[信息与通信]第3章 总线技术.ppt

1,第三章 工业控制计算机总线技术 基本要求：掌握计算机总线的基本概念，掌握计算 机总线的分类，了解常用计算机总线类型 重点与难点：计算机总线的基本概念及分类,2,3.1 总线的基本概念 3.2 计算机总线的分类 3.3 计算机总线的数据传输过程 3.4 计算机总线的数据传输方式 3.5 计算机常用总线,3 工业控制计算机总线技术,3,§ 3.1 总线的基本概念,4,3.1 总线的基本概念,总线概念:计算机总线是计算机各部件之间进行信息传输的公共通道。通俗地说，就是连接计算机各部件的一组公共信号线。 工业控制计算机均采用总线结构，其优点是系统成本低、组态灵活、扩展方便、易于维护。采用总线标准设计、生产的接口板兼容性强，且可通过系统总线方便地组合在一起，以组成满足不同需要的微机系统。 任一时刻，只能有一个部件/设备通过总线发送数据，其他部件只能处于接收状态。,5,计算机总线技术包括通道控制功能、使用方法、仲裁方法和传输方式等。 计算机总线的主要职能：负责计算机各部件之间的信息传输。 总线性能 ：总线的传输速率 、总线的兼容性、性能价格比 。 多总线结构：多总线结构是指CPU与存贮器、I/O等部件之间有两种以上的总线，这样可以将速度不同的部件挂在不同的总线上，以提高系统效率。,6,单总线结构,CPU,M,M,I/O,I/O,I/O,缺点：高速的存储器与低速的I/O接口竞争总线，影响了存储器的读写速度,7,多总线结构,8,§ 3.2 总线的分类,9,按总线在微机系统中所处的位置，可分为三类： 片内总线 是CPU内部的各个组成部分，如算术逻辑单元、寄存器等之间的信息通道，也是CPU内部各组成部分和系统总线连接的桥梁。我们一般不直接和片内总线打交道。 系统总线(内总线) 系统总线也叫(内总线)，是CPU片内总线的延伸。系统总线并不是对CPU引脚的简单复制，而是按照相应的总线标准对片内总线进行扩充，增加中断控制、仲裁控制等控制信号。为了加大其驱动能力和在必要时交出总线的控制权，在相应信号线之间加上驱动电路和缓冲(三态)电路，并且保证其兼容性。为便于系统扩充，所有总线标准均将系统总线的信号以总线扩展插槽的形式引出，以便和功能插件接口。总线扩展插槽中只能插入与之兼容的插件板。,10,外部总线 外部总线也称通信总线，用于和外部设备(如打印机、鼠标等)以及其他微机系统(如微机、智能仪表、数字传动设备等)之间的信息传输。,11,从工业控制角度来看，我们只关心系统总线和外部总线。这些总线通常有几根、几十根，甚至上百根信号线。这些信号线按功能可分为如下几类： 数据总线（Data Bus，DB）用来传输计算机运行所需的指令代码和数据。 地址总线（Address Bus，AB）计算机用地址总线给出它要读写的内存或设备的地址。地址线的数目决定CPU可访问(寻址)内存的最大容量和端口的最大数目。 控制总线（Contrl Bus, CB）用来传送控制信号和时序信号。控制信号中，有的是微处理器送往存储器和IO接口电路的，如读写信号，片选信号、中断响应信号等 ;也有是其它部件反馈给CPU的 电源和地线：为总线上的设备及扩展插卡提供电源。它决定了总线设备在不自带电源的情况下能使用的电源种类。 备用线：某些总线备用信号线供以后扩展功能或满足用户的特殊需求,12,§ 3.3 计算机总线的数据传输过程,13,总线上的数据传输都是在总线主控设备的指挥下进行的。所谓总线主控设备，是指对总线拥有完全控制权的部件或设备，例如CPU、DMA控制器。而被总线主控设备选中进行通信的部件或设备则称为从属设备。从属设备接受和执行主控设备的命令，并传输相应的信息。在总线上完成一次传输，一般分为如下几个阶段： 总线申请阶段：总线上一般都有多个主控设备。当某主控设备需要启动一次数据传输时，它首先要向系统提出使用总线的请求，总线仲裁逻辑按照预先规定好的协议决定是否将总线控制权交给申请者。取得总线控制权的主控设备，即可启动一次数据传输。,14,寻址阶段：取得总线控制权的主控设备通过在地址总线上给出被寻址的从属设备的地址并在控制总线或/和数据总线上给出相应的控制命令以启动数据传输过程。 数据传输阶段：主控设备将数据或程序指令从源设备读出，写入目的设备。 传输结束阶段：主控设备和从属设备均可申请终止一次传输过程，但双方均无权单方面终止传输过程。在一方提出申请后、主控设备完成规定操作，然后撤销所有控制信号，并将地址和数据总线及一部分控制总线设置为高阻态，即将总线控制权交回给系统。,15,§ 3.4 计算机总线的数据传输方式,16,同步传输方式 使用系统时钟脉冲作为控制数据传输的时间基准。主控设备与从属设备进行一次总线操作的时间是固定的，并且每一个步骤的起止都与某一时钟脉冲的前沿或后沿同步，即以系统时钟来统一传输的步伐。 同步传输要求主控设备严格地按时钟脉冲规定的时刻给出地址和命令，也要求从属设备严格地按时钟脉冲规定的时刻读出和写入数据。即主控设备和从属设备之间的时间配合是强制同步的。 大多数微机的基本传输方式都是同步式的。 缺点：系统中快速模块必须迁就慢速模块，总线响应速度由速度最慢的模块确定，使系统整体性能大为降低。而且无法确知被访问的模块是否已经真正响应，故可靠性亦较低。,17,异步式传输 多数系统中不同模块的数据传输速度差异较大，为解决同步传输方式的上述缺点，异步传输方式得到广泛应用。 数据发送部件和接收部件之间没有公用的时钟和固定的时间间隔，采用应答方式进行数据传输，即使用“请求”和“应答”信号来协调传输过程而不依赖于公共的系统时钟信号。 在这种传输方式下，数据传输的过程为：主控设备将待读写设备的地址放到地址总线上，然后发出读写命令(请求)；从属设备进行地址译码，被选中设备即将数据放到数据总线上或读数据总线上的数据：最后从属设备向主控设备发出数据准备好信号，通知主控设备数据可用或报告主控设备数据已读取成功(响应)；这种方式可根据从属设备的传输速率自动调节响应时间，因而不用考虑外围设备的速度。 传输速度慢,18,半同步传输 总体上仍是同步方式(使用基准时钟)，传输操作与时钟同步 设置“等待”状态线，在无法按时完成操作时，用此状态线强制对方延长一个或多个时钟周期 ISA总线即属于半同步方式总线,19,分离式传输 考虑到在主控设备通过总线向从属设备发送了地址和命令后，到从属设备通过数据总线提供数据之间，是从属设备执行读写命令的准备时间，这段时间总线是空闲的。 为了充分利用这段时间，系统将一个传输周期分成两个独立的子周期：第一个子周期是主控设备发出地址、命令及有关信息，经总线传输，由相应设备接收后，两者立即从总线上断开(通过置自己的相应引脚为高阻态)，以便其他设备使用总线；第二个子周期是被选中的从属设备准备好数据，发出总线请求信号，获准后即通过数据总线将数据高速发向原来要求数据的设备。 这种方式适合于有多个主控设备的系统在两个设备之间传输大量数据。PC系统中的DMA(直接存储器存取)就是使用这种方式传输数据的。,20,§3.5 常用系统总线及外部总线,21,22,（一）PCXT总线,PC及XT使用的是INTEL公司生产的准16位微处理器8088。总线信号不是CPU引脚的简单延伸，而是通过锁存器8282、总线收发器8286、总线控制器8288、中断控制器8259和DMA控制器8237等重新驱动、组合、扩展而成的，共62根信号线，全部引到主板上的8个总线扩展插槽上。 PCXT总线为半同步总线，总线工作频率为4MHz，最大传输速率为4MBs。,23,（二） ISA总线,总线的元老 特点：CPU为唯一主模块，插卡数量亦有限,缺少中枢寄存器，不能动态分配资源已接近淘汰, 但因许多老设备如声卡、Modem等仍离不开它，故许多主板芯片给依然提供对其的支持(如下页的主板示意图等) 主要特性 16位数据线（早期的为8位，已被淘汰） 24位地址线（可寻址16MB存储器） 时钟频率8MHz 数据传输率16MB/s 提供11个中断请求输入 提供7个DMA通道 用于80286PIII（个别P4微机也支持）,ISA总线接插槽为6236芯长短两个接插槽,24,25,用到ISA总线的声卡示意图,26,(三) EISA(Extended ISA)总线,Compaq，AST和HP等公司于1988年推出了一种兼容性很强的高性能总线，即EISA总线。与ISA总线完全兼容，保护了广大用户在基于ISA总线设备上的投资；EISA总线支持32位地址，8位、16位、32位数据，支持多总线主控和多处理器结构，具有较强的IO能力和负载能力。 EISA总线具有总线仲裁机制和自动配置系统的能力，数据总线为32位宽度，采用同步工作方式，总线工作频率为8.33MHz。最大传输速率为33MBs，支持32位的线性突发式传输，所以适用于网络服务器、高速图像处理、多媒体技术等领域。,27,（四）PC104 总线,这是超小型PC的总线标准。这种PC体积小、结构紧凑、可靠性高，被广泛应用于工业控制领域，或者被嵌入到对体积和功耗要求都很高的系统，如仪器仪表、医疗设备、通信装置、军用设备和机器人等设备。这种PC机取消了底板和插槽结构，而采用模板上的两个总线插头座将各模板叠装在一起，每个模板上有两个总线插座，一个64线，一个40线，共104线(这也是总线名称的由来)。 PC/104总线产品软件上与PC/AT完全兼容。,28,PC/I04,29,（五）STD总线,STD总线是目前国际上较流行的总线之一,主要用于工业控制领域。 STD总线采用公共母板结构，其总线布置在一块母板上，总线信号引至装在母板上的插槽上。系统采用插卡式结构，各种功能插卡(如CPU卡、存贮卡、显示卞、I/O卡等)均按标准规格制造，可插入母板上的任意插槽中。STD总线插槽为56线双列插槽 STD总线的数据总线宽度为8位16位，总线工作频率为2MHz，最大传输速率为2MBs。STD总线标准现已发展为STD32，它有地址总线宽度32位，数据总线宽度也为32位。,30,（六）VME(VERSA Module Eurocard)总线,这是一种高性能、开放式总线，最早是由MOTOROLA等公司32位微处理器设计的。它有两个三列的连接器P1，P2，每列有32个引脚，其中P2只使用中间的一列，两侧的64个引脚不与总线相连。按其功能介绍如下： 数据总线32根，可在控制总线的控制下存取8位、16位或32位数据。在D64方式下，地址线分时复用为数据线，所以此时有64根数据线。 地址总线32根，可在控制总线的控制下输出16位、24位或32位地址(使高位失效)，最大可寻址4.3GB内存；可分时复用为数据总线的高32位。 数据传输控制线12根，用以控制数据及地址的宽度和存取数据时的权限等。 总线仲裁总线14根，用于决定由哪个主控设备使用总线。 中断控制总线10根，接收中断请求信号并控制其优先级。 公共总线，包括系统时钟、复位等信号及多组电源。 VME总线为并行异步总线，它结构紧凑、功能强、性能优异、可靠性高，但因价格较高且熟悉MC68000系列计算机及软件的人较少，限制了它的推广。,31,（七）Multibus总线,Multibus总线是一种异步多处理器系统总线,在CPU、存贮器、扩展IO板之间可传送8位或16位数据，支持多个主控设备和从属设备。它在工业控制计算机系统中被广泛应用。由于其结构简单，配置灵活，功能较强，且能支持各种档次系统因而目前国际上很多IDCS(分布式控制系统)系统都采用这种总线。,32,(八) PCI总线,PCI（Peripheral Component Interconnect,外部设备互连)总线是一种先进的高性能局部总线，可同时支持多组外围设备。 PCI总线不受制于处理器，它为CPU和高速外围设备提供了高速的数据通路并可作为总线间的交通指挥，提高数据吞吐量。 PCI总线采用高度综合化的局部总线结构，其优化的设计可充分利用先进的微处理器技术，可确保系统和外围部件之间及其他系统之间运作可靠，并能完全兼容ISA/EISA/MCA等总线。,33,34,PCI局部总线,PCI (Peripheral Component Interconnect) PCI总线有188根信号线，可分为如下几类：地址数据线及数据传输控制线共76根。其中地址数据分时复用线64根，在32位操作时仅使用32根；传输控制线12根，在32位操作时仅使用5根。 其他为接口控制信号、错误报告信号、中断信号、仲裁信号、cache支持倍号、边界扫描信号及系统信号、电源等等。 PCI总线以33MHz频率操作，采用32位64位操作，32位操作时传输速率可达132MBs(64位操作时可达264MBs)，远远超过标准的ISA/EISA总线，即使在32位操作的情况下，也能支持Pentium级处理器的图形数据传输。,35,36,采用PCI的显卡,37,PCI总线还有以下特点：,(1)支持线性突发式传输，可确保总线高速传输数据； (2)存取延时极小，可大幅度减少外设取得总线控制权的时间，提高传输速度。 (3)采用总线主控和同步操作，以加速执行高数据吞吐量、高优先级的任务。PCI独特的同步操作可保证CPU与总线主控设备同时操作，而不必等待后者完成，进一步提高了运行速度。 (4)不受处理器限制。PCI独立于处理器的设计可保证处理器技术的变化个会使外设过时，保护用户利益。,38,(5)适合各种机型。PCI总线既适合于台式计算机，也适合笔记本和服务器，还支持3.3v电源环境，可大大减小功耗；PCI卡可节省机内空间。在服务器环境中，PCl支持分级式外围设备的特性，使之拥有一组级连的PCI总线或设置为多组PCI总线，以提供更多的IO接口。 (6)兼容性强可兼容ISA，EISA及MCA总线。 (7)预留了发展空间。目前的PCI总线已经能够支持64位的数据和地址。同时它还提供自动配量功能，即支持即插即用。 (8)低成本、高效益。PCI总线使用了高度集成的接口芯片，且采用了地址数据线复用技术，从而减少了引线数，大大降低了成本。 PCI总线的优异性能使它成为当今系统总线的主流总线标准，应用于各种档次的微机中。,39,§ 3.5 计算机外部总线,40,外部总线一般用于计算机和智能设备以及智能设备之间的通信，如计算机和计算机、计算机和智能仪表、智能仪表和智能仪表等等。本节介绍几种常用的外部总线。,41,(一） IEEE-488总线,这是一种异步并行外部总线专用于计算机与智能仪表、I/O设备之间的并行通信，又称GP-IB(General Purpose Interface Bus)总线。其信号线共24根包括8根数据线，用于传输设备地址、操作命令和数据；8根控制线，用于控制传输过程；剩下8根全部为地线。 IEEE-488总线采用负逻辑(低电平为逻辑“1”，高电平为逻辑“0”)异步传输方式，总线上设备不超过15台，相互距离不超过2m，传输总距离不超过20m，传输速率小于10MBs。,42,（二）RS-232总线,这是一种串行总线，用了数据终端设备DTE和数据通信设备DCE之间的通信。RS232C总线接口采用25针D型插头座或9针D型插头座，两者的信号基本兼容，R3232C总线中最基本的三条线为信号接收线3，信号发送线2和信号地线7，在一般近距离通信中仅使用这三条线就足够了；而远距离通信，则需用到其他控制信号，甚至调制解调器。,43,RS-232串口标准是种在低速率串行通讯种增加通讯距离的单端标准。RS-232采取不平衡传输方式，即单端通讯。其收发端的数据信号都是相对于地信号的。所以其共模抑制能力差，再加上双绞线的分布电容，其传输距离最大约为15M，最高速率为20KBPS，且其只能支持点对点通信。,44,45,46,（三）RS485总线,采用平衡发送和差分接收方式实现通信：发送端将串行口的TTL电平信号转换成差分信号A,B两路输出，经过线缆传输之后在接收端将差分信号还原成TTL电平信号。 允许一个发送器驱动多个负载设备。RS485总线的电路结构为在一对平衡传输线的两端都配置终端电阻，发送器、接收器、收发器等可挂接在传输线的任何位置，实现数据传输中多个发送器和多个接收器共用同一传输线的多点应用。 RS485标准抗干扰能力强、传输速率高、传送距离远；采用双绞线，在不用MODEM的情况下，当传输速率为100KB/s时，传输距离为1.2km；传输速率为9.6KB/s时，传输距离为15km；传输速率为10MBs时，输距离为15m。RS485标准允许在其总线上挂接32个接收、发送器，目前已取得了广泛的应用。比如,在工业企业的小型分布式控制系统和商业POS收款机、考勤机的联网中用得很多。,47,