Download - 第 5 章 总线及其接口
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第 5 章 总线及其接口
• 计算机的操作基本上可归结为信息传送。所以，逻辑结构的关键在于如何实现数据信息的传送，即数据通路结构。早期的计算机往往在各个部件间直接连接传送线路，数据通路结构比较复杂零乱，控制不便，而且没有多少扩展余地。
• 现在则普遍采用总线结构。
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5.1 概述 • 总线：连接计算机各部件或计算机之间的一组公共信息线，
可以分时地接收与发送各部件的信息。• 总线是一组由多个部件分时共享的传送线路。总线由传送
信息的物理介质以及一套管理信息传输的通用规则（协议）所构成。
• 总线标准是国际正式公布或推荐的互连各个模块的标准，它是把各种不同部件组成计算机系统时必须遵守的规范。
• 总线标准指芯片之间、扩展卡之间以及系统之间，通过总线进行连接和传输信息时，应该遵守的一些协议与规范。
• 总线标准包括： 1 ．机械结构规范：确定模板尺寸、总线插头、边沿连接器等的规格及位置； 2 ．功能规范：确定各引脚信号的名称、定义、功能与逻辑关系，对相互作用的协议 (定时 )进行说明； 3 ．电气规范：规定信号工作时的高低电平、动态转换时间、负载能力以及最大额定值。
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总线与接口
• 接口标准：外设接口的规范，涉及接口信号线定义、信号传输速率、传输方向和拓扑结构，以及电气特性和机械特性等多个方面。
总线与接口的区别：• 总线标准具有公用性；接口标准大多是专用的。• 总线往往以主板上的总线扩展槽形式提供使用；接口一般
是以接口插座（头）形式提供使用。• 总线一般是并行传输；接口有并行传输，也有串行传输。• 总线定义的信号线多，而且齐全，有分离的控制线、数据
线和地址线；接口的信号线少，而且不齐全，一般是控制线、数据线和地址线共用。
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总线的分类 • 根据总线规模、用途及其应用场合，总线可以分成三类：
1. 芯片总线（ Chip BUS,C-BUS ），又称元件级总线。它是组成一台微型机的各芯片（ CPU ，存储器， I/O接口等）之间的连接总线。芯片总线通常包括地址总线、数据总线和控制总线，即所谓三总线结构。
2 ．内部总线（ Internal BUS,I-BUS ），又称板级总线或系统总线，也就是常指的微机总线，它是微机系统内连接各插件板的总线。是微机所特有的，应用最广。3．外部总线（ External BUS,E-BUS ），又称通信总线（ Communication BUS ）。它用于各微型计算机系统之间通信或用于微型机系统与其它系统（仪器设备或控制系统等）之间的通信，这种总线不是微型机系统所特有的总线，而往往是借用电子工业其它领域已有的总线标准。
• 不同总线在信号线的数量上和名称上都有差异，但大致可分为如下几类：(1) 数据传输线：包括地址线、数据线等。
(2) 控制信号线：包括存储器、 I/O 读 /写、中断、总线请求允许等。(3) 系统时钟、电源、地线等。(4)备用线：为用户扩充用。
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总线的主要性能参数
• 1 ．总线频率： MHz 表示的工作频率，是总线速率的一个主要参数。
• 2 ．总线宽度• 3 ．总线的数据传输率 总线的数据传输率 =( 总线宽度 /8位 )×总线频率
• 例： PCI 总线的总线频率为 33.3MHz，总线宽度为 64位的情况下，总线数据传输率为 266MB/s 。
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1 ．同步方式• 优点： 1）电路简单 2 ）适合高速设备的数据传输• 缺点：高速设备和低速设备间只能用低速设备的速度来传
输数据
2．异步方式• 比同步方式慢• 总线频带窄• 总线传输周期长
总线传送控制
主clk
从
主 从REQ
ACK
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5.2 IBM PC 总线
• IBM PC 的 I/O通道是系统总线的扩充， IBM PC/XT个人计算机上采用的微型计算机总线，亦称 XT总线。 IBM对 I/O通道上的信号名称性质、方向时序、引脚排列都有明确的要求，以便厂家和用户制作与之匹配的插件板，这一规范亦被称为 IBM PC 总线标准。
• PC/XT系统的主板上有五个功能区，分别是处理器子系统、 ROM子系统、 RAM 子系统、各种 I/O 适配器（模板）插槽和 I/O通道支持部件。
• PC/XT有 8个 62 芯扩展槽，这 8个扩展槽是实现对系统进行扩展的手段，扩展槽上可以插入不同功能的插件板，用来扩充系统的功能， PC/XT可以通过在 I/O扩展槽中插入相应的适配器而连接各种外设。
• 与扩展槽相连的 62 根线组成 IBM PC/XT系统总线，包括 8位数据线、 20位地址线、 6级中断请求信号， DMA通道控制信号、读写线、时钟信号线和电源线等。 A面是元件， B面是焊接面。
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5.3 ISA总线
• ISA总线是工业标准体系结构总线，是由美国 IBM公司推出的 16位标准总线，最高工作频率为 8MHz， 24根地址线，16位数据线，拥有大量接口卡，历经 286、 386、 486和Pentium 几代微机。
主要性能指标：• ISA在 PC总线的基础上又扩展了 36线（ 98线） • 8位插座由 62 个引脚组成。• 8/16位扩展插座分 62 线和 36线两个插槽，支持 8位和 16
位插卡。支持 16M存储空间。 15级中断和 7个 DMA通道
C18
外 内
A1
B1
A31
B31
C1
D1 D182.54 10.16
138.5
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ISA总线接口信号
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ISA总线扩展卡的设计
金手指
靠外边
靠里边
芯片 芯片芯片
扩展卡元件面
7
22.8129.54
157.9
10.16
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5.4 PCI 总线
• PCI （ Periphearal Component Inlerconnect）总线，即外围部件互连总线是 1991年下半年由 Intel公司首先提出的，是一种全新的局部总线标准。该总线插槽为白色。
• PCI 总线的特点：1) 独立于处理器2) 传输效率高3) 多总线共存4) 支持突发传输 5) 支持总线主控方式6) 采用同步操作 7) 支持两种电压下的扩展卡 8) 具有即插即用功能 9) 合理的管脚安排 10) 预留扩展空间
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PCI 总线系统的结构
图 5. 4. 1 PCI 系统结构示意图
标准总线 （ISA、EISA…）
CPU 控制器、存储器
PCI主桥
标准总线桥路 设备 桥路 1 桥路 2
设备
PCI总线 2
PCI总线 1
PCI总线
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PCI桥 • 从结构上看， PCI局部总线是在 ISA总线和 CPU 总线之间增加一级总线，由 PCI局部总线控制器（或称为“桥”， Bridge）相连接。这样可将一些高速外设，例如网络适配卡、磁盘控制器等从 ISA总线上卸下来，通过 PCI局部总线直接挂在 CPU 总线上，使之与高速的 CPU 总线相匹配。 PCI局部总线带宽 32 位，可扩展至 64位。
• 桥也叫桥连器，实际上这是一个总线转换部件，其功能是连接两条计算机总线，使总线间相互通讯。
• 桥可以把一条总线的地址空间映射到另一条总线的地址空间，可以使系统中每一台总线主设备（ Master）能看到同样的一份地址表。从整个存储系统看，有了整体性统一的直接地址表，可以大大简化编程模型。
• 在 PCI 规范中，提出了三种桥的设计：（ 1）主桥，就是 CPU至 PCI 的桥；（ 2）标准总线桥，即 PCI至标准总线如 ISA、 EISA、微通道之间的桥。（ 3） PCI桥，在 PCI 与 PCI 之间的桥。其中，主桥称为北桥（ North Bridge）；其它的桥称为南桥（ South Bridge）。
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PCI 信号定义（ 1）1. 系统接口信号 • CLK IN： PCI 系统总线时钟 最高 33MHz/66MHz，最低 0Hz。 PCI 大部分信号在 CLK的上升沿有效。
2.地址与数据接口信号• AD[31:00] T/S ：地址、数据多路复用的输入 /输出信号 在 FRAME#有效的第 1 个时钟， AD[31:00]上传送的
是 32位地址，称为地址期 。 在 IRDY#和 TRDY#同时有效时， AD[31:00]上传送的
为 32位数据，称为数据期。• C/BE[3:0]# T/S ：总线命令和字节使能多路复用信号线 • PAR T/S ：针对 AD[31:00]和 C/BE[3:0]#进行奇偶校验
的校验位
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PCI 信号定义（ 2）
3. 接口控制信号• FRAME# S/T/S ：帧周期信号 • IRDY# S/T/S ：主设备准备好信号 • TRDY# S/T/S ：从设备准备好信号 • STOP# S/T/S ：从设备发出的要求主设备终止当前的数据
传送的信号。• LOCK# S/T/S ：锁定信号 • IDSEL IN：初始化设备选择信号• DEVSEL# S/T/S ：设备选择信号 4.仲裁接口信号• REQ# T/S ：总线占用请求信号• GNT# T/S ：总线占用允许信号5.错误报告接口信号• PERR# S/T/S ：数据奇偶校验错误报告信号• SERR# O/D：系统错误报告信号
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PCI 信号定义（ 3）
6.中断接口信号• PCI 有 4 条中断线，分别是 INTA#、 INTB#、 INTC#、 INTD# ，电平触发，多功能设备可以任意选择一个或多个中断线，单功能设备只能用 INTA#。
7. 64位总线扩展信号• AD[63:32] T/S ：扩展的 32位地址和数据多路复用线• C/BE[7:4]# T/S ：总线命令和字节使能多路复用扩展信
号线 • REQ64# S/T/S ， 64位传输请求信号• ACK64# S/T/S ： 64位传输允许信号• PAR64 T/S ：奇偶双字节校验
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PCI 插槽
5V 32 位插槽
5V 64 位插槽
3.3V 32 位插槽
3.3V 64 位插槽
连 接卡口
a. 4 种 PCI 卡 插槽
A1
外 内
A49A52
B1 B49 B52
A62
B621.27
3.8277.48
b. 5V32 位 PCI 插槽
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PCI 总线扩展卡的设计
IC
ICIC
1.91
60.96 12.741.6
80
5V32 位 PCI 卡尺寸
外边
里边
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PCI 总线命令
C/BE[3:0]# 命令类型说明 C/BE[3:0]# 命令类型说明
0000 中断响应 1000 保留
0001 特殊周期 1001 保留
0010 I/O 读 (从 I/O 端口地址中读数据)
1010 配置读
0011 I/O 写 ( 向 I/O 端口地址中写数据)
1011 配置写
0100 保留 1100 存储器多行读
0101 保留 1101 双地址周期
0110 存储器读 (从内存空间映像中读数)
1110 存储器行读
0111 存储器写 ( 向内存空间映像中写 ) 1111 存储器写并无效
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PCI 总线的传输控制• 遵循的管理规则：(1)FRAME#和 IRDY#定义了总线的忙 /闲状态。 11空闲、 00数据、 10最后一个数据、 01 等待状态。(2) 一旦 FRAME#信号被置为无效，在同一传输期间不能重新设置。
(3) 除非设置 IRDY#信号，一般情况下不能设置 FRAME#信号无效。
(4) 一旦主设备设置了 IRDY#信号，直到当前数据期结束为止，主设备一般不能改变 IRDY#信号和 FRAME#信号的状态。
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PCI 总线的寻址
• 在 I/O地址空间， 32位 AD线全部被用来提供一个完整的地址编码（字节地址）。
• AD[1:0]和 C/BE[3:0]指明传输的最低有效字节。• PCI 总线上不能进行字节的交换。但是，具有 64位通道的
主设备可以进行 DWORD（双字）的交换。 • 主设备可以在每个新数据期开始的时钟前沿改变字节使能
信号，且在整个数据期中保持不变。• 读缓冲中的数据可以不考虑字节使能信号，而传送所有的字节。
• 从一个设备驱动总线到另一个设备驱动 PCI 总线之间设置一个过渡期，又称为交换周期，以防止总线访问冲突。
• 在每个地址（数据）期中，所有的 AD线都必须被驱动到稳定的状态（数据），包括那些字节使能信号表明无效的字节所对应的 AD线。
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PCI 设备选择时序
• DEVSEL#与 FRAME#、 TRDY#具有定时关系。
CLK
FRAME#
IRDY#
TRDY#
DEVSEL#
1 2 3 4 5 6 7 8
FAST MED SLOW ……
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PCI 总线读操作
CLK
FRAME#
1 2 3 4 5 6 7 8 9
AD
C/BE#
IRDY#
TRDY#
DEVSEL#
ADDRESS DATA1 DATA2 DATA3
BUSCMD BE#s
地址期 数据期 数据期 数据期
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PCI 总线写操作
CLK
FRAME#
1 2 3 4 5 6 7 8 9
AD
C/BE#
IRDY#
TRDY#
DEVSEL#
ADDRESS
DATA2DATA1 DATA3
BUSCMD
地址期 数据期数据期 数据期
BEs1 BEs2 BEs3
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PCI中断响应周期
CLK
FRAME#
1 2 3 4 5
AD
C/BE#
IRDY#
TRDY#
无效 向量
0000 BE#s （ 1110）
DEVSEL #
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PCI 总线传输的终止
(1) 由主设备提出的终止 • 传输结束• 超时 (GNT#信号在内部延时计数器满后仍无效 ) 撤消 FRAME#，建立 IRDY#，直到 TRDY#有效后传输完最后一个数据
(2) 由从设备提出的终止 • 死锁后重试• 断开（ 8个时钟周期内从设备不能对主设备做出响应）。 发出 STOP#信号并保持其有效，直到 FRAME#撤消为止。
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PCI 设备的配置空间
• 在系统启动的时候由 BIOS代码执行设备配置。一旦即插即用 OS （如 Windows2000）启动后，控制就传递给 OS ，OS 接管设备管理。
• 定义一个 PCI 总线配置空间的目的在于提供一套适当的配置措施，使之实现完全的设备再定位而无需用户干预安装、配置和引导，并由与设备无关的软件进行系统地址映射。
• 所有 PCI 设备都必须实现 PCI 协议规定必需的配置寄存器，以便系统加电的时候利用这些寄存器的信息来进行系统配置。对 PCI 的配置访问实际上就是访问设备的配置寄存器。
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PCI配置空间头区域
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PCI配置单元说明(1) 设备识别 • 头区域有 7个寄存器（字段）用于设备的识别。(2) 设备控制• 表现在命令寄存器为发出和响应 PCI 总线命令提供了对设备粗略的控制。 (3) 设备状态• 状态寄存器用于记录 PCI 总线有关操作的状态信息。 (4) 基址寄存器• PCI 设备的配置空间可以在微处理器决定的地址空间中浮动，以便简化设备的配置过程。系统初始化代码在引导操作系统之前，必须建立一个统一的地址映射关系，以确定系统中有多少存储器和 I/O控制器，它们需要占用多少地址空间。当确定这些信息之后，系统初始化代码便可以把 I/O控制器映射到合理的地址空间并引导系统。
• 为了使这种映射能够做到与相应的设备无关，在配置空间的头区域中安排了一组供映射时使用的基址寄存器。
(5) 头区域中其它寄存器• 中断引脚寄存器： 8位只读寄存器，指明设备使用了 PCI 的哪个中断引脚。
1代表 INTA#， 2为 INTB#……• 中断请求线寄存器： 8位可读 /写寄存器，指明设备的中断引脚和 PC机
的 8259A的哪个中断输入线连。• Min_Gnt/Max_lat寄存器： Min_Gnt用来指定设备需要多长的突发传输时
间。 Max_lat用来表示对 PCI 总线进行访问的频繁程度。
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几种主要总线性能比较
• 总线 宽度 传输率 自动配置 并发工作 突发方式 支持 3.3V 规范性 复杂性 扩展性 • ISA 16 5MBPS 无 无 无 无 差 简单 较好• EISA 32 33 有 无 有限 无 好 复杂 较好• VESA 32 132 无 无 有限 无 差 简单 差• PCI 32/64 132/264 有 有 无限 有 较好 复杂 好
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5.5 STD总线
• STD总线（ Standard bus）是美国 PROLOG公司于 1978 年宣布的一种工业标准微机总线，它是一种 56线的小底板总线。实践证明， STD总线是最可靠的工业标准总线。
• STD总线的特点是：1．高可靠性 2．小板结构，开放式组态 3．兼容式的总线结构 4．产品配套、功能齐全 5． STD软件开发环境
• STD总结连接器和引出脚可装在一块母板上，该母板允许任何一种模板插在某任一插槽上，构成不同的工业控制机。
• STD的母板用来沟通各模板的数据线，地址线等信息，母板会产生时间延迟和地线环路，也容易造成线间阻抗不匹配，增大并行信号的串扰噪声。为此， STD总线设计了一种高性能母板，一般采用 4层印刷板结构，将电源线和地线做在中间两层，使原来信号线的特性阻抗降为 60Ω，接近总线驱动阻抗。
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STD总线规范 1 ．总线引脚分配• STD总线一共有 56根，可分为 5个功能组：• 逻辑电源线 6根，引脚 1～ 6；• 数据总线 8根，引脚 7～ 14；• 地址总线 16根，引脚 15～ 30；• 控制总线 22 根，引脚 31～ 52 ；• 辅助电源线 4根，引脚 53～ 56。 • 控制总线可分为 5个部分：存储器和 I/O控制；外设定时；时钟和复位；中断和总线控制；串行优先级链。
2．电气规范• （ 1）逻辑信号特性• STD总线被设计为同工业标准 TTL或高速 CMOS 逻辑电平相兼容。 TTL总
线模板的 VOH和 VIH的最小值分别不能低于 2.4V和 2.0V， VOL和 VIL的最大值分别不能高于 0.5V和 0.8V。
• CMOS 总线模板的 VOH和 VIH的最小值分别不能低于 3.76V和 3.85V， VOL和 VIL的最大值分别不能高于 0.37V和 0.9V。
• （ 2）总线驱动和负载特性• 在模板上每个总线信号只能有一个负载，总线驱动必须满足 IOL=24mA
（ TTL总线模板）或 IOL=6mA（ CMOS 模板）电流吸收器的要求。• （ 3）最大额定电压为 +Vcc=＋ 0.5V。超过此值就会损坏板上的元件。
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STD总线工业控制机的应用系统模式 • 工业控制机，即能提供各种控制功能，可以和被控工业对象直接
接口，能够在苛刻的工业环境中可靠运行的计算机系统。 • STD工业控制机的应用系统模式有以下几种：• 1 ．独立工作模式 这种模式采用基本系统（如 CPU+键盘 + 显示）加上工业用 I/O模
板构成控制系统。对于小型控制系统，只要 CPU 板上的存储器即可。若系统较大，则可扩充存储器模板，甚至可以在系统中增加软盘控制器接口板和软驱，使系统可运行微机的标准操作系统，这样规模的系统即可用作目标系统，也可用作开发系统。
• 2 ．作为其它计算机的前端控制机 STD系统参与实时在线控制，由 PC 机负责调度、管理和复杂的计
算。如对一个最优控制系统， PC 机担负寻优计算及管理和调度任务，它把最优工艺参数设置给 STD系统，而 STD系统则完成实时在线控制，并把采集到的数据和执行结果回送给后台机。
• 3 ．构成分布式网络 可以采用 RS-232 或 RS-422 总线或其它方式进行通信。该系统中
的各 STD分站可以任选各种 I/O模板。典型模式的远程式分布系统，一种是星形式分布系统，另一种是总线式分布系统，采用双绞线，中心机和各分站各自带 RS-232C 接口，在每个 RS-232C 接口端电缆上增加一块远程接收和发送转换板，传送距离可达数公里。
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5.6 IEEE 488总线 • IEEE 488总线是美国 HP 公司最先提出，到 1975年形成标准。又称HP HB ，还称 GP-IB 或 IEC-IB 。它们是国际标准的通用接口总线。它是一种异步双向总线。专门用于连接系统而不是连接部件或模块的。例如计算机与电压表、信号发生器、程控电源等测量仪器以及各种仪表间的信息通讯。
• IEEE 488总线的特点 1 ．有一个 8位宽的数据通道，可以传输二进制数或 ASCII码，也
可以传送状态字和控制字。 2 ．系统采用位并行、字节串行、三线异步传送技术，允许不同速度的装置工作在同一系统内。
3 ．系统采用两头带 24芯插头座的无源电缆将系统内的各装置互相连接起来。电缆应采用串扰较少的扁平电缆。
4．该总线连接的设备最多不得超过 15 个。整个系统连接电缆最长不得超过 20米，若超过时，需附加硬件或调制解调装置。
5 ．由于用软件挂钩来执行 IEEE 488各接口功能，因此速度较慢。信号的最大传送速度为 1兆字节 /秒。
6．总线共有 16 条信号线，采用负逻辑的 TTL电平，低电平 +0.8V为“ 1”，高电平≥ +2.0V为“ 0”。
7．地址容量为听地址 31 个，讲地址 31 个，地址可扩展到 961 个。 8．接口功能有十种。
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IEEE 488总线结构 • 488总线由 16 条信号线组成，其中 8条双向数据总线， 3条信号交换线， 5条接口管理控制线。被连接的设备可以是发话器 (发送器 )，可以是受话器 (接收器 )，还可以既是发话器又是受话器，但总线中必须有一个设备同时是控制器、发话器和受话器(通常是指计算机 )。
• 在 488总线系统工作时，任一时刻只能一个发送器工作，但接收器可以是一个也可以是多个。
• 连在系统中的设备可以完成如下的一种或多种功能：• 1 ．控制器。可向 IEEE 488总线发出控制命令来管理整个系统的
通信。例如启动某设备进入受控状态；指定某发送器和某接收器之间进行通信；处理某设备的服务请求等等。一般要求一个系统中不能有两个以上的控制器。
• 2 ．接收器。可从控制器获得信息和接收来自其它设备的数据。总线上允许有多个接收器同时工作。
• 3 ．发送器。作为信息源，可通过总线发送信息或向其它设备发送数据。总线上不允许有两个讲者同时工作。
• 总线上的设备都有唯一确定的地址。控制器可以根据实际需要选择一个或多个接收器。
• 接口总线的结构实际上是由接口和总线两部分构成。接口，使系统中的仪器设备能够接收、理解和发送信息，使系统中的仪器设备之间进行有效的通信；总线，是连接各仪器设备接口的，作为信息传递的通道。
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IEEE 488总线定义 (1) • IEEE 488的 16 条总线分为三组。1．数据总线 D7～ D0• 由于 IEEE 488总线没有完善的地址总线和控制总线，因此数据
输入输出总线就要完成传输数据、命令和地址的任务。• （ 1）控制器利用数据总线传送指令、地址，确定系统中谁是发话器，谁是接收器，以及确定对应仪器的有关功能、量程等。
• （ 2）发送器利用数据总线把仪器有用信息传给接收器，且把自身的状态信息传送给控制器。
2．信息交换控制线（ 3条）• DAV（ Data Valid）数据有效线，当 DAV=1 时，表示数据线 D7～D0上的数据是有效的，接收器可以接收。当 DAV=0时，表示数据无效，接收器不应接收。
• NRFD（ Not Ready For Data）未准备好接收数据。 NRFD=1 ，表示接收器还没有准备好接收 DB 总线上的数据。当 NRFD=0，表示接收器已准备好接收数据。
• NDAC （ Not Data Accepted）数据未接收完毕。 NDAC=1 ，表示DB 上的数据没有被接收器所接收完，当 NDAC=0时，表示数据接收完并准备接收新的数据。
• 三条信号线中 DAV是由发送器操纵的。 NRFD和 NDAC 是由接收器操纵的。构成了 IEEE 488总线上数据字节准确传送的联想络信号，称之为三线挂钩技术。
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IEEE 488总线定义 (2)3 ．接口管理控制线（ 5条）• ATN（ Attention）注意信号。 ATN=1 ，表示数据线上传送的是接
口信息——地址或命令。 ATN=0则表示数据线上传送是数据或设备消息。也称方式选择线，是由控制器发出的。
• EOI （ End or Identify）结束或识别线，一般与 ATN信号联合使用。当 ATN=0， EOI=1 时，用来表示传送多字节信息数据传送的结束；当 ATN=1 ， EOI=1 时，控制器则作为识别指令，如控制器收到SRQ时，就对系统中的仪器设备进行查询，以识别请求服务的设备。
• SRQ（ Service Request）服务请求线，它是由接收器或发送器向控制器发出的请求服务信号。 SRQ=1 ，要求控制器中断自己的工作，为发出这一请求的设备服务，对控制器来说，它相当于一根中断线。
• IFC （ Interface Clear）接口清除线，是由控制器发出，用来初始化系统中的所有设备，其功能与系统复位类似，当 IFC=1 时，使所有设备接口的有源回路在 100ms 内恢复到空闲状态。
• REN（ Remote Enable）远程选通线。用来设置设备的操作方式。当 REN=1 时，表明让所有仪器设备不受仪器本身面板开关控制，而转向通过仪器接口对仪器的远程控制。远程控制是指仪器设备的功能由外部来控制。当 REN=0时，设备回到本地控制方式。各设备可以设置解除远程控制的开关，但设备本身不能设置远程状态。当接通电源时，设备自动进入本地状态 (用面板开关控制状态 )。该信号由控制器发出。
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IEEE 488总线数据的传送技术
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5.7 RS-232C 串行接口总线
• EIA RS-232C 是电子工业协会 (Electronics Industry Associstion) 标准的简称。它也是微型计算机系统中常用的外部总线接口。它是串行通信接口标准。
• EIA RS-232C 串行标准用于数据终端设备 (DTE) 与数据通信设备 (DCE) 之间的接口。
• 当物理信道是模拟信道 (例如电话线路 )， DCE 就是调制解调器 (MODEM) 。
• DTE泛指岗络结点设备，它可以是主计算机，终端、通信处理机等。
• 目前也广泛用于计算机与外围设备如 CRT显示器、电传打字机等的接口中。
• EIA RS-232C 标准包括机构特性、电气特性、功能特性。
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RS-232C 总线标准 1 ．机械特性• 机械特性对接插件的几何尺寸、引线排列等作了详细规定。• DTE和 DCE是通过接插件连接的。例如 EIA RS-232C 标准为 25芯插
头座。规定 DCE用母插座 DTE用公插座，它还可以与公用数据网接口、电报网接口相连。
2．电气特性• 电气连接有三种不同的连接方式，分别有三种不同的标准。• （ 1 ） RS-232C ，每一条电路采用单端工作方式，所有接口电路都
共用一条信号接地线。因此，通过地线的串音干扰大。为了提高该标准的抗干扰能力，规定了较高的信号电平。
• RS-232C 标准规定驱动器的输出电压为±5V～±15V，采用负逻辑定义。 RS-232C 的逻辑 0 电平是 +5V ～ +15V ，逻辑 1 电平是 -5V～ -15V。
• （ 2 ） RS-423A，非平衡线路，每一路为单端输出（发送）；接收为差分平衡输入。发送通路有两根线，接收通路也有两根线，每一个方向共用一条信号回线。从而使串音干扰减小。
• （ 3 ） RS-422A，平衡线路，每一条电路均用两条导线，成各自的信号回线。电路的发送与接收分别为差分输出和差分输入（均平衡），因而有较强的抗串音干扰能力。
3．功能特性• RS-232C 标准规定采用 25 芯的 D型插头座，这 25 个引脚安排都是
标准的，也就是说每个引脚都规定了其特殊用途。
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RS-232C 接口信号
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RS-232C 串行接口应用举例
• RS-232C 的逻辑电平与 TTL电平不相兼容，为了与 TTL器件相连，必须进行电平转换。驱动器 1488和接收器 1489是 RS-232C 通用的转换芯片。
• RS-232C 是以位串行方式传输数据的，最大数据传输率为20Kbps时，传输距离小于 15米（当采用 150PF/m容量的多芯电缆时）。
• 一般说来， PC 机与 PC 机之间进行串行通信，需要 6、 7根线，其中一些线作为数据传送的控制信号。
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5.8 CAN总线
• CAN总线就是一种现场总线。 • 现场总线定义为应用在生产现场、在微机化测量控制设备
之间实现双向串行数字通信的系统，具有开放式、数字化、多点通信技术，可被广泛应用于制造业、流程工业、楼宇、交通等处的自动化系统中。
• CAN（ Controller Area Network）通常可译为“控制器局域网络”，是 BOSCH公司开发的，以多主方式工作，网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动地向网络上的其它节点发送信息，当多个节点同时向网上传送信息时只有具有最高优先权的节点可不受影响地继续传输数据。
• 通过 CAN总线，传感器、控制器和执行器由串行数据线连接起来。它不仅仅是将电缆按树形结构连接起来，其通信协议相当于 ISO/OSI参考模型中的数据链路层，网络可根据协议探测和纠正数据传输过程中因电磁干扰而产生的数据错误。
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CAN的基本特点 • 1) 高速串行数据接口功能。 CAN 支持从几千到一兆 bit·s-1的数据传输速率。
• 2) 使用廉价物理介质， CAN可以使用屏蔽或非屏蔽的双绞线、同轴电缆以及光纤作为网线。
• 3) 数据帧短，短数据帧有利于减小延时，提高实时性；但降低了有效数据传输率。
• 4) 反应速度快，发送时不需等待令牌，对请求反应迅速。• 5) 多站同时发送，优先数据获取总线。• 6) 错误检测和校正能力强，保证系统的可靠性。• 7) 无破坏基于优先权的仲裁。• 8) 通过接受滤波的方式实现多地址帧传送。• 9) 具有远程数据请求功能。• 10) 具有全系统数据兼容性。• 11) 具有丢失仲裁或出错的帧自动重发功能。• 12) 能判别暂时错误和永久性错误节点，具有故障节点自
动脱离功能。• 13) 基于事件触发的发送方式，信息传送延时离散度高，
有出现长延时的可能。
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CAN2.0的分层结构
数据链路层逻辑链路层（ LLC ）：
接受过滤、超载通告、恢复管理。
媒体访问层（ MAC ）：
数据打包 /解包、帧编码（填充与除去填充码）、媒体访问管理、错误检测、错误信令、接收应答、串并转换。
物理层
位编码 /解码、位定时、同步。输出驱动器 /输入接收器特性。
监控功能
故障限制
总线故障管理
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CAN2.0的数据链路层和物理层
• CAN定义了 ISO/OSI 网络开放系统模型的最低两层，即数据链路层和物理层，主要是数据链路层。
• CAN2.0的数据链路层又分为逻辑链路控制（ LLC ， Logical Link Control）和媒体访问控制（ MAC, Medium Access Control）两个子层。
• LLC层完成下列功能：为数据发送以及远程数据请求传送服务；判定是否接受接收到的信息；提供恢复管理和超载处理。
• CAN2.0的 MAC层是 CAN的核心，主要定义了传输协议，包括信息帧格式、仲裁方式、应答信号、错误检测、错误信令和故障限制等。
• MAC层的约定是固定的。 LLC层（对应 CAN1.2 OL 层）的设计有很大的自由度。
• 物理层定义了物理数据在总线上各节点间的传输过程，主要是连接介质、线路电气特性、数据传输的编码 /解码、定时以及同步的实施标准。
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CAN物理层的功能
物理信号层（ PLS ）位编码 /解码位定时
同步
介质接口层（ MDI ）电缆 /连接器
物理介质附件层（ PMA）发送 /接收器特性
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CAN 节点的构成
节点微控制器
CAN-L
CAN 控制器
CAN发送 /接收器
控制线 地址线 数据线
CAN-H
TX RX Vref
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信号传输过程
信 号 的 硬 同 步 传 输
发送节点 接收节点
光耦 光耦 光耦 光耦
发送 / 接收器 发送 / 接收器
信 号 的 软 同 步 传 输
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发送 /接收器 • 发送 /接受器在两条线的 CAN 网络上发送信号时，一条线
称为 CAN-HIGH，另一条称为 CAN-LOW，两条线上是差动信号，具体电平和特性取决于适用的标准或设计规范。
• 发送 /接收器与总线通过两条线（ CAN-HIGH， CAN-LOW）连接，总线两端有 120欧姆的吸收电阻。
• 发送 /接收器在输入状态时，通过输入电阻上的电流状态检测总线，当总线为显性状态时，有电流流过电阻，在总线为隐性状态时，没有电流流过电阻；输出驱动时，输出显性位时打开驱动三极管，驱动总线上的接受节点，输出隐性位时驱动三极管关断。
• 总线上的接收节点，在 CAN-HIGH与 CAN-LOW的差值小于 0.5伏时，认为总线是隐性状态；如果 CAN-HIGH与 CAN-LOW的差值大于 0.9伏，认为是显性状态，
• 一般 CAN-HIGH的标称取值 (单位： V) 有 2.0、 2.5 、 2.75 、 3.0、 3.5 、 4.5 ， CAN-LOW对应的取值 (单位： V)为 0.5 、 1.5 、 2.0、 2.25 、 2.5 、 3.0。
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显性与隐性状态
5V
3.5V
2.5V
1.5V
0V
电压 显性位
隐性位 隐性位
时 间
CAN-H
CAN-L
发 送 / 接 收 器5V
0V
5V
RX
TX
0V
2.5V
显性 隐性 显性
CAN-H
CAN-L
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CAN 差动方式的抗干扰能力
CAN 总线
Vdiff = 常量 电 压
时间
电 磁 干扰（ EMI）
120Ω 120Ω
CAN-H
CAN-L
Vdiff
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CAN信息帧
• CAN定义了 4种不同的信息帧：• 数据帧：传送从发送端到接收端的数据。• 远程帧：由总线上一个节点发出，请求发送与这帧有相同
标识符的数据帧。• 错误帧：一旦某个节点发现错误就发出一个错误帧。• 超载帧：用于请求在下一个数据帧或远程帧到来之前加入延时。
• 数据帧和远程帧与前一个帧之间都会有一个隔离域，即帧间间隔。
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CAN 节点的设计
图 2.4-1(a) 独立 CAN 接口
图 2.4-1(b) 集成 CAN 接口
CAN
发送 / 接收
驱动器
CAN 协议
控制模块
CPU 模块
完成高层协议
及应用控制
CAN-H R x
T x
CAN-L
CAN
发送 / 接收
驱动器
CAN 协议
控制器
微控制器
高层协议及应
用控制
CAN-H R x
T x
CAN-L
状态与控制信号
微控制器
独立 CAN 接口
集成 CAN 接口
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CAN控制器结构
CAN协议控制器，实 现 CAN 协 议发送接收数据的控制。
CPU
接
口
硬件接收过滤
器接受信息
缓冲器
发送信息缓冲器
状态与控制信号
Tx
Rx
CPU
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CAN总线控制器 SJA1000 SJA1000具有以下基本特点：• 1) 引脚与独立 CAN控制器 PCA82C200兼容；• 2) 电气指标兼容 PCA82C200；• 3) 具有与 PCA82C200兼容的软件模式；• 4) 扩展了的接收缓冲器（ 64 字节的 FIFO）；• 5) 支持 CAN2.0B 标准；• 6) 支持 11 位标准标识符格式和 29位扩展的标识符格式；• 7) 传输速率可达 1Mbps；• 8) PeliCAN模式功能扩展：可以读写故障计数器，可编程设
置故障告警错误计数上限，最新故障码登记，每一个 CAN总线错误都可触发中断，具有位置描述（在哪一位上丧失仲裁）的仲裁丧失中断，具有非重发发送方式，具有只听模式（ Listen Mode，只监听总线，不作响应），支持热接插（软件驱动的位速率检测）功能，扩展的接收过滤（ 4 字节编码， 4 字节屏蔽码），具有接收自身发送的信息功能；
• 9) 24MHz时钟频率；• 10) 支持多种微控制器接口模式；• 11) CAN输出驱动配置可编程；• 12) 使用环境温度： -40~125度。
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第 5章 作业
• 1 ．何谓总线？总线分为哪几类？特点是什么？• 2 ．何谓总线标准？总线标准所涉及的内容有哪些？• 3 ． ISA总线主要用在哪些微机系统中？它与 PC 总线有
何关系？• 4． STD总线是一种什么总线？它的结构特点是什么？• 5 ． IEEE 488总线有什么特点？主要应用在什么场合？• 6． RS-232C 总线为什么需进行电平转换？在简单的串行
通讯中，连接哪几个引脚就可实现？• 7． PCI 总线如何进行桥路扩充？• 8． PCI 总线有何特点？• 9． CAN总线有何特点？• 10．何谓现场总线？现场总线有什么作用？
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请同学们按教材后的习题及时复习
第 5 章 结束
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