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1、现代工业网络 机械学院机电系机械学院机电系*2本讲主要内容串行通信EIA-232-D标准EIA-RS485标准USBIEEE1394及其他标准*3串行通信串行通信帧结构-起始停止位连接握手 双方确认建立连接，硬件 、软件握手确认 确认报文中断 IRQ3 IRQ4轮询差错检验 冗余校验、CRC奇偶校验*4传统外围设备所用的系统资源图*5EIA RS-232-CEIA RS-232-C接口机械特性接口电气特性 数据线 传号 Mark=-5V -15V 逻辑1电平 空号 Space=+5V +15V 逻辑0电平 控制线 通On= +5V +15V 逻辑0电平断Off= -5V -15V 逻辑1电平版
2、本 第三版标准号RECOMMENDED STANDARD美国电子工业协会*6EIA RS-232-C 续接口电气特性 TTL-RS232转换 SN75188驱动器SN75189接收器MAX233*7EIA RS-232-C 续1接口功能特性*8EIA RS-232-C 续2规程特性 DTE 数据终端设备 DCE 数据通信设备1)建立物理连接 主机A 20P DTR Modem A Modem A 6P DSR 主机A 2)数据传输 主机A 4P RTS Modem A Modem A 5P CTS 主机A 主机A 2P TxD Modem A Modem A 调制 Modem BModem B
3、 解调 3P RxD主机B物理连接释放 主机A释放DTR Modem A *9EIA RS-232-C 续3DB-9连接器*10EIA RS-232-C 续4端口直接连接1)通信过程无需握手3根连接线2)通信过程全握手传输最大距离：15m数据最大传输速率： 19.2Kbps*11RS 485RS 485 产生：工业应用 通信节点多，位置分散，通信距 离远，要求用最少的连线完成通信。技术参数平衡差分电路：一根导线的电压是另一根导线的电压值取反优点：抑制噪声；不受节点间接地电平差异的影响没有规定连接器、信号功能和引脚分配*12RS 485内部电路逻辑高电平 Q1, Q4开 Q2, Q3关线A电压
4、Q6开 电流经Q6和接地线 返回驱动器线B低电压 Q7开 电流经Q7流入Q4, 通过接地线流回接收器 线A电压高 于线B逻辑0 Q2, Q3,Q5, Q8打开，其他关 闭，导线中的电流沿相反方向流动VA低于VB是逻辑1VA高于VB是逻辑0*13RS 485端口半双工连接*14RS 485端口全双工连接*15RS232RS 485端口转换电平转换电平转换RTS 请求发送当RTS为低电平,DE高电平,RS232向RS485端口发数据当RTS为高电平,DE低电平,RS232通过RS485端口接收数据*16RS 485网络连接RS485物理层接口规范 IEEE-1118通用主从协议， PROFIBUS
5、, 美国加热制冷 和空调工程师协会BACnet, 汽车工程师协会SAEJ1708一个网段最多32个单位负载*17RS 485网络连接 续添加地线：需要通过接地线形 成电流回路信号地与接地线间串接一个100 欧/0.5W电阻*18RS 485网络连接续1*19RS 485主从协议特点： 采用EIA-485接口，支持多点通信连接，最多32个节点；采用主从式访问技术，主节点对从节点依次逐一轮询，单主网 ； 报文结构简单、可靠。报文长度可变，配置灵活； 通信速率多种，9600, 19.2K, 38.4K, 93.75K, 187.5Kbps；从节点间不能直接通信。 MODBUS, MODBUS PLU
6、S起始标志起始标志1 1B B报文长度报文长度1 1B B地址域地址域1 1B B数据域数据域1-2561-256B B校验校验1 1B B通用串行协议的报文结构通用串行协议的报文结构*20通用串行总线USB 本主题介绍以下内容USB的由来USB的基本特点USB的体系结构概述USB的今后发展USB设备使用知识*21USB的由来USB（Universal Serial Bus）是由Compaq、HP 、Intel、Lucent（朗讯）、Microsoft、NEC和 Philips七家公司联合推出的新一代标准接口总 线。该总线是一种连接外围设备的机外总线， 最多可连接127个设备，为微机系统扩充和
7、配 置外部设备提供了方便。USB规范有多种版本 ，最早的版本是1994年11月推出的USB 0.7版 。1996年1月推出了标准版本USB l.0，目标是 为中低速的外围设备提供双向、低成本的总线 ，数据传输率最高为12Mb/s。 *22USB新规范USB2.0随着微机系统及其外设性能和功能的增强，需 处理的数据量越来越大，2000年4月又推出了 新的USB规范USB 2.0。在新版本中，增加 了一种480Mb/s的数据传输率，以满足日益复 杂的高级外设与PC机之间的高性能连接需求。USB2.0是USB的自然升级，它在保留原有USB 规范的基础上又提供了更高的带宽，并且与现 有的外设保持完全兼
8、容。*23PC机的主要外设总线回顾串行总线 RS232（1969年，EIA颁布） IEEE1394 （1995年，IEEE颁布） USB（1994年，七家公司联合推出） 并行总线 STD（8位，Pro-Log公司1978年推出） ISA（16位，IBM公司1984年推出） EISA（16位，Compaq等公司1989年推出） PCI （32位，1992年Intel倡导下推出1.0版）*24USB基本概念（1）近年来USB技术已经成为了计算机领域发展最快 的技术之一，并为越来越多的个人计算机界人 士所接受。Windows98的问世，使USB的操作 系统支持问题得到了解决。从此各种USB设备 不断
9、涌现。可以认为在Windows 98操作系统推 动下，带来了USB技术的飞速发展和普及。 现在，不管买什么样的个人电脑，你都能找到 USB端口。 USB技术并不仅限于PC行业，现在每一个计算机 硬件的生产商都在尝试在他自己的平台上应用 USB技术。*25USB基本概念（2）我们通常所用的鼠标和调制解调器都是连接在串口 上的。但USB并不完全是一个串口，它实际上是 一种串行总线。这意味着你的机箱后盖上的USB 端口可以连接许多设备，这些设备可以相互连接 在一起。而且不同类型的设备组成可以通过一种 称为USB集线器的硬件分离开来，这些都是与传 统的串口上只能链接一个设备有着本质区别的。 USB用来
10、把串口、并口等不同的接口统一起来， 使用一个4针插头作为标准插头。通过这个标准 插头，采用菊花链形式(星型结构)可以把所有的 外设连接起来，并且不会损失带宽。*26USB基本概念（3）今后USB将取代当前PC上的串口和并口。当我们 提到USB时，与其将它想象成一个串口，还不如 将它想象成一个连接有不同设备的网络，就像我 们所熟悉的以太网一样。给出了一个典型的USB 设备网络配置的示意图。*27典型的USB配置图*28USB的基本特点与传统的总线接口相比，USB有以下七方面的优 点。下面分别介绍。*29USB总线的主要性能特点（1）每个USB系统中有一个主机，采用“级联”方式 USB总线可连接多
11、个外部设备。每个USB设备 用一个USB插头连接到上一个USB设备的USB 插座上，而其本身又提供一或多个USB插座供 下一个或多个USB设备连接使用。这种多重连 接是通过集线器Hub来实现的，整个USB网络 中最多可连接127个设备，支持多个设备同时 操作。*30USB总线的主要性能特点（2）USB提供机箱外的热即插即用功能，连接外设不必再 打开机箱，也不必关闭主机电源，USB可智能地识别 USB链上外围设备的动态插入或拆除，具有自动配置 和重新配置外设的能力，因此连接设备方便。 *31USB总线的主要性能特点（3）适用于带宽范围在几千位/秒（Kb/s）几百兆位 /秒（Mb/s）的设备。US
12、B总线既可连接键盘、 鼠标、摄像头、游戏设备、虚拟现实外设这样 的低速设备，也可连接电话、声频、麦克风、 压缩视频这样的全速设备，还可连接视频、存 储器、图像这样的高速设备。此外，USB总线 还允许复合设备（即具有多种功能的外设）连 接到PC机。 *32USB总线的主要性能特点（4）低成本的电缆和连接器。USB通过一根四芯的电缆传送 信号和电源，电缆长度可变，可长达5m。USB统一的4 针插头将取代机箱后部众多的串行口、并行口、键盘 接口等插头。 USB具有错误检测和处理机制，可识别设备的错误。较低的协议开销带来了高的总线性能，且适合于低成本 外设的开发。 支持主机与设备之间的多数据流和多消息
13、流传输，且支 持同步和异步传输类型。*33过去接口方案存在缺点今天的微型计算机上所使用的大多数外围设备仍 然是基于接口实现的，这些接口最早由IBM公司 在20世纪80年代早期设计。这些接口的设计有很多缺陷，它们不仅给设计者 带来了许多麻烦，而且也给用户带来诸多不便。 下面我们将对这些缺点进行总结和回顾。在这个 过程中我们将会注意到：这些缺点中的很多直接 导致了人们需要更好的解决方案来实现外围设备 与计算机之间的连接。*34PC的I/O模式的缺点下图表示了传统的I/O模式，在那里外围设备通常 被映射为CPU的I/O地址空间，并且被分配一个 指定的IRQ(中断请求)，在某种情况下它们也 可以是一个
14、DMA通道。这些系统资源被分配给 指定的外围设备，这些地址的分配通常是由 IBM公司和其他设备制造商指定。而且在事实 上，这种地址分配方法已经成为一种标准。软 件开发者要利用这些关于中断请求和DMA通道 的信息对指定的设备进行访问。*35传统外围设备所用的系统资源*36中断在大多数情况下，许多关键的系统资源问题都涉及到中 断请求分配，因为PC上所用到的很多设备都要求使用 中断。这一点对于那些通过ISA总线和PC相连的外围 设备来说尤其是这样，因为ISA总线不能可靠地支持共 享式中断。下表列出了每个IRQ以及使用每个IRQ的典 型设备。从这个表中我们可以看到，很多IRQ指定给特 定的设备，这种做
15、法完全是出于传统的考虑。但是还 有一些IRQ可以被很多种外围设备使用。基于PCI总线 的系统也包括ISA或EISA两种总线。*37典型的设备占用中断情况表*38I/O地址和非共享式接口在PC的环境中，IO地址冲突是十分常见的。 尽管x86处理器有能力访问64KB的IO地址单元，但是传 统的扩展卡通常只能对16条地址线中的10个进行解码。 这就导致了最多只能有1KB的地址空间块可以被ISA的扩 展卡所使用。 标准PC的外围设备接口支持单个设备的连接 由于在一个给定的时刻只有一个外围设备可以连接，这 样，连接的灵活性就被最小化。 由于这个限制，所以通常用一块专用的扩展卡插到扩展 总线上，通过它来为
16、新的外围设备建立一个连接点，但 是这种做法相对来说成本比较昂贵。*39主板上的外设连接口*40终端用户遇到的问题种类繁多的数据线 扩展卡的安装和配置 外围设备不能热插拔 成本*41USB的体系结构概述讨论USB的以下几个方面系统描述 物理接口 电源 总线协议 健壮性 系统配置 数据流类型*42USB系统描述一个USB系统由三部分来描述：USB主机、USB设备 和USB互连。 USB设备 USB设备分为Hub(集线器)和Function(功能)两大类。 USB主机 在任一USB系统中只有一个主机。到主计算机系统 的USB接口被称作主机（主控制器）。 USB互连 USB互连指的是USB设备与主机的连接和通信方式， 它包括总线拓扑结构、内层关系、数据流模型和 USB调度表。*43USB总线拓扑结构*44USB的物理总线拓扑结构*45USB主控制器的位置*46主机和设备的通信模型*47硬件和软件
