《計(jì)算機(jī)總線技術(shù)》PPT課件.ppt

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1、2020/8/15,1,隨著微處理器技術(shù)的飛速發(fā)展，總線技術(shù)也得到不斷創(chuàng)新。先后出現(xiàn)了ISA、MCA、EISA、VESA、PCI、AGP、IEEE1394、SATA、USB等總線。 芯片內(nèi)部的總線技術(shù)也在不斷發(fā)展，AMBA、Core Connect 、CoreRAM等已經(jīng)形成集成電路內(nèi)部十分具有競(jìng)爭(zhēng)力的總線標(biāo)準(zhǔn)。 工業(yè)控制的CAN、PROFIBUS，F(xiàn)F等現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。 總線的數(shù)據(jù)傳輸速度也不斷提升，目前，AGP局部總線數(shù)據(jù)可達(dá)528MB/s，PCI-X可達(dá)1GB/s，系統(tǒng)總線傳輸速率也由66MB/s提高到100MB/s甚至更高的133MB/s、150MB/s、200MB/s。,2020/8/

2、15,2,PCI-E槽: PCI-Express，Intel提出， 可全面取代現(xiàn)行的PCI和AGP，最終實(shí)現(xiàn)總線標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一。傳輸率目前最高可達(dá)到10GB/s以上,AGP槽: Accelerate Graphical Port，加速圖形接口，實(shí)質(zhì)為PCI 2.1,,,DIMM槽: Dual Inline Memory Module， 雙列直插內(nèi)存模塊,,,ISA 槽,,南橋主要是負(fù)責(zé)IO 北橋用于CPU和內(nèi)存、顯卡、PCI交換數(shù)據(jù),2020/8/15,3,計(jì)算機(jī)總線技術(shù),總線的基本概念 內(nèi)部總線 外部總線,2020/8/15,4,1 總線的基本概念,總線就是一組信號(hào)線的集合，它定義了各引線的信號(hào)

3、、電氣和機(jī)械特性，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部的各部件之間以及外部的各系統(tǒng)之間建立信號(hào)聯(lián)系，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞和通信。,規(guī)定了各引線的信號(hào)、時(shí)序、電氣和機(jī)械特性 為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部各部件、各模塊之間或計(jì)算機(jī)各系統(tǒng)之間提供了標(biāo)準(zhǔn)的公共信息通路 采用總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)模板和設(shè)備具有很強(qiáng)的兼容性,總線的定義,總線的特點(diǎn),2020/8/15,5,,按照總線內(nèi)部信息傳輸?shù)男再|(zhì) ，總線可分為,1.1 總線的分類(lèi),數(shù)據(jù)總線:DB 用于傳送數(shù)據(jù)信息,地址總線:AB 是專(zhuān)門(mén)用來(lái)傳送地址的,控制總線:CB 控制總線包括控制、時(shí)序和中斷信號(hào)線,電源總線:PB 用于向系統(tǒng)提供電源,DB,AB,CB,PB,2020/8/15,6,

4、按照總線在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的層次位置 ，總線可分為,總線的分類(lèi)（續(xù)）,片內(nèi)總線 (On-Chip Bus) 在集成電路的內(nèi)部，用來(lái)連接各功能單元的信息通路,內(nèi)部總線 (Internal Bus) 用于計(jì)算機(jī)內(nèi)部模塊（板）之間通信,外部總線 (External Bus)：又稱(chēng)通訊總線 用于計(jì)算機(jī)之間或計(jì)算機(jī)與設(shè)備之間通信,2020/8/15,7,根據(jù)總線的數(shù)據(jù)傳輸方式 ，總線可分為,并行總線：每個(gè)信號(hào)都有自己的信號(hào)線,串行總線：所有信號(hào)復(fù)用一對(duì)信號(hào)線,總線的分類(lèi)（續(xù)）,2020/8/15,8,計(jì)算機(jī)總線結(jié)構(gòu)示意圖,總線的分類(lèi)（續(xù)）,2020/8/15,9,在集成電路的內(nèi)部，用來(lái)連接各功能單

5、元的信息通路。,總線的分類(lèi)（續(xù)）,片內(nèi)總線,受芯片面積及對(duì)外引腳數(shù)的限制，片內(nèi)總線大多采用單總線結(jié)構(gòu)，這有利于芯片集成度和成品率的提高，而對(duì)于內(nèi)部數(shù)據(jù)傳送速度要求較高的，也可采用雙總線或三總線結(jié)構(gòu)。,ASIC技術(shù)的出現(xiàn)，用戶(hù)也可以按照自己的要求，借助于適當(dāng)?shù)腅DA工具，設(shè)計(jì)自己的芯片。,2020/8/15,10,內(nèi)部總線是微機(jī)系統(tǒng)中最重要的總線，人們平常所說(shuō)的微機(jī)總線就是指系統(tǒng)總線，如STD總線、PC總線、ISA總線、PCI總線等,,總線的分類(lèi)（續(xù)）,內(nèi)部總線：系統(tǒng)總線或板級(jí)總線,按功能可分為數(shù)據(jù)總線DB、地址總線AB、控制總線 CB、和電源總線PB,2020/8/15,11,數(shù)據(jù)總線D：用

6、于傳遞數(shù)據(jù)信息,總線寬度：數(shù)據(jù)信號(hào)線的根數(shù)。 決定設(shè)備獲得最大性能 影響計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能,地址總線寬度： 地址線的根數(shù) 決定直接尋址能力 避免IO地址與內(nèi)存地址的重疊,地址總線A：用于傳遞地址信息,控制總線C：,包括控制、時(shí)序和中斷信號(hào)線，用于傳遞各種控制信息，決定了總線的性能好壞,電源總線P：提供電源,2020/8/15,12,如：IEEE-488、RS-232C、RS-485等,外部總線,總線的分類(lèi)（續(xù)）,2020/8/15,13,1.2 總線主要性能指標(biāo),又稱(chēng)總線傳輸率，表示在總線上每秒傳輸字節(jié)的多少，單位是MB/S。影響總線傳輸率的因素有總線寬度、總線頻率等。一般的， 總線帶寬（MB

7、/S）= 1/8總線寬度總線頻率,總線頻率,即總線工作時(shí)鐘頻率，單位為MHz，它是影響總線傳輸速率的重要因素之一。,總線寬度,又稱(chēng)總線位寬，是總線可同時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)，用bit（位）表示，如8位、16位、32位等。顯然，總線的寬度越大，它在同一時(shí)刻就能夠傳輸更多的數(shù)據(jù)。,總線帶寬,2020/8/15,14,表明總線擁有多少信號(hào)線，是數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線和電源總線的總和。信號(hào)線數(shù)與總線性能不成正比，但一般與復(fù)雜度成正比。,同步方式,可分為同步方式和異步方式。在同步方式下，總線上主模塊與從模塊進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間是固定的，并嚴(yán)格按照系統(tǒng)時(shí)鐘來(lái)統(tǒng)一定時(shí)主模塊、從模塊之間的傳輸操作，只要總線

8、上的設(shè)備都是高速的，就可達(dá)到很高的總線帶寬。,總線復(fù)用,采用多路復(fù)用技術(shù)，可以減少總線的數(shù)目。,信號(hào)線數(shù),總線控制方式,包括并發(fā)工作、自動(dòng)配置、仲裁方式、邏輯方式、計(jì)數(shù)方式等。,2020/8/15,15,幾種微型計(jì)算機(jī)總線性能參數(shù),2020/8/15,16,1.3 總線的模板化結(jié)構(gòu),模板化結(jié)構(gòu) 按功能劃分計(jì)算機(jī)的各個(gè)部件，并按總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)成由總線連接的模板結(jié)構(gòu)：CPU主板、RAM/ROM存儲(chǔ)板、A/D、D/A、DI、DO等,模板化結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn) 增加計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的通用性、靈活性、開(kāi)放性、擴(kuò)展性和可靠性 為系統(tǒng)的維修提供了方便,2020/8/15,17,總線控制,1.4 總線控制與總線傳輸,將控制邏輯

9、集中在一處(如在CPU中) 。集中控制是單總線、雙總線和三總線結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)主要采用的方式，常見(jiàn)的集中控制方式主要有鏈?zhǔn)讲樵?xún)方式、計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢(xún)方式和獨(dú)立請(qǐng)求總線控制方式。,將總線控制邏輯分散在與總線連接的各個(gè)部件或設(shè)備上。如CAN總線,分布式,集中式,2020/8/15,18,總線傳輸,總線上的數(shù)據(jù)在主模塊的控制下進(jìn)行傳送。一般的，總線在完成一次傳輸周期時(shí)，可分為四個(gè)階段：,由需要使用總線的主模塊(或主設(shè)備)提出申請(qǐng)，經(jīng)總線仲裁機(jī)構(gòu)決定在下一傳輸周期是否能獲得總線使用權(quán)；,取得了使用權(quán)的主模塊，通過(guò)總線發(fā)出本次打算訪問(wèn)的從模塊(或從設(shè)備)的存儲(chǔ)地址或設(shè)備地址及有關(guān)命令，啟動(dòng)參與本次傳輸?shù)膹哪K；

10、,主模塊和從模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)由源模塊發(fā)出經(jīng)數(shù)據(jù)總線流入目的模塊；,主模塊的有關(guān)信息均從系統(tǒng)總線上撤除，讓出總線使用權(quán)。,申請(qǐng)分配階段,尋址階段,數(shù)據(jù)傳輸階段,結(jié)束階段,,,,2020/8/15,19,2 內(nèi)部總線,STD總線 PC系列總線,本節(jié)主要內(nèi)容,2020/8/15,20,STD總線起初設(shè)計(jì)為可用于64K存儲(chǔ)空間的8位總線，后發(fā)展成可用于尋址16M空間的16位總線 美國(guó)PRO-LOG公司1978年推出，后被重新定名為IEEE961,2.1 STD總線,STD總線的特點(diǎn)：,56根并行總線，采用小模板結(jié)構(gòu), 尺寸為165114mm,模塊化的總體設(shè)計(jì)布局,開(kāi)放式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),兼容式總線結(jié)構(gòu)

11、，擁有豐富的I/O功能，廣泛適用于工業(yè)控制,小模板結(jié)構(gòu)，模板尺寸小,可減少?zèng)_擊和震動(dòng)的影響,2020/8/15,21,56根并行總線都有明確的定義，按功能可分為五大類(lèi) (1)邏輯電源線6根(引線16) (2)數(shù)據(jù)總線8根(引線714) (3)地址總線16根(引線1530) (4)控制總線22根(引線3152) (5)輔助電源線4根(引線5356),STD總線的信號(hào)分配,2020/8/15,22,總線低位地址A0A12直接連接到各存儲(chǔ)器芯片,STD總線與存儲(chǔ)器連接方法,高位地址A13A15用來(lái)選片（可選64K基本存儲(chǔ)器，通過(guò)擴(kuò)展，可增至128K）,2020/8/15,23,地址碼的低位字節(jié)連接到

12、總線譯碼器, 形成6根選板信號(hào)和2根選口信號(hào), 選通I/O端口工作,STD總線與I/O的連接方法,（可選128個(gè)口，擴(kuò)展后可增至256個(gè)口）,2020/8/15,24,ISA：Industry Standard Architecture,2.2 PC系列總線,MCA：Micro Channel Architecture,EISA：Extension ISA,PCI：Peripheral Components Interconnect,IBM PC總線的簡(jiǎn)稱(chēng)，因IBM及其兼容機(jī)的廣泛普及成為 全世界用戶(hù)承認(rèn)的一種事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn),PCI-E：PCI Express,2020/8/15,25,問(wèn)世較早

13、，是8位、16位數(shù)據(jù)傳輸總線的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 最高傳輸速率8Mbps 尋址空間為16MB 將CPU看作唯一的主模塊，其余外設(shè)均為從模塊，包括可以暫時(shí)掌握總線的DMA和協(xié)處理器 98根總線分成5類(lèi)：地址線、數(shù)據(jù)線、控制線、時(shí)鐘線和電源線,ISA總線,2020/8/15,26,IBM在推出386時(shí)提出 數(shù)據(jù)、地址總線寬度32位，支持4GB的尋址能力 數(shù)據(jù)傳輸速率33Mbps 在電氣及物理上與ISA不兼容 IBM沒(méi)有公布標(biāo)準(zhǔn),MCA總線（Micro Channel Architecture）,2020/8/15,27,89年，為沖破IBM公司對(duì)MCA標(biāo)準(zhǔn)的壟斷，以Compaq公司為首的9家兼容機(jī)制造商聯(lián)合

14、推出 32位數(shù)據(jù)總線，支持32位地址通路 總線主控技術(shù)，擴(kuò)展卡上具有總線主控處理器 與ISA兼容，支持多個(gè)主模塊 可以自動(dòng)根據(jù)需要進(jìn)行32、16、8位數(shù)據(jù)間的轉(zhuǎn)換 支持多總線主控模塊 擴(kuò)展卡的安裝十分容易，可根據(jù)配置文件自動(dòng)配置系統(tǒng)和擴(kuò)展板,EISA總線,2020/8/15,28,PCI(Peripheral Component Interconnect，設(shè)備部件互連總線)是一種高性能局部總線，它是92年由Intel公司帶頭制定的設(shè)備總線標(biāo)準(zhǔn) 支持64位數(shù)據(jù)傳送、多總線主控模塊、線性猝發(fā)讀寫(xiě)和并發(fā)工作方式 具有即插即用功能(PnP，Plug and Play) 最高傳送數(shù)據(jù)132Mbps 兼容

15、性強(qiáng)、成本低,PCI局部總線,2020/8/15,29,PCI總線特有的配置寄存器為用戶(hù)使用提供了方便。系統(tǒng)嵌入自動(dòng)配置軟件，在加電時(shí)自動(dòng)配置PCI擴(kuò)展卡，為用戶(hù)提供了簡(jiǎn)便的使用方法。,PCI局部總線已形成工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。它的高性能總線體系結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足了不同系統(tǒng)的需求，低成本的PCI總線構(gòu)成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)達(dá)到了較高的性能/價(jià)格比水平。因此，PCI總線被應(yīng)用于多種平臺(tái)和體系結(jié)構(gòu)中。,PCI總線的組件、擴(kuò)展板接口與處理器無(wú)關(guān)，在多處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)能夠高效地在多個(gè)處理器之間傳輸。與處理器無(wú)關(guān)的特性，使PCI總線具有很好的I/O性能，最大限度地使用各類(lèi)CPU/RAM的局部總線操作系統(tǒng)、各類(lèi)高檔圖形設(shè)備和各類(lèi)

16、高速外部設(shè)備，如SCSI、HDTV、3D等。,2020/8/15,30,PCI總線結(jié)構(gòu),,2020/8/15,31,PCI Express和PCI不同的是實(shí)現(xiàn)了傳輸方式從并行到串行的轉(zhuǎn)變。 PCI Express是采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的串行連接方式，這個(gè)和以前的并行通道大為不同， 允許和每個(gè)設(shè)備建立獨(dú)立的數(shù)據(jù)傳輸通道。不用再向整個(gè)系統(tǒng)請(qǐng)求帶寬，這樣也就輕松地到達(dá)了高帶寬要求。,PCI-E（PCI Express）總線,2020/8/15,32,PCI-E總線結(jié)構(gòu),,2020/8/15,33,串行的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)互連 差分信號(hào)傳送 采用交換開(kāi)關(guān)互連多臺(tái)設(shè)備 PCI Express 事務(wù)與包 PCI Express

17、的事務(wù)分成兩類(lèi)： 非轉(zhuǎn)發(fā)事務(wù)，即請(qǐng)求者發(fā)送請(qǐng)求包給完成者，完成者返回完成包給請(qǐng)求者，如存儲(chǔ)器讀事務(wù)； 轉(zhuǎn)發(fā)事務(wù)，即只有請(qǐng)求者給完成者發(fā)送請(qǐng)求包，而完成者不用返回完成包給請(qǐng)求者，如存儲(chǔ)器寫(xiě)事務(wù) 具有更高的數(shù)據(jù)傳輸率,PCI-E總線主要特點(diǎn),2020/8/15,34,PCI Express設(shè)備采用層次結(jié)構(gòu),采用層次結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì) 分散關(guān)注 松散耦合 邏輯復(fù)用 標(biāo)準(zhǔn)定義,2020/8/15,35,錯(cuò)誤處理 具有優(yōu)先級(jí)的傳送 兩種中斷方式 一種是類(lèi)似PCI-X的MSI協(xié)議，PCI Express設(shè)備啟動(dòng)一個(gè)寫(xiě)存儲(chǔ)器包，向根復(fù)合體發(fā)送一個(gè)中斷向量，根復(fù)合體再中斷CPU。 另一種是使用中斷消息事務(wù)向根復(fù)合體傳

18、送傳統(tǒng)PCI總線上的INT x信號(hào)的跳變情況，這種中斷方式只對(duì)具有傳統(tǒng)功能的端點(diǎn)設(shè)備和PCI Express-PCI橋的系統(tǒng)有用。 支持熱插拔（即帶電插拔，允許用戶(hù)在不關(guān)閉系統(tǒng)，不切斷電源的情況下取出設(shè)備）,2020/8/15,36,3 外部總線,外部總線又稱(chēng)為通信總線，用于計(jì)算機(jī)之間，計(jì)算機(jī)與遠(yuǎn)程終端，計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備以及計(jì)算機(jī)與測(cè)量?jī)x器儀表之間的通信。 該類(lèi)總線不是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)已有的總線，而是利用電子工業(yè)或其他領(lǐng)域已有的總線標(biāo)準(zhǔn)。外部總線又分為并行總線和串行總線.,2020/8/15,37,IEEE-488總線 RS-232-C總線 RS-422和RS-485總線 通用串行總線（USB）,本

19、節(jié)主要內(nèi)容,2020/8/15,38,IEEE-488總線是一種并行外部總線，專(zhuān)門(mén)用于計(jì)算機(jī)與測(cè)量?jī)x器、輸入輸出設(shè)備，以及這些儀器設(shè)備之間的并行通信。 IEEE-488是1970年由美國(guó)惠普公司開(kāi)發(fā)的并行通訊總線,總線上連接的設(shè)備有三種，工作方式也有三種:,3.1 IEEE-488總線,控者（“控制”方式）：每時(shí)只能有一個(gè),聽(tīng)者（“受話”方式）：同時(shí)可有多個(gè),講者（“送話”方式）：每時(shí)只能有一個(gè),2020/8/15,39,IEEE-488總線的連接示意圖,2020/8/15,40,接口管理總線 接口清除線IFC、服務(wù)請(qǐng)求線SQR、注意線ATN、結(jié)束或識(shí)別線EQI、遠(yuǎn)程允許REN,IEEE-48

20、8總線的信號(hào)分配,IEEE-488共定義了24根線（其中8根地線）,數(shù)據(jù)總線D1-D8,數(shù)據(jù)傳送控制線 數(shù)據(jù)有效線DAV、未準(zhǔn)備好接受數(shù)據(jù)線NRFD、未接受好數(shù)據(jù)線NDAC,2020/8/15,41,數(shù)據(jù)傳輸率不得超過(guò)每秒1M字節(jié) 總線上的設(shè)備數(shù)不得多于15個(gè) 電纜總長(zhǎng)度不超過(guò)20m，兩設(shè)備間不超過(guò)2m 采用負(fù)邏輯,使用IEEE-488的約定,2020/8/15,42,采用異步方式，利用三條控制線進(jìn)行握手聯(lián)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)三線握手的數(shù)據(jù)傳輸,IEEE-488總線數(shù)據(jù)傳送時(shí)序,2020/8/15,43,RS-232-C總線是一種串行外部總線，專(zhuān)門(mén)用于數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE（Data Terminal Equ

21、ipment）和數(shù)據(jù)通信設(shè)備DCE（Data Communication Equipment）之間的串行通信。,3.2 RS-232-C總線,是1969年由美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）從CCITT遠(yuǎn)程通信標(biāo)準(zhǔn)中導(dǎo)出的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。,2020/8/15,44,RS-232-C總線的接口連接器采用DB-25插頭和插座，其中陽(yáng)性插頭（DB-25-P）與DTE相連，陰性插座（DB-25-S）與DCE相連。,RS-232-C總線的機(jī)械特性,RS-232-C 25個(gè)引腳只定義了22個(gè)。,通常使用的RS-232-C接口信號(hào)只有9根引腳，其插頭插座在RS-232-C的機(jī)械特性中都有規(guī)定。,最基本的三根線是發(fā)送數(shù)據(jù)線

22、2、接收數(shù)據(jù)線3和信號(hào)地線7,2020/8/15,45,MODEM控制和狀態(tài)引腳分為兩組 一組為DTR和RTS，負(fù)責(zé)從計(jì)算機(jī)通過(guò)RS-232C接口送給MODEM 另一組為DSR、CTS、DCD和RI，負(fù)責(zé)從MODEM通過(guò)RS-232C接口送給計(jì)算機(jī)的狀態(tài)信息,常用的9根引腳分為兩類(lèi)：,另一類(lèi)是用于調(diào)制解調(diào)器（MODEM）的控制和反 映其狀態(tài)的引腳。,基本數(shù)據(jù)傳送引腳包括：TXD、RXD和GND,一類(lèi)是基本的數(shù)據(jù)傳送引腳,2020/8/15,46,RS-232C總線的電氣特性,電氣連接方式： TTL電平：+5V為邏輯“1”，0V為邏輯“0”； EIA電平：-3-15V為邏輯“1”，+3+15V為

23、邏輯“0”,主要特點(diǎn)： 非平衡的連接方式 采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信 公用地線,2020/8/15,47,最高通信速率為115200bps RS-232C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定通信距離應(yīng)小于15m。,電氣參數(shù),引線信號(hào)狀態(tài) RS-232C標(biāo)準(zhǔn)引線狀態(tài)必須是以下三種之一，即SPACE/ MARK(空號(hào)/傳號(hào))、或ON/OFF(通/斷)、或邏輯0/邏輯1。,引線邏輯電平,用-3-15V表示邏輯1 用+3+15V表示邏輯0,短路抑制性能 RS-232C的驅(qū)動(dòng)電路必須能承受電纜中任何導(dǎo)線短路,通信速率,2020/8/15,48,具有MODEM設(shè)備的遠(yuǎn)距離通信線路,RS-232-C總線的通信結(jié)構(gòu),2020/8/15,49,不用M

24、ODEM的 直接通信線路,最簡(jiǎn)單的RS-232C數(shù)據(jù)通信,2020/8/15,50,3.3 RS-422和RS-485總線,RS-422A標(biāo)準(zhǔn)接口,RS-422由RS-232C發(fā)展而來(lái),RS-422是一種單機(jī)發(fā)送、多機(jī)接收的單向、平衡傳輸?shù)目偩€標(biāo)準(zhǔn),RS-422標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了雙端電氣接口型式，使用雙端線傳送信號(hào)。它通過(guò)傳輸線驅(qū)動(dòng)器，把邏輯電平變換成電位差，完成始端的信息傳送；通過(guò)傳輸線接收器，把電位差轉(zhuǎn)變成邏輯電平，實(shí)現(xiàn)終端的信息接收,2020/8/15,51,RS-422的數(shù)據(jù)信號(hào)采用差分傳輸方式傳輸。,RS-422 有4 根信號(hào)線，兩根發(fā)送、兩根接收，RS-422 的收與發(fā)是分開(kāi)的，支持全雙

25、工的通訊方式 。,RS-422的最大傳輸距離為1200m，最大傳輸速率為10Mbps。,RS-422A接口電路,2020/8/15,52,RS-485標(biāo)準(zhǔn)接口,RS-485是一種多發(fā)送器的電路標(biāo)準(zhǔn)，它是RS-422A性能的擴(kuò)展，是真正意義上的總線標(biāo)準(zhǔn)。,允許在二根導(dǎo)線(總線)上掛接32臺(tái)RS--485負(fù)載設(shè)備。負(fù)載設(shè)備可以是發(fā)送器、被動(dòng)發(fā)送器、接收器或組合收發(fā)器（發(fā)送器和接收器的組合）,2020/8/15,53,RS485具有以下特點(diǎn)：,RS-485的電氣特性：邏輯“1”以?xún)删€間的電壓差為+2V+6V表示；邏輯“0”以?xún)删€間的電壓差為-2V -6V表示。,RS-485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10M

26、bps,RS-485接口是采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強(qiáng)。,RS-485接口的最大傳輸距離為1200m，在總線上是允許連接多達(dá)128個(gè)收發(fā)器,即具有多站能力和多機(jī)通信功能。,2020/8/15,54,RS-485與RS-422的區(qū)別在于：,硬件線路上，RS-422至少需要4根通信線，而RS-485僅需2根；RS-422不能采用總線方式通信，但可以采用環(huán)路方式通信，而RS-485兩者均可。,通信方式上，RS-422可以全雙工，而RS-485只能半雙工。,2020/8/15,55,串行總線協(xié)議轉(zhuǎn)換器,2020/8/15,56,USB設(shè)備的主要特點(diǎn) 采用USB接口的設(shè)備支持熱拔

27、插 USB接口可以同時(shí)連接127臺(tái)USB設(shè)備。 速度方面，USB 1.1總線規(guī)范定義了12 Mb/s的帶寬，而USB2.0可提供480Mb/s的傳輸速度，USB3.0傳輸速度為4.8Gb/s。 USB總線能夠提供500mA的電流，USB3.0為900mA。,3.4 USB通用串行總線,USB (Universal Serial Bus) 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn) USB1.0、USB1.1、USB2.0、USB On-The- Go（OTG）、USB3.0總線標(biāo)準(zhǔn),2020/8/15,57,USB傳輸速率及其適用范圍,2020/8/15,58,USB總線系統(tǒng)中的設(shè)備可以分為三個(gè)類(lèi)型 USB主機(jī) USB 集線

28、器（HUB） USB總線的設(shè)備，又稱(chēng)USB功能外設(shè)。,,USB設(shè)備及其體系結(jié)構(gòu),2020/8/15,59,USB的傳輸方式,控制(Control)傳輸方式 設(shè)備控制指令、狀態(tài)查詢(xún)及確認(rèn)命令,中斷(Interrupt)傳輸方式 數(shù)據(jù)量小、需及時(shí)處理的數(shù)據(jù)，如鍵盤(pán)、鼠標(biāo),同步(Isochronous)傳輸方式 對(duì)數(shù)據(jù)正確性要求不高、對(duì)時(shí)間敏感的外部設(shè)備， 如麥克風(fēng)、喇叭,批(Bulk)傳輸方式 正確無(wú)誤的大批量數(shù)據(jù)，如移動(dòng)硬盤(pán)、打印機(jī)、 掃描儀和數(shù)碼相機(jī),2020/8/15,60,所有USB外設(shè)都有一個(gè)上行的連接，上 行連接采用A型接口，而下行連接一般則 采用B型接口。,USB設(shè)備的電氣連接,US

29、B連接分為上行連接和下行連接。,USB電纜中有四根導(dǎo)線，VBUS為電源，+5V,2020/8/15,61,USB連接設(shè)備和主機(jī)的連接方法,USB 集線器和設(shè)備的電阻連接,2020/8/15,62,USB連接設(shè)備和主機(jī)的連接方法,USB集線器通過(guò)監(jiān)視差分?jǐn)?shù)據(jù)線來(lái)檢測(cè)設(shè)備是否已連接到集線器的端口上.,當(dāng)沒(méi)有設(shè)備連接到USB端口時(shí)，D+和D-通過(guò)下拉電阻Rpd電平是近地的。,USB設(shè)備必須至少在D+和D-線的任意一條上有一個(gè)上拉電阻Rpu,由于Rpu=1.5K,Rpd=15K ,所以數(shù)據(jù)線上會(huì)有90%的Vcc電壓,集線器通過(guò)檢測(cè)不同的數(shù)據(jù)線電壓接近Vcc來(lái)判別是哪一類(lèi)USB設(shè)備連接到其端口上,如D+

30、電平接近Vcc，D-近地，則所連設(shè)備為全速設(shè)備 如D-電平接近Vcc，D+近地，則所連設(shè)備為低速設(shè)備 當(dāng)D+和D-的電壓都降到0.8V以下，并持續(xù)2.5微秒以上的話，就認(rèn)為該設(shè)備斷開(kāi)連接了。,2020/8/15,63,其他幾種常見(jiàn)的串行總線,I2C總線 SPI總線,2020/8/15,64,串行通信,串行通信：使用串口通信時(shí)，發(fā)送和接收到的每一個(gè)字符實(shí)際上都是一次一位的傳送的，每一位為1或者為0 采用串行總線技術(shù)可以使系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化、系統(tǒng)的體積減小、可靠性提高。同時(shí)，系統(tǒng)的更改和擴(kuò)充極為容易 可分為同步通信和異步通信兩類(lèi) 同步通信：發(fā)送時(shí)鐘和接收時(shí)鐘保持嚴(yán)格的同步，如：I2C，SPI

31、異步通信：發(fā)送端和接收端可以由各自的時(shí)鐘來(lái)控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，這兩個(gè)時(shí)鐘源彼此獨(dú)立，互不同步。每個(gè)字符都有開(kāi)始位和停止位，一次同步一個(gè)字符，在開(kāi)始位進(jìn)行同步。如：UART（RS232）,2020/8/15,65,I2C總線（IIC、I2C）,I2C（Inter IC Bus）總線是Philips公司開(kāi)發(fā)的一種雙向兩線串行總線，以實(shí)現(xiàn)集成電路之間的有效控制。目前，Philips及其它半導(dǎo)體廠商提供了大量的含有I2C總線的外圍接口芯片，I2C總線已成為廣泛應(yīng)用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)之一 I2C總線傳輸率 標(biāo)準(zhǔn)模式下，基本的I2C總線規(guī)范的規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸速率為100kb/s 快速模式下，數(shù)據(jù)傳輸速率為400K

32、B/s 高速模式下，數(shù)據(jù)傳輸速率為3.4Mb/s,2020/8/15,66,I2C總線采用二線制傳輸，一根是數(shù)據(jù)線SDA（Serial Data Line），另一根是時(shí)鐘線SCL（Serial Clock Line），所有I2C器件都連接在SDA和SCL上，每一個(gè)器件具有一個(gè)唯一的地址 I2C總線是一個(gè)多主機(jī)總線，總線上可以有一個(gè)或多個(gè)主機(jī)（或稱(chēng)主控制器件），總線運(yùn)行由主機(jī)控制 主機(jī)是指啟動(dòng)數(shù)據(jù)的傳送（發(fā)起始信號(hào)）、發(fā)出時(shí)鐘信號(hào)、發(fā)出終止信號(hào)的器件。通常，主機(jī)由單片機(jī)或其它微處理器擔(dān)任 被主機(jī)訪問(wèn)的器件叫從機(jī)（或稱(chēng)從器件），它可以是其它單片機(jī)，或者其他外圍芯片，如：A/D、D/A、LED或LC

33、D驅(qū)動(dòng)串行存儲(chǔ)器芯片,2020/8/15,67,I2C總線支持多主（multi-mastering）和主從（master-slave）兩種工作方式 多主方式下，I2C總線上可以有多個(gè)主機(jī)。I2C總線需通過(guò)硬件和軟件仲裁來(lái)確定主機(jī)對(duì)總線的控制權(quán) 主從工作方式時(shí)，系統(tǒng)中只有一個(gè)主機(jī)，總線上的其它器件均為從機(jī)（具有I2C總線接口），只有主機(jī)能對(duì)從機(jī)進(jìn)行讀寫(xiě)訪問(wèn)，因此，不存在總線的競(jìng)爭(zhēng)等問(wèn)題。在主從方式下，I2C總線的時(shí)序可以模擬 ，I2C總線的使用不受主機(jī)是否具有I2C總線接口的制約 在嵌入式系統(tǒng)的串行總線擴(kuò)展中，經(jīng)常遇到的是以MCU為主機(jī)，其它接口器件為從機(jī)的單主機(jī)情況,2020/8/15,68,

34、2020/8/15,69,采用I2C總線設(shè)計(jì)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn),功能框圖中的功能模塊與實(shí)際的外圍器件對(duì)應(yīng)，可以使系統(tǒng)設(shè)計(jì)直接由功能框圖快速地過(guò)渡到系統(tǒng)樣機(jī) 外圍器件直接“掛在”I2C總線上，不需設(shè)計(jì)總線接口；增加和刪減系統(tǒng)中的外圍器件，不會(huì)影響總線和其他器件的工作，便于系統(tǒng)功能的改進(jìn)和升級(jí) 集成在器件中的尋址和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議可以使系統(tǒng)完全由軟件來(lái)定義,2020/8/15,70,I2C總線的數(shù)據(jù)傳輸,I2C總線通過(guò)上拉電阻接正電源。當(dāng)總線空閑時(shí)，兩根線均為高電平。連到總線上的任一器件輸出的低電平，都將使總線的信號(hào)變低，即各器件的SDA及SCL都是線“與”關(guān)系,2020/8/15,71,1、數(shù)據(jù)位的有效性

35、I2C總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)為高電平期間，數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定 只有在時(shí)鐘線上的信號(hào)為低電平期間，數(shù)據(jù)線上的高電平或低電平狀態(tài)才允許變化,2020/8/15,72,2、起始和終止信號(hào) SCL線為高電平期間，SDA線由高電平向低電平的變化表示起始信號(hào) SCL線為高電平期間，SDA線由低電平向高電平的變化表示終止信號(hào),2020/8/15,73,起始和終止信號(hào)都是由主機(jī)發(fā)出的，在起始信號(hào)產(chǎn)生后，總線就處于被占用的狀態(tài)；在終止信號(hào)產(chǎn)生后，總線就處于空閑狀態(tài) 連接到I2C總線上的器件，若具有I2C總線的硬件接口，則很容易檢測(cè)到起始和終止信號(hào) 接收器件若無(wú)法立刻接收下一個(gè)字節(jié)，可以將SCL線拉

36、成低電平，從而使主機(jī)處于等待狀態(tài)。直到接收器件準(zhǔn)備好接收下一個(gè)字節(jié)時(shí)，再釋放SCL線使之為高電平，從而使數(shù)據(jù)傳送可以繼續(xù)進(jìn)行,2020/8/15,74,3、數(shù)據(jù)傳輸格式 （1）字節(jié)傳送與應(yīng)答 每一個(gè)字節(jié)必須保證是8位長(zhǎng)度。數(shù)據(jù)傳送時(shí)，先傳送最高位（MSB），每一個(gè)被傳送的字節(jié)后面都必須跟隨一位應(yīng)答位（即一幀共有9位）,2020/8/15,75,由于某種原因從機(jī)不對(duì)主機(jī)尋址信號(hào)應(yīng)答時(shí)（如從機(jī)正在進(jìn)行實(shí)時(shí)性的處理工作而無(wú)法接收總線上的數(shù)據(jù)），它必須將數(shù)據(jù)線置于高電平，而由主機(jī)產(chǎn)生一個(gè)終止信號(hào)以結(jié)束總線的數(shù)據(jù)傳送 如果從機(jī)對(duì)主機(jī)進(jìn)行了應(yīng)答，但在數(shù)據(jù)傳送一段時(shí)間后無(wú)法繼續(xù)接收更多的數(shù)據(jù)時(shí)，從機(jī)可以通過(guò)

37、對(duì)無(wú)法接收的第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的“非應(yīng)答”通知主機(jī)，主機(jī)則應(yīng)發(fā)出終止信號(hào)以結(jié)束數(shù)據(jù)的繼續(xù)傳送 當(dāng)主機(jī)接收數(shù)據(jù)時(shí)，它收到最后一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)后，必須向從機(jī)發(fā)出一個(gè)結(jié)束傳送的信號(hào)。這個(gè)信號(hào)是由對(duì)從機(jī)的“非應(yīng)答”來(lái)實(shí)現(xiàn)的。然后，從機(jī)釋放SDA線，以允許主機(jī)產(chǎn)生終止信號(hào),2020/8/15,76,（2）數(shù)據(jù)幀格式 I2C總線上傳送的數(shù)據(jù)信號(hào)是廣義的，既包括地址信號(hào)，又包括真正的數(shù)據(jù)信號(hào) 在起始信號(hào)后必須傳送一個(gè)從機(jī)的地址（7位），第8位是數(shù)據(jù)的傳送方向位（R/T），用“0”表示主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)（T），“1”表示主機(jī)接收數(shù)據(jù)（R）。每次數(shù)據(jù)傳送總是由主機(jī)產(chǎn)生的終止信號(hào)結(jié)束。但是，若主機(jī)希望繼續(xù)占用總線進(jìn)行新的數(shù)據(jù)傳

38、送，則可以不產(chǎn)生終止信號(hào)，馬上再次發(fā)出起始信號(hào)對(duì)另一從機(jī)進(jìn)行尋址 在總線的一次數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中，可以有以下幾種組合方式：,2020/8/15,77,a）主機(jī)向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳送方向在整個(gè)傳送過(guò)程中不變：,注： 陰影部分表示數(shù)據(jù)由主機(jī)向從機(jī)傳送，無(wú)陰影部分則表示數(shù)據(jù)由從機(jī)向主機(jī)傳送 A表示應(yīng)答，A非表示非應(yīng)答（高電平） S表示起始信號(hào)，P表示終止信號(hào)。,2020/8/15,78,b）主機(jī)在第一個(gè)字節(jié)后，立即從從機(jī)讀數(shù)據(jù)：,c）在傳送過(guò)程中，當(dāng)需要改變傳送方向時(shí)，起始信號(hào)和從機(jī)地址都被重復(fù)產(chǎn)生一次，但兩次讀/寫(xiě)方向位正好反相,2020/8/15,79,I2C總線的尋址,I2C總線協(xié)議有明確的規(guī)定

39、：采用7位的尋址字節(jié)（尋址字節(jié)是起始信號(hào)后的第一個(gè)字節(jié)）,D7D1位組成從機(jī)的地址。D0位是數(shù)據(jù)傳送方向位，為“0”時(shí)表示主機(jī)向從機(jī)寫(xiě)數(shù)據(jù)，為“1”時(shí)表示主機(jī)由從機(jī)讀數(shù)據(jù),2020/8/15,80,主機(jī)發(fā)送地址時(shí)，總線上的每個(gè)從機(jī)都將這7位地址碼與自己的地址進(jìn)行比較，如果相同，則認(rèn)為自己正被主機(jī)尋址，根據(jù)R/T位將自己確定為發(fā)送器或接收器 從機(jī)的地址由固定部分和可編程部分組成。從機(jī)地址中可編程部分決定了可接入總線該類(lèi)器件的最大數(shù)目。如一個(gè)從機(jī)的7位尋址位有4位是固定位，3位是可編程位，這時(shí)僅能尋址8個(gè)同樣的器件，即可以有8個(gè)同樣的器件接入到該I2C總線系統(tǒng)中,2020/8/15,81,SPI總

40、線,SPI（Serial Peripheral Interface）總線是Motorola公司提出的一種同步串行外設(shè)接口，它可以使微控制器（MCU）與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信以交換信息。外圍設(shè)備包括FLASHRAM、網(wǎng)絡(luò)控制器、LCD顯示驅(qū)動(dòng)器A/D轉(zhuǎn)換器和微控制器等 SPI總線使用同步協(xié)議傳送數(shù)據(jù)，接收或發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)由主機(jī)產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)控制。SPI接口可以連接多個(gè)SPI芯片或裝置，主機(jī)通過(guò)選擇它們的片選來(lái)分時(shí)訪問(wèn)不同的芯片,2020/8/15,82,SPI總線的構(gòu)成 MOSI（Master Out Slave In）：主機(jī)發(fā)送從機(jī)接收。 MISO（Master In Slave Out）

41、：主機(jī)接收從機(jī)發(fā)送 SCLK或SCK（Serial Clock）：串行時(shí)鐘 CS（Chip Select for the peripheral）或SS：外圍器件的片選，從設(shè)備使能 MOSI（SI或SDI）信號(hào)由主機(jī)產(chǎn)生，接收者為從機(jī)；MISO（SO或SDO）信號(hào)由從機(jī)發(fā)出；CLK或SCK由主機(jī)發(fā)出，用來(lái)同步數(shù)據(jù)傳送；片選信號(hào)也由主機(jī)產(chǎn)生，用來(lái)選擇從機(jī)芯片或裝置,2020/8/15,83,SPI 8位移位寄存器,,SPI 8位移位寄存器,MSB 主設(shè)備 LSB,MSB 從設(shè)備 LSB,SPI時(shí)鐘發(fā)生器,,,,,,,,,,,,MOSI MISO,MISO MOSI,SCLK SCLK,SPI是

42、一個(gè)環(huán)形總線結(jié)構(gòu)，其時(shí)序其實(shí)很簡(jiǎn)單，主要是在SCLK的控制下，兩個(gè)雙向移位寄存器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,2020/8/15,84,SPI總線信號(hào)線基本連接關(guān)系,SPI 總線系統(tǒng)有以下幾種形式：1個(gè)主機(jī)和多個(gè)從機(jī)、多個(gè)從機(jī)相互連接構(gòu)成多主機(jī)系統(tǒng)（分布式系統(tǒng)）、1個(gè)主機(jī)與1個(gè)或幾個(gè)I/O設(shè)備構(gòu)成的系統(tǒng)等,2020/8/15,85,主從方式SPI總線接口系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu) 在大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合，可使用1個(gè)微控制器作為主控機(jī)來(lái)控制數(shù)據(jù)傳送，并向1個(gè)或幾個(gè)外圍器件傳送數(shù)據(jù)。從機(jī)只有在主機(jī)發(fā)命令時(shí)才能接收或發(fā)送數(shù)據(jù) 當(dāng)一個(gè)主機(jī)通過(guò)SPI與多個(gè)芯片相連時(shí)，必須使用每個(gè)芯片的片選，這可通過(guò)MCU的I/O端口輸出線來(lái)實(shí)現(xiàn),202

43、0/8/15,86,SPI通信協(xié)議 SPI采用串行通訊協(xié)議，也就是說(shuō)數(shù)據(jù)是一位一位的傳輸?shù)?。由SCLK提供時(shí)鐘脈沖，MOSI，MISO則基于此脈沖完成數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)在時(shí)鐘上升沿或下降沿時(shí)改變，在緊接著的下降沿或上升沿被讀取。這樣，在至少8次時(shí)鐘信號(hào)的改變（上沿和下沿為一次），就可以完成8位數(shù)據(jù)的傳輸。,,2020/8/15,87,普通的串行通訊一次連續(xù)傳送至少8位數(shù)據(jù)，而SPI允許數(shù)據(jù)一位一位的傳送，甚至允許暫停，因?yàn)镾CLK時(shí)鐘線由主控設(shè)備控制 當(dāng)沒(méi)有時(shí)鐘跳變時(shí)，從設(shè)備不采集或傳送數(shù)據(jù)也就是說(shuō)，主設(shè)備通過(guò)對(duì)SCLK時(shí)鐘線的控制可以完成對(duì)通訊的控制 因?yàn)镾PI的數(shù)據(jù)輸入和輸出線獨(dú)立，所以允許同

44、時(shí)完成數(shù)據(jù)的輸入和輸，實(shí)現(xiàn)全雙工通信,2020/8/15,88,I2C與SPI比較,總線速度 流控 流控制用于解決串口通信中的數(shù)據(jù)丟失問(wèn)題，當(dāng)接收端數(shù)據(jù)處理不過(guò)來(lái)時(shí)，就發(fā)出“不再接收”的信號(hào)，發(fā)送端就停止發(fā)送，直到收到“可以繼續(xù)發(fā)送”的信號(hào)再發(fā)送數(shù)據(jù) 多主機(jī) 從器件添加 數(shù)據(jù)流向,2020/8/15,89,SPI總線特點(diǎn) 總線速度：時(shí)鐘速度很快，范圍可從幾兆赫茲到幾十兆赫茲，且沒(méi)有系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo) 流控：缺乏流控機(jī)制，無(wú)論主器件還是從器件均不對(duì)消息進(jìn)行確認(rèn)，主器件無(wú)法知道從器件是否繁忙 多主：沒(méi)有多主器件協(xié)議，必須采用很復(fù)雜的軟件和外部邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)多主器件架構(gòu) 添加從器件：每個(gè)從器件需要一個(gè)單獨(dú)的從選擇信號(hào)?？傂盘?hào)數(shù)最終為n+3個(gè)，其中n是總線上從器件的數(shù)量。在SPI總線上添加新的從器件也不方便。對(duì)于額外添加的每個(gè)從器件，都需要一條新的從器件選擇線或解碼邏輯 可實(shí)現(xiàn)全雙工通信,2020/8/15,90,I2C總線特點(diǎn) 總線速度：總線速度為從0Hz到3.4MHz，沒(méi)有SPI那樣快 流控：存在系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)，這些開(kāi)銷(xiāo)包括起始位/停止位、確認(rèn)位和從地址位，但它因此擁有流控機(jī)制 多主：允許多個(gè)主器件工作在同一總線上，多個(gè)主器件可以輕松同步其時(shí)鐘 添加從器件：I2C總線只有兩條導(dǎo)線，因此新從器件只需接入總線即可，而無(wú)需附加邏輯 非全雙工，一般無(wú)FIFO,2020/8/15,91,結(jié)束,,THE End,