《微機(jī)接口技術(shù)及其應(yīng)用》課件第2章

第2章總線接口2.1總線的基本概念

2.2總線的通信協(xié)議

2.3常用系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)

2.4通信總線標(biāo)準(zhǔn)習(xí)題與思考題

2.1.1總線的概念

一般先以各種大規(guī)模集成電路芯片為核心組成插件(如CPU插件、存儲器插件等)，再由若干插件組成主機(jī)，最后加上所需的外圍設(shè)備就組成了整個計算機(jī)系統(tǒng)。而若干個微型計算機(jī)系統(tǒng)或微型計算機(jī)加上其他儀器、儀表或可控制系統(tǒng)等目標(biāo)系統(tǒng)，又可組成專用系統(tǒng)。每一系統(tǒng)(或插件)必須能同另外的系統(tǒng)(或插件)進(jìn)行通信，同一插件上的各種芯片也要能夠互相通信，因此，插件與插件之間、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的互連和通信問題就要通過總線來實(shí)現(xiàn)。2.1總線的基本概念總線是若干互連信號線的集合，是連接計算機(jī)各部件或計算機(jī)之間的一條公共信息通道。它是構(gòu)成系統(tǒng)的插件間、插件的片間或系統(tǒng)間的標(biāo)準(zhǔn)信息通路?？偩€的性能好壞直接影響計算機(jī)系統(tǒng)的工作效率、可靠性、可擴(kuò)展性以及可維護(hù)性等多項(xiàng)功能。因此，總線也是眾多計算機(jī)廠家競爭的對象。采用總線結(jié)構(gòu)有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)簡化軟/硬件的系統(tǒng)設(shè)計。系統(tǒng)采用總線結(jié)構(gòu)，使硬件設(shè)計者只需按總線的規(guī)范來設(shè)計各種插件板，而不必考慮其他因素。這樣設(shè)計出的插件板具有互換性與通用性，便于大批量生產(chǎn)。各廠家可以生產(chǎn)出有自己特色的插件，使產(chǎn)品更有競爭力。

插件式的硬件結(jié)構(gòu)帶來了軟件設(shè)計的模塊化，這有利于節(jié)省軟件調(diào)試所需的時間，模塊化程序可被多用戶重復(fù)使用。

(2)用總線連接的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，便于系統(tǒng)擴(kuò)充與更新。系統(tǒng)使用總線結(jié)構(gòu)在擴(kuò)充規(guī)模時，只需往總線上再多插幾塊同類型的插件；在擴(kuò)充功能時，只需插入所需的符合該總線標(biāo)準(zhǔn)的插件即可；在更新系統(tǒng)時，只需更換所要更新的插件即可。

在一個微機(jī)系統(tǒng)中，CPU雖然很重要，但由于所在的地址、數(shù)據(jù)和控制信號都要通過總線傳送，因此總線也是非常重要的，可將其視為整個微機(jī)系統(tǒng)的“中樞神經(jīng)”。此外，總線對整個系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)都會產(chǎn)生很大影響，對系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時性和吞吐量都有決定性影響，因此可以把總線看成是微機(jī)系統(tǒng)的“規(guī)則”或“結(jié)構(gòu)法規(guī)”。2.1.2總線的分類

總線可以從不同角度進(jìn)行分類，按用途可分為數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線、電源線和地線、備用線；按傳遞方式可分為并行總線與串行總線，并行總線一次能傳送8位、16位、32位和64位，多用于系統(tǒng)內(nèi)部或與主機(jī)距離很近的外設(shè)，串行總線一次只能傳送一位信息，用于較遠(yuǎn)距離的信息傳送；按總線連接的對象不同可以分為芯片總線、片間總線、內(nèi)總線和外總線，如圖2-1所示。圖2-1總線分類圖

1．芯片總線

芯片總線又稱片內(nèi)總線，它是用來連接CPU內(nèi)部各個邏輯功能單元的公共總線，是芯片內(nèi)各單元電路之間相互交換信息的公共通道。其結(jié)構(gòu)與設(shè)計由芯片生產(chǎn)廠家來完成。

2．片間總線

片間總線又稱元件級總線，是指組成一臺微型計算機(jī)各芯片(如CPU芯片、存儲器芯片、I/O接口芯片等)間的連接總線。片間總線通常包括地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線，即所謂的三總線結(jié)構(gòu)。

3．內(nèi)總線

內(nèi)總線又稱系統(tǒng)總線，主要用于連接微型計算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)插件、CPU及其支持電路等。

4．外總線

外總線又稱通信總線，用于微型計算機(jī)系統(tǒng)之間、微型計算機(jī)系統(tǒng)與其他電子儀器或設(shè)備之間的通信。這種總線不是微型計算機(jī)特有的，一般是借用電子工業(yè)或其他領(lǐng)域的總線。

內(nèi)總線和外總線除三總線外，還包括電源線、地線和備用線(為用戶擴(kuò)展功能用)。片內(nèi)總線和片間總線沒有規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。內(nèi)總線和外總線根據(jù)生產(chǎn)和用戶的需要規(guī)定了總線標(biāo)準(zhǔn)。內(nèi)總線的規(guī)格因所選用的微處理器品種而異，故內(nèi)總線的標(biāo)準(zhǔn)較多，如S-100總線、Apple總線、STD總線、MULTIBUS總線等。通信總線是微型計算機(jī)接口與外設(shè)、微型計算機(jī)系統(tǒng)間或微型計算機(jī)系統(tǒng)與其他系統(tǒng)(如儀器測試系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等)間的通信線。由于這種總線不是微型機(jī)系統(tǒng)所特有的，因此往往借助于電子工業(yè)上已有的總線標(biāo)準(zhǔn)，其標(biāo)準(zhǔn)較少，如IEEE-488、EIA-RS232C、CAMAC、CENTRONIC等。標(biāo)準(zhǔn)化的內(nèi)總線和通信總線統(tǒng)稱為標(biāo)準(zhǔn)總線。按信息傳送的方法又分為并行標(biāo)準(zhǔn)總線和串行標(biāo)準(zhǔn)總線兩種。內(nèi)總線都是并行總線，總線上信息傳輸率比較高。而通信總線則有并行總線(IEEE-488總線和CAMAC總線)和串行總線(RS-232C、RS-422、RS-423等)兩種。串行總線所需的傳輸線較少，所以計算機(jī)與通信終端的連接多用串行總線。采用標(biāo)準(zhǔn)總線可以簡化軟/硬件和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，便于系統(tǒng)擴(kuò)展、更新、調(diào)試及維修。本章重點(diǎn)討論后兩類總線。在使用這兩類總線時，用戶和制造廠商都希望總線具有通用性，也就是說，希望不同廠家生產(chǎn)的插件板可以互換，不同系統(tǒng)之間可以互連和通信。因此，只要按統(tǒng)一的總線標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計或連接即可。這樣，對于生產(chǎn)廠家來說，只要按總線接口規(guī)范設(shè)計CPU主板、I/O接口板或存儲器插件板，然后將插件板插入主機(jī)的總線擴(kuò)展槽中，就可構(gòu)成系統(tǒng)，很適合于大批量生產(chǎn)、組裝和調(diào)試，也便于更新和擴(kuò)充系統(tǒng)。對于用戶來說，可根據(jù)自身需要，靈活地選購接口板或存儲器插件，組裝成適合自己應(yīng)用需要的系統(tǒng)或更新原有系統(tǒng)。例如，一般用戶選購計算機(jī)時都購置硬盤和軟盤驅(qū)動器接口板、打印機(jī)接口板、

VGA彩色顯示器適配卡等；有些需要處理模擬信號的用戶可再選購A/D、D/A接口板；需要通過電話網(wǎng)來傳送信息的可選購調(diào)制解調(diào)器(Modem)板；當(dāng)需要構(gòu)成一個多媒體系統(tǒng)時，用戶可選購聲卡、圖像解壓縮卡、CD-ROM驅(qū)動器等；必要時用戶還可根據(jù)總線標(biāo)準(zhǔn)的要求，自行設(shè)計接口電路板。目前，使用高檔機(jī)的用戶可直接購置一塊多功能卡，上面包含硬盤驅(qū)動器、軟盤驅(qū)動器、并行打印機(jī)和串行通信口等各種接口電路，這樣就不需要用多塊插件板了。2.1.3總線的主要參數(shù)

1．總線寬度

總線寬度又稱總線位寬，指的是總線能同時傳送數(shù)據(jù)的位數(shù)。例如16位總線、32位總線指的就是總線具有16位數(shù)據(jù)和32位數(shù)據(jù)傳輸能力。在工作頻率固定的條件下，總線帶寬與總線寬度成正比。

2．總線頻率

總線頻率是總線工作速度的一個重要參數(shù)，工作頻率越高，速度越快。例如總線頻率為33MHz、66MHz、100MHz、133MHz等。

3．總線帶寬

總線帶寬又稱總線的數(shù)據(jù)傳輸率，是指在單位時間內(nèi)總線上可傳送的數(shù)據(jù)總量，用每秒鐘最大傳送數(shù)據(jù)量來衡量，單位是字節(jié)/秒(B/s)或兆字節(jié)/秒(MB/s)。與總線帶寬密切相關(guān)的兩個概念是總線寬度和總線的工作頻率。總線帶寬越寬，傳輸率越高?？偩€帶寬與總線寬度和總線頻率的關(guān)系為

上式中，總線帶寬的單位為MB/s(總線頻率以MHz為單位)。例如總線頻率為66MHz，32位總線，若每兩個時鐘周期完成一次總線存取操作，則總線帶寬(數(shù)據(jù)傳輸率)為

即每秒傳輸132MB。結(jié)論：工作頻率越高，總線工作速度越快，即總線帶寬越寬?？偩€帶寬、總線寬度、總線工作頻率三者之間的關(guān)系就像高速公路上的車流量、車道數(shù)和車速的關(guān)系。車流量取決于車道數(shù)和車速，車道數(shù)越多、車速越快，則車流量越大。同樣，總線帶寬取決于總線寬度和工作頻率，總線寬度越寬，工作頻率越高，則總線帶寬越大。當(dāng)然，單方面提高總線寬度或工作頻率都只能部分提高總線的帶寬，并容易達(dá)到各自的極限。只有兩者配合才能使總線的帶寬得到更大的提升。

由于總線是在微機(jī)內(nèi)和系統(tǒng)間傳送各種信息(包括數(shù)據(jù)、地址和控制信號)的通路，因此，為了準(zhǔn)確地傳送這些信息，必須要有信息傳送的控制信號來控制信息的同步，包含一些控制信息傳送開始和結(jié)束的信號。這些信號稱為握手信號(又稱應(yīng)答信號)。因此總線通信協(xié)議主要是解決信息傳輸?shù)拈_始與結(jié)束的問題，它以一定方式用握手信號和電壓的變化來表明數(shù)據(jù)傳送的開始和結(jié)束。2.2總線的通信協(xié)議2.2.1總線的傳輸過程

系統(tǒng)總線最基本的任務(wù)就是傳送數(shù)據(jù)，這里的“數(shù)據(jù)”包括程序指令、運(yùn)算處理的數(shù)據(jù)、設(shè)備的控制命令和狀態(tài)字、設(shè)備的輸入與輸出數(shù)據(jù)。系統(tǒng)總線上的數(shù)據(jù)是在主模塊的控制下進(jìn)行的，主模塊有控制總線的能力，例如CPU及DMA模塊。而從模塊則沒有控制總線的能力，但它可對總線上傳來的地址信號進(jìn)行地址譯碼，并且接受和執(zhí)行總線主模塊的命令?？偩€完成一次數(shù)據(jù)傳輸周期一般分為四個階段。

(1)申請階段：當(dāng)系統(tǒng)總線上有多個主模塊時，需要使用總線的主模塊提出申請，由總線仲裁機(jī)構(gòu)確定把下一個傳輸周期的總線使用權(quán)授權(quán)給該模塊。

(2)尋址階段：取得總線使用權(quán)的主模塊通過總線發(fā)出本次打算訪問的從模塊的存儲器地址或I/O端口地址及有關(guān)命令，使參與本次傳輸?shù)膹哪K開始啟動。

(3)傳送數(shù)據(jù)階段：主模塊和從模塊之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)由源模塊發(fā)出，經(jīng)數(shù)據(jù)總線流入目的模塊。

(4)結(jié)束階段：主從模塊的有關(guān)信息均從系統(tǒng)總線上撤除，讓出總線。2.2.2總線的通信協(xié)議

通?？偩€的通信協(xié)議與總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈帐址绞健⑻幚頇C(jī)的信號及工作特點(diǎn)有關(guān)。通信協(xié)議一般分為四類：同步方式、異步方式、半同步方式和分離方式。

1．同步方式

同步總線所用的控制信號僅僅是一個時鐘振蕩器，利用時鐘的上升沿和下降沿分別表示一個總線周期的開始和結(jié)束。該方式使用一個“系統(tǒng)時鐘”控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間標(biāo)準(zhǔn)。主設(shè)備與從設(shè)備進(jìn)行一次傳輸所需的時間(稱為傳輸周期或總線周期)是固定的，并且總線上所有模塊都在同一時鐘的控制下步調(diào)一致地工作，從而實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)工作的同步。早期的微機(jī)系統(tǒng)，如IBM-PC/XT采用的就是同步總線，現(xiàn)代的超級微機(jī)Pentiumn機(jī)的PCI局部總線也是同步總線。同步總線的主要優(yōu)點(diǎn)是同步握手方式簡單，全部系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳送由單一時鐘信號控制，便于電路設(shè)計。另外，由于主從之間不允許有等待，因此這種方式完成一次傳輸?shù)臅r間較短，適合高速運(yùn)行的需要。只要總線上的模塊都是高速的，總線頻帶便可以做得很寬。但是，同步總線的缺點(diǎn)也很明顯，主要是不能滿足高速和低速設(shè)備在同一系統(tǒng)中使用。因?yàn)榭偩€上的各種模塊與設(shè)備都按同一時鐘工作，所以只能按最慢的設(shè)備來確定總線的頻帶或總線周期的長短，這就使得總線上的一些高速模塊和設(shè)備必須遷就最低速設(shè)備的速度來運(yùn)行，使系統(tǒng)的整個性能降低。當(dāng)然，也可以將時鐘頻率設(shè)計得很高，發(fā)揮高速設(shè)備的快速傳輸性能，但一旦按高速需要設(shè)計好后，總線上就不能再接低速模塊，適應(yīng)性不好。解決這個矛盾的方法之一是采用異步總線握手方式。

2．異步方式

對于具有不同存取時間的各種設(shè)備，不宜采用同步總線協(xié)議，因?yàn)檫@時總線要以最低速設(shè)備的速度運(yùn)行。因此，如果對高速設(shè)備能采用高速操作，而對低速設(shè)備則只能采用低速操作，這時就需要采用異步總線。異步方式采用“應(yīng)答式”傳輸，用“請求(REQ，Request)”和“應(yīng)答(ACK，Acknowledge)”

兩根信號線來協(xié)調(diào)傳輸過程而不依賴于系統(tǒng)時鐘信號。這種方式可以根據(jù)模塊的速度自動調(diào)整響應(yīng)的時間，因此，高速模塊可以高速傳輸，低速模塊可以低速傳輸，連接任何類型的外圍設(shè)備都不需要考慮該設(shè)備的速度，從而避免了同步式傳輸?shù)娜秉c(diǎn)。正是由于全互鎖異步傳輸具有良好的適應(yīng)性和高可靠性，因此它得到了廣泛的應(yīng)用，Motorola公司的MC68000/68010/68020微機(jī)系統(tǒng)采用的就是異步總線。由于異步傳輸方式利用REQ和ACK的呼應(yīng)關(guān)系來控制傳輸?shù)倪^程，因此異步方式具有以下特點(diǎn)：

(1)應(yīng)答關(guān)系完全互鎖，即REQ和ACK之間有確定的制約關(guān)系。主設(shè)備的請求REQ有效，由從設(shè)備的ACK來響應(yīng)；ACK有效，允許主設(shè)備撤銷REQ；只有REQ已撤銷，才能最后撤銷ACK；只有ACK已撤銷，才允許下一傳輸周期的開始。這就保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽窟M(jìn)行。

(2)數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣炔皇枪潭ú蛔兊模Q于從模塊的速度。因而同一個系統(tǒng)中可以容納不同速度的模塊，每個模塊都能以最佳的速度來配合數(shù)據(jù)的傳輸。

異步傳輸?shù)娜秉c(diǎn)是不管從模塊的速度，每完成一次傳輸，主從模塊之間的互鎖控制信號都要經(jīng)過四個步驟：請求、響應(yīng)、撤銷請求、撤銷響應(yīng)，其傳輸延遲是同步傳輸?shù)膬杀丁Ｒ虼?，異步方式比同步方式慢，總線的頻帶窄，總線的傳輸周期長。

3．半同步方式

由于異步總線的傳輸延遲嚴(yán)重地限制了最高的頻率寬度，因此，人們結(jié)合同步和異步總線的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計出了混合的總線，即半同步總線。從總體上看，它是一個同步系統(tǒng)，仍用系統(tǒng)時鐘來定時，利用某一脈沖的前沿或后沿判斷某一信號的狀態(tài)，控制某一信號的產(chǎn)生或消失，使傳輸操作與時鐘同步。但是，它又不像同步傳輸那樣傳輸周期固定，對于慢速的從模塊，其傳輸周期可延長時鐘脈沖周期的整數(shù)倍。半同步的方法是增加一條信號線(Wait或Ready)。當(dāng)Wait信號線有效(或Ready無效)時，反映選中的從設(shè)備未準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)傳輸(寫時未做好接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備，讀時數(shù)據(jù)未放在數(shù)據(jù)線上)。系統(tǒng)用一個適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)時鐘檢測Wait信號線，如果有效，系統(tǒng)自動將傳輸周期延長一個時鐘周期，強(qiáng)制主模塊等待。此狀態(tài)時鐘的下一個時鐘繼續(xù)進(jìn)行檢測，直至檢測到Wait信號線無效，才不再延長傳輸周期。這和異步傳輸一樣，其傳輸周期視從設(shè)備的速度而異。允許不同速度的模塊彼此協(xié)調(diào)地一起工作，但Wait信號不是互鎖的，只是單方向的狀態(tài)傳遞，這是與異步傳輸?shù)牟煌?。半同步傳輸方式對能按?guī)定時刻一步一步完成地址、命令和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膹哪K，完全按同步方式傳輸，而對不能按規(guī)定時刻傳輸?shù)刂贰⒚?、?shù)據(jù)的慢速設(shè)備，則借助Wait信號線，強(qiáng)制主模塊延遲等待若干個時鐘周期。這種方式適用于系統(tǒng)工作速度不高，且包含了多種速度差異較大的設(shè)備的系統(tǒng)。

綜上所述，這種半同步方式的總線對快速設(shè)備就像同步方式一樣，只由時鐘信號單獨(dú)控制，實(shí)現(xiàn)主從之間的握手；對慢速設(shè)備，又像異步方式一樣，利用Wait控制信號來改變總線的傳輸周期。這種混合式總線兼有同步方式的速度和異步方式的可靠性及適應(yīng)性。采用這種總線握手方式的微機(jī)系統(tǒng)有Z80。嚴(yán)格來講，IBM-PC/XT總線是半同步總線。

4．分離方式

前述三種方式中，從主模塊發(fā)出地址和讀/寫命令開始，直到數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束的整個傳輸周期中，系統(tǒng)總線完全由主模塊和從模塊占用。實(shí)際上，在主模塊通過總線向從模塊發(fā)送了地址和命令之后，到從模塊通過數(shù)據(jù)總線向主模塊提供了數(shù)據(jù)之間的時間間隔，是從模塊執(zhí)行讀/寫命令的時間。在這段時間內(nèi)，系統(tǒng)總線上并沒有實(shí)質(zhì)性的信息傳輸，是空閑的。為了充分利用這段總線空閑時間，可將一個讀周期分解成為兩個分離的子周期。在第一個子周期，主模塊發(fā)送地址和命令及有關(guān)信息，經(jīng)總線傳輸，由有關(guān)從模塊接收下來后，立即和總線斷開，以供其他模塊使用。待選中的從模塊準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)后，啟動第二個子周期，由該模塊申請總線，獲準(zhǔn)后，將數(shù)據(jù)發(fā)向原要求數(shù)據(jù)的設(shè)備，由該設(shè)備接收。兩個子周期均按同步方式傳送，在占用總線時刻，高速進(jìn)行信息傳輸。這樣，把兩個獨(dú)立子周期之間的空閑時間給系統(tǒng)中其他主模塊使用，從而大大提高了總線的利用率，使系統(tǒng)的整體性能得到增強(qiáng)，尤其對多微機(jī)系統(tǒng)更加有利。分離式傳輸適合于有多個主模塊(多個處理器或多個DMA設(shè)備)的系統(tǒng)。DEC公司的VAX-11/780小型機(jī)和Intel公司的iAPX-432微機(jī)系統(tǒng)，采用的就是這種傳輸方式。

在國際化生產(chǎn)非常流行的今天，一臺計算機(jī)往往不再是由單一的企業(yè)按大而全的方式生產(chǎn)出來的，而是將計算機(jī)中的各部件交給不同的專業(yè)化生產(chǎn)廠家分別生產(chǎn)，然后由組裝廠組裝成完整的計算機(jī)。這樣做主要是為了降低成本，提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品的質(zhì)量。2.3常用系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)為了將不同廠家生產(chǎn)的各部件組裝成一臺完整的計算機(jī)，就需要各廠家必須按一定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)。特別是系統(tǒng)總線，由于外設(shè)接口卡都要通過它接入系統(tǒng)，因此總線標(biāo)準(zhǔn)的制定更顯得重要。系統(tǒng)總線的制定標(biāo)準(zhǔn)有很多，例如S-100總線、STD總線、MULTIBUS總線、ISA總線、EISA總線、MCA總線、PCI總線等?？偩€是微機(jī)系統(tǒng)中各模塊間傳遞信息的通道。由于總線中每一條線都是經(jīng)過嚴(yán)格定義的，因此總線標(biāo)準(zhǔn)就是微機(jī)系統(tǒng)的“結(jié)構(gòu)法規(guī)”，一旦選定了，任何用戶和廠家都要嚴(yán)格遵守這些規(guī)則。系統(tǒng)總線根據(jù)生產(chǎn)和用戶的需要規(guī)定了各種總線標(biāo)準(zhǔn)。這些總線標(biāo)準(zhǔn)從性能上可以分為高端總線和低端總線。所謂低端總線，是指支持8位、16位微處理器的總線，其重點(diǎn)是進(jìn)行I/O處理，組合靈活。而高端總線則是指支持32位、64位微處理的總線，傾向于提高處理能力。因此低端總線I/O性能較好，高端總線處理能力強(qiáng)，各有偏重。從總線技術(shù)方向劃分，可以將這些標(biāo)準(zhǔn)分為傳統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)代總線標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)總線依賴CPU，有的總線實(shí)際上就是CPU處理器引腳的延伸。現(xiàn)代總線則對CPU的依賴有所減弱，例如PCI總線就可以不依賴任何CPU，而且有很好的兼容性?，F(xiàn)代總線的特征還體現(xiàn)在能支持高速緩存Cache的相關(guān)性、支持多處理機(jī)、可以自動配置等方面。高端現(xiàn)代總線標(biāo)準(zhǔn)有MCA、EISA、VESA、PCI等總線。低端傳統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)有STD、IBM-PC/XT、ISA總線等。微型計算機(jī)常用系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)如表2-1所示。

表2-1微型計算機(jī)常用系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)2.3.1總線標(biāo)準(zhǔn)

總線標(biāo)準(zhǔn)是指在計算機(jī)間承認(rèn)或推薦的系統(tǒng)中互連各個模塊的標(biāo)準(zhǔn)，它通常對總線所用插座的尺寸、引線數(shù)目、各引線信號的含義和時序等都作了明確的統(tǒng)一規(guī)定。

系統(tǒng)總線與I/O接口插件板的連接是用總線插座來實(shí)現(xiàn)的，即I/O接口插件板連接系統(tǒng)時需要插入與系統(tǒng)總線連接的插槽。

為使不同廠家生產(chǎn)的I/O接口插件板都可以連入系統(tǒng)后正常工作，就需要制定相應(yīng)的總線標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)總線通常為50～100根信號線，這些信號線可分為5個主要類型。

(1)數(shù)據(jù)線：決定數(shù)據(jù)寬度。

(2)地址線：決定直接選址范圍。

(3)控制線：包括控制、時序和中斷線，決定總線功能和適應(yīng)性的好壞。

(4)電源線和地線：決定電源的種類及地線的分布和用法。

(5)備用線：留給廠家或用戶自己定義。有關(guān)這些信號線的標(biāo)準(zhǔn)主要涉及如下幾個方面：

(1)信號的名稱；

(2)信號的定時關(guān)系；

(3)信號的電平；

(4)連接插件的幾何尺寸；

(5)連接插件的電氣參數(shù)；

(6)引腳的定義、名稱和序號；

(7)引腳的個數(shù)；

(8)引腳的位置；

(9)電源及地線。常用的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)總線有以下幾種：

(1)

IBM-PC機(jī)的62芯PC總線；

(2)

PC/AT機(jī)的AT總線或ISA總線；

(3)高性能PC機(jī)的EISA總線；

(4)

PCI(PeripheralComponentInterconnect)總線，即外圍部件互連局部總線；

(5)

S-100總線，也稱為IEEE-696總線，采用這種總線的插件板具有100根引線；

(6)

STD總線，具有56條引線，它主要用于工業(yè)控制機(jī)中；

(7)多總線(Multibus)，也稱為IEEE-796總線，主插頭有86條引線，可選插頭有60條引線。常用的標(biāo)準(zhǔn)外部總線包括：

(1)

IEEE-488總線；

(2)

EIARS-232總線。

下面主要介紹常用的STD總線、PC總線、ISA總線、PCI總線、EISA總線和VESA總線以及IEEE-488總線。若需要了解其他總線，可參閱有關(guān)的資料。2.3.2STD總線

STD總線(StandardDataBus)是在1978年由美國PROLOG公司公布的。1987年初，IEEE將STD總線定為IEEE-P961標(biāo)準(zhǔn)總線。它是一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)微機(jī)控制總線，也是國內(nèi)工業(yè)控制領(lǐng)域最常用的標(biāo)準(zhǔn)總線之一。在工業(yè)控制中，它與PC總線一樣有非常多的STD接口卡可供用戶選購，為加強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，許多用戶也自行設(shè)計了STD總線標(biāo)準(zhǔn)的接口卡。STD總線采用公共母板結(jié)構(gòu)，即其總線布置在一塊母板(底板)上，板上安裝若干個插座，插座對應(yīng)引腳都連到同一根總線信號線上。系統(tǒng)采用模塊式結(jié)構(gòu)，各種功能模塊(如CPU模塊、存儲器模塊、圖形顯示模塊、A/D模塊、D/A模塊、開關(guān)量I/O模塊等)都按標(biāo)準(zhǔn)的插件尺寸制造。各功能模塊可插入任意插座，只要模塊的信號、引腳都符合STD規(guī)范，就可以在STD總線上運(yùn)行。因此可以根據(jù)需要組成不同規(guī)模的微機(jī)系統(tǒng)。STD總線采用56線雙列插座，插件尺寸為165.1mm×114.3mm，是8位微處理器總線標(biāo)準(zhǔn)(可使用各種型號的CPU)。

1．STD總線的特點(diǎn)

(1)可靠性高。STD總線的56條信息總線均有嚴(yán)格定義，總線上的信息有明確的時序關(guān)系，各端點(diǎn)有嚴(yán)格的負(fù)載規(guī)定，板上的信息流向標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一。

(2)采用小型的功能模塊概念，以功能來劃分模板。模板尺寸為165.5mm×114.3mm，這樣的小板結(jié)構(gòu)，用戶可任意組成自己所需的系統(tǒng)。

(3)適應(yīng)性強(qiáng)，具有兼容開放式的總線結(jié)構(gòu)。因此STD總線可支持多種8位CPU，Intel8085、M6800、M280等系列的CPU都能用STD總線。

(4)布線規(guī)整，控制功能強(qiáng)。

(5)不斷引進(jìn)新技術(shù)，適應(yīng)新技術(shù)的發(fā)展。STD總線能夠通過修改和發(fā)展來適應(yīng)最新技術(shù)的要求。例如，利用多路轉(zhuǎn)換方法可實(shí)現(xiàn)STD支持20位存儲的尋址并提供16位的并行數(shù)據(jù)傳輸。STD總線的新技術(shù)主要體現(xiàn)在CMOS技術(shù)、門陣列和PROM技術(shù)、總線復(fù)用和周期竊取技術(shù)等方面。

2．STD總線的引腳信號定義

STD總線有56條信號線，可分為5個功能組：1～6為邏輯電源，7～14為數(shù)據(jù)總線，15～30為地址總線，31～52為控制總線，53～56為輔助電源。這些控制線不僅存儲信息多，可為I/O和基本的系統(tǒng)操作提供控制信號，而且可為存儲器的擴(kuò)展、存儲器映射I/O、動態(tài)存儲器刷新、DMA和多處理機(jī)處理慢速存儲器、電源掉電再啟動、查詢中斷、優(yōu)先級向量中斷、鏈型中斷和總線響應(yīng)等提供控制信號。STD總線的引腳信號定義如表2-2所示。

表2-2STD總線的引腳信號定義表

表2-2STD總線的引腳信號定義表

續(xù)表

STD總線插件板邏輯操作要求

+5V電壓，也可能要求其他電壓，這取決于各個插件板的功能和設(shè)備的類型。STD總線設(shè)計為TTL或高速CMOS邏輯電平相兼容。在插件板上每個總線信號只能有一個負(fù)載。

3．STD應(yīng)用舉例

STD工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線在我國工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，下面以一個基于STD總線的工業(yè)溫度數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)為例介紹STD總線的應(yīng)用。某陶瓷廠的爐溫控制系統(tǒng)主機(jī)采用STD5000系列工業(yè)控制機(jī)，它對爐溫進(jìn)行自動檢測與控制，在接口板方面全部選用標(biāo)準(zhǔn)的STD板。本系統(tǒng)的主要任務(wù)是對爐溫進(jìn)行現(xiàn)場自動控制，溫度分布為600～1200℃，溫度傳感器采用S型熱電偶，計算機(jī)對溫度進(jìn)行周期檢測。溫度控制通過角行程電動執(zhí)行器對閥門的開度進(jìn)行控制，從而控制噴油量來實(shí)現(xiàn)。其應(yīng)用軟件用C語言編寫，整個顯示采用圖形方式，使系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及控制直觀地顯示在屏幕上，便于工作人員檢測和使用。綜上所述，STD總線是目前國際上工業(yè)控制領(lǐng)域中具有設(shè)計全面、適應(yīng)性好、規(guī)模最小等優(yōu)點(diǎn)的最流行的標(biāo)準(zhǔn)總線之一。2.3.3IBM-PC/XT總線

IBM-PC/XT系統(tǒng)總線是連接IBM-PC/XT機(jī)擴(kuò)展槽的62芯總線。IBM-PC/XT機(jī)有8個62芯擴(kuò)展槽，在擴(kuò)展槽上可以插入各種功能的插件板，以擴(kuò)充系統(tǒng)的功能。62芯總線包括8根雙向數(shù)據(jù)總線、20根地址總線、6根中斷的信號線、3根DMA控制線、存儲器和I/O讀/寫線、動態(tài)RAM刷新控制線和時鐘信號線等。系統(tǒng)板的8個62線的擴(kuò)展座上，I/O通道最多能帶512個外部設(shè)備，每個插座上的任何一個引腳都能驅(qū)動兩個TTL負(fù)載。

I/O通道上的62根線按其功能可分為三類：①地址總線A19～A0(20根)；②數(shù)據(jù)總線D7～D0(8根)；③控制總線(21根)。

62芯PC總線的引腳排列如圖2-2所示，有上劃線的信號表示該信號為低電平時有效。信號名稱后括號內(nèi)的I表示該信號是從擴(kuò)展槽輸入到系統(tǒng)板的，而O的含義則相反。

圖2-2IBM-PC總線引腳圖

·

A19～A0(O)：地址總線。用于傳送存儲器和I/O的地址，當(dāng)傳送I/O地址時，A19～A0無效。地址信號可由CPU或DMA控制器產(chǎn)生。

·

D7～D0(I/O)：數(shù)據(jù)總線。它們?yōu)镃PU、存儲器或I/O設(shè)備提供傳輸數(shù)據(jù)信息的通路。由于PC/XT機(jī)以8088為CPU，因此它雖具有處理16位數(shù)據(jù)的能力，但只有8根外部數(shù)據(jù)線，每次只能傳送一個字節(jié)，所以也將PC總線稱為8位PC總線。

·

ALE(O)：地址鎖存允許信號。它由總線控制器8288產(chǎn)生，當(dāng)它有效后產(chǎn)生由高電平到低電平的下降沿時，將CPU送出的地址信號鎖存。

· (O)：存儲器讀命令。當(dāng)CPU執(zhí)行存儲器讀命令時，該信號有效，將所選中的存儲單元中的數(shù)據(jù)讀到數(shù)據(jù)總線上。DMA控制器也可使該信號有效。

· (O)：存儲器寫命令。當(dāng)CPU執(zhí)行存儲器寫命令時，該信號有效，將數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)寫入所選中的存儲單元中。DMA控制器也可使該信號有效。

· (O)：I/O讀命令。當(dāng)CPU執(zhí)行輸入指令時，該信號有效，把所選中的I/O端口中的數(shù)據(jù)讀到數(shù)據(jù)總線上，DMA控制器也可使該信號有效。

· (O)：I/O寫命令。當(dāng)CPU執(zhí)行輸出指令時，該信號有效，把數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)寫到所選中的I/O端口中，DMA控制器也可使該信號有效。

·

IRQ2～I(xiàn)RQ7(I)：6級中斷請求信號，要求由低到高的上升沿有效。8259A中斷控制器共有8個中斷請求輸入端IR0～I(xiàn)R7，其中IR0和IR1被系統(tǒng)板占用，分別用于時鐘和鍵盤中斷，其余6個中斷請求輸入端IR2～I(xiàn)R7引到62芯總線上，分別對應(yīng)于IRQ2～I(xiàn)RQ7。這些信號都由I/O設(shè)備送到8259A，通過8259A向CPU提出中斷請求，其中IRQ2優(yōu)先級最高，IRQ7最低。

·

DRQl～DRQ3(I)：DMA請求信號。這些信號由DMA控制器8237A-5產(chǎn)生，由于8237A-5有4個DMA通道，因此它們能產(chǎn)生4路DMA請求信號DREQ0～DREQ3，其中DREQ0為系統(tǒng)板所用，用來對動態(tài)RAM進(jìn)行刷新，其余3個信號DREQ1～DREQ3引到62芯總線上，分別對應(yīng)于DRQ1～DRQ3來響應(yīng)外設(shè)的DMA請求或?qū)U(kuò)展槽中的動態(tài)RAM進(jìn)行刷新。

·

AEN(O)：地址允許信號。它由8237A-5輸出，當(dāng)它有效時，迫使CPU讓出對總線的控制權(quán)，而由DMA控制器來控制地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。

·

T/C(O)：計數(shù)結(jié)束信號。當(dāng)DMA控制器的通道計數(shù)達(dá)到終點(diǎn)時，T/C線上產(chǎn)生有效的高電平脈沖，通知外設(shè)，DMA傳送已經(jīng)結(jié)束。

·

RESETDRV(O)：系統(tǒng)總復(fù)位信號。該信號有效時使系統(tǒng)各部件復(fù)位。

·IOCHCHK(I)：I/O通道奇偶校驗(yàn)信號。當(dāng)它為低電平時，表示I/O通道上的擴(kuò)展存儲器的奇偶校驗(yàn)有錯，使CPU進(jìn)入不可屏蔽中斷(NMI)。

·

IOCHRDY(I)：I/O通道準(zhǔn)備好信號，平常為高電平。一些慢速的存儲器或I/O設(shè)備可通過將該信號變?yōu)榈碗娖绞笴PU或DMA控制器插入等待周期，從而延長存儲器周期或I/O周期。此信號為低電平的時間不得超過10個時鐘周期。

·

OSC(O)：晶體振蕩信號。它的頻率為14.31818MHz，周期為70ns，占空比為1/2。

·

CLK(O)：系統(tǒng)時鐘信號。該信號由OSC信號經(jīng)8284A時鐘產(chǎn)生器三分頻后得到，頻率為4.77MHz，周期為210ns，占空比為1/3，其中高電平占1/3，低電平占2/3。

· ：插件板選中信號，接插件板的B8引腳。在62芯I/O通道中，J8槽與J1～J7槽略有些區(qū)別，在J1～J7的I/O通道中，B8引腳是備用線，它們被連在一起，但系統(tǒng)不用。在J8槽中，B8為插件板選中信號( )，當(dāng)該信號為低電平時，J8被選中，CPU可讀取J8槽上的適配器。

·+5～-5V，+12～-12V：電源線，其中

+5V使用2個引腳，其余均用一個引腳。

·GND：地線，使用一個引腳。2.3.4ISA總線

ISA(IndustryStandardArchitecture)總線是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)總線的簡稱，是由美國IBM公司推出的16位標(biāo)準(zhǔn)總線，數(shù)據(jù)傳輸率為16MB/s，主要用于IBM-PC/XT、AT及其兼容機(jī)。

1)

ISA總線的起源

最早的PC總線是IBM公司于1981年推出的基于8位機(jī)PC/XT的總線，稱為PC總線。1984年IBM公司推出了16位微型計算機(jī)PC/AT，其總線稱為AT總線。然而IBM公司從未將AT總線的規(guī)格公布于眾，這就給兼容設(shè)備生產(chǎn)商開發(fā)外設(shè)接口卡造成了很大的困難。為解決這個問題，由Intel公司、IEEE和EISA集團(tuán)聯(lián)合開發(fā)了與IBM/AT原裝機(jī)總線意義相近的ISA總線，即8/16位的ISA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)總線。

2)

ISA總線的主要特點(diǎn)和性能指標(biāo)

8位ISA擴(kuò)展總線插槽由62個引腳組成，用于8位插卡。8/16位的擴(kuò)展插槽除了具有一個8位62線的連接器外(見圖2-3(a))，還有一個附加的36線連接器(見圖2-3(b))，這種擴(kuò)展總線插槽既可支持8位插卡，也可支持16位插卡。

圖2-3ISA總線引腳圖

ISA總線的主要性能指標(biāo)如下：

(1)

I/O地址空間為0100H～03FFH。

(2)

24位地址線可直接尋址的內(nèi)存容量為16MB。

(3)總線寬度8/16位，最高時鐘頻率為8MHz，最大穩(wěn)態(tài)傳輸率為16MB/s。

(4)支持15級中斷。

(5)

7個DMA通道。

(6)開放式總線結(jié)構(gòu)，允許多個CPU共享系統(tǒng)資源。2.3.5PCI總線

PCI(PeripheralComponentInterconnect)總線是外設(shè)互連總線的簡稱，是由美國Intel公司推出的32/64位標(biāo)準(zhǔn)總線。PCI總線是一種與CPU隔離的總線結(jié)構(gòu)，并能與CPU同時工作。這種總線適應(yīng)性強(qiáng)，速度快，數(shù)據(jù)傳輸率為133MB/s，適用于Pentium以上的微型計算機(jī)。

1．概述

圖形、視頻、音頻以及多媒體應(yīng)用的特點(diǎn)要求現(xiàn)代的微型計算機(jī)應(yīng)具有更快的處理速度、更大的存儲空間和更高的總線帶寬。事實(shí)上，微型計算機(jī)中的一些關(guān)鍵部件，如CPU、內(nèi)存、顯示卡、硬盤等經(jīng)過多年來的不斷改進(jìn)，在性能上已有了很大的提高，如CPU的速度達(dá)1GHz以上，硬盤與硬盤控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)100MB/s以上，網(wǎng)絡(luò)接口卡的數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到約100MB/s，圖形控制器和顯示器之間的數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到200MB/s以上。通常認(rèn)為I/O總線的速度應(yīng)為外設(shè)速度的3～5倍，顯然原有的ISA、EISA總線已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)要求。在這種情況下，PCI總線標(biāo)準(zhǔn)便應(yīng)運(yùn)而生了。

1991年下半年，Intel公司首先提出了PCI的概念，并聯(lián)合IBM、Compaq、AST、HP、DEC等100多家公司成立了PCI集團(tuán)，共同推出了PCI總線標(biāo)準(zhǔn)。PCI的英文全稱為PeripheralComponentInterconnectSpecialInterestGroup(外圍部件聯(lián)合專門權(quán)益組織)，簡稱PCISIG。PCI是一種先進(jìn)的局部總線，它已成為當(dāng)今高性能微型計算機(jī)中都采用的局部總線標(biāo)準(zhǔn)。

2．PCI總線的主要性能和特點(diǎn)

PCI總線是一種不依附于某個具體處理器的局部總線。從結(jié)構(gòu)上看，PCI是在CPU和原來的系統(tǒng)總線之間插入的另一級總線，由一個橋接電路實(shí)現(xiàn)對這一層的管理，并實(shí)現(xiàn)上下之間的接口以協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)的傳送。管理器提供了信號緩沖，使之能支持10種外設(shè)，并能在高時鐘頻率下保持高性能。PCI總線也支持總線主控技術(shù)，允許智能設(shè)備在需要時取得總線控制權(quán)，以加速數(shù)據(jù)傳送。PCI總線引腳如圖2-4所示。

圖2-4PCI總線引腳圖

PCI總線的主要性能如下：

(1)總線寬度為32位，

總線時鐘頻率為33/66MHz，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為528

MB/s。

(2)時鐘同步方式。

(3)與CPU及時鐘頻率無關(guān)。

(4)能自動識別外設(shè)(即插即用功能)。

(5)具有與處理器和存儲器子系統(tǒng)完全并行操作的能力。

(6)具有隱含的中央仲裁系統(tǒng)。

(7)采用多路復(fù)用(地址線和數(shù)據(jù)線)，減少了引腳數(shù)。

(8)完全的多總線主控能力。

(9)提供地址和數(shù)據(jù)的奇偶校驗(yàn)。

3．PCI總線體系結(jié)構(gòu)

PCI總線體系結(jié)構(gòu)如圖2-5所示。

圖2-5PCI總線體系結(jié)構(gòu)圖

4．PCI總線的應(yīng)用

應(yīng)該指出，使用PCI總線不像ISA總線。在ISA總線系統(tǒng)中，I/O卡與主機(jī)的數(shù)據(jù)傳送可用IN和OUT指令，只要指明地址即可。而要設(shè)計一個PCI接口板，必須使用PCI總線BIOS中的程序以及PCI控制器(即PCI橋接器)，因?yàn)榭偩€接口信號不像ISA一樣可以直接提供存儲器以及I/O讀/寫控制信號，而是在PCIBIOS中為用戶提供了訪問PCI總線的總線函數(shù)，利用該函數(shù)可讀取PCI配置內(nèi)存中的內(nèi)容，但要實(shí)現(xiàn)接口卡與主機(jī)的數(shù)據(jù)通信又必須使用PCI控制器，對PCI控制器進(jìn)行適當(dāng)編程才能實(shí)現(xiàn)處理器與I/O接口之間的數(shù)據(jù)通信。應(yīng)用時不必關(guān)心PCI接口信號與處理器怎么連接，這些信號通過PCI橋接器與處理器相連，只要弄清怎樣調(diào)用即可。

通過INT1AH指令的AH=0B1H功能來得到PCI總線函數(shù)，其中包括PCI總線的總線和單元等信息，再據(jù)此對PCI總線控制器編程可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送功能。2.3.6EISA總線

EISA(ExtendedIndustryStandardArchitecture，擴(kuò)展的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu))是1988年9月以Compaq公司為首的九大知名廠商共同推出的32位總線，它是反壟斷的產(chǎn)物。EISA總線是在ISA的基礎(chǔ)上擴(kuò)展成為高速的32位的總線標(biāo)準(zhǔn)，它不僅保持了與ISAl00%的兼容，而且具有MCA的全部功能。對于用戶而言，投資EISA，既可享受ISA的資源，

又可享受EISA的高性能資源。

這是以Compaq為代表的九個主要計算機(jī)公司為解決“瓶頸”問題的需求，突破IBM公司對MCA的封鎖而推出的一種較先進(jìn)的總線結(jié)構(gòu)。EISA借鑒MCA的優(yōu)勢，包含MCA總線的全部功能，又保證對ISA產(chǎn)品的兼容。EISA插槽與ISA完全一致，所不同的是它在ISA觸點(diǎn)下面又添加了第二行觸點(diǎn)。對于擴(kuò)展槽的物理設(shè)計，EISA有其獨(dú)到之處，它采用雙層結(jié)構(gòu)，將多達(dá)188個觸點(diǎn)分布于擴(kuò)展槽內(nèi)上下兩層，與ISA擴(kuò)展槽的長度一致。它向下兼容ISA總線擴(kuò)展槽和PC總線擴(kuò)展槽。上層觸點(diǎn)與ISA擴(kuò)展槽一致，下層為(28+17)×2=90個擴(kuò)充觸點(diǎn)。EISA總線頻率為33MHz，數(shù)據(jù)位寬為32位，數(shù)據(jù)傳輸率最大可達(dá)33MB/s(傳送4字節(jié)數(shù)據(jù)用1個時鐘周期)，比ISA總線高，適合于高速的I/O設(shè)備。8位ISA卡在EISA中可以很好地工作。理論上，新的EISA總線結(jié)構(gòu)的最大數(shù)據(jù)傳輸率為132MB/s，比MCA要快50%。由于EISA的主機(jī)板和EISA擴(kuò)展卡成本高，使用不便，需要軟件設(shè)置，且受到其專利權(quán)的影響，因而沒有得到廣泛的使用。相對于ISA總線，EISA總線新增加了下層的90個擴(kuò)展引腳，在這里我們不作介紹。自從EISA公開后，已有上百種EISA擴(kuò)充卡相繼問世，使EISA在應(yīng)用領(lǐng)域得到了充分發(fā)展。EISA總線具備以下特點(diǎn)：

(1)較強(qiáng)的總線I/O控制能力。EISA具有32位尋址能力和16位、32位的數(shù)據(jù)傳送能力，對數(shù)據(jù)寬度具有變換功能。每個插槽都有各自的DMA請求線，可按約定的級別來占用DMA。

EISA擴(kuò)展并增強(qiáng)了DMA的仲裁和傳輸能力，使DMA的傳輸率最高可達(dá)33MB/s。EISA著重于解決硬盤子系統(tǒng)的多用戶訪問速度，是一個多用戶的結(jié)構(gòu)，適用于多用戶主機(jī)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。

(2)

EISA提供中斷共享，允許用戶配置多個設(shè)備共享一個中斷。

(3)開放式的體系結(jié)構(gòu)。

(4)能夠通過軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)板和擴(kuò)展板的自動配置功能。

EISA總線系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由以下幾部分組成：

(1)

EBC(EISABusController)：EISA總線控制器82358。EBC通過計時和控制函數(shù)來提供8位、16位總線和32位EISA總線的接口。

(2)

EBB(EISABusBuffer)：EISA總線緩沖器82352。EBB用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)校驗(yàn)緩存和地址緩存。

(3)

BMIC(BusMasterInterfaceController)：總線接口控制器82355。BMIC作為智能外設(shè)卡與32位EISA總線的接口相連接。

(4)

ISP(IntegratedSystemPeripheral)：集成系統(tǒng)外圍芯片82357。ISP可提供32位DMA控制、中斷控制、定時器/計數(shù)器控制和DRAM的刷新，實(shí)現(xiàn)EISA總線仲裁和檢測存儲錯誤。2.3.7VESA總線(VL總線)

VESA(VideoElectronicsStandardAssociation)是視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會的縮寫。隨著內(nèi)存轉(zhuǎn)移到自己專用的內(nèi)存總線上(Compaq在ISA上的改革)，視頻成為了下一個總線速度的瓶頸。Windows操作系統(tǒng)和高質(zhì)量的游戲要求更快更強(qiáng)大的視頻傳送，視頻傳送也需要從ISA總線上移出。為了解決視頻顯示瓶頸，適應(yīng)GUI(GraphicUserInterface，圖形用戶界面)的應(yīng)用，VESA于1992年8月提出了局部總線的概念，推出了全稱為VESAVL的局部總線。其基本思路是：將顯示接口從ISA移到處理器的局部總線上，與Cache和內(nèi)存放在一起，以減輕ISA總線的壓力，從而有效地提高了系統(tǒng)的速度，特別是圖形顯示速度。解決總線傳輸問題的一個方法就是將外設(shè)直接掛到CPU局部總線并以CPU速度運(yùn)行，

這樣可以極大地提高外設(shè)的運(yùn)行速度。

局部總線并行的總線體系結(jié)構(gòu)是在ISA和EISA總線基礎(chǔ)上的補(bǔ)允。通過局部總線外設(shè)可以直接掛接到CPU，而不必通過ISA或EISA總線，這樣可以提高系統(tǒng)的性能。為Intel80486設(shè)計的VESA局部總線(VLB)在1992年提出時就獲得了成功。VESA提供對32位處理器的直接訪問，并可擴(kuò)展到64位。VLB體系結(jié)構(gòu)支持的最大總線速度為50MHz，最大傳輸率可達(dá)276MB/s。該總線提高了許多擴(kuò)展卡尤其是顯示卡和圖形(2-D和3-D)加速卡的性能。32位和64位的VESA總線的數(shù)據(jù)傳輸速率在理論上分別可達(dá)到132MB/s和264MB/s，其總線頻率分別為40MHz和50MHz，適用于中高速I/O設(shè)備。為了向下兼容ISA，VESA的擴(kuò)展槽采用組合式，即在原來ISA結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上加長一段密集型的觸點(diǎn)(45+11)×2=112個，加上兼容ISA槽的(31+18)×2=98個，總計210個觸點(diǎn)，這樣就成功地解決了兼容性ISA總線的問題。VESA總線成本不高且支持低電壓CPU，但是VESA總線的缺點(diǎn)是擴(kuò)展槽的總長度較長，為擴(kuò)展卡設(shè)計和插拔操作帶來了不便。而且無論從結(jié)構(gòu)上還是從使用性能上講，VESA只能算是一種過渡性質(zhì)的局部總線，當(dāng)具有更強(qiáng)大生命力的局部總線PCI總線出現(xiàn)時，VESA總線就不可避免地逐步被淘汰。所以在現(xiàn)在的Pentium以上的微型計算機(jī)中，我們已經(jīng)看不到VESA總線的身影了。

VESA總線的基本特性體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)

VL總線的設(shè)計能夠支持三個VL總線擴(kuò)充槽，

因此VL總線最大可以支持三個總線主控設(shè)備，而系統(tǒng)I/O總線的最大總線主設(shè)備由該系統(tǒng)I/O總線確定。不需要擴(kuò)充槽的VL總線設(shè)備可以直接接在主板上。在VL總線設(shè)計中，有的VL不需要對數(shù)據(jù)、地址、控制信號進(jìn)行緩沖而直接連到CPU總線上，有的VL總線設(shè)計則需要對數(shù)據(jù)、地址、控制信號進(jìn)行緩沖后接到CPU總線上，以滿足對三個擴(kuò)充槽設(shè)計的負(fù)載要求。

(2)

VL總線設(shè)備類型主要是支持高速視頻控制器，其他外設(shè)也可使用VL總線，例如硬盤控制器、LAN控制卡等。

(3)

VL總線的速度可達(dá)66MHz(由于VL總線擴(kuò)充槽的電性能指標(biāo)要求，將速度限制為40

MHz)，VL總線可支持動態(tài)切換CPU時鐘系統(tǒng)。VL總線時鐘在頻率和相位上與CPU時鐘相同。使用雙倍時鐘的CPU，應(yīng)將CPU時鐘分頻，以便驅(qū)動VL總線時鐘。

(4)VL總線可支持16位VL總線和16位CPU，但最佳數(shù)據(jù)總線寬度是32位，VL總線也允許64位總線。VL總線對任何BIOS或應(yīng)用軟件全是透明的，接口設(shè)置完全由硬件控制，VL總線設(shè)備本身同系統(tǒng)I/O總線設(shè)備一樣處理。

2.4.1IEEE-488總線

IEEE-488是HP公司在20世紀(jì)70年代為解決各種儀器儀表與各類計算機(jī)接口互不兼容的麻煩而研制的通用接口總線GPIB。1975年IEEE委員會對IEEE-488標(biāo)準(zhǔn)予以推薦，1977年IEC(國際電工委員會)又對該總線加以推薦，并命名為IEC-IB。HP公司享有該總線的所有技術(shù)的專利。IEEE-488總線包括8條雙向數(shù)據(jù)線、3條字節(jié)傳送控制線和5條通用控制線，它可以將計算機(jī)、電壓表、電源以及頻率發(fā)生器等裝置通過1條IEEE-488總線電纜連接起來。2.4通信總線標(biāo)準(zhǔn)IEEE-488系統(tǒng)以機(jī)架層疊式智能儀器為主要器件，可以以積木方式構(gòu)成開放系統(tǒng)。因通用的微機(jī)系統(tǒng)總線都不是IEEE-488，故需要一塊控制卡(IEEE-488卡)來適配系統(tǒng)總線與IEEE-488程控儀器。市場上有多種實(shí)現(xiàn)IEEE-488規(guī)約的專用IC可供選用。例如，Intel公司的8291GPIB講者聽者芯片、8292GPIB控制器和8293GPIB收發(fā)器，就可以很方便地設(shè)計一塊GPIB控制卡。

IEEE-488電纜的連接器是一個有24引線并帶有插頭和插座的組合式接頭，當(dāng)它的插頭插入某外設(shè)的插座時，它本身所帶的插座又可供其他外設(shè)的插頭插入，以此類推，這樣每個設(shè)備僅需裝一個IEEE-488組合連接器，就可將許多設(shè)備連接起來。IEEE-488是一種并行總線標(biāo)準(zhǔn)。在IEEE-488總線系統(tǒng)中，連接的各個設(shè)備可以同時接收或發(fā)送并行數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)具備多種工作方式，每一個設(shè)備按如下三種基本方式之一進(jìn)行工作。

(1)“聽者”(listener)方式：從數(shù)據(jù)總線上接受數(shù)據(jù)，在同一時刻可以有兩個以上的聽者工作。具有這種功能的設(shè)備有微型計算機(jī)、打印機(jī)和繪圖儀等。

(2)“講者”(talker)方式：向數(shù)據(jù)總線上發(fā)送數(shù)據(jù)，一個系統(tǒng)可以包括兩個以上的講者，但在同一時刻只能有一個講者工作。具有這種功能的設(shè)備有磁帶機(jī)、數(shù)字機(jī)電壓表、頻譜分析儀和微型計算機(jī)等。

(3)“控制者”(controller)方式：控制其他設(shè)備，例如，對其他設(shè)備尋址或允許“講者”使用總線?？刂普咄ǔＳ晌⑿陀嬎銠C(jī)(或計算器)擔(dān)任，一個系統(tǒng)可以有多個控制者，但同一時刻只能有一個控制者。在一般應(yīng)用中，主要是將測量儀器的數(shù)據(jù)輸送到計算機(jī)中，計算機(jī)將數(shù)據(jù)處理完后再送回到測試儀器或輸出設(shè)備，因此計算機(jī)便具有控制者、講者、聽者三種功能，外接設(shè)備僅作為聽者、講者或聽講者?？偩€上的設(shè)備都分配有惟一的地址?？刂普呖梢愿鶕?jù)需要選擇一個講者和一個或若干個聽者。這些地址均由ASCII碼表示。

1．IEEE-488的信號線功能

IEEE-488總線引腳共24條，如表2-3所示。其16條信號線中有8條數(shù)據(jù)總線、3條數(shù)據(jù)傳送控制總線、5條接口管理總線。

表2-3IEEE-488總線引腳分配1)數(shù)據(jù)總線

數(shù)據(jù)總線由DIO1～DIO8(DataInputOutput)組成。數(shù)據(jù)總線除了用來傳送數(shù)據(jù)外，還用于聽、講方式的設(shè)定，以及設(shè)備地址與設(shè)備所需控制信息的傳送。這些不同用途可由其他線來控制。

2)數(shù)據(jù)傳送控制總線

·DAV(DataValid)：數(shù)據(jù)有效線。當(dāng)它有效時(低電平)，表示講者發(fā)送數(shù)據(jù)到總線上且已穩(wěn)定，所在總線上的聽者可以接收此信號。

·NRFD(NotReadyForData)：未準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)。只要聽者中有一個尚未準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)，NRFD線就為低；只有當(dāng)所有聽者都準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)時，此線才為高。

·NDAC(NotDataAccepted)：未收到數(shù)據(jù)。只要聽者中有一個尚未從數(shù)據(jù)總線上接收好數(shù)據(jù)，NDAC就為低，表示講者暫不要撤掉數(shù)據(jù)總線上的信息。只有當(dāng)所有聽者都已接收到數(shù)據(jù)時，NDAC才為高。由此可見，數(shù)據(jù)傳輸率取決于最慢的聽設(shè)備。

DAV、NRFD和NDAC三條信號線又稱為聯(lián)絡(luò)信號線，或稱為握手信號線。

3)接口管理總線

接口管理總線共有5條，用以控制系統(tǒng)的一般狀態(tài)。

·ATN(AttentionLine)：字節(jié)解釋信號，這是由控制器發(fā)出的信號，用來說明數(shù)據(jù)線(DIO)上信息的類型。當(dāng)ATN為高電平時，表示DIO上傳送數(shù)據(jù)信息，此時講者和聽者使用數(shù)據(jù)總線來發(fā)送和接收信息。當(dāng)ATN為低電平時，表示數(shù)據(jù)總線上的信息是由控制器發(fā)出的接口信號，聽者和講者只能接收控制者發(fā)來的信息。

·IFC(InterfaceClear)：接口清除線，由控制者使用，用來將接口系統(tǒng)置為初始狀態(tài)。當(dāng)IFC為低電平時，整個總線系統(tǒng)強(qiáng)制返回到初始狀態(tài)，整個總線停止操作，所有講者停止發(fā)送，所有聽者不再被訪問。

·REN(RemoteEnable)：遠(yuǎn)程允許線，由控制者使用。當(dāng)它為低電平時，所有設(shè)備處于遠(yuǎn)程控制狀態(tài)，這時本地控制開關(guān)和按鍵不起作用，而是受遠(yuǎn)地程控數(shù)據(jù)的控制。

·SRQ(ServeRequest)：服務(wù)請求線，用來指示某設(shè)備需要控制者服務(wù)。當(dāng)它為低電平時，表示有設(shè)備請求服務(wù)。

·EOI(EndOrIdentify)：結(jié)束或識別線，與ATN信號配合用于指示多字節(jié)數(shù)據(jù)傳送的結(jié)束，或者用來響應(yīng)SRQ，識別一個具體的設(shè)備。當(dāng)EOI為低電平、ATN為高電平時，講者用來指示多字節(jié)傳送結(jié)束。當(dāng)EOI為低電平、ATN也為低電平時，表示傳來的是識別信息，數(shù)據(jù)總線傳送的是地址，因而可以知道是哪個設(shè)備請求服務(wù)。

2．IEEE-488總線接口

IEEE-488總線接口是指在IEEE-488總線與微型計算機(jī)系統(tǒng)總線之間的接口，其總線結(jié)構(gòu)如圖2-6所示。采用IEEE-488總線，可使微型計算機(jī)系統(tǒng)只設(shè)一個IEEE-488接口，就可以把多達(dá)15臺儀器連接到系統(tǒng)中。由于這種做法十分方便，因此各廠家已研制了許多專用的IEEE-488總線接口芯片，以便于微型計算機(jī)系統(tǒng)總線能和IEEE-488總線接口。這種接口通常稱為GPIA(適用接口適配器)。凡是帶有IEEE-488總線接口的各種儀器，均可直接插入該微機(jī)系統(tǒng)中。

圖2-6IEEE-488總線結(jié)構(gòu)圖2.4.2RS-232C總線

RS-232C總線是一種串行的外總線標(biāo)準(zhǔn)，在微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛，可以說是微型計算機(jī)必備的接口總線。為了不同廠商的計算機(jī)和各種外圍設(shè)備串行連接的需要制定了一些串行物理接口的標(biāo)準(zhǔn)，其中最著名和廣泛采用的就是RS-232C(RecommendStandard)。RS-232C是美國電子工業(yè)協(xié)會(EIA，ElectronicIndustryAssociation)于1962年公布，并于1969年修訂的串行接口標(biāo)準(zhǔn)，它已經(jīng)成為國際上通用的標(biāo)準(zhǔn)。1987年1月RS-232C經(jīng)修改后，正式改名為EIA-232D。由于標(biāo)準(zhǔn)修改得并不多，因此現(xiàn)在很多廠商仍用舊的名稱。早期人們借助電話網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳送而設(shè)計了調(diào)制解調(diào)器(Modem)，為此就需要有關(guān)數(shù)據(jù)終端與Modern之間的接口標(biāo)準(zhǔn)，RS-232C標(biāo)準(zhǔn)在當(dāng)時就是為此目的而產(chǎn)生的。目前，RS-232C已成為數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE，DataTerminalEquipment)，如計算機(jī)、數(shù)據(jù)通信設(shè)備(DCE，DataCommunicationEquipment)、Modem的接口標(biāo)準(zhǔn)，不僅在遠(yuǎn)距離通信中要經(jīng)常用到它，就是兩臺計算機(jī)或設(shè)備之間的近距離串行連接也普遍采用RS-232C標(biāo)準(zhǔn)。RS-232C的插件外觀如圖2-7所示。圖2-7RS-232C的插件外觀圖

1．RS-232C總線的特點(diǎn)

(1)

RS-232C總線的信號線少。RS-232C總線規(guī)定了25條信號線，包含兩個信號通道，即第一通道(又稱主通道)和第二通道(又稱次通道)。

(2)

RS-232C總線有多種可供選擇的傳輸速率。RS-232C規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)傳輸速率有：50、75、110、150、300、600、1200、2400、4800、9600和19

200波特。RS-232C總線還可以靈活地適應(yīng)于不同速率的設(shè)備。

(3)

RS-232C總線的傳送距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于RS-232C采用串行傳送方式。將微機(jī)的TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-232C電平，其傳送距離在基帶傳送時可達(dá)30m。

(4)

RS-232C總線采用負(fù)邏輯無間隔不歸零電平碼傳送數(shù)據(jù)，規(guī)定邏輯“1”為低于

-5

V的信號，邏輯“0”為大于

+5V的信號。

2．RS-232C的信號定義

RS-232C使用一個DB-25針的連接器，其引腳排列和名稱如表2-4所示。在這25個引腳中，20個引腳為RS-232C信號，其中有4條數(shù)據(jù)線、11條控制線、3條定時信號線、2條地信號線。另外，還保留了2個引腳，有3個引腳未定義。表2-5所示為DB-9針連接器的引腳排列和名稱。

表2-4RS-232C串行口(DB-25針連接器)引腳排列和名稱

表2-5RS-232C串行口(DB-9針連接器)引腳排列和名稱從表2-4中可以看出，RS-232C接口中實(shí)際包括兩個信道：主信道和次信道。次信道為輔助串行通道提供數(shù)據(jù)控制和通道，但其傳輸速率比主信道要低得多。除了速率低之外，次信道跟主信道相同，但通常較少使用。如果要用的話，主要是向連接于通信線路兩端的Modem提供控制信息。下面我們介紹主信道的信號定義。

·保護(hù)地(機(jī)殼地)：一個起屏蔽保護(hù)作用的接地端。一般應(yīng)參照設(shè)備的使用規(guī)定，連接到設(shè)備的外殼或機(jī)架上，必要時可連接到大地。AA信號線與設(shè)備的機(jī)殼相連接，構(gòu)成屏蔽地。

·TxD(TransmittedData)：發(fā)送數(shù)據(jù)，串行數(shù)據(jù)的發(fā)送端。BA信號線傳送要發(fā)送的數(shù)據(jù)。

·RxD(ReceivedData)：接收數(shù)據(jù)，串行數(shù)據(jù)的接收端。BB信號線上傳送的是本端接收設(shè)備將接收的數(shù)據(jù)。

·RTS(RequestToSend)：請求發(fā)送，當(dāng)數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好送出數(shù)據(jù)時，就發(fā)出有效的RTS信號，通知Modem準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。CA信號在本端準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)時通知對方(Modem或遠(yuǎn)置接收設(shè)備)，請求向?qū)Ψ桨l(fā)送數(shù)據(jù)。

·CTS(ClearToSend)：清除發(fā)送(也稱允許發(fā)送)，當(dāng)Modem已準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)終端的傳送數(shù)據(jù)時，發(fā)出CTS有效信號來響應(yīng)RTS信號。CB信號為CA的應(yīng)答信號，當(dāng)對方做好接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備工作后，利用該信號對本端作出響應(yīng)。所以RTS和CTS是一對用于發(fā)送數(shù)據(jù)的聯(lián)絡(luò)信號。

·DTR(DataTerminalReady)：數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好，通常當(dāng)數(shù)據(jù)終端一加電，該信號就有效，表明數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備就緒。它可以用做數(shù)據(jù)終端設(shè)備發(fā)給數(shù)據(jù)通信設(shè)備Modem的聯(lián)絡(luò)信號。CD信號是由本端輸出到對方(Modem或遠(yuǎn)置終端)的信號，用來通知對方，本端已準(zhǔn)備就緒，可以進(jìn)行通信了。

·DSR(DataSetReady)：數(shù)據(jù)裝置準(zhǔn)備好，通常表示Modem已接通電源并連到通信線路上，處在數(shù)據(jù)傳輸方式，而不是處于測試方式或斷開狀態(tài)。它可以用做數(shù)據(jù)通信設(shè)備Modem響應(yīng)數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTR的聯(lián)絡(luò)信號。CC信號是由對方(Modem或遠(yuǎn)置終端)提供的狀態(tài)信號，它表示對方已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，本端可以與它進(jìn)行通信。

·GND(Ground)：信號地，它為所有的信號提供一個公共的參考電平，相對于其他信號，它為0V電壓。AB信號線為所有電路提供參考電位。

·CD(CarrierDetected)：載波檢測，當(dāng)本地Modem接收到來自遠(yuǎn)程Mod