第3章 计算机总线技术

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2/28/20241计算机控制技术随着微处理器技术的飞速发展，总线技术也得到不断创新。先后出现了ISA、MCA、EISA、VESA、PCI、AGP、IEEE1394、USB等总线技术。芯片内部的总线技术也在不断发展，AMBA、CoreConnect、CoreRAM等已经形成集成电路内部十分具有竞争力的总线标准。工业控制的PROFIBUS，FF等现场总线技术。总线的数据传输速度也不断提升，目前，AGP局部总线数据可达528MB/s，PCI-X可达1GB/s，系统总线传输速率也由66MB/s提高到100MB/s甚至更高的133MB/s、150MB/s、200MB/s。2/28/20242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2/28/20243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是专门用来传送地址的控制总线:CB控制总线包括控制、时序和中断信号线电源总线:PB用于向系统提供电源DBABCBPB2/28/20244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)：又称通讯总线用于计算机之间或计算机与设备之间通信2/28/20245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串行总线：所有信号复用一对信号线总线的分类（续）2/28/20246计算机控制技术2/28/20247计算机控制技术80排线2/28/20248计算机控制技术2/28/20249计算机控制技术2/28/202410计算机控制技术2/28/202411计算机控制技术计算机总线结构示意图总线的分类（续）2/28/202412计算机控制技术在集成电路的内部，用来连接各功能单元的信息通路。总线的分类（续）片内总线

受芯片面积及对外引脚数的限制，片内总线大多采用单总线结构，这有利于芯片集成度和成品率的提高，而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技术的出现，用户也可以按照自己的要求，借助于适当的EDA工具，设计自己的芯片。2/28/202413计算机控制技术内部总线是微机系统中最重要的总线，人们平常所说的微机总线就是指系统总线，如STD总线、PC总线、ISA总线、PCI总线等总线的分类（续）内部总线：系统总线或板级总线

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PB2/28/202414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：包括控制、时序和中断信号线，用于传递各种控制信息，决定了总线的性能好坏电源总线P：提供电源2/28/202415计算机控制技术如：IEEE-488、RS-232C、RS-485等外部总线总线的分类（续）2/28/202416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。一般的，

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2/28/202417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。同步方式可分为同步方式和异步方式。在同步方式下，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，并严格按照系统时钟来统一定时主模块、从模块之间的传输操作，只要总线上的设备都是高速的，就可达到很高的总线带宽。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并发工作、自动配置、仲裁方式、逻辑方式、计数方式等。2/28/202418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P5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多路复用非非非是2/28/202419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2/28/202420计算机控制技术总线控制3.1.4总线控制与总线传输

将控制逻辑集中在一处(如在CPU中)。集中控制是单总线、双总线和三总线结构计算机主要采用的方式，常见的集中控制方式主要有链式查询方式、计数器定时查询方式和独立请求总线控制方式。

将总线控制逻辑分散在与总线连接的各个部件或设备上。分布式集中式2/28/202421计算机控制技术总线传输总线上的数据在主模块的控制下进行传送。一般的，总线在完成一次传输周期时，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2/28/202422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2/28/202423计算机控制技术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2/28/202424计算机控制技术56根并行总线都有明确的定义，按功能可分为五大类(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2/28/202425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）2/28/202426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128个口，扩展后可增至256个口）2/28/202427计算机控制技术ISA总线3.2.2PC系列总线MCA：微通道体系结构EISA总线PCI局部总线2/28/202428计算机控制技术问世较早，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98根总线分成5类：地址线、数据线、控制线、时钟线和电源线ISA总线2/28/202429计算机控制技术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在电气及物理上与ISA不兼容IBM没有公布标准MCA总线（MicroChannelArchitechure）2/28/202430计算机控制技术89年，推出486时提出32位数据总线，支持32位地址通路总线主控技术，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2/28/202431计算机控制技术PCI(PeripheralComponentInterconnect，设备部件互连)总线是一种高性能局部总线，它是92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、线性猝发读写和并发工作方式具有即插即用功能(PnP)

最高时钟66Mhz峰值传送速率528M/s兼容性强、成本低PCI总线2/28/202432计算机控制技术PCI总线结构

2/28/202433计算机控制技术3.3外部总线外部总线又称为通信总线，用于计算机之间，计算机与远程终端，计算机与外部设备以及计算机与测量仪器仪表之间的通信。该类总线不是计算机系统已有的总线，而是利用电子工业或其他领域已有的总线标准。外部总线又分为并行总线和串行总线.

2/28/202434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2/28/202435计算机控制技术IEEE-488总线是一种并行外部总线，专门用于计算机与测量仪器、输入输出设备，以及这些仪器设备之间的并行通信。IEEE-488是1970年由美国惠普公司开发的并行通讯总线,总线上连接的设备有三种，工作方式也有三种:3.3.1IEEE-488总线控者（“控制”方式）：每时只能有一个听者（“受话”方式）：同时可有多个讲者（“送话”方式）：每时只能有一个2/28/202436计算机控制技术IEEE-488总线的连接示意图DIO1～

DIO8DAVNRFDNDAC

EOI

IFC

ATNSRQREN

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2/28/202437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NDAC2/28/202438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采用负逻辑使用IEEE-488的约定2/28/202439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2/28/202440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。3.3.2RS-232-C总线

是1969年由美国电子工业协会（EIA）从CCITT远程通信标准中导出的一个标准。

2/28/202441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、接收数据线3和信号地线72/28/202442计算机控制技术2/28/202443计算机控制技术MODEM控制和状态引脚分为两组一组为DTR和RTS，负责从计算机通过RS-232C接口送给MODEM另一组为DSR、CTS、DCD和RI，负责从MODEM通过RS-232C接口送给计算机的状态信息常用的9根引脚分为两类：另一类是用于调制解调器（MODEM）的控制和反 映其状态的引脚。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2/28/202444计算机控制技术RS-232C总线的电气特性电气连接方式主要特点：非平衡的连接方式采用点对点通信公用地线2/28/202445计算机控制技术最高通信速率为115200bpsRS-232C标准规定通信距离应小于15m。电气参数

引线信号状态

RS-232C标准引线状态必须是以下三种之一，即SPACE/MARK(空号/传号)、或ON/OFF(通/断)、或逻辑0/逻辑1。引线逻辑电平用-3～-15V表示逻辑1用+3～+15V表示逻辑0

短路抑制性能RS-232C的驱动电路必须能承受电缆中任何导线短路

通信速率

2/28/202446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2/28/202447计算机控制技术不用MODEM的直接通信线路最简单的RS-232C数据通信2/28/202448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、平衡传输的总线标准

RS-422标准规定了双端电气接口型式，使用双端线传送信号。它通过传输线驱动器，把逻辑电平变换成电位差，完成始端的信息传送；通过传输线接收器，把电位差转变成逻辑电平，实现终端的信息接收2/28/202449计算机控制技术RS-422的数据信号采用差分传输方式传输。RS-422有4根信号线，两根发送、两根接收，RS-422的收与发是分开的，支持全双工的通讯方式。RS-422的最大传输距离为1200m，最大传输速率为10Mbps。RS-422A接口电路2/28/202450计算机控制技术RS-485标准接口RS-485是一种多发送器的电路标准，它是RS-422A性能的扩展，是真正意义上的总线标准。允许在二根导线(总线)上挂接32台RS--485负载设备。负载设备可以是发送器、被动发送器、接收器或组合收发器（发送器和接收器的组合）

2/28/202451计算机控制技术RS485具有以下特点：RS-485的电气特性：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。RS-485的数据最高传输速率为10MbpsRS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强。RS-485接口的最大传输距离为1200m，在总线上是允许连接多达128个收发器,即具有多站能力和多机通信功能。2/28/202452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。2/28/202453计算机控制技术串行总线协议转换器2/28/202454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的电流。3.3.4USB通用串行总线USB协议标准USB1.0、USB