第 10 章 總線及接口技術(shù)

第10章總線及實(shí)用接口技術(shù)10.1總線技術(shù)簡(jiǎn)介10.2串行通信總線標(biāo)準(zhǔn)10.3其他微型計(jì)算機(jī)10.1總線技術(shù)簡(jiǎn)介本節(jié)在介紹標(biāo)準(zhǔn)總線基本概念的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了微機(jī)系統(tǒng)總線、總線驅(qū)動(dòng)技術(shù)、串行通信總線標(biāo)準(zhǔn)及傳輸通道基本配置。10.1.1標(biāo)準(zhǔn)總線及分類(lèi)1．總線標(biāo)準(zhǔn)為了使用的方便，對(duì)總線必須有詳細(xì)和明確的規(guī)范要求，稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)總線。對(duì)于系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)和外部總線標(biāo)準(zhǔn)，它是計(jì)算機(jī)及板卡生產(chǎn)廠家、接口電路設(shè)計(jì)者都必須遵守的。標(biāo)準(zhǔn)總線一般應(yīng)包括機(jī)械結(jié)構(gòu)規(guī)范（如尺寸、總線插頭等）、功能規(guī)范（確定各引腳信號(hào)定義等）、電氣規(guī)范（規(guī)定信號(hào)的高低電平、動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間、負(fù)載能力以及最大額定值等）及時(shí)間特性（定時(shí)控制方式、工作頻率、同步，異步等）。常用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線如下。①STD（Standard）是工業(yè)控制微機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線，它從8位、16位數(shù)據(jù)帶寬已發(fā)展到32位帶寬。目前它仍是國(guó)內(nèi)外某些工業(yè)控制機(jī)普遍采用的總線標(biāo)準(zhǔn)。②工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)（IndustryStandardArchitecture，ISA）是現(xiàn)存最老的通用微機(jī)總線類(lèi)型，是與286-AT總線一起引入的。③微通道體系結(jié)構(gòu)（MicroChannelArchitecture，MCA）是IBM在1987年為PS/2系統(tǒng)機(jī)及其兼容機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)理想的總線，它代表了總線設(shè)計(jì)的革命性進(jìn)步。④擴(kuò)展的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)（ExtendedIndustryStandardArchitecture，EISA）是反壟斷的產(chǎn)物。⑤視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（VideoElectronicsStandardsAssociation，VESA）也叫VL總線，是流行的ISA總線的擴(kuò)展。2．總線分類(lèi)這里按總線所處的位置主要分類(lèi)如下。（1）片總線片總線是微機(jī)內(nèi)部各外圍芯片與處理器之間的信息傳輸?shù)耐?。?）系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線也就是常說(shuō)的微機(jī)總線，是用于微機(jī)系統(tǒng)中各插件之間信息傳輸?shù)囊唤M信號(hào)線。系統(tǒng)總線主要包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。（3）外總線外總線又稱(chēng)通信總線，是各微機(jī)系統(tǒng)之間，或微機(jī)系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間信息傳輸?shù)耐贰＠?，微機(jī)與微機(jī)之間所采用的RS-232/RS-485串行總線，微機(jī)與智能儀器之間所采用的IEEE-488/VXI總線，以及近幾年發(fā)展和流行起來(lái)的微機(jī)與外部設(shè)備之間的USB和IEEE1394通用串行總線等。10.1.2微機(jī)系統(tǒng)總線

本節(jié)主要介紹為80286CPU設(shè)計(jì)的ISA總線、Pentium機(jī)主板上采用的PCI總線。

1．ISA總線

（1）8位ISA（即XT）總線8位ISA總線插槽共有62條引腳信號(hào)，其定義見(jiàn)表10-1。2．PCI總線（1）PCI總線主要特點(diǎn)PCI總線是一種高性能數(shù)據(jù)線和地址線復(fù)用的總線，目標(biāo)設(shè)備有47個(gè)引腳，總線主控設(shè)備有49個(gè)引腳。PCI提供兩種信號(hào)環(huán)境：5V和3.3V，并可進(jìn)行兩種環(huán)境的轉(zhuǎn)換，擴(kuò)大了它的適應(yīng)范圍。PCI對(duì)32位與64位總線的使用是透明的，它允許32位與64位元器件相互協(xié)作。（2）PCI總線引腳定義PCI總線的引腳定義如圖10-2所示。10.1.3總線驅(qū)動(dòng)1．總線競(jìng)爭(zhēng)與負(fù)載在同一總線上，同一時(shí)刻有可能會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上的元器件請(qǐng)求輸出其數(shù)據(jù)或狀態(tài)，于是形成了總線競(jìng)爭(zhēng)，或稱(chēng)總線爭(zhēng)用，如圖10-4所示?？偩€邏輯門(mén)驅(qū)動(dòng)負(fù)載電路，如圖10-5所示。當(dāng)邏輯門(mén)的輸出為高電平時(shí)，它為負(fù)載門(mén)提供高電平輸入電流IIH。邏輯門(mén)的高電平輸出電流IOH不得小于所有負(fù)載門(mén)所需要的高電平輸入電流IIH之和，即要滿(mǎn)足算式：。2．總線驅(qū)動(dòng)與控制綜合總線競(jìng)爭(zhēng)與其對(duì)負(fù)載能力的需求，通常需要對(duì)總線的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體做法通常是在總線中加入三態(tài)門(mén)及鎖存器等電路。（1）三態(tài)門(mén)（2）雙向三態(tài)門(mén)（3）帶有三態(tài)輸出的鎖存器具有三態(tài)輸出的鎖存器有多種，這里以PC/XT微機(jī)中的地址鎖存器74LS373為例來(lái)說(shuō)明。

（4）總線控制總線控制有3種方式：串行鏈接方式、定時(shí)查尋方式和獨(dú)立請(qǐng)求方式。10.2串行通信總線標(biāo)準(zhǔn)10.2.1．通用串行總線（USB）通用串行總線（UniversalSerialBus，USB）是由Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、NorthernTelecom等7家世界著名的計(jì)算機(jī)和通信公司共同推出的一種新型接口標(biāo)準(zhǔn)。

它基于通用連接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)外部設(shè)備的簡(jiǎn)單快速連接，達(dá)到方便用戶(hù)，降低成本，擴(kuò)展PCI/O端口的目的。它可以為外部設(shè)備提供電源，而不像普通的使用串、并口設(shè)備那樣需要單獨(dú)的供電系統(tǒng)。另外，快速是USB技術(shù)的突出特點(diǎn)之一，USB1.1有全速和低速兩種方式，低速方式的速率為1.5Mbit/s，支持一些不需要很大數(shù)據(jù)吞吐量和很高實(shí)時(shí)性的設(shè)備，如鼠標(biāo)等；全速模式為12Mbit/s，可以外接速率更高的外部設(shè)備。在USB2.0中增加了一種高速方式，數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到480Mbit/s，可以滿(mǎn)足速度更高的外部設(shè)備的需要。10.2.2IEEE1394總線IEEE1394總線是蘋(píng)果公司開(kāi)發(fā)的串行標(biāo)準(zhǔn)，又稱(chēng)火線接口（firewire）。IEEE1394支持外設(shè)熱插拔，可為外設(shè)提供電源，能連接多個(gè)不同設(shè)備，支持同步數(shù)據(jù)傳輸。IEEE1394分為兩種傳輸方式：Backplane模式和Cable模式。Backplane模式傳輸速率高于USB傳輸速率，分別為12.5Mbps、25Mbps、50Mbps，多用于高帶寬應(yīng)用。Cable模式傳輸速率更高，分為100Mbps、200Mbps和400Mbps等。10.2.3．RS-232C總線標(biāo)準(zhǔn)RS-232C是使用最早、在異步串行通信中應(yīng)用最廣的總線標(biāo)準(zhǔn)。它由美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）于1962年公布，1969年最后修訂而成。其中，RS是英文“推薦標(biāo)準(zhǔn)”的縮寫(xiě)，232是標(biāo)識(shí)號(hào)，C表示修改次數(shù)。PC配置的是RS-232C標(biāo)準(zhǔn)接口。RS-232C適用于短距離或帶調(diào)制解調(diào)器的通信場(chǎng)合。若設(shè)備之間的通信距離不大于15m時(shí)，可以用RS-232C電纜直接連接。對(duì)于距離大于15m以上的長(zhǎng)距離通信，需要采用調(diào)制解調(diào)器才能實(shí)現(xiàn)。RS-232C傳輸速率最大為20Kbit/s。圖10-11RS-232C標(biāo)準(zhǔn)插頭座外形10.2.4．RS-422/485總線標(biāo)準(zhǔn)RS-232C雖然應(yīng)用廣泛，但由于推出較早，數(shù)據(jù)傳輸速率慢，通信距離短。為了滿(mǎn)足現(xiàn)代通信傳輸數(shù)據(jù)速率越來(lái)越快和距離越來(lái)越遠(yuǎn)的要求，EIA隨后推出了RS-422和RS-485總線標(biāo)準(zhǔn)。（1）RS-422/485總線標(biāo)準(zhǔn)RS-422采用差分接收、差分發(fā)送工作方式，不需要數(shù)字地線。它使用雙絞線傳輸信號(hào)，根據(jù)兩條傳輸線之間的電位差值來(lái)決定邏輯狀態(tài)。RS-422接口電路采用高輸入阻抗接收器和比RS-232C驅(qū)動(dòng)能力更強(qiáng)的發(fā)送驅(qū)動(dòng)器，可以在相同的傳輸線上連接多個(gè)接收節(jié)點(diǎn)。（2）RS-485接口電路——MAX485MAX485是用于RS-422/485通信的差分平衡收發(fā)器，由MAXIM公司生產(chǎn)。芯片內(nèi)部包含一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)接收器，適用于半雙工通信。10.2.5串行通信傳輸通道配置PC一般至少有兩個(gè)RS-232串行口COM1和COM2，通常，COM1使用的是9針D型連接器，而COM2使用的是老式的DB25針連接器。（1）近距離直接串行通信近距離直接傳輸是指在15m以?xún)?nèi)、不需要進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換的串行通信，常用在兩臺(tái)PC或以串行通信標(biāo)準(zhǔn)作為接口的設(shè)備之間的通信。（2）需要電平轉(zhuǎn)換串行通信由于RS-232C采用負(fù)邏輯，因此，RS-232C不能和采用正邏輯電平TTL、MCS-51單片機(jī)的串行口等直接相連。當(dāng)RS-232C接口與具有正邏輯的串行口通信時(shí)，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。（3）遠(yuǎn)距離調(diào)制與解調(diào)串行傳輸在遠(yuǎn)距離傳送使用調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行串行傳輸時(shí)，如圖10-18所示。10.3其他微型計(jì)算機(jī)10.3.1單片機(jī)和單板機(jī)1．單片機(jī)單片機(jī)將CPU、存儲(chǔ)器、定時(shí)器及I/O接口等部件通過(guò)內(nèi)部總線集成在一塊芯片上。單片機(jī)這種特殊的結(jié)構(gòu)形式和特點(diǎn)，使其在智能化儀器儀表、家用電器、機(jī)電一體化產(chǎn)品、工業(yè)控制等各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用得到迅猛的發(fā)展。常用單片機(jī)芯片外形如圖10-19所示。2．單板機(jī)這里說(shuō)的單板機(jī)是指簡(jiǎn)易的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)及開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，或稱(chēng)開(kāi)發(fā)板。它將單片機(jī)系統(tǒng)的各個(gè)部分組裝在一塊印制電路板上，包括CPU、I/O接口及配備簡(jiǎn)單的LED、LCD、小鍵盤(pán)、下載器及插座等。單板機(jī)是學(xué)習(xí)及開(kāi)發(fā)單片機(jī)應(yīng)用的必需工具，其主要功能如下。①可以直接在單板機(jī)上操作進(jìn)行單片機(jī)學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)。②單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。③直接用于控制系統(tǒng)。單板機(jī)外形如圖10-20所示3.51單片機(jī)總體結(jié)構(gòu)

（1）單片機(jī)內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)8051單片機(jī)內(nèi)部由CPU、4KB的ROM、128B的RAM、4個(gè)8位的I/O并行端口、一個(gè)串行口、兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器及中斷系統(tǒng)等組成，其內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)框圖如圖10-21所示。10.3.2智能手機(jī)智能手機(jī)是具有獨(dú)立的操作系統(tǒng)，獨(dú)立的運(yùn)行空間，可以由用戶(hù)自行安裝軟件、游戲、導(dǎo)航等第三方服務(wù)商提供的設(shè)備，并可以通過(guò)移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入的手機(jī)類(lèi)型的總稱(chēng)。10.3.3筆記本電腦筆記本電腦（Laptop），簡(jiǎn)稱(chēng)筆記本，又稱(chēng)“便攜式電腦，手提電腦、掌上電腦或膝上型電腦”，特點(diǎn)是機(jī)身小巧。比臺(tái)式機(jī)攜帶方便，是一種小型、便于攜帶的個(gè)人電腦。筆記本電腦采用液晶顯示器（液晶LCD屏）。除鍵盤(pán)外，還裝有觸控板（Touchpad）或觸控點(diǎn)（Pointingstick）作為定位設(shè)備（Pointingdevice）。10.3.4嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)從使用的角度來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)應(yīng)用可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是應(yīng)用廣泛的獨(dú)立使用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（如個(gè)人計(jì)算機(jī)、工作站等），另一類(lèi)是嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)嵌入式系統(tǒng)）。1.嵌入式系統(tǒng)基本構(gòu)成所謂嵌入式系統(tǒng)，是“以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁減、功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”，即以嵌入式應(yīng)用為目的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。一個(gè)手持的MP3和一個(gè)微型計(jì)算機(jī)工業(yè)控制系統(tǒng)都可以認(rèn)為是嵌入式系統(tǒng)，它與通用計(jì)算機(jī)技術(shù)的最大差異是必須支持硬件裁減和軟件裁減，以適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)體積、功能、功耗、可靠性、成本等的特殊要求。嵌入式系統(tǒng)硬件包括信號(hào)處理器、存儲(chǔ)器、通信模塊等在內(nèi)的多種模塊。2.嵌入式系統(tǒng)功能特點(diǎn)嵌入式系統(tǒng)的功能特點(diǎn)有以下方面。①系統(tǒng)內(nèi)核小。