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1、计算机测控系统,李江全,石河子大学机电学院电气工程系 2008年12月, 总线及其标准,总线概述,一套计算机系统除中央处理器件外，还有存储器、系统总线、接口电路、外部设备等多个部分。各类外部设备和存储器，都通过各种接口电路连接到计算机系统的总线上，用户可根据不同应用，选择不同类型的外部设备，设置相应的接口电路，把它挂接到系统总线上，构成不同用途、不同规模的计算机应用系统。,1.常规外围设备，如键盘、 CRT显示器、打印机、磁盘机等。 2.被控设备和检测仪表、显示装置、操作台等。,外设通过输入输出(IO)接口和输入输出(IO)通道与 CPU的总线相连。,一个实际的微型计算机控制系统的硬件，除主机
2、外，通常还包括两类外设：,为什么外围设备不能像存储器那样直接挂到主机 CPU的总线上呢？,因此， IO接口和 IO通道是计算机控制系统不可缺少的组成部分。,这是由存储器和外围设备各自不同的性质、特点决定的。 (1) 由于存储器功能单一(保存信息)、品种有限(ROM、 RAM)、存取速度与 CPU的工作速度基本匹配，因此，存储器可以直接挂到 CPU总线上，很方便。 (2)外围设备种类繁多，有机械式的、机电式的或电子式的；有的作为输入设备、有的作为输出设备；有的既可作为输入设备，又可作为输出设备；工作速度不一，外围设备的工作速度通常比 CPU的速度低得多，且不同外围设备的工作速度往往又差别很大；信
3、息类型和传送方式不同，有的使用数字量，有的使用模拟量，有的要求并行传送信息，有的要求串行传送信息。如此复杂的功能，仅靠 CPU及其总线是无法承担的，必须增加 IO接口电路和 IO通道才能完成。,总线的概念,所谓总线就是在模块和模块之间或设备与设备之间的一组进行互连和传输信息的信号线，信息包括指令、数据和地址。 总线可以把计算机或控制系统的模板或各种设备连成一个整体以便彼此间进行信息交换。,总线就是一组信号线的集合，用这个集合可以组成系统的标准信息通道，它定义了各引线的信号、电气、机械特性，使计算机内部各组成部分之间以及不同的计算机之间建立信号联系，进行信息传送和通信。,总线的定义： 一组公用线
4、的集合 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 符合某种总线的标准,总线技术 通道控制功能、使用方法、仲裁方法和传输方式等 总线的标准、结构不同，性能差异很大,总线结构连接示意图,总线与总线接口一起便称之为总线结构,总线结构连接的优点 结构由面向CPU变为面向总线 硬件、软件模块化设计与生产 结构清晰, 便于灵活组态、扩充、改进与升级 符合同一总线标准的产品兼容性强 满足用户不同的需要,容易构成各种用途的计算机应用系统,微型计算机广泛采用总线技术，用以简化硬件、软件的系统设计。 从硬件角度看，接口设计者只需按总线规
5、范设计插件板，保证它们具有互换性与通用性，以便大批量生产，支持计算机系统的性能及系列产品的开发。 从软件角度看，接插件的硬件结构带来了软件设计的模块化。,用总线连接的系统，结构简单清晰，便于扩充与更新。 例如在规模上扩充时，只需往总线上多插几块同类型的插件； 在功能扩充时，只需插入符合该总线标准的所需插件；在系统更新时，一般只需要更换新的插件或系统板。微型计算机的应用领域极为广泛，采用总线标准是应用的需要。 因此，从用户角度看，希望微型计算机生产厂家除了以机箱方式提供整机系统外，还能以其他方式，如插件方式向用户提供 “原型”产品，由用户根据自己的要求构成所需的微机系统。借助于总线标准，可以帮助
6、用户按其具体需要选择和获得适合自己需求的产品。 ,采用总线的优点 概括,1简化了系统结构 2简化了硬件与软件的设计 3便于系统的扩充与更新 4便于组织生产，提高产品质量，降低产品造价 5可维护性好,总线类别,总线的类别,按其传送数据的方式可分为串行总线和并行总线； 按应用的场合可分为芯片总线、板内总线、机箱总线、设备互连总线、现场总线及网络总线等； 按用途可分为计算机总线、外设总线和控制系统总线； 按总线的作用域可分为全局总线和本地总线； 按标准化程度可分为标准总线和非标准化（专用）总线等。 按使用位置可为分内部总线和外部总线。,内部总线是计算机内部功能模板之间进行通信的总线，它按功能又可分为
7、数据总线、地址总线、控制总线和电源总线四部分，每种型号的计算机都有自身的内部总线。,数据总线 数据总线用于CPU与其他部件之间传送信息（数据和指令代码）。具有三态（高阻、“1”和“0”三种状态）控制功能，而且是双向传输的，即CPU通过数据总线可以接收来自其它部件的信息，也可以通过数据总线向其它部件发送信息。 如ISA总线数据线是16位，PCI总线是32位或64位。数据线的宽度表示了总线数据传输的能力，反映了总线的性能。,地址总线 地址总线用来传送CPU要访问的存储单元或I/O接口地址信号。地址信号一般由CPU发往其它芯片，属于单向总线，但也具有三态控制功能。 地址总线的数据位数决定了该总线构成
8、的微机系统的寻址能力。例如，ISA总线有24位地址线，可寻址16MB，PCI总线有32位地址线，可寻址到4GB。地址总线的宽度视CPU所能直接访问的存储空间的容量而定。,控制总线 控制总线用于传输控制命令和状态信息。根据不同的使用条件，控制总线有的为单向，有的为双向；有的为三态，有的为非三态。 控制总线用于传送控制信息、时序信息和状态信息。比如，I/O读写信号、存储器读写信号和中断信号等等。控制总线是最能体现总线特色的信号线，它决定总线功能的强弱和适应性。,电源线与地线 电源线与地线为挂在总线上的模块或设备提供了电能以及电流通路。电源的区别在一定程度上也体现了总线标准的特色。 例如，ISA采用
9、+12V和+5V，PCI采用+5V和+3V。 一般来说，越是先进的总线标准，采用的电压越低。,总线的分类2 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. 芯片总线 芯片总线又称元件级总线。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，用于各芯片(如CPU芯片、 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，简称为地址总线、数据总线和控制总线。 ,2. 内部总线 内总线又称为系统总线。它是微型计算机系统内连接各插件板的总线，用于插件与插件之间的信息传送。
10、 数据总线D：用于传递数据信息 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：向总线提供电源,计算机内部总线结构示意图,3. 外部总线 外总线又称通信总线。用于微型计算机系统与微型计算机系统之间或微型计算机系统与外部设备之间的通信。 内总线与外总线除地址总线、数据总线和控制总线外， 还包括电源总线、地线和备用线(为用户扩展功能用)。 如：IEEE-488、RS-232C、RS-485等 三类总线在微型计算机系统中的位置及相互关系如图 所示。,用三类总线构成的微机系统,CRT,显示器,存储器,I/O,CPU,总线控
11、制及缓冲,片总线,4,通道串行/并行,输入/输出部件,内总线,外总线,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,总线的通信协议 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。,同步方式通信(Synchronous Transfer) 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。 数据的传输在一个共同的时钟信号控制下
12、进行 优点是模块间的配合简单一致,具有较高的传输频率； 缺点是对所有模块都强求一致的同一时限, 设计缺乏灵活性,由于同步方式对任何两个设备之间的通讯都给予同样的时间安排。同步通讯适用于总线上各部件之间的距离以及各部件的数据出入速度比较接近的情况。 就总线长度而言，必须按距离最长的两个传输设备的传输延迟来设计公共时钟， 以满足最长距离的要求；就部件速度来说，必须按速度最慢的部件来设计公共时钟，以适应最慢部件的需要。,异步方式通信(Asynchronous Transfer) 如果总线上各部件之间的距离和设备的速度相差很大， 势必降低总线的效率，在这种情况下往往采用异步通讯。 异步通讯允许总线上的
13、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。 利用数据发送部件和接收部件之间的“握手(Handshaking)”信号线来实现总线数据传送 可以实现不同速度的设备之间的数据传送,总线标准,总线标准,总线标准的含义,对于总线上的各个单元如芯片之间、扩展卡之间以及系统之间，如果要进行正确的连接与传输信息，就应遵守一些协议与规范，这些协议与规定就被称为总线标准。,总线标准包括：各个信号线的功能定义、总线工作的时钟频率、总线系统的结构、总线仲裁机构与配置机构、信号的逻辑电平、时序要求、电路驱动能力、抗干扰能力、机械规
14、范（包括接插件的几何形状与尺寸）和实施总线协议的驱动与管理程序。,PC系列总线,总线是微机中各模块之间传送信息的通道，各模块分时共享总线。为了方便微机系统的扩展及各厂家产品的互换或互连，国际上根据微机的发展制定了许多总线标准。 如PC总线标准、ISA总线标准、EISA总线标准、PCI总线标准、 USB总线标准、等。,PC总线 PC总线是PC机和XT机中采用的系统总线标准，适用于8位的数据传送，最大通信速率为5 MB/s。它有62根引脚，引脚如图所示。可插入符合PC总线的各种扩展板，以扩展微机的功能。 ,PC总线引脚 (a) PC总线； (b) ISA总线与PC总线兼容部分,ISA总线 PC总线
15、仅适用于8位数据的传送，所以，从IBM PC/XT微机开始采用ISA总线，也称为AT总线，以便进行16位数据传送。 ISA总线的数据传送速率最快为8 MB/s，地址总线宽度为24位，可以支持16 MB的内存。 为了和PC总线兼容，在PC总线的基础上， ISA总线延伸出一段插槽，如图所示。 这一小段插槽上的引线主要是扩展的地址线和高8位数据线及增加的中断申请线等。,PCI局部总线 PCI(外部设备互连)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。,
16、 PCI的主要特点 支持总线主控技术，允许智能设备在适当的时候取得总线控制权以加速数据传输 和对高度专门化任务的支持。 支持突发传输模式。在这种模式下，PCI 能在极短时间内发送大量数据，特别适合于高分辨率且多达数百万种颜色的图像快速显示。 不受CPU速度和结构的限制，Pentium、Over Drive等微处理器都可使用。 与ISA/EISA/MCA总线兼容。 预留扩展空间， 支持64位数据和地址。 支持自动配置功能。 无需手工调节跨接器、 DIP开关或系统中断。 设有特别的缓存，实现CPU与外设隔离，外设或CPU的单独升级不会带来兼容问题。 当数据宽度为32位， 时钟频率为33 MHz时，最大数据传输速率为132 MB/s。,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， 共188根。 具体情况如表 5 - 2 所示。,PCI插槽,ISA插槽,USB通用串行总线 USB（Universal Serial Bus
