《微型計(jì)算機(jī)原理及接口》課件第4章

第4章總線技術(shù)4.1總線概述4.2內(nèi)總線4.3外總線4.4總線驅(qū)動(dòng)與控制4.5有關(guān)總線的工程問(wèn)題習(xí)題4.1總

線

概

述

4.1.1定義及分類(lèi)

1.片內(nèi)總線

顧名思義，片內(nèi)總線就是集成電路芯片內(nèi)部各功能元件之間的連接線。這類(lèi)總線是由芯片的設(shè)計(jì)者來(lái)實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于本書(shū)的讀者，即使將來(lái)自己設(shè)計(jì)ASIC芯片，其芯片內(nèi)部的連線也是由CAD軟件來(lái)完成的，需要自己布線的情況很少。因此，我們知道片內(nèi)總線是重要的，將來(lái)應(yīng)用時(shí)予以注意就可以了。

2.元件級(jí)總線元件級(jí)總線又稱(chēng)板(卡)內(nèi)總線，用于實(shí)現(xiàn)電路板(卡)內(nèi)各元器件的連接。元件級(jí)總線對(duì)讀者來(lái)說(shuō)是重要的，因?yàn)閷?lái)很可能會(huì)接受設(shè)計(jì)一塊插在某總線上的電路板(卡)的任務(wù)。

在設(shè)計(jì)一塊電路板(卡)時(shí)，必然要用板內(nèi)總線將板內(nèi)的元器件連接起來(lái)。板內(nèi)總線的驅(qū)動(dòng)能力，總線間的干擾、反射、延時(shí)以及總線的電磁兼容性等問(wèn)題都必須認(rèn)真考慮。只有這樣才能設(shè)計(jì)出工作可靠的電路板。

3.內(nèi)總線內(nèi)總線又稱(chēng)系統(tǒng)總線，用于將構(gòu)成微型機(jī)的各電路板(卡)連接在一起。內(nèi)總線對(duì)微型機(jī)的設(shè)計(jì)者是非常重要的。如果所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的內(nèi)總線性能很差或工作不可靠，則將直接影響所設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)的性能，甚至使整個(gè)微型機(jī)系統(tǒng)不能正常工作。

從微型機(jī)問(wèn)世以來(lái)，有許多科學(xué)工作者致力于內(nèi)總線的研究與開(kāi)發(fā)，不同機(jī)型(8位機(jī)、16位機(jī)、32位機(jī))、不同用途、性能不一的內(nèi)總線標(biāo)準(zhǔn)不斷地涌現(xiàn)出來(lái)?，F(xiàn)在已知的內(nèi)總線標(biāo)準(zhǔn)超過(guò)100種，其中有民用級(jí)微型機(jī)內(nèi)總線標(biāo)準(zhǔn)，有工業(yè)級(jí)微型機(jī)內(nèi)總線標(biāo)準(zhǔn)，也有軍用級(jí)微型機(jī)內(nèi)總線標(biāo)準(zhǔn)。微型機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者可以根據(jù)用戶(hù)的需求和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案選擇某一標(biāo)準(zhǔn)總線，也可以自己制定專(zhuān)用內(nèi)總線。

4.外總線外總線又稱(chēng)通信總線，用于實(shí)現(xiàn)微型機(jī)與外設(shè)以及微型機(jī)系統(tǒng)之間的相互連接。從外總線的定義可以看到，其功能是實(shí)現(xiàn)微型機(jī)與外設(shè)或者微型機(jī)系統(tǒng)之間的相互通信。對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這一總線是系統(tǒng)的重要組成部分。顯然，這種總線的傳送距離比較遠(yuǎn)，可采用串行方式或并行方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。同樣，有許多科學(xué)工作者致力于外總線的研究與開(kāi)發(fā)，制定的串行、并行的外總線標(biāo)準(zhǔn)共七八十種之多。微型機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者可以根據(jù)用戶(hù)的需求和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案選擇某一標(biāo)準(zhǔn)總線用在自己所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中。

4.1.2總線標(biāo)準(zhǔn)化的優(yōu)點(diǎn)

1.簡(jiǎn)化硬、軟件的設(shè)計(jì)從圖1.2可以看到，一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)就是由系統(tǒng)總線將其各組成部分連接到一起構(gòu)成的。當(dāng)系統(tǒng)總線各信號(hào)確定之后，構(gòu)成微型計(jì)算機(jī)的各部件，如CPU電路板、ROM電路板、RAM電路板、各種外設(shè)所需的接口板可以單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)。電路板的設(shè)計(jì)過(guò)程只與系統(tǒng)總線信號(hào)有關(guān)而與其他電路板沒(méi)有關(guān)系，從而使設(shè)計(jì)得以簡(jiǎn)化。

另一方面，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的另一種方法稱(chēng)為系統(tǒng)集成。如果采用總線標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)集成就很容易實(shí)現(xiàn)。例如，通過(guò)簡(jiǎn)單地購(gòu)買(mǎi)主機(jī)箱、電源、主板、顯卡、LCD顯示器、內(nèi)存條、硬磁盤(pán)、光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、網(wǎng)卡、聲卡及音箱、鍵盤(pán)和鼠標(biāo)，并把上述配件連接到一起，就可以購(gòu)成PC機(jī)的基本硬件系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，配上操作系統(tǒng)及相關(guān)軟件，則一臺(tái)PC機(jī)就集成成功了。

2.簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)利用總線，可以簡(jiǎn)化微型計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。對(duì)于小的簡(jiǎn)單的微型機(jī)系統(tǒng)，根據(jù)圖1.2可以認(rèn)為，就是將CPU及構(gòu)成微型機(jī)的各部分(ROM、RAM、各種接口)都掛接在系統(tǒng)總線上。對(duì)于較為復(fù)雜的微型機(jī)系統(tǒng)，如PC機(jī)，同樣是將構(gòu)成PC機(jī)的各組成部件都連接在總線上。在計(jì)算機(jī)的工程應(yīng)用中，經(jīng)常將多個(gè)CPU以緊耦合的方式構(gòu)成性能更好的多機(jī)系統(tǒng)，而許多內(nèi)總線都支持以緊耦合的方式構(gòu)成多機(jī)系統(tǒng)。有了內(nèi)總線的支持，構(gòu)成這樣的系統(tǒng)就變得比較容易了。

3.易于系統(tǒng)擴(kuò)展采用總線標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成的微型機(jī)，要對(duì)其功能進(jìn)行擴(kuò)展將是非常容易的。例如，要擴(kuò)展內(nèi)存，只要購(gòu)買(mǎi)相適合的內(nèi)存條(具有標(biāo)準(zhǔn)接口)插上即可。要在PC機(jī)增加視頻卡，只要購(gòu)買(mǎi)相應(yīng)總線(PCI、IEEE-1394等)的視頻卡插在總線上，再配上廠家提供的驅(qū)動(dòng)程序即可工作?？梢?jiàn)，要擴(kuò)展微型機(jī)的功能，實(shí)現(xiàn)起來(lái)十分容易。這是因?yàn)榭偩€標(biāo)準(zhǔn)一旦確定，大量的廠家都會(huì)依據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)各式各樣的板卡，等待用戶(hù)選用。因此，采用總線標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展易于實(shí)現(xiàn)。試想，如果所設(shè)計(jì)的微型機(jī)采用自己定義的專(zhuān)用總線，要進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)就必須自己從元器件級(jí)去設(shè)計(jì)電路板卡，而從頭設(shè)計(jì)一塊電路板則決非三天兩日就能完成的。

4.便于調(diào)試當(dāng)進(jìn)行微型機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，由于采用了標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)總線，因此在某一電路板設(shè)計(jì)出來(lái)后，可以插到任何具有同樣標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)總線的微型機(jī)上進(jìn)行調(diào)試，這為硬件電路板的調(diào)試帶來(lái)了極大的方便。

5.便于維修一級(jí)維修又稱(chēng)為部件級(jí)維修，要求故障定位達(dá)到某一塊電路板、某一個(gè)部件或者某一個(gè)小設(shè)備。維修人員將完好的部件更換到系統(tǒng)上，使系統(tǒng)立即恢復(fù)正常工作。更換下來(lái)的故障部件由用戶(hù)單位或廠家或?qū)ｉT(mén)維修點(diǎn)進(jìn)行仔細(xì)檢修，使它再恢復(fù)成為一塊完好的部件，處于冷備份狀態(tài)。這種維修比較容易，因?yàn)椴考?jí)的故障定位比較容易。例如，內(nèi)存擴(kuò)展卡上的RAM讀/寫(xiě)不正常是很容易發(fā)現(xiàn)并判斷出來(lái)的。更換一塊新的RAM擴(kuò)展卡也是容易的。同時(shí)，一級(jí)維修所花的維修時(shí)間短，有利于提高系統(tǒng)的利用率。

二級(jí)維修主要是指更換集成電路芯片及元器件的維修。實(shí)現(xiàn)這種維修，要求故障診斷的分辨率要高，要能夠確切地給出是哪個(gè)部件(或卡)上的哪塊芯片或哪個(gè)元器件出現(xiàn)故障。若能迅速診斷清楚，更換新的芯片或元器件就很容易做到。但是，二級(jí)維修要求診斷到芯片、元器件級(jí)，要能夠在系統(tǒng)出現(xiàn)故障之后，很快地作出判斷，找到發(fā)生故障的元器件，這就要求系統(tǒng)維護(hù)人員有很高的技術(shù)素質(zhì)、思想作風(fēng)并掌握一套合理的方法和經(jīng)驗(yàn)。在進(jìn)行一級(jí)維修時(shí)，若發(fā)現(xiàn)某一電路板出現(xiàn)故障，可以到市場(chǎng)去購(gòu)買(mǎi)任何廠家生產(chǎn)的同一總線標(biāo)準(zhǔn)的電路板并更換故障電路板，則故障立刻可得以排除。若是采用專(zhuān)用總線，則不可能有現(xiàn)成的電路板可以更換。若事先沒(méi)有備份，為了維修就需要從頭設(shè)計(jì)該電路板，那將是一件很麻煩的事。

4.2內(nèi)

總

線

4.2.1PC機(jī)的內(nèi)總線

1.PC/XT總線這是最早期的PC機(jī)(以8088為CPU)的系統(tǒng)總線。它由62個(gè)插座信號(hào)構(gòu)成，如表4.1所示，除了前面提到的8088的20條地址線A0～A19、8條數(shù)據(jù)線D0～D7以及內(nèi)存的讀/寫(xiě)控制信號(hào)MEMR、MEMW和接口的讀/寫(xiě)控制信號(hào)IOR、IOW外，還包括6個(gè)中斷請(qǐng)求IRQ2～I(xiàn)RQ7，3個(gè)DMA請(qǐng)求信號(hào)DREQ1～DREQ3，3個(gè)DMA響應(yīng)信號(hào)DACK1～DACK3和I/OCHCK、I/OCHRDY、AEN、RESET、OSC等信號(hào)，以及±5V、±12V電源和地信號(hào)。

表4.1PC/XT總線引腳定義

表4.1PC/XT總線引腳定義

表4.1PC/XT總線引腳定義

2.ISA總線隨著技術(shù)的發(fā)展，1982年Intel公司推出了80286，接著在1984年IBM利用80286開(kāi)發(fā)出了PC/AT微型機(jī)。由80286構(gòu)成的計(jì)算機(jī)無(wú)法使用原來(lái)的8位系統(tǒng)總線。于是，IBM開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的PC/AT總線。此后，PC/AT總線被IEEE定為一種內(nèi)總線標(biāo)準(zhǔn)，這就是ISA。

ISA是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線。它向下兼容更早的PC/XT總線，在PC/XT總線62個(gè)插座信號(hào)的基礎(chǔ)上,再擴(kuò)充另一個(gè)有36個(gè)信號(hào)的插座，這兩個(gè)插座信號(hào)便構(gòu)成ISA總線，擴(kuò)充插座的定義如表4.2所示。

表4.2ISA總線擴(kuò)充插座引腳定義

ISA總線主要包括：24條地址線，可尋址的內(nèi)存地址空間增加到16MB；16條數(shù)據(jù)線；控制總線(內(nèi)存讀/寫(xiě)、接口讀/寫(xiě)、中數(shù)請(qǐng)求、中斷響應(yīng)、DMA請(qǐng)求、DMA響應(yīng)等)；±5V、±12V電源，地線等。

ISA總線新增加了8條數(shù)據(jù)線、4條地址線、7個(gè)中斷請(qǐng)求、4個(gè)DMA請(qǐng)求、4個(gè)DMA響應(yīng)等信號(hào)，使ISA總線成為尋址內(nèi)存為16M的16位總線。

3.EISA總線上面提到的ISA總線對(duì)于16位CPU，例如80286、80386SX等是很合適的。但是，當(dāng)80386DX(32位CPU)開(kāi)發(fā)出來(lái)之后，ISA總線就無(wú)法適應(yīng)32位CPU的性能要求了。為此，不少?gòu)S家在這個(gè)時(shí)期推出了多種32位的內(nèi)總線標(biāo)準(zhǔn)，例如VL總線、EISA總線等。在這里稍具影響的就是EISA(擴(kuò)展的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu))總線。

EISA總線是在ISA總線的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的32位總線。該總線定義了32位地址線、32位數(shù)據(jù)線以及其他控制信號(hào)線、電源線、地線等共196條線，總線傳輸速率達(dá)33MB/s。該總線利用總線插座與ISA總線相兼容，插板插在上層為ISA總線信號(hào)，插板插到下層便是EISA總線。

4.PCI總線

1)PCI總線的特點(diǎn)

PCI總線是一種不依賴(lài)任何具體CPU的局部總線，也就是說(shuō)它獨(dú)立于CPU。從圖10.2可以看到，PCI與CPU之間隔著北橋芯片，因此，實(shí)際上CPU是通過(guò)北橋?qū)嵤?duì)PCI的管理的。詳細(xì)描述PCI夠?qū)懸槐緯?shū)，這里只說(shuō)明PCI的一些特點(diǎn)。

(1)高性能。PCI的總線時(shí)鐘頻率為33MHz/66MHz。而且在進(jìn)行64位數(shù)據(jù)傳送時(shí)，其數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)66MHz×8B＝528MB/s。這樣高的傳輸速率是此前其他內(nèi)總線所無(wú)法達(dá)到的。在PCI的插槽上，可以插上32位的電路板(卡)，也可以插上64位的電路板(卡)，兩者可兼容。

(2)總線設(shè)備的工作與CPU相對(duì)獨(dú)立。在CPU對(duì)PCI總線上的某設(shè)備進(jìn)行讀/寫(xiě)時(shí)，要讀/寫(xiě)的數(shù)據(jù)先傳送到緩沖器中，通過(guò)PCI總線控制器進(jìn)行緩沖，再由CPU處理。當(dāng)寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，CPU只將數(shù)據(jù)傳送到緩沖器中，再由PCI總線控制器將數(shù)據(jù)寫(xiě)入規(guī)定的設(shè)備。在此過(guò)程中CPU完全可以去執(zhí)行其他操作?？梢?jiàn)，PCI的工作與CPU是不同步的，CPU的速度可能很快而PCI相對(duì)要慢一些，它們是相對(duì)獨(dú)立的。這一特點(diǎn)就使得PCI可以支持各種不同型號(hào)的CPU，具有更長(zhǎng)的生命周期。

(3)即插即用。即插即用就是指基于PCI總線上的電路板(卡)一插入PCI總線立即就可以工作。PCI總線的這一特點(diǎn)為用戶(hù)帶來(lái)了極大的方便。在此前的總線上，例如ISA上，可以插上不同廠家生產(chǎn)的電路板(卡)，但不同廠家的電路板(卡)有可能發(fā)生地址競(jìng)爭(zhēng)而無(wú)法正常工作。解決的辦法就是利用電路板(卡)上的跳線開(kāi)關(guān)來(lái)改變地址，進(jìn)而克服地址競(jìng)爭(zhēng)。在PCI總線上就不存在這樣的問(wèn)題，此總線上的接口地址是由PCI控制器自動(dòng)配置的，不可能發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)。所以，電路板(卡)插上就可用。

(4)支持多主控設(shè)備。接在PCI總線上的設(shè)備均可以提出總線請(qǐng)求，PCI管理器中的仲裁機(jī)構(gòu)一旦允許該設(shè)備成為主控設(shè)備，就由它來(lái)控制PCI總線，實(shí)現(xiàn)主控設(shè)備與從屬設(shè)備間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸。PCI總線上最多可以支持10個(gè)設(shè)備。

(5)錯(cuò)誤檢測(cè)及報(bào)告。PCI總線能夠?qū)λ鶄魉偷牡刂芳皵?shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行奇偶校驗(yàn)檢測(cè)，并通過(guò)某些信號(hào)線來(lái)報(bào)告錯(cuò)誤的發(fā)生。

(6)兩種電壓環(huán)境。PCI總線可以在5V的電壓環(huán)境下工作，也可以在3.3V的電壓環(huán)境下工作。

2)PCI總線的信號(hào)

(1)PCI總線引腳信號(hào)安排。PCI總線定義了兩種PCI擴(kuò)展卡及連接器(即主板上的PCI插槽)：長(zhǎng)卡和短卡。短卡為32位總線而設(shè)計(jì)，插槽分為A、B兩邊，每邊定義62個(gè)引腳信號(hào)，故短卡共有124個(gè)引腳。長(zhǎng)卡為64位總線而設(shè)計(jì)，插槽分為A、B兩邊，每邊定義94個(gè)引腳信號(hào)。很顯然，長(zhǎng)卡的A、B兩邊，每邊的前62個(gè)引腳信號(hào)與短卡信號(hào)是完全一樣的，以便長(zhǎng)卡完全兼容短卡。同時(shí)，長(zhǎng)卡又單獨(dú)定義了A、B兩邊的其他各32個(gè)信號(hào)。PCI總線引腳定義如表4.3所示。

表4.3PCI總線引腳定義

表4.3PCI總線引腳定義

表4.3PCI總線引腳定義

(2)PCI總線信號(hào)分類(lèi)。PCI總線信號(hào)分為如下幾類(lèi)：①地址及數(shù)據(jù)信號(hào)：

AD0～AD63是地址/數(shù)據(jù)信號(hào)，雙向三態(tài)，在時(shí)間上是復(fù)用的，即某一時(shí)刻這些信號(hào)線上傳送的是地址信號(hào)，而在另外的時(shí)刻這些信號(hào)線上傳送的是數(shù)據(jù)信號(hào)。

C/BE0～C/BE7是命令/字節(jié)選擇信號(hào)，雙向三態(tài)，在時(shí)間上是復(fù)用的。在傳送地址期間，這些信號(hào)線上傳送總線命令。在傳送數(shù)據(jù)期間，它們用來(lái)指定64位數(shù)據(jù)中哪個(gè)(或哪些)字節(jié)有效。

②接口控制信號(hào)：

FRAME為幀周期信號(hào)，低電平有效，雙向三態(tài)，由當(dāng)前的主控設(shè)備驅(qū)動(dòng)，有效時(shí)表示一次總線傳輸開(kāi)始并持續(xù)。

IRDY是主控設(shè)備準(zhǔn)備好信號(hào)，低電平有效，雙向三態(tài)。該信號(hào)有效表示發(fā)起一次傳輸?shù)脑O(shè)備已準(zhǔn)備好，能完成一次數(shù)據(jù)傳送。

TRDY是從屬設(shè)備準(zhǔn)備好信號(hào)，低電平有效，雙向三態(tài)。該信號(hào)有效表示從屬設(shè)備已經(jīng)做好了完成本次數(shù)據(jù)傳送的準(zhǔn)備。

STOP是停止數(shù)據(jù)傳送的信號(hào)，低電平有效，雙向三態(tài)。該信號(hào)有效表示從屬設(shè)備要求主控設(shè)備停止當(dāng)前的數(shù)據(jù)傳送。

LOCK為鎖定信號(hào)，低電平有效，雙向三態(tài)。該信號(hào)有效表示驅(qū)動(dòng)它的設(shè)備需要多次傳輸才能完成其操作。

IDSEL為初始化設(shè)備選擇信號(hào)，是輸入信號(hào)，在參數(shù)配置讀/寫(xiě)期間用作片選信號(hào)。

DEVSEL為設(shè)備選擇信號(hào)，低電平有效，雙向三態(tài)。該信號(hào)變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，表示驅(qū)動(dòng)它的設(shè)備變?yōu)閺膶僭O(shè)備。

③仲裁信號(hào)。由于PCI總線上的設(shè)備都有可能成為主控設(shè)備來(lái)控制總線，實(shí)現(xiàn)規(guī)定的數(shù)據(jù)傳送，因此當(dāng)多個(gè)設(shè)備同時(shí)希望成為主控設(shè)備時(shí)，就需要進(jìn)行仲裁，以決定哪個(gè)設(shè)備能夠成為主控設(shè)備。PCI總線上的仲裁信號(hào)包括：

REQ為總線占用請(qǐng)求信號(hào)，低電平有效，三態(tài)。該信號(hào)有效時(shí)表示驅(qū)動(dòng)它的設(shè)備請(qǐng)求占用總線。

GNT為總線占用允許信號(hào)，低電平有效，三態(tài)。該信號(hào)有效時(shí)向請(qǐng)求占用總線的設(shè)備表明其占用請(qǐng)求已獲得批準(zhǔn)。

④系統(tǒng)信號(hào)：

CLK是PCI總線系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)。對(duì)于所有的PCI上的設(shè)備來(lái)說(shuō)，它都是輸入信號(hào)。該信號(hào)決定了PCI的傳輸速率。初期的CLK為33MHz，后來(lái)有66MHz。現(xiàn)在該時(shí)鐘可達(dá)100MHz。

RST是復(fù)位信號(hào)，是低電平有效的輸入信號(hào)。該信號(hào)使PCI總線專(zhuān)用的特殊寄存器和定序器恢復(fù)到初始狀態(tài)。

⑤錯(cuò)誤報(bào)告信號(hào)：

PERR為數(shù)據(jù)奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤報(bào)告信號(hào)，低電平有效，雙向三態(tài)。在一個(gè)數(shù)據(jù)期完成時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)奇偶校驗(yàn)錯(cuò)，則立即產(chǎn)生PERR有效。

SERR為系統(tǒng)錯(cuò)誤報(bào)告信號(hào)，是低電平有效的漏極開(kāi)路信號(hào)。該信號(hào)用來(lái)報(bào)告地址奇偶校驗(yàn)錯(cuò)、特殊命令序列中奇偶校驗(yàn)錯(cuò)或者其他可能引起致命后果的系統(tǒng)錯(cuò)誤。

⑥中斷信號(hào)：

INTA、INTB、INTC、INTD為四個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，是低電平有效的漏極開(kāi)路信號(hào)，用于請(qǐng)求一次中斷。其中后三個(gè)信號(hào)只用于多功能設(shè)備。對(duì)于單功能設(shè)備，中斷請(qǐng)求只能用INTA；對(duì)于多功能設(shè)備，最多可允許有四個(gè)中斷請(qǐng)求，可分別接這四條中斷請(qǐng)求信號(hào)線。

⑦高速緩存支持信號(hào)。在PCI總線上可以配置高速緩沖存儲(chǔ)器。為了更好地利用高速緩存，PCI總線設(shè)置有以下支持信號(hào)：

SBO為試探返回信號(hào)，是低電平有效的輸入/輸出信號(hào)。該信號(hào)有效表示命中了一個(gè)修改過(guò)的行。

SDONE為監(jiān)聽(tīng)完成信號(hào)，是低電平有效的輸入/輸出信號(hào)。當(dāng)該信號(hào)為高電平時(shí)表示監(jiān)聽(tīng)正在進(jìn)行；當(dāng)其為低電平時(shí)表示監(jiān)聽(tīng)已經(jīng)完成。

⑧64位擴(kuò)展總線有關(guān)信號(hào)。在進(jìn)行64位傳送時(shí)，需要前面提到的AD0～AD63這64條信號(hào)線和C/BE0～C/BE7這8個(gè)信號(hào)，除此之外還需要如下幾個(gè)支持信號(hào)：

REQ64為64位請(qǐng)求信號(hào)，是低電平有效的雙向三態(tài)信號(hào)。該信號(hào)由當(dāng)前的主控設(shè)備驅(qū)動(dòng)，表示該設(shè)備需要進(jìn)行64位的數(shù)據(jù)傳送。

ACK64為64位傳輸?shù)捻憫?yīng)信號(hào)，是低電平有效的雙向三態(tài)信號(hào)。該信號(hào)由從屬設(shè)備驅(qū)動(dòng)，表示該設(shè)備將進(jìn)行64位數(shù)據(jù)傳送。

PAR64為奇偶雙字節(jié)校驗(yàn)信號(hào)，是高電平有效的雙向三態(tài)信號(hào)。該信號(hào)是對(duì)AD32～AD63和C/BE4～C/BE7的奇偶校驗(yàn)信號(hào)。由圖10.2可以看到，主板上的PCI總線是由北橋產(chǎn)生和控制的(也有用其他超大規(guī)模IC芯片產(chǎn)生和控制的)。顯然，PCI的管理由該芯片來(lái)完成。插在PCI總線插槽上的設(shè)備稱(chēng)為目標(biāo)設(shè)備，目標(biāo)設(shè)備與PCI總線的接口也是專(zhuān)用的IC芯片，是一片包括多種元件的超大規(guī)模集成電路芯片。在此接口芯片中還包括256個(gè)字節(jié)的用于配置的存儲(chǔ)空間。利用軟件對(duì)這些字節(jié)進(jìn)行配置，便可以實(shí)現(xiàn)板(卡)的即插即用。256個(gè)字節(jié)的配置空間如圖4.1所示。

圖4.1配置存儲(chǔ)空間

4.2.2工控機(jī)的內(nèi)總線

1.STD總線

STD總線是1978年由美國(guó)推出的用于工業(yè)控制系統(tǒng)的內(nèi)總線標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)一經(jīng)推出立刻受到工業(yè)控制領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員的廣泛歡迎并得到迅速發(fā)展。1984年，該標(biāo)準(zhǔn)也成為中國(guó)工業(yè)控制機(jī)的內(nèi)總線標(biāo)準(zhǔn)。在整個(gè)20世紀(jì)80年代，該總線標(biāo)準(zhǔn)在全世界風(fēng)靡一時(shí)。

1)STD總線的特點(diǎn)

STD總線有如下一些特點(diǎn)：

(1)STD總線有好的兼容性。STD有8位、16位及32位的總線標(biāo)準(zhǔn)，它們是向下兼容的。例如，在32位總線上插上16位或8位的電路板均可正常工作。

(2)可靠性高。STD總線采取了一整套可靠性措施，使采用該總線構(gòu)成的工業(yè)控制機(jī)可以長(zhǎng)期可靠地工作在惡劣環(huán)境之下。

(3)支持多機(jī)系統(tǒng)。STD總線可以支持在其總線上連接多個(gè)處理器以構(gòu)成性能更高的多機(jī)系統(tǒng)。

(4)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。STD總線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電路板采用高度模塊化的小板結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)用戶(hù)要求集成為不同規(guī)模的系統(tǒng)。

(5)支持廠家多。支持STD總線的廠家非常多，這些廠家生產(chǎn)支持各種處理器的各種STD電路板(卡)，有利于用戶(hù)構(gòu)成價(jià)格低廉的STD系統(tǒng)。

2)STD總線的信號(hào)定義開(kāi)始，STD總線針對(duì)8位微型機(jī)定義了56個(gè)信號(hào)。隨著技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的需求，經(jīng)改進(jìn)，STD總線采用復(fù)用技術(shù)使原定義的56個(gè)信號(hào)既可支持8位機(jī)又可支持16位機(jī)。盡管在后來(lái)STD總線發(fā)展為114個(gè)信號(hào)，甚至發(fā)展為可以支持32位的136個(gè)信號(hào)的STD總線標(biāo)準(zhǔn)，但國(guó)內(nèi)大多還是采用56個(gè)信號(hào)的8位、16位兼容的STD總線，其信號(hào)定義如表4.4所示。

表4.4STD總線的信號(hào)定義

表4.4STD總線的信號(hào)定義

3)STD總線的衰落

(1)插頭可靠性問(wèn)題。STD總線插頭采用“金手指”插拔，在插拔過(guò)程中容易造成插頭邊緣的銅箔斷裂。一旦插頭的銅箔斷裂，必然使插頭接觸不上，從而使總線工作不可靠。

(2)信號(hào)輸入/輸出采用扁平電纜。STD總線上的模擬輸入及數(shù)字信號(hào)采用扁平電纜，在信號(hào)傳送過(guò)程中很容易受到干擾而影響系統(tǒng)的可靠性。

(3)顯示方式落后。在STD系統(tǒng)中經(jīng)常采用LED數(shù)碼顯示器，這樣的顯示器使使用者在對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)整定及其他參數(shù)初始化時(shí)會(huì)感到不夠方便。

(4)資源浪費(fèi)。STD總線在設(shè)計(jì)中考慮到系統(tǒng)的通用性及系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，使系統(tǒng)有許多冗余，這必然造成資源上的浪費(fèi)。

2.基于PC(PC-based)的工控機(jī)總線

IPC在中國(guó)的發(fā)展大致可以分為三個(gè)階段：第一階段是從20世紀(jì)80年代末到90年代初，這時(shí)市場(chǎng)上主要是國(guó)外品牌的昂貴產(chǎn)品。第二階段是從1991年到1996，臺(tái)灣生產(chǎn)的價(jià)位適中的基于ISA總線的工業(yè)控制PC(IPC)開(kāi)始大量進(jìn)入大陸市場(chǎng)，這在很大程度上加速了IPC市場(chǎng)的發(fā)展，IPC的應(yīng)用也從傳統(tǒng)工業(yè)控制向數(shù)據(jù)通信、電信、電力等對(duì)可靠性要求較高的行業(yè)延伸。

第三階段是從1997年開(kāi)始的，大陸本土的IPC廠商開(kāi)始進(jìn)入該市場(chǎng)，促使IPC的價(jià)格不斷降低，也使工控機(jī)的應(yīng)用水平有了極大發(fā)展，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，IPC也隨之發(fā)展成了中國(guó)第二代主流工控機(jī)技術(shù)。

值得一提的是，IPC工控機(jī)開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)嶄新的PC-based時(shí)代，對(duì)工業(yè)自動(dòng)化和信息化技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

1)基于PC的工業(yè)控制機(jī)(IPC)的特點(diǎn)

(1)基于PC的技術(shù)有取之不盡的人才。

(2)成本低。

(3)豐富的硬/軟件資源的支持。

(4)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

(5)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。

2)PC/104總線基于PC的工業(yè)控制機(jī)(IPC)的內(nèi)總線的典型代表就是PC/104總線。之所以稱(chēng)其為PC/104，是因?yàn)樗腔赑C機(jī)的，而且總線有兩個(gè)連接器：一個(gè)是有64引腳的連接器P1，另一個(gè)是有40引腳的連接器P2。兩者的總引腳數(shù)為104。

PC/104是一種專(zhuān)門(mén)為嵌入式控制而定義的工業(yè)控制總線,近年來(lái)在國(guó)際上廣泛流行，被IEEE協(xié)會(huì)定義為IEEEP996.1。我們知道，IEEEP996是ISA(PC/AT)工業(yè)總線規(guī)范，而從PC/104被定義為IEEEP996.1就可以看出，PC/104實(shí)質(zhì)上是一種緊湊型、小型化的IEEE-P996。其信號(hào)定義和ISA(PC/AT)一致，但其電氣和機(jī)械規(guī)范卻完全不同，是一種優(yōu)化的、小型堆棧式結(jié)構(gòu)的嵌入式控制系統(tǒng)總線。

PC/104總線產(chǎn)品在軟件上與PC/AT完全兼容，在硬件上與ISA(PC/AT)主要存在著以下幾方面的不同：●小尺寸結(jié)構(gòu)，其標(biāo)準(zhǔn)模塊的機(jī)械尺寸為:3.8英寸×3.6英寸(96mm×90mm)?！穸褩Ｊ健搬槨?、“孔”總線連接，即PC/104總線模塊之間總線的連接是通過(guò)上層的針和下層的孔相互咬合相連，有極好的抗震性。●4mA總線驅(qū)動(dòng)即可使模塊正常工作，功耗低，元件數(shù)量少?！?/p>

自我堆棧式連接，無(wú)需母板。

①PC/104的總線電路板結(jié)構(gòu)。根據(jù)PC/104總線的規(guī)范，總線上的電路板如圖4.2所示。電路板的長(zhǎng)和寬分別為96mm和90mm。板上的插座為針孔而插頭便是插針，上一塊板的插針就插在底下電路板的針孔中，所以才稱(chēng)其為堆棧式連接。值得說(shuō)明的是，電路板在結(jié)構(gòu)上支持8位的PC/XT總線，也支持16位的ISA總線。每一塊電路板上有兩個(gè)插頭(座)，分別是J1和J2。當(dāng)工作在8位的PC/XT總線上時(shí)，電路板上只用一個(gè)插頭(座)J1。而當(dāng)工作在16位的ISA總線上時(shí)，電路板上就用兩個(gè)插頭(座)。下面將會(huì)看到，插頭(座)J1對(duì)應(yīng)著PC/XT總線信號(hào)，而插頭(座)J1和J2則對(duì)應(yīng)著ISA總線信號(hào)。

圖4.2PC/104電路板及插座

②

PC/104的信號(hào)定義。根據(jù)2003年公布的PC/104規(guī)范版本V2.5，PC/104的兩個(gè)插頭(座)J1和J2的引腳信號(hào)定義分別如表4.5和表4.6所示。

表4.5PC/104插頭(座)J1的引腳信號(hào)定義

表4.5PC/104插頭(座)J1的引腳信號(hào)定義

表4.6PC/104插頭(座)J2的引腳信號(hào)

3)PC/104的發(fā)展——PC/104-PLUS由于技術(shù)的發(fā)展加上用戶(hù)的需求，在PC/104總線技術(shù)的基礎(chǔ)上，人們又推出了PC/104-PLUS。

PC/104-PLUS是專(zhuān)為PCI總線設(shè)計(jì)的，可以連接高速外接設(shè)備。PC/104-PLUS在硬件上通過(guò)使用一個(gè)3×40，即帶有120個(gè)針孔和插針的插頭座，將電路板堆疊在一起。PC/104-PLUS包括了PCI規(guī)范2.1版要求的所有信號(hào)。為了向下兼容，PC/104-PLUS保持了PC/104的所有特性。

(1)特點(diǎn)。PC/104-PLUS與PC/104相比有以下一些特點(diǎn)：①為了連接PCI信號(hào)，在原有PC/104電路板上增加了一個(gè)帶有120個(gè)針孔和插針的插頭座，用以支持PCI總線信號(hào)，見(jiàn)圖4.3。②改變了電路板上面元器件的高度限制，由PC/104的11.05mm降低為8.76mm，電路板下面的高度由2.54mm增加到4.83mm。以便增加模塊的柔韌性。③

加入了控制邏輯單元，以滿(mǎn)足高速度總線的需求。

④PC/104-PLUS是用120針2mm孔堆棧插座連接的，而32位PCI總線用124針插槽連接。⑤120針的PCI不支持64位擴(kuò)展和JTAG、PRSNT或CLKRUN信號(hào)。⑥

PC/104-PLUS規(guī)范包含了兩種總線標(biāo)準(zhǔn)：ISA總線和PCI總線。這有點(diǎn)像前幾年的PC那樣，在那種PC機(jī)里既有PCI總線也有ISA總線，雙總線并存于同一微型機(jī)中。

(2)電路板結(jié)構(gòu)。PC/104P-LUS的電路板圖如圖4.3所示。由圖4.3可以看到，電路板的右邊保留了圖4.2中PC/104的兩個(gè)插頭座，也就是說(shuō)，PC/104-PLUS完全保留了PC/104的總線信號(hào)。同時(shí)，在電路板的左側(cè)又增加了一個(gè)具有120針孔和插針的插頭座，用以傳送PCI總線信號(hào)。在圖4.3所示的電路板上，用于PC/104總線的兩個(gè)插頭座針孔間(前后、左右)的距離均為2.54mm，而用于連接PCI總線的插頭座針孔間(前后、左右)的距離則均為2mm。有關(guān)PC/104-PLUS的詳細(xì)內(nèi)容可從網(wǎng)上下載。

圖4.3PC/104-PLUS電路板及插座

AT96總線的主要技術(shù)特點(diǎn)如下：●與ISA總線技術(shù)兼容，技術(shù)上具有繼承性，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，可以充分利用PC技術(shù)特點(diǎn)?！駲C(jī)械結(jié)構(gòu)合理，散熱均勻，元件失效率低。無(wú)源母板和功能模板垂直放置，抗震動(dòng)、抗沖擊能力強(qiáng)?！窆δ苣０宀灏畏奖?，可維護(hù)性強(qiáng)。●總線標(biāo)準(zhǔn)、開(kāi)放，具有可互操作性。3U/6U模板尺寸適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用?！裣到y(tǒng)取消金手指和扁平電纜，可靠性高?！?/p>

系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、組合化，可伸縮性強(qiáng)。

3.CompactPCI

1)CompactPCI的特點(diǎn)

CompactPCI是一種新的開(kāi)放式工業(yè)計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，它是PCI總線技術(shù)和成熟的歐式卡組裝技術(shù)的結(jié)合。采用CompactPCI既能吸收PC機(jī)最新的技術(shù)成果，又使其具有滿(mǎn)足工業(yè)實(shí)時(shí)應(yīng)用所必需的功能及性能。該總線標(biāo)準(zhǔn)的主要特點(diǎn)是：

(1)兼容性好。

(2)系統(tǒng)抗震性強(qiáng)。

(3)支持熱插拔。

(4)高可靠性。

(5)背板結(jié)構(gòu)，支持后走線，更有利于方便配線。

(6)CompactPCI電路板具有更好的電氣特性。

(7)良好的熱設(shè)計(jì)。

(8)防腐和電磁屏蔽性好。

(9)抗靜電性能好。

(10)機(jī)箱深度淺，便于機(jī)柜安裝。

2)CompactPCI的電路板結(jié)構(gòu)

(1)背板。根據(jù)1995年P(guān)ICMG公布的CompactPCI總線規(guī)范V1.0，

CompactPCI總線背板由8個(gè)針孔插座構(gòu)成，其示意圖如圖4.4所示。

圖4.4CompactPCI背板示意圖

(2)電路板。根據(jù)歐洲工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，CompactPCI總線上的電路板有兩種尺寸：一種是3U板的標(biāo)準(zhǔn)，其尺寸為100.00mm×160.00mm。板上只有一個(gè)帶有插針的插頭，可以插在圖4.4所示的背板插座上。在背板插座上已包含了所有CompactPCI總線規(guī)范所規(guī)定的信號(hào)，詳見(jiàn)后敘。另一種是6U板的標(biāo)準(zhǔn)，其尺寸為233.35mm×160.00mm。板上有兩個(gè)帶有插針的插頭，其中一個(gè)與3U板的插頭完全一樣。新增加的插頭上的信號(hào)是由用戶(hù)根據(jù)自己的需要自行定義的。顯然，在6U板之下，背板也要改變：在每塊電路板的位置上，針孔插座由3U規(guī)范的一個(gè)增加為兩個(gè)，以便使6U板能插到插座上。從上面的電路板規(guī)范可以看到，3U板和6U板的長(zhǎng)度是完全一樣的。不同的是寬度不一樣。

1997年10月，PICMG發(fā)布PICMG2.0Revision3.0。它是CompactPCI總線的核心標(biāo)準(zhǔn)，也是CompactPCI技術(shù)的精髓。它由三項(xiàng)領(lǐng)先技術(shù)綜合而成：PCI局部總線的電氣特性(PCISIG)、工業(yè)級(jí)歐洲卡封裝結(jié)構(gòu)和規(guī)格(IEC60297-3and-4)以及IEC2mm堅(jiān)固的米制針孔連接器(IEC-61076-4-101)。

2)CompactPCI總線的信號(hào)定義前面已經(jīng)提到，CompactPCI總線信號(hào)與前面描述的PCI是兼容的。但是，在這里要特別給出7×47個(gè)針孔的插座信號(hào)的定義，請(qǐng)讀者注意它與PCI的不同。7×47個(gè)針孔的CompactPCI總線的信號(hào)定義如表4.7所示。

表4.7CompactPCI總線的信號(hào)定義

4.3外

總

線

4.3.1常見(jiàn)外總線

1.RS-232C

1)特點(diǎn)

(1)傳輸線比較少。盡管RS-232C定義的信號(hào)線比較多，但在實(shí)際應(yīng)用中通常只用7～9條信號(hào)線即可實(shí)現(xiàn)通信，最少只需三條線(一條發(fā)、一條收、一條地線)即可實(shí)現(xiàn)全雙工通信。

(2)傳送距離遠(yuǎn)。RS-232C外總線用電平傳送為15m，用電流環(huán)傳送可達(dá)千米。

(3)有多種可供選擇的傳送速率。利用RS-232C進(jìn)行通信，有多種通信速率可供選擇。下列速率在可選之列：50、75、110、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特等。

(4)采用非歸零碼負(fù)邏輯工作。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，電平在－15～－3V規(guī)定為邏輯1，而電平在＋3～＋15V規(guī)定為邏輯0，具有較好的抗干擾性。

(5)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易。RS-232C總線實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常容易，就用本書(shū)后面描述的通信接口芯片16550再加上電平轉(zhuǎn)換芯片(例如1488和1489)，配上相應(yīng)的通信程序，便可以實(shí)現(xiàn)通信雙方的全雙工通信。正是由于具有這些優(yōu)點(diǎn)，RS-232C在20世紀(jì)80、90年代得到了非常廣泛的應(yīng)用。直到今天，PC機(jī)上仍然配置有RS-232C總線接口。

2)RS-232C存在的問(wèn)題

RS-232C在20世紀(jì)廣泛地應(yīng)用在比較簡(jiǎn)單的微型機(jī)系統(tǒng)中。隨著技術(shù)的進(jìn)步和通信需求的改變，在當(dāng)今的應(yīng)用中經(jīng)常需要以高速率傳送各種大數(shù)據(jù)量的多媒體信息。這時(shí)，RS-232C就顯得無(wú)能為力了。RS-232C存在的主要問(wèn)題是：

(1)通常RS-232C只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，而許多微機(jī)系統(tǒng)經(jīng)常需要一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)或者多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信，RS-232C就難以實(shí)現(xiàn)這樣的要求。

(2)從前面給出的傳輸速率可以看到，RS-232C的數(shù)據(jù)傳輸速率非常低。當(dāng)用它來(lái)傳送大數(shù)據(jù)量的圖像及聲音信號(hào)時(shí)，其傳送時(shí)間是使用者所無(wú)法忍受的。

2.其他有關(guān)總線

(1)RS-422和RS-423。RS-422和RS-423的信號(hào)定義與RS-232C的信號(hào)定義是一樣的。主要的不同在于RS-422和RS-423在信號(hào)傳輸過(guò)程中使用的驅(qū)動(dòng)器和接收器不一樣，從而保證了傳輸速率和傳輸距離的全面提高。這里，RS-422是RS-423的改進(jìn)，其性能較RS-423更好。

RS-422采用單向平衡方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，可以有效地克服干擾的影響。其驅(qū)動(dòng)和接收電路如圖4.5所示。

圖4.5RS-422接口的驅(qū)動(dòng)與接收電路

(2)RS-485。在工控機(jī)中，RS-485的應(yīng)用最為廣泛，它不僅可以滿(mǎn)足RS-422總線的全部要求，而且允許在其上連接32個(gè)驅(qū)動(dòng)器和32個(gè)接收器，實(shí)現(xiàn)真正的多點(diǎn)結(jié)構(gòu)。RS-485的主要特點(diǎn)是：①允許連接32個(gè)驅(qū)動(dòng)器和32個(gè)接收器。②具有高達(dá)10Mb/s的傳輸速率。③驅(qū)動(dòng)器可以處于高阻狀態(tài)，不會(huì)發(fā)生總線競(jìng)爭(zhēng)。④

傳輸距離可達(dá)1500m。

圖4.6RS-485利用DS9617X驅(qū)動(dòng)的典型連接

4.3.2PC機(jī)的外總線

1.SCSI總線小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口(SCSI)是一條并行外總線，廣泛應(yīng)用于微型計(jì)算機(jī)與軟/硬磁盤(pán)、光盤(pán)、掃描儀等外設(shè)的連接。就目前的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)的外存市場(chǎng)，主要分為兩大陣營(yíng)，一類(lèi)為下面將要提及的IDE(ATA)，另一類(lèi)就是SCSI。IDE是普通家用PC硬盤(pán)、光盤(pán)等外設(shè)常用的接口，也是我們最經(jīng)常接觸的硬盤(pán)接口；而SCSI主要面向服務(wù)器、RAID等高端外部存儲(chǔ)器市場(chǎng)。

1)SCSI的特點(diǎn)

SCSI具有許多優(yōu)秀的特點(diǎn)：

(1)適用范圍廣。在使用IDE接口時(shí)，會(huì)受到IRQ(中斷號(hào))及IDE通道的限制。一般情況下，每個(gè)IDE通道占用一個(gè)IRQ，而一塊標(biāo)準(zhǔn)的主板只有兩個(gè)IDE通道(即IDE1與IDE2插槽)，每?jī)蓚€(gè)設(shè)備要占用一個(gè)IDE通道。因此，一塊標(biāo)準(zhǔn)的主板上最多只能連接四個(gè)IDE設(shè)備。使用SCSI則可以使連接設(shè)備數(shù)超過(guò)15個(gè)，而且所有設(shè)備只占用一個(gè)中斷號(hào)，因此它的適用面比IDE的要廣得多。

(2)傳輸速率高。目前最新的SCSI接口類(lèi)型Ultra320SCSI所支持的最大總線速率為320MB/s。雖然實(shí)際使用時(shí)可能達(dá)不到這個(gè)理論值，但上百兆比特的傳輸率在SCSI上還是能夠達(dá)到的。即將誕生的SCSI5的傳輸速率將高達(dá)640MB/s。

(3)提高了CPU的效率。構(gòu)成SCSI系統(tǒng)時(shí)必須要有SCSI控制卡或適配器，在控制卡上會(huì)有專(zhuān)用的芯片負(fù)責(zé)SCSI數(shù)據(jù)的處理。CPU只需將命令傳輸給SCSI的專(zhuān)用處理芯片，后面有關(guān)的處理工作就由SCSI的專(zhuān)用芯片去處理。這時(shí)，CPU就可以去執(zhí)行其他操作。因此，SCSI系統(tǒng)對(duì)CPU的占用率是很低的，這可以大大提高CPU的效率。

(4)支持多任務(wù)。在SCSI系統(tǒng)工作過(guò)程中，在對(duì)一個(gè)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)，它允許另一設(shè)備對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問(wèn)。這在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器系統(tǒng)中非常重要，因?yàn)樵诰W(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，經(jīng)常需要同時(shí)處理許多并行請(qǐng)求?？梢?jiàn)，這一特點(diǎn)也是十分重要的。

(5)智能化。SCSI卡上的專(zhuān)用處理芯片自己可對(duì)CPU指令進(jìn)行排隊(duì)，這樣就提高了工作效率。在多任務(wù)時(shí)硬盤(pán)會(huì)在當(dāng)前磁頭位置，將鄰近的任務(wù)先完成，再逐一處理后面的任務(wù)。

2)SCSI的工作模式

SCSI從1979年出現(xiàn)至今，一直在不斷發(fā)展之中。隨著時(shí)間的推移，先后推出了不同工作模式的SCSI。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，下面用表4.8來(lái)作說(shuō)明。

表4.8SCSI的幾種工作模式

表4.8中，支持設(shè)備數(shù)包括計(jì)算機(jī)中的主控SCSI設(shè)備，因?yàn)榭刂破饕菜阋粋€(gè)設(shè)備。因此，在此SCSI主控總線上連接的其他設(shè)備數(shù)應(yīng)為表中設(shè)備數(shù)減1，即

實(shí)際最大可連接設(shè)備數(shù)目＝理論最大支持設(shè)備數(shù)目－1

SCSI控制板(卡)由SCSI專(zhuān)用處理芯片、SCSIBIOS、SCSI內(nèi)置數(shù)據(jù)線電纜插座、SCSI外置高密度插座、PCI插座和終端器六部分構(gòu)成。其中：專(zhuān)用處理芯片是控制卡的核心，由它來(lái)控制SCSI的工作，目前有多家廠商為用戶(hù)提供這樣的芯片，在構(gòu)成SCSI控制板時(shí)注意選用；BIOS用來(lái)提供SCSI的基本設(shè)置功能；內(nèi)置數(shù)據(jù)線電纜插座主要分50針、68針及80針三種，通過(guò)內(nèi)置數(shù)據(jù)線，可以連接內(nèi)置式SCSI設(shè)備；外置高密度插座則用于連接外置SCSI設(shè)備；PCI插座是指主板上的PCI插槽，可將SCSI插在PCI的插槽中；而終端器是SCSI的一個(gè)重要特性，它代表SCSI總線的結(jié)束，它是SCSI總線的終端匹配網(wǎng)絡(luò)，用于減少總線的反射，保證總線正常工作。

一般情況下，SCSI有三種編碼方式：SE(單端)、HVD(高電平差動(dòng))和LVD(低電平差動(dòng))。

SE方式從SCSI1時(shí)就開(kāi)始使用，所使用的電纜最長(zhǎng)為6m。目前，這一編碼方式已被放棄。

HVD提供高級(jí)編碼方式，即使在高數(shù)據(jù)傳輸率下，還可以繼續(xù)使用較長(zhǎng)的電纜。HVD主要的缺點(diǎn)在于耗電量較高，而且每個(gè)信號(hào)需要使用兩根電纜。現(xiàn)在，HVDSCSI已經(jīng)很少使用。LVD提供低壓解決方案，它的速度沒(méi)有定義，在12m以?xún)?nèi)都能保持正常傳輸率。所以，新的SCSI系統(tǒng)大多使用LVD。

LVDSCSI發(fā)布于1995年，它是一個(gè)低功率、低價(jià)格的差分總線收發(fā)器，具有與HVDSCSI相同的高速數(shù)據(jù)傳輸能力。LVD(V＋和V－)信號(hào)擺幅約為400mV，在以1.25V的共模偏置電壓為中心的范圍內(nèi)擺動(dòng)。與單端或高壓差分信號(hào)相比，LVD較小的信號(hào)擺幅能夠快速達(dá)到所要求的邏輯狀態(tài)。利用基于EIA-644(LVDS)銅線數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)的LVDSCSI能夠達(dá)到655MB/s的數(shù)據(jù)速率(點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸)。LVDSCSI相對(duì)于HVDSCSI的另一優(yōu)勢(shì)是它可以向后兼容至SE、SCSI2標(biāo)準(zhǔn)。在SCSI總線系統(tǒng)中，每個(gè)SCSI設(shè)備都必須有自己唯一的ID(標(biāo)識(shí)號(hào))，這個(gè)號(hào)碼從1～15。

3)SCSI總線信號(hào)定義

表4.9差分SCSI總線的信號(hào)定義

表4.9差分SCSI總線的信號(hào)定義

在SCSI總線的差分傳送中，一位數(shù)據(jù)需兩條信號(hào)線進(jìn)行傳送。信號(hào)線中的DB-1～DB-8用來(lái)傳送8位數(shù)據(jù)，DB-P用于傳送奇偶校驗(yàn)位。

BSY用于傳送忙狀態(tài)信號(hào)，高電平表示總線忙。

SEL為選擇信號(hào)，該信號(hào)由選擇目標(biāo)設(shè)備的起始設(shè)備產(chǎn)生或者由重選起始設(shè)備的目標(biāo)設(shè)備產(chǎn)生。在這里，要求其他設(shè)備進(jìn)行操作的設(shè)備為起始設(shè)備，而執(zhí)行起始設(shè)備命令的為目標(biāo)設(shè)備。在SCSI上，有的設(shè)備只能作為目標(biāo)設(shè)備，而有的設(shè)備只能作為起始設(shè)備；有的設(shè)備在某一時(shí)間可作為起始設(shè)備，而在另外的時(shí)間又可作為目標(biāo)設(shè)備，例如微型機(jī)。

REQ為請(qǐng)求信號(hào)，該信號(hào)由目標(biāo)設(shè)備產(chǎn)生，用來(lái)請(qǐng)求進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。

C/D為控制/數(shù)據(jù)指示信號(hào)，它由目標(biāo)設(shè)備產(chǎn)生，用來(lái)指示數(shù)據(jù)線上傳送的是控制命令還是數(shù)據(jù)信息。當(dāng)該信號(hào)為“0”時(shí)，表示傳送的是數(shù)據(jù)信號(hào)；當(dāng)該信號(hào)為“1”時(shí)，表示傳送的是控制命令。

I/O是輸入/輸出信號(hào)，該信號(hào)由目標(biāo)設(shè)備產(chǎn)生，用以告訴起始設(shè)備信息輸送的方向。當(dāng)該信號(hào)為“0”時(shí)，表示起始設(shè)備為輸出；當(dāng)該信號(hào)為“1”時(shí)，表示起始設(shè)備為輸入。

MSG為信息信號(hào)，由目標(biāo)設(shè)備產(chǎn)生，用來(lái)告訴起始設(shè)備數(shù)據(jù)總線上傳送的是報(bào)文還是其他信息。當(dāng)該信號(hào)為“0”時(shí)，表示傳送的是命令或狀態(tài)信息；當(dāng)該信號(hào)為“1”時(shí)，表示傳送的是報(bào)文信息。

ATN為注意信號(hào)，由起始設(shè)備產(chǎn)生，用來(lái)告訴目標(biāo)設(shè)備，起始設(shè)備已經(jīng)準(zhǔn)備好了一個(gè)報(bào)文信息。

RST為重置信號(hào)，可由總線上的任何一個(gè)設(shè)備產(chǎn)生，用以通知總線上的所有設(shè)備執(zhí)行重置。

ACK為響應(yīng)信號(hào)，由起始設(shè)備產(chǎn)生，用來(lái)作為對(duì)請(qǐng)求信號(hào)的響應(yīng)。

4)SCSI總線的發(fā)展

SCSI也暴露出一些問(wèn)題：

(1)傳輸速率問(wèn)題。目前SCSI的最高速率為320MB/s，未來(lái)可做到640MB/s。作為并行總線來(lái)說(shuō)，這樣的速率差不多到頭了，再想提高速率就非常困難甚至是不可能的。

(2)不能熱插拔?？偟膩?lái)說(shuō)SCSI很嬌氣，必須在電腦和外設(shè)都關(guān)斷電源的情況下插拔，否則可能產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。

(3)掛接的設(shè)備有限。在SCSI總線上除主控器之外僅能掛接7(15)個(gè)設(shè)備，每個(gè)設(shè)備必須有自己的ID號(hào)，不得重復(fù)使用。CPU占用的ID，其他設(shè)備不能使用。這在使用上受到限制，若要突破這一限制，則需要比較復(fù)雜的工作。

(4)總線電纜的限制。SCSI總線電纜必須安上匹配網(wǎng)絡(luò)，以減小電纜和連接器的反射，它的信號(hào)終止限制是比較苛刻的。同時(shí)，并行總線在高速傳輸時(shí)，信號(hào)扭曲和串音(交叉串?dāng)_)是難以避免的，這必然影響SCSI的傳輸速率及總線的可靠性。

SAS的一些優(yōu)異性能主要表現(xiàn)在：●高速率。串行連接SCSI以一步到位的方式達(dá)到了杰出的性能、擴(kuò)展性和靈活性。目前，其傳輸速率為3.0Gb/s，很快就會(huì)做到6Gb/s。不久的將來(lái)，其傳輸速率將達(dá)到12.0Gb/s?！?/p>

好的兼容性。針對(duì)不斷擴(kuò)大的對(duì)經(jīng)濟(jì)有效的合理化系統(tǒng)的需求，SAS結(jié)合了對(duì)串行ATA(SATA)的無(wú)縫兼容，可以方便地為用戶(hù)提供混接SAS和SATA硬盤(pán)來(lái)有效地滿(mǎn)足應(yīng)用需求。

●點(diǎn)對(duì)點(diǎn)架構(gòu)。串行連接SCSI樸實(shí)無(wú)華的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的串行架構(gòu)比起此前的并行技術(shù)顯得既簡(jiǎn)單又健壯。Ultra320SCSI需要用32根信號(hào)導(dǎo)線(16條數(shù)據(jù)路徑，每條需要兩根)來(lái)實(shí)現(xiàn)LVD信號(hào)傳輸，而SAS僅需4條?！袢p工、多端口設(shè)計(jì)。全雙工操作在兩個(gè)方向上同時(shí)進(jìn)行信號(hào)傳輸，因此使有效吞吐量提高了一倍?！?/p>

更強(qiáng)的擴(kuò)展性。與SAS的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)架構(gòu)相匹配的是高速交換設(shè)備，也叫擴(kuò)展器，它能夠快速聚合許多硬盤(pán)，使一個(gè)單一SAS域能容納多達(dá)16384塊硬盤(pán)而不致降低性能。

●更長(zhǎng)的電纜長(zhǎng)度。SAS電纜線最長(zhǎng)可達(dá)8m(約25英尺)，不僅可直接連接服務(wù)器，還可連接服務(wù)器周?chē)?dú)立的存儲(chǔ)陣列?！耠娎|和接頭的緊湊設(shè)計(jì)。SAS的接頭和電纜比并行SCSI組件小得多，因此可簡(jiǎn)化繞線，節(jié)省空間，并提高系統(tǒng)機(jī)箱內(nèi)的空氣流動(dòng)及散熱水平。SAS接頭還能夠輕松地插接到小尺寸硬盤(pán)上。●

支持熱插拔/熱交換。SAS的熱插拔能力實(shí)現(xiàn)了不停機(jī)的硬盤(pán)交換，從而保證了不中斷的數(shù)據(jù)可用性。

●全球唯一的設(shè)備ID。每個(gè)SAS端口和擴(kuò)展器都有一個(gè)全球唯一的64位SAS地址?！癖Ａ鬝CSI指令集。SAS保留了現(xiàn)有的SCSI指令及其并行技術(shù)所具有的核心優(yōu)勢(shì)。SAS還保護(hù)了企業(yè)多年來(lái)在配置、部署和維護(hù)SCSI系統(tǒng)方面儲(chǔ)備的大量SCSI智力資金。綜上所述，串行SCSI被認(rèn)為是企業(yè)級(jí)接口最佳的系統(tǒng)解決方案，SAS的超前思維設(shè)計(jì)確保它能夠滿(mǎn)足如今乃至未來(lái)的企業(yè)應(yīng)用需要。

2.ATA總線

1)ATA概述早期的IDE功能很弱，在此總線上只能接兩臺(tái)硬盤(pán)，數(shù)據(jù)傳輸速率很低(2MB/s)，能管理的硬盤(pán)容量很小(528MB)，但它能滿(mǎn)足當(dāng)時(shí)的個(gè)人計(jì)算機(jī)的需要。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)硬盤(pán)的容量要求愈來(lái)愈大，傳輸速率也要求愈來(lái)愈高。為適應(yīng)這一要求，ATA也一代接一代地發(fā)展。ATA從1994年發(fā)布至今共經(jīng)歷了7代標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在用表4.10來(lái)說(shuō)明ATA的發(fā)展及主要特性。

表4.10ATA的發(fā)展及主要性能

ATA中磁盤(pán)機(jī)與主機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸方式有兩種：一種是程序輸入/輸出(即PIO)方式，這種方式下CPU通過(guò)執(zhí)行程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。顯然，這種方式的傳輸速率不可能太高。另一種是直接存儲(chǔ)器存取(即DMA)方式，這種方式下磁盤(pán)機(jī)與主機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳送不需要CPU參與。這種傳輸方式的數(shù)據(jù)傳輸速率要更快一些。有關(guān)這兩種數(shù)據(jù)傳輸方式的詳細(xì)內(nèi)容，在本書(shū)的后面將仔細(xì)予以描述。其他有關(guān)ATA的細(xì)節(jié)不再說(shuō)明。

2)ATA總線的發(fā)展像SCSI總線一樣，ATA作為主要用于磁盤(pán)、光盤(pán)、掃描儀等外設(shè)的并行總線，在技術(shù)與需求不斷發(fā)展的情況下，暴露出許多問(wèn)題，尤其是它的數(shù)據(jù)傳輸速率幾乎快要達(dá)到極限。因此，也像SCSI總線一樣出現(xiàn)了串行的ATA總線，即SATA。

SATA采用七針數(shù)據(jù)電纜，主要有四個(gè)針腳，第1針發(fā)送信號(hào)，第2針接收信號(hào)，第3針供應(yīng)電源，第4針為地線，最長(zhǎng)可以達(dá)到1m。而并行ATA最長(zhǎng)為40cm。更重要的是，SATA不會(huì)出現(xiàn)因過(guò)多的引腳而使針變彎或斷針的現(xiàn)象。SATA插接簡(jiǎn)單，還大大改善了機(jī)箱的通風(fēng)條件。

同樣，SATA具備許多優(yōu)異的特性：高速度，可連接多臺(tái)設(shè)備，支持熱插拔，內(nèi)置數(shù)據(jù)校驗(yàn)等，這里不再說(shuō)明。作為今后的方展方向，SATA將會(huì)迅速得到發(fā)展。在今天PC機(jī)市場(chǎng)上，盡管硬磁盤(pán)接口的主流還是ATA，但是已有SATA出現(xiàn)。相信在未來(lái)的日子里，SATA能與SCSI各占半壁江山。下面給出并行ATA與串行ATA主要性能對(duì)照表，如表4.11所示。

表4.11并行ATA與SATA主要性能對(duì)照表

3.USB總線

1)USB總線的由來(lái)

USB是英文UniversalSerialBus的縮寫(xiě)，中文含義是"通用串行總線"。在早期的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上常用串口或并口連接外圍設(shè)備。每個(gè)接口都需要占用計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)資源(如中斷、I/O地址、DMA通道等)。無(wú)論是串口還是并口，都是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接，一個(gè)接口僅支持一個(gè)設(shè)備。因此每添加一個(gè)新的設(shè)備，就需要添加一個(gè)ISA或PCI電路板(卡)來(lái)支持。

USB總線就是為了克服上述問(wèn)題而由Intel等多家公司聯(lián)合提出的一種新的串行總線標(biāo)準(zhǔn)。

2)USB總線的特點(diǎn)現(xiàn)在USB已經(jīng)廣為流行，成為PC機(jī)不可或缺的接口。同時(shí)，USB也在工業(yè)控制機(jī)中廣為采用，而且今后其應(yīng)用必定更加普遍。之所以這樣，是因?yàn)閁SB具備許多優(yōu)異的性能與特點(diǎn)：

(1)傳輸速率高。USB1.0有兩種傳輸速率：低速為1.5Mb/s，高速為12Mb/s。USB2.0的傳輸速率可高達(dá)480Mb/s。前者用于低速外設(shè)，如鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等；而后者可用于高速外設(shè)，如U盤(pán)、移動(dòng)硬盤(pán)、多媒體外設(shè)等。

(2)支持即插即用。主控USB可以隨時(shí)監(jiān)測(cè)該USB總線上設(shè)備的接入和拔出情況。在主控器的控制下，總線上的外設(shè)永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生沖突，從而實(shí)現(xiàn)了總線的設(shè)備即插即用。

(3)支持熱插拔。用戶(hù)在USB上使用外接設(shè)備時(shí)，不需要重復(fù)“關(guān)機(jī)→將并口或串口電纜接上→再開(kāi)機(jī)”這樣的動(dòng)作，而是直接在PC開(kāi)機(jī)時(shí)就將USB電纜插上使用。顯然，用戶(hù)必須明確，作為USB總線接口是允許帶電插拔的，但是在使用時(shí)必須注意外設(shè)是否支持熱插拔。若移動(dòng)硬盤(pán)正在寫(xiě)數(shù)據(jù)，這時(shí)拔下USB電纜插頭，這可能對(duì)USB總線沒(méi)有傷害，但對(duì)移動(dòng)硬盤(pán)來(lái)說(shuō)就是不允許的。

(4)良好的擴(kuò)展性。USB支持在總線上接上多個(gè)設(shè)備同時(shí)工作，而且總線的擴(kuò)展很容易實(shí)現(xiàn)。在USB上最多可以連接127臺(tái)設(shè)備。

(5)可靠性高。USB上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量可大可小，允許傳輸速率在一定范圍內(nèi)變化，為用戶(hù)提供了使用上的靈活性。同時(shí)，在USB協(xié)議中包含了傳輸錯(cuò)誤管理、錯(cuò)誤恢復(fù)等功能，并能根據(jù)不同的傳輸類(lèi)型來(lái)處理傳輸錯(cuò)誤，從而提高了總線傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

(6)統(tǒng)一標(biāo)淮。USB是一種開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)。在USB總線上，所有使用USB系統(tǒng)的接口一致，連線簡(jiǎn)單。各種外設(shè)都可以用同樣的標(biāo)準(zhǔn)與主機(jī)相連接，這時(shí)就有了USB硬盤(pán)、USB鼠標(biāo)、USB打印機(jī)等，而且使用非常簡(jiǎn)單。尤其是有了支持USB的操作系統(tǒng)(例如高于Windows98的版本)后，外設(shè)插上就可以使用。

(7)總線供電。USB總線上可以提供容量為5V×500mA的電源，這對(duì)許多功率要求不大的外設(shè)特別方便。

(8)傳送距離。USB在低速(1.5Mb/s)傳輸時(shí)，采用非屏蔽電纜，結(jié)點(diǎn)間的距離為3m；在高速(12Mb/s)傳輸時(shí)，采用屏蔽電纜，結(jié)點(diǎn)間的距離為5m。

(9)低成本。USB接口電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，特別適合低速設(shè)備。USB系統(tǒng)接口/電纜也比較簡(jiǎn)單，成本相對(duì)較低。

3)USB信號(hào)定義及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

(1)信號(hào)定義。在USB2.0的規(guī)范中，USB定義了4個(gè)信號(hào)：VUSB(電源＋5V)、GND(地)、D＋(信號(hào)正端)和D－(信號(hào)負(fù)端)。這4個(gè)信號(hào)用一條屏蔽(或沒(méi)有屏蔽)的4芯電纜進(jìn)行傳送，如圖4.7所示。

圖4.7USB總線信號(hào)

(2)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。利用USB主機(jī)來(lái)連接USB設(shè)備，可采用分層次的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖4.8表示了這樣的分層結(jié)構(gòu)。

圖4.8USB總線連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

主控器的主要功能有：●管理USB系統(tǒng)，檢測(cè)USB總線上設(shè)備的加入及退出。●每毫秒產(chǎn)生一幀數(shù)據(jù)。●收集USB設(shè)備的狀態(tài)信息，發(fā)送配置請(qǐng)求并對(duì)USB設(shè)備進(jìn)行配置操作?！駥?duì)總線上的錯(cuò)誤進(jìn)行管理和恢復(fù)?！?/p>

為USB總線提供5V×500mA容量的電源。

4.IEEE1394

1)IEEE1394的特點(diǎn)

(1)支持熱插拔。

(2)即插即用。

(3)傳輸速率高。

(4)兼容性好。

(5)支持同步和異步傳輸。(6)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)形式靈活。(7)傳輸距離遠(yuǎn)。

(8)接口設(shè)備對(duì)等。(9)總線供電。

(10)價(jià)格低。

2)IEEE1394的接口類(lèi)型

IEEE1394接口有6針和4針兩種類(lèi)型。最早由蘋(píng)果公司開(kāi)發(fā)的IEEE1394接口是6角形的6針接口。這種接口主要用于普通的臺(tái)式計(jì)算機(jī)，目前很多主板都具備這種接口，應(yīng)用十分廣泛，特別是在蘋(píng)果公司的計(jì)算機(jī)上應(yīng)用最多。六芯的IEEE1394電纜的截面示意圖如圖4.9所示。

圖4.9IEEE1394的六芯電纜示意圖

4.4總線驅(qū)動(dòng)與控制

4.4.1總線競(jìng)爭(zhēng)的概念總線競(jìng)爭(zhēng)亦稱(chēng)總線爭(zhēng)用，就是在同一總線上，同一時(shí)刻有兩個(gè)或兩個(gè)以上的器件利用該總線輸出狀態(tài)，如圖4.10所示。

圖4.10兩個(gè)門(mén)競(jìng)爭(zhēng)示意圖

4.4.2負(fù)載的計(jì)算

1.直流負(fù)載的估算為了說(shuō)明直流負(fù)載的估算方法，我們以圖4.11所示的門(mén)電路為例，具體地進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于其他形式的電路，計(jì)算的思路和方法也是一樣的。在圖4.11中，左側(cè)的驅(qū)動(dòng)門(mén)驅(qū)動(dòng)右側(cè)的負(fù)載門(mén)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)門(mén)的輸出為高電平時(shí)，它為負(fù)載門(mén)提供高電平輸入電流IIH。為了使電路正常工作，驅(qū)動(dòng)門(mén)必須有能力為所有的負(fù)載門(mén)提供它們所需要的電流。因此，驅(qū)動(dòng)門(mén)的高電平輸出電流IOH不得小于所有負(fù)載門(mén)所需要的高電平輸入電流IIH之和，即滿(mǎn)足下面的算式：

(4-1)圖4.11負(fù)載計(jì)算示意圖

同樣，當(dāng)驅(qū)動(dòng)門(mén)輸出為低電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)門(mén)的低電平輸出電流IOL(實(shí)際上是負(fù)載的灌電流)應(yīng)不小于所有負(fù)載門(mén)的低電平輸入電流IIL(實(shí)際上是負(fù)載門(mén)的漏電流)，即應(yīng)滿(mǎn)足下式：

(4-2)利用上面兩個(gè)算式，可以估算驅(qū)動(dòng)門(mén)的負(fù)載。例如，查手冊(cè)得到某一門(mén)電路的IOH＝15mA，IOL＝24mA，它的IIL＝0.2mA，IIH＝0.1mA。若用這樣的門(mén)來(lái)驅(qū)動(dòng)同樣的門(mén)，可用式(4-1)算出輸出為高電平時(shí)：N＝15mA÷0.1mA＝150(個(gè))利用式(4-2)，算出輸出為低電平時(shí)：N＝24mA÷0.2mA＝120(個(gè))因此，對(duì)直流負(fù)載進(jìn)行估算時(shí)，理論上算出用這樣的門(mén)可驅(qū)動(dòng)120個(gè)同樣的門(mén)，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)一般不超過(guò)20個(gè)。

2.交流負(fù)載的估算就目前的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，通常使用的頻率并不是很高，總線也不是很長(zhǎng)。因此，一般只考察電容的影響。因?yàn)殡娙莸拇嬖诳墒姑}沖信號(hào)延時(shí)，使邊沿變壞，所以有許多電路芯片都規(guī)定所允許的負(fù)載電容Cp。另一方面，總線的引線及每一個(gè)負(fù)載都有一定的輸入電容CI。從交流負(fù)載來(lái)考慮，必須滿(mǎn)足下式：

(4-3)式中，CP為驅(qū)動(dòng)門(mén)所能驅(qū)動(dòng)的最大電容；CIi為第i個(gè)負(fù)載的輸入電容。

例如，若某門(mén)電路所能驅(qū)動(dòng)的最大電容為150pF，而每個(gè)負(fù)載的輸入電容為5pF，則該驅(qū)動(dòng)門(mén)以交流負(fù)載估算，理想情況下可驅(qū)動(dòng)30個(gè)負(fù)載。注意，在進(jìn)行負(fù)載估算時(shí)，必須對(duì)直流負(fù)載和交流負(fù)載都進(jìn)行計(jì)算；然后選取最小的數(shù)量為驅(qū)動(dòng)能力。當(dāng)然，這樣進(jìn)行估算還是理想的情況，還有一些因素并未考慮，因此通常選取較小的數(shù)目，一般取20個(gè)以?xún)?nèi)或更小一些。

4.4.3總線驅(qū)動(dòng)與控制的實(shí)現(xiàn)

1.系統(tǒng)總線的驅(qū)動(dòng)與控制任何輸出器件都有有限的驅(qū)動(dòng)能力。前面提到的8086/88輸出引線的驅(qū)動(dòng)能力只能驅(qū)動(dòng)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的TTL門(mén)或幾個(gè)LS門(mén)。當(dāng)構(gòu)成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)規(guī)模比較大、總線上掛接的存儲(chǔ)器和接口比較多時(shí)，則必須對(duì)CPU的輸出信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。同時(shí)，在8086/88輸出信號(hào)中有許多信號(hào)是時(shí)分復(fù)用的，因此，在系統(tǒng)總線形成電路中要實(shí)現(xiàn)對(duì)CPU信號(hào)的鎖存和驅(qū)動(dòng)。構(gòu)成微型機(jī)的其他部件(電路插板)應(yīng)接在經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)總線上。

2.板內(nèi)總線的驅(qū)動(dòng)與控制

1)概述參看圖1.2，假定連接在系統(tǒng)總線的內(nèi)存及各接口是插在總線插槽上的電路板(卡)。可以想像，當(dāng)某一時(shí)刻CPU讀內(nèi)存時(shí)，被選中的存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)由它所在的存儲(chǔ)芯片上輸出，加到系統(tǒng)總線的數(shù)據(jù)線上。就在這一時(shí)刻，系統(tǒng)總線的所有數(shù)據(jù)線上均為輸入，且都成為該存儲(chǔ)芯片的負(fù)載。由于存儲(chǔ)芯片的驅(qū)動(dòng)能力十分有限，故應(yīng)當(dāng)在存儲(chǔ)器電路板上加入板內(nèi)雙向數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)器，來(lái)驅(qū)動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)總線的數(shù)據(jù)線。

加入驅(qū)動(dòng)器后，必須仔細(xì)對(duì)其進(jìn)行控制，以防出現(xiàn)總線競(jìng)爭(zhēng)。至于板內(nèi)的單向信號(hào)，如地址信號(hào)、控制信號(hào)等，是否需要在板內(nèi)加驅(qū)動(dòng)(緩沖)，要由該板對(duì)系統(tǒng)總線驅(qū)動(dòng)器造成的負(fù)載來(lái)決定。同樣，當(dāng)CPU讀某接口板時(shí)，被選中的接口芯片將其數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)總線上。這一時(shí)刻，數(shù)據(jù)總線上的所有電路板決不允許有輸出，只能輸入，則它們均成為該接口芯片的負(fù)載。若所選中的接口芯片的負(fù)載能力較低，就有可能出現(xiàn)讀數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。為此，應(yīng)在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線和接口電路之間增加雙向的數(shù)據(jù)總線驅(qū)動(dòng)器。

2)接口板數(shù)據(jù)總線的驅(qū)動(dòng)與控制為了實(shí)現(xiàn)對(duì)板內(nèi)雙向數(shù)據(jù)總線驅(qū)動(dòng)器的控制，應(yīng)做好如下三件事：

(1)牢記防止出現(xiàn)總線競(jìng)爭(zhēng)的原則。該原則有三句話，最重要的是第一句。一般地說(shuō)只要滿(mǎn)足第一句話，就可以防止總線競(jìng)爭(zhēng)。有了后面兩句，會(huì)更加規(guī)范和好理解。它們是：①只有當(dāng)CPU讀板內(nèi)接口地址時(shí)，才允許數(shù)據(jù)總線驅(qū)動(dòng)指向系統(tǒng)總線的三態(tài)門(mén)是導(dǎo)通的。②只有當(dāng)CPU寫(xiě)板內(nèi)接口地址時(shí)，才允許驅(qū)動(dòng)器指向板內(nèi)的三態(tài)門(mén)是導(dǎo)通的。③

不去讀/寫(xiě)(尋址)板內(nèi)接口地址時(shí)，驅(qū)動(dòng)器的兩邊都應(yīng)為高阻狀態(tài)。

(2)分析板內(nèi)接口地址，找出其特征。在理解原則的基礎(chǔ)上，仔細(xì)分析板內(nèi)接口地址的特征，并找準(zhǔn)這些特征。

(3)根據(jù)地址特征和防止競(jìng)爭(zhēng)的原則，畫(huà)出驅(qū)動(dòng)器及其控制電路。

例4.1

假定某接口電路板的板內(nèi)接口地址為A000H～BFFFH。試畫(huà)出板內(nèi)雙向數(shù)據(jù)總線的驅(qū)動(dòng)與控制電路。解決該問(wèn)題時(shí)要在記住原則的基礎(chǔ)上分析接口板板內(nèi)地址特征。經(jīng)分析可以發(fā)現(xiàn)，該板地址特征是，只有CPU送出的接口地址的A15、A14、A13為1、0、1的那些接口地址才在板內(nèi)，而接口地址的A15、A14、A13不是1、0、1的那些地址全不在板內(nèi)。利用上面的分析可以畫(huà)出接口板板內(nèi)驅(qū)動(dòng)與控制電路，如圖4.12所示。

圖4.12接口板板內(nèi)數(shù)據(jù)總線的驅(qū)動(dòng)與控制電路

例4.2若接口的板內(nèi)地址為A000H～EFFFH，利用3-8譯碼器構(gòu)成的控制電路如圖4.13所示。

圖4.13接口板內(nèi)數(shù)據(jù)總線的驅(qū)動(dòng)與控制電路

3)內(nèi)存板板內(nèi)數(shù)據(jù)總線的驅(qū)動(dòng)與控制內(nèi)存板同樣需要驅(qū)動(dòng)，至少雙向數(shù)據(jù)總線驅(qū)動(dòng)器是需要的。同樣，內(nèi)存板雙向數(shù)據(jù)總線驅(qū)動(dòng)器同樣需要仔細(xì)進(jìn)行控制，以防止總線競(jìng)爭(zhēng)的發(fā)生。防止總線競(jìng)爭(zhēng)的做法依然是3步：

(1)牢記防止驅(qū)動(dòng)器總線競(jìng)爭(zhēng)的原則。同樣是三句話，與接口板的原則是一樣的：①只有當(dāng)CPU讀板內(nèi)內(nèi)存單元時(shí)，驅(qū)動(dòng)器指向系統(tǒng)總線的三態(tài)門(mén)才允許導(dǎo)通。②只有當(dāng)CPU寫(xiě)板內(nèi)內(nèi)存單元時(shí)，驅(qū)動(dòng)器指向板內(nèi)的三態(tài)門(mén)才允許導(dǎo)通。③

當(dāng)CPU不去尋址板內(nèi)內(nèi)存時(shí)，驅(qū)動(dòng)器兩邊均處于高阻狀態(tài)。

同樣，第一句話是最根本的，滿(mǎn)足了第一句話，已經(jīng)可以防止總線競(jìng)爭(zhēng)的產(chǎn)生了。

(2)分析板內(nèi)內(nèi)存地址的特征。通過(guò)對(duì)板內(nèi)內(nèi)存地址的分析，找出規(guī)律，即地址特征。

(3)根據(jù)地址特征畫(huà)出總線驅(qū)動(dòng)及控制電路。對(duì)于內(nèi)存板板內(nèi)的單向信號(hào)，如地址信號(hào)，存儲(chǔ)器讀/寫(xiě)信號(hào)等，是否需要板內(nèi)驅(qū)動(dòng)決定于該電路板對(duì)系統(tǒng)總線的這些信號(hào)造成的負(fù)載有多少。一般地說(shuō)，若負(fù)載不多于兩個(gè)門(mén)，可以不加驅(qū)動(dòng)；若超過(guò)兩個(gè)門(mén)，原則上應(yīng)當(dāng)加驅(qū)動(dòng)。

例4.3若內(nèi)存板板內(nèi)地址為60000H～9FFFFH，欲設(shè)計(jì)板內(nèi)雙向數(shù)據(jù)總線驅(qū)動(dòng)器。首先是要理解防止總線競(jìng)爭(zhēng)的原則,接下來(lái)分析板內(nèi)的地址?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)CPU送出的內(nèi)存地址的最高4位具有下列狀態(tài)時(shí)，一定是CPU尋址板內(nèi)的內(nèi)存地址：A19A18A17A160110011110001

0

01圖4.14內(nèi)存板板內(nèi)數(shù)據(jù)總線的驅(qū)動(dòng)與控制電路

4)板內(nèi)既有內(nèi)存又有接口的驅(qū)動(dòng)有的電路板上既有內(nèi)存又有接口。例如，CRT顯示控制及其他許多電路板均具有這樣的特點(diǎn)。在設(shè)計(jì)這樣的電路板的板內(nèi)數(shù)據(jù)總線驅(qū)動(dòng)器時(shí)，為防止出現(xiàn)總線競(jìng)爭(zhēng)，必須將內(nèi)存板的防止出現(xiàn)總線競(jìng)爭(zhēng)的原則和接口板的結(jié)合到一起，即：

(1)只有當(dāng)CPU讀板內(nèi)內(nèi)存或讀板內(nèi)接口時(shí)，才允許驅(qū)動(dòng)器指向系統(tǒng)總線的三態(tài)門(mén)是導(dǎo)通的。

(2)只有當(dāng)CPU寫(xiě)板內(nèi)內(nèi)存或?qū)懓鍍?nèi)接口時(shí)，才允許驅(qū)動(dòng)器指向板內(nèi)的三態(tài)門(mén)是導(dǎo)通的。

(3)若CPU既不尋址板內(nèi)內(nèi)存也不尋址板內(nèi)接口，則驅(qū)動(dòng)器

A、B兩邊都應(yīng)是高阻狀態(tài)。

例4.4在某微型計(jì)算機(jī)的電路板上有內(nèi)存C0000H～EFFFFH和接口A000H～BFFFH，試畫(huà)出該電路板板內(nèi)雙向數(shù)據(jù)總線的驅(qū)動(dòng)與控制電路。解決本題同樣要做前面提到的三項(xiàng)工作：記住防止競(jìng)爭(zhēng)的原則；對(duì)板內(nèi)地址進(jìn)行分析；畫(huà)出具體的控制電路。內(nèi)存地址分析：

A19A18A17A16110

0110

1

1

1

1

0經(jīng)內(nèi)存地址分析可見(jiàn)，C字開(kāi)頭的64KB、D字開(kāi)頭的64KB和E字開(kāi)頭的64KB均在板內(nèi)。接口地址分析：

A15A14A13A121010

1

0

1

1圖4.15板內(nèi)既有內(nèi)存又有接口的雙向數(shù)據(jù)總線的驅(qū)動(dòng)與控制電路4.5有關(guān)總線的工程問(wèn)題4.5.1總線上的交叉串?dāng)_

1.由分布電容引起的串?dāng)_任何兩條導(dǎo)線之間都存在著分布電容，總線各引線之間也不例外。尤其是相鄰引線之間，由于它們的距離比較近，分布電容也就比較大。一條導(dǎo)線上的脈沖信號(hào)通過(guò)分布電容可以耦合到另一條線上，這就是總線間的交叉串?dāng)_。為說(shuō)明線間分布電容所產(chǎn)生的串?dāng)_，現(xiàn)在用集中參數(shù)電容來(lái)代替分布電容，其等效電路如圖4.16所示。在圖4.16中，C12為總線1與總線2之間的耦合電容；C1G為總線1對(duì)地的分布電容；C2G為總線2對(duì)地的分布電容；R為總線2的負(fù)載電阻。設(shè)總線1上加有信號(hào)U1，通過(guò)分布電容耦合到總線2上的串?dāng)_電壓UN可利用等效電路(見(jiàn)圖4.16(b))計(jì)算：通常，總線的負(fù)載電阻R遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電容C2G及C12的容抗，于是