件板之間的通信總線。外部總線中的數(shù)據(jù)傳輸一般采用并行或串行方式，其定時(shí)方式采用同步或異步方式，數(shù)據(jù)傳輸率較低。系統(tǒng)總線通常采用同步、并行方式，數(shù)據(jù)傳輸速率較高，以提高系統(tǒng)的性能。三總線的總線結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7-2。圖7-2三總線的總線結(jié)構(gòu)圖

2.總線標(biāo)準(zhǔn)

總線標(biāo)準(zhǔn)是計(jì)算機(jī)各個(gè)部件之間的互聯(lián)規(guī)范，由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定?？偩€標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范計(jì)算機(jī)系統(tǒng)總線的設(shè)計(jì)，提高可互換性和可維護(hù)性，增強(qiáng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能和可靠性。

總線標(biāo)準(zhǔn)必須有詳細(xì)和明確的規(guī)范說(shuō)明，其主要內(nèi)容包括：

(1)物理特性：定義總線物理形態(tài)和結(jié)構(gòu)布局，規(guī)定總線的形式(電纜、印制線或接插件)以及具體位置等。

(2)機(jī)械特性：定義總線機(jī)械連接特性，機(jī)械性能包括接插件的類型、形狀、尺寸、牢靠等級(jí)、數(shù)量和次序等。

(3)功能特性：定義總線各信號(hào)線功能，不同信號(hào)實(shí)現(xiàn)不同功能。

(4)電氣特性：定義信號(hào)的傳遞方向、工作電平、負(fù)載能力的最大額定值等。

3.總線規(guī)范

總線規(guī)范有機(jī)械結(jié)構(gòu)規(guī)范、功能結(jié)構(gòu)規(guī)范、電氣規(guī)范三種。其中機(jī)械結(jié)構(gòu)規(guī)范規(guī)定模塊尺寸、總線插頭、邊沿連接器等的規(guī)格；功能結(jié)構(gòu)規(guī)范確定引腳名稱與功能，以及其相互作用的協(xié)議；電氣規(guī)范規(guī)定信號(hào)邏輯電平、負(fù)載能力、最大額定值及動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間等。

4.總線控制方式

總線完成一次數(shù)據(jù)傳輸要經(jīng)歷以下4個(gè)階段：

(1)申請(qǐng)總線階段。申請(qǐng)使用總線的訪問(wèn)模塊向總線仲裁機(jī)構(gòu)提出使用總線的申請(qǐng)。

(2)尋址階段。獲得總線控制權(quán)的訪問(wèn)模塊，通過(guò)地址總線發(fā)出被訪問(wèn)模塊地址，選中被訪問(wèn)模塊。

(3)數(shù)據(jù)傳輸階段。訪問(wèn)模塊和被訪問(wèn)模塊間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)由被訪問(wèn)模塊發(fā)出經(jīng)數(shù)據(jù)總線流入訪問(wèn)模塊。

(4)傳輸結(jié)束階段。訪問(wèn)模塊和被訪問(wèn)模塊相關(guān)信息先后從總線上撤除，交出總線使用權(quán)，以便其他模塊能繼續(xù)使用總線。

1)同步總線

同步總線采用時(shí)鐘振蕩器的時(shí)鐘信號(hào)作為控制信號(hào)，時(shí)鐘的上升沿和下降沿分別表示一個(gè)總線周期的開(kāi)始和結(jié)束。采用總線時(shí)鐘信號(hào)同步所有模塊的時(shí)鐘基準(zhǔn)。

同步總線系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳送由單一信號(hào)控制。對(duì)于總線上的快慢設(shè)備，采用降低時(shí)鐘信號(hào)的頻率的方法，滿足總線上最慢速響應(yīng)的設(shè)備需要，完成數(shù)據(jù)傳輸。

2)異步總線

異步總線采用可延時(shí)控制信號(hào)實(shí)施高、低速設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸操作。

在進(jìn)行寫操作時(shí)，總線訪問(wèn)設(shè)備把地址和數(shù)據(jù)先后放到相應(yīng)總線上，在允許的時(shí)間延遲之后，總線訪問(wèn)設(shè)備發(fā)出的訪問(wèn)控制信號(hào)上升沿觸發(fā)被訪問(wèn)設(shè)備的數(shù)據(jù)輸入緩沖寄存器的門控開(kāi)啟，開(kāi)始一個(gè)寫周期，并把數(shù)據(jù)鎖寫入該寄存器中。

在進(jìn)行讀操作時(shí)，總線訪問(wèn)設(shè)備把地址放到總線上之后，總線訪問(wèn)設(shè)備發(fā)出的訪問(wèn)控制信號(hào)上升沿觸發(fā)被訪問(wèn)設(shè)備啟動(dòng)數(shù)據(jù)讀出操作。在總線被訪問(wèn)設(shè)備取出所訪問(wèn)數(shù)據(jù)并將其放到總線之后，被訪問(wèn)控制信號(hào)變?yōu)楦唠娖?，表示本次讀操作完成，同時(shí)觸發(fā)訪問(wèn)設(shè)備接收把總線數(shù)據(jù)寫入其數(shù)據(jù)緩沖器，在此期間被訪問(wèn)控制信號(hào)必須保持高電平，使數(shù)據(jù)穩(wěn)定在數(shù)據(jù)總線上；當(dāng)訪問(wèn)設(shè)備已完成數(shù)據(jù)接收，就使訪問(wèn)控制信號(hào)變?yōu)榈碗娖剑硎疽呀邮諗?shù)據(jù)，而后被訪問(wèn)控制信號(hào)降低，表示被訪問(wèn)設(shè)備已知道訪問(wèn)設(shè)備得到數(shù)據(jù)，整個(gè)讀操作結(jié)束，隨后可以開(kāi)始新的總線操作。

這種全互鎖異步總線的優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，效率也較高。

3)半同步總線

由于異步總線的傳輸延遲限制了數(shù)據(jù)帶寬，所以結(jié)合同步總線和異步總線的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)了半同步總線。半同步總線設(shè)有訪問(wèn)設(shè)備的時(shí)鐘信號(hào)和被訪問(wèn)設(shè)備的等待信號(hào)，這兩個(gè)控制信號(hào)起著異步總線訪問(wèn)控制信號(hào)和被訪問(wèn)控制信號(hào)的作用，但傳輸延遲僅是異步總線的一半，因?yàn)槌晒Φ奈帐种恍枰粋€(gè)來(lái)回。對(duì)于快速設(shè)備，這種總線本質(zhì)上是由時(shí)鐘信號(hào)單獨(dú)控制的同步總線。

如果被訪問(wèn)設(shè)備不能在一個(gè)周期內(nèi)作出響應(yīng)，則它促使被訪問(wèn)設(shè)備的等待信號(hào)變高，而被訪問(wèn)設(shè)備暫停。只要被訪問(wèn)設(shè)備的等待信號(hào)高電平有效，其后的時(shí)鐘周期就會(huì)知道訪問(wèn)設(shè)備處于空閑狀態(tài)，當(dāng)被訪問(wèn)設(shè)備受控設(shè)備能響應(yīng)時(shí)，它使被訪問(wèn)設(shè)備的等待信號(hào)變低，而訪問(wèn)設(shè)備使用標(biāo)準(zhǔn)同步協(xié)定的定時(shí)信號(hào)接收被訪問(wèn)設(shè)備的應(yīng)答。這樣，半同步總線就具有同步總線的速度和異步總線的適應(yīng)性。

7.2系統(tǒng)總線

7.2.1

PCI總線

PCI總線是32/64位標(biāo)準(zhǔn)總線。PCI總線采用與CPU隔離的總線結(jié)構(gòu)，能與CPU并行工作。具有適應(yīng)性強(qiáng)、速度快的特點(diǎn)，適用于Pentium以上的微型計(jì)算機(jī)。PCI總線時(shí)鐘頻率66?MHz，數(shù)據(jù)傳輸速率533MB/s。

1.概述

圖形處理、多媒體應(yīng)用要求微型計(jì)算機(jī)應(yīng)具有快速的大容量存儲(chǔ)和高總線帶寬。由于微型計(jì)算機(jī)中CPU、內(nèi)存、顯示卡、硬盤等關(guān)鍵部件在性能上已有了很大的提高，原有的ISA、EISA總線已成為微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的瓶頸，因此研制了PCI總線。

PCI總線不依附具體處理器，PCI是存在于CPU和原來(lái)的ISA系統(tǒng)總線之間的另一級(jí)總線，由一個(gè)橋接電路實(shí)現(xiàn)這個(gè)中間層的管理及數(shù)據(jù)接口。橋接電路能夠提供信號(hào)緩沖，能夠支持10種類型的外設(shè)接口，能在較高時(shí)鐘頻率下保持高性能。

PCI總線支持總線主控技術(shù)，允許智能設(shè)備按需取得總線控制權(quán)，以加速數(shù)據(jù)傳送。

PCI接口內(nèi)的系列寄存器位于其中的小容量存儲(chǔ)器中，系列寄存器依據(jù)內(nèi)置參數(shù)將PCI配置到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，由此產(chǎn)生即插即用功能。

PCI總線的主要特點(diǎn)是：

(1)獨(dú)立于處理器，支持80多個(gè)總線功能，總線頻率33/66?MHz，低功耗。

(2)并行總線操作可以在所有讀寫交易中實(shí)現(xiàn)猝發(fā)傳送，實(shí)行隱式總線仲裁。

(3)地址、命令、數(shù)據(jù)奇偶校驗(yàn)。

(4)存儲(chǔ)器、I/O、配置地址空間，自動(dòng)配置寄存器，全面支持PCI總線主設(shè)備。

(5)電平中斷，支持多源共享中斷。

(6)規(guī)范的PCI連接器和插卡定義。

PCI的地址總線和數(shù)據(jù)總線采用多路復(fù)用方式，包含32/64位數(shù)據(jù)(地址)總線。

2.?PCI總線結(jié)構(gòu)連接方式

PCI總線的連接方式如圖7-3所示。由圖可知，CPU總線(前端總線)和PCI總線由橋接電路(北橋芯片)相連，微處理器的總線獨(dú)立于PCI總線。北橋芯片中除了含有橋接電路外，還有Cache控制器和DRAM控制器等其他控制電路。PCI總線上外接圖形控制器、IDE設(shè)備(或SCSI設(shè)備)、網(wǎng)絡(luò)控制器等高速設(shè)備。PCI總線和ISA/EISA總線之間也通過(guò)橋接電路(南橋芯片)相連，ISA/EISA上外接傳統(tǒng)的慢速設(shè)備，用以外接原有資源。

PCI能夠支持處理器快速訪問(wèn)存儲(chǔ)器并支持適配器的互訪。圖7-4是一個(gè)典型的PCI系統(tǒng)，指出了PCI總線、擴(kuò)展總線、CPU以及存儲(chǔ)器總線之間的連接關(guān)系。PCI總線可連接多個(gè)PCI設(shè)備，有雙PCI總線方式、PCItoPCI方式、多處理器服務(wù)器方式等連接方式。圖7-3PCI總線的基本連接方式圖7-4典型的PCI總線系統(tǒng)

3.?PCI總線的中斷和仲裁

在多主設(shè)備的PCI系統(tǒng)中，總線主設(shè)備使用總線，必須向總線仲裁器申請(qǐng)總線權(quán)。

PCI總線支持?#INTA～#INTD四種中斷。PCI設(shè)備接口可以使用#INTA，只有多功能接口可以使用其他三種中斷。依據(jù)BIOS的設(shè)置，這些中斷可以被PCI橋接器導(dǎo)入IRQx中斷中的一個(gè)，可以將100?MB/s以太網(wǎng)卡觸發(fā)中斷#INTA，該中斷被導(dǎo)入IRQ10。

PCI總線上的總線主控器可以接管總線的控制權(quán)。為了避免總線沖突，PCI使用#REQ請(qǐng)求信號(hào)和?#GNT授權(quán)信號(hào)來(lái)對(duì)總線的申請(qǐng)進(jìn)行仲裁。當(dāng)某一總線主控設(shè)備申請(qǐng)使用控制總線時(shí)，激活?#REQ信號(hào)，表示請(qǐng)求控制PCI總線，若請(qǐng)求被接受，仲裁邏輯電路就激活#GNT信號(hào)，于是發(fā)出請(qǐng)求信號(hào)的總線主控設(shè)備就可以獲得總線控制權(quán)。

4.?PCI接口的配置寄存器

每個(gè)PCI接口都有256?B的配置存儲(chǔ)器，每4?B構(gòu)成寄存器。配置存儲(chǔ)器的前64?B的預(yù)定義信息區(qū)數(shù)據(jù)信息由PCI-SIG組織進(jìn)行預(yù)定義；后192?B特殊配置數(shù)據(jù)區(qū)數(shù)據(jù)信息由生產(chǎn)廠家定義。主機(jī)系統(tǒng)通過(guò)配置存儲(chǔ)器信息來(lái)配置操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)PCI接口的即插即用特性。

5.?I/O尋址

標(biāo)準(zhǔn)IBMPC機(jī)的I/O尋址范圍是0000H～0FFFFH，需要16位地址線，PCI總線支持32/64位尋址。PCI設(shè)備可以按以下兩種方式進(jìn)行配置：

(1)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)地址0CF8H和0CFCH配置PCI設(shè)備。其中地址為0CF8H的4B稱為配置地址寄存器，用于訪問(wèn)配置地址區(qū)域；0CFCH的4B稱為配置數(shù)據(jù)寄存器，用于從PCI設(shè)備的配置存儲(chǔ)器中讀/寫32位數(shù)。

(2)映射設(shè)備。將PCI設(shè)備映射到0C000H～0CFFFH的4?KBI/O空間。

6.?PCI總線的發(fā)展

為了滿足系統(tǒng)對(duì)總線帶寬的需求，新的PCI總線規(guī)范稱為PCI-X，主要適用133?MHz總線時(shí)鐘頻率的臺(tái)式機(jī)主板。更新型的PCI-X2.0適用于總線時(shí)鐘頻率為533?MHz的新型主板。此外，Intel還推出MiniPCI的總線標(biāo)準(zhǔn)。MiniPCI對(duì)原來(lái)的PCI總線控制線路和功能上進(jìn)行改進(jìn)，減小外形尺寸，使之適用于便攜式計(jì)算機(jī)。

PCI-X與傳統(tǒng)PCI總線的比較如表7-1所示。7.2.2

AGP總線

1.概述

AGP是為提高視頻帶寬而設(shè)計(jì)的總線規(guī)范。AGP插槽可插入規(guī)范的AGP特殊顯示插卡。其視頻信號(hào)的傳輸速率可以從PCI的133?MB/s提高到266?MB/s(1?×?模式)、533?MB/s(2?×?模式)、1066?MB/s(4?×?模式)或2133?MB/s(8?×?模式)。嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，AGP并不能稱為總線，因?yàn)樗鼉H在AGP控制芯片和AGP顯示卡之間提供點(diǎn)到點(diǎn)的連接。AGP總線的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7-5所示。

AGP出現(xiàn)以前，在3D圖形描繪中，儲(chǔ)存在PCI顯示卡顯存中的不僅有影像數(shù)據(jù)，還有紋理數(shù)據(jù)、Z軸距離數(shù)據(jù)及Alpha變換數(shù)據(jù)等，紋理數(shù)據(jù)的信息量相當(dāng)大。為此，把紋理數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在主存儲(chǔ)器比儲(chǔ)存在顯示存儲(chǔ)器能更加有效地利用內(nèi)存。存儲(chǔ)紋理數(shù)據(jù)所需的內(nèi)存空間根據(jù)應(yīng)用程序而定，紋理數(shù)據(jù)不會(huì)永遠(yuǎn)占用主內(nèi)存的空間。紋理數(shù)據(jù)從顯示內(nèi)存移到主內(nèi)存，由于紋理數(shù)據(jù)傳輸量很大，數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i就從顯示卡上的內(nèi)存總線轉(zhuǎn)移到了PCI總線上。例如，顯示1024?×?768?×?16位真彩色的3D圖形時(shí)，紋理數(shù)據(jù)的傳輸速度需要200?Mb/s以上，但目前PCI總線最高數(shù)據(jù)傳輸速度僅為133?Mb/s，因而成為系統(tǒng)的瓶頸。3D繪圖時(shí)所需數(shù)據(jù)傳輸帶寬如表7-2所示。圖7-5

AGP接口的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.?AGP的性能特點(diǎn)

AGP以66?MHzPCIRev2.1規(guī)范為基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上擴(kuò)充了以下主要功能：

(1)數(shù)據(jù)讀寫操作的流水線操作。流水線操作是AGP提供的針對(duì)主存的增強(qiáng)協(xié)議。

(2)具有2×、4×、8×?數(shù)據(jù)傳輸頻率。AGP使用了32位數(shù)據(jù)總線和多時(shí)鐘技術(shù)的66?MHz時(shí)鐘。多時(shí)鐘技術(shù)允許AGP在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)傳輸2次、4次甚至8次數(shù)據(jù)，從而使AGP總線傳輸帶寬達(dá)到了533?Mb/s、1066?Mb/s和2133?Mb/s。

(3)直接內(nèi)存執(zhí)行DIME。存入系統(tǒng)內(nèi)存，讓出幀緩沖區(qū)和帶寬供其他功能使用。這種允許顯示卡直接操作主存的技術(shù)稱為DIME(DirectMemoryExecute，直接內(nèi)存執(zhí)行)。雖然AGP把紋理數(shù)據(jù)存入主存，也可以稱為UMA(UnifiedMemoryArchitecture，統(tǒng)一內(nèi)存體系結(jié)構(gòu))技術(shù)。

(4)地址信號(hào)與數(shù)據(jù)信號(hào)分離。采用多路信號(hào)分離技術(shù)，并通過(guò)使用邊帶尋址SBA(SideBandAddress)總線來(lái)提高隨機(jī)內(nèi)存訪問(wèn)的速度。

(5)并行操作。在CPU訪問(wèn)系統(tǒng)RAM的同時(shí)允許AGP顯示卡訪問(wèn)AGP內(nèi)存，顯示卡可以獨(dú)享AGP總線帶寬，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能。3.?AGP的工作模式

由表中可看出，要達(dá)到良好的3D圖形處理能力，應(yīng)該采用2×?以上的工作模式。在1×?模式下，由于帶寬不足，并不能適合DIME的速度，3D圖形處理能力仍不理想。較新的AGP8×模式在目前的大多數(shù)顯卡上并不能顯著提高性能，因?yàn)轱@卡的數(shù)據(jù)處理能力小于AGP8×模式能夠提供的能力。只有在顯卡性能進(jìn)一步提升后，AGP8×?模式才能表現(xiàn)出它的能力。

AGP1×?和AGP2×?的工作電壓為3.3?V，AGP4×?和AGP8×?的工作電壓僅為1.5?V，使用時(shí)一定不能把AGP1×?和AGP2×?的顯卡混插。

4.?PCI和AGP的比較

表7-4列出了臺(tái)式機(jī)中PCI和AGP的性能比較。AGP總線是對(duì)PCI總線的擴(kuò)展和增強(qiáng)，不具有一般總線的共享特性；采用地址和數(shù)據(jù)多路復(fù)用，把整個(gè)32位的數(shù)據(jù)總線留出來(lái)給圖形加速器。

AGP系統(tǒng)由于顯示卡通過(guò)AGP、芯片組與主內(nèi)存相連，提高顯示芯片與主內(nèi)存間的數(shù)據(jù)傳輸速度；讓原需存入顯示內(nèi)存的紋理數(shù)據(jù)直接存入主內(nèi)存，提高了主內(nèi)存的內(nèi)存總線使用效率與數(shù)據(jù)的傳輸速率，減輕了PCI總線的負(fù)載，有利于其他PCI設(shè)備充分發(fā)揮性能。在PC98規(guī)格中，ISA總線已被取消，ISA設(shè)備終將被淘汰，所以，把占用了PCI總線大量帶寬的顯示卡移到AGP上是非常必要的。7.2.3新型總線PCIExpress

1.?I/O總線的瓶頸

隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的進(jìn)步以及微處理器性能的提高，計(jì)算機(jī)的整體性能并沒(méi)有隨著微處理器性能的提高而同步增長(zhǎng)。

多媒體技術(shù)的應(yīng)用使得PCI的局限性逐漸顯現(xiàn)出來(lái)。用戶要求微型機(jī)能夠提供更強(qiáng)大的多媒體能力，臺(tái)式微型機(jī)中PCI總線所能提供的最大帶寬為：

33?MHz(額定工作頻率)?×?32?bit(總線位寬)?=?1066?Mb/s

這使PCI總線面臨的處境——3D圖形加速卡、千兆位以太網(wǎng)卡、IEEE1394、移動(dòng)對(duì)接設(shè)備及其他附件的發(fā)展以及它們所需要的更大帶寬現(xiàn)在已經(jīng)使PCI總線不堪重負(fù)，再也無(wú)法及時(shí)處理這些設(shè)備所發(fā)送的并發(fā)/多路數(shù)據(jù)流，它已逐漸成為當(dāng)前微機(jī)性能的瓶頸。

為此，把一些數(shù)據(jù)流量非常大的I/O工作從PCI中剝離出來(lái)由一個(gè)專用接口來(lái)負(fù)責(zé)，例如前面介紹過(guò)的用于3D圖形加速卡的AGP接口就是一個(gè)典型的例子。此外，芯片組的HUBLink、V-Link等技術(shù)也使得南北橋芯片之間的連接脫離了PCI總線規(guī)范的控制。而這些改變都只是局部的，真正要徹底解決PCI的瓶頸效應(yīng)，必須從根本上改變總線設(shè)計(jì)，采用一種新的總線來(lái)徹底取代PCI。

由Inte1等開(kāi)發(fā)的PCIExpress(原名3GIO，第3代I/O總線)就是為滿足這一需求而推出的一種新型高速串行I/O互連接口。

2.?PCIExpress概述

PCIExpress是一種串行總線。與PCI相比較，PCIExpress的導(dǎo)線數(shù)量減少了將近75%，但速度卻達(dá)到PCI-X2.0的兩倍，而且容易擴(kuò)充。PCIExpress采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)技術(shù)，能夠?yàn)槊恳粋€(gè)設(shè)備分配獨(dú)享通道，徹底消除設(shè)備間由于共享資源帶來(lái)的總線競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象。每個(gè)設(shè)備至多通過(guò)64根PCIExpress連接線和其他設(shè)備建立連接，而且每根線傳輸速率約為26?Mb/s。

PCIExpress在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)架構(gòu)基礎(chǔ)上為高速接入設(shè)備提供了交換器控制單元，其主要作用是對(duì)高速PCIExpress設(shè)備之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信進(jìn)行管理和控制。

3.?PCIExpress的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PCIExpress的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用和OSI網(wǎng)絡(luò)模型相類似的分層模型，不過(guò)PCIExpress只有5層，而不是OSI的7層。PCIExpress兼容PCI尋址模型，確保了它能夠在無(wú)需做任何改動(dòng)的前提下繼續(xù)支持現(xiàn)有的應(yīng)用程序和驅(qū)動(dòng)程序。圖7-6給出PCIExpress的分層結(jié)構(gòu)模型。圖7-6

PCIExpress的分層結(jié)構(gòu)模型

PCIExpress的分層結(jié)構(gòu)模型自上而下由軟件層、會(huì)話層、事務(wù)處理層、鏈路層和物理層組成，采用即插即用規(guī)范中定義的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制。軟件層產(chǎn)生的讀寫請(qǐng)求被事務(wù)處理層采用數(shù)據(jù)包封裝協(xié)議傳送給各種I/O設(shè)備。鏈路層為這些數(shù)據(jù)包增加順序號(hào)和CRC校驗(yàn)碼以實(shí)現(xiàn)高可靠性的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，為高層提供一個(gè)無(wú)差錯(cuò)的數(shù)據(jù)傳輸鏈路。物理層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)編/解碼和多個(gè)通道數(shù)據(jù)拆分/解拆分操作，每個(gè)通道都是全雙工的，可提供2.5?GB/s的傳輸速率。

1)物理層

PCIExpress的物理連接由一對(duì)分離驅(qū)動(dòng)收發(fā)器組成，分別負(fù)責(zé)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，物理層內(nèi)置有嵌入式的數(shù)據(jù)時(shí)鐘信號(hào)。物理層提供2.5?GB/s通道的通信速率，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展將達(dá)到10?GB/s。物理層為鏈路層提供了透明的傳輸數(shù)據(jù)包的服務(wù)。

在初始化過(guò)程中，兩個(gè)PCIExpress連接的設(shè)備通過(guò)協(xié)商來(lái)確定實(shí)際通道寬度和工作頻率，建立一個(gè)PCIExpress連接，這個(gè)過(guò)程不需要任何軟件的介入，完全由硬件實(shí)現(xiàn)。

PCIExpress分層結(jié)構(gòu)使得未來(lái)在速度、編碼技術(shù)、傳輸介質(zhì)等方面的改進(jìn)都將只影響到物理層，而與上層無(wú)關(guān)。

2)數(shù)據(jù)鏈路層

鏈路層的首要任務(wù)就是確保通過(guò)PCIExpress連接傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的高度可靠性。鏈路層為每一個(gè)來(lái)自事務(wù)處理層的數(shù)據(jù)包增加順序號(hào)和CRC校驗(yàn)碼，通過(guò)對(duì)順序號(hào)和CRC校驗(yàn)碼的檢測(cè)，鏈路層將自動(dòng)請(qǐng)求重發(fā)以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的完整性。

大多數(shù)數(shù)據(jù)包是由事務(wù)處理層遞交給鏈路層的。一個(gè)可靠的傳輸控制協(xié)議確保了數(shù)據(jù)包只能在接收設(shè)備的緩沖區(qū)可用的情況下才被發(fā)送。

3)事務(wù)處理層

事務(wù)處理層接收來(lái)自軟件層的讀寫請(qǐng)求并構(gòu)造發(fā)送到鏈路層的請(qǐng)求數(shù)據(jù)包。所有的請(qǐng)求都被分離處理成若干個(gè)數(shù)據(jù)包，其中一部分?jǐn)?shù)據(jù)包需要目的設(shè)備回送響應(yīng)數(shù)據(jù)包。事務(wù)處理層接受來(lái)自鏈路層的響應(yīng)數(shù)據(jù)包并把它們與原有的讀寫請(qǐng)求數(shù)據(jù)包相匹配。每個(gè)數(shù)據(jù)包都會(huì)有一個(gè)唯一標(biāo)識(shí)符以保證響應(yīng)數(shù)據(jù)包能夠和原始請(qǐng)求數(shù)據(jù)包有序?qū)?yīng)。

事務(wù)處理層支持四個(gè)尋址空間，其中包括三個(gè)傳統(tǒng)的PCI尋址空間(存儲(chǔ)器、I/O和配置地址空間)和一個(gè)新增加的通信地址空間。

4)軟件層

軟件層主要包括初始化和運(yùn)行時(shí)兩個(gè)方面。PCIExpress體系結(jié)構(gòu)完全兼容PCI的I/O設(shè)備配置空間和可編程性，所有支持PCI的操作系統(tǒng)無(wú)需作修改就能支持基于PCIExpress的平臺(tái)。PCIExpress兼容PCI所支持的運(yùn)行時(shí)軟件模型。而PCIExpress所提供的新特性只在一些新型設(shè)備中才會(huì)得到應(yīng)用。

4.?PCIExpress的前景

PCIExpress主要應(yīng)用于臺(tái)式機(jī)、服務(wù)器、通信和嵌入式系統(tǒng)中。按照PCI-SIG的計(jì)劃，PCIExpress將全面取代PCI而成為下一代I/O總線標(biāo)準(zhǔn)。

7.3外總線

7.3.1

RS232C總線

RS-232C是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA(ElectronicIndustryAssociation)制定的一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)?？偩€標(biāo)準(zhǔn)設(shè)有25條信號(hào)線，包括一個(gè)主通道和一個(gè)輔助通道，在多數(shù)情況下主要使用主通道。一般的雙工通信，僅需一條發(fā)送線、一條接收線及一條地線就可實(shí)現(xiàn)。

RS-232C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸速率為每秒50到19?200波特不等。RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，驅(qū)動(dòng)器允許有2500?pF的電容負(fù)載，通信距離將受此電容限制。

RS-232C的特點(diǎn)：信號(hào)線少，傳送速率有多種；抗干擾能力強(qiáng)，傳送距離較遠(yuǎn)。

1.?RS-232C的連接

RS-232C廣泛用于數(shù)字終端設(shè)備如計(jì)算機(jī)與調(diào)制解調(diào)器之間的接口，以實(shí)現(xiàn)通過(guò)電話線路進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信，如圖7-7所示。圖7-7

Modem與RS-232C接口電路

盡管232C使用20個(gè)信號(hào)線，但在絕大多數(shù)情況下，微型計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)終端和一些外部設(shè)備都配有232C串行接口，在它們之間進(jìn)行短距離通信時(shí)，無(wú)需電話線和調(diào)制解調(diào)器可以直接相連。如圖7-8所示分別是：(a)不使用聯(lián)絡(luò)信號(hào)的3線相連方式、(b)“偽”使用聯(lián)絡(luò)信號(hào)的3線相連方式、(c)使用聯(lián)絡(luò)信號(hào)的多線相連方式。圖7-8計(jì)算機(jī)直接連接的RS-232C接口2.?RS-232C接口

3.?RS-485總線

RS-485是串行總線標(biāo)準(zhǔn)之一。RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收，具有抑制共模干擾能力?？偩€收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測(cè)低至200?mV的電壓，傳輸信號(hào)能在千米以外得到恢復(fù)。RS-485采用半雙工工作方式，因此，發(fā)送電路須由使能信號(hào)加以控制。RS-485用于多點(diǎn)互連時(shí)非常方便，可以省掉部分信號(hào)線。

7.3.2

IEEE-488總線

IEEE-488總線是并行總線接口標(biāo)準(zhǔn)。IEEE-488總線用來(lái)連接微型計(jì)算機(jī)、數(shù)字電壓表、數(shù)碼顯示器等設(shè)備及其他儀器儀表。IEEE-488總線按雙向異步方式傳輸信號(hào)，采用總線方式，總線上最多可連接15臺(tái)設(shè)備。最大傳輸距離為20?m，信號(hào)傳輸速度一般為500?Kb/s，最大傳輸速度為1?Mb/s。

7.3.3

SCSI總線

1.?SCSI概述

SCSI(SmallComputerSystemInterface，小型計(jì)算機(jī)接口)是一種連結(jié)主機(jī)和外圍設(shè)備的接口，SCSI接口的速度、性能和穩(wěn)定性強(qiáng)于IDE，主要面向服務(wù)器和工作站市場(chǎng)。

SCSI支持磁盤驅(qū)動(dòng)器、磁帶機(jī)、光驅(qū)、掃描儀等多種設(shè)備。由SCSI控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)操作，SCSI控制器相當(dāng)于一塊小型CPU，有自己的命令集和緩存。

2.?SCSI的未來(lái)

SCSI是一種不斷完善的技術(shù)，新加入的規(guī)格有FibreChannelSCSI、IEEE1394(Firewire，火線)、SCSI3(160MB/s)、SCSI4(320MB/s)和SCSI5(640MB/s)。

從SCSI3開(kāi)始，SCSI能按照需要快速地提高性能，并擁有向后兼容性。隨著速度的提升之外，SCSI的易用性有了改善，采用CAM(CommonAccessModel，公共存取模型)使SCSI的編程更為方便。7.3.4

USB總線

1.概述

USB是多家公司共同開(kāi)發(fā)的一種外設(shè)連接技術(shù)，旨在促進(jìn)PC總線的標(biāo)準(zhǔn)化，加速新標(biāo)準(zhǔn)的制訂和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。其開(kāi)發(fā)目標(biāo)是發(fā)展一種兼容低速和高速的技術(shù)，可以為廣大用戶提供一種可共享、可擴(kuò)充、使用方便的串行總線。

該總線應(yīng)獨(dú)立于主計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并在整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中保持一致。由于微軟從Windows?98開(kāi)始加入了對(duì)USB的支持，使USB技術(shù)得到了飛速發(fā)展和極為廣泛的普及?，F(xiàn)在，USB已成為微機(jī)上普遍認(rèn)同的接口標(biāo)準(zhǔn)，支持這一標(biāo)準(zhǔn)的各種新產(chǎn)品正在大量涌現(xiàn)。

2.?USB的特點(diǎn)

USB的顯著特點(diǎn)是易于使用，可對(duì)用戶隱藏技術(shù)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，應(yīng)用于不同領(lǐng)域，有足夠帶寬以適應(yīng)多媒體應(yīng)用的要求，且可靠性高，設(shè)備與系統(tǒng)相互獨(dú)立。

(1)易于使用。易于使用是USB的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)，USB接口受到用戶歡迎的主要原因是：

①適合多種通用設(shè)備，自動(dòng)配置，即插即用。

②不需要用戶設(shè)定，節(jié)省硬件資源。

③易于連接、簡(jiǎn)易電纜連接。一個(gè)普通的PC機(jī)有2～6個(gè)USB端口，還可以通過(guò)連接USB集線器來(lái)擴(kuò)展端口的數(shù)量。USB電纜只有4根芯線。

④熱插拔，不需另備電源。可以在任何時(shí)候連接和斷開(kāi)外設(shè)，不管系統(tǒng)和外設(shè)是否開(kāi)機(jī)，不會(huì)損壞PC或外設(shè)。當(dāng)外設(shè)連接到PC上時(shí)，操作系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)到并準(zhǔn)備使用。

⑤USB接口自帶電源線和地線，可以提供?+5?V的電源供應(yīng)。

(2)速度較快。全速USB接口以12?Mb/s的速度通信，而實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸速率比這個(gè)數(shù)值要低一些，這是因?yàn)樗型庠O(shè)都共用總線，導(dǎo)致總線除傳輸數(shù)據(jù)外，還須攜帶狀態(tài)、控制和錯(cuò)誤檢測(cè)信號(hào)。當(dāng)只有一個(gè)設(shè)備通信時(shí)，最大理論數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)速率可達(dá)9.6Mb/s。USB?2.0規(guī)范將允許480?Mb/s的傳輸數(shù)率。

(3)可靠性高。USB的可靠性來(lái)自于硬件設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議兩方面。USB驅(qū)動(dòng)器、接收器和電纜的硬件規(guī)范消除了大多數(shù)可能引起數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的噪聲。

USB協(xié)議采用差錯(cuò)控制和缺陷發(fā)現(xiàn)機(jī)制，當(dāng)檢測(cè)到錯(cuò)誤時(shí)能通知發(fā)送方重新發(fā)送前面的數(shù)據(jù)。檢測(cè)、通知和重發(fā)都由硬件來(lái)完成，不需要任何軟件的介入。

(4)低成本、低功耗。USB接口的設(shè)備與帶有相同功能的老式接口的設(shè)備所需的費(fèi)用近似。對(duì)低成本外設(shè)來(lái)說(shuō)，選擇低速傳輸以降低對(duì)硬件的要求，使成本控制在合理的范圍內(nèi)。

當(dāng)不使用USB外設(shè)時(shí)省電電路和代碼會(huì)自動(dòng)關(guān)閉它的電源，但仍然能夠在需要的時(shí)候做出反應(yīng)。降低電源消耗除了可帶來(lái)保護(hù)環(huán)境的好處之外，這個(gè)特征對(duì)于對(duì)電源供應(yīng)非常敏感的筆記本電腦尤其有用。

3.?USB的技術(shù)指標(biāo)

到目前為止，USB已有USB1.1和USB2.0兩種版本。這兩種版本的USB均采用一條4芯的電纜連接主機(jī)和USB設(shè)備。連接電纜除提供信號(hào)線外，還向USB設(shè)備提供了電源。USB的主要技術(shù)指標(biāo)如表7-6所示。

4.?USB的總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和連接形式

由圖7-10可見(jiàn)，USB總線是多層星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。星形的中心是集線器，一個(gè)集線器可以有2～6個(gè)端口，每個(gè)端口可以連接一個(gè)功能設(shè)備或集線器，并且都是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接。

USB設(shè)備劃分成集線器和功能部件兩類。只有集線器有能力提供附加的USB接入點(diǎn)，功能部件為主機(jī)提供附加功能。只有復(fù)合設(shè)備既是功能部件，同時(shí)提供集線器功能。

USB采用主-從式總線協(xié)議，在USB總線上只有一個(gè)主設(shè)備和若干從設(shè)備，主設(shè)備稱為主機(jī)，從設(shè)備稱為USB設(shè)備。主機(jī)對(duì)USB總線擁有主控權(quán)，總線數(shù)據(jù)傳輸都由主機(jī)控制。圖7-10

USB總線邏輯拓?fù)鋱D

1)?USB主機(jī)

主機(jī)中的USB接口稱為USB主控制器。集線器集成在主機(jī)系統(tǒng)中。

主機(jī)對(duì)USB接口的責(zé)任如下：

(1)檢測(cè)USB設(shè)備的插入和移出。在上電時(shí)，主機(jī)必須識(shí)別所有已經(jīng)連接的USB設(shè)備。在識(shí)別過(guò)程中，主機(jī)為每個(gè)設(shè)備分配一個(gè)地址，并從設(shè)備獲取其他配置信息。在上電后，無(wú)論何時(shí)當(dāng)一個(gè)設(shè)備被連接或斷開(kāi)時(shí)，主機(jī)都能察覺(jué)到該事件的發(fā)生，并向設(shè)備表中加入任何新連接的設(shè)備或刪除任何斷開(kāi)的設(shè)備。

(2)在主機(jī)與USB設(shè)備之間管理數(shù)據(jù)流。主機(jī)負(fù)責(zé)控制總線上的數(shù)據(jù)流。一般來(lái)說(shuō)，USB通信總由主機(jī)發(fā)起，并由主機(jī)管理整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程。主機(jī)應(yīng)該保證那些必須以固定速率進(jìn)行的傳輸在每一幀中確實(shí)能得到它們所需要的時(shí)間量。在設(shè)備識(shí)別過(guò)程中，設(shè)備驅(qū)動(dòng)將申請(qǐng)傳輸所需要的帶寬。

(3)進(jìn)行錯(cuò)誤檢查。主機(jī)有錯(cuò)誤檢查的責(zé)任。它往發(fā)送的數(shù)據(jù)中加入錯(cuò)誤校驗(yàn)碼，當(dāng)設(shè)備收到數(shù)據(jù)時(shí)，它按校驗(yàn)算法對(duì)數(shù)據(jù)執(zhí)行計(jì)算，然后把結(jié)果與接收到的錯(cuò)誤校驗(yàn)碼進(jìn)行比較。主機(jī)對(duì)從設(shè)備接收到的數(shù)據(jù)也采用相同的方法進(jìn)行錯(cuò)誤處理。

主機(jī)也可能收到其他錯(cuò)誤指示符，指示設(shè)備現(xiàn)在不能發(fā)送/接收數(shù)據(jù)，這時(shí)主機(jī)就通知應(yīng)用程序以采取合適的動(dòng)作。

(4)提供電源。USB有?+5?V的電源線和地線，大部分外設(shè)都可以從該線上得到所有所需的電源。在上電或連接時(shí)，主機(jī)給所有設(shè)備提供電源，可按需使這些設(shè)備在省電模式下工作。

每個(gè)滿負(fù)荷供電的設(shè)備需要高達(dá)500?mA的電流。在一些電池供電的PC的端口和集線器上只支持低功耗的設(shè)備，工作電流被限制在100?mA以內(nèi)。若設(shè)備擁有獨(dú)立電源供應(yīng)，則只在剛開(kāi)始與主機(jī)通信時(shí)使用總線電源。

2)?USB設(shè)備

USB設(shè)備分為集線器和功能設(shè)備。集線器具有一個(gè)上行端口和若干下行端口。上行端口用于連接主機(jī)或上級(jí)集線器，下行端口用于連接下級(jí)集線器或直接連接設(shè)備。通過(guò)集線器可實(shí)現(xiàn)USB總線的多級(jí)連接。在連接到USB總線的初期以及電源斷開(kāi)與重新接通時(shí)，除上行端口外的所有其他端口都不能使用。

集線器可以發(fā)現(xiàn)下行端口上設(shè)備的插入或移出操作，并為下行設(shè)備分配電源。每一個(gè)下行端口都可以分別配置為全速或低速，集線器可以把低速端口與全速率信號(hào)分離開(kāi)來(lái)。

功能設(shè)備是指可以從USB總線上接收或發(fā)送數(shù)據(jù)或控制信息的USB設(shè)備。一個(gè)功能設(shè)備由一個(gè)獨(dú)立的外圍設(shè)備實(shí)現(xiàn)，通過(guò)一根電纜接到集線器的一個(gè)端口。設(shè)備不能主動(dòng)發(fā)起USB通信，它必須等待主機(jī)并響應(yīng)主機(jī)發(fā)起的通信。

設(shè)備在USB中的責(zé)任如下：

(1)檢測(cè)與自己的通信。每個(gè)外設(shè)始終監(jiān)測(cè)著總線通信，若通信設(shè)備地址與設(shè)備地址不同，則設(shè)備忽略這次通信；如果地址相同，設(shè)備就把通信的數(shù)據(jù)保存在它的接收緩沖器中，并產(chǎn)生中斷來(lái)發(fā)出數(shù)據(jù)已經(jīng)到達(dá)的信號(hào)。

(2)標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求響應(yīng)。在上電和連接到帶電系統(tǒng)時(shí)，設(shè)備必須在識(shí)別過(guò)程中對(duì)主機(jī)發(fā)出的請(qǐng)求做出響應(yīng)。當(dāng)收到請(qǐng)求時(shí)，設(shè)備把要發(fā)送的響應(yīng)信息放置在它的傳輸緩沖器中。在某些情況下，如設(shè)定一個(gè)地址和配置，設(shè)備除了發(fā)出響應(yīng)信息外還要采取其他動(dòng)作。然而設(shè)備不必執(zhí)行每一個(gè)請(qǐng)求，它只需要以一種可以理解的方式對(duì)請(qǐng)求做出響應(yīng)。

(3)錯(cuò)誤檢查。設(shè)備要在發(fā)送數(shù)據(jù)后加入錯(cuò)誤校驗(yàn)碼，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)時(shí)，設(shè)備先進(jìn)行錯(cuò)誤校驗(yàn)計(jì)算，如果檢測(cè)到錯(cuò)誤就請(qǐng)求重新傳輸。

(4)管理電源。如果設(shè)備不從總線獲得電源供應(yīng)，它就必須自己供電。當(dāng)沒(méi)有總線活動(dòng)時(shí)，設(shè)備必須進(jìn)入低功耗掛起狀態(tài)繼續(xù)監(jiān)視總線，當(dāng)總線活動(dòng)恢復(fù)時(shí)退出掛起狀態(tài)。

3)?USB的設(shè)備類型

USB的設(shè)備可以分成多個(gè)不同類型，同類設(shè)備可以擁有共同的工作協(xié)議，從而簡(jiǎn)化設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，表7-7中給出了基本的USB設(shè)備類型分類。

5.?USB的連接器

USB規(guī)定了A系列和B系列兩種連接器，計(jì)算機(jī)主機(jī)板上的連接器屬A系列，B系列的連接器常見(jiàn)于設(shè)備端上。

USB連接器有四個(gè)引腳，各引腳信號(hào)的定義和用途見(jiàn)表7-8。

6.?USB通信流

USB接口是基于令牌包的總線協(xié)議，USB規(guī)范引入管道的概念。USB通信包含了一個(gè)大管道，一個(gè)大管道可以分為127個(gè)小管道，每個(gè)小管道連接一個(gè)USB的設(shè)備。

USB令牌包中使用7個(gè)位尋址，可尋址128個(gè)設(shè)備，00H默認(rèn)地址用來(lái)指定給所有剛連上的設(shè)備。令牌包還包含4位的端點(diǎn)地址以及1個(gè)輸入/輸出尋址位，所以在單獨(dú)的小管道內(nèi)可再分割成出16組微管道，實(shí)現(xiàn)16個(gè)輸入/輸出的端點(diǎn)尋址。

1)設(shè)備端點(diǎn)

端點(diǎn)是USB設(shè)備唯一可以確認(rèn)的部分，它是主機(jī)和設(shè)備之間的通信流終點(diǎn)。USB為主機(jī)上的客戶軟件與USB功能模塊之間的通信提供服務(wù)，端點(diǎn)決定端點(diǎn)和客戶軟件之間通信所需要的傳輸服務(wù)類型。一個(gè)端點(diǎn)具有以下屬性：

(1)端點(diǎn)號(hào)、總線頻率/延時(shí)要求、帶寬要求。

(2)差錯(cuò)控制要求、端點(diǎn)可接收/傳遞的最大分組。

(3)端點(diǎn)傳送類型、端點(diǎn)主機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳送方向。

(4)端點(diǎn)0是USB設(shè)備的缺省端點(diǎn)，所有USB設(shè)備都必須擁有端點(diǎn)0，端點(diǎn)0用于對(duì)USB設(shè)備進(jìn)行配置。

(5)除端點(diǎn)0外，功能設(shè)備還具有其他的端點(diǎn)。低速功能設(shè)備有兩個(gè)端點(diǎn)選擇；對(duì)于全速率設(shè)備來(lái)說(shuō)，它的附加端點(diǎn)數(shù)僅受協(xié)議的限制，最多可有16個(gè)輸入/輸出端點(diǎn)。

2)管道

USB管道是設(shè)備上的一個(gè)端點(diǎn)和主機(jī)的軟件聯(lián)合體。管道表示經(jīng)過(guò)一個(gè)存儲(chǔ)器緩沖區(qū)和一個(gè)設(shè)備上的端點(diǎn)，可以在主機(jī)上的軟件之間傳送數(shù)據(jù)的能力。

USB不對(duì)管道中傳遞的數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行翻譯，即使是消息管道要求根據(jù)USB的規(guī)定對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，USB也不會(huì)翻譯這些數(shù)據(jù)的內(nèi)容。

對(duì)一個(gè)USB設(shè)備進(jìn)行配置之后，就會(huì)形成管道。由于一個(gè)USB設(shè)備上電后總要對(duì)端點(diǎn)0進(jìn)行配置，所以端點(diǎn)0總是擁有一個(gè)管道。

7.?USB的傳輸類型

USB定義了以下四種傳輸類型：

(1)控制傳輸：主要用于命令/狀態(tài)操作。它是由主機(jī)軟件發(fā)起的請(qǐng)求/響應(yīng)通信過(guò)程，具有突發(fā)性與非周期的特點(diǎn)。

(2)同步傳輸：主要用于主機(jī)和設(shè)備與時(shí)間有關(guān)的信息傳輸，具有周期性、連續(xù)性的特點(diǎn)。這種傳輸類型保留了數(shù)據(jù)中時(shí)間壓縮的概念，但并不意味著這一類數(shù)據(jù)傳送都是實(shí)時(shí)的。

(3)中斷傳輸：主要用于向主機(jī)通知設(shè)備的服務(wù)請(qǐng)求。它是由設(shè)備發(fā)起的通信，具有數(shù)據(jù)量小、非周期、低頻率、延時(shí)固定等特點(diǎn)。

(4)批量傳輸：主要用于利用可用帶寬進(jìn)行傳送，或延遲到有可以利用的帶寬時(shí)再進(jìn)行傳送的數(shù)據(jù)。它具有非周期和突發(fā)性強(qiáng)的特點(diǎn)。

8.總線枚舉

總線枚舉是指對(duì)總線上接入的USB設(shè)備進(jìn)行識(shí)別和尋址操作。由于USB支持熱插拔和即插即用，所以當(dāng)一個(gè)USB設(shè)備接入或從USB接口上拆除時(shí)，主機(jī)必須使用總線枚舉的過(guò)程來(lái)識(shí)別和管理必要的設(shè)備狀態(tài)變化，并動(dòng)態(tài)地對(duì)它進(jìn)行配置。當(dāng)一個(gè)USB設(shè)備接入后，將會(huì)發(fā)生下列事件：

(1)?USB設(shè)備所接入的集線器通過(guò)一個(gè)其狀態(tài)變化管道上的響應(yīng)向主機(jī)報(bào)告該事件。

(2)主機(jī)通過(guò)詢問(wèn)集線器來(lái)確定變化的真實(shí)性質(zhì)。

(3)主機(jī)已經(jīng)知道新的設(shè)備所接入的端口，向該端口發(fā)送一個(gè)端口激活和復(fù)位信號(hào)。

(4)集線器把發(fā)往該端口的復(fù)位信號(hào)保持10?ms。當(dāng)復(fù)位信號(hào)釋放后，被激活的端口和集線器將向USB設(shè)備提供100?mA電流。此時(shí)USB設(shè)備就處于加電狀態(tài)。

(5)為該USB設(shè)備分配地址之前，利用缺省地址仍可以訪問(wèn)其缺省管道。主機(jī)通過(guò)讀取該設(shè)備的描述符，來(lái)確定該設(shè)備的缺省管道實(shí)際可以使用的最大數(shù)據(jù)負(fù)載尺寸。

(6)主機(jī)為USB設(shè)備分配一個(gè)唯一的USB地址，然后用這個(gè)地址和端點(diǎn)0來(lái)建立該USB設(shè)備的控制管道。

(7)主機(jī)讀取設(shè)備的每一項(xiàng)配置信息。這個(gè)過(guò)程可能需要傳輸若干個(gè)幀的數(shù)據(jù)。

(8)根據(jù)配置信息，主機(jī)明確如何來(lái)使用該設(shè)備，主機(jī)向設(shè)備分配一個(gè)配置值，這時(shí)設(shè)備就處于配置完成狀態(tài)，并且在這一配置中的所有端點(diǎn)都具有其描述的特征。

9.?USB傳輸與數(shù)據(jù)包格式

USB傳輸數(shù)據(jù)的格式與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的格式相似，所有的數(shù)據(jù)都必須封裝成幀才能遞交給總線接口送到總線傳輸。任何數(shù)據(jù)包發(fā)送前，都要先發(fā)送一個(gè)同步字節(jié)(80H)，然后緊接著發(fā)送數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包的第一個(gè)字節(jié)是數(shù)據(jù)包識(shí)別字節(jié)(PID)。表7-9給出了PID的定義。

圖7-11列出了USB傳輸中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)、標(biāo)記、信號(hào)交換以及幀起始數(shù)據(jù)包的格式。其中，地址字段包含了USB設(shè)備的7位地址，端點(diǎn)號(hào)字段用于指示通信流的端點(diǎn)。CRC字段是數(shù)據(jù)校驗(yàn)字段，USB使用了兩種：CRC5和CRC16。CRC5的生成多項(xiàng)式為X5?+?X2?+?1(對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)為100101)，CRC16的生成多項(xiàng)式為X16?+?X15?+?X2?+?1(對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)為11000000000000101)。圖7-11USB數(shù)據(jù)包的格式

10.?USB的現(xiàn)狀與發(fā)展

在系統(tǒng)軟件方面，Microsoft公司在Windows98和WindowsNT/2000/XP操作系統(tǒng)中全都內(nèi)置了支持USB標(biāo)準(zhǔn)的功能，并且為USB開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序和支持軟件。計(jì)算機(jī)廠商生產(chǎn)的新主板幾乎都帶有2～6個(gè)USB端口，不少外部設(shè)備廠商紛紛推出了帶有USB端口的鍵盤、鼠標(biāo)、活動(dòng)硬盤、掃描儀、MODEM和游戲操縱桿等。

USB2.0標(biāo)準(zhǔn)的最高傳輸速率能達(dá)到480Mb/s，基本能夠滿足目前絕大多數(shù)外設(shè)的要求。采用USB2.0接口的數(shù)碼相機(jī)、外置硬盤等產(chǎn)品也已推向市場(chǎng)。7.3.5

IEEE1394總線

1.?IEEE1394概述

IEEE1394是一種高性能的串行總線，IEEE1394系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7-12所示。IEEE1394作為一種數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_(kāi)放式技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，能夠以100?Mb/s、200?Mb/s和400Mb/s的高速率進(jìn)行聲音、圖像信息的實(shí)時(shí)傳送，還可以傳送數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)以及設(shè)備控制指令。IEEE1394的傳輸速率可以提升到800?Mb/s、1.6?GB/s甚至3.2?GB/s。利用同樣的四條信號(hào)線，IEEE1394即可以同步傳輸，也可以支持異步傳輸。這四根信號(hào)線分為差模時(shí)鐘信號(hào)線對(duì)和差模數(shù)據(jù)線對(duì)。IEEE1394規(guī)范得到了很好的定義，而且基于IEEE規(guī)范的產(chǎn)品也出現(xiàn)在市場(chǎng)上。目前，IEEE1394解決方案的價(jià)位被認(rèn)為可以同SCSI磁盤接口相競(jìng)爭(zhēng)，但它不適合于一般的桌面連接。

圖7-12

IEEE1394系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.?IEEE1394的接口協(xié)議

IEEE1394總線接口是一種基于數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)傳輸，協(xié)議中實(shí)現(xiàn)了OSI七層協(xié)議的物理層、鏈路層和傳輸層，其結(jié)構(gòu)如圖7-13所示。圖7-13

IEEE1394總線接口協(xié)議結(jié)構(gòu)

3.?IEEE1394的性能特點(diǎn)

(1)占用空間小，價(jià)格廉價(jià)：IEEE?1394串行總線共有六條信號(hào)線，其中兩條用于設(shè)備供電，四條用于數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸；相對(duì)于并行總線和串行總線節(jié)省資源。IEEE1394串行總線的控制軟件和連接導(dǎo)線的實(shí)現(xiàn)成本都比并行總線要低，不需要解決信號(hào)干擾問(wèn)題，價(jià)格低廉。

(2)速度快并具有可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)傳輸速率：能夠以100?Mb/s、200?Mb/s和400?Mb/s的速率來(lái)傳送動(dòng)畫(huà)、視頻、音頻信息等大容量數(shù)據(jù)，并且同一網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)可以用不同的速度進(jìn)行傳輸。

(3)同時(shí)支持同步和異步兩種數(shù)據(jù)傳輸模式，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸。在同步數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)可進(jìn)行異步數(shù)據(jù)傳輸，可進(jìn)行等時(shí)傳送，在一定的時(shí)間內(nèi)能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)的順序傳送，從而將數(shù)字聲音、圖像信息實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地傳送至接收設(shè)備。不需要個(gè)人電腦等核心設(shè)備，用電纜把需要使用的設(shè)備連接起來(lái)即可進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換。

(4)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活多樣，并且具有可擴(kuò)展性。在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中可同時(shí)進(jìn)行菊鏈?zhǔn)胶蜆?shù)狀連接。并可以將新的串行設(shè)備接入串行總線節(jié)點(diǎn)所提供的端口，從而擴(kuò)展串行總線，可將擁有兩個(gè)或更多的端口的節(jié)點(diǎn)以菊花狀連接入總線。

另外，IEEE?1394還支持即插即用、熱插拔、公平仲裁，以及具有設(shè)備供電方式靈活，標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)放等特點(diǎn)。

4.?IEEE?1394技術(shù)在視、音頻設(shè)備中的應(yīng)用

安裝符合IEEE?1394標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字AV接口的產(chǎn)品有數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、數(shù)字錄像機(jī)、靜畫(huà)俘獲板、打印機(jī)和PC等。AV設(shè)備的數(shù)字化，音頻音樂(lè)領(lǐng)域的數(shù)字化以及廣播系統(tǒng)的數(shù)字化使得每個(gè)相關(guān)的設(shè)備都需要進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的輸入和輸出。

5.利用IEEE?1394組建高速局域網(wǎng)

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日益發(fā)達(dá)，常見(jiàn)的100?Mb/s以太網(wǎng)，對(duì)外部數(shù)據(jù)傳輸要求而言，這個(gè)速度已經(jīng)足夠；但對(duì)于經(jīng)常傳送視音頻資料的專業(yè)應(yīng)用而言，100Mb/s的速度就顯得不太夠用。而IEEE?1394能夠以100～400?Mb/s的速率進(jìn)行聲音、圖像信息的實(shí)時(shí)傳送，還可以傳送數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)以及設(shè)備控制指令，因此通過(guò)IEEE?1394創(chuàng)建高速的內(nèi)部局域網(wǎng)絡(luò)來(lái)傳送視音頻資料。

一些需要高流量傳送資料的計(jì)算機(jī)產(chǎn)品，如外置式硬盤、掃描儀、數(shù)碼攝像機(jī)等，都需要IEEE?1394接口，因?yàn)樗淖罡咚俣瓤蛇_(dá)400?Mb/s。個(gè)人電腦已經(jīng)內(nèi)置IEEE?1394適配卡，通過(guò)IEEE?1394創(chuàng)建高速的內(nèi)部局域網(wǎng)絡(luò)。

IEEE?1394網(wǎng)絡(luò)采用兩種結(jié)構(gòu)，在同一個(gè)IEEE?1394網(wǎng)絡(luò)中可同時(shí)進(jìn)行菊鏈?zhǔn)胶蜆?shù)狀連接。以樹(shù)狀連接為例，IEEE?1394網(wǎng)絡(luò)只需在其中一部計(jì)算機(jī)上安裝IEEE?1394適配卡。

由于一塊IEEE?1394適配卡通常提供三個(gè)或更多的IEEE?1394接口，可將多臺(tái)計(jì)算機(jī)接到該電腦的IEEE?1394適配卡，并將余下的計(jì)算機(jī)分別連接這多臺(tái)計(jì)算機(jī)的IEEE?1394接口；整個(gè)網(wǎng)絡(luò)便形成了一個(gè)樹(shù)狀結(jié)構(gòu)。用戶只要不關(guān)閉第一臺(tái)計(jì)算機(jī)的IEEE?1394總線，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)都會(huì)以最理想的400?Mb/s速度運(yùn)行。

IEEE?1394網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)和局限性如下：

(1)節(jié)點(diǎn)間的最大距離不超過(guò)4.5?m。使用IEEE?1394中繼放大器可以將節(jié)點(diǎn)之間的距離延長(zhǎng)4.5?m。IEEE?1394最多只能支持16層樹(shù)形網(wǎng)段，所以兩個(gè)端點(diǎn)之間的最大距離為72?m(16?×?4.5?m)。

(2)每個(gè)網(wǎng)段最多連接63臺(tái)設(shè)備，IEEE?1394可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

(3)?IEEE?1394設(shè)備支持熱插拔。

(4)?IEEE?1394網(wǎng)絡(luò)使用對(duì)等結(jié)構(gòu)。

(5)同一網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)可以以不同的速度進(jìn)行傳輸。

IEEE?1394標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展工作正在進(jìn)行。擴(kuò)展工作的第一階段是高速化和長(zhǎng)途化，第二階段則對(duì)應(yīng)無(wú)線方式。IEEE?1394擴(kuò)展的第一階段工作已定義為IEEE?1394.b。

傳輸電纜線使用屏蔽雙絞線電纜或光纜。使用1.6?GB/s時(shí)的傳輸距離與過(guò)去相同，仍為4.5?m，但如果降低傳輸速率就可以相應(yīng)延長(zhǎng)傳輸距離。使用非屏蔽雙絞線電纜以100?Mb/s傳輸時(shí)，可傳輸100?m；使用光纜以200?Mb/s傳輸時(shí)還可以延長(zhǎng)50?m。頻率為5?GHz和60?GHz的IEEE?1394已經(jīng)能夠進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。

IEEE?1394現(xiàn)在正處于發(fā)展階段，隨著配有IEEE?1394接口的設(shè)備的增多，有望建立易于使用的系統(tǒng)環(huán)境，由此可開(kāi)發(fā)出新的應(yīng)用項(xiàng)目，IEEE?1394也將會(huì)成為新的總線標(biāo)準(zhǔn)。

7.4現(xiàn)場(chǎng)總線

現(xiàn)場(chǎng)總線(Fieldbus)是20世紀(jì)90年代發(fā)展形成的，用于過(guò)程自動(dòng)化、制造自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化等領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備互連的通信網(wǎng)絡(luò)，是現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)的集成，并由此產(chǎn)生了新一代的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS(FieldbusControlSystem)。7.4.1現(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)生

從20世紀(jì)50年代以來(lái)自動(dòng)控制領(lǐng)域經(jīng)歷了一個(gè)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從局部自動(dòng)化到全局自動(dòng)化，從非智能、低智能到高智能的發(fā)展過(guò)程。而處于生產(chǎn)過(guò)程底層的測(cè)控自動(dòng)化系統(tǒng)，仍然用一對(duì)一連線，用電壓、電流的模擬信號(hào)進(jìn)行測(cè)量控制，這難以實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間及系統(tǒng)與外界之間的信息交換，使自動(dòng)化系統(tǒng)成為“信息孤島”，嚴(yán)重制約其本身的發(fā)展。要實(shí)現(xiàn)整個(gè)企業(yè)的信息集成，要實(shí)施綜合自動(dòng)化，就必須設(shè)計(jì)出一種能在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境運(yùn)行，并且性能可靠、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、造價(jià)低廉的通信系統(tǒng)，形成工廠底層網(wǎng)絡(luò)，完成現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化設(shè)備之間的多點(diǎn)數(shù)字通信，實(shí)現(xiàn)底層現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間，以及自動(dòng)化設(shè)備與外界的信息交換。現(xiàn)場(chǎng)總線就是在這種實(shí)際需求的驅(qū)動(dòng)下應(yīng)運(yùn)而生的，它作為過(guò)程自動(dòng)化、制造自動(dòng)化、樓宇、交通等領(lǐng)域現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，溝通了生產(chǎn)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備之間及其與更高監(jiān)控管理層網(wǎng)絡(luò)之間的聯(lián)系，為徹底打破自動(dòng)化系統(tǒng)的信息孤島創(chuàng)造了條件。

7.4.2現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)

現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)在技術(shù)上具有以下特點(diǎn)：

(1)系統(tǒng)的開(kāi)放性：開(kāi)放系統(tǒng)是指通信協(xié)議公開(kāi)，各不同廠商的設(shè)備之間可實(shí)現(xiàn)信息交換。這里的開(kāi)放是指相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的一致性、公開(kāi)性，強(qiáng)調(diào)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的共識(shí)與遵從。一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)是指它可以與世界上任何地方遵守相同標(biāo)準(zhǔn)的其他設(shè)備或系統(tǒng)連接。一個(gè)具有總線功能的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)必須是開(kāi)放的。開(kāi)放系統(tǒng)把系統(tǒng)集成的權(quán)力交給用戶，用戶可按自己的需要和考慮把來(lái)自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。

(2)互可操作性與互用性：互可操作性是指實(shí)現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通；而互用性則意味著不同制造商性能類似的設(shè)備可進(jìn)行互換，實(shí)現(xiàn)相互替換。

(3)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化與功能自治性：它將傳感測(cè)量、補(bǔ)償計(jì)算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備中完成，僅靠現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備即可完成自動(dòng)控制的基本功能，并可隨時(shí)診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

(4)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性：現(xiàn)場(chǎng)總線已構(gòu)成一種新的全分散性控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。從根本上改變了現(xiàn)有DCS集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。

(5)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性：作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場(chǎng)總線，是專為在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境工作而設(shè)計(jì)的，可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等多種傳輸介質(zhì)；具有較強(qiáng)的抗干擾能力，采用兩線制實(shí)現(xiàn)供電與通信，并可滿足本質(zhì)安全防爆要求。7.4.3現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展前景

1.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的現(xiàn)狀

1984年美國(guó)儀表學(xué)會(huì)ISA開(kāi)始制定ISA/SP50現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)；1986年德國(guó)開(kāi)始制定過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus；1990年完成了Profibus的制定；1994年又推出了用于過(guò)程自動(dòng)化的現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus-PA。1986年由Rosemount提出HART通信協(xié)議，它是在DC4～20?mA模擬信號(hào)上疊加FSK(Bell202)數(shù)字信號(hào)，因此模擬與數(shù)字信號(hào)可以同時(shí)進(jìn)行通信。這是現(xiàn)場(chǎng)總線的過(guò)渡型協(xié)議。1992年由Siemens、Foxboro、Yokogawa、ABB等公司成立ISP(InteroperableSystemProtocol)，即互可操作規(guī)劃組織，以Profibus為基礎(chǔ)制定現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，1993年成立了ISP基金會(huì)(ISPF)。

1993年由Honeywell、Bailey等公司成立了WorldFactoryInstrumentationProtocol，即工廠儀表世界協(xié)議組織，約120多個(gè)公司加盟，以法國(guó)FIP為基礎(chǔ)制定現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。由于標(biāo)準(zhǔn)眾多，又代表各大公司利益，致使現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)化工作進(jìn)展緩慢。1994年，世界兩大現(xiàn)場(chǎng)總線組織ISPF和WorldFIP合并，成立了現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)(FF，F(xiàn)ieldbusFoundation)。

FF聚集了世界著名的儀表、DCS(DistributedControlSystem)和自動(dòng)化設(shè)備的制造廠商、研究機(jī)構(gòu)和最終用戶。目前各大公司都已按照FF協(xié)議開(kāi)發(fā)產(chǎn)品，F(xiàn)F的成立，給現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展注入了新的活力。與此同時(shí)，在不同行業(yè)還派生出一些有