计算机控制技术课件六

1、n任何一个微处理器都要与一定数量的部件和外围设备连接，但如果将各部件和每一种外围设备都分别用一组线路与CPU直接连接，那么连线将会错综复杂，甚至难以实现。为了简化硬件电路设计、简化系统结构，常用一组线路，配置以适当的接口电路，与各部件和外围设备连接，这组共用的连接线路被称为总线。采用总线结构便于部件和设备的扩充，尤其制定了统一的总线标准则容易使不同设备间实现互连。 第六章总线技术 总线（Bus）是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，它是由导线组成的传输线束， 按照计算机所传输的信息种类，计算机的总线可以划分为数据总线、地址总线和控制总线，分别用来传输数据、数据地址和控制信号。总线是一

2、种内部结构，它是cpu、内存、输入、输出设备传递信息的公用通道，主机的各个部件通过总线相连接，外部设备通过相应的接口电路再与总线相连接，从而形成了计算机硬件系统。在计算机系统中，各个部件之间传送信息的公共通路叫总线，微型计算机是以总线结构来连接各个功能部件的。 总线结构n1、单总线结构2、多总线结构 图6.4 三总线结构图6.5四总线结构总线按功能和规范可分为三大类型总线按功能和规范可分为三大类型:1、片内总线在集成电路芯片内部，用来连结各功能单元的信息通路，例如CPU芯片中的内部总线，它是ALU单元和控制器之间的信息通路。2、局部总线在印刷电路板上连接各芯片之间的公共通路，例如PC系列机中的

3、ISA、EISA、VESA和PCI等总线标准。3、系统总线又称为内总线，是指模块式微型计算机机箱内的主板总线，用来连接构成微型机的各插件板。4、通信总线又称为外总线，用于微机系统与系统之间，微机系统与外部设备如打印机、盘设备或微机系统和仪器仪表之间的通信通道。这种总线数据传输方式可以是并行或串行。数据传输速率比内总线低。不同的应用场合有不同的总线标准。例如，串行通信的EIARS 232C总线。总线的主要技术指标总线的主要技术指标 1、总线的带宽（总线数据传输速率） 总线的带宽指的是单位时间内总线上传送的数据量，即每钞钟传送MB的最大稳态数据传输率。与总线密切相关的两个因素是总线的位宽和总线的工

4、作频率，它们之间的关系： 总线的带宽=总线的工作频率*总线的位宽/8 或者 总线的带宽=（总线的位宽/8 ）/总线周期2、总线的位宽 总线的位宽指的是总线能同时传送的二进制数据的位数，或数据总线的位数，即32位、64位等总线宽度的概念。总线的位宽越宽，每秒钟数据传输率越大，总线的带宽越宽。 3、总线的工作频率 总线的工作时钟频率以MHZ为单位，工作频率越高，总线工作速度越快，总线带宽越宽。总线控制方法总线控制方法n一般来说，总线上完成一次数据传输要经历以下4个阶段：n1、 申请(Arbitration)占用总线阶段。需要使用总线的主控模块(如CPU或DMAC)向总线仲裁机构提出占有总线控制权的

5、申请。由总线仲裁机构判别确定，把下一个总线传输周期的总线控制权授给申请者。n2、 寻址(Addressing)阶段。获得总线控制权的主模块，通过地址总线发出本次打算访问的从属模块，如存储器或I/O接口的地址。通过译码使被访问的从属模块被选中，而开始启动。n3、 传数(Aata Transferring)阶段。主模块和从属模块进行数据交换。数据由源模块发出经数据总线流入目的模块。对于读传送，源模块是存储器或I/O接口，而目的模块是总线主控者；对于写传送，则源模块是总线主控者，而目的模块是存储器或I/O接口。n4、 结束(Ending)阶段。主、从模块的有关信息均从总线上撤除，让出总线，以便其它模

6、块能继续使用。n对于只有一个总线主控设备的简单系统，对总线无需申请、分配和撤除。而对于多CPU或含有DMA的系统，就要有总线仲裁机构，来受理申请和分配总线控制权。总线上的主、从模块通常采用握手信号来指明数据传送的开始和结束，用同步、异步或半同步这三种方式之一实现总线传输的控制。总线的标准总线的标准n 总线是一类信号线的集合是模块间传输信息的公共通道，通过它，计算机各部件间可进行各种数据和命令的传送。为使不同供应商的产品间能够互换，给用户更多的选择，总线的技术规范要标准化。总线的标准制定要经周密考虑，要有严格的规定。 n总线标准（技术规范）包括以下几部分： （1）机械结构规范：模块尺寸、总线插头

7、、总线接插件以及安装尺寸均有统一规定。 （2）功能规范：总线每条信号线（引脚的名称）、功能以及工作过程要有统一规定。 （3）电气规范：总线每条信号线的有效电平、动态转换时间、负载能力等。采用总线结构的主要优点采用总线结构的主要优点n1、简化硬件设计。便于采用模块化结构设计方法，面向总线的微型计算机设计只要按照这些规定制作cpu插件、存储器插件以及I/O插件等，将它们连入总线就可工作，而不必考虑总线的详细操作。 n2、简化系统结构。整个系统结构清晰。连线少，底板连线可以印制化。n3、便于故障诊断和维修。用主板测试卡可以很方便找到出现故障的部位，以及总线类型n4、系统扩充性好。n一是规模扩充，规模

8、扩充仅仅需要多插一些同类型的插件。二是功能扩充，功能扩充仅仅需要按照总线标准设计新插件，插件插入机器的位置往往没有严格的限制。 n5、系统更新性能好。因为cpu、存储器、I/O接口等都是按总线规约挂到总线上的，因而只要总线设计恰当，可以随时随着处理器的芯片以及其他有关芯片的进展设计新的插件，新的插件插到底板上对系统进行更新，其他插件和底板连线一般不需要改。 采用总线结构的缺点采用总线结构的缺点:n1、利用总线传送具有分时性。当有多个主设备同时申请总线的使用是必须进行总线的仲裁。 n2、总线的带宽有限，如果连接到总线上的某个硬件设备没有资源调控机制容易造成信息的延时（这在某些即时性强的地方是致命

9、的）。 n3、连到总线上的设备必须有信息的筛选机制，要判断该信息是否是传给自己的。n从广义上说，计算机通信方式可以分为并行通信和串行通信，相应的通信总线被称为并行总线和串行总线。并行通信速度快、实时性好，但由于占用的口线多，不适于小型化产品；而串行通信速率虽低，但在数据通信吞吐量不是很大的微处理电路中则显得更加简易、方便、灵活。串行通信一般可分为异步模式和同步模式。n随着微电子技术和计算机技术的发展，总线技术也在不断地发展和完善，而使计算机总线技术种类繁多，各具特色。下面仅对微机各类总线中目前比较流行的总线技术分别加以介绍。一、 片内总线n1I2C总线-I2C（Inter-IC）总线10多年前

10、由Philips公司推出，是近年来在微电子通信控制领域广泛采用的一种新型总线标准。它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简化，器件封装形式小，通信速率较高等优点。在主从通信中，可以有多个I2C总线器件同时接到I2C总线上，通过地址来识别通信对象。n2SPI总线串行外围设备接口SPI（serial peripheral interface）总线技术是Motorola公司推出的一种同步串行接口。Motorola公司生产的绝大多数MCU（微控制器）都配有SPI硬件接口，如68系列MCU。SPI总线是一种三线同步总线，因其硬件功能很强，所以，与SPI有关的软件就相当简单，使CPU有更多的时

11、间处理其他事务。n3SCI总线串行通信接口SCI（serial communication interface）也是由Motorola公司推出的。它是一种通用异步通信接口UART，与MCS-51的异步通信功能基本相同。二、PC总线n1ISA总线ISA（industrial standard architecture）总线标准是IBM 公司1984年为推出PC/AT机而建立的系统总线标准，所以也叫AT总线。它是对XT总线的扩展，以适应8/16位数据总线要求。它在80286至80486时代应用非常广泛，以至于现在奔腾机中还保留有ISA总线插槽。ISA总线有98只引脚。n早期的IBM PC/XT计算

12、机的底板上，8位ISA总线 。n1984年IBM公司推出286机（AT机）时，将原来8位的ISA总线扩展为16位的ISA总线，它保持原来8位ISA总线的62个引脚信号，以便原先的8位ISA总线适配器板可以插在AT机的插槽上。同时为使数据总线扩展到16位，地址总线扩展到24位，而增加一个延伸的36引脚插槽。 ISA总线输入接口图 6.8 简单的ISA总线输入接口ISA输出接口图 6.9 简单的ISA总线输出接口n2. EISA总线EISA总线是1988年由Compaq等9家公司联合推出的总线标准。它是在ISA总线的基础上使用双层插座，在原来ISA总线的98条信号线上又增加了98条信号线，也就是在

13、两条ISA信号线之间添加一条EISA信号线。在实用中，EISA总线完全兼容ISA总线信号。n3VESA总线VESA（video electronics standard association）总线是 1992年由60家附件卡制造商联合推出的一种局部总线，简称为VL(VESA local bus)总线。它的推出为微机系统总线体系结构的革新奠定了基础。该总线系统考虑到CPU与主存和Cache 的直接相连，通常把这部分总线称为CPU总线或主总线，其他设备通过VL总线与CPU总线相连，所以VL总线被称为局部总线。它定义了32位数据线，且可通过扩展槽扩展到64 位，使用33MHz时钟频率，最大传输率达

14、132MB/s，可与CPU同步工作。是一种高速、高效的局部总线，可支持386SX、386DX、486SX、486DX及奔腾微处理器。n4PCI总线PCI（peripheral component interconnect）总线是当前最流行的总线之一，它是由Intel公司推出的一种局部总线。它定义了32位数据总线，且可扩展为64位。PCI总线主板插槽的体积比原ISA总线插槽还小，其功能比VESA、ISA有极大的改善，支持突发读写操作，最大传输速率可达132MB/s，可同时支持多组外围设备。 PCI局部总线不能兼容现有的ISA、EISA、MCA（micro channel architecture

15、）总线，但它不受制于处理器，是基于奔腾等新一代微处理器而发展的总线。 n1992年初，Intel联合IBM、Compaq、DEC、Apple等大公司创立了PCI局部总线标准。PCI是“Peripheral Component Interconnect”的缩写，即外围元件互联。PCI总线支持33MHz的时钟频率，数据宽度为32位，可扩展到64位，数据传输率可达132MB/s264MB/s。PCI总线通常称为夹层总线（Mezzanine Bus），因为在传统的总线结构上多加了一层，适用于能在两种系统中工作的主板和板卡。作为另一个重要特性，PCI已经成为Intel即插即用（PnP）规范的典范。这意味

16、着PCI卡上无跳线和开关，而代之以通过软件进行配置。PCI总线的系统结构n在一个PCI系统中可以做到：高速外部设备和低速外部设备共存，PCI总线与ISA/EISA总线并存 。n在图中，处理器/Cache/存储器子系统经过一个PCI桥连接到PCI总线上，提供了一个低延迟的访问通路，从而使处理器能够直接访问通过它映射于存储器空间或I/O空间PCI设备；也提供了能使PCI高设备直接访问主存的高速通路；，能提供数据缓冲功能，以使CPU与PCI总线上的设备并行工作而不必相互等待；另外，桥可使PCI总线的操作与CPU总线分开，以免相互影响。总之，桥实现了PCI总线的全部驱动控制。n扩展总线桥（标准总线接口

17、）的设置是为了能在PCI总线上接出一条标准I/O扩展总线，如ISA，EISA总线，从而可继续使用现有的I/O设备，以PCI总线的兼容性和选择范围。PCI总线处理器桥/存储控制器Cache存储器LANSCSI扩展总线桥ISA/EISAn5Compact PCI 以上所列举的几种系统总线一般都用于商用PC机中，在计算机系统总线中，还有另一大类为适应工业现场环境而设计的系统总线，比如STD总线、 VME总线、PC/104总线等。这里仅介绍当前工业计算机的热门总线之一Compact PCI。n Compact PCI的意思是“坚实的PCI”，是当今第一个采用无源总线底板结构的PCI系统，是PCI总线的

18、电气和软件标准加欧式卡的工业组装标准，是当今最新的一种工业计算机标准，是在原来PCI总线基础上改造而来，它利用PCI的优点，提供满足工业环境应用要求的高性能核心系统，同时还考虑充分利用传统的总线产品，如ISA、STD、VME或PC/104来扩充系统的I/O和其他功能。三、外总线1RS-232-C总线 RS-232-C是美国电子工业协会EIA（Electronic Industry Association）制定的一种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数。RS-232-C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道，在多数情况下主要使用主通道，对

19、于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。RS-232-C标准规定的数据传输速率为每秒50、75、 100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。RS-232-C标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用150pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15m；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m以内的通信。 2.RS-485总线n在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-

20、485 串行总线标准。RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。 RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用RS-485 可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。 3IEEE-488总线n上述两种外部总线是串行总线，而IEEE-488 总线是并行总线接口标准。IEEE-488总线用来连接系统，如微计算机、数字电压表、数码显示器等设备及其他仪器仪

21、表均可用IEEE-488总线装配起来。它按照位并行、字节串行双向异步方式传输信号，连接方式为总线方式，仪器设备直接并联于总线上而不需中介单元，但总线上最多可连接15台设备。最大传输距离为20米，信号传输速度一般为500KB/s，最大传输速度为1MB/s。 4USB总线 n通用串行总线USB是由Intel、 Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、Northern Telecom等7家世界著名的计算机和通信公司共同推出的一种新型接口标准。它基于通用连接技术，实现外设的简单快速连接，达到方便用户、降低成本、扩展PC连接外设范围的目的。它可以为外设提供电源，而不像普通的使用

22、串、并口的设备需要单独的供电系统。另外，快速是USB技术的突出特点之一，USB的最高传输率可达12Mbps比串口快100倍，比并口快近10倍，而且USB还能支持多媒体。 USB是英文 Universal Serial Bus 的缩写，翻译成中文的含义是“通用串行总线” ，最大特性是支持即插即用和热插拔功能。在Windows 2000的操作系统中，任何一款标准的USB设备可以在任何时间、任何状态下与计算机连接，并且能够马上开始工作。 USB诞生于1994年，是由康柏、IBM、Intel和Microsoft共同推出的，旨在统一外设接口，如打印机、外置Modem、扫描仪、鼠标等的接口，以便于用户进行

23、便捷的安装和使用，逐步取代以往的串口、并口和PS/2接口。 发展至今，USB共有四种标准：1996年发布的USB1.0，1998年发布的USB1.1以,1999年发布的USB2.0，2009年 USB3.0 。最大的差别就在于数据传输速率方面，当然，在其他方面也有不同程度的改进。就目前的USB2.0而言，其传输速度可以达到半双工480Mbps，最多可以支持127个设备， USB3.0高达5Gbps全双工。 PinNameDescription1VCC+5 VDC（红）2D-Data -（白）3D+Data +（绿）4GNDGround（黑）USB接口引脚：mini usb引脚定义引脚定义引脚

24、功能 颜色备注1V BUS红电源+5V2DATA-白数据3DATA+绿数据4IDA型：与地相连B型：不接地(空)5GND黑地USB3.0有9个引脚。USB3.0用蓝色； USB2.0用黑色。5.CAN总线nCAN，全称为“CONtroller Area Network”，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。最初，CAN被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载各电子控制装置ECU之间交换信息，形成汽车电子控制网络。由CAN 总线构成的单一网络中，理论上可以挂接无数个节点。实际应用中，节点数目受网络硬件的电气特性所限制。例如，当使用Philips P82C250作为CAN收发器时，

25、同一网络中允许挂接110个节点。CAN 可提供高达1Mbit/s的数据传输速率，这使实时控制变得非常容易。另外，硬件的错误检定特性也增强了CAN的抗电磁干扰能力。 应用举例应用举例nCAN总线在工控领域主要使用低速-容错CAN即ISO11898-3标准，在汽车领域使用125Kbps的高速CAN。 n某进口车型拥有，车身、舒适、多媒体等多个控制网络，其中车身控制使用CAN网络，以CAN网为主网，控制发动机、变速箱、ABS等车身安全模块，并将转速、车速、油温等共享至全车，实现汽车智能化控制，如高速时自动锁闭车门，安全气囊弹出时，自动开启车门等功能。 nCAN系统又分为高速和低速，高速CAN系统采用

26、硬线是动力型，速度：500kbps，控制ECU、ABS等；低速CAN是舒适型，速度：125Kbps，主要控制仪表、防盗等。 6. VXI总线n20世纪80年代后期，仪器制造商发现GPIB总线和VME总线产品无法再满足军用测控系统的需求了。在这种情况下，HP、Tekronix等五家国际著名的仪器公司成立了VXIbus联合体，并于1987年发布了VXI规范的第一个版本。几经修改和完善，与1992年被IEEE接纳为IEEE-1155-1992标准。 nVXIbus规范是一个开放的体系结构标准，其主要目标是使VXIbus器件之间、VXIbus器件与其它标准的器件（计算机）之间能够以明确的方式开放地通信

27、；使系统体积更小；通过使用高带宽的吞吐量，为开发者提供高性能的测试设备；采用通用的接口来实现相似的仪器功能，使系统集成软件成本进一步降低。 nVXIbus规范发布后，由于军方对测控系统的大量需求，许多仪器生产厂商都加入到VXI即插即用联盟。虚拟仪器（VitualInstrumentation，VI）最早是适应PC卡式仪器于1986年由NI公司提出的。虚拟仪器技术是仪器技术、通信技术、总线技术、数字化技术、计算机技术等有机结合的产物。这是在标准计算机软硬件基础上加上一组软件和硬件所构成。虚拟仪器从本质上说是一个开放式结构，用通用计算机、DSP信号处理器或其他CPU提供系统管理、信号处理、存储以及

28、显示功能；用数据采集板GP-IB或VXI 总线接口板提供信号获取和控制信号输出，从而实现传统仪器功能。简单地说就是一组完成传统仪器功能的硬件和软件部件。VI通过软件将通用计算机与仪器硬件结合起来，用户可以通过友好的图形界面（通常称为虚拟面板） nVXI总线即VME总线在测量仪器领域的扩展。这是一种新型测量仪器的标准总线，其总线标准是一种在世界范围内完全开放的、适用于各国不同的厂家、不同应用领域的行业标准。由于它是电子仪器发展史上一个重要的里程碑，因此被国内外专家誉为“跨世纪的仪器总线”、“划时代的 技术成果”，并被认为是电子仪器和自动测试领域的“第三次革命”。VXI总线系统自80年代末问世以来，对国际仪器仪表自动化测控技术的发展产生了重大的影响，已成为国内外关注的“热点”。 7.PXI总线n面向仪器系统的PCI扩展是一种基于PC技术的平台，为测量和自动化系统提供了高性能、高坚固性、低成本的配置方案。PXI中将电气总线与CompactPCI中坚固的、模块化的欧式机械封装结合在一起，