第 10 章 总线及接口技术

第10章总线及实用接口技术10.1总线技术简介10.2串行通信总线标准10.3其他微型计算机10.1总线技术简介本节在介绍标准总线基本概念的基础上，详细介绍了微机系统总线、总线驱动技术、串行通信总线标准及传输通道基本配置。10.1.1标准总线及分类1．总线标准为了使用的方便，对总线必须有详细和明确的规范要求，称为标准总线。对于系统总线标准和外部总线标准，它是计算机及板卡生产厂家、接口电路设计者都必须遵守的。标准总线一般应包括机械结构规范（如尺寸、总线插头等）、功能规范（确定各引脚信号定义等）、电气规范（规定信号的高低电平、动态转换时间、负载能力以及最大额定值等）及时间特性（定时控制方式、工作频率、同步，异步等）。常用工业标准总线如下。①STD（Standard）是工业控制微机标准总线，它从8位、16位数据带宽已发展到32位带宽。目前它仍是国内外某些工业控制机普遍采用的总线标准。②工业标准体系结构（IndustryStandardArchitecture，ISA）是现存最老的通用微机总线类型，是与286-AT总线一起引入的。③微通道体系结构（MicroChannelArchitecture，MCA）是IBM在1987年为PS/2系统机及其兼容机设计的一个理想的总线，它代表了总线设计的革命性进步。④扩展的工业标准体系结构（ExtendedIndustryStandardArchitecture，EISA）是反垄断的产物。⑤视频电子标准协会（VideoElectronicsStandardsAssociation，VESA）也叫VL总线，是流行的ISA总线的扩展。2．总线分类这里按总线所处的位置主要分类如下。（1）片总线片总线是微机内部各外围芯片与处理器之间的信息传输的通路。（2）系统总线系统总线也就是常说的微机总线，是用于微机系统中各插件之间信息传输的一组信号线。系统总线主要包括数据总线、地址总线和控制总线。（3）外总线外总线又称通信总线，是各微机系统之间，或微机系统与其他系统之间信息传输的通路。例如，微机与微机之间所采用的RS-232/RS-485串行总线，微机与智能仪器之间所采用的IEEE-488/VXI总线，以及近几年发展和流行起来的微机与外部设备之间的USB和IEEE1394通用串行总线等。10.1.2微机系统总线

本节主要介绍为80286CPU设计的ISA总线、Pentium机主板上采用的PCI总线。

1．ISA总线

（1）8位ISA（即XT）总线8位ISA总线插槽共有62条引脚信号，其定义见表10-1。2．PCI总线（1）PCI总线主要特点PCI总线是一种高性能数据线和地址线复用的总线，目标设备有47个引脚，总线主控设备有49个引脚。PCI提供两种信号环境：5V和3.3V，并可进行两种环境的转换，扩大了它的适应范围。PCI对32位与64位总线的使用是透明的，它允许32位与64位元器件相互协作。（2）PCI总线引脚定义PCI总线的引脚定义如图10-2所示。10.1.3总线驱动1．总线竞争与负载在同一总线上，同一时刻有可能会出现两个或两个以上的元器件请求输出其数据或状态，于是形成了总线竞争，或称总线争用，如图10-4所示。总线逻辑门驱动负载电路，如图10-5所示。当逻辑门的输出为高电平时，它为负载门提供高电平输入电流IIH。逻辑门的高电平输出电流IOH不得小于所有负载门所需要的高电平输入电流IIH之和，即要满足算式：。2．总线驱动与控制综合总线竞争与其对负载能力的需求，通常需要对总线的驱动进行设计。具体做法通常是在总线中加入三态门及锁存器等电路。（1）三态门（2）双向三态门（3）带有三态输出的锁存器具有三态输出的锁存器有多种，这里以PC/XT微机中的地址锁存器74LS373为例来说明。

（4）总线控制总线控制有3种方式：串行链接方式、定时查寻方式和独立请求方式。10.2串行通信总线标准10.2.1．通用串行总线（USB）通用串行总线（UniversalSerialBus，USB）是由Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、NorthernTelecom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，实现外部设备的简单快速连接，达到方便用户，降低成本，扩展PCI/O端口的目的。它可以为外部设备提供电源，而不像普通的使用串、并口设备那样需要单独的供电系统。另外，快速是USB技术的突出特点之一，USB1.1有全速和低速两种方式，低速方式的速率为1.5Mbit/s，支持一些不需要很大数据吞吐量和很高实时性的设备，如鼠标等；全速模式为12Mbit/s，可以外接速率更高的外部设备。在USB2.0中增加了一种高速方式，数据传输率达到480Mbit/s，可以满足速度更高的外部设备的需要。10.2.2IEEE1394总线IEEE1394总线是苹果公司开发的串行标准，又称火线接口（firewire）。IEEE1394支持外设热插拔，可为外设提供电源，能连接多个不同设备，支持同步数据传输。IEEE1394分为两种传输方式：Backplane模式和Cable模式。Backplane模式传输速率高于USB传输速率，分别为12.5Mbps、25Mbps、50Mbps，多用于高带宽应用。Cable模式传输速率更高，分为100Mbps、200Mbps和400Mbps等。10.2.3．RS-232C总线标准RS-232C是使用最早、在异步串行通信中应用最广的总线标准。它由美国电子工业协会（EIA）于1962年公布，1969年最后修订而成。其中，RS是英文“推荐标准”的缩写，232是标识号，C表示修改次数。PC配置的是RS-232C标准接口。RS-232C适用于短距离或带调制解调器的通信场合。若设备之间的通信距离不大于15m时，可以用RS-232C电缆直接连接。对于距离大于15m以上的长距离通信，需要采用调制解调器才能实现。RS-232C传输速率最大为20Kbit/s。图10-11RS-232C标准插头座外形10.2.4．RS-422/485总线标准RS-232C虽然应用广泛，但由于推出较早，数据传输速率慢，通信距离短。为了满足现代通信传输数据速率越来越快和距离越来越远的要求，EIA随后推出了RS-422和RS-485总线标准。（1）RS-422/485总线标准RS-422采用差分接收、差分发送工作方式，不需要数字地线。它使用双绞线传输信号，根据两条传输线之间的电位差值来决定逻辑状态。RS-422接口电路采用高输入阻抗接收器和比RS-232C驱动能力更强的发送驱动器，可以在相同的传输线上连接多个接收节点。（2）RS-485接口电路——MAX485MAX485是用于RS-422/485通信的差分平衡收发器，由MAXIM公司生产。芯片内部包含一个驱动器和一个接收器，适用于半双工通信。10.2.5串行通信传输通道配置PC一般至少有两个RS-232串行口COM1和COM2，通常，COM1使用的是9针D型连接器，而COM2使用的是老式的DB25针连接器。（1）近距离直接串行通信近距离直接传输是指在15m以内、不需要进行信号转换的串行通信，常用在两台PC或以串行通信标准作为接口的设备之间的通信。（2）需要电平转换串行通信由于RS-232C采用负逻辑，因此，RS-232C不能和采用正逻辑电平TTL、MCS-51单片机的串行口等直接相连。当RS-232C接口与具有正逻辑的串行口通信时，必须进行电平转换。（3）远距离调制与解调串行传输在远距离传送使用调制解调器进行串行传输时，如图10-18所示。10.3其他微型计算机10.3.1单片机和单板机1．单片机单片机将CPU、存储器、定时器及I/O接口等部件通过内部总线集成在一块芯片上。单片机这种特殊的结构形式和特点，使其在智能化仪器仪表、家用电器、机电一体化产品、工业控制等各个领域内的应用得到迅猛的发展。常用单片机芯片外形如图10-19所示。2．单板机这里说的单板机是指简易的单片机实验及开发系统，或称开发板。它将单片机系统的各个部分组装在一块印制电路板上，包括CPU、I/O接口及配备简单的LED、LCD、小键盘、下载器及插座等。单板机是学习及开发单片机应用的必需工具，其主要功能如下。①可以直接在单板机上操作进行单片机学习和实验。②单片机应用系统开发。③直接用于控制系统。单板机外形如图10-20所示3.51单片机总体结构

（1）单片机内部基本结构8051单片机内部由CPU、4KB的ROM、128B的RAM、4个8位的I/O并行端口、一个串行口、两个16位定时/计数器及中断系统等组成，其内部基本结构框图如图10-21所示。10.3.2智能手机智能手机是具有独立的操作系统，独立的运行空间，可以由用户自行安装软件、游戏、导航等第三方服务商提供的设备，并可以通过移动通讯网络来实现无线网络接入的手机类型的总称。10.3.3笔记本电脑笔记本电脑（Laptop），简称笔记本，又称“便携式电脑，手提电脑、掌上电脑或膝上型电脑”，特点是机身小巧。比台式机携带方便，是一种小型、便于携带的个人电脑。笔记本电脑采用液晶显示器（液晶LCD屏）。除键盘外，还装有触控板（Touchpad）或触控点（Pointingstick）作为定位设备（Pointingdevice）。10.3.4嵌入式计算机系统从使用的角度来说，计算机应用可分为两类：一类是应用广泛的独立使用的计算机系统（如个人计算机、工作站等），另一类是嵌入式计算机系统（简称嵌入式系统）。1.嵌入式系统基本构成所谓嵌入式系统，是“以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁减、功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统”，即以嵌入式应用为目的计算机系统。一个手持的MP3和一个微型计算机工业控制系统都可以认为是嵌入式系统，它与通用计算机技术的最大差异是必须支持硬件裁减和软件裁减，以适应应用系统对体积、功能、功耗、可靠性、成本等的特殊要求。嵌入式系统硬件包括信号处理器、存储器、通信模块等在内的多种模块。2.嵌入式系统功能特点嵌入式系统的功能特点有以下方面。①系统内核小。