工业控制计算机总线技术

第三章

工业控制计算机总线技术1主要内容第一节总线的基本概念；第二节计算机总线的分类；第三节计算机总线的数据传输过程；第四节计算机总线的数据传输方式；第五节计算机常用总线。23.1

总线的基本概念总线概念计算机总线是计算机各部件之间进行信息传输的公共通道。通俗地说，就是连接计算机各部件的一组公共信号线。

3总线的一般概念工业控制计算机均采用总线结构，其优点是系统成本低、组态灵活、扩展方便、易于维护。采用总线标准设计、生产的接口板兼容性强，且可通过系统总线方便地组合在一起，以组成满足不同需要的微机系统。总线是计算机系统各部件之间传输地址、数据和控制信息的通道。任一时刻，只能有一个部件/设备通过总线发送数据，其他部件只能处于接收状态。4计算机总线的主要职能：负责计算机各部件之间的信息传输。总线性能：总线的传输速率、总线的兼容性、性能价格比。多总线结构：多总线结构是指CPU与存贮器、I/O等部件之间有两种以上的总线，这样可以将速度不同的部件挂在不同的总线上，以提高系统效率。5第二节总线的分类按总线的层次结构CPU总线/前端总线（FSB）直接由CPU引脚引出的总线，例如，P4CPU与GMCH（北桥）之间的总线局部总线（只出现在80386以后的微机系统中）CPU总线与系统总线之间的总线它一侧通过北桥与CPU总线连接，另一侧通过南桥与系统总线连接，例如PCI总线系统总线与总线扩展槽连接的总线，如ISA和EISA总线外部总线主机与外设之间的总线，如USB和IEEE1394其他AGP，专用视频接口，专用于显卡与内存之间的数据传输SCSI，标准的设备接口，可连接15台外设IDE/EIDE，外部存储设备接口，每个接口可连接2台设备6系统各部件与总线的连接方式单总线结构双总线结构多总线结构7单总线结构CPUMMI/OI/OI/O缺点：高速的存储器与低速的I/O接口竞争总线，影响了存储器的读写速度8双总线结构面向CPU的双总线结构CPUMI/OI/OI/O缺点：存储器与I/O设备的数据传输必须通过CPU9双总线结构面向存储器的双总线结构CPUMI/OI/OI/O10多总线结构系统中拥有两个以上的总线11按总线在微机系统中所处的位置，可分为三类：一、片内总线

片内总线是CPU内部的各个组成部分，如算术逻辑单元、寄存器等之间的信息通道，也是CPU内部各组成部分和系统总线连接的桥梁。我们一般不直接和片内总线打交道。12二、系统总线系统总线又称局部总线(LocalBus)，是CPU片内总线的延伸。系统总线并不是对CPU引脚的简单复制，而是按照相应的总线标准对片内总线进行扩充，增加中断控制、仲裁控制等控制信号。为了加大其驱动能力和在必要时交出总线的控制权，在相应信号线之间加上驱动电路和缓冲(三态)电路，并且保证其兼容性。为便于系统扩充，所有总线标准均将系统总线的信号以总线扩展插槽的形式引出，以便和功能插件接口。总线扩展插槽中只能插入与之兼容的插件板。13三、外部总线外部总线也称通信总线，用于和外部设备(如打印机、鼠标等)以及其他微机系统(如微机、智能仪表、数字传动设备等)之间的信息传输。从工业控制角度来看，我们只关心系统总线和外部总线。这些总线通常有几根、几十根，甚至上百根信号线。这些信号线按功能可分为如下几类：14（1）数据总线（DataBus，DB）用来传输计算机运行所需的指令代码和数据。传输数据信息，双向三态(高电平、低电平及高阻态)其宽度决定了其数据传输能力例如，ISA总线为16位，PCI总线为32/64位15(2）地址总线（AddressBus，AB）计算机用地址总线给出它要读写的内存或设备的地址。地址线的数目决定CPU可访问(寻址)内存的最大容量和端口的最大数目。传输地址信息，单向三态其宽度决定了微机系统的寻址能力例如，ISA为24位，可寻址16MB；PCI为32/64位，可寻址4GB/224TB，一般n根地址线可寻址2n字节的内存。

控制总线（ControlBus，CB）传输控制信号、时序信号和状态信号特点各异：三态、入/出/双向等特性均不相同16(3)电源和地线：为总线上的设备及扩展插卡提供电源。它决定了总线设备在不自带电源的情况下能使用的电源种类。(4)备用线：某些总线备用信号线供以后扩展功能或满足用户的特殊需求。

17第三节计算机总线的数据传输过程总线上的数据传输都是在总线主控设备的指挥下进行的。所谓总线主控设备，是指对总线拥有完全控制权的部件或设备，而被总线主控设备选中进行通信的部件或设备则称为从属设备。从属设备接受和执行主控设备的命令，并传输相应的信息。在总线上完成一次传输，一般分为如下几个阶段：18

(1)总线申请阶段：总线上一般都有多个主控设备。当某主控设备需要启动一次数据传输时，它首先要向系统提出使用总线的请求，总线仲裁逻辑按照预先规定好的协议决定是否将总线控制权交给申请者。取得总线控制权的主控设备，即可启动一次数据传输。

19(2)寻址阶段：取得总线控制权的主控设备通过在地址总线上给出被寻址的从属设备的地址并在控制总线或/和数据总线上给出相应的控制命令以启动数据传输过程。

(3)数据传输阶段：主控设备将数据或程序指令从源设备读出，写入目的设备。

20(4)传输结束阶段：主控设备和从属设备均可申请终止一次传输过程，但双方均无权单方面终止传输过程。在一方提出申请后、主控设备完成规定操作，然后撤销所有控制信号，并将地址和数据总线及一部分控制总线设置为高阻态，即将总线控制权交回给系统。

21第四节计算机总线的数据传输方式一、同步传输方式使用系统时钟脉冲作为控制数据传输的时间基准。主控设备与从属设备进行一次总线操作的时间是固定的，并且每一个步骤的起止都与某一时钟脉冲的前沿或后沿同步，即以系统时钟来统一传输的步伐。同步传输要求主控设备严格地按时钟脉冲规定的时刻给出地址和命令，也要求从属设备严格地按时钟脉冲规定的时刻读出和写入数据。即主控设备和从属设备之间的时间配合是强制同步的。大多数微机的基本传输方式都是同步式的。22同步方式收、发双方严格地按统一的基准时钟信号执行相应的动作不适合于在同一系统中既有高速部件又有低速部件的环境PCI总线属于同步方式总线23二、异步式传输采用应答方式进行数据传输，即使用“请求”和“应答”信号来协调传输过程而不依赖于公共的系统时钟信号。在这种传输方式下，数据传输的过程为：主控设备将待读写设备的地址放到地址总线上，然后发出读写命令(请求)；从属设备进行地址译码，被选中设备即将数据放到数据总线上或读数据总线上的数据：最后从属设备向主控设备发出数据准备好信号，通知主控设备数据可用或报告主控设备数据已读取成功(响应)；这种方式可根据从属设备的传输速率自动调节响应时间，因而不用考虑外围设备的速度。24异步方式传输过程无需统一时钟的同步，用“请求”和“应答”信号来协调传输速度慢25三、半同步传输从形式上看，这种方式有点像同步传输方式——仍然利用系统时钟脉冲来同步传输过程。不同的是，它不像同步传输有固定的传输周期，对慢速设备，传输周期可延长时钟周期的整数倍——从属设备利用它的一根信号线来通知主控设备，应在传输周期中插入等待周期。这种方式有同步方式的一些优点，有时人们也把它归入同步传输方式。26半同步方式总体上仍是同步方式(使用基准时钟)，传输操作与时钟同步设置“等待”状态线，在无法按时完成操作时，用此状态线强制对方延长一个或多个时钟周期ISA总线即属于半同步方式总线27四、分离式传输考虑到在主控设备通过总线向从属设备发送了地址和命令后，到从属设备通过数据总线提供数据之间，是从属设备执行读写命令的准备时间，这段时间总线是空闲的。为了充分利用这段时间，系统将一个传输周期分成两个独立的子周期：第一个子周期是主控设备发出地址、命令及有关信息，经总线传输，由相应设备接收后，两者立即从总线上断开(通过置自己的相应引脚为高阻态)，以便其他设备使用总线；第二个子周期是被选中的从属设备准备好数据，发出总线请求信号，获准后即通过数据总线将数据高速发向原来要求数据的设备。

28这种方式适合于有多个主控设备的系统在两个设备之间传输大量数据。PC系统中的DMA(直接存储器存取)就是使用这种方式传输数据的。29同步方式的时序地址数据时钟总线周期总线周期时钟周期30异步方式的时序地址/数据(发送方)请求(接收方)应答31半同步方式的时序地址数据时钟就绪等待一个时钟周期32二、总线的仲裁控制多个设备都要使用总线时，决定由哪个设备使用总线的方法。80x86微机中采用的是独立请求方式链式查询方式独立请求方式33三、总线隔离与驱动不操作时把功能部件与总线隔离同一时刻只能有一个部件发送数据到总线上提供驱动能力数据发送方必须提供足够的电流以驱动多个部件提供锁存能力信息缓存和信息分离34总线电路中常用的芯片三态总线驱动器驱动、隔离单向、双向锁存器信息缓存（有些同时具有总线驱动能力）信息分离（如地址与数据的分离）35三态总线驱动器输入输出OE输入输出OE输入输出OE输入输出OE36典型总线驱动器芯片8286/74LS245——8双向总线驱动器内部包含8个双向三态门828674LS245A0A1A2A3A4A5A6A7OEB0B1B2B3B4B5B6B7TOE：输出允许。

T：方向。

T=0，B→A；T=1，A→B37典型总线驱动器芯片74LS244——8总线驱动器内部包含8个单向三态门，分为两组分别控制74LS244E1E21A11A21A31A42A12A22A32A41Y11Y21Y31Y42Y12Y22Y32Y41组输出2组输出1组输入2组输入38锁存器DCPQQCPDQQ001110DCPQOEOCPDQ0011ISTB39典型锁存器芯片8282/74LS373——具有三态正相输出的锁存器内部包含8个D触发器828274LS3738D锁存器DI0DI1DI2DI3DI4DI5DI6DI7STBDO0DO1DO2DO3DO4DO5DO6DO7OE40四、总线的主要性能指标总线带宽（B/S）：每秒可传送的字节数总线位宽（bit）：一次传送的数据位数工作频率（MHz）总线带宽=（总线位宽/8）工作频率例1：P4CPU的FSB频率为400MHz或800MHz，位宽为64bit。

FSB带宽：400×64/8=3.2GB/s或800×64/8=6.4GB/s例2：PCI总线的频率为33.3MHz，位宽为32bit或64bit。

PCI带宽：33.3×32/8=133MB/s或33.3×64/8=266MB/s41第五节常用系统总线及外部总线常用系统总线标准ISA（工业标准体系总线）IndustryStandardArchitecturePCI（外围部件互连总线）PeripheralComponentInterconnect常用系统接口标准AGP（加速图形接口）AcceleratedGraphicsPortIDE（集成设备接口），又称ATA接口IntegratedDeviceElectronicsSCSI（小型计算机系统接口）SmallComputerSystemInterface外部总线USB（通用串行总线）IEEE1394（高性能串行总线）42（一）PC／XT总线PC及XT使用的是INIEL公司生产的准16位微处理器8088。总线信号不是CPU引脚的简单延伸，而是通过锁存器8282、总线收发器8286、总线控制器8288、中断控制器8259和DMA控制器8237等重新驱动、组合、扩展而成的，共62根信号线，全部引到主板上的8个总线扩展插槽上。PC／XT总线为半同步总线，总线工作频率为4MHz，最大传输速率为4MB／s。43（二）ISA总线主要特性16位数据线（早期的为8位，已被淘汰）24位地址线（可寻址16MB存储器）时钟频率8MHz数据传输率16MB/s提供11个中断请求输入提供7个DMA通道用于80286～PIII（个别P4微机也支持）44ISA总线插槽ISA总线共98个引线，主要引线信号：SA0～SA19（锁存的），LA17～LA23（非锁存的）（地址）SD0～SD15（数据）SBHE（高字节允许）MEMR、MEMWIOR、IOWAEN（地址允许，1表示处于DMA控制周期）IRQ3～IRQ7、IRQ9～IRQ11、IRQ14、IRQ15DRQ0～DRQ3、DRQ5～DRQ7DACK0～DACK3、DACK5～DACK7注：ISA总线的DMA操作和I/O操作使用相同的地址线、数据线和I/O读写控制线（IOR和IOW），所以AEN应参加I/O地址译码。45简单的ISA总线接口(输入接口)D7-D0D7-D0A/D转换器模拟量输入STARTREADY数字量输出INE1E21Y2Y1A2A74LS244CBAG1G2AG2BY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y774LS1381100000000000000B–110000000010B转换结束启动转换D0C000H读数据C001H启动转换C002H读转换状态A2A1A0≥1A13-A3&A15A14AENIORISA总线46简单的ISA总线接口(输出接口)驱动电路D7-D0CBAG1G2AG2BY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y774LS138A2A1A0≥1A13-A3&A15A14AENIOWISA总线STBOE74LS373DI7∫DI0DO7∫

DO0发光器件组合C000H改变灯光图案样式选通47

(三)EISA(ExtendedISA)总线Compaq，AST和HP等公司于1988年推出了一种兼容性很强的高性能总线，即EISA总线。它除了与MCA具有完全相同的功能外，还与ISA总线完全兼容，保护了广大用户在基于ISA总线设备上的投资；EISA总线支持32位地址，8位、16位、32位数据，支持多总线主控和多处理器结构，具有较强的I／O能力和负载能力。48EISA总线具有总线仲裁机制和自动配置系统的能力，数据总线为32位宽度，采用同步工作方式，总线工作频率为8.33MHz。最大传输速率为33MB／s，支持32位的线性突发式传输，所以适用于网络服务器、高速图像处理、多媒体技术等领域。49（四）PCI04总线这是超小型PC的总线标准。这种PC体积小、结构紧凑、可靠性高，被广泛应用于工业控制领域，或者被嵌入到对体积和功耗要求都很高的系统，如仪器仪表、医疗设备、通信装置、军用设备和机器人等设备。这种PC机取消了底板和插槽结构，而采用模板上的两个总线插头座将各模板叠装在一起，每个模板上有两个总线插座，一个64线，一个40线，共104线(这也是总线名称的由来)。50（五）STD总线STD总线是目前国际上较流行的总线之一．主要用于工业控制领域。STD总线采用公共母板结构，其总线布置在一块母板上，总线信号引至装在母板上的插槽上。系统采用插卡式结构，各种功能插卡(如CPU卡、存贮卡、显示卞、I/O卡等)均按标准规格制造，可插入母板上的任意插槽中。STD总线插槽为56线双列插槽SID总线的数据总线宽度为8位／16位，总线工作频率为2MHz，最大传输速率为2MB／s。STD总线标准现已发展为STD32，它有地址总线宽度32位，数据总线宽度也为32位。51VME(VERSAModuleEurocard)总线这是一种高性能、开放式总线，最早是由MOTOROLA等公司32位微处理器设计的。它有两个三列的连接器P1，P2，每列有32个引脚，其中P2只使用中间的一列，两侧的64个引脚不与总线相连。按其功能介绍如下：(1)数据总线32根，可在控制总线的控制下存取8位、16位或32位数据。在D64方式下，地址线分时复用为数据线，所以此时有64根数据线。(2)地址总线32根，可在控制总线的控制下输出16位、24位或32位地址(使高位失效)，最大可寻址4.3GB内存；可分时复用为数据总线的高32位。(3)数据传输控制线12根，用以控制数据及地址的宽度和存取数据时的权限等。(4)总线仲裁总线14根，用于决定由哪个主控设备使用总线。(5)中断控制总线10根，接收中断请求信号并控制其优先级。(6)公共总线，包括系统时钟、复位等信号及多组电源。VME总线为并行异步总线，它结构紧凑、功能强、性能优异、可靠性高，但因价格较高且熟悉MC68000系列计算机及软件的人较少，限制了它的推广。52Multibus总线

Multibus总线是一种异步多处理器系统总线.在CPU、存贮器、扩展I／O板之间可传送8位或16位数据，支持多个主控设备和从属设备。它在工业控制计算机系统中被广泛应用。由于其结构简单，配置灵活，功能较强，且能支持各种档次系统．因而目前国际上很多IDCS(分布式控制系统)系统都采用这种总线。53二、PCI总线独立于微处理器；支持即插即用功能；通过PCI桥与CPU连接（北桥）总线宽度：32/64位；工作频率：33.3MHz/66.6MHz传送速率：32位PCI总线：133MB/s，266MB/s64位PCI总线：266MB/s，533MB/sPCI总线体系5455PCI总线插槽外形见P124，共62根引线（64位PCI有94根）包括：系统接口信号（时钟、复位等）地址与数据（复用）信号（AD0-AD31）接口控制信号（主从设备控制信号等）总线仲裁信号（总线请求、总线允许）错误报告信号（系统错、奇偶错）中断控制信号（中断请求）64位总线扩展信号（AD32-AD63、字节选择等）高速缓存支持信号56PCI总线总线命令I/O和存储器读写控制信号都是通过命令码给出命令码出现在C/BE[3:0]这4根线上共有12种命令中断响应、存储器读/写、IO读/写、配置读/写、等等总线传输机制存储器读写采用突发传输（要求地址必须连续）包括一个地址期和多个数据期I/O读写不支持突发传输，每次仅读写一个数据57PCI总线PCI总线配置目的：实现设备的自动配置、加载（PnP）微机启动时，配置软件将扫描PCI总线确定有哪些设备，设备配置要求是什么每个PCI设备都有一个配置存储区包括了64个32位配置寄存器前16个寄存器（标题区）的格式由PCI标准化组织定义后48个寄存器的格式由厂家自行定义标题区的内容包括：设备识别信息（被OS用来自动定位驱动程序）厂商/设备标识、版本、子系统厂商标识、子系统标识设备分类代码设备控制信息设备状态信息基址寄存器（用于映射设备使用的存储区域或I/O地址区域）58PCI总线PCIBIOSOS、应用程序、驱动程序不能直接访问PCI配置寄存器，必须通过PCIBIOS访问提供了一组访问PCI的函数16位实模式下通过INT1AH中断来调用AH=0B1H，AL=子功能号子功能有13个，包括：PCIBIOS检测、查找PCI设备、读/写配置信息、分配中断等59PCI总线还有以下特点：(1)支持线性突发式传输，可确保总线高速传输数据；

(2)存取延时极小，可大幅度减少外设取得总线控制权的时间，提高传输速度。

(3)采用总线主控和同步操作，以加速执行高数据吞吐量、高优先级的任务。PCI独特的同步操作可保证CPU与总线主控设备同时操作，而不必等待后者完成，进一步提高了运行速度。

(4)不受处理器限制。PCI独立于处理器的设计可保证处理器技术的变化个会使外设过时，保护用户利益。60(5)适合各种机型。PCI总线既适合于台式计算机，也适合笔记本和服务器，还支持3.3v电源环境，可大大减小功耗；PCI卡可节省机内空间。在服务器环境中，PCl支持分级式外围设备的特性，使之拥有一组级连的PCI总线或设置为多组PCI总线，以提供更多的I／O接口。(6)兼容性强．可兼容ISA，EISA及MCA总线。

(7)预留了发展空间。目前的PCI总线已经能够支持64位的数据和地址。同时它还提供自动配量功能，即支持即插即用。(8)低成本、高效益。PCI总线使用了高度集成的接口芯片，且采用了地址数据线复用技术，从而减少了引线数，大大降低了成本。

PCI总线的优异性能使它成为当今系统总线的主流总线标准，应用于各种档次的微机中。61三、AGP接口不是系统总线高速图形接口，在视频卡与内存之间提供一条直接的通路（不再通过PCI传输，32位PCI的传输速率最高266MB/s）。图形、纹理、Z轴距离、Alpha变换等数据的数据量为370～840MB/s4种模式（注意：1X/2X与4X/8X不兼容，3.3V/1.5V）1X（66MHz，266MB/s）2X（133MHz，533MB/s）4X（266MHz，1066MB/s）8X（533MHz，2133MB/s）系统中只支持一个AGP扩展插槽（点对点）62四、IDE接口（ATA）主要用于硬盘/光驱/磁带驱动器现已发展为EIDE（增强的IDE）和串行ATA（SATA）已集成到硬盘驱动器中，无需接口卡主板提供2-4个接口每接口可连接2个硬盘（主/从）数据传输方式：PIO方式：PIO0～PIO4（3.3MB/s～16.6MB/s）40针接口，扁平电缆硬盘最大容量528MBDMA方式：DMA0～DMA2（11MB/s～16.6MB/s）40针接口硬盘最大容量8.4GBUDMA方式：UDMA3～UDMA6（33.3MB/s～133MB/s）80针接口，地线和信号线交叉排列通过特殊的扩展BIOS，可支持200GB以上的硬盘63五、USB总线USB概况主机与外设的通用接口，可用于不同的设备串行、打包传送2根数据线＋电源＋地线两个版本：1.1（12Mb/s），2.0（480Mb/s）设备连线最长5米即插即用必须要有USB主机存在，设备不能独立工作64USB总线的优点易于使用即插即用，可热插拔；WindowsNT/2000/XP/2003下不需安装驱动程序具级联方式，并可智能识别链上外围设备的插拔；提供电源5V，500mA节省硬件资源IRQ、I/O地址易于连接主板上提供2－6个USB接口，通过集线器最多可支持127个外设4芯电缆（＋D、-D、+5V、GND）65USB总线的优点传送速率可满足大多数外设要求1.5MB/s，12MB/s，480MB/s（2.0）可靠性高能进行错误校验和控制，且由硬件实现低成本主板已集成USB接口设备端的USB接口控制芯片很便宜低功耗不工作时能够自动进入休眠状态，并能自动恢复66USB设备及拓扑结构USB设备集线器扩展接口数量功能部件即USB设备

复合部件

拓扑结构星形（树形）、级连

67USB接口工作原理USB系统分为两大部分：USB主机、USB设备USB主机由PC系统中的USB硬件和驱动程序组成；整个微机中只能有一个USB主机；其接口称为USB控制器；USB硬件在微机中被集成在南桥中。功能：检测USB设备的插拔操作在主机与设备之间管理数据流通信总是由主机发起，并由主机控制传输过程多个设备传输时，采用分时复用（每个时间槽1ms）错误检查（CRC校验）为设备提供电源68USB接口工作原理USB设备分为集线器和功能设备集线器：1个上连端口和若干个下连端口自动探测设备的插拔并向USB主机报告为下行设备分配电源分离高速数据流和低速数据流功能设备：可以从USB总线上收发数据的设备包含自己的各种配置信息，以供USB主机查询不能主动发起通信功能：监视与自己的通信、对主机的请求进行响应、错误检查、管理电源（没有总线活动（3ms）时进入挂起状态）69USB接口工作原理USB通信模型客户USB主机USB接口功能模块USB设备USB接口主机设备消息数据包位流70USB接口工作原理USB主机的软件和硬件客户软件USB驱动程序（USBD）USB接口主控制器驱动程序（HCD）USB主机软件USB主机主机71USB接口工作原理USB数据包格式（主要的）PIDUSB地址(7位)端点号CRCPID数据(1-1023字节)CRC标识包数据包PID:包的类型编号PID应答D2H：ACK5AH：NAKC3H：偶数包4BH：奇数包72IEEE1394总线可用于数字化视频、音频，硬盘结构类似于USB，树形拓扑串行、打包传送6芯电缆：4根信号线＋电源＋地线设备之间距离最大4.5米，总长度为50～100米设备可独立工作，无需微机的控制设备之间可直接连接，如数字摄像机连接到电视机最大传输速率：400MB/s（将来可达3.2GB/s）100MB/s，200MB/s，400MB/s支持异步和同步两种传输模式支持带电插拔和即插即用可提供8V～40V/1.5A的电源一个接口上可连接63台设备7374二、计算机外部总线外部总线一般用于计算机和智能设备以及智能设备之间的通信，如计算机和计算机、计算机和智能仪表、智能仪表和智能仪表等等。本节介绍几种常用的外部总线。75(一）IEEE-488总线这是一种异步并行外部总线．专用于计算机与智能仪表、I/O设备之间的并行通信，又称GP-IB(GeneralPurposeInterfaceBus)总线。其信号线共24根．包括8根数据线，用于传输设