第 10 章 總線及接口技術

第10章總線及實用接口技術10.1總線技術簡介10.2串行通信總線標準10.3其他微型計算機10.1總線技術簡介本節(jié)在介紹標準總線基本概念的基礎上，詳細介紹了微機系統(tǒng)總線、總線驅動技術、串行通信總線標準及傳輸通道基本配置。10.1.1標準總線及分類1．總線標準為了使用的方便，對總線必須有詳細和明確的規(guī)范要求，稱為標準總線。對于系統(tǒng)總線標準和外部總線標準，它是計算機及板卡生產(chǎn)廠家、接口電路設計者都必須遵守的。標準總線一般應包括機械結構規(guī)范（如尺寸、總線插頭等）、功能規(guī)范（確定各引腳信號定義等）、電氣規(guī)范（規(guī)定信號的高低電平、動態(tài)轉換時間、負載能力以及最大額定值等）及時間特性（定時控制方式、工作頻率、同步，異步等）。常用工業(yè)標準總線如下。①STD（Standard）是工業(yè)控制微機標準總線，它從8位、16位數(shù)據(jù)帶寬已發(fā)展到32位帶寬。目前它仍是國內外某些工業(yè)控制機普遍采用的總線標準。②工業(yè)標準體系結構（IndustryStandardArchitecture，ISA）是現(xiàn)存最老的通用微機總線類型，是與286-AT總線一起引入的。③微通道體系結構（MicroChannelArchitecture，MCA）是IBM在1987年為PS/2系統(tǒng)機及其兼容機設計的一個理想的總線，它代表了總線設計的革命性進步。④擴展的工業(yè)標準體系結構（ExtendedIndustryStandardArchitecture，EISA）是反壟斷的產(chǎn)物。⑤視頻電子標準協(xié)會（VideoElectronicsStandardsAssociation，VESA）也叫VL總線，是流行的ISA總線的擴展。2．總線分類這里按總線所處的位置主要分類如下。（1）片總線片總線是微機內部各外圍芯片與處理器之間的信息傳輸?shù)耐贰＃?）系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線也就是常說的微機總線，是用于微機系統(tǒng)中各插件之間信息傳輸?shù)囊唤M信號線。系統(tǒng)總線主要包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。（3）外總線外總線又稱通信總線，是各微機系統(tǒng)之間，或微機系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間信息傳輸?shù)耐?。例如，微機與微機之間所采用的RS-232/RS-485串行總線，微機與智能儀器之間所采用的IEEE-488/VXI總線，以及近幾年發(fā)展和流行起來的微機與外部設備之間的USB和IEEE1394通用串行總線等。10.1.2微機系統(tǒng)總線

本節(jié)主要介紹為80286CPU設計的ISA總線、Pentium機主板上采用的PCI總線。

1．ISA總線

（1）8位ISA（即XT）總線8位ISA總線插槽共有62條引腳信號，其定義見表10-1。2．PCI總線（1）PCI總線主要特點PCI總線是一種高性能數(shù)據(jù)線和地址線復用的總線，目標設備有47個引腳，總線主控設備有49個引腳。PCI提供兩種信號環(huán)境：5V和3.3V，并可進行兩種環(huán)境的轉換，擴大了它的適應范圍。PCI對32位與64位總線的使用是透明的，它允許32位與64位元器件相互協(xié)作。（2）PCI總線引腳定義PCI總線的引腳定義如圖10-2所示。10.1.3總線驅動1．總線競爭與負載在同一總線上，同一時刻有可能會出現(xiàn)兩個或兩個以上的元器件請求輸出其數(shù)據(jù)或狀態(tài)，于是形成了總線競爭，或稱總線爭用，如圖10-4所示。總線邏輯門驅動負載電路，如圖10-5所示。當邏輯門的輸出為高電平時，它為負載門提供高電平輸入電流IIH。邏輯門的高電平輸出電流IOH不得小于所有負載門所需要的高電平輸入電流IIH之和，即要滿足算式：。2．總線驅動與控制綜合總線競爭與其對負載能力的需求，通常需要對總線的驅動進行設計。具體做法通常是在總線中加入三態(tài)門及鎖存器等電路。（1）三態(tài)門（2）雙向三態(tài)門（3）帶有三態(tài)輸出的鎖存器具有三態(tài)輸出的鎖存器有多種，這里以PC/XT微機中的地址鎖存器74LS373為例來說明。

（4）總線控制總線控制有3種方式：串行鏈接方式、定時查尋方式和獨立請求方式。10.2串行通信總線標準10.2.1．通用串行總線（USB）通用串行總線（UniversalSerialBus，USB）是由Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、NorthernTelecom等7家世界著名的計算機和通信公司共同推出的一種新型接口標準。

它基于通用連接技術，實現(xiàn)外部設備的簡單快速連接，達到方便用戶，降低成本，擴展PCI/O端口的目的。它可以為外部設備提供電源，而不像普通的使用串、并口設備那樣需要單獨的供電系統(tǒng)。另外，快速是USB技術的突出特點之一，USB1.1有全速和低速兩種方式，低速方式的速率為1.5Mbit/s，支持一些不需要很大數(shù)據(jù)吞吐量和很高實時性的設備，如鼠標等；全速模式為12Mbit/s，可以外接速率更高的外部設備。在USB2.0中增加了一種高速方式，數(shù)據(jù)傳輸率達到480Mbit/s，可以滿足速度更高的外部設備的需要。10.2.2IEEE1394總線IEEE1394總線是蘋果公司開發(fā)的串行標準，又稱火線接口（firewire）。IEEE1394支持外設熱插拔，可為外設提供電源，能連接多個不同設備，支持同步數(shù)據(jù)傳輸。IEEE1394分為兩種傳輸方式：Backplane模式和Cable模式。Backplane模式傳輸速率高于USB傳輸速率，分別為12.5Mbps、25Mbps、50Mbps，多用于高帶寬應用。Cable模式傳輸速率更高，分為100Mbps、200Mbps和400Mbps等。10.2.3．RS-232C總線標準RS-232C是使用最早、在異步串行通信中應用最廣的總線標準。它由美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）于1962年公布，1969年最后修訂而成。其中，RS是英文“推薦標準”的縮寫，232是標識號，C表示修改次數(shù)。PC配置的是RS-232C標準接口。RS-232C適用于短距離或帶調制解調器的通信場合。若設備之間的通信距離不大于15m時，可以用RS-232C電纜直接連接。對于距離大于15m以上的長距離通信，需要采用調制解調器才能實現(xiàn)。RS-232C傳輸速率最大為20Kbit/s。圖10-11RS-232C標準插頭座外形10.2.4．RS-422/485總線標準RS-232C雖然應用廣泛，但由于推出較早，數(shù)據(jù)傳輸速率慢，通信距離短。為了滿足現(xiàn)代通信傳輸數(shù)據(jù)速率越來越快和距離越來越遠的要求，EIA隨后推出了RS-422和RS-485總線標準。（1）RS-422/485總線標準RS-422采用差分接收、差分發(fā)送工作方式，不需要數(shù)字地線。它使用雙絞線傳輸信號，根據(jù)兩條傳輸線之間的電位差值來決定邏輯狀態(tài)。RS-422接口電路采用高輸入阻抗接收器和比RS-232C驅動能力更強的發(fā)送驅動器，可以在相同的傳輸線上連接多個接收節(jié)點。（2）RS-485接口電路——MAX485MAX485是用于RS-422/485通信的差分平衡收發(fā)器，由MAXIM公司生產(chǎn)。芯片內部包含一個驅動器和一個接收器，適用于半雙工通信。10.2.5串行通信傳輸通道配置PC一般至少有兩個RS-232串行口COM1和COM2，通常，COM1使用的是9針D型連接器，而COM2使用的是老式的DB25針連接器。（1）近距離直接串行通信近距離直接傳輸是指在15m以內、不需要進行信號轉換的串行通信，常用在兩臺PC或以串行通信標準作為接口的設備之間的通信。（2）需要電平轉換串行通信由于RS-232C采用負邏輯，因此，RS-232C不能和采用正邏輯電平TTL、MCS-51單片機的串行口等直接相連。當RS-232C接口與具有正邏輯的串行口通信時，必須進行電平轉換。（3）遠距離調制與解調串行傳輸在遠距離傳送使用調制解調器進行串行傳輸時，如圖10-18所示。10.3其他微型計算機10.3.1單片機和單板機1．單片機單片機將CPU、存儲器、定時器及I/O接口等部件通過內部總線集成在一塊芯片上。單片機這種特殊的結構形式和特點，使其在智能化儀器儀表、家用電器、機電一體化產(chǎn)品、工業(yè)控制等各個領域內的應用得到迅猛的發(fā)展。常用單片機芯片外形如圖10-19所示。2．單板機這里說的單板機是指簡易的單片機實驗及開發(fā)系統(tǒng)，或稱開發(fā)板。它將單片機系統(tǒng)的各個部分組裝在一塊印制電路板上，包括CPU、I/O接口及配備簡單的LED、LCD、小鍵盤、下載器及插座等。單板機是學習及開發(fā)單片機應用的必需工具，其主要功能如下。①可以直接在單板機上操作進行單片機學習和實驗。②單片機應用系統(tǒng)開發(fā)。③直接用于控制系統(tǒng)。單板機外形如圖10-20所示3.51單片機總體結構

（1）單片機內部基本結構8051單片機內部由CPU、4KB的ROM、128B的RAM、4個8位的I/O并行端口、一個串行口、兩個16位定時/計數(shù)器及中斷系統(tǒng)等組成，其內部基本結構框圖如圖10-21所示。10.3.2智能手機智能手機是具有獨立的操作系統(tǒng)，獨立的運行空間，可以由用戶自行安裝軟件、游戲、導航等第三方服務商提供的設備，并可以通過移動通訊網(wǎng)絡來實現(xiàn)無線網(wǎng)絡接入的手機類型的總稱。10.3.3筆記本電腦筆記本電腦（Laptop），簡稱筆記本，又稱“便攜式電腦，手提電腦、掌上電腦或膝上型電腦”，特點是機身小巧。比臺式機攜帶方便，是一種小型、便于攜帶的個人電腦。筆記本電腦采用液晶顯示器（液晶LCD屏）。除鍵盤外，還裝有觸控板（Touchpad）或觸控點（Pointingstick）作為定位設備（Pointingdevice）。10.3.4嵌入式計算機系統(tǒng)從使用的角度來說，計算機應用可分為兩類：一類是應用廣泛的獨立使用的計算機系統(tǒng)（如個人計算機、工作站等），另一類是嵌入式計算機系統(tǒng)（簡稱嵌入式系統(tǒng)）。1.嵌入式系統(tǒng)基本構成所謂嵌入式系統(tǒng)，是“以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟件硬件可裁減、功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)”，即以嵌入式應用為目的計算機系統(tǒng)。一個手持的MP3和一個微型計算機工業(yè)控制系統(tǒng)都可以認為是嵌入式系統(tǒng)，它與通用計算機技術的最大差異是必須支持硬件裁減和軟件裁減，以適應應用系統(tǒng)對體積、功能、功耗、可靠性、成本等的特殊要求。嵌入式系統(tǒng)硬件包括信號處理器、存儲器、通信模塊等在內的多種模塊。2.嵌入式系統(tǒng)功能特點嵌入式系統(tǒng)的功能特點有以下方面。①系統(tǒng)內核小。