总线与接口标准

关于总线与接口标准2第12章总线与接口标准

随着微型计算机的发展，总线技术也在不断地发展与完善，并且已经出现了一系列的标准化总线，这些标准化总线的广泛使用，对微型计算机系统在各个领域的普及和应用起到了积极的推动作用。为了使微型计算机应用系统朝模块化、标准化的方向发展。标准总线应具有以下特点：（1）可以简化计算机软件和硬件的设计；（2）可以简化系统的结构；（3）易于系统的扩展；（4）便于系统的更新；（5）便于系统的调试和维修。第2页,共36页，2024年2月25日，星期天3第12章总线与接口标准

二、总线分类

在微型计算机系统中按照总线的规模、用途及应用场合，可将总线分为以下三类。（1）微处理器芯片总线也称为元件级总线，这是在构成一块CPU插件或用微处理机芯片组成一个很小系统时常用的总线，常用于CPU芯片、存储器芯片、I/O接口芯片等之间的信息传送。按所传送的信息类别不同，可将芯片总线分为传送地址、传送数据和传送控制信息等三组总线，分别为地址总线、数据总线和控制总线。第3页,共36页，2024年2月25日，星期天4第12章总线与接口标准

（2）内总线也称为板极总线或系统总线，它是微型计算机系统内连接各插件板的总线，用以实现微机系统与各种扩展插件板之间的相互连接，是微机系统所特有的总线，一般用于模板之间的连接。在微型计算机系统中，系统总线是主板上微处理器和外部设备之间进行通讯时所采用的数据通道。（3）外部总线也称为通信总线，主要用于微机系统与微机系统之间或微机与外部设备（如打印机、硬盘设备）、仪器仪表之间的通信，常用于设备级的互连。这种总线的数据传输可以是并行的，也可以是串行的，数据传输速率低于系统内部的总线。第4页,共36页，2024年2月25日，星期天5第12章总线与接口标准

四、总线数据的传送

1、总线数据的传送方式信息在总线上有三种传送方式：串行传送、并行传送和并串行传送。（1）串行传送方式当信息以串行方式传送时只使用一条传输线，而且采用脉冲传送。具体操作就是在传输线上按顺序传送表示一个数码的所有二进制位的脉冲信号，每次一位。通常第一个脉冲信号表示数码的最低有效位，最后一个脉冲信号表示数码的最高有效位。第5页,共36页，2024年2月25日，星期天6第12章总线与接口标准

（2）并行传送方式采用并行方式传送二进制信息时，每个数据位都需要一条单独的传输线。信息由多少个二进制位组成，机器就需要有多少条传输线，从而让二进制信息在不同的线上同时进行传送。当进行并行传送时，所有的位同时传送，所以并行传送方式的速度比串行传送的速度要快得多。并行传送是微机系统内部常用的传送方式。源目的01010110010101108位数据线源01101010目的8T第6页,共36页，2024年2月25日，星期天7第12章总线与接口标准

）并串行传送方式并串行传送方式是并行传送方式与串行传送方式的结合。当信息在总线上以并串行方式传送时，如果一个数据字由两个字节组成，那么当传送一个字节时采用并行方式，字节之间采用串行方式。例：有的微型计算机（3中CPU的数据用16位并行运算。但由于CPU芯片引脚数的限制，出入CPU的数据据总线宽度是8位。因此，当数据从CPU中进入数据总线时以字节为单位，采用并串行方式进行行传送。第7页,共36页，2024年2月25日，星期天8第12章总线与接口标准

2、总线数据传送的通讯协议

通讯协议是实现总线裁决和信息传送的手段，通常分为同步方式和异步方式。（1）同步通讯方式总线上的部件通过总线进行信息交换时用一个公共的时钟信号进行同步，这种方式称为同步通讯。在同步方式中，由于采用了公共时钟，每个部件何时发送或接收信息都由统一的时钟规定，在通讯时不用附加时间标志或来回应答信号。所以，同步通讯具有较高的传输频率。第8页,共36页，2024年2月25日，星期天9第12章总线与接口标准

（2）异步通讯方式如果总线上各部件之间的距离和设备的速度相差很大，势必会降低总线的效率，在这种情况下往往采用异步通讯方式。异步通讯允许总线上各个部件有各自的时钟，部件之间进行通讯时没有公共的时间标准，而是在发送信息的同时发出该部件的时间标志信号，用应答方式来协调通信过程。异步通讯又分为单向方式和双向方式两种。单向方式不能判别数据是否正确传送到对方，故大多采用双向方式，即应答式异步通讯。第9页,共36页，2024年2月25日，星期天10第12章总线与接口标准

3、总线数据传送的错误检测由于外界或者自身存在着各种随机出现的干扰因素，总线上传输的信息可能产生错误。为此，需要采用错误检测电路来发现或纠正出现的错误，用专用的总线信号来报告出现的错误。最常用也是最简单的错误检测方法是奇偶校验法。在地址、数据或控制信息传输的同时，将它的奇偶校验信息通过另一根总线传输到信号接收方，接收方通过查验接收的信号是否符合校验规则来判断收到信号的正确性。一旦发现奇偶校验的错误，则通过另一条总线告知信号发送方发生了错误，这时就可根据协定处理发现的错误。第10页,共36页，2024年2月25日，星期天11第12章总线与接口标准

总线进行高速和大批量信息传输时，常采用的错误校验方式是循环冗余校验CRC。CRC校验将传输的数据经过专门的电路，产生一个16位或32位的

CRC码，加在数据的最后发送。在数据的接收端，采用相同的电路对接收到的数据进行处理。如果数据传输准确无误，则从线路上接收到的校验码应该与接收数据产生的校验码一致，否则就表示发生了传输错误。

CRC校验方式对于成块数据传送中数据检错十分有效，但电路相对复杂一些，USB总线就是采用的这个方法。第11页,共36页，2024年2月25日，星期天12第12章总线与接口标准

五、总线标准

目前总线标准有两类：（1）是IEEE（美国电气及电子工程师协会）标准委员会定义与解释的标准，如：IEEE-488总线和RS-232C

串行接口标准等，这类标准现已有20多个。（2）是因广泛应用而被大家接受与公认的标准，如S-100

总线、IBMPC总线、ISA总线、EISA总线、STD总线接口标准等。不同的总线标准可以用于不同的微机系统或者同一微机系统的不同位置。第12页,共36页，2024年2月25日，星期天13第12章总线与接口标准

通常情况下，总线能达到什么样的性能是由总线的指标体现的，主要有以下两点：（1）总线宽度总线宽度是指可以同时传输的数据位数，位数越多，一次传输的信息就越多。如EISA总线宽度为16位，PCI总线宽度为32位，

PCI-2总线宽度可达到64位。微计算机的总线宽度一般不会超过CPU外部数据总线的宽度。（2）总线频率总线通常都有一个基本时钟，总线上其它信号都以这个时钟为基准，这个时钟的频率也是总线工作的最高频率。时钟的频率越高，单位时间内传输的数据量就越大。EISA总线的时钟频率为8MHz，PCI总线为33.3MHz，PCI-2总线可达66MHz。第13页,共36页，2024年2月25日，星期天14第12章总线与接口标准

11.3系统总线

系统总线是组成微机系统所用的总线。常用的系统总

线有8/16位ISA和EISA两种。8位ISA总线也称为PC总线，

16位ISA总线也称为PC/AT总线，80年代末期出现了32位的

EISA总线。由于早期总线的时钟频率和最大传输率受主板

上的扩展槽数量、传输线长度及扩展卡电路负载的限制，

系统总线传输速率较低，已成为限制计算机系统工作速度

的一个瓶颈。随着芯片制造技术的不断提高，计算机结构

的更新与工作速度也大幅度提高，全新一代的系统总线也

在不断涌现。第14页,共36页，2024年2月25日，星期天15第12章总线与接口标准

一、PC总线

20世纪70年代末，苹果微型计算机的成功证明了个人电脑市场是确实存在的，IBM公司最高决策层下令研制个人电脑，在佛罗里达的波克镇成立了一个13人的研制小组。1981年，该小组推出了以8088为CPU的新一代个人计算机，为增加扩充能力也设计了总线。该总线被称为PC或PC/XT总线，

是PC总线的第一次创新与以前其它公司做法不同的是，IBM向外界完全公开了包括PC总线完整规范在内的技术文件。总线工作频率4.77MHz，总线宽度w=1Byte，传送一次数据所需时钟周期数N=2，所以总线传输率为Q=4.77×112=2.38MB/s。第15页,共36页，2024年2月25日，星期天16第12章总线与接口标准

PC总线也叫做PC/XT总线，是早期PC/XT微机中采用的系统总线，它支持8位数据传输和10位寻址空间，最大通信速率为5MB/s。它有62根引脚，可插入符合PC总线的各种扩展板，以扩展微机的功能。其特点是把CPU视为总线的唯一总控设备，其余外围设备均为从属设备。具有价格低、可靠性好、兼容性好和使用灵活等优点。

PC总线62条引脚信号通过一个31脚分为A、B两面连接插槽，其中A面为元件面，B面为焊接面。这62条引脚信号分为地址线、数据线、控制线、状态线、辅助线与电源等5类接口信号线。第16页,共36页，2024年2月25日，星期天17第12章总线与接口标准

二、ISA总线这是PC总线的第二次创新。80286微处理器推出之后，IBM决定开发功能比PC/XT更强大的PC，称为PC/AT。由于原PC/XT总线与新机器性能指标不匹配，同时又要保证新机型必须与PC/XT的原有软硬件兼容，这就要求必须对新机型的总线重新设计。

IBM公司在PC总线基础上增加36个引脚，形成了

AT总线。即从1982年以后，逐步确立的IBM

公司工业标准体系结构，简称为ISA

总线，有时也称为

PC/AT总线。第17页,共36页，2024年2月25日，星期天18第12章总线与接口标准

1、ISA总线的特点

PC总线仅适用于8位数据的传送，所以，从

IBMPC/AT微机开始采用PC/AT总线，即ISA总线，该总线的数据传送速率最快为8MB/s，地址总线宽度为24位，可以支持16MB的内存。

ISA总线在PC总线的62引脚的基础上增加了一个36引脚的插槽，形成前62引脚和后36引脚的两个插座，这样就构成了16

位ISA总线。它可以利用前

62引脚的插座插入与PC总线兼容的8位接口电路卡，也可以利用整个插座插入16位接口电路卡。除了数据和地址线的扩充外，16位

ISA部分还扩充了中断和DMA请求、应答信号。第18页,共36页，2024年2月25日，星期天19第12章总线与接口标准

2、引脚信号功能

16位ISA总线的前62引脚的信号分布及其功能与PC总线基本相同，

16位总线中新增加的36引脚插槽信号扩展了数据线、地址线、存储器和I/O设备的读写控制线、中断和DMA控制线、电源和地线等。新插槽中的引脚信号分为C（元件面）和D（焊接面）两列。3、ISA总线的体系结构

在利用ISA总线构成的微机系统中，当内存速度较快时，通常采用将内存移出ISA总线并转移到自己的专用总线—内存总线上的体系结构，微型计算机系统内部采用高速总线，DRAM通过内存总线与CPU进行高速信息交换。ISA总线以扩展插槽形式对外开放，磁盘控制器、显示卡、声卡、打印机等接口卡均可插在8/16

位ISA总线插槽上，以实现ISA支持的各种外设与CPU的通信。第19页,共36页，2024年2月25日，星期天20第12章总线与接口标准

四、EISA总线

如果将MCA总线称为PC总线的第三次创新，那么，EISA总线就是PC总线的第四次创新了。为了打破IBM的垄断，1988年9月，Compaq、AST，Epson、

HP、Olivetti、NEC等9家公司联合起来，推出了一种兼容性更优越的总线，即EISA总线。设计EISA总线的目标有2个：为提高数据传输率用一个专门猝发式DMA策略使32位总线能达到33MB/s；在功能、电气、物理上保持与PC/XT、PC/AT总线兼容。

EISA总线是扩展的ISA总线，引脚由原来ISA总线的62个加

36个扩展到了98个，其数据总线被扩展到32位，但时钟速度仍维持在8MHz，传输速率为33MB/S，由于EISA总线性能稳定，适用于网络服务器、高速图像处理、多媒体等领域，最常见的应用是作为磁盘控制器和视频图形适配器。

由于EISA是兼容机厂商共同推出的，所以其技术标准是公开的。第20页,共36页，2024年2月25日，星期天21第12章总线与接口标准

与ISA总线相比EISA总线有如下特点：（1）EISA总线用于32位微型计算机中，支持32位的地址总线寻址，可寻址4GB的存储空间，也支持64KB的I/O端口寻址。（2）它具有32

位数据线，大大提高了数据传输能力，保证了系统性能的提高，使最大数据传输速率达33MB/S。（3）EISA总线支持多处理器结构，支持多主控总线设备，具有较强的I/O扩展能力和负载能力。（4）具有自动配置功能，可以根据配置文件自动地初始化，

配置系统板和多扩展卡。（5）扩展了DMA的范围和传输速度，支持7个DMA通道，DMA数据传输既可在ISA方式下进行，也可在EISA方式下进行。而且在EISA方式下进行DMA数据传输时，使用的数据总线和地址总线都是32位的。（6）采用同步数据传送协议，可支持常规的一次传送，也可支持突法方式即高速分组传送。第21页,共36页，2024年2月25日，星期天22第12章总线与接口标准

11.4局部总线

局部总线可看作是CPU总线和系统总线之间的一种总线。它具有较高的时钟频率和传输率，在一定程度上克服了系统总线的瓶颈问题，提高了系统性能。使用局部总线后，系统内有多条不同级别的总线，形成了“分级总线结构”。在这种体系中，不同传输要求的设备“分类”连接在不同性能的总线上，合理地分配系统资源，满足不同设备的不同需要。此外，局部总线信号独立于CPU，处理器的更换不会影响系统结构。现在常用的有3种局部总线：VESA局部总线、PCI局部总线、AGP总线。第22页,共36页，2024年2月25日，星期天23第12章总线与接口标准

二、PCI总线

为解决VESA局部总线存在的问题，1991年下半年，Intel公司首先提出了PCI总线的概念。PCI是一种同步且独立于处理器的32

位或64位的局部总线，它允许外设与CPU进行智能对话，从而避免了中断请求（IRQ）、直接存储器存取（DMA）和I/O通道之间的冲突。其工作频率为25、33、66MHz，最大传输率可达528MB/s。

PCI总线支持64位数据传输、多总线主控和线性突发方式，目前主要在奔腾（Pentium）等高档微机中使用。PCI是高速外设与CPU

间的桥梁。它在CPU与外设间插入了一个复杂的管理层，以协调数据传输，并提供了一个标准的总线接口。该管理层提供信号的缓冲，使PCI能支持10种外设，并在高时钟频率下保持高性能。第23页,共36页，2024年2月25日，星期天24第12章总线与接口标准

PCI总线有PCI总线控制桥，即PCI芯片组，可以支持对内存、高速缓存、总线和输入/输出接口的控制功能，支持突发数据传输周期，可确保总线不断载满数据。可减小存取延迟，

能够大幅度减少外围设备取得总线控制权所需的时间，以保证数据传输的畅通。PCI总线所具有的主控和同步操作功能有利于提高PCI总线的性能，而且PCI总线不受处理器限制，兼容性强，适用于各种机型。

PCI局部总线既符合当前的技术要求，又能满足未来技术的发展需要，已成为广泛使用的局部总线标准。PCI的高性能、高效率，使其成为开发当今高性能AGP图形接口的基础。第24页,共36页，2024年2月25日，星期天25第12章总线与接口标准

1、PCI总线的主要特点（1）线性突发传输（2）支持总线主控方式和同步操作（3）独立于处理器（4）即插即用（5）适合于各种机型（6）多总线共存（7）预留发展空间（8）采用了数据线和地址线复用结构，减少了总线引脚数，从而可以节约线路空间，降低设计成本。第25页,共36页，2024年2月25日，星期天26第12章总线与接口标准

2、PCI总线信号的定义

PCI总线信号分为地址线、数据线、接口控制线、仲裁线、系统线、中断请求线、高速缓存支持、出错报告等信号线。

PCI总线规定了两种PCI扩展卡及连接器：一种称为长卡，另一种称为短卡。长卡提供64位接口，插槽

A、B两边共定义了188个引脚；短卡提供32位接口，插槽A、B两边共定义了124个引脚。除去电源线、地线、未定义的引脚之外，其余信号线按功能分类如图。第26页,共36页，2024年2月25日，星期天27第12章总线与接口标准

3、PCI总线的系统结构

PCI局部总线与Pentium机内部总线组合可以构成多总线系统结构，PCI总线允许在一个总线中插入32

个物理部件，每一个物理部件可以含有最多8

个不同的功能部件。在PCI总线系统中，处理器与RAM位于主机总线上，它具有64位数据通道和更宽以及更高的运行速度。指令和数据在CPU和RAM之间快速流动，然后数据被交给PCI总线。PCI

负责将数据交给PCI扩展卡或设备。如果需要，也可以将数据导向ISA、EISA、MCA

等总线或控制器如IDE、SCSI以便进行存储。第27页,共36页，2024年2月25日，星期天28第12章总线与接口标准

PCI桥的主要功能如下：（1）提供一个低延迟的访问通路，从而使处理器能够直接访问通过低延迟访问通路映射于存储器空间或I/O

空间的PCI设备。（2）提供能使PCI主设备直接访问主存储器的高速通路。（3）提供数据缓冲功能，可以使CPU与PCI总线上的设备并行工作而不必相互等待。（4）可以使PCI总线的操作与CPU总线分开，以免相互影响，实现了PCI总线的全部驱动控制。第28页,共36页，2024年2月25日，星期天29第12章总线与接口标准

二、I2C总线

1、I2C总线简介

I2C总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。I2C

总线产生于在80

年代，最初为音频和视频设备开发，如今主要在服务器管理中使用，其中包括单个组件状态的通信。例如管理员可对各个组件进行查询，以管理系统的配置或掌握组件的功能状态，如电源和系统风扇。可随时监控内存、硬盘、网络、系统温度等多个参数，增加了系统的安全性，方便了管理。第29页,共36页，2024年2月25日，星期天30第12章总线与接口标准

在单片机应用系统中推广I2C总线后将会大大改变单片机应用系统的结构性能，对单片机应用系统的开发带来如下好处：（1）可最大限度地简化结构。（2）可实现电路系统的模块化、标准化设计。（3）标准I2C总线模块的组合开发方式大大地缩短了新品种的开发周期，有利于新产品及时地推向市场。（4）I2C总线各节点具有独立的电气特性，各节点单元电路能在相互不受影响的情况下以及在系统供电的情况下进行接入或撤除。（5）I2C总线系统的构成具有最大的灵活性。系统改型设计，或对已经加工好的电路板进行功能扩展时，对原有的设计及电路板系统影响是最小的。（6）I2C总线系统可以方便地对某一节点电路进行故障诊断与跟踪，有极好的可维护性。第30页,共36页，2024年2月25日，星期天31第12章总线与接口标准

2、I2C总线的性能特点

I2C总线的串行数据传送与一般的串行数据传送无论从接口电气特性、传送状态管理以及程序编制特点等方面都有很大的不同。

I2C总线主要具有以下特性：（1）二线传输。（2）当系统中有多个主器件时，在I2C总线工作时任何一个主器件都可成为主控制器。多机竞争时的时钟同步与总线仲裁都由硬件与标准软件模块自动完成，无须用户介入。（3）I2C总线传输时，采用状态码的管理方法。（4）系统中所有外围器件及模块采用器件地址及引脚地址编址方法。（5）所有带I2C接口的外围器件都具有应答功能。（6）I2C总线电气接口有严格的规范，在硬件结构上，任何一个具有

I2C总线接口的外围器件，不论其功能差别有多大，都具有相同的电气接口，各节点的电源都可以单独供电，并可在系统带电情况下接入或撤出。第31页,共36页，2024年2月25日，星期天32第12章总线与接口标准

3、I2C总线工作原理

I2C总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送，最高传送速率100kbps。各种被控制电路均并联在这条总线上，但就像电话机一样只有拨通各自的号码才能工作，所以每个电路和模块都有唯一的地址，在信息的传输过程中，I2C总线上并接的每一模块电路既是主控器（或被控器），又是发送器（或接收器），这取决于它所要完成的功能。CPU发出的控制信号分为地址码和控制量两部分，地址码用来选址，即接通需要控制的电路，确定控制的种类；控制量决定该调整的类别（如对比度、亮度等）及需要调整的量。这样，各控制电路虽然挂在同一条总线上，却彼此独立，互不相关。第32页,共36页，2024年2月25日，星期天33第12章总线与接口标准

I2C总线在传送数据过程中共有三种类型信号。它们分别是：开始信号、结束信号和应答信号。

开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。

结束信号：SCL为低电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。

应答信号：接收数据的IC在接收到8bit数据后，

向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。CPU向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，由判断为受控单元出现故障。

目前有很多半导体集成电路上都集成了I2C接口。带有I2C接口的单片机有：CYGNAL的C8051F0XX系列，PHILIPSP87的

LPC7XX系列，

MICROCHIP的PIC16C6XX系列等。很多外围器件如存储器、

监控芯片等也提供I2C接口。第33