计算机总线技术基础知识

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。

----3．SCI 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

----1．ISA 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。
----2．EISA 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。
----3．VESA 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。
----4．PCI 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。

----5．Compact 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。

二、外部总线

----1．RS-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。
----2．RS-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。
----3．IEEE-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。
----4．USB 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。