第4章总线技术.ppt

第4章 总线技术 总线是功能部件之间实现互连的一组公共信号线，用作相互间信息交换的公共通道。在PC系列微机中，显示器、磁盘驱动器、打印机等外设都是通过各自插在I/O通道上的接口电路（适配器）与微机系统连接组合起来的，换句话说，总线物理形态上就是一组公用的导线，许多器件挂接其上传输信号。微机的系统总线是主机与外部设备之间进行数据交换的重要通道。采用系统总线连接外设是一种常用的接口方法，即所谓总线接口技术。4.1 总线的概念4.1.1 总线的标准 为了工业化生产和能实现相互兼容，总线实行了标准化。总线接口引脚的定义、传输速率的设定、驱动能力的限制、信号电平的规定、时序的安排以及信息格式的约定等，都有统一的标准。对每个总线标准应包含下列内容：（1）机械结构规范，规定模块尺寸、总线插头、边沿联接器等规格和位置。（2）功能规范，规定每个引脚信号的名称和功能，对它们相互作用的协议进行说明。（3）电气规范，规定信号工作时的高低电平、动态转换时间、负载能力及最大额定值。（4）定时规范，对于存储器和I/O读、写操作，规定相应的总线信号时序，在总线中定义这些信号线的种类如下：（1）数据线、地址线及读/写控制信号线。（2）中断请求线、中断响应回答线。（3）总线请求线、总线请求允许线。（4）系统时钟、电源、地线。n4.1.2 总线分类n在微型计算机系统中，根据总线连接的对象和范围不同，可以把总线分成3层：n芯片总线（Chip Bus）又称为内部总线，它是一个大规模集成电路芯片内部（如微处理器内部中，控制器、运算器、寄存器等）或一个较小系统中（如系统主机板上的CPU、存储器接口电路等）各种不同器件连接在一起的总线；用于芯片级互连。n系统总线（System Bus）它是微机系统中模板与模板间连接的总线，是微机系统所特有的；用于模板级互连，它也被称为板级总线、内总线。系统总线多数已实现标准化，如STD总线、ISA总线、PCI总线等。n外部总线（External Bus）也有称之为通信总线的，它是微机系统之间或微机系统与其外设通信的总线，用于设备级互连。外总线种类较多，与特定设备有关，如RS-232串行通信总线、USB总线、Centronics打印机总线等。n微机的系统结构是总线结构。图4-1就是一个利用系统总线组成的工业控制微机系统的典型结构。需要说明的是，这是为了图示总线分层而画的一个简化的结构图。在一个实际的微机系统中，由于总线的时序、驱动能力等原因，各部件并不是通过同一组导线实现连接的，而是要经过缓冲锁存形成多级总线。下面分别介绍系统总线和外部总线。扩充存储器通信接口计算机通信接口计算机通信接口计算机通信接口计算机ROMRAMI/O接口芯片总线CPU外总线系统总线图4-1 微机总线层次结构示意图4.2 系统总线n由于微电子技术和微型计算机技术的迅速发展和广泛应用，计算机系统总线不断发展，现有从8位机、16位机到32位机，甚至64位机的各种微型计算机系统总线。常见的系统总线标准有S-100、STD、PC/XT、ISA、EISA、PCI等。n4.2.1 S-100 总线nS-100总线是美国MITS公司1975年提出的总线标准，首先在MITS公司的Altair微机系统中使用。是第一个廉价的微型机系统总线，曾获得广泛的应用，如早期流行的TP801单板机即采用了S-100总线。nS-100总线因使用100个信号线而得名，它是针对Intel 8080 CPU进行设计的，也可用于Z-80 CPU系统。100个信号线按功能分为8组：16条数据线，24条地址线，8条状态线，5条控制输出线，6条控制输入线，8条DMA控制线，8条向量中断线和25条其他用途的线。但由于其提出时间早，当时并未经过慎重研究，故存在一些问题。于是，IEEE计算机协会的微处理器标准委员会在1978年和1979年经两次修订，产生了新S-100总线，定名为IEEE-696。n4.2.2 STD总线nSTD总线是1978年由美国Prozlog公司推出的、面向工业控制的标准系统总线。它采用一系列的高可靠性的措施，使该总线构成的工业控制机，可以长期工作在恶劣环境下。而且STD总线采用小板结构，设计和制造成本较低，符合“轻、薄、短、小”的微电子技术发展潮流，迅速为设计者所接收，取得了惊人的发展。STD总线不仅是国际上流行的工业控制机标准总线，也是国内工业控制机首选的标准总线。nSTD源于英文标准Standard的缩写。1985年IEEE将其作为IEEEP-961推荐标准，主要针对各种8位CPU；1987年将其作为正式标准IEEE-961，采用分时复用技术，支持8位和16位CPU。1989年由美国的EATECH公司推出的新的STD32总线，与原STD总线兼容，同时还适合于32位CPU系统。nSTD总线共有56个引脚，按功能分为5个功能组，各组引脚表示如下：n逻辑电源总线：16脚。n数据总线：711脚。n地址总线：1530脚。n控制总线：3152脚。n辅助电源总线：5356脚。n总线编排及其引脚如表4-1所示。元件面焊接面引脚信号名信号流向说 明引脚信号名信号流向说 明逻辑电源总线1Vcc输入逻辑电源+5V2Vcc输入逻辑电源+5V3GND输入逻辑接地4GND输入逻辑接地5VBB1/VBAT输入逻辑偏置l/电池6VBB2/DCPD输入逻辑偏置2/掉电电源引脚信号名信号流向说 明引脚信号名信号流向说 明数据总线7D3/Al9输入/输出数据总线/地址扩展总线8D7/A23输入/输出数据总线/地址扩展总线9D2/A18输入/输出10D6/A22输入/输出11D1/A17输入/输出12D5/A21输入/输出13D0/Al6输入/输出14D4/A20输入/输出地址总线1517192123252729A7A6A5A4A3A2A1A0输出输出输出输出输出输出输出输出地址总线1618202224262830A15/D15A14/D14A13/D13A12/D12A11/D11A10/D10A9/D9A8/D8地址总线/数据扩展总线控制总线3133353739414345474951 输出输出输入/输出输出输出输出输出输入输出输出输出写I/O地址选样I/O扩展刷新定时CPU状态总线响应中断响应等待请求系统复位处理器时钟优先级链输出3234363840424446485052输出输出输入/输出输出输出输入输入输入输入输入输入读存储器地址选择存储器扩展CPU周期同步CPU状态总线请求中断请求非屏蔽中断请求按钮复位辅助定时优先级链输入辅助电源总线5355AUXGNDAUX +V输入输入辅助接地辅助电源+12V5456UKGNDAUX -V输入输入辅助接地辅助电源-12Vn4.2.3 IBM PC总线n在PC/XT机的底板上共有8个插槽（SLOT），称为IBM PC总线。它有62条引脚，引脚间隔2.54mm。PC总线实际上是8088CPU核心电路总线的扩充和重新驱动。引脚的安排如图4-2所示。nIBM PC总线的62个引脚可以分为地址线、数据线、控制线、状态线、辅助线与电源线5类。I/O CHCKD7D6D5D4D3D2D1D0I/O CHRDYAENA19A18A17A16A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0GND+RESETDRV+5V+IRQ0-5VDRQ2-12V+12VGNDMEMWMEMRIOWIORDACK3DRO3DACK1DRQ1DACK0CLOOKIRQ7IRQ6IRQ5IRQ4IRQ3DACK3T/CALE+5VOSCGNDB01A01B08B10A10B20A20B31A31焊接面元件面图4-2 IBM PC总线信号引脚排列n1DB数据线D0D7（共8条）数据线为双向，D0为最低位，用来在CPU、存储器及I/O端口之间传送数据，可用或、或进行数据选通。2AB地址线A0A19（共20条）地址线A0A19为输出信号，A0为最低位。它们用来指出内存地址或I/O地址，在系统总线周期中由CPU驱动，在DMA周期由DMA控制器驱动。地址线由CPU还是由DMA控制器发出的，要用AEN信号线来确定。在存储器寻址时，利用这20条线可以访问1MB存储空间。在进行端口访问时，8086/8088CPU只利用了A0A15访问64K个端口地址。n3控制线（共21条）n（1）AEN。地址允许信号，输出线，高电平有效，是由DMA控制器发出的。（2）ALE。地址锁存允许信号。微处理器或总线控制器在每个总线周期发出ALE信号，ALE有效，表示一个总线周期开始。此信号的下降沿可以用来锁存地址信号。（3）IOR。I/O读命令，输出线，低电平有效。该信号指明当前的总线周期是一个I/O端口读周期，地址总线上的地址是一个I/O端口地址。n（4）IOW。I/O写命令，输出线，低电平有效。与类似，该信号由CPU或DMA控制器产生，由总线控制器驱动后送至总线。该信号指明在地址总线上有一个I/O端口地址，数据总线上有一个需要写至I/O端口的数据。n（5）MEMR。存储器读命令，输出线，低电平有效，用于请求从存储器读取数据。该信号由总线控制器驱动，它表明地址总线上有一个有效的存储器读地址，指定的存储单元必须将数据送上数据总线，在信号上升沿微处理器读入有效的数据。n（6）MWMW。存储器写命令，输出线，低电平有效，用于将来自数据总线的数据写入存储器。该信号由总线控制器驱动。它表明地址总线上有一个有效的存储单元地址，数据总线上的数据要在信号的上升沿写入这个单元。n（7）T/C。DMA终止计数信号，输出线，高电平有效。该信号由DMA控制器发出，表明某DMA通道传送已达到预定字节数，终止DMA数据传送。n（8）IRQ2IRQ7。6级中断请求信号。这6个输入信号用来向微处理器发出中断请求，采用边沿触发。n（9）DRQ1DRQ3。3条DMA请求信号，输入线，高电平有效，是I/O端口用来申请DMA周期的。此信号表示外设要求进入DMA周期。n（10）DACK0DACK3。4条DMA响应信号。这4个信号都是由DMA控制器发出的输出信号，低电平有效，表示对应DRQx信号已被接收，DMA控制器可以开始DMA周期。n（11）RESET DRV。复位驱动信号，输出线，高电平有效。加电时使系统各部件初始化。n4状态线n（1）：I/O通道校验，输入信号，低电平有效。指明I/O通道上扩充存储器或外设出现奇偶校验错，会对微处理器产生不可屏蔽中断（NMI）。n（2）I/OCHRDY。I/O通道就绪信号，输入信号，高电平有效。这个信号高电平时表示扩展总线就绪，系统与外设之间可以进行操作；当此信号为低电平时，用来延长总线周期，以适应慢速设备。如果存储器或I/O端口要延长总线周期，则在它译出其地址并接收到，等命令时，迫使I/O CHRDY电平为低。n5辅助线和电源线n（1）OSC。主振信号（14.31818MHz），输出。n（2）CLK。PC/XT内部系统时钟输出，频率为4.77MHz。n（3）电源及地线。5V，12V，地线。n4.2.4 ISA总线nIBM PC总线是针对Intel 8088设计的8位系统总线，共有62条信号线。为了和Intel 80286等16位微处理器配合使用，IBM公司在PC总线的基础上增加了一个36脚的AT扩展插槽而形成IBM AT总线，并随IBM PC/AT微型机系统一起推出，称为ISA总线。nISA总线实际上只是将微处理器芯片总线经缓冲直接映射到I/O通道上，其设计不甚合理、功能也并不强。但是，由于PC应用广泛，又有丰富的软硬件资源，所以其总线得到广泛应用。现在，PC微机及其采用的ISA系统总线不仅占有广大的通用微机市场，而且广泛用于工业控制领域。ISA总线也成为控制领域常用的标准总线。n如图4-3所示，ISA总线设计成前62引脚和后36引脚的插座。1 I/O CHCK2 D73 D64 D55 D46 D37 D28 D19 D010 I/O CHRDY11 AEN12 SA1913 SA1814 SA1715 SA1616 SA1517 SA1418 SA1319 SA1220 SA1121 SA1022 SA923 SA824 SA725 SA626 SA527 SA428 SA329 SA230 SA131 SA01 GND2 RESET DRV3+5V4 IRQ95-5V6 DRQ27-12V8 OWS9+12V10 GND11 SMEMW12 SMEMR13 IOW14 IOR15 DACK316 DRQ317 DACK118 DRQ119 REFRESH20 CLK21 IRQ722 IRQ623 IRQ524 IRQ425 IRQ326 DACK227 T/C28 BALE29+5V30 OSC31 GND1 SBHE2 LA233 LA224 LA215 LA206 LA197 LA188 LA179 MEMR10 MEMW11 D812 D913 D1014 D1115 D1216 D1317 D1418 D151 MEM CS162 IO CS163 IRQ104 IRQ115 IRQ126 IRQ137 IRQ148 DACK09 DRQ410 DACK511 DRQ512 DACK613 DRQ614 DACK715 DRQ716+5V17 MASTER18 GND图4-3 ISA总线引脚信号n4.2.5 PCI总线n1PCI总线定义 外围部件互连（PCI）总线又称外设部件互连总线，它是一种将系统中外围部件以结构化可控制方式连接起来的总线标准，是基于Pentium等新一代微处理器而发展的总线。PCI器件和扩展卡是独立于微处理器的，能使局部总线与微处理器/存储器子系统同时工作，并且满足多种高性能要求。也就是说，PCI总线的连线进行了标准化处理，成功解决了总线独立于微处理器所带来的一系列技术问题，任何一种CPU都可以使用PCI总线。n2PCI总线结构n在PCI系统中可以做到：高速外围部件与低速外围部件共存，PCI总线与ISA/EISA总线共存。图4-4所示为工作站中PCI系统结构图。系统中只有一条PCI总线，由于受电气特性的限制，它所连接的PCI设备个数有限。扩展总线桥将PCI I/O和PCI内存空间的存取转换成对ISA I/O和ISA内存的存取，支持古老的ISA设备，使主板中同时包含几个ISA总线槽和PCI槽。现在对ISA设备的兼容支持逐渐减弱，PCI板卡已经普及，新的P4主板上只有PCI槽。处理器桥/存储控制器音频LANCacheSISC运动视屏PCI局部总线图形基本I/O设备ISA总线DRAMAGP接口扩展总线桥图4-4 工作站中的PCI系统结构图n图4-5所示为服务器中的PCI系统结构图。在这类系统中，PCI-PCI总线桥是一种将系统中所有PCI总线连接起来的特殊PCI设备。引入PCI-PCI总线桥后，系统可以使用更多的PCI设备。对于高性能服务器来说，这是非常重要的。n从图4-4和图4-5中可以看出，处理器/Cache/存储器子系统经过一个PCI桥连接到PCI总线上。此桥电路提供一个低延迟的访问通路，使处理器能够直接访问通过它映射于存储器空间或I/O空间的PCI设备；也提供使PCI主设备直接访问主存的高速通路。该桥电路有数据缓冲功能，使CPU与PCI总线上的设备并行工作而不必相互等待。桥电路实现PCI总线的全部驱动控制，使PCI总线的操作与CPU总线分开，以免相互影响。扩展总线桥扩展总线桥PCIPCI总线桥处理器/Cache处理器/Cache存储器控制器LANSCSISCSILANPCI局部总线1PCI局部总线2主桥主桥DRAMPCI局部总线3ISA/EISA,MCA总线1ISA/EISA,MCA总线2图4-5 服务器中的PCI系统结构图n3PCI总线特点n1991年下半年，Intel公司首先提出PCI总线的概念，并且成立PCI集团。这个集团包括IBM，Compaq，Apple，DEC，NCR等计算机业界大户。1992年6月22日推出PCI l.0版，1995年6月1日推出64位数据通路、66MHz工作频率的PCI 2.1版，新版本已经达到133MHz。PCI总线主要有如下7个特点。n（1）突出的高性能。实现33MHz到133MHz的同步总线操作，传输速率从132MB/s升级到264MB/s，满足当前及以后相当时期内PC传输速率的要求；支持线性突发工作方式（如果被传送的数据在内存中是连续存放的，则在访问这一组连续数据时，只在传送第一个数据时需要两个时钟周期，第一个时钟周期给出地址，第二个时钟同期传送数据；而传送其后的连续数据时，传送一个数据只要一个时钟周期，不必每次都给出地址，而由自动加1实现，这种传送称为“线性突发传送”）。n（2）良好的兼容性。PCI总线部件和插件接口相对于处理器是独立的，PCI总线支持所有的目前和将来不同结构的处理器，因此具有相对长的生命周期。n（3）支持即插即用。对于PCI扩展卡及器件，能够进行全自动配置，PCI设备中包含配置所需设备信息的寄存器。n（4）多主能力。支持多主设备系统，体现高度的接纳设备的灵活性。n（5）优良的软件兼容性。n（6）定义5V和3.3V两种信号环境，3.3V5V的组件技术可使电平平滑过渡。n（7）相对的低成本。n4PCI总线信号nPCI总线信号如图4-6所示，图左边为必要信号，右边为任选信号，这些总线信号按功能可以分为9组。n（1）地址数据信号。n（2）接口控制信号。n（3）错误报告信号。n（4）仲裁信号（总线主设备用）。n（5）系统信号。n（6）64位扩展信号。n（7）中断请求信号。n（8）Cache支持信号。n（9）JTAG边界扫描测试引脚5PCI总线操作 PCI总线存取操作通常是由两个操作步骤组成的，一个是地址操作步骤，另一个则是数据操作步骤。在读操作周期，通常要用3个时钟脉冲周期时间。第一个时钟时间用来输出地址信息；第二个时钟是将地址线传送操作转换成数据访问操作；第三个时钟用来传送数据。使用标准的32位总线宽度，其数据传送速率为44MB/s。对于写周期而言，就不再需用将地址线传送操作转换成数据访问操作了。在两个时钟内即可完成一次写操作。其数据传送速率比读操作周期快了50%，达到66MB/s。n6PCI总线命令nPCI总线被公认为比EISA总线控制器或者微通道MCA控制器更加智能化。它能引导处理机通过恰当的PCI设备实施访问操作，它甚至通过筛选程序对使用总线请求逐一进行筛选以期达到最佳性能。n为了能指示出外围设备出现的总线周期类型，PCI总线桥能发出16种不同的总线操作命令。这种信息是通过C/3C/0（命令/字节允许）信号线被实施多路传送，而且是在每一个总线周期的地址操作步骤期间传送出去的。表4-2中列出了PCI总线桥的总线操作命令以及每条命令的简要说明。n7DMA和中断n从表4-2中可以看出，16条总线操作命令中并没有访问DMA的总线周期。在PCI 总线概念里（同样，在EISA和微通道内），由于有了总线主控设备这一概念，就使得DMA和中断这种操作方式成为过时且是多余的。这是因为DMA控制器必须通过系统板上的有效逻辑才可以实施对总线的控制操作。从另一个角度上说，总线主控设备会停止系统主板上总线的操作，而与适配器之间的通信则是通过总线插件槽实现的。由此可见，PCI总线能支持真正的多处理机操作系统。C/BE0名称总线传送类型0000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111INTA次序专用周期I/O读操作I/O写操作保留保留存储器读操作存储器写操作保留保留配置读操作配置写操作存储器多次读操作双寻址周期线性存储器读操作存储器写操作（由于无效）中断向量专用信息代码输出到PCI媒介上1从I/O设备输入数据数据输出到I/O设备数据从存储器地址空间输入数据输出到存储器地址空间数据从配置的地址空间输入数据输出到配置的地址空间一次扩充的数据读周期大于一次Cache行的读操作时间两个连续的寻址周期，在传送64位的地址时，被当成两个32位地址处理一次存储器的读操作大于32位（为一个Cache行）至少一个Cache行的一次存储器写周期（这种情况表明这个Cache行目前是无效的，并且旁路一次写回操作）表4-2 PCI总线命令n4.2.6 AGP接口nAGP接口是Intel公司提出的一种PC平台，是一种能充分改善对3D图形和全运动视频处理的新型视频接口标准。n显示卡的显示内存中不仅有影像数据，还有纹理数据、Z轴的距离数据及Alpha变换数据等。由于显示内存价格昂贵，不宜配备过大，因此通常将纹理数据从显存移到主存。然而，由于纹理数据传输量很大，若要从主存通过PCI总线传送回显存，则PCI总线是难以胜任的，因而成为系统的主要瓶颈。AGP在主存与显示卡之间提供了一条直接的通道。使得3D图形数据不通过PCI总线，直接送入显示子系统。这样就能打破由于PCI总线形成的系统瓶颈，从而实现了以相对低价格来达到高性能3D图形的描绘功能。采用AGP接口的系统结构如图4-7所示。处理器芯片组PCI设备二级高速缓存显存图形控制器系统主存PCI设备显示器AGPPCI图4-7 图形系统AGP连接方式n1AGP的特点nAGP是在66.6MHz PCI 2.1版本的基础上，采用了一些其他技术进行扩充而形成的，其功能特点有：n（1）采用流水线技术进行内存读/写。n（2）采用双泵技术。在66.6MHz的时钟信号上升沿和下降沿都传送数据，相当于使工作时钟频率提高了两倍，达到133MHz。n（3）采用DIME（直接存储器执行）技术。n（4）采用边带寻址SBA方式。n（5）显示RAM和系统RAM可以并行操作。n（6）缓解了PCI总线上的数据拥挤。因为把图形数据转到专用的通路，去掉了占用PCI带宽最多的因素。n2AGP的工作模式nAGP有3种工作模式：X1，X2和X4。X2以上的工作模式能够很好地发挥3D图形的描绘能力。AGP的工作模式如表4-3所示。模式工作频率数据传输率传输触发方式X1X2X466MH2133MH2266MH2264MB/s532MB/s1064MB/s上升沿上升沿和下降沿上升沿和下降沿表4-3 AGP工作模式n4.2.7 常用微型机总线的比较n1总线的性能指标 性能指标中最主要的是数据传输率。另外，可操作性、兼容性和性能价格比也是很重要的技术特征。具体来说，总线的主要性能指标有以下几项：（1）总线宽度：以数据比特数表示。（2）标准传输率MB/s：它是总线工作频率与总线宽度的字节数之积。（3）时钟同步/异步：总线上与时钟同步工作的总线称为同步总线，与时钟不同步工作的称为异步总线。这取决于传输时源模块与目标模块间的协议约定。（4）信号线数：是AB、DB和CB线数的总和，信号线数与性能无正比关系，但与复杂程度成正比。（5）负载能力：以可以连接的扩展电路板数表示。（6）总线控制方法：包括突发传输、并发工作、自动配置、仲裁方式、逻辑方式、中断方式等内容。（7）扩展板尺寸：对电路板生产厂商很重要。（8）其他指标：包括电源是5V还是3.3V，能否扩展64位宽度等。n2流行的计算机总线的性能比较 流行的计算机总线的性能比较如表4-4所示名 称PC（PC-XT）ISA（PC-AT）EISASTDVESA（VL-BUS）PCI适用机型8086个人计算机80286、386、486系列个人计算机386、486、586系列个人计算机Z-80、V20、V40、IBM-PC系列工控机486、PC-AT个人计算机P5个人机、PowerPC、Alpha工作站最大传输率4MB/s16MB/s33Mb/s2MB/s266MB/s133MB/s总线宽度8位16位32位8位32位32 位总线工作频率4MHz8MHz8.33MHz2MHz66MHz0133MHz同步方式同步同步仲裁方式集中集中集中集中集中逻辑时序边缘敏感边缘敏感边缘敏感电平敏感边缘敏感地址宽度202432203232/64负载能力886无限制63信号线数4980143439076/14864位扩展不可不可无规定不可可可自动配置无无无可并发工作可可猝发方式可引脚使用非多路复用非多路复用非多路复用非多路复用非多路复用多路复用表4-4 总线的性能比较4.3 外部总线n4.3.1 IEEE-488nIEEE-488总线最初由HP公司提出，后被美国电气及电子工程师学会（IEEE）和国际电气技术委员会（IEC）定为测量仪器系统的标准总线，故IEEE-488总线也称HP-IB（HP接口总线）或IEC-IB（IEC接口总线）或GP-IB（通用接口总线）。IEEE-488总线被广泛应用于各种智能仪器仪表中，是测量、仪器仪表中的标准总线。n1IEEE-488总线定义 IEEE-488总线由8条双向数据线、3条信号交换线和5条通用控制线组成，它们各自的功能为：（1）数据线：D7D0除了用于传送数据外，还用于“听”、“讲”（2）信号交换线：用来实现设备输入和设备输出时的信息交换（挂钩线），只有3条信号交换线，现说明如下：DAV：数据有效线。NRFD：未准备好接收数据线。NDAC：未接收完数据线。（3）控制线：用来控制系统的一般状态，现将5条控制线说明如下：IFC：接口清零线。ATN：监视线。它由控制器驱动，用它的不同状态对数据总线上的信息做出解释。当ATN=“1”时，表示数据线上传送的是地址或命令，这时只有控制器能发送信息，其它设备都只能接收信息。当ATN=“0”时，表示数据总钱上传送的是数据。EOI：结束或识别线。该线与ATN线一起指示是数据传送结束，还是用来识别一个具体设备。当ATN=“0”时，这是进行数据传送，当传送最后一个字节使EOI=“1”，表示数据传送结束；当ATN=“1”时，若EOI“1”，则表示数据总线上是设备识别信息，即可得到请求服务的设备编码。REN：远程控制线。该信号为低电平时，系统处于远程控制状态，设备面板开关，按键均不起作用；若该信号为高电平，则远程控制不起作用，本地面板控制开关，按键起作用。IEEE-488总线各设备连接方式如图4-8所示。微型计算机测量仪器打印机等外设被测系统8位数据总线DAV、NRFD、NDACATN、TFC、REN、EOI、SRQIEEE488总线图4-8 IEEE-488总线连接n2IEEE-488总线规定nIEEE-488总线规定使用24线连接器，这24线连接器中IEEE-488只使用其中的16条，其余引线用于接地，总线引脚分配如表4-5所示。nIEEE-488信号规定使用负逻辑，即“逻辑l”2.0V；总线最多可连接15个设备，最大距离小于20m，总线数据并行传输率最大为1MB/s。n在IEEE-488中通常把用接口连接到总线的设备（如计算机、电压表、打印机等）统称为器件，向总线发送数据的器件称“讲者”（T），从总线上接收数据的器件称为“听者”（L）。引线信号引线信号引线信号引线信号123456D1D2D3D4EIODAV789101112NRFDNDACIFCSRQANT机壳地131415161718D5D6D7D8KEN地192021222324地地地地地地表4-5 IEEE-488引脚定义n4.3.2 VXI总线n在认识VXI总线之前，先简单介绍VME总线。nVME总线是一个全32位的工作站级总线标准，由Motorola公司的VERSABUS总线演变而成，最初用于M68000计算机系统中，1985年被IEEE认可为IEEE-1014总线标准，广泛用于各种32位的工作站中。n而VXI总线是基于VME的仪器仪表扩展总线。VXI总线技术是20世纪末出现的一个新的总线技术。它首先出现于美国，应用于美国空军电子测量仪器。VXI总线将VME总线和GPIB结合起来构成一个新的标准，这种模块式仪器平台可以满足未来仪器应用的需要，使电子测量仪器和系统步入一个新的发展时期。n4.3.3 SCSI接口nSCSI接口SCSI（Small Computer System Interface）是小型计算机系统接口标准，1个SCSI接口控制器最多可连接7个SCSI外部设备，它采用了总线专用技术，可连接硬盘驱动器、软盘驱动器、CD-ROM、扫描仪、打印机及多媒体设备等，SCSI接口最初是为磁盘设备设计的，但很快得到广泛的认可。由于它是一种系统级接口，可以同时接到各种不同设备的任意一种，并通过高级命令与之通信。SCSI作为输入/输出接口，使用最多的是磁盘，还广泛用于CD-ROM、磁带、扫描仪、打印机等设备。nSCSI总线具有较高的数据传输速率。异步传送时，速率达到1.5MB/s；同步传送时，速率达4MB/s。在任何时刻，只允许两台设备进行通信。如果微机中没有配置SCSI总线接口，需要添加一块SCSI卡才能与SCSI设备连接。nSCSI总线标准在1986年推出之后，经过多次修订、扩充，于1992年推出ESCSI（SCII-2）标准，将数据总线从8位扩展为16位/32位，并提高了数据传输率，扩充了功能和设备命令集，与原SCSI兼容。nSCSI总线结构如图4-9所示。SCSI智能外设SCSI适配器SCSI智能外设主机SCSI总线系统总线最多可连接7个智能外设图4-9 SCSI总线结构nSCSI标准规定了两种输出方式：单端输出方式和差分输出方式。差分输出方式把单端输出方式中的部分地线改成了数据线和控制信号线的对称差分信号线，提高了数据抗干扰能力，允许总线长度可达25m。大部分的外设采用8位数据总线，也有少量的外设（如硬盘等）采用16/32位数据线，其传输率可达20MB/s。n目前大部分SCSI设备采用单端输出方式，SCSI总线长度限制在6m以内。8位单端输出的SCSI接口结构示意图如图4-10所示。主机适配器接口（50芯）DB0 数据总线第0位 外设控制器接口（50芯）DB1 数据总线第1位DB2 数据总线第2位DB3 数据总线第3位DB4 数据总线第4位DB5 数据总线第5位DB6 数据总线第6位DB7 数据总线第7位DBP 数据校验位ACK 认可（对REQ的确认）REQ 请求ATN 应答（对发送信息的确认）RST 复位外设SEL 选择外设BSY 忙C/D 命令/数据I/O 输入/输出MSG 信息字节图4-10 SCSI接口结构示意图n4.3.4 IDE接口nIDE接口接口只支持硬盘驱动器。为了与SCSI接口标准竞争，WD公司又推出了增强的IDE接口，也称为EIDE接口或称ATA接口。ATA接口不仅支持硬盘驱动器，还支持磁带机和CD-ROM驱动器。n与SCSI接口相比EIDE接口数据传输率较低，但价格便宜，应用方便，不用增加接口卡。目前微型计算机大多采用EIDE接口标准。目前PC主机上一般有两个IDE插口。一条IDE电缆上有两个接头，可以用来连接一个硬盘驱动器及一个CD-ROM驱动器。两条线共可连接四个具有EIDE接口的设备。nEIDE总线信号定义如表4-6所示。引脚号信 号引脚号信 号1357911131517192l232527293l33353739RESTD7D0D5D4D3D2D1D0GNDDRQ3IOWIORIOCHRDYDACK3IRQ4A1A0CS0Activity246810121416182022242628303234363840GNDD8D9D10D1lD12D 13D14D15KEYGNDGNDGNDBALEGNDGNDIOCS1A2CS1GND 表4-6 EIDE总线信号n4.3.5 USB总线 1什么是USB总线 通用串行总线（USB，Universal Serial Bus）是由Intel，Compaq，Digital，IBM，Microsoft，NEC，Northern Telecom等7家世界著名的计算机和通信公司，于1996年1月15日共同推出的一种新型接口标准。实现外设的简单快速连接，达到方便用户、降低成本、扩展PC连接外设范围的目的。它可以为外设提供电源，而不像普通的使用串、并口的设备需要单独的供电系统。快速是USB技术的突出特点之一，USB 2.0的最高传输速率可达480Mbps，适合多媒体数据的传送模式。USB接口的目标是取代现有计算机用的接口。n2主要特点（1）集线器使用树形连接，外设安装十分方便。用USB连接的外部设备数目最多达127个，节点间连接距离为5米，这对一般的计算机系统是足够的。（2）低成本。（3）两类通信速率。USB l.1有两种传送方式：最高达12Mbps的高速方式和1.5Mbps的低速方式。（4）3种传送模式对应多类装置。USB有同步、中断、大批等3种数据传送模式。（5）不同时钟信号用NRZI使数据同步。USB利用NRZI（不归零翻转）编码方式使数据获得同步，其特点是容易实现同步。由于没有时钟信号，所以数据的可维护性差。（6）装置和集线器可从总线获得电源。USB的一个优点是，低功耗装置可从总线获得电源。n3USB的结构框架nUSB采用了一种层次化的新结构，该结构以集线器为USB设备提供连接点。USB主控制器包含集线器，是系统中所有USB端口的起点。图4-11所示的是USB的这种层次化的拓扑结构，这种结构也可以看成是一级与一级的级联方式。由于USB不像其他总线一样采用存储转发的技术，因此不会对下级的设备引起延迟。集线器显示器键盘麦克风麦克风麦克风扬声器扬声器高速低速宿主机高速=12Mb/s低速=1.5Mb/sPCI总线USB主控制器/根Hub高速高速高速高速高速高速低速电话图4-11 USB的层次拓扑图n4接口信号线nUSB总线包括4根信号线，用来传送信号和提供电源。其中，D+和D-为信号线，传送信号，它们是一对双绞线；另两根是电源线和地线，提供电源。通常情况下，各条线的颜色分别为：D+为绿色，D-为白色，电源为红色，地线为黑色。与机器的连接方法如图4-12所示。高速USB收发器（主机端口或高速设备）高/低速USB收发器（主机或集线器端口）低速USB收发器（低速设备）高/低速USB收发器（主机或集线器端口）USB数据线+5VD+地15kWD-15kW1.5kWD+D-+3.03.6VUSB数据线+5VD+地15kWD-15kW1.5kWD+D-+3.03.6V图4-12 USB集成器和设备的电阻连接n5电气特性nUSB主机或根Hub对设备提供的对地电源电压为4.75V5.25V，设备吸入的最大电流值为500mA。当USB设备第一次被USB主机检测到时，设备从USB Hub吸入的电流值应小于100mA。nUSB设备有两种供电方式，自给方式（设备自带电源）和总线供给方式。USB Hub采用自给方式。nUSB主机有一个独立于USB的电源管理系统（APM）。USB系统软件与主机电源管理系统交互来处理诸如挂起和唤醒等电源事件。为了节省能源，对于暂时不用的USB设备，电源管理系统将其置为挂起状态，等有数据传输时，再唤醒设备。n6USB数据流类型和传输类型nUSB数据流类型有4种：控制信号流、块数据流、中断数据流和实时数据流。控制信号流的作用是当USB设备加入系统时，USB系统软件与设备之间建立起控制信号流来发送控制信号，这种数据不允许出错或丢失。块数据流通常用于发送大量数据。中断数据流是用于传输少量随机输入信号的，它包括事件通知信号、输入字符或坐标等，它们应该以不低于USB设备所期望的速率进行传输。实时数据流用于传输连续的固定速率的数据，它所需的带宽与所传输数据的采样率有关。n与USB数据流类型相对应，USB有4种基本传输类型。n（1）控制传输。控制（Control）传输是双向的。控制传输主要是做配置设备用的，也可以做设备的其他特殊用途。每一个USB设备必须要用端点0来完成控制传送，它用在当USB设备第一次被USB主机检测到时，与USB主机交换信息、提供设备配置、对外设设定和传送状态这类双向通信。传输过程中若发生错误，则需重传。n控制传输有23个阶段：Setup阶段，Data阶段和Status阶段。在Setup阶段，主机送命令给设备；在Data阶段，传输的是Setup阶段所设定的数据；在Status阶段，设备返回握手信号给主机。n（2）批传输。批