第03章 计算机总线技术

第3章

计算机总线技术2/4/20231计算机控制技术第3章计算机总线技术总线的基本概念内部总线外部总线现场总线2/4/20232计算机控制技术3.1总线的基本概念本节主要内容总线的基本概念总线的主要性能指标总线的标准与规范总线控制与总线传输2/4/20233计算机控制技术总线2/4/20234计算机控制技术3.1总线的基本概念

总线就是一组信号线的集合，它定义了各引线的信号、电气和机械特性，使计算机系统内部的各部件之间以及外部的各系统之间建立信号联系，进行数据传递和通信。规定了各引线的信号、时序、电气和机械特性为计算机系统内部各部件、各模块之间或计算机各系统之间提供了标准的公共信息通路采用总线标准设计、生产的计算机模板和设备具有很强的兼容性总线的定义总线的特点2/4/20235计算机控制技术按照总线内部信息传输的性质，总线可分为3.1.1总线的分类数据总线(DB):

用于传送数据信息地址总线(AB):用于传送地址信息控制总线(CB):用户传递控制信息电源总线(PB):用于向系统提供电源2/4/20236计算机控制技术按照总线在系统结构中的层次位置，总线可分为3.1.1总线的分类（续）片内总线(On-ChipBUS)在集成电路的内部，用来连接各功能单元的信息通路

内部总线（InternalBus)用于计算机内部模块（板）之间通信外部总线（ExternalBus)

用于计算机之间或计算机与设备之间通信2/4/20237计算机控制技术3.1.1总线的分类（续）片内总线：在集成电路的内部，用来连接各功能单元的信息通路受芯片面积及引脚数限制，片内总线多采用单总线结构，这有利于芯片集成度和成品率的提高，对于内部数据传送速度要求较高的，也可采用双总线或三总线结构

ASIC(ApplicationSpicecificIntegratedCircuit，专用集成电路)技术的出现，用户可按照自己要求，借助于适当的EDA工具，设计自己的芯片2/4/20238计算机控制技术内部总线是计算机系统中重要的总线，平常所说的微机总线就是指系统总线，如STD总线、ISA总线、PCI总线等按功能可分为数据总线DB、地址总线AB、控制总线CB、和电源总线PB3.1.1总线的分类（续）内部总线：系统总线或板级总线2/4/20239计算机控制技术数据总线D：用于传递数据信息总线宽度：数据信号线的根数。 决定设备获得最大性能 影响计算机系统性能地址总线宽度：地址线的根数 决定直接寻址能力 避免IO地址与内存地址的重叠地址总线A：用于传递地址信息控制总线C：用于传递各种控制信息包括控制、时序和中断信号线，决定总线性能好坏电源总线P：提供电源2/4/202310计算机控制技术计算机系统与系统之间或计算机系统与外设之间信息通路3.1.1总线的分类（续）外部总线

RS232总线、RS485总线、IEEE488总线外部总线标准机械要素：插件型号和电缆线电气要素：电平和时序功能要素：控制功能、管理能力、编码规则2/4/202311计算机控制技术计算机总线结构示意图3.1.1总线的分类（续）2/4/202312计算机控制技术根据总线的数据传输方式，总线可分为并行总线：每个信号都有自己的信号线传输速度快、接口简单使用电缆线数多串行总线：多个信号复用少量信号线电缆线数少，便于远距离传播

信号传输慢，接口复杂3.1.1总线的分类（续）2/4/202313计算机控制技术3.1.2总线主要性能指标又称总线传输率，表示在总线上每秒传输字节的多少，单位是MB/S。影响总线传输率的因素有总线宽度、总线频率等。一般:

总线带宽(MB/s)=1/8×总线宽度×总线频率总线频率即总线工作时钟频率，单位为MHz，它是影响总线传输速率的重要因素之一。总线宽度又称总线位宽，是总线可同时传输的数据位数，用bit（位）表示，如8位、16位、32位等。显然，总线的宽度越大，它在同一时刻就能够传输更多的数据。总线带宽2/4/202314计算机控制技术表明总线拥有多少信号线，是数据总线、地址总线、控制总线和电源总线的总和。信号线数与总线性能不成正比，但一般与复杂度成正比。同步方式分为同步方式和异步方式。同步方式下，总线上主模块与从模块进行一次数据传输的时间是固定的，严格按照系统时钟来进行模块间的传输操作，异步方式则通过握手实现总线复用采用多路复用技术，可以减少总线的数目。信号线数总线控制方式包括传输方式、仲裁方式、中断分配、设备自动配置等。2/4/202315计算机控制技术几种微型计算机总线性能参数

名称ISA(PC-AT)EISASTDMCAPCI适用机型80286,386,486系列机386,486,586IBM系列机Z-80，IBM-PC系列机IBM个人机与工作站586个人机,PowerPC,Alpha工作站最大传输率8MB/s33MB/s2MB/s33MB/s133MB/s总线宽度8/16位32位8/16位32位32位总线频率8MHz8.33MHz2MHz10MHz20～33MHz同步方式半同步同步同步异步同步地址宽度2432243232/64负载能力86无限制无限制3信号线数981435610912064位扩展不可无规定不可可可2/4/202316计算机控制技术3.1.3总线的标准与规范总线标准所谓总线标准就是对系统总线的插座尺寸、引线数目、信号和时序所作的统一规定总线标准主要包括以下几方面的特性机械特性：规定模板尺寸、插头、连接器的形状、尺寸等规格位置电气特性：规定信号的逻辑电平、最大额定负载能力、信号传递方向及电源电压等功能特性：规定每个引脚名称、功能、时序及适用协议时间特性：规定总线中的任一根线在什么时间内有效

2/4/202317计算机控制技术3.1.3总线的模板化结构模板化结构按功能划分计算机的各个部件，并按总线标准设计成由总线连接的模板结构：CPU主板、RAM/ROM存储板、A/D、D/A、DI、DO等模板化结构的优点增加计算机系统的通用性、灵活性、开放性、扩展性和可靠性为系统的维修提供了方便2/4/202318计算机控制技术3.1.4总线控制与总线传输总线控制设备按有无控制功能可分为主设备和从设备主设备对设备有控制权，从设备只能接收数据只有获得总线使用权的主设备才能传送数据总线可能同时会有多个设备申请占用总线，为保证某一时刻只能有一个设备获得总线使用权，需设置设备优先级总线判优控制可分为集中式和分布式两种集中式将控制逻辑集中在一处（如CPU），常用链式查询、定时查询、独立请求等方式。

2/4/202319计算机控制技术3.1.4总线控制与总线传输总线传输总线上的数据在主模块的控制下进行传送。总线在完成一次传输周期时，一般可分为四个阶段 由需要使用总线的主模块(或主设备)提出申请，经总线仲裁机构决定在下一传输周期是否能获得总线使用权；取得了使用权的主模块，通过总线发出本次打算访问的从模块(或从设备)的存储地址或设备地址及有关命令，启动参与本次传输的从模块；主模块和从模块进行数据交换，数据由源模块发出经数据总线流入目的模块；主模块的有关信息均从系统总线上撤除，让出总线使用权。申请分配阶段寻址阶段数据传输阶段结束阶段2/4/202320计算机控制技术3.2内部总线

STD总线

PC系列总线本节主要内容2/4/202321计算机控制技术1978年美国PRO-LOG公司推出的一种工业标准微型计算机总线，STD是STANDARD缩写1987年，被定名为IEEE961，1989年开发出STD32 STD总线起初设计为可用于64K存储空间的8位总线，后发展成可用于寻址16M空间的16位总线3.2.1STD总线STD总线的特点：56根并行总线，采用小模板结构,尺寸为165×114mm模块化的总体设计布局开放式的系统结构兼容式总线结构，拥有丰富的I/O功能，广泛适用于工业控制小模板结构，模板尺寸小,可减少冲击和震动的影响2/4/202322计算机控制技术56根并行总线都有明确的定义，按功能可分为五类(1)逻辑电源线6根(引线1～6)(2)数据总线8根(引线7～14)(3)地址总线16根(引线15～30)(4)控制总线22根(引线31～52)(5)辅助电源线4根(引线53～56)STD总线的信号分配2/4/202323计算机控制技术总线低位地址A0～A12直接连接到各存储器芯片STD总线与存储器连接方法高位地址A13～A15用来选片（可选64K基本存储器，通过扩展，可增至128K）2/4/202324计算机控制技术地址码的低位字节连接到总线译码器,形成6根选板信号和2根选口信号,选通I/O端口工作STD总线与I/O的连接方法（可选256个口，扩展后可增至512个口）2/4/202325计算机控制技术ISA总线MCA：微通道体系结构EISA总线PCI局部总线3.3.2PC系列总线2/4/202326计算机控制技术最早的PC总线-----S1001975年，一家位于美国新墨西哥镇，名为MITS的公司，由EdRoberts以8080微处理器设计安装了全球第一台PC-Altair单板机系统。正如世界上许多重大发明人们在其必然性之后总是谈论其偶然性一样，PC总线的出现也有偶然性：这个全球第一台PC不幸在运输中丢失，Roberts只好重新开始设计，正是他利用了面向总线技术，较快回忆起并重新做出Altair，在其结构中，制成了全球第一条PC扩展总线，当把Altair总线推向世界并被制造商接受后，便有了一个名字：S100，后来基于S100型总线得到了IEEE认可，被命名为IEEE696总线标准。1981年，IBM公司推出PC／XT总线

3.3.2PC系列总线2/4/202327计算机控制技术PC系列总线的发展2/4/202328计算机控制技术技嘉965P-DS3CPU种类：Core2Extreme/赛扬D/奔腾4/Core2Duo/PentiumD总线频率

：FSB1333MHz显卡插槽

：PCI-E16XPCI插槽

：3条PCI插槽,3条PCI-E1X硬盘插槽

：IDE1个，SATAII2个2/4/202329计算机控制技术从1982年以后，逐步确立的IBM公司工业标准体系结构，简称ISA（IndustryStandardArchitecture）总线，有时也称为PC／AT总线问世较早，是8位、16位数据传输总线的工业标准最高传输速率8Mbps寻址空间为16MB将CPU看作唯一的主模块，其余外设均为从模块，包括可以暂时掌握总线的DMA和协处理器ISA总线2/4/202330计算机控制技术强大的CPU处理能力与低性能系统总线形成瓶颈1987年，IBM在推出386时提出数据、地址总线宽度32位，支持4GB的寻址能力数据传输速率33Mbps配有总线仲裁机构，可支持16个总线主控制器在电气及物理上与ISA不兼容，不支持ISA外设

IBM没有公布标准MCA总线（MicroChannelArchitechure）2/4/202331计算机控制技术1989年，康柏公司等9家公司联合推出32位数据总线，支持32位地址通路数据传输速率为33Mbit/s总线主控技术，扩展卡上具有总线主控处理器与ISA兼容，支持多个主模块可以自动根据需要进行32、16、8位数据间的转换支持多总线主控模块扩展卡的安装十分容易，可根据配置文件自动配置系统和扩展板EISA总线（ExtensionIndustryStandardArchitecture）2/4/202332计算机控制技术EISA并没有重复ISA的辉煌，它的成本过高，且速度潜力有限；另外在还没有来得及成为正式工业标准的时候，更先进的PCI总线就开始出现，EISA也就成为附庸。不过，EISA总线并没有因此快速消失，它在计算机系统中与PCI总线共存了很长的时光，直到2000年后EISA才正式彻底退出—而此时距EISA标准的提出已经过去了12年。EISA总线（ExtensionIndustryStandardArchitecture）2/4/202333计算机控制技术微处理器快速发展使增强型总线标准EISA等也显落后PCI(PeripheralComponentInterconnect，设备部件互连)总线是一种高性能局部总线，它是1992年由Intel公司带头制定的设备总线标准支持64位数据传送、多总线主控模块、线性猝发传输具有即插即用功能(PlugandPlay,PnP)PCI总线工作频率为33MHz，不受CPU工作频率限制最高传送数据133MB/s（64位可达266MB/s）兼容性强、成本低PCI局部总线2/4/202334计算机控制技术PCI总线特有的配置寄存器为用户使用提供了方便。系统嵌入自动配置软件，在加电时自动配置PCI扩展卡，为用户提供了简便的使用方法。PCI局部总线已形成工业标准。其高性能总线体系结构满足了不同系统需求，低成本的PCI总线构成的计算机系统达到了较高的性能/价格比水平。PCI总线被应用于多种平台和体系结构中PCI总线的组件、扩展板接口与处理器无关，在多处理器系统结构中，数据能高效地在多个处理器间传输。与处理器无关的特性，使PCI总线具有很好的I/O性能，最大限度使用各类CPU/RAM的局部总线操作系统、各类高档图形设备和各类高速外部设备，如SCSI、HDTV、3D等。2/4/202335计算机控制技术PCI总线结构

2/4/202336计算机控制技术2/4/202337计算机控制技术随着微处理器性能的次次攀高，PC在耗费大量数据的图形和图像处理领域的应用也不断深入英特尔于1996年7月正式推出AGP接口，它是一种显示卡专用的局部总线AGP总线实质上是对PCI技术标准的扩充。AGP总线与PCI总线不同，其地址和数据线分离（PCI是49根信号，而AGP总线是65根），可实现“流水线”处理AGP标准在使用32位总线时，有66MHz和133MHz两种工作频率，最高数据传输率为266Mbps和533Mbps，而PCI总线理论上的最大传输率仅为133Mbps。AGP8X模式下，数据传输速度达到了2.1GB/s。

AGP总线（AccelerateGraphicalPort

）2/4/202338计算机控制技术AGP4x总线显卡支持AGP4x总线的主板2/4/202339计算机控制技术Intel在2004年的处理器和芯片组的计划中，没有提到任何关于AGP的字眼，新的芯片组将不支持AGP总线Intel是希望通过这种方式使显卡从AGP迅速转为PCIExpress

VIA（威盛）和SIS（矽统）等芯片厂商也将逐步减少AGP接口

AGP总线2/4/202340计算机控制技术PCI总线只有133MB/S，带宽早已不堪负荷。在经历了长达10年修补补，PCI总线已无法满足电脑性能提升要求，必须由带宽更大、适应性更广、发展潜力更深的新一代总线取而代之PCI-Express是最新的总线和接口标准，它原来的名称为“3GIO”（Third-GenerationInput/Output，第三代输入/输出总线），由英特尔提出，英特尔的意思是它代表着下一代I/O接口标准。交由PCI-SIG（PCI特殊兴趣组织）认证发布后才改名为“PCI-Express”。这个新标准将全面取代现行的PCI和AGP，最终实现总线标准的统一。它的主要优势就是数据传输速率高，目前最高可达到5GB/s以上，且还有相当大的发展潜力PCI-Expresss总线2/4/202341计算机控制技术2002年7月23日，PCI-SIG正式公布PCIExpress1.0规范2003年1月，PCI-E1.0正式发布

2007年1月，PCI-E2.0发布，数据传输率从2.5Gbps翻番至5Gbps，x16的传输提高到约16Gbps

PCI-Expresss总线2/4/202342计算机控制技术技嘉965P-DS3CPU种类：Core2Extreme/赛扬D/奔腾4/Core2Duo/PentiumD总线频率

：FSB1333MHz显卡插槽

：PCI-E16XPCI插槽

：3条PCI插槽,3条PCI-E1X硬盘插槽

：IDE1个，SATAII2个Giga-Byte2/4/202343计算机控制技术3.3外部总线

IEEE-488总线RS-232-C总线RS-422和RS-485总线通用串行总线（USB）本节主要内容2/4/202344计算机控制技术IEEE-488是1965年由美国惠普公司开发的并行通讯总线GPIB（General-PurposeInterfaceBus）通用接口总线，很多打印机通过GPIB线以及GPIB接口与电脑相连。1965年惠普公司设计HP-IB（InterfaceBus）1975年HP-IB变成IEEE-488标准1987年IEEE488.2被采纳,IEEE488-1978变成IEEE488.1-19871990年SCPI规范被引入IEEE488仪器1992年修订IEEE488.21993年NI公司提出HS4883.3.1IEEE-488总线2/4/202345计算机控制技术数据传输率不得超过每秒1M字节总线上的设备数不得多于15个电缆总长度不超过20m，两设备间不超过2m采用负逻辑，小于0.8V表示逻辑1，大于2V表示逻辑0使用IEEE-488的约定2/4/202346计算机控制技术IEEE-488总线上连接的设备有三种，工作方式也有三种:3.3.1IEEE-488总线听者（“受话”方式）：同时可有多个讲者（“送话”方式）：每时只能有一个控者（“控制”方式）：每时只能有一个2/4/202347计算机控制技术IEEE-488总线的连接示意图DIO1～

DIO8DAVNRFDNDAC

EOI

IFCATNSRQREN

设备A

控者讲者听者

计算机

设备B

讲者听者

电压表1

设备C

讲者听者

设备D

听者

数据线数据控制线接口管理线电压表2打印机2/4/202348计算机控制技术接口管理总线接口清除线IFC、服务请求线SQR、注意线ATN、结束或识别线EQI、远程允许RENIEEE-488总线的信号分配IEEE-488共定义了24根线（其中8根地线）数据总线DIO0~DIO8数据传送控制线数据有效线DAV、未准备好接受数据线NRFD、未接受好数据线NDAC2/4/202349计算机控制技术采用异步方式，利用三条控制线进行握手联络，实现三线握手的数据传输

IEEE-488总线数据传送时序123456789102/4/202350计算机控制技术RS-232-C总线是一种串行外部总线，专门用于数据终端设备DTE和数据通信设备DCE之间的串行通信1969年由美国电子工业协会EIA（ElectronicIndustryAssociation）从CCITT（InternationalTelegraphandTelephoneConsultativeCommittee

）远程通信标准中导出的一个标准RS是英文“推荐标准”（RecommendStandard）的缩写，232为标识号，C表示修改次数3.3.2RS-232-C总线2/4/202351计算机控制技术RS-232-C总线的接口连接器采用DB-25插头和插座，其中阳性插头（DB-25-P）与DTE相连，阴性插座（DB-25-S）与DCE相连。RS-232-C总线的机械特性RS-232-C25个引脚只定义了22个。通常使用的RS-232-C接口信号只有9根引脚，其插头插座在RS-232-C的机械特性中都有规定。最基本的三根线是发送数据线2、数据线3和信号地线72/4/202352计算机控制技术25针串口与9针串口的对照2/4/202353计算机控制技术RS-232-C总线的机械特性2/4/202354计算机控制技术常用的9根引脚分为两类：基本数据传送引脚包括：TXD、RXD和GND一类是基本的数据传送引脚发送数据TXD：DTE向DCE输出数据的引线接收数据RXD:DTE接受DCE发来数据的引线信号地GND:接口中所有电信号的公共回路2/4/202355计算机控制技术MODEM控制和状态引脚分为两组一组为DTR（DTE设备准备就绪）和RTS（请求发送），负责从计算机通过RS-232C接口送给MODEM另一组为DSR（DCE数据设备准备就绪）、CTS(允许发送)、CD（载波检测）和RI（振铃指示），负责从MODEM通过RS-232C接口送给计算机的状态信息

另一类是用于MODEM控制和反映其状态的引脚。常用的9根引脚分为两类：2/4/202356计算机控制技术RS-232C总线的电气特性主要特点：非平衡的连接方式采用点对点通信公用地线电气连接方式：EIA和CCITT标准2/4/202357计算机控制技术RS-232C电气参数引线信号状态

RS-232C标准引线状态是以下三种之一：SPACE/MARK(空号/传号)、ON/OFF(通/断)、逻辑0/逻辑1。引线逻辑电平---负逻辑，过度区6V/10V用-3～-15V表示逻辑1用+3～+15V表示逻辑0短路抑制性能

RS-232C驱动电路须能承受电缆中任何导线短路2/4/202358计算机控制技术RS-232C标准规定通信距离应小于15m。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波特通信速率

2/4/202359计算机控制技术具有MODEM设备的远距离通信线路

RS-232-C总线的通信结构2/4/202360计算机控制技术不用MODEM的直接通信线路（近距离）最简单的RS-232C数据通信2/4/202361计算机控制技术发送和接收电路RS-232-C总线的接口电路逻辑1>2.4V逻辑0<0.4V逻辑1-3～-15V逻辑0+3～+15V2/4/202362计算机控制技术全双工通信接口电路RS-232-C总线的接口电路2/4/202363计算机控制技术USB转232电缆PCI-E串口卡MOXA多串口卡2/4/202364计算机控制技术3.3.3RS-422和RS-485总线RS-422A标准接口

RS-422由RS-232C发展而来RS-422是一种单机发送、多机接收的单向平衡传输总线标准

RS-422标准规定了双端电气接口型式，使用双端线传送信号。通过传输线驱动器，把逻辑电平变换成电位差，完成始端信息传送通过传输线接收器，把电位差转变成逻辑电平，实现终端信息接收2/4/202365计算机控制技术数据信号采用差分传输方式传输有4根信号线，收发各两根，支持全双工通讯方式最大传输距离为1200m，最大传输速率为10Mbps只有在100kbps速率下，才能达到最大传输距离RS-422A接口电路RS-422A标准接口

2/4/202366计算机控制技术RS-485标准接口多发送器的电路标准，是RS-422A性能的扩展，是真正意义上总线标准。允许在二根导线(总线)上挂接64台RS--485负载设备。负载设备可以是发送器、接收器或组合收发器2/4/202367计算机控制技术RS485具有以下特点：电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+2V~+6V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-2V~-6V表示。是采用平衡驱动器和差分接收器组合，抗共模干能力增强数据最高传输速率为10Mbps最大传输距离为1200m，在总线上是允许连接多达128个收发器具有多站能力和多机通信功能2/4/202368计算机控制技术RS-485与RS-422的区别在于：硬件线路上，RS-422至少需要4根通信线，而RS-485仅需2根；RS-422不能采用总线方式通信，但可以采用环路方式通信，而RS-485两者均可通信方式上，RS-422可以全双工，而RS-485只能半双工其它差异见表3.42/4/202369计算机控制技术比较项目RS-422RS-485驱动方式平衡平衡可连接的台数1台驱动器，10台接收器32台驱动器，32台接收器最大传输距离1200m1200m最大传输速率12米10Mbps10Mbps120米1Mbps1Mbps1200米100kbps100kbps驱动器输出电压无负载时±5V±5V有负载时±2V±1.5V驱动器负载电阻100Ω54Ω驱动器输出电流上电无规定±100µA最大(-7V≤Vcom≤12V)断电±l00µA最大(-0.25V≤Vcom≤6V)±100uA最大接收器输入电压-7～+12V-7～+12V接收器输入灵敏度±200mV±200mV接收器输入电阻>12KQ>12KQ2/4/202370计算机控制技术3.3.4串行总线协议转换器计算机通常提供RS232接口，通常可用转换器件实现232-485转换。2/4/202371计算机控制技术3.3.4串行总线协议转换器计算机通常提供RS232接口，通常可用转换器件实现232-485、232-422转换。2/4/202372计算机控制技术3.3.5USB通用串行总线2/4/202373计算机控制技术USB设备的主要特点采用USB接口的设备支持热拔插USB接口可以同时连接127台USB设备。速度方面，USB1.1总线规范定义了12Mb/s的带宽，而USB2.0可提供480Mb/s的传输速度。USB总线能够提供500mA电流