計算機控制技術課件六第一頁，共52頁。

總線（Bus）是計算機各種功能部件之間傳送信息的公共通信干線，它是由導線組成的傳輸線束，按照計算機所傳輸的信息種類，計算機的總線可以劃分為數據總線、地址總線和控制總線，分別用來傳輸數據、數據地址和控制信號?？偩€是一種內部結構，它是cpu、內存、輸入、輸出設備傳遞信息的公用通道，主機的各個部件通過總線相連接，外部設備通過相應的接口電路再與總線相連接，從而形成了計算機硬件系統。在計算機系統中，各個部件之間傳送信息的公共通路叫總線，微型計算機是以總線結構來連接各個功能部件的。

第二頁，共52頁。總線結構1、單總線結構第三頁，共52頁。2、多總線結構

第四頁，共52頁。第五頁，共52頁。圖6.4三總線結構第六頁，共52頁。圖6.5四總線結構第七頁，共52頁?？偩€按功能和規范可分為三大類型:1、片內總線在集成電路芯片內部，用來連結各功能單元的信息通路，例如CPU芯片中的內部總線，它是ALU單元和控制器之間的信息通路。2、局部總線在印刷電路板上連接各芯片之間的公共通路，例如PC系列機中的ISA、EISA、VESA和PCI等總線標準。3、系統總線又稱為內總線，是指模塊式微型計算機機箱內的主板總線，用來連接構成微型機的各插件板。4、通信總線又稱為外總線，用于微機系統與系統之間，微機系統與外部設備如打印機、盤設備或微機系統和儀器儀表之間的通信通道。這種總線數據傳輸方式可以是并行或串行。數據傳輸速率比內總線低。不同的應用場合有不同的總線標準。例如，串行通信的EIA—RS232C總線。第八頁，共52頁。總線的主要技術指標1、總線的帶寬（總線數據傳輸速率）

總線的帶寬指的是單位時間內總線上傳送的數據量，即每鈔鐘傳送MB的最大穩態數據傳輸率。與總線密切相關的兩個因素是總線的位寬和總線的工作頻率，它們之間的關系：

總線的帶寬=總線的工作頻率*總線的位寬/8或者總線的帶寬=（總線的位寬/8）/總線周期

2、總線的位寬

總線的位寬指的是總線能同時傳送的二進制數據的位數，或數據總線的位數，即32位、64位等總線寬度的概念。總線的位寬越寬，每秒鐘數據傳輸率越大，總線的帶寬越寬。

3、總線的工作頻率

總線的工作時鐘頻率以MHZ為單位，工作頻率越高，總線工作速度越快，總線帶寬越寬。第九頁，共52頁?？偩€控制方法一般來說，總線上完成一次數據傳輸要經歷以下4個階段：1、申請(Arbitration)占用總線階段。需要使用總線的主控模塊(如CPU或DMAC)向總線仲裁機構提出占有總線控制權的申請。由總線仲裁機構判別確定，把下一個總線傳輸周期的總線控制權授給申請者。2、尋址(Addressing)階段。獲得總線控制權的主模塊，通過地址總線發出本次打算訪問的從屬模塊，如存儲器或I/O接口的地址。通過譯碼使被訪問的從屬模塊被選中，而開始啟動。3、傳數(AataTransferring)階段。主模塊和從屬模塊進行數據交換。數據由源模塊發出經數據總線流入目的模塊。對于讀傳送，源模塊是存儲器或I/O接口，而目的模塊是總線主控者；對于寫傳送，則源模塊是總線主控者，而目的模塊是存儲器或I/O接口。4、結束(Ending)階段。主、從模塊的有關信息均從總線上撤除，讓出總線，以便其它模塊能繼續使用。對于只有一個總線主控設備的簡單系統，對總線無需申請、分配和撤除。而對于多CPU或含有DMA的系統，就要有總線仲裁機構，來受理申請和分配總線控制權?？偩€上的主、從模塊通常采用握手信號來指明數據傳送的開始和結束，用同步、異步或半同步這三種方式之一實現總線傳輸的控制。第十頁，共52頁?？偩€的標準總線是一類信號線的集合是模塊間傳輸信息的公共通道，通過它，計算機各部件間可進行各種數據和命令的傳送。為使不同供應商的產品間能夠互換，給用戶更多的選擇，總線的技術規范要標準化?？偩€的標準制定要經周密考慮，要有嚴格的規定。

總線標準（技術規范）包括以下幾部分：

（1）機械結構規范：模塊尺寸、總線插頭、總線接插件以及安裝尺寸均有統一規定。

（2）功能規范：總線每條信號線（引腳的名稱）、功能以及工作過程要有統一規定。

（3）電氣規范：總線每條信號線的有效電平、動態轉換時間、負載能力等。第十一頁，共52頁。采用總線結構的主要優點1、簡化硬件設計。便于采用模塊化結構設計方法，面向總線的微型計算機設計只要按照這些規定制作cpu插件、存儲器插件以及I/O插件等，將它們連入總線就可工作，而不必考慮總線的詳細操作。2、簡化系統結構。整個系統結構清晰。連線少，底板連線可以印制化。3、便于故障診斷和維修。用主板測試卡可以很方便找到出現故障的部位，以及總線類型

第十二頁，共52頁。4、系統擴充性好。一是規模擴充，規模擴充僅僅需要多插一些同類型的插件。二是功能擴充，功能擴充僅僅需要按照總線標準設計新插件，插件插入機器的位置往往沒有嚴格的限制。5、系統更新性能好。因為cpu、存儲器、I/O接口等都是按總線規約掛到總線上的，因而只要總線設計恰當，可以隨時隨著處理器的芯片以及其他有關芯片的進展設計新的插件，新的插件插到底板上對系統進行更新，其他插件和底板連線一般不需要改。第十三頁，共52頁。采用總線結構的缺點:1、利用總線傳送具有分時性。當有多個主設備同時申請總線的使用是必須進行總線的仲裁。2、總線的帶寬有限，如果連接到總線上的某個硬件設備沒有資源調控機制容易造成信息的延時（這在某些即時性強的地方是致命的）。

3、連到總線上的設備必須有信息的篩選機制，要判斷該信息是否是傳給自己的。第十四頁，共52頁。從廣義上說，計算機通信方式可以分為并行通信和串行通信，相應的通信總線被稱為并行總線和串行總線。并行通信速度快、實時性好，但由于占用的口線多，不適于小型化產品；而串行通信速率雖低，但在數據通信吞吐量不是很大的微處理電路中則顯得更加簡易、方便、靈活。串行通信一般可分為異步模式和同步模式。第十五頁，共52頁。隨著微電子技術和計算機技術的發展，總線技術也在不斷地發展和完善，而使計算機總線技術種類繁多，各具特色。下面僅對微機各類總線中目前比較流行的總線技術分別加以介紹。第十六頁，共52頁。一、片內總線1．I2C總線

----I2C（Inter-IC）總線10多年前由Philips公司推出，是近年來在微電子通信控制領域廣泛采用的一種新型總線標準。它是同步通信的一種特殊形式，具有接口線少，控制方式簡化，器件封裝形式小，通信速率較高等優點。在主從通信中，可以有多個I2C總線器件同時接到I2C總線上，通過地址來識別通信對象。

第十七頁，共52頁。2．SPI總線

串行外圍設備接口SPI（serialperipheralinterface）總線技術是Motorola公司推出的一種同步串行接口。Motorola公司生產的絕大多數MCU（微控制器）都配有SPI硬件接口，如68系列MCU。SPI總線是一種三線同步總線，因其硬件功能很強，所以，與SPI有關的軟件就相當簡單，使CPU有更多的時間處理其他事務。第十八頁，共52頁。3．SCI總線

串行通信接口SCI（serialcommunicationinterface）也是由Motorola公司推出的。它是一種通用異步通信接口UART，與MCS-51的異步通信功能基本相同。第十九頁，共52頁。二、PC總線1．ISA總線

ISA（industrialstandardarchitecture）總線標準是IBM公司1984年為推出PC/AT機而建立的系統總線標準，所以也叫AT總線。它是對XT總線的擴展，以適應8/16位數據總線要求。它在80286至80486時代應用非常廣泛，以至于現在奔騰機中還保留有ISA總線插槽。ISA總線有98只引腳。第二十頁，共52頁。早期的IBMPC/XT計算機的底板上，8位ISA總線。1984年IBM公司推出286機（AT機）時，將原來8位的ISA總線擴展為16位的ISA總線，它保持原來8位ISA總線的62個引腳信號，以便原先的8位ISA總線適配器板可以插在AT機的插槽上。同時為使數據總線擴展到16位，地址總線擴展到24位，而增加一個延伸的36引腳插槽。第二十一頁，共52頁。第二十二頁，共52頁。ISA總線輸入接口圖6.8簡單的ISA總線輸入接口第二十三頁，共52頁。ISA輸出接口圖6.9簡單的ISA總線輸出接口第二十四頁，共52頁。2.EISA總線

EISA總線是1988年由Compaq等9家公司聯合推出的總線標準。它是在ISA總線的基礎上使用雙層插座，在原來ISA總線的98條信號線上又增加了98條信號線，也就是在兩條ISA信號線之間添加一條EISA信號線。在實用中，EISA總線完全兼容ISA總線信號。

第二十五頁，共52頁。3．VESA總線

VESA（videoelectronicsstandardassociation）總線是

1992年由60家附件卡制造商聯合推出的一種局部總線，簡稱為VL(VESAlocalbus)總線。它的推出為微機系統總線體系結構的革新奠定了基礎。該總線系統考慮到CPU與主存和Cache的直接相連，通常把這部分總線稱為CPU總線或主總線，其他設備通過VL總線與CPU總線相連，所以VL總線被稱為局部總線。它定義了32位數據線，且可通過擴展槽擴展到64位，使用33MHz時鐘頻率，最大傳輸率達132MB/s，可與CPU同步工作。是一種高速、高效的局部總線，可支持386SX、386DX、486SX、486DX及奔騰微處理器。第二十六頁，共52頁。4．PCI總線

PCI（peripheralcomponentinterconnect）總線是當前最流行的總線之一，它是由Intel公司推出的一種局部總線。它定義了32位數據總線，且可擴展為64位。PCI總線主板插槽的體積比原ISA總線插槽還小，其功能比VESA、ISA有極大的改善，支持突發讀寫操作，最大傳輸速率可達132MB/s，可同時支持多組外圍設備。

PCI局部總線不能兼容現有的ISA、EISA、MCA（microchannelarchitecture）總線，但它不受制于處理器，是基于奔騰等新一代微處理器而發展的總線。第二十七頁，共52頁。

1992年初，Intel聯合IBM、Compaq、DEC、Apple等大公司創立了PCI局部總線標準。PCI是“PeripheralComponentInterconnect”的縮寫，即外圍元件互聯。PCI總線支持33MHz的時鐘頻率，數據寬度為32位，可擴展到64位，數據傳輸率可達132MB/s~264MB/s。第二十八頁，共52頁。PCI總線通常稱為夾層總線（MezzanineBus），因為在傳統的總線結構上多加了一層，適用于能在兩種系統中工作的主板和板卡。

作為另一個重要特性，PCI已經成為Intel即插即用（PnP）規范的典范。這意味著PCI卡上無跳線和開關，而代之以通過軟件進行配置。第二十九頁，共52頁。PCI總線的系統結構在一個PCI系統中可以做到：高速外部設備和低速外部設備共存，PCI總線與ISA/EISA總線并存。在圖中，處理器/Cache/存儲器子系統經過一個PCI橋連接到PCI總線上，提供了一個低延遲的訪問通路，從而使處理器能夠直接訪問通過它映射于存儲器空間或I/O空間PCI設備；也提供了能使PCI高設備直接訪問主存的高速通路；，能提供數據緩沖功能，以使CPU與PCI總線上的設備并行工作而不必相互等待；另外，橋可使PCI總線的操作與CPU總線分開，以免相互影響?？傊瑯驅崿F了PCI總線的全部驅動控制。擴展總線橋（標準總線接口）的設置是為了能在PCI總線上接出一條標準I/O擴展總線，如ISA，EISA總線，從而可繼續使用現有的I/O設備，以PCI總線的兼容性和選擇范圍。第三十頁，共52頁。PCI總線處理器橋/存儲控制器Cache存儲器LANSCSI擴展總線橋ISA/EISA第三十一頁，共52頁。5．CompactPCI

以上所列舉的幾種系統總線一般都用于商用PC機中，在計算機系統總線中，還有另一大類為適應工業現場環境而設計的系統總線，比如STD總線、

VME總線、PC/104總線等。這里僅介紹當前工業計算機的熱門總線之一——CompactPCI。

CompactPCI的意思是“堅實的PCI”，是當今第一個采用無源總線底板結構的PCI系統，是PCI總線的電氣和軟件標準加歐式卡的工業組裝標準，是當今最新的一種工業計算機標準，是在原來PCI總線基礎上改造而來，它利用PCI的優點，提供滿足工業環境應用要求的高性能核心系統，同時還考慮充分利用傳統的總線產品，如ISA、STD、VME或PC/104來擴充系統的I/O和其他功能。第三十二頁，共52頁。三、外總線1．RS-232-C總線

RS-232-C是美國電子工業協會EIA（ElectronicIndustryAssociation）制定的一種串行物理接口標準。RS是英文“推薦標準”的縮寫，232為標識號，C表示修改次數。RS-232-C總線標準設有25條信號線，包括一個主通道和一個輔助通道，在多數情況下主要使用主通道，對于一般雙工通信，僅需幾條信號線就可實現，如一條發送線、一條接收線及一條地線。RS-232-C標準規定的數據傳輸速率為每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。RS-232-C標準規定，驅動器允許有2500pF的電容負載，通信距離將受此電容限制，例如，采用150pF/m的通信電纜時，最大通信距離為15m；若每米電纜的電容量減小，通信距離可以增加。傳輸距離短的另一原因是RS-232屬單端信號傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題，因此一般用于20m以內的通信。第三十三頁，共52頁。2.RS-485總線在要求通信距離為幾十米到上千米時，廣泛采用RS-485串行總線標準。RS-485采用平衡發送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發器具有高靈敏度，能檢測低至200mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復。RS-485采用半雙工工作方式，任何時候只能有一點處于發送狀態，因此，發送電路須由使能信號加以控制。RS-485用于多點互連時非常方便，可以省掉許多信號線。應用RS-485可以聯網構成分布式系統，其允許最多并聯32臺驅動器和32臺接收器。第三十四頁，共52頁。3．IEEE-488總線

上述兩種外部總線是串行總線，而IEEE-488總線是并行總線接口標準。IEEE-488總線用來連接系統，如微計算機、數字電壓表、數碼顯示器等設備及其他儀器儀表均可用IEEE-488總線裝配起來。它按照位并行、字節串行雙向異步方式傳輸信號，連接方式為總線方式，儀器設備直接并聯于總線上而不需中介單元，但總線上最多可連接15臺設備。最大傳輸距離為20米，信號傳輸速度一般為500KB/s，最大傳輸速度為1MB/s。第三十五頁，共52頁。4．USB總線通用串行總線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，實現外設的簡單快速連接，達到方便用戶、降低成本、擴展PC連接外設范圍的目的。它可以為外設提供電源，而不像普通的使用串、并口的設備需要單獨的供電系統。另外，快速是USB技術的突出特點之一，USB的最高傳輸率可達12Mbps比串口快100倍，比并口快近10倍，而且USB還能支持多媒體。第三十六頁，共52頁。

USB是英文UniversalSerialBus的縮寫，翻譯成中文的含義是“通用串行總線”，最大特性是支持即插即用和熱插拔功能。在Windows2000的操作系統中，任何一款標準的USB設備可以在任何時間、任何狀態下與計算機連接，并且能夠馬上開始工作。

USB誕生于1994年，是由康柏、IBM、Intel和Microsoft共同推出的，旨在統一外設接口，如打印機、外置Modem、掃描儀、鼠標等的接口，以便于用戶進行便捷的安裝和使用，逐步取代以往的串口、并口和PS/2接口。發展至今，USB共有四種標準：1996年發布的USB1.0，1998年發布的USB1.1以,1999年發布的USB2.0，2009年USB3.0。最大的差別就在于數據傳輸速率方面，當然，在其他方面也有不同程度的改進。就目前的USB2.0而言，其傳輸速度可以達到半雙工480Mbps，最多可以支持127個設備，USB3.0高達5Gbps全雙工。

第三十七頁，共52頁。PinNameDescription1VCC+5VDC（紅）2D-Data-（白）3D+Data+（綠）4GNDGround（黑）USB接口引腳：第三十八頁，共52頁。miniusb引腳定義引腳功能顏色備注1VBUS紅電源+5V2DATA-白數據－3DATA+綠數據＋4IDA型：與地相連

B型：不接地(空)5GND黑地第三十九頁，共52頁。USB3.0有9個引腳。USB3.0用藍色；USB2.0用黑色。第四十頁，共52頁。5.CAN總線CAN，全稱為“CONtrollerAreaNetwork”，即控制器局域網，是國際上應用最廣泛的現場總線之一。最初，CAN被設計作為汽車環境中的微控制器通訊，在車載各電子控制裝置ECU之間交換信息，形成汽車電子控制網絡。由CAN總線構成的單一網絡中，理論上可以掛接無數個節點。實際應用中，節點數目受網絡硬件的電氣特性所限制。例如，當使用PhilipsP82C250作為CAN收發器時，同一網絡中允許掛接110個節點。CAN可提供高達1Mbit/s的數據傳輸速率，這使實時控制變得非常容易。另外，硬件的錯誤檢定特性也增強了CAN的抗電磁干擾能力。第四十一頁，共52頁。應用舉例

CAN總線在工控領域主要使用低速-容錯CAN即ISO11898-3標準，在汽車領域使用125Kbps的高速CAN。某進口車型擁有，車身、舒適、多媒體等多個控制網絡，其中車身控制使用CAN網絡，以CAN網為主網，控制發動機、變速箱、ABS等車身安全模塊，并將轉速、車速、油溫等共享至全車，實現汽車智能化控制，如高速時自動鎖閉車門，安全氣囊彈出時，自動開啟車門等功能。

CAN系統又分為高速和低速，高速CAN系統采用硬線是動力型，速度：500kbps，控制ECU、ABS等；低速CAN是舒適型，速度：125Kbps，主要控制儀表、防盜等。第四十二頁，共52頁。6.VXI總線20世紀80年代后期，儀器制造商發現GPIB總線和VME總線產品無法再滿足軍用測控系統的需求了。在這種情況下，HP、Tekronix等五家國際著名的儀器公司成立了VXIbus聯合體，并于1987年發布了VXI規范的第一個版本。幾經修改和完善，與1992年被IEEE接納為IEEE-1155-1992標準。第四十三頁，共52頁。VXIbus規范是一個開放的體系結構標準，其主要目標是使VXIbus器件之間、VXIbus器件與其它標準的器件（計算機）之間能夠以明確的方式開放地通信；使系統體積更小；通過使用高帶寬的吞吐量，為開發者提供高性能的測試設備；采用通用的接口來實現相似的儀器功能，使系統集成軟件成本進一步降低。VXIbus規范發布后，由于軍方對測控系統的大量需求，許多儀器生產廠商都加入到VXI即插即用聯盟。第四十四頁，共52頁。虛擬儀器（VitualInstrumentation，VI）最早是適應PC卡式儀器于1986年由NI公司提出的。虛擬儀器技術是儀器技術、通信技術、總線技術、數字化技術、計算機技術等有機結合的產物。這是在標準計算機軟硬件基礎上加上一組軟件和硬件所構成。虛擬儀器從本質上說是一個開放式結構，用通用計算機、DSP信號處理器或其他CPU提供系統管理、信號處理、存儲以及顯示功能；用數據采集板GP-IB或VXI總線接口板提供信號獲取和控制信號輸出，從而實現傳統儀器功能。簡單地說就是一組完成傳統儀器功能的硬件和軟件部件。VI通過軟件將通用計算機與儀器硬件結合起來，用戶可以通過友好的圖形界面（通常稱為虛擬面板）

第四十五頁，共52頁。VXI總線即VME總線在測量儀器領域的擴展。這是一種新型測量儀器的標準總線，其總線標準是一種在世界范圍內完全開放的、適用于各國不同的廠家、不同應用領域的行業標準。由于它是電子儀器發展史上一個重要的里程碑，因此被國內外專家譽為“跨世紀的儀器總線”、“劃時代的技術成果”，并被認為是電子儀器和自動測試領域的“第三次革命”。VXI總線系統自80年代末問世以來，對國際儀器儀表自動化測控技術的發展產生了重大的影響，已成為國內外關注的“熱點”。第四十六頁，共52頁。7.PXI總線面向儀器系統的PCI擴展是一種基于PC技術的