一文讀懂總線技術(shù)

總線，英文叫作“BUS”,即我們中文的“公共車”，這是非常形象的比如，公共車走的路線是一定的，我們?nèi)魏稳硕伎梢宰曹嚾ピ摋l公共車路線的任意一個站點(diǎn)。如果把我們?nèi)吮茸魇请娮有盘?，這就是為什么英文叫它為“BUS”而不是“CAR”的真正用意。當(dāng)然，從專業(yè)上來說，總線是一種描述電子信號傳輸線路的結(jié)構(gòu)形式，是一類信號線的集合，是子系統(tǒng)間傳輸信息的公共通道。通過總線能使整個系統(tǒng)內(nèi)各部件之間的信息進(jìn)行傳輸、交換、共享和邏輯控制等功能。如在計算機(jī)系統(tǒng)中，它是CPU、內(nèi)存、輸入、輸出設(shè)備傳遞信息的公用通道，主機(jī)的各個部件通過主機(jī)相連接，外部設(shè)備通過相應(yīng)的接口電路再于總線相連接。

 

 

現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)信息的發(fā)展，特別是對于成本和空間而言，總線傳輸替代點(diǎn)對點(diǎn)傳輸是目前發(fā)展的熱點(diǎn)，它的出現(xiàn)將給信息傳輸上提供了最大的方便和最有效的技術(shù)解決方案。

系統(tǒng)總線的基本組成

數(shù)據(jù)總線：傳送數(shù)據(jù)信息

地址總線：傳送地址信息

控制總線：傳送控制信息(完成總線操作功能)

電源線：為系統(tǒng)提供電源信號

總線的功能

1、數(shù)據(jù)傳輸功能

數(shù)據(jù)傳輸功能是總線的基本功能，用總線傳輸率來表示，即每秒傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)，單位是Mbps(兆字節(jié)每秒)。

2、多設(shè)備支持功能

多個設(shè)備使用一條總線，首先是總線占用權(quán)的問題，哪一個主設(shè)備申請占用總線，由總線仲裁器確定。

3、中斷

中斷是計算機(jī)對緊急事務(wù)響應(yīng)的機(jī)制。當(dāng)外部設(shè)備與主設(shè)備之間進(jìn)行服務(wù)約定時，中斷是實(shí)現(xiàn)服務(wù)約定的聯(lián)絡(luò)信號。

4、錯誤處理

錯誤處理包括奇偶校驗(yàn)錯、系統(tǒng)錯、電池失效等錯誤檢測處理，以及提供相應(yīng)的保護(hù)對策。

總線的數(shù)據(jù)傳輸流程

1、申請占用總線

需要使用總線的總線主設(shè)備(如CPU、DMA控制器等)向總線仲裁機(jī)構(gòu)提出占用總線的請求，經(jīng)總線仲裁機(jī)構(gòu)判定，若滿足響應(yīng)條件，則發(fā)出響應(yīng)信號，并把下一個總線傳送周期的總線控制權(quán)授予申請者。

2、尋址

獲得總線控制權(quán)的總線主設(shè)備，通過地址總線發(fā)出本次要訪問的存儲器和I/O端口的地址，經(jīng)地址譯碼選中被訪問的模塊并開始啟動數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

3、傳送數(shù)據(jù)

總線主設(shè)備也叫主模塊，被訪問的設(shè)備叫從模塊。主模塊和從模塊之間的操作是由主模塊控制在兩個從模塊之間通過數(shù)據(jù)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。

4、結(jié)束

主、從模塊的信息均從總線上撤除，讓出總線，以便其它主模塊使用。

微機(jī)總線的種類

片內(nèi)總線

它是位于大規(guī)模、超大規(guī)模集成芯片內(nèi)部各單元電路之間的總線，作為這些單元電路之間的信息通路。如CPU內(nèi)部ALU、寄存器組、控制器等部件之間的總線。

局部總線(也稱內(nèi)部總線)

通常指微機(jī)主板上各部件之間的信息通路。由于是一塊電路板內(nèi)部的總線，故又稱在板局部總線。較典型的局部總線如：IBM-PC總線，ISA總線，EISA總線，VL和PCI總線等。

系統(tǒng)總線(也稱外部總線)

是指微機(jī)底板上的總線，用來構(gòu)成微機(jī)系統(tǒng)的各插件板、多處理器系統(tǒng)各CPU模塊之間的信道。較典型的系統(tǒng)總線如：STD-BUS，MULTI-BUS，VME等。

通信總線

它是微機(jī)系統(tǒng)與系統(tǒng)之間、微機(jī)系統(tǒng)與其它儀器儀表或設(shè)備之間的信息通路。這種總線往往不是計算機(jī)專有的，而是借用電子工業(yè)其它領(lǐng)域已有的總線標(biāo)準(zhǔn)并加以應(yīng)用形成的。流行的通信總線如：EIA-RS-232C、RS-422A、RS-485，IEEE-488，VXI等總線標(biāo)準(zhǔn)。

各總線間的關(guān)系

 

 

使用總線技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

1、簡化軟、硬件設(shè)計：由于總線定義非常嚴(yán)格，任何廠家或個人都必須按其標(biāo)準(zhǔn)制作插件板，有了規(guī)范就給用戶在硬件設(shè)計上帶來了很大的方便，簡化了設(shè)計過程。

2、簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：采用標(biāo)準(zhǔn)總線，只要將各功能模塊(板)掛在總線上就可以方便的構(gòu)成微機(jī)的硬件系統(tǒng)。

3、便于系統(tǒng)的擴(kuò)充：對于采用標(biāo)準(zhǔn)總線構(gòu)成的微機(jī)系統(tǒng)，只要按總線標(biāo)準(zhǔn)和用戶擴(kuò)充要求設(shè)計或直接購買插件板插到總線插槽上就達(dá)到了擴(kuò)充的目的。

4、便于系統(tǒng)的更新：隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，新的器件不斷涌現(xiàn)，微機(jī)系統(tǒng)也要不斷更新，在采用標(biāo)準(zhǔn)總線的插件板上用新的器件取代原來的器件就可以很方便地提高系統(tǒng)性能，而不必做很大改動。

總線技術(shù)的分類

總線分類的方式有很多，如被分為外部和內(nèi)部總線、系統(tǒng)總線和非系統(tǒng)總線等等。

1、按功能分

最常見的是從功能上來對數(shù)據(jù)總線進(jìn)行劃分，可以分為地址總線(address bus)、數(shù)據(jù)總線(data bus)和控制總線(control bus)。在有的系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)總線和地址總線可以在地址鎖存器控制下被共享，也即復(fù)用。

地址總線是專門用來傳送地址的。在設(shè)計過程中，見得最多的應(yīng)該是從CPU地址總線來選用外部存儲器的存儲地址。地址總線的位數(shù)往往決定了存儲器存儲空間的大小，比如地址總線為16位，則其最大可存儲空間為216(64KB)。

數(shù)據(jù)總線是用于傳送數(shù)據(jù)信息，它又有單向傳輸和雙向傳輸數(shù)據(jù)總線之分，雙向傳輸數(shù)據(jù)總線通常采用雙向三態(tài)形式的總線。數(shù)據(jù)總線的位數(shù)通常與微處理的字長相一致。例如Intel 8086微處理器字長16位，其數(shù)據(jù)總線寬度也是16位。在實(shí)際工作中，數(shù)據(jù)總線上傳送的并不一定是完全意義上的數(shù)據(jù)。

控制總線是用于傳送控制信號和時序信號。如有時微處理器對外部存儲器進(jìn)行操作時要先通過控制總線發(fā)出讀/寫信號、片選信號和讀入中斷響應(yīng)信號等?？刂瓶偩€一般是雙向的，其傳送方向由具體控制信號而定，其位數(shù)也要根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際控制需要而定。

2、按傳輸方式分

按照數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞絼澐?，總線可以被分為串行總線和并行總線(基于各種總線技術(shù)設(shè)計電路圖集錦)。從原理來看，并行傳輸方式其實(shí)優(yōu)于串行傳輸方式，但其成本上會有所增加。通俗地講，并行傳輸?shù)耐藩q如一條多車道公路，而串行傳輸則是只允許一輛汽車通過單線公路。目前常見的串行總線有SPI、I2C、USB、IEEE1394、RS232、CAN等;而并行總線相對來說種類要少，常見的如IEEE1284、ISA、PCI等。

3、按時鐘信號方式分

按照時鐘信號是否獨(dú)立，可以分為同步總線和異步總線。同步總線的時鐘信號獨(dú)立于數(shù)據(jù)，也就是說要用一根單獨(dú)的線來作為時鐘信號線;而異步總線的時鐘信號是從數(shù)據(jù)中提取出來的，通常利用數(shù)據(jù)信號的邊沿來作為時鐘同步信號。

總線傳輸?shù)幕驹?/p>

依據(jù)前面對總線的定義可知總線的基本作用就是用來傳輸信號，為了各子系統(tǒng)的信息能有效及時的被傳送，為了不至于彼此間的信號相互干擾和避免物理空間上過于擁擠，其最好的辦法就是采用多路復(fù)用技術(shù)，也就是說總線傳輸?shù)幕驹砭褪嵌嗦窂?fù)用技術(shù)。所謂多路復(fù)用就是指多個用戶共享公用信道的一種機(jī)制，目前最常見的主要有時分多路復(fù)用、頻分多路復(fù)用和碼分多路復(fù)用等。

時分多路復(fù)用(TDMA)

時分復(fù)用是將信道按時間加以分割成多個時間段，不同的信號會要求在不同的時間段內(nèi)得到響應(yīng)，彼此信號的傳輸時間在時間坐標(biāo)軸上是不會重疊。

頻分多路復(fù)用(FDMA)

頻分復(fù)用就是把信道的可用頻帶劃分成若干互不交疊的頻段，每路信號經(jīng)過頻率調(diào)制后的頻譜占用其中的一個頻段，以此來實(shí)現(xiàn)多路不同頻率的信號在同一信道中傳輸。而當(dāng)接收端接收到信號后將采用適當(dāng)?shù)膸V波器和頻率解調(diào)器等來恢復(fù)原來的信號。

碼分多路復(fù)用(CDMA)

碼分多路復(fù)用是所被傳輸?shù)男盘柖紩懈髯蕴囟ǖ臉?biāo)識碼或地址碼，接收端將會根據(jù)不同的標(biāo)識碼或地址碼來區(qū)分公共信道上的傳輸信息，只有標(biāo)識碼或地址碼完全一致的情況下傳輸信息才會被接收。

總線主要技術(shù)指標(biāo)

評價總線的主要技術(shù)指標(biāo)是總線的帶寬(即傳輸速率)、數(shù)據(jù)位的寬度(位寬)、工作頻率和傳輸數(shù)據(jù)的可靠性、穩(wěn)定性等。

帶寬(傳輸速率)、位寬和工作頻率

總線的帶寬指的是單位時間內(nèi)總線上傳送的數(shù)據(jù)量，即每鈔傳送MB的最大數(shù)據(jù)傳輸率?？偩€的位寬指的是總線能同時傳送的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)，或數(shù)據(jù)總線的位數(shù)，即32位、64位等總線寬度的概念;總線的位寬越寬，數(shù)據(jù)傳輸速率越大，總線的帶寬就越寬。總線的工作時鐘頻率以MHz為單位，它與傳輸?shù)慕橘|(zhì)、信號的幅度大小和傳輸距離有關(guān)。在同樣硬件條件下，我們采用差分信號傳輸時的頻率常常會比單邊信號高得多，這是因?yàn)椴罘中盘柕牡姆戎挥袉芜呅盘柕囊话攵选?/p>

總線的帶寬、位寬和工作頻率，這三者密切相關(guān)，它們之間的關(guān)系：

 

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傳輸數(shù)據(jù)的可靠性

可靠性是評定總線最關(guān)鍵的參數(shù)，沒有可靠性，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都是錯誤的信息，便就失去了總線的實(shí)際意義。為了提高總線的可靠性，通常采用的措施有：

1、采用數(shù)據(jù)幀發(fā)送前發(fā)送器對總線進(jìn)行偵聽，只有偵聽到總線處于空閑狀態(tài)下時才可向總線傳送數(shù)據(jù)幀，這樣避免了不同節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)沖突。

2、采用雙絞線差分信號來傳送數(shù)據(jù)，以降低單線的電壓升降幅度，減小信號的邊沿產(chǎn)生的高次諧波。

3、適當(dāng)?shù)淖寯?shù)據(jù)的邊沿具有一定的斜坡。

4、增加匹配電阻和電容等來減少總線上信號的發(fā)射和平衡總線上的分布電容等。

5、采用合適的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和屏蔽技術(shù)等來減少受其他信號的干擾。

幾種典型的總線技術(shù)及特點(diǎn)

STD系統(tǒng)總線

1、模塊化的小板結(jié)構(gòu)、開放式的靈活組態(tài)

STD總線使得微機(jī)系統(tǒng)被劃分成若干模塊，并制作成標(biāo)準(zhǔn)的功能模板(插件卡)。用戶可根據(jù)需要選擇功能模板組成自己的微機(jī)，插件卡與外設(shè)之間可用其他方式連接，因此可以靈活方便地構(gòu)成適應(yīng)不同要求的微機(jī)系統(tǒng)。

 

 

2、高可靠性、高抗干擾能力和高信號質(zhì)量

STD總線優(yōu)良的物理特性使之具有抗惡劣環(huán)境的能力。其模塊化小尺寸結(jié)構(gòu)使其具有抗沖擊和振動的能力，也可以減少自身發(fā)熱產(chǎn)生的問題。由于STD總線采用印刷電路板邊緣做接插件，可防止插件卡反插，引腳彎曲或折斷。同時STD總線的結(jié)構(gòu)可使信號流有序地從總線接口流向用戶接口，提高了信號的質(zhì)量。

3、兼容的結(jié)構(gòu)、配套的產(chǎn)品和齊全的功能

STD總線的兼容式結(jié)構(gòu)可以使8位的STD產(chǎn)品與新標(biāo)準(zhǔn)的16位或32位STD產(chǎn)品一起工作。STD總線還支持多處理器系統(tǒng)。隨著技術(shù)的發(fā)展和STD產(chǎn)品的推廣和應(yīng)用，其標(biāo)準(zhǔn)插件板的功能不斷增強(qiáng)，配套產(chǎn)品越來越豐富，給使用帶來極大方便。

RS-232C通信總線

RS-232C是一種串行通信總線標(biāo)準(zhǔn)，也是數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)和數(shù)據(jù)通信設(shè)備(DCE)之間的接口標(biāo)準(zhǔn)，是1969年由美國電子工業(yè)協(xié)會(EIA)從CCITT遠(yuǎn)程通信標(biāo)準(zhǔn)中導(dǎo)出的一個標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)初制定這一標(biāo)準(zhǔn)的目的是為了使不同廠家生產(chǎn)的設(shè)備能達(dá)到接插的兼容性，即無論哪一家生產(chǎn)的設(shè)備，只要具有RS-232C標(biāo)準(zhǔn)接口，則不需要任何轉(zhuǎn)換電路就可以互相接插起來，但這個標(biāo)準(zhǔn)只保證硬件兼容而不保證軟件兼容。

RS-232C標(biāo)準(zhǔn)包括機(jī)械指標(biāo)和電氣指標(biāo)，其中機(jī)械指標(biāo)規(guī)定：RS-232C標(biāo)準(zhǔn)接口通向外部的連接器(插針和插座)是一個“D”型保護(hù)殼25針插頭。

 

 

RS-232C的主要特點(diǎn)

1、信號線少：RS-232C總線共有25根線，它包括有主副兩個通道，用它可進(jìn)行雙工通信。實(shí)際應(yīng)用中，多數(shù)只用主信號通道(即第一通道)，并只使用其中幾個信號(通常3~9根線)。

2、傳輸距離遠(yuǎn)(相對于并行)：由于RS-232C采用串行傳輸方式，并將TTL電平轉(zhuǎn)換成了RS-232C電平，在基帶傳輸時，距離可達(dá)30m。若是采用光電隔離20A電流環(huán)傳送，其傳輸距離可達(dá)1000m 。當(dāng)然，如果在串行接口加上調(diào)制解調(diào)器，利用有線、無線或光纖進(jìn)行傳送，其距離會更遠(yuǎn)。

3、可供選擇的傳輸速率多：RS-232C規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)傳送速率有：50，75，110，150，300，600，1200，2400，4800，9600，19200波特。可以靈活地使用于不同速率的設(shè)備。

4、抗干擾能力強(qiáng)：RS-232C采用負(fù)邏輯，空載時以+3~+25V之間任意電壓表示邏輯“0”，以-3~-25V之間任意電壓表示邏輯“1”，且它是無間隔不歸零電平傳送，從而大大提高了抗干擾能力。

RS-422A總線

RS-422A采用平衡輸出的發(fā)送器，差分輸入的接收器。發(fā)送器有兩根輸出線，當(dāng)一條線向高電平跳變的同時，另一條輸出線向低電平跳變，線之間的電壓極性因此翻轉(zhuǎn)過來。在RS-422A線路中發(fā)送信號要用兩條線，接收信號也要用兩條線，對于雙工通信，至少要有4根線。由于RS-422A線路是完全平衡的，一般情況下，RS-422A線路不使用公共地線。這使得通信雙方由于地電位不同而對通信線路產(chǎn)生的干擾減至最小。雙方地電位不同產(chǎn)生的信號成為共模干擾會被差分接收器濾波掉，而這種干擾卻能使RS-232C的線路產(chǎn)生錯誤。

 

 

RS-485總線

RS-485總線使用接口電路進(jìn)行全雙工通信，需要兩對線或4條線，使線路成本增加。RS-485適用于收發(fā)雙方共用一對線進(jìn)行通信，也適用于多個點(diǎn)之間共用一對線路進(jìn)行總線方式聯(lián)網(wǎng)，通信只是半雙工的。

 

 

由于共用一條線路，任何時刻，只允許有一個發(fā)送器發(fā)送數(shù)據(jù)，其它發(fā)送器必須處于關(guān)閉(高阻)狀態(tài)，這是通過發(fā)送器芯片上的發(fā)送允許端控制的。例如，當(dāng)該端為高電平時，發(fā)送器可以發(fā)送數(shù)據(jù)，而為低電平時，發(fā)送器的兩個輸出端都呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，好象從線路上脫開一樣。

IEEE 488總線

IEEE 488是一種并行的外總線，它是20世紀(jì)70年代由HP公司制定的。1975年IEEE以IEEE- 488標(biāo)準(zhǔn)總線予以推薦，1977年國際電工委員會(IEC)也對該總線進(jìn)行認(rèn)可與推薦，定名為IEC-IB。所以這種總線同時使用了IEEE-448，IEC-IB(IEC接口總線)，HP-IB(HP接口總線)或GP-IB(通用接口總線)多種名稱。由于IEEE-448總線的推出，使得當(dāng)用IEEE-448標(biāo)準(zhǔn)建立一個由計算機(jī)控制的測試系統(tǒng)時，不要再加一大堆復(fù)雜的控制電路，IEEE-488系統(tǒng)以機(jī)架層疊式智能儀器為主要器件，構(gòu)成開放式的積木測試系統(tǒng)，因此IEEE-488總線是當(dāng)前工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的通信總線之一。

 

 

IEEE-488總線使用的約定：1、·數(shù)據(jù)傳輸速率≤1MB/S。2、·連接在總線上的設(shè)備(包括作為主控器的微型機(jī))≤15個。3、·設(shè)備間的最大距離≤20M。4、·整個系統(tǒng)的電纜總長度≤220M，若電纜長度超過220M，則會因延時而改變定時關(guān)系，從而造成工作不可靠。這種情況應(yīng)附加調(diào)制解調(diào)器。5、·所有數(shù)字交換都必須是數(shù)字化的。6、·總線規(guī)定使用24線的組合插頭座，并且采用負(fù)邏輯，即用小于+0.8V的電平表示邏輯“1”;用大于2V的電平表示邏輯“0”。

系統(tǒng)上設(shè)備的工作方式：1、“聽者”方式：這是一種接收器，它在數(shù)據(jù)總線上接收數(shù)據(jù)，一個系統(tǒng)在同一時刻，可以有兩個以上的“聽者”在工作。2、“講者”方式：這是一種發(fā)送器，一個系統(tǒng)可以有兩個以上的“講者”但任一時刻只能有一個講者在工作。3、“控者”方式：這是一種向其他設(shè)備發(fā)布命令的設(shè)備，例如對其他設(shè)備尋址，或允許“講者”使用總線。任一時刻只能有一個控者。

IEEE- 488 總線傳送數(shù)據(jù)時序：IEEE-488總線上數(shù)據(jù)傳送采用異步方式，即每傳送一個字節(jié)數(shù)據(jù)都要利用DAV，NRFD和NDAC 3條信號線進(jìn)行握手聯(lián)絡(luò)。