名师精编优秀资料计算机总线技术基础知识任何一个微处理器都要与一定数量的部件和外围设备连接，但如果将各部件和每一种外围设备都分别用一组线路与CPU直接连接，那么连线将会错综复杂，甚至难以实现。为了简化硬件电路设计、简化系统结构，常用一组线路，配置以适当的接口电路，与各部件和外围设备连接，这组共用的连接线路被称为总线。采用总线结构便于部件和设备的扩充，尤其制定了统一的总线标准则容易使不同设备间实现互连。微机中总线一般有内部总线、系统总线和外部总线。内部总线是微机内部各外围芯片与处理器之间的总线，用于芯片一级的互连；而系统总线是微机中各插件板与系统板之间的总线，用于插件板一级的互连；外部总线则是微机和外部设备之间的总线，微机作为一种设备，通过该总线和其他设备进行信息与数据交换，它用于设备一级的互连。另外，从广义上说，计算机通信方式可以分为并行通信和串行通信，相应的通信总线被称为并行总线和串行总线。并行通信速度快、实时性好，但由于占用的口线多，不适于小型化产品； 而串行通信速率虽低，但在数据通信吞吐量不是很大的微处理电路中则显得更加简易、方便、 灵活。串行通信一般可分为异步模式和同步模式。随着微电子技术和计算机技术的发展，总线技术也在不断地发展和完善，而使计算机总线技术种类繁多，各具特色。下面仅对微机各类总线中目前比较流行的总线技术分别加以介绍。一、内部总线1.I2C 总线I2C（Inter-IC）总线 10 多年前由Philips公司推出，是近年来在微电子通信控制领域广泛采用的一种新型总线标准。它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简化，器件封装形式小，通信速率较高等优点。在主从通信中，可以有多个I2C 总线器件同时接到I2C 总线上，通过地址来识别通信对象。2.SPI 总线串行外围设备接口SPI（serial peripheral interface）总线技术是Motorola公司推出的一种同步串行接口。 Motorola公司生产的绝大多数MCU （微控制器）都配有SPI 硬件接口，如68 系列 MCU 。SPI 总线是一种三线同步总线，因其硬件功能很强，所以，与SPI 有关的软件就相当简单，使CPU有更多的时间处理其他事务。3SCI 总线串行通信接口SCI（serial communication interface）也是由Motorola公司推出的。它是一种通用异步通信接口UART ，与 MCS-51的异步通信功能基本相同。二、系统总线1ISA 总线ISA（industrial standard architecture）总线标准是IBM 公司 1984 年为推出PC/AT机而建立的系统总线标准，所以也叫AT总线。它是对XT总线的扩展，以适应8/16 位数据总线要求。它在80286 至80486 时代应用非常广泛，以至于现在奔腾机中还保留有ISA 总线插槽。 ISA 总线有 98 只引脚。2EISA 总线EISA 总线是 1988 年由 Compaq等 9 家公司联合推出的总线标准。它是在ISA 总线的基础上使用双层插座，在原来ISA 总线的 98 条信号线上又增加了98 条信号线，也就是在两条ISA 信号线之间添加一条EISA 信号线。在实用中，EISA总线完全兼容ISA 总线信号。名师精编优秀资料3VESA总线VESA （video electronics standard association）总线是 1992 年由 60 家附件卡制造商联合推出的一种局部总线，简称为VL(VESA local bus)总线。它的推出为微机系统总线体系结构的革新奠定了基础。该总线系统考虑到CPU与主存和Cache 的直接相连，通常把这部分总线称为CPU总线或主总线，其他设备通过VL总线与 CPU总线相连，所以VL 总线被称为局部总线。它定义了32 位数据线，且可通过扩展槽扩展到64 位，使用33MHz时钟频率，最大传输率达132MB/s，可与 CPU同步工作。是一种高速、高效的局部总线，可支持386SX 、386DX、 486SX 、 486DX及奔腾微处理器。4PCI 总线PCI（peripheral component interconnect）总线是当前最流行的总线之一，它是由Intel公司推出的一种局部总线。它定义了32 位数据总线，且可扩展为64 位。 PCI 总线主板插槽的体积比原ISA 总线插槽还小，其功能比VESA 、ISA 有极大的改善，支持突发读写操作，最大传输速率可达132MB/s，可同时支持多组外围设备。 PCI 局部总线不能兼容现有的ISA、EISA、MCA （micro channel architecture）总线，但它不受制于处理器，是基于奔腾等新一代微处理器而发展的总线。5Compact PCI 以上所列举的几种系统总线一般都用于商用PC机中，在计算机系统总线中，还有另一大类为适应工业现场环境而设计的系统总线，比如STD总线、 VME总线、 PC/104 总线等。这里仅介绍当前工业计算机的热门总线之一Compact PCI 。Compact PCI 的意思是“坚实的PCI”，是当今第一个采用无源总线底板结构的PCI 系统，是PCI 总线的电气和软件标准加欧式卡的工业组装标准，是当今最新的一种工业计算机标准。Compact PCI 是在原来 PCI 总线基础上改造而来，它利用PCI 的优点，提供满足工业环境应用要求的高性能核心系统，同时还考虑充分利用传统的总线产品，如ISA、STD 、VME或 PC/104 来扩充系统的I/O 和其他功能。三、外部总线1RS-232-C 总线RS-232-C 是美国电子工业协会EIA（Electronic Industry Association）制定的一种串行物理接口标准。 RS是英文“推荐标准”的缩写，232 为标识号， C表示修改次数。RS-232-C 总线标准设有25 条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道，在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。 RS-232-C 标准规定的数据传输速率为每秒 50、75、 100 、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200 波特。 RS-232-C 标准规定，驱动器允许有2500pF 的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用150pF/m 的通信电缆时，最大通信距离为15m ；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是RS-232 属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m以内的通信。2RS-485 总线在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485 串行总线标准。RS-485 采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。 RS-485 采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。RS-485 用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用 RS-485 可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32 台驱动器和32 台接收器。名师精编优秀资料3IEEE-488 总线上述两种外部总线是串行总线，而 IEEE-488 总线是并行总线接口标准。IEEE-488 总线用来连接系统，如微计算机、数字电压表、数码显示器等设备及其他仪器仪表均可用IEEE-488 总线装配起来。它按照位并行、字节串行双向异步方式传输信号，连接方式为总线方式，仪器设备直接并联于总线上而不需中介单元，但总线上最多可连接15 台设备。最大传输距离为20 米，信号传输速度一般为500KB/s ，最大传输速度为 1MB/s。4USB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共同推出的一种新型接口标准。它基于通用连接技术，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。另外，快速是USB技术的突出特点之一， USB的最高传输率可达12Mbps比串口快100 倍，比并口快近10 倍，而且USB还能支持多媒体。常见接口类型介绍一、并行接口并行接口又简称为“并口”。目前，计算机中的并行接口主要作为打印机端口，使用的不再是36 针接头而是25 针 D 形接头。所谓“并行”，是指8 位数据同时通过并行线进行传送，这样数据传送速度大大提高，但并行传送的线路长度受到限制，因为长度增加，干扰就会增加，数据也就容易出错。现在有 5 种常见的并口:4 位、8 位、半 8 位、EPP 和 ECP ，大多数 PC 机配有 4 位或 8 位的并口，支持全部IEEE1284 并口规格的计算机基本上都配有ECP 并口。标准并行口指4 位、 8 位和半 8 位并行口。 4 位口一次只能输入4 位数据，但可以输出8 位数据；8 位口可以一次输入和输出8 位数据。EPP 口( 增强并行口 ) 由 Intel 等公司开发，允许8 位双向数据传送，可以连接各种非打印机设备，如扫描仪、 LAN 适配器、磁盘驱动器和CD-ROM 驱动器等。ECP 口( 扩展并行口 ) 由 Microsoft 、 HP 公司开发， 能支持命令周期、数据周期和多个逻辑设备寻址，在多任务环境下可以使用DMA( 直接存储器访问) 。目前几乎所有Pentium 级以上的主板都集成了并行口，并标注为Par-allel 1 或 LPT 1，这是一个25 针的双排针插座。2. 中断处理方式在这种方式下，CPU 不再被动等待，而是一直执行其他程序，一旦外设交换数据准备就绪，就向CPU提出服务请求。CPU 如果响应该请求，便暂时停止当前执行的程序，执行与该请求对应的服务程序，完成后，再继续执行原来被中断的程序。中断处理方式的优点是显而易见的，它不但为CPU 省去了查询外设状态和等待外设就绪的时间，提高了 CPU 的工作效率，还满足了外设的实时要求。但是需要为每个设备分配一个中断号和相应的中断服务程序，此外还需要一个中断控制器(I/O 接口芯片 ) 管理 I/O 设备提出的中断请求，例如设置中断屏蔽、中断请求优先级等，这样将会加重系统的负担。此外中断处理方式的缺点是每传送一个字符都要进行中断，启动中断控制器， 还要保留和恢复现场以便能继续原程序的执行，系统的工作量很大，这样如果需要大量数据交换，系统的性能会很低。 3.DMA( 直接存储器存取) 传送方式名师精编优秀资料DMA 最明显的一个特点是采用一个专门的硬件电路DMA 控制器控制内存与外设之间的数据交流，无须 CPU 介入，从而大大提高了CPU 的工作效率。 在进行 DMA 数据传送之前， DMA 控制器会向CPU 申请总线控制权。如果CPU 允许，则将控制权交出，因此在数据交换时，总线控制权由DMA 控制器掌握，在传输结束后，DMA 控制器将总线控制权交还给CPU ，所以现在采用DMA 方式的设备CPU 占用率都比较低。不过由于计算机的外围设备品种繁多，而且大多采用了机电传动设备，因此现在CPU 在与 I/O 设备进行数据交换时仍存在以下问题: (1) 速度不匹配。 I/O 设备的工作速度要比CPU 慢许多，而且由于种类的不同，他们之间的速度差异也很大，例如硬盘的传输速度就要比打印机快出很多。(2) 时序不匹配。 各个 I/O 设备都有自己的定时控制电路，以自己的速度传输数据，无法与 CPU 的时序取得统一。(3) 信息格式不匹配。不同的I/O 设备存储和处理信息的格式不同，例如可以分为串行和并行两种，也可以分为二进制格式、ACSII 编码和 BCD 编码等。(4) 信息类型不匹配。以上