1、第五章第五章 總線技術總線技術教學目的和要求教學目的和要求v通過本章的學習，使學生掌握微機總線的通過本章的學習，使學生掌握微機總線的基本概念基本概念，掌握，掌握總線的分類總線的分類方法及主要的方法及主要的性能指標性能指標。v掌握幾種主要的總線技術。熟悉掌握幾種主要的總線技術。熟悉PCI總線總線、PC104總線總線以及以及USB總線總線的結構、原理和的結構、原理和開發方法，為今后開發及應用相應總線技開發方法，為今后開發及應用相應總線技術奠定良好的基礎。術奠定良好的基礎。重點與難點重點與難點 總線總線的基本概念的基本概念 PCI總線、總線、PC104總線、總線、USB等幾種典型總線等幾種典型總線

2、RS-232C及及RS485串行通信接口基礎知識串行通信接口基礎知識 PCI總線總線結構結構 PC104總線的結構總線的結構 USB的系統組成、傳輸類型、交換的包格式的系統組成、傳輸類型、交換的包格式 其他總線的組成與原理其他總線的組成與原理 本章主要內容本章主要內容5.3 常用外部總線常用外部總線5.2 常用內部總線常用內部總線5.1 總線的基本概念總線的基本概念 總線技術應用十分廣泛，從芯片內部各功能部件的連接，到芯片間的互聯，再到由芯片組成的板卡模塊的連接，以及計算機與外部設備之間的連接，甚至現在工業控制中應用十分廣泛的現場總線，都是通過不同的總線方式實現的。由于應用的場合不同，計算機總

3、線采用的技術也不盡相同。 本章主要討論總線分類及主要技術，并介紹幾種常用的總線。5.1 總線的基本概念總線的基本概念介紹總線的分類方法及不同種類總線的定義及原理。介紹總線的定義和主要背景及應用。建立起評價總線的主要指標，了解總線標準與規范，介紹總線的一般控制與傳輸方法。預備知識預備知識總線分類總線分類總線標準總線標準基本概念基本概念v 微型計算機自誕生以來一直采用總線結構。微型計算機自誕生以來一直采用總線結構。v 1970年年DEC公司公司PDP-11小型計算機首次采用總線技術。小型計算機首次采用總線技術。v 在微型計算機系統中常把在微型計算機系統中常把總線作為一個獨立的部件總線作為一個獨立的

4、部件看待?？创 微機系統中的微機系統中的I/O接口本質接口本質上是上是I/O設備與微機系統總設備與微機系統總線的接口。線的接口。基本概念基本概念v總線的定義總線的定義 總線就是一組線的集合，它定義了各引線的信號、電氣總線就是一組線的集合，它定義了各引線的信號、電氣和機械特性，使計算機系統內部的各部件之間以及外部和機械特性，使計算機系統內部的各部件之間以及外部的各系統之間建立信號聯系，進行數據傳遞和通信。的各系統之間建立信號聯系，進行數據傳遞和通信。v總線的特點總線的特點 規定了各引線的信號、時序、電氣和機械特性規定了各引線的信號、時序、電氣和機械特性 為計算機系統內部各部件、各模塊之間或計

5、算機各系為計算機系統內部各部件、各模塊之間或計算機各系統之間提供了標準的公共信息通路統之間提供了標準的公共信息通路 采用總線標準設計、生產的計算機模板和設備具有很采用總線標準設計、生產的計算機模板和設備具有很強的兼容性強的兼容性 5.1.1 總線的分類總線的分類v按照總線內部信息傳輸的性質按照總線內部信息傳輸的性質，總線可分為：總線可分為： 數據總線數據總線:DB 用于傳送數據信息 地址總線地址總線:AB 是專門用來傳送地址的 控制總線控制總線:CB 控制總線包括控制、時序和中斷信號線 電源總線電源總線:PB 用于向系統提供電源 5.1.1 總線的分類總線的分類v按照總線在系統結構中的層次位置

6、，總線可分為按照總線在系統結構中的層次位置，總線可分為: : 片內總線片內總線 (On-Chip BUS)(On-Chip BUS) 在集成電路的內部，用來連接各功能單元的信息通路。 受芯片面積及對外引腳數的限制，片內總線大多采用單總線結構 內部總線內部總線（Internal Bus)Internal Bus) 也稱作系統總線或板級總線； 用于計算機內部模塊（板）之間通信； 內部總線是微機系統中最重要的總線，人們平常所說的微機總線就是指系統總線，如STD總線、PC總線、ISA總線、PCI總線等。 相對于一臺完整的微型計算機來說，各種板/卡只是一個子系統，是一個局部，故又把片總線稱為局部總線，如

7、PCI、AGP總線。 5.1.1 總線的分類總線的分類計算機總線結構示意圖計算機總線結構示意圖 外部總線外部總線（External Bus)External Bus)：又稱通信總線：又稱通信總線 用于計算機之間或計算機與設備之間通信； 外部總線本質上應該算作主機與外設的接口 如：IEEE-488、RS-232C、RS-485、USB、1394等。5.1.1 總線的分類總線的分類v根據總線的數據傳輸方式，總線可分為：根據總線的數據傳輸方式，總線可分為： 并行總線：每個信號都有自己的信號線并行總線：每個信號都有自己的信號線 優點是信號線各自獨立，接口簡單； 缺點是電纜數多； 如：IEEE-488總

8、線為并行總線 串行總線：所有信號復用一對信號線串行總線：所有信號復用一對信號線 優點是電纜線數少，便于遠距離傳送； 缺點是接口復雜； RS-232-C、RS-485、USB等總線為串行總線。5.1.2 總線主要性能指標總線主要性能指標 v 總線頻率總線頻率即總線工作時鐘頻率，單位為MHz，它是影響總線傳輸速率的重要因素之一。例：PCI總線的總線頻率為33.3MHz，總線寬度為64位的情況下，總線數據傳輸率為266MB/s 。v 總線寬度總線寬度又稱總線位寬，是總線可同時傳輸的數據位數，用bit（位）表示，如8位、16位、32位等。顯然，總線的寬度越大，它在同一時刻就能夠傳輸更多的數據。v 總線

9、帶寬總線帶寬又稱總線傳輸率，表示在總線上每秒傳輸字節的多少，單位是MB/S。影響總線傳輸率的因素有總線寬度、總線頻率等。一般的，總線帶寬（MB/S）= 1/8總線寬度總線頻率5.1.2 總線主要性能指標總線主要性能指標v 同步方式同步方式可分為同步方式和異步方式。在同步方式下，總線上主模塊與從模塊進行一次數據傳輸的時間是固定的，并嚴格按照系統時鐘來統一定時主模塊、從模塊之間的傳輸操作，只要總線上的設備都是高速的，就可達到很高的總線帶寬。在異步方式下，采用應答式傳輸技術，允許從模塊自行調整響應時間，即傳輸周期是可以改變的，故總線帶寬減少。 v 總線復用總線復用 采用多路復用技術，可以減少總線的數

10、目。v 信號線數信號線數表明總線擁有多少信號線，是數據總線、地址總線、控制總線和電源總線的總和。信號線數與總線性能不成正比，但一般與復雜度成正比。v 總線控制方式總線控制方式 包括并發工作、自動配置、仲裁方式、邏輯方式、計數方式等。幾種微型計算機總線性能參數 名稱名稱ISA(PC-AT)EISASTDMCAPCI適用機型80286,386,486系列機386,486,586 IBM系列機Z-80，IBM-PC系列機IBM個人機與工作站P5個人機, PowerPC, Alpha工作站最大傳輸率8MB/s33MB/s2MB/s33MB/s133MB/s總線寬度8/16位32位8/16位32位32位

11、總線頻率8MHz8.33MHz2MHz10MHz2033MHz同步方式半同步同步同步異步同步地址寬度2432243232/64負載能力86無限制無限制3信號線數981435610912064位擴展不可無規定不可可可多路復用非非非是5.1.3 總線標準與規范總線標準與規范 v總線標準總線標準 定義定義 所謂總線標準就是對系統總線的插座尺寸、引線數目、信號和所謂總線標準就是對系統總線的插座尺寸、引線數目、信號和時序所作的統一規定。時序所作的統一規定。 特性特性 機械特性：機械特性：規定模板尺寸、插頭、連接器的形狀、尺寸等規格位置，如插頭與插座使用的標準，它們的幾何尺寸、形狀、引腳的個數以及排列的順

12、序，接頭處的可靠接觸等。 電氣特性：電氣特性：規定信號的邏輯電平、最大額定負載能力、信號傳遞方向及電源電壓等。 功能特性：功能特性：規定每個引腳名稱、功能、時序及適用協議，如地址總線用來指出地址；數據總線傳遞數據；控制總線發出控制信號等。 時間特性：時間特性：指總線中的任一根線在什么時間內有效。每條總線上的各種信號，互相存在著一種有效時序的關系，因此，時間特性一般可用信號時序圖來描述。 5.1.3 總線標準與規范總線標準與規范 模板化結構模板化結構 按功能劃分計算機的各個部件，并按總線標準設計成由按功能劃分計算機的各個部件，并按總線標準設計成由總線連接的模板結構：總線連接的模板結構：CPUCP

13、U主板、主板、RAM/ROMRAM/ROM存儲板、存儲板、A/DA/D、D/AD/A、DIDI、DODO等等 模板化結構的優點模板化結構的優點 增加計算機系統的通用性、靈活性、開放性、擴展性和增加計算機系統的通用性、靈活性、開放性、擴展性和可靠性可靠性 為系統的維修提供了方便為系統的維修提供了方便5.1.4 總線控制與總線傳輸總線控制與總線傳輸 v總線的隔離與驅動總線的隔離與驅動 總線上可連接多個部件，具有擴展的靈活性，但總線上可連接多個部件，具有擴展的靈活性，但總線上能連接多少部件，是受總線的驅動能力限制的?？偩€上能連接多少部件，是受總線的驅動能力限制的。通常一個模塊或一個部件限制在通常一個

14、模塊或一個部件限制在12個負載以內。當個負載以內。當總線連接多個負載時，數據發送方必須提供足夠的電總線連接多個負載時，數據發送方必須提供足夠的電流以驅動多個部件，如果原有的驅動能力達不到驅動流以驅動多個部件，如果原有的驅動能力達不到驅動要求，這時候需要總線驅動器提高總線的驅動能力。要求，這時候需要總線驅動器提高總線的驅動能力。在總線上掛接的設備，同一時刻只能有一個部件發送在總線上掛接的設備，同一時刻只能有一個部件發送數據到總線上，不操作時需要將連接到總線上的功能數據到總線上，不操作時需要將連接到總線上的功能部件與之相隔離。在總線操作過程中，有些數據還需部件與之相隔離。在總線操作過程中，有些數據

15、還需要進行數據的緩沖處理，這需要總線能夠提供鎖存能要進行數據的緩沖處理，這需要總線能夠提供鎖存能力。力。5.1.4 總線控制與總線傳輸總線控制與總線傳輸 v總線的隔離與驅動總線的隔離與驅動 三態門是具有三種輸出狀態的電路，在計算機系統三態門是具有三種輸出狀態的電路，在計算機系統中常用作總線驅動器，根據三態門的輸出特性及控制方中常用作總線驅動器，根據三態門的輸出特性及控制方式，常用的三態門有六種，下圖表示了式，常用的三態門有六種，下圖表示了6種三態門的邏種三態門的邏輯符號。輯符號。 5.1.4 總線控制與總線傳輸總線控制與總線傳輸 v總線的隔離與驅動總線的隔離與驅動 可以利用三態門設計單向總線或

16、雙向總線，以及可以利用三態門設計單向總線或雙向總線，以及單向總線緩沖器或雙向總線緩沖器。其典型實現是總單向總線緩沖器或雙向總線緩沖器。其典型實現是總線緩沖器和總線控制器。線緩沖器和總線控制器。 總線緩沖器在總線傳輸中起到數據緩沖的作用，總線緩沖器在總線傳輸中起到數據緩沖的作用，它分輸入緩沖器和輸出緩沖器兩種。前者的作用是將它分輸入緩沖器和輸出緩沖器兩種。前者的作用是將外設送來的數據暫時存放，以便處理器將它取走；后外設送來的數據暫時存放，以便處理器將它取走；后者的作用是用來暫時存放處理器送往外設的數據。有者的作用是用來暫時存放處理器送往外設的數據。有了總線緩沖器，就可以使高速工作的了總線緩沖器，

17、就可以使高速工作的CPU與慢速工作與慢速工作的外設起協調和緩沖作用，實現數據傳送的同步。由的外設起協調和緩沖作用，實現數據傳送的同步。由于緩沖器接在數據總線上，故必須具有三態輸出功能。于緩沖器接在數據總線上，故必須具有三態輸出功能。 5.1.4 總線控制與總線傳輸總線控制與總線傳輸 v總線的隔離與驅動總線的隔離與驅動 總線緩沖器的典型芯片有總線緩沖器的典型芯片有74LS244和和74LS245。74LS244是是一種一種8位的三態總線緩沖器，可以用來進行總線的單向傳輸控制。位的三態總線緩沖器，可以用來進行總線的單向傳輸控制。74LS245是一種是一種8位的雙向傳輸的三態緩沖器，可以用來進行總位

18、的雙向傳輸的三態緩沖器，可以用來進行總線 的 雙 向 傳 輸 控 制 ， 也 稱 作 總 線 收 發 器 。線 的 雙 向 傳 輸 控 制 ， 也 稱 作 總 線 收 發 器 。5.1.4 總線控制與總線傳輸總線控制與總線傳輸 v總線控制總線控制 集中式集中式前者將控制邏輯集中在一處(如在CPU中) 。集中控制是單總線、雙總線和三總線結構計算機主要采用的方式，常見的集中控制方式主要有鏈式查詢方式、計數器定時查詢方式和獨立請求總線控制方式。 分布式分布式將總線控制邏輯分散在與總線連接的各個部件或設備上。5.1.4 總線控制與總線傳輸總線控制與總線傳輸v總線仲裁總線仲裁 在總線上有多個總線主模塊同

19、時請求使用總線時，決在總線上有多個總線主模塊同時請求使用總線時，決定由哪個模塊獲得總線控制權。定由哪個模塊獲得總線控制權。 實現總線仲裁的機構（或電路），稱為實現總線仲裁的機構（或電路），稱為總線仲裁器總線仲裁器。（如總線仲裁器（如總線仲裁器82898289） 總線仲裁方式總線仲裁方式：基本的總線仲裁方式有兩種：基本的總線仲裁方式有兩種： 串行的總線仲裁方式（鏈形優先級結構）串行的總線仲裁方式（鏈形優先級結構） 并行的總線仲裁方式（獨立請求）并行的總線仲裁方式（獨立請求）5.1.4 總線控制與總線傳輸總線控制與總線傳輸v串行的總線仲裁方式串行的總線仲裁方式總線允許總線請求總線忙模塊I總線訪問邏

20、輯模塊II總線訪問邏輯模塊N總線訪問邏輯控制器5.1.4 總線控制與總線傳輸總線控制與總線傳輸v主要特點：主要特點： 越靠近控制器的模塊，優先級越高； 鏈形優先級存在傳播延遲，這種延遲與模塊數成正比，所以判優速度較慢，一般只接少量（幾個）模塊； 鏈形結構，一個故障，鏈失效； 結構較簡單，造價較低。v串行的總線仲裁方式串行的總線仲裁方式5.1.4 總線控制與總線傳輸總線控制與總線傳輸v并行的總線仲裁方式并行的總線仲裁方式模塊N總線訪問邏 輯模塊II總線訪問邏 輯模塊1總線訪問邏 輯控制器（仲裁器）總線請求1總線允許1總線請求2總線允許2總線請求N總線允許N5.1.4 總線控制與總線傳輸總線控制與

21、總線傳輸v 工作原理：工作原理： 每個模塊有一塊獨立的“總線請求”和“總線允許”信號線，每對信號線有其相應的優先級； 控制器中有一個優先級編碼器和優先級譯碼器，用以選擇優先級最高的請求，并產生出相應的“總線允許”信號； 當“總線忙”信號有效時，表示有的模塊正在使用總線，因此請求使用總線的模塊必須等待；直至“總線忙”信號變為無效時，所有需要使用總線的模塊都可以發出“總線請求”信號，總線仲裁器僅向優先級最高的模塊發出“總線允許”信號。v并行的總線仲裁方式并行的總線仲裁方式v 主要特點：主要特點： 判優速度快，且與模塊數無關； 所需“請求線”和“允許線”較多，N個模塊需要2N條。5.1.4 總線控制

22、與總線傳輸總線控制與總線傳輸v總線傳輸總線傳輸 總線上的數據在主模塊的控制下進行傳送。一般的，總線在完成一次傳輸周期時，可分為四個階段四個階段： v 申請分配階段申請分配階段由需要使用總線的主模塊(或主設備)提出申請，經總線仲裁機構決定在下一傳輸周期是否能獲得總線使用權；v 尋址階段尋址階段取得了使用權的主模塊，通過總線發出本次打算訪問的從模塊(或從設備)的存儲地址或設備地址及有關命令，啟動參與本次傳輸的從模塊；v 數據傳輸階段數據傳輸階段主模塊和從模塊進行數據交換，數據由源模塊發出經數據總線流入目的模塊；v 結束階段結束階段主模塊的有關信息均從系統總線上撤除，讓出總線使用權。5.2 內部總線

23、內部總線常用常用內部總線內部總線MCA總線總線EISA總線總線STD總線總線ISA總線總線PCI總線總線PC104總線總線內部總線是計算機內部各功能模板之間進行通信的通道，是構成完整的內部總線是計算機內部各功能模板之間進行通信的通道，是構成完整的計算機系統的內部信息樞紐。計算機系統的內部信息樞紐。限于篇幅，本節只對部分總線作簡要介紹。限于篇幅，本節只對部分總線作簡要介紹。 5.2.1 STD總線總線v STD( STANDARD)總線是美國PRO-LOG公司1978年推出的一種工業標準微型計算機總線;v 該總線結構簡單，全部56根引腳都有確切的定義;v STD總線定義了一個8位微處理器總線標準

24、，其中有8根數據線、16根地址線、控制線和電源線等，可以兼容各種通用的8位微處理器，如8080、8085、6800、Z80、NSC800等;v 通過采用周期竊取和總線復用技術，定義了16根數據線、24根地址線，使STD總線升級為8位/16位微處理器兼容總線，可以容納16位微處理器，如8086、68000、80286等;v 1987年，STD總線被國際標準化會議定名為IEEE961;v 1989年美國的EAITECH公司又開發出對32位微處理器兼容的STD32總線。 5.2.2 PC系列總線系列總線vPC總線是IBM PC總線的簡稱，PC總線因IBM及其兼容機的廣泛普及而成為全世界用戶承認的一種

25、事實上的標準。vPC系列總線就是以8088/8086為CPU的IBM/XT及其兼容機的總線基礎上發展起來，從最初的XT總線發展到PCI局部總線。5.2.2 PC系列總線系列總線vISA總線總線ISA總線從數據線的寬度上，分為總線從數據線的寬度上，分為8位和位和16位位ISA總線總線v 8位位ISA總線接口總線接口 8位位ISA總線也稱為總線也稱為PC總線總線或或XT總線總線 共有共有62引腳，其中，數據線引腳，其中，數據線8根、地址線根、地址線20根、控制線根、控制線21根、根、狀態線狀態線2根，還有時鐘、電源、地線根，還有時鐘、電源、地線v 16位位ISA總線接口總線接口 在在IBM PC/

26、AT（80286）機上首先使用，故又稱為）機上首先使用，故又稱為AT總線總線，在，在8位位PC總線上擴展而成總線上擴展而成 16位位ISA總線在擴展總線在擴展PC總線時，保留了原總線時，保留了原62芯芯PC總線信號的總線信號的大部分定義，僅做了少量更改大部分定義，僅做了少量更改5.2.2 PC系列總線系列總線v8位位ISA總線總線存儲器地址存儲器地址A19A0，最大存儲器，最大存儲器1M。I/O地址地址A15A0，最大，最大64K。在在PC及及XT機上實際使用機上實際使用A9A0，I/O范圍為范圍為000003FFH。2)數據線數據線D7D01)地址線地址線A19A5.2.2 PC系列總線系列

27、總線3) 控制線控制線 21條條AEN：Address Enable，地址允許信地址允許信號號 PC總線可由總線可由CPU或或DMA控制器控制，控制器控制，當當DMAC控制總線時，控制總線時，8237產生產生AEN信號，用于禁止信號，用于禁止CPU控制總線。控制總線。即：即：5.2.2 PC系列總線系列總線ALE：Address Latch Enable，地址鎖存允許地址鎖存允許 在在ALE的下降沿鎖存來的下降沿鎖存來自自CPU的地址信號的地址信號讀讀/寫信號寫信號 :5.2.2 PC系列總線系列總線IRQ7IRQ2：中斷請求信號中斷請求信號 總線上的設備通過總線上的設備通過IRQ7IRQ2向

28、主板上的中斷控制器向主板上的中斷控制器8259發發出中斷請求，出中斷請求，IRQ7IRQ2對應對應8259的引腳的引腳IR7IR2。8259的的8個請求輸入端個請求輸入端IR7IR0中中IRQ0被主板上的系統定時器被主板上的系統定時器占用、占用、IRQ1被鍵盤占用，因此，被鍵盤占用，因此，IRQ0和和IRQ1不在不在PC總線上出總線上出現現5.2.2 PC系列總線系列總線DRQ3DRQ1 ：DMA請求信號請求信號 DMA控制器控制器8237有四個有四個通道，允許四個設備請通道，允許四個設備請求進行求進行DMA傳送，但傳送，但通通道道0用于用于DRAM刷新，因刷新，因此，此，DRQ0不在不在PC

29、總線總線上出現上出現: DMA響應信號響應信號5.2.2 PC系列總線系列總線T/C：計數結束信號計數結束信號 一次一次DMA請求可傳送多個字節，當任一請求可傳送多個字節，當任一DMA通道傳送結束時，通道傳送結束時，T/C上出現高電上出現高電平。平。Reset Drv：系統總清信號系統總清信號 I/O通道奇偶校驗信號。當通道奇偶校驗信號。當I/O通道上的設備或存儲器的奇偶校驗有通道上的設備或存儲器的奇偶校驗有錯時，該信號有效。錯時，該信號有效。 I/O通道準備好信號。該信通道準備好信號。該信號為低電平時（未準備好），使號為低電平時（未準備好），使CPU或或DMA插入等待周期插入等待周期。5.2

30、.2 PC系列總線系列總線v16位位ISA總線總線5.2.2 PC系列總線系列總線地址地址24位，位，允許最大空允許最大空間間16M16位數據位數據5.2.2 PC系列總線系列總線16位位ISA總線在擴展總線在擴展PC總線時，保留了原總線時，保留了原62芯芯PC總線信總線信號的大部分定義，僅做了少量更改號的大部分定義，僅做了少量更改5.2.2 PC系列總線系列總線SBHE：總線高字節允許總線高字節允許IRQ15、IRQ14、IRQ12、IRQ11、IRQ10AT機上使用機上使用2片中斷控制器片中斷控制器8259（主片和從（主片和從片），可有片），可有15級中斷請求級中斷請求DMA請求請求/響應

31、線響應線5.2.2 PC系列總線系列總線存儲器讀存儲器讀/寫信號寫信號16位訪問周期信號位訪問周期信號指出當前傳送的是16位總線周期總線主控總線主控當DMA控制器使用總線期間， 為低電平5.2.2 PC系列總線系列總線vMCA總線（總線（Micro Channel Architechure） IBM在推出在推出386時提出時提出 數據、地址總線寬度數據、地址總線寬度32位，支持位，支持4GB的尋址能力的尋址能力 數據傳輸速率數據傳輸速率33Mbps 在電氣及物理上與在電氣及物理上與ISA不兼容不兼容 IBM沒有公布標準沒有公布標準5.2.2 PC系列總線系列總線vEISA總線總線 1989年，

32、推出年，推出486時提出時提出 32位數據總線，支持位數據總線，支持32位地址通路位地址通路 總線主控技術，擴展卡上具有總線主控處理器總線主控技術，擴展卡上具有總線主控處理器 與與ISA兼容，支持多個主模塊兼容，支持多個主模塊 可以自動根據需要進行可以自動根據需要進行32、16、8位數據間的轉換位數據間的轉換 支持多總線主控模塊支持多總線主控模塊 擴展卡的安裝十分容易，可根據配置文件自動配置系擴展卡的安裝十分容易，可根據配置文件自動配置系統和擴展板統和擴展板5.2.2 PC系列總線系列總線vPC104總線 PC104PC104是一種專門為嵌入式控制而定義的工業控制總線，是一種專門為嵌入式控制而

33、定義的工業控制總線，實質上就是一種緊湊型的實質上就是一種緊湊型的IEEE-P996IEEE-P996（ISAISA）。）。 PC/104PC/104信號定義和信號定義和PC/ATPC/AT基本一致，但電氣和機械規范基本一致，但電氣和機械規范卻完全不同，是一種優化的、小型、堆棧式結構的嵌卻完全不同，是一種優化的、小型、堆棧式結構的嵌入式控制系統。入式控制系統。 PC104PC104具有小型化的尺寸（具有小型化的尺寸（90 x96mm90 x96mm），極低的功耗），極低的功耗（典型模塊為（典型模塊為1 12 2瓦）和堆棧的總線形式，受到了眾瓦）和堆棧的總線形式，受到了眾多從事嵌入式產品生產廠商的

34、歡迎。多從事嵌入式產品生產廠商的歡迎。 PC104PC104有兩個版本，有兩個版本，8 8 位和位和16 16 位，分別與位，分別與PC PC 和和PC/AT PC/AT 相對應。相對應。PC104PLUS PC104PLUS 則與則與PCIPCI總線相對應?？偩€相對應。5.2.2 PC系列總線系列總線PC104總線模塊總線模塊5.2.2 PC系列總線系列總線 小尺寸小尺寸 PC/104 PC/104的板卡標準尺寸為的板卡標準尺寸為90mmX96mm90mmX96mm（比一本新華字典還要小很多，（比一本新華字典還要小很多，而傳統桌面而傳統桌面PCPC系統的板卡尺寸為系統的板卡尺寸為315mmX

35、122mm315mmX122mm），這樣小的尺寸），這樣小的尺寸使得使得PC/104PC/104、PC/104+PC/104+和和PCI-104PCI-104模塊板成為了嵌入式系統應用的模塊板成為了嵌入式系統應用的理想產品。理想產品。 開放的高可靠性的工業規范開放的高可靠性的工業規范 PC/104 PC/104、PC/104+PC/104+和和PCI-104PCI-104產品在電氣特性和機械特性上可靠性產品在電氣特性和機械特性上可靠性極高，功耗低，產生熱量少。板卡與板卡之間通過自堆棧進行可極高，功耗低，產生熱量少。板卡與板卡之間通過自堆棧進行可靠的連接，抗震能力強。全世界有超過靠的連接，抗震能

36、力強。全世界有超過200200家公司使用這些開放的家公司使用這些開放的規范來生產和銷售各種規范來生產和銷售各種PC/104PC/104模塊板模塊板 。vPC/104總線特點總線特點5.2.2 PC系列總線系列總線 模塊可自由擴展模塊可自由擴展 PC/104模塊具有靈活的可擴展性。它允許工程師互換及匹配各種模塊具有靈活的可擴展性。它允許工程師互換及匹配各種功能卡，可隨系統的需求而升級功能卡，可隨系統的需求而升級CPU的性能。增加系統的功能和的性能。增加系統的功能和性能只需通過改變相應的模塊即可實現。性能只需通過改變相應的模塊即可實現。 低功耗低功耗 4mA的總線驅動電流，即可使模塊正常工作，低功

37、耗有利于減少的總線驅動電流，即可使模塊正常工作，低功耗有利于減少元件數量。各種插卡廣泛采用元件數量。各種插卡廣泛采用VLSI芯片、低功耗的芯片、低功耗的ASIC芯片、門芯片、門陣列等，其存儲采用大容量固態盤（陣列等，其存儲采用大容量固態盤（SSD）。）。 堆棧式連接堆棧式連接 這種結構取消了主板和插槽，可以將所有的這種結構取消了主板和插槽，可以將所有的PC/104模塊板利用板模塊板利用板上的疊裝總線插座連接起來。有效減小整個系統所占的空間。上的疊裝總線插座連接起來。有效減小整個系統所占的空間。vPC/104總線特點總線特點5.2.2 PC系列總線系列總線 豐富的軟件資源豐富的軟件資源 與與PC

38、系統兼容的操作系統、開發工具、應用軟件都可以運行在系統兼容的操作系統、開發工具、應用軟件都可以運行在PC/104系系統中。這使得用戶可以隨時利用無處不在的統中。這使得用戶可以隨時利用無處不在的PC系統豐富的軟件資源，從系統豐富的軟件資源，從而降低軟件購買、學習、培訓等方面的成本。此外，在許多而降低軟件購買、學習、培訓等方面的成本。此外，在許多PC/104系統系統的設計中，大量的實時操作系統已經被成功地應用。的設計中，大量的實時操作系統已經被成功地應用。 大大簡化系統設計的復雜性大大簡化系統設計的復雜性 通過使用通過使用PC/104、PC/104+和和PCI-104模塊，用戶可以將精力集中于末模

39、塊，用戶可以將精力集中于末端系統設計及功能設計上。不用為端系統設計及功能設計上。不用為CPU及其外圍器件之間的復雜接口關及其外圍器件之間的復雜接口關系花費時間。系花費時間。PC/104模塊的模塊的“（plug-together-write-application-software）”設計方法確保了設計者面向市場的最快響應速度。設計方法確保了設計者面向市場的最快響應速度。 vPC/104總線特點總線特點5.2.2 PC系列總線系列總線vPC104 與普通與普通PC 總線控制系統的主要不同是：總線控制系統的主要不同是： 小尺寸結構：小尺寸結構： 標準模塊的機械尺寸是標準模塊的機械尺寸是3.6X3.

40、8 英寸，即英寸，即96X90mm。 堆棧式連接：堆棧式連接： 總線以總線以“針針”和和“孔孔”形式形式層疊連接層疊連接，即，即PC104 總線模塊之間總線模塊之間總線的連接是通過上層的針和下層的孔相互咬合相連，這種層總線的連接是通過上層的針和下層的孔相互咬合相連，這種層疊封裝有極好的抗震性。疊封裝有極好的抗震性。 減少元件數量和電源消耗，總線驅動僅需減少元件數量和電源消耗，總線驅動僅需4mA，每個模塊，每個模塊1-2 瓦能耗。瓦能耗。5.2.2 PC系列總線系列總線vPC/104 模塊的使用模塊的使用 PC/104 模塊的擴展和應用十分靈活,常用的方法有兩種：1）獨立的模塊堆棧獨立的模塊堆棧

41、 如下圖所示，PC/104 模塊是自我堆棧式。這方式中，模塊是被用作全兼容的總線底板,每個模板不需要背板或插槽，相互層疊而成。每個模塊間留出 0.6 英寸的間距。5.2.2 PC系列總線系列總線2）PC104模塊作為元件使用模塊作為元件使用 如下圖所示，模塊作為一個元件，插入一個定制的母板上，母板上包含有應用接口和總線邏輯，它的自我堆棧方式，可在一個位置上安裝幾個模塊。這種方式允許在系統調試或者測試時，臨時更換模塊，同時有利于將來的產品升級或者更換選件。5.2.2 PC系列總線系列總線vPC104 與與PC104PLUSv PC104 有兩個版本，有兩個版本，8 位和位和16 位，分別與位，分

42、別與PC 和和PC/AT 相對應。相對應。PC104PLUS 則與則與PCI 總線相對應。在總線相對應。在PC104 總線的兩個版本中，總線的兩個版本中，8 位位PC104 共有共有64 條總線管腳，單列雙排插針和插孔，條總線管腳，單列雙排插針和插孔，P1：64 針，針，P2：40 針，合計針，合計104 個總線信號，個總線信號，PC104 因此得名。當因此得名。當8 位模塊和位模塊和16 位模塊連接時，位模塊連接時，16 位模塊必須在位模塊必須在8 位模塊得下面。位模塊得下面。v PC104PLUS 是是專為專為PCI 總線設計的總線設計的，可以連接高速外接設備。，可以連接高速外接設備。PC

43、104PLUS 在硬件上通過一個在硬件上通過一個3X40 即即120 孔插座，孔插座，PC104PLUS 包括了包括了PCI 規范規范2.1 版要求的所有信號。為了向下兼容，版要求的所有信號。為了向下兼容，PC104PLUS 保持了保持了PC104 的所有特性。的所有特性。5.2.2 PC系列總線系列總線v 與與PC104相比，相比，PC104PLUS 特點：特點：1、相對PC/104 連接，增加了第三個連結接口支持 PCI bus.2、改變了組件高度的需求，增加模塊的柔韌性.3、加入了控制邏輯單元，以滿足高速度 bus 的需求5.2.2 PC系列總線系列總線 PCI總線總線(Peripher

44、al Component Interconnect Special Interest Group)，即外圍部件互聯專業組，即外圍部件互聯專業組， 簡稱簡稱PCISIG。是由是由Intel、IBM、Compaq、AST、HP、Apple、DEC等等100多家公司于多家公司于1991年共同推出的一種局部總線，廣泛應用年共同推出的一種局部總線，廣泛應用于當前高檔微機、工作站及筆記本電腦。于當前高檔微機、工作站及筆記本電腦。 5.2.2 PC系列總線系列總線v與與ISA等總線相比，等總線相比，PCI總線具有如下的特點：總線具有如下的特點：傳輸速率高傳輸速率高允許多總線共存允許多總線共存PCI總線不依賴

45、于某一具體的微處理器，它支持多種微處總線不依賴于某一具體的微處理器，它支持多種微處理器和將來發展的微處理器理器和將來發展的微處理器總線數據寬度總線數據寬度32位位或或64位位支持支持64位位尋址尋址5V和和3.3V兩種電源供電兩種電源供電自動識別與配置外設，方便用戶使用自動識別與配置外設，方便用戶使用5.2.2 PC系列總線系列總線vPCI總線結構總線結構CPU存儲器存儲器CPU總線總線CPU總線總線/PCI總線橋總線橋(北橋北橋)PCI總線總線/ISA總線橋總線橋(南橋南橋)PCI圖形圖形適配器適配器PCI網卡網卡PCI硬盤硬盤控制器控制器PCI總線總線ISA總線總線ISA卡卡. . .IS

46、A卡卡PCI總線結構框圖總線結構框圖5.2.2 PC系列總線系列總線v 這是一個由這是一個由CPU總線、總線、PCI總線及總線及ISA總線組成的總線組成的三層總三層總線結構。線結構。v CPU總線總線也稱也稱“CPU-主存總線主存總線”或或“微處理器局部總微處理器局部總線線”，CPU是該總線的主控者。此總線實際上是是該總線的主控者。此總線實際上是CPU引引腳信號的延伸。腳信號的延伸。v 通過橋芯片通過橋芯片(北橋和南橋北橋和南橋)，上邊與高速的，上邊與高速的CPU總線相連，總線相連，下邊與下邊與ISA總線相連?？偩€相連。v PCI總線是一個總線是一個32位位/64位總線，且其地址和數據是同一組

47、位總線，且其地址和數據是同一組線，分時復用。在現代線，分時復用。在現代PC機機(如如Pentium系列系列)主板上一般主板上一般都有都有23個個PCI總線擴充槽?？偩€擴充槽。5.2.2 PC系列總線系列總線v 在上述在上述PCI總線結構中，總線結構中，CPU總線、總線、PCI總線及總線及ISA總線通總線通過兩個橋芯片連成一個整體，橋芯片起到信號緩沖、電平過兩個橋芯片連成一個整體，橋芯片起到信號緩沖、電平轉換和控制協議轉換的作用。轉換和控制協議轉換的作用。v 人們通常將人們通常將“CPU總線總線/PCI總線橋總線橋”稱為稱為“北橋北橋”，稱，稱“PCI總線總線/ISA總線橋總線橋”為為“南橋南橋

48、”。v 這種以這種以“橋橋”的方式將兩類不同結構的總線的方式將兩類不同結構的總線“粘合粘合”在一在一起的技術特別能夠適應系統的升級換代。起的技術特別能夠適應系統的升級換代。v 每當微處理器改變時只需改變每當微處理器改變時只需改變CPU總線和改動總線和改動“北橋北橋”芯芯片，而全部原有外圍設備及接口適配器仍可保留下來繼續片，而全部原有外圍設備及接口適配器仍可保留下來繼續使用，從而保護了用戶的投資。使用，從而保護了用戶的投資。5.2.2 PC系列總線系列總線v PCI總線的數據寬度為總線的數據寬度為32位或位或64位，地址總線為位，地址總線為32位位(可可擴展至擴展至64位位)。另外，它的地址線和

49、數據線是多路復用的，。另外，它的地址線和數據線是多路復用的，以節省引腳并減小連接器的尺寸。這些多路復用的引腳信以節省引腳并減小連接器的尺寸。這些多路復用的引腳信號標識為號標識為AD0AD63。v PCI總線有總線有5V和和3V兩種插槽類型，每種插槽的全部引腳號兩種插槽類型，每種插槽的全部引腳號均為均為194(A1/B1A94/B94)，32位卡只用位卡只用162號，號，64位卡則占用全部位卡則占用全部194號引腳。號引腳。v 其中，標為其中，標為res的引腳為保留未用的引腳為保留未用(reserved)的引腳；標的引腳；標為為code的引腳是防止將插卡插錯而設置的接口標記，也的引腳是防止將插卡

50、插錯而設置的接口標記，也稱連接器鑰匙稱連接器鑰匙(connector key)。5.2 外部總線外部總線常用常用外部總線外部總線USB總線總線RS-232總線總線RS-485總線總線外部總線又稱為通信總線，用于計算機之間，計算機與遠程終端，計算機與外部外部總線又稱為通信總線，用于計算機之間，計算機與遠程終端，計算機與外部設備以及計算機與測量儀器儀表之間的通信。外部總線又分為并行總線和串行總設備以及計算機與測量儀器儀表之間的通信。外部總線又分為并行總線和串行總線，并行總線主要有線，并行總線主要有IEEE-488總線，串行總線主要有總線，串行總線主要有RS-232-C、RS-422、RS-485、

51、IEEE1394以及以及USB總線等。限于篇幅，下面主要介紹總線等。限于篇幅，下面主要介紹RS-485串行總線和串行總線和USB總線，總線，RS-232-C參見本書第十章。參見本書第十章。 5.2.1 外部總線外部總線vIEEE-488是是1970年由美國惠普公司開發的并行通訊年由美國惠普公司開發的并行通訊總線總線vIEEE-488共定義了共定義了24根線（其中根線（其中8根地線）根地線）vIEEE-488總線特點：總線特點： 數據傳輸率不得超過每秒數據傳輸率不得超過每秒1M字節字節 總線上的設備數不得多于總線上的設備數不得多于15個個 電纜總長度不超過電纜總長度不超過20m，兩設備間不超過，

52、兩設備間不超過2m 采用負邏輯采用負邏輯5.2.2 外部總線外部總線- RS-422A標準接口標準接口 v RS-422由由RS-232C發展而來發展而來 v RS-422是一種單機發送、多機接收的單向、平衡傳輸的總是一種單機發送、多機接收的單向、平衡傳輸的總線標準線標準 v RS-422標準規定了雙端電氣接口型式，使用雙端線傳送信標準規定了雙端電氣接口型式，使用雙端線傳送信號。它通過傳輸線驅動器，把邏輯電平變換成電位差，完號。它通過傳輸線驅動器，把邏輯電平變換成電位差，完成始端的信息傳送；通過傳輸線接收器，把電位差轉變成成始端的信息傳送；通過傳輸線接收器，把電位差轉變成邏輯電平，實現終端的信

53、息接收。邏輯電平，實現終端的信息接收。 AA AA -BB -BB 0.2V 0.2V，表示，表示“1”1”；AAAA -BB -BB -0.2V -0.2V，表示，表示“0”0”發送器接收器BTTLRS-422A電平BAATTL5.2.2 外部總線外部總線- v RS-422的數據信號采用差分傳輸方式傳輸。的數據信號采用差分傳輸方式傳輸。v RS-422 有有4 根信號線，兩根發送、兩根接收，根信號線，兩根發送、兩根接收，RS-422 的的收與發是分開的，支持全雙工的通訊方式收與發是分開的，支持全雙工的通訊方式 。v RS-422的最大傳輸距離為的最大傳輸距離為1200m，最大傳輸速率為，最

54、大傳輸速率為10Mbps。10Mbps（15m時）；時）；90Kbps（1200m時）時） RS-422A接口電路接口電路 5.2.2 外部總線外部總線- vRS-485標準接口標準接口 RS-485是一種多發送器的電路標準，它是RS-422A性能的擴展，是真正意義上的總線標準。 允許在二根導線(總線)上掛接32臺RS-485負載設備。負載設備可以是發送器、被動發送器、接收器或組合收發器（發送器和接收器的組合） 5.2.2 外部總線外部總線- vRS485具有以下特點：具有以下特點： RS-485的電氣特性：邏輯的電氣特性：邏輯“1”以兩線間的電壓差為以兩線間的電壓差為+2V+6V表示；邏輯表

55、示；邏輯“0”以兩線間的電壓差為以兩線間的電壓差為-2V -6V表表示。示。 RS-485的數據最高傳輸速率為的數據最高傳輸速率為10Mbps RS-485接口是采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗共接口是采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗共模干能力增強。模干能力增強。 RS-485接口的最大傳輸距離為接口的最大傳輸距離為1200m，在總線上是允許連，在總線上是允許連接多達接多達128個收發器個收發器,即具有多站能力和多機通信功能。即具有多站能力和多機通信功能。5.2.2 外部總線外部總線- vRS-485與與RS-422的區別在于：的區別在于： 硬件線路上，硬件線路上，RS-422至少需要

56、至少需要4根通信線，而根通信線，而RS-485僅需僅需2根；根；RS-422不能采用總線方式通信，但可以采用環路方式不能采用總線方式通信，但可以采用環路方式通信，而通信，而RS-485兩者均可。兩者均可。 通信方式上，通信方式上，RS-422可以全雙工，而可以全雙工，而RS-485只能半雙工。只能半雙工。 其它差異見表其它差異見表5.4 5.2.2 外部總線外部總線- v串行總線協議轉換器串行總線協議轉換器5.2.3 外部總線外部總線- vUSB協議標準協議標準 USB1.0、USB1.1、USB2.0和和USB On-The-Go（OTG）總線標準）總線標準 vUSB設備的主要特點設備的主要

57、特點 采用采用USB接口的設備支持熱拔插接口的設備支持熱拔插) USB接口可以同時連接接口可以同時連接127臺臺USB設備。設備。 速度方面，速度方面，USB 1.1總線規范定義了總線規范定義了12 Mb/s的帶寬，的帶寬，而而USB2.0可提供可提供480Mb/s的傳輸速度。的傳輸速度。 USB總線能夠提供總線能夠提供500 mA的電流。的電流。5.2.3 外部總線外部總線- 5.2.3 外部總線外部總線- USB設備及其體系結構設備及其體系結構vUSB總線系統中的設備可以分為三個類型總線系統中的設備可以分為三個類型 USB主機主機 在任何在任何USB總線系統中，只能有一個主機。主機系總線系

58、統中，只能有一個主機。主機系統中提供統中提供USB總線接口驅動的模塊，稱作總線接口驅動的模塊，稱作USB總線主機總線主機控制器。控制器。 USB 集線器（集線器（HUB） 類似于網絡集線器，實現多個類似于網絡集線器，實現多個USB設備的互連，主設備的互連，主機系統中一般整合有機系統中一般整合有USB總線的根總線的根(節點節點)集線器，可以集線器，可以通過次級的集線器連接更多的外設。通過次級的集線器連接更多的外設。 USB總線的設備，又稱總線的設備，又稱USB功能外設。功能外設。 是是USB體系結構中的體系結構中的USB最終設備，如打印機、掃描最終設備，如打印機、掃描儀等，接受儀等，接受USB系統的服務。系統的服務。 5.2.3 外部總線外部總線- USB設備及其體系結構設備及其體系結構USB總線連接外設和主機時，利用菊花鏈的形式對端總線連接外設和主機時，利用菊花鏈的形式對端點加以擴展，形成了如下圖所示的金字塔型的外設連接方點加以擴展，形成了如下圖所示的金字塔型的外設連接方法，最多可以連接法，最多可以連接7層，層，127臺設備，有效地避免了臺設備，有效地避免了PC機機上插槽數量對擴充外設的限制，減少上插槽數量對擴充外設的限制，減少PC機機I/O接口的數量。接口的數量。 5.2.3 外部總線外部總線- USB