計算機測控系統(tǒng)02第二章計算機總線技術

第二章

計算機總線技術

BusTechnologyofComputer

---計算機測控技術---31.08.20241第二章計算機總線技術本章主要內(nèi)容計算機總線的一般概述計算機總線的體系結(jié)構內(nèi)部總線外部總線總線的未來31.08.20242第二章計算機總線技術第一節(jié)Unit1計算機總線的一般概述IntroductionofComputerBus31.08.20243第二章計算機總線技術本節(jié)主要內(nèi)容總線結(jié)構連接總線的分類總線的模板化結(jié)構總線：一組進行互連和傳輸信息的信號線。好比是連接計算機系統(tǒng)各個部件之間的橋梁。廣義上也將AGP(圖形加速端口)接口、USB(通用串行總線)接口等稱為AGP總線、USB總線。31.08.20244第二章計算機總線技術在計算機應用系統(tǒng)內(nèi)部，有各種功能模塊：如I/O接口、A/D、D/A等，模塊之間要進行信息交換；一般并行傳輸。在不同獨立的應用系統(tǒng)之間也要進行信息交換；一般串行傳輸。傳輸?shù)姆绞揭裱撤N原則：

插件的幾何尺寸應相同；插頭座的規(guī)格應統(tǒng)一，針數(shù)相同；插針的定義應統(tǒng)一；信號定義和工作時序應相同誕生了總線31.08.20245第二章計算機總線技術2-1概述總線的定義：一組公用線的集合，組成信息通道規(guī)定了各引線的信號、時序、電氣和機械特性為計算機系統(tǒng)內(nèi)部各部件、各模塊之間或計算機各系統(tǒng)之間提供了標準的公共信息通路(起到橋梁作用)符合某種總線的標準實際上是計算機系統(tǒng)真正的核心總線技術通道控制功能、使用方法、仲裁方法和傳輸方式等總線的標準、結(jié)構不同，性能差異很大31.08.20246第二章計算機總線技術總線標準計算機中使用的總線標準有二類：1.IEC（國際電工委員會）和IEEE（美國電氣與電子工程師協(xié)會）制定的：S100、STD、MultiBus、VMESCSI總線等，其特點是通用性、兼容性、可擴展性、適應能力強，適用于各類CPU。大部分廠商都支持這些標準2.著名廠家如IBM、Intel、Microsoft、Compaq、HP、Motorola、Apple等聯(lián)合推出的總線標準，成為事實上的國際標準，外圍設備提供商和兼容機廠家都遵循其標準。如IBMPC-XT、PC/AT/ISA總線等。31.08.20247第二章計算機總線技術總線標準的通用性按某種總線標準設計的外圍接口設備適用于采用這種總線標準的任何系統(tǒng)；進行接口設計時，不用研究計算機系統(tǒng)的具體結(jié)構和CPU的具體特性，只要按總線標準進行接口設計即可。31.08.20248第二章計算機總線技術并行總線并行總線分為計算機內(nèi)部和系統(tǒng)間二種內(nèi)部總線采用三總線結(jié)構（DB、AB、CB），數(shù)據(jù)傳輸能力由DB寬度和時鐘決定，尋址范圍由AB決定，控制管理協(xié)調(diào)能力由CB決定。系統(tǒng)間又稱為并行通訊總線，速度快，一般用于連接近距離（幾米）高速數(shù)據(jù)傳輸設備，一般為8位數(shù)據(jù)線和幾根握手線，并同時制定通訊協(xié)議。31.08.20249第二章計算機總線技術31.08.202410第二章計算機總線技術各類總線性能對比31.08.202411第二章計算機總線技術2-1-1總線結(jié)構連接（1）總線結(jié)構連接示意圖總線1#總線接口2#3#4#5#6#總線與總線接口一起便稱之為總線結(jié)構31.08.202412第二章計算機總線技術2-1-1總線結(jié)構連接（2）總線結(jié)構連接的優(yōu)點結(jié)構由面向CPU變?yōu)槊嫦蚩偩€硬件、軟件模塊化設計與生產(chǎn)結(jié)構清晰,便于靈活組態(tài)、擴充、改進與升級符合同一總線標準的產(chǎn)品兼容性強滿足用戶不同的需要,容易構成各種用途的計算機應用系統(tǒng)31.08.202413第二章計算機總線技術2-1-2總線的分類（1）根據(jù)總線的功能和應用場合，總線有內(nèi)部總線（InternalBus)用于計算機內(nèi)部模塊（板）之間通信外部總線（ExternalBus)：又稱通訊總線用于計算機之間或計算機與設備之間通信根據(jù)總線的結(jié)構，總線可分為并行總線：每個信號都有自己的信號線串行總線：所有信號復用一對信號線31.08.202414第二章計算機總線技術2-1-2總線的分類（2）內(nèi)部總線：又稱系統(tǒng)總線或模板級總線常用的有PC、STD、VME、MULTIBUS等數(shù)據(jù)總線D：用于傳遞數(shù)據(jù)信息地址總線A：用于傳遞地址信息控制總線C：包括控制、時序和中斷信號線，用于傳遞各種控制信息電源總線P：向總線提供電源外部總線如：IEEE-488、RS-232C、RS-485等31.08.202415第二章計算機總線技術2-1-2總線的分類（3）局部總線、系統(tǒng)總線、通信總線局部總線----是在傳統(tǒng)的ISA/EISA總線和CPU總線之間增加的一級總線或管理層，這是因為ISA/EISA已遠遠不能適應系統(tǒng)高傳輸能力的要求，如PCI。系統(tǒng)總線即內(nèi)部總線通信總線即外部總線31.08.202416第二章計算機總線技術2-1-2總線的分類（4）……CPU總線母板RAMROMA/DD/A外部總線接口數(shù)據(jù)總線D地址總線A控制總線C電源總線P計算機內(nèi)部總線結(jié)構示意圖31.08.202417第二章計算機總線技術決定總線性能的因素總線時鐘頻率(即總線工作頻率，單位MHz)；總線寬度即數(shù)據(jù)總線的位數(shù)，單位為bit；總線傳輸速率即總線帶寬，在總線上每秒鐘傳輸?shù)淖畲笞止?jié)數(shù)MB/s，每秒處理多少兆字節(jié)。它們之間的相關計算公式：

傳輸速率=總線時鐘頻率*總線寬度/831.08.202418第二章計算機總線技術2-1-3總線的模板化結(jié)構模板化結(jié)構按功能劃分計算機的各個部件，并按總線標準設計成由總線連接的模板結(jié)構：CPU主板、RAM/ROM存儲板、A/D、D/A、DI、DO等模板化結(jié)構的優(yōu)點增加計算機系統(tǒng)的通用性、靈活性、開放性、擴展性和可靠性為系統(tǒng)的維修提供了方便31.08.202419第二章計算機總線技術第二節(jié)Unit2計算機總線的體系結(jié)構ArchitectonicsofComputerBus31.08.202420第二章計算機總線技術本節(jié)主要內(nèi)容計算機技術的發(fā)展過程在一定意義上來說是總線技術的發(fā)展史，每一次新的主流總線技術的出現(xiàn)都給計算機帶來了全面的革新。總線的體系結(jié)構總線的控制方式31.08.202421第二章計算機總線技術2-2-1總線的體系結(jié)構（1）主控模塊（Master,主模塊)可以控制總線并啟動數(shù)據(jù)傳送的任何模塊受控模塊（Slave,從模塊)能夠響應總線主模塊發(fā)出命令的任何模塊體系結(jié)構指由總線本身定義地址空間、數(shù)據(jù)長度、操作定時信號以及傳輸協(xié)議等，以保證CPU的性能得到充分發(fā)揮而與CPU無關。31.08.202422第二章計算機總線技術2-2-1總線的體系結(jié)構（2）單總線體系結(jié)構(SingleBusArchitecture)所有模塊都連到單一總線上，只有一個數(shù)據(jù)通路，僅適用于慢速的計算機。31.08.202423第二章計算機總線技術2-2-1總線的體系結(jié)構（3）單總線體系結(jié)構(SingleBusArchitecture)CPU協(xié)處理器Modem顯示器硬驅(qū)打印機打印機存儲器31.08.202424第二章計算機總線技術2-2-1總線的體系結(jié)構（4）并發(fā)總線體系結(jié)構

(ConcurrentBusArchitecture)將存儲器和I/O的數(shù)據(jù)通路分開，以解決CPU與存儲器、I/O之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣炔灰坏拿堋?1.08.202425第二章計算機總線技術2-2-1總線的體系結(jié)構（5）并發(fā)總線體系結(jié)構(ConcurrentBusArchitecture)CPU協(xié)處理器Modem顯示器硬驅(qū)打印機打印機存儲器總線控制器31.08.202426第二章計算機總線技術2-2-1總線的體系結(jié)構（6）帶cache的并發(fā)總線體系結(jié)構(ConcurrentBusArchitectureWithcache)類似于并發(fā)總線體系結(jié)構，只是在CPU和存儲器的數(shù)據(jù)通路上多了一個高速緩沖存儲器cache及cache控制器。31.08.202427第二章計算機總線技術2-2-1總線的體系結(jié)構（7）帶cache的并發(fā)總線體系結(jié)構Cache控制器協(xié)處理器Modem顯示器硬驅(qū)打印機打印機主存儲器總線控制器光盤驅(qū)動器其它I/O卡Cache存儲器CPU31.08.202428第二章計算機總線技術2-2-2總線的控制方式（1）總線控制總線上可以掛多個主模塊,但在同一時刻只能有一個主模塊控制總線；對信息的傳送需要控制,以防止信息丟失?？偩€控制線路包括總線判優(yōu)或仲裁邏輯、總線控制驅(qū)動器和中斷邏輯等。31.08.202429第二章計算機總線技術2-2-2總線的控制方式（2）用硬件進行總線裁決（控制）的方式串行鏈接式總線裁決定時查詢方式獨立請求式總線裁決31.08.202430第二章計算機總線技術2-2-2總線的控制方式（3）串行鏈接式總線裁決總線可用部件0總線控制器部件1部件N-1總線請求總線總線忙圖中，請求線是公共的，圖中部件0的優(yōu)先級最高。31.08.202431第二章計算機總線技術2-2-2總線的控制方式（4）定時查詢方式這種方式中，優(yōu)先級可以用程序控制，靈活性較強。計數(shù)值有2種方式?？偩€忙部件0總線控制器部件1部件N-1總線請求總線計數(shù)值31.08.202432第二章計算機總線技術2-2-2總線的控制方式（5）獨立請求式總線裁決這種方式中，總線控制器根據(jù)某種算法對同時來的請求進行裁決。部件0總線控制器部件1部件N-1總線BR0BG0BR1BG1BRN-1BGN-1總線忙信號SACK31.08.202433第二章計算機總線技術2-2-2總線的控制方式（6）總線裁決采用的主要算法靜態(tài)優(yōu)先級算法（又稱作菊花鏈算法）固定時間算法動態(tài)優(yōu)先級算法先來先服務算法31.08.202434第二章計算機總線技術2-2-2總線的控制方式（7）總線的通信方式(1)同步式通信(SynchronousTransfer)數(shù)據(jù)的傳輸在一個共同的時鐘信號控制下進行優(yōu)點是模塊間的配合簡單一致,缺點是對所有模塊都強求一致的同一時限,設計缺乏靈活性(2)異步式傳輸(AsynchronousTransfer)利用數(shù)據(jù)發(fā)送部件和接收部件之間的“握手(Handshaking)”信號線來實現(xiàn)總線數(shù)據(jù)傳送可以實現(xiàn)不同速度的設備之間的數(shù)據(jù)傳送31.08.202435第二章計算機總線技術第三節(jié)Unit3內(nèi)部總線InternalBus31.08.202436第二章計算機總線技術本節(jié)主要內(nèi)容STD總線當前主流總線31.08.202437第二章計算機總線技術STD總線STD總線即StandardBus，是一種規(guī)模最小，面向工業(yè)控制，設計周密的8位系統(tǒng)總線。STD總線支持8位微處理器。

31.08.202438第二章計算機總線技術2-3-1STD總線（1）STD總線的特點：56根并行總線，采用小模板結(jié)構,尺寸為165×114mm模塊化的總體設計布局開放式的系統(tǒng)結(jié)構擁有豐富的I/O功能模板的小尺寸設計,減少沖擊和震動的影響31.08.202439第二章計算機總線技術2-3-1STD總線（2）STD總線的信號分配56根并行總線都有明確的定義，按功能可分為五大類(1)邏輯電源線6根(引線1～6)(2)數(shù)據(jù)總線8根(引線7～14)(3)地址總線16根(引線15～30)(4)控制總線22根(引線31～52)(5)輔助電源線4根(引線53～56)31.08.202440第二章計算機總線技術2-3-1STD總線（3）STD總線與存儲器和I/O的連接與存儲器的連接方法總線低位地址A0～A12直接連接到各存儲器芯片,高位地址A13～A15用來選片（可選64K基本存儲器，通過擴展，可增至128K）與I/O的連接地址碼的低位字節(jié)連接到總線譯碼器,形成選板信號和選口信號,選通I/O端口工作（可選128個口，擴展后可增至256個口）31.08.202441第二章計算機總線技術2-3-2主流總線與IPC機IPC機的優(yōu)點(1)IPC機與PC機的軟件完全兼容；(2)開放性的結(jié)構和軟硬件標準的公開；(3)各類高性能I/O模板成熟,性能價格比提高；(4)IPC機本身的性能指標不斷提高,已能適應工業(yè)環(huán)境的基本要求；(5)通信與網(wǎng)絡技術的引入，便于通過網(wǎng)絡連接,組成可靠性高、靈活性強的多級系統(tǒng)體系。31.08.202442第二章計算機總線技術2-3-2主流總線的發(fā)展PC系列總線IBM公司1981年推出基于8位機的PC/XT總線，PC總線1984年推出基于16位機的PC/AT總線，AT總線

但從未公開過AT總線的技術規(guī)格Intel公司、IEEE和EISA集團聯(lián)合推出與IBM/AT原裝機總線意義相近的ISA(IndustryStandardArchitecture)總線，即8/16位的“工業(yè)標準結(jié)構”：數(shù)據(jù)傳輸率最高8MB/s,尋址空間為224=16MB31.08.202443第二章計算機總線技術ISA總線總線的元老特點：CPU為唯一主模塊，插卡數(shù)量亦有限缺少中樞寄存器，不能動態(tài)分配資源已接近淘汰但因許多老設備如聲卡、Modem等仍離不開它，故許多主板芯片依然提供對其的支持(如下頁的主板示意圖等)31.08.202444第二章計算機總線技術31.08.202445第二章計算機總線技術用到ISA總線的聲卡示意圖31.08.202446第二章計算機總線技術過渡總線MCA(MicroChannelArchitecture)IBM提出的支持386的系統(tǒng)總線標準，數(shù)據(jù)寬度32位(支持4G的尋址能力)，傳輸率33MB/s，與ISA不兼容，技術未公開EISA(ExtendedISA)總線由Compaq、HP等九家公司在1988年推出的與MCA抗衡的總線，與ISA有良好的兼容性31.08.202447第二章計算機總線技術PCI局部總線PCI(PeripheralComponentInterconnect)現(xiàn)在是主板上最常見的插槽(如下頁圖示)不依附于某個具體的處理器結(jié)構上是在CPU與原來的系統(tǒng)總線間插入的一級總線，具體由一個橋接電路實現(xiàn)對該層的管理；提供信號緩存，支持10種外設數(shù)據(jù)總線32/64位，最大傳輸速率達132MB/s可同時支持多組外圍設備31.08.202448第二章計算機總線技術31.08.202449第二章計算機總線技術采用PCI的顯卡31.08.202450第二章計算機總線技術CompactPCI

CompactPCI的意思是“堅實的PCI”，是當今第一個采用無源總線底板結(jié)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業(yè)計算機標準。CompactPCI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(chǎn)品，如ISA、STD、VME或PC/104來擴充系統(tǒng)的I/O和其他功能。

31.08.202451第二章計算機總線技術PC/I04(1)專門為嵌入式控制而定義的工控總線實質(zhì)上是一種緊湊型，小型化的IEEE-P996.其型號定義和PC/AT基本一致，但電氣和機械規(guī)范卻完全不同，是一種優(yōu)化的，小型堆棧式結(jié)構的嵌入式控制系統(tǒng)。PC/104總線產(chǎn)品軟件上與PC/AT完全兼容。31.08.202452第二章計算機總線技術PC/I04(2)

31.08.202453第二章計算機總線技術PC/I04硬件特點小尺寸結(jié)構,標準模塊：96x90mm堆棧式，“針”“孔”總線連接，即PC/104總線模塊之間總線的連接是通過上層的針和下層的孔相互咬合相連,有極好的抗震性。4mA總線驅(qū)動既可使模塊正常工作，低功耗，減少元件數(shù)量自我堆棧式連接，無須母板31.08.202454第二章計算機總線技術PC/I04版本

PC/104,8位，16位分別與PC和PC/AT相對應PC/104plus則與PCI總線相對應一個PC/104CPU模塊則可以同時擁有PC/104和PC/104plus總線

31.08.202455第二章計算機總線技術AGP總線(1)AGP(AcceleratedGraphicsPort)更確切地說為圖形加速接口，是Intel公司推出的新一代圖形顯示卡專用數(shù)據(jù)通道，它只能安裝AGP的顯示卡。它將顯示卡同主板內(nèi)存芯片組直接相連，大幅提高了電腦對3D圖形的處理速度，信號的傳送速率可以提高到533MB/s。AGP的工作頻率為66.6MHz，是現(xiàn)行PCI總線的一倍。31.08.202456第二章計算機總線技術AGP總線(2)AGP顯示卡和內(nèi)存之間有一條高速的通道，它要直接使用系統(tǒng)內(nèi)存來處理圖像數(shù)據(jù)，不過寶貴的系統(tǒng)內(nèi)存就會被占用了?，F(xiàn)在的SLOT1主板、SUPER7主板都提供了AGP接口。AGP接口圖示31.08.202457第二章計算機總線技術SLOT1主板31.08.202458第二章計算機總線技術USB接口(1)USB(UniversalSerialBus)是由個人電腦協(xié)會和電訊工業(yè)廠家(包括Compaq、IBMNEC、Microsoft等)共同開發(fā)的新一代的多媒體電腦的外設接口。將不同的接口統(tǒng)一用一個4針標準插頭。所有的USB外設利用“One-Size-Fits-All”連接器簡單方便地連接入計算機。

31.08.202459第二章計算機總線技術USB接口(2)使用新的、通用標準連接器，在計算機上添加設備時不必再打開機箱，安裝板卡，甚至都不必重新啟動，就可以使用新的設備，USB使您的計算機更易使用。USB接口示意圖31.08.202460第二章計算機總線技術USB接口(3)連結(jié)的設備數(shù)一個USB最多可以連結(jié)127個設備傳輸速度若是使用鼠標或者鍵盤等不需要高速的設備時，它就采用1.5Mbps的傳輸速率若是使用MODEM，音箱、打印機等需要高速傳輸數(shù)據(jù)的設備時，則采用12Mbps的同步傳輸速率(結(jié)點間距離5米)。最新USB2.0標準的MAX傳輸率480Mbps.31.08.202461第二章計算機總線技術USB采用四線電纜，其中兩根是用來傳送數(shù)據(jù)的串行通道，另兩根為下游設備提供電源.VBUSD—GNDD+VBUSD+D—GND31.08.202462第二章計算機總線技術另外的一些總線IEEE1394總線IDE總線SCSI總線AMR總線31.08.202463第二章計算機總線技術第四節(jié)Unit4外部總線ExternalBus31.08.202464第二章計算機總線技術本節(jié)主要內(nèi)容IEEE-488總線概述IEEE-488總線的信號分配RS-232CRS-422/48531.08.202465第二章計算機總線技術2-4-1IEEE-488總線概述（1）IEEE-488是1970年由美國惠普公司開發(fā)的并行通訊總線,用來連接系統(tǒng)，如微計算機、數(shù)字電壓表、數(shù)碼顯示器等設備及其他儀器儀表均可用IEEE-488總線裝配起來。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(lián)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/s。

總線上連接的設備有三種，工作方式也有三種聽者（“受話”方式）：同時可有多個講者（“送話”方式）：每時只能有一個控者（“控制”方式）：每時只能有一個31.08.202466第二章計算機總線技術2-4-1IEEE-488總線概述（2）IEEE-488總線的連接示意圖DIO1～

DIO8DAVNRFDNDAC

EOI

IFCATNSRQREN

設備A

控者講者聽者

計算機

設備B

講者聽者

電壓表1

設備C

講者聽者

設備D

聽者

數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)控制線接口管理線電壓表2打印機31.08.202467第二章計算機總線技術2-4-1IEEE-488總線的信號分配（1）IEEE-488共定義了24根線（其中8根地線）數(shù)據(jù)總線DIO0~DIO8數(shù)據(jù)傳送控制線數(shù)據(jù)有效線DAV、未準備好接受數(shù)據(jù)線NRFD、未接受好數(shù)據(jù)線NDAC接口管理總線接口清除線IFC、服務請求線SQR、注意線ATN、結(jié)束或識別線EQI、遠程允許REN31.08.202468第二章計算機總線技術2-4-1IEEE-488總線的信號分配（2）使用IEEE-488的約定數(shù)據(jù)傳輸率不得超過每秒1M字節(jié)總線上的設備數(shù)不得多于15個電纜總長度不超過20m，兩設備間不超過4m采用負邏輯31.08.202469第二章計算機總線技術2-4-2RS-232C總線標準及應用RS-232C是美國電子工業(yè)協(xié)會EIA（ElectronicIndustryAssociation）制定的一種串行物理接口標準。RS是英文“推薦標準”的縮寫，232為標識號，C表示修改次數(shù)。RS-232-C總線標準設有25條信號線，包括一個主通道和一個輔助通道，在多數(shù)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(xiàn)，如一條發(fā)送線、一條接收線及一條地線。RS-232-C標準規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸速率為每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。RS-232-C標準規(guī)定，驅(qū)動器允許有2500pF的電容負載，通信距離將受此電容限制，例如，采用150pF/m的通信電纜時，最大通信距離為15m；若每米電纜的電容量減小，通信距離可以增加。傳輸距離短的另一原因是RS-232屬單端信號傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題，因此一般用于20m以內(nèi)的通信。31.08.202470第二章計算機總線技術2-4-2RS-232C總線標準及應用引腳號信號名稱方向信號功能1DCDPC機←儀器PC機收到遠程信號（載波檢測）2RXDPC機←儀器PC機接收數(shù)據(jù)3TXDPC機→儀器PC機發(fā)送數(shù)據(jù)4DTRPC機→儀器PC機準備就緒5GND-信號地6DSRPC機←儀器儀器準備就緒7RTSPC機→儀器PC機請求發(fā)送數(shù)據(jù)8CTSPC機←儀器儀器已切換到接收狀態(tài)（清除發(fā)送）9RIPC機←儀器通知PC機，線路正常（振鈴指示）31.08.202471第二章計算機總線技術2-4-3RS-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。RS-485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。RS-485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(lián)網(wǎng)構成分布式系統(tǒng)，其允許最多并聯(lián)32臺驅(qū)動器