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1、v 6.1 总线技术v 6.2 I/O接口基础 第6章 总线技术与I/O接口基础6.1 总线技术6.1.1 总线技术概述总线定义:总线是芯片内部各单元电路之间、芯片与芯片之间、模 块与模块之间、设备与设备之间、甚至系统与系统之间传输信息的公 共通路，在物理上它是一组信号线的集合。总线技术研究对象:总线技术研究如何利用一组信号线有效地传递信息 ，并使其具有通用性强、扩展性好、升级容易等性能。 数据总线：传送数据信息系统总线的基本组成: 地址总线：传送地址信息控制总线：传送控制信息（完成总线操作功能）电源线：为系统提供电源信号1.总线的基本组成2.总线功能（1）数据传输功能数据传输功能是总线的基本
2、功能，用总线传输率来表示，即每秒传 输的字节数，单位是Mbps（兆字节每秒）。（2）多设备支持功能多个设备使用一条总线，首先是总线占用权的问题，哪一个主设备 申请占用总线，由总线仲裁器确定。（3）中断中断是计算机对紧急事务响应的机制。当外部设备与主设备之间进 行服务约定时，中断是实现服务约定的联络信号。（4）错误处理错误处理包括奇偶校验错、系统错、电池失效等错误检测处理，以 及提供相应的保护对策。规定模块尺寸，总线插头、边沿连接器等的规格。 v功能结构规范： v机械结构规范： 确定引脚名称与功能，及其相互连接的协议。功能结构规范是总 线的核心，通常以时序和状态来描述信息的交流、流向及管理规则。
3、 总线在功能结构方面的规范包括： q数据线、地址线、读/写及其它控制线、状态线、时钟线、电源线和 地线等； q中断机制； q总线主控仲裁； q应用逻辑：如联络（也称握手）线、复位、自启动、休眠维护等。 v电气规范： 规定信号逻辑电平、负载能力及最大额定值、动态转换时间等。3.总线规范的基本内容4.总线的数据传送（1）申请占用总线：需要使用总线的总线主设备（如CPU、DMA控制器等 ）向总线仲裁机构提出占用总线的请求，经总线仲裁机构判定，若满足 响应条件，则发出响应信号，并把下一个总线传送周期的总线控制权授 予申请者。（2）寻址：获得总线控制权的总线主设备，通过地址总线发出本次要 访问的存储器和
4、I/O端口的地址，经地址译码选中被访问的模块并开始 启动数据转换。（3）传送数据：总线主设备也叫主模块，被访问的设备叫从模块。主 模块和从模块之间的操作是由主模块控制在两个从模块之间通过数据总 线进行数据传送。（4）结束：主、从模块的信息均从总线上撤除，让出总线，以便其它 主模块使用。 5.微机总线的分类 q片内总线：它是位于大规模、超大规模集成芯片内部各单元电路之间的总线，作为这些单元电路之间的信息通路。如CPU内部ALU、寄存器组、控制器等部件之间的总线。 q局部总线（也称内部总线）：通常指微机主板上各部件之间的信息通路。由于是一块电路板内部的总线，故又称在板局部总线。较典型的局部总线如：
5、IBM-PC总线，ISA总线，EISA总线，VL和PCI总线等。 q系统总线（也称外部总线）：是指微机底板上的总线，用来构成微机系统的各插件板、多处理器系统各CPU模块之间的信道。较典型的系统总线如：STD-BUS，MULTI-BUS，VME等。 q通信总线：它是微机系统与系统之间、微机系统与其它仪器仪表或设备之间的信息通路。这种总线往往不是计算机专有的，而是借用电子工 业其它领域已有的总线标准并加以应用形成的。流行的通信总线如：EIA-RS-232C、RS-422A、RS-485，IEEE-488，VXI等总线标准。各类总线之间的相互关系见图6.1。 图6.1 4类总线之间的关系6.使用标准
6、总线的优点q简化软、硬件设计：由于总线定义非常严格，任何厂家或个人都必须 按其标准制作插件板，有了规范就给用户在硬件设计上带来了很大的方 便，简化了设计过程。q简化系统结构：采用标准总线，只要将各功能模块（板）挂在总线上 就可以方便的构成微机的硬件系统。q便于系统的扩充：对于采用标准总线构成的微机系统，只要按总线标 准和用户扩充要求设计或直接购买插件板插到总线插槽上就达到了扩充 的目的。q便于系统的更新：随着电子技术的不断发展，新的器件不断涌现，微 机系统也要不断更新，在采用标准总线的插件板上用新的器件取代原来 的器件就可以很方便地提高系统性能，而不必做很大改动。 总线总线 名称数据 位数适用
7、处处 理器所属类类型中文名称引脚数目推出 年份 ISA-8 (PC/XT)88088局部总线工业标准结构总线 PC/XT总线621981ISA-16 (PC/AT)168086、 80286局部总线扩展工业标准结构总 线 PC/AT总线62+36（加 长）1984ISA-32 (EISA)3280386局部总线扩展工业标准结构 总线62+36（上 层） +90+10(空) （下层）1988MCA32PS/2局部总线微通道结构总线与ISA不兼 容1987(VESA) VL- BUS32/6480486局部总线视频总线62+36+90+ 112（加长 ）1992PCI32 64Pentium局部总
8、线外围组件互连总线短卡124 长卡1881993几种局部总线的比较6.1.2 局部总线 总线总线 名称数据 位数适用微 机系统统所属类类型中文名称推出 年份 Multi- bus16 32SBC、 多处理 器系统系统总 线SBC多总线1974 1985STD8/16 /32Z80等系统总 线工业控制微机系统 标准系统总线1978 1989S-10016Altair系统总 线S-100总线1979VME32M68000系统总 线专用模块互连总线1988几种系统总线的比较6.1.3 系统总线 STD总线的特点（1）模块化的小板结构、开放式的灵活组态STD总线使得微机系统被划分成若干模块，并制作成标
9、准的功能模板（插件卡）。用户可根据需要选择功能模板组成自己的微机，插件卡与外设之间可用其他方式连接，因此可以灵活方便地构成适应不同要求的微机系统。图6.5是基于STD总线的微机系统的典型结构。图6.5 STD总线微机系统结构 （2）高可靠性、高抗干扰能力和高信号质量：STD总线优良的物理特性使之具有抗恶劣环境的能力 。其模块化小尺寸结构使其具有抗冲击和振动的能力，也 可以减少自身发热产生的问题。由于STD总线采用印刷电 路板边缘做接插件，可防止插件卡反插，引脚弯曲或折断 。同时STD总线的结构可使信号流有序地从总线接口流向 用户接口，提高了信号的质量。（3）兼容的结构、配套的产品和齐全的功能：
10、STD总线的兼容式结构可以使8位的STD产品与新标准 的16位或32位STD产品一起工作。STD总线还支持多处理器 系统。随着技术的发展和STD产品的推广和应用，其标准 插件板的功能不断增强，配套产品越来越丰富，给使用带 来极大方便。 总线总线 名称引脚数目适用微 机系统统所属类类型 说说 明推出年份RS-23225、 9具有相 应接口通信总线1发1收，单端输入1962年推出 1969年公布RS-422同上具有相 应接口通信总线1发10收，差分输入1977RS-485同上具有相 应接口通信总线1发32收，差分输入1983USB4具有相 应接口通信总线通用串行总线 （2信号、1电源、1地 ）19
11、96IEEE- 48824具有相 应接口通信总线自动测试 系统 并行接口总线1975年推出 1977年公布几种通信总线的比较6.1.4 通信总线 6.1.4 通信总线1.RS-232C、RS-422A和RS-485总线总线 （1）RS-232C总线RS-232C是一种串行通信总线标准，也是数据终端设备（DTE）和数据通 信设备（DCE）之间的接口标准，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。当初制定这一标准的目的是为了使不 同厂家生产的设备能达到接插的兼容性，即无论哪一家生产的设备，只要具 有RS-232C标准接口，则不需要任何转换电路就可以互相接插
12、起来，但这个标 准只保证硬件兼容而不保证软件兼容。RS-232C标准包括机械指标和电气指标，其中机械指标规定：RS-232C标 准接口通向外部的连接器（插针和插座）是一个“D”型保护壳25针插头，如 图6.6所示。 图6.6 标准25针“D”型插头表6.2 RS-232C总线引脚分配及定义注：带*者为主信道信号组。 RS-232C的主要特点信号线少：RS-232C总线共有25根线，它包括有主副两个通道，用它可进行双工通信。实际应用中，多数只用主信号通道（即第一通道），并 只使用其中几个信号（通常39根线）。传输距离远(相对于并行)：由于RS-232C采用串行传输方式，并将TTL电平转换成了RS
13、-232C电平，在基带传输时，距离可达30m。若是采用光电隔离20A电流环传送，其传输距离可达1000m 。当然，如果在串行接口加上调制解调器，利用有线、无线或光纤进行传送，其距离会更远。 可供选择的传输速率多：RS-232C规定的标准传送速率有：50，75，110，150，300，600，1200，2400，4800，9600，19200波特。可以灵活地使用于不同速率的设备。抗干扰能力强：RS-232C采用负逻辑，空载时以+3+25V之间任意电压表示逻辑“0”，以-3-25V之间任意电压表示逻辑“1”，且它是无间隔不归零电平传送，从而大大提高了抗干扰能力。 RS-232C总线的功能规范 引脚
14、分配：RS-232C总线共有25根信号线，其中，2根地线、4根数据线、11根控制线、3根定时线、5根备用线。引脚分配及定义如下页表6.2所示。 引脚信号说明：在RS-232C总线中，虽然绝大多数信号线均已定义使用，但在一般的微型计算机串行通信中，经常使用的只有以下9个信号线，具体见表6.3，它们都是主信道组的信号线。这9根引脚分为两类：一类是基本的数据传送引脚，另一类是用于调制解调器 （MODEM）的控制和反映它的状态的引脚。 基本的数据传送引脚：TXD，RXD，GND（2，3，7号引脚）是基本数据传送引脚。表6.3 微型计算机通信中常用的RS-232C接口信号(9针连接器) MODEM的控制
15、和状态引脚：从计算机通过RS-232C接口送给MODEM的控制引脚包括DTR和RTS。从MODEM通过RS-323C接口送给计算机的状态信息引脚包括DSR，CTS，DCD和RI。 DTR数据终端准备完毕引脚，用于通知MODEM计算机准备好，可以通信了。 RTS为请求发送引脚，用于通知MODEM计算机请求发送数据。DSR为数据通信设备准备就绪引脚，用于通知计算机，MODEM准备好了。 CTS为允许发送引脚，用于通知计算机MODEM可以接收数据了。DCD 为数据载体检测引脚，用于通知计算机MODEM与电话线另一端的MODEM已经建立联系。 RI振铃信号指示引脚，用于通知计算机，有来自电话网的信号。
16、 RS-232C电气规范RS-232C总线的电气规范列于下页表6.4。 表6.4 RS-232C总线的电气规范 RS-232C电平与TTL电平之间的转换 由于RS-232C使用非常广泛，许多半导体厂家都生产专用于TTL电平与RS-232C电平的专用转换芯片。常用于将TTL电平转换为RS-232C电平的芯片，除MC1488 外还有75188，75150等，用于将RS-232C电平转换为TTL电平的除MC1489外还有75189，75154等。采用MC1488和MC1489进行电平转换的原理如下页图6.7所示。 RS-232C总线接口几种常用的连接方法利用RS-232C总线接口，可以实现微型计算机之间、微型计算机与其他具有RS-232C接口的设备之间相连接。常用的连接方法如图6.8所示。其中，下页图6.8(a)、(b)连线比较简单,可以利用查寻或中断方式实现他们之间的通信。 图6.7 采用MC1488和MC1489的电平转换原理图6.8 几种常用的RS-232C接口连接方法 （2）RS-42
