7.1總線概述7.2內(nèi)總線7.3外總線7.4總線驅(qū)動與控制習題7.1總線概述7.1.1定義及分類廣義地說，總線就是連接兩個或兩個以上數(shù)字系統(tǒng)元器件的信息通路。從這個意義上講，微型計算機系統(tǒng)中所使用的芯片內(nèi)部、元器件之間、插件板卡間乃至系統(tǒng)到外設、系統(tǒng)到系統(tǒng)間的連線均可理解為總線。

1．片內(nèi)總線

顧名思義，片內(nèi)總線就是集成電路芯片內(nèi)部各功能元件之間的連接線。這類總線是由芯片的設計者來實現(xiàn)的。對于本書的讀者，即使將來自己設計ASIC芯片，其芯片內(nèi)部的連線也是由CAD軟件來完成的，自己布線是極個別的現(xiàn)象。因此，我們知道片內(nèi)總線是重要的，將來應用時予以注意就可以了。

2．元件級總線

元件級總線又稱板(卡)內(nèi)總線，用于實現(xiàn)電路板(卡)內(nèi)各元器件的連接。元件級總線對讀者來說是重要的。因為，將來很可能會接手設計一塊插在某總線上的電路板(卡)。

在設計一塊電路板(卡)時，必然要用板內(nèi)總線將板內(nèi)的元器件連接起來。板內(nèi)總線的驅(qū)動能力，總線間的干擾、反射、延時以及總線的電磁兼容性等問題都必須認真考慮。只有這樣，才能設計出工作可靠的電路板。有關問題的細節(jié)在本章的后面將做介紹。

3．內(nèi)總線

內(nèi)總線又稱系統(tǒng)總線，用于將構成微型機的各電路板(卡)連接在一起。

內(nèi)總線對微型機的設計者來說是非常重要的。如果所設計的系統(tǒng)內(nèi)總線性能很差或工作不可靠，則將直接影響所設計的計算機的性能，甚至使整個微型機系統(tǒng)不能正常工作。從微型機問世以來，有許多科學工作者致力于內(nèi)總線的研究與開發(fā)，不同機型(8位機、16位機、32位機)、不同用途、性能不一的內(nèi)總線標準不斷地涌現(xiàn)出來?，F(xiàn)在已制定的內(nèi)總線標準已超過100種，有民用級微型機內(nèi)總線標準，有工業(yè)級微型機內(nèi)總線標準，也有軍用級微型機內(nèi)總線標準。微型機系統(tǒng)設計者可以根據(jù)用戶的需求和系統(tǒng)設計方案選擇某一標準總線，也可以自己制定專用內(nèi)總線。只是前者比后者要好。

4．外總線

外總線又稱通信總線，用于實現(xiàn)微型機與外設以及微型機系統(tǒng)之間的相互連接。

從外總線的定義可以看到其功能是實現(xiàn)微型機與外設或者微型機系統(tǒng)之間相互通信的。對計算機系統(tǒng)來說，這一總線是系統(tǒng)的重要組成部分。顯然，這種總線的傳送距離比較遠，可采用串行方式或并行方式來實現(xiàn)。

同樣，從微型機問世以來，有許多科學工作者致力于外總線的研究與開發(fā)，分別制定了串行、并行的外總線標準有七八十種之多。微型機系統(tǒng)設計者可以根據(jù)用戶的需求和系統(tǒng)設計方案，在自己所設計的系統(tǒng)中選擇某一標準總線。7.1.2采用總線標準的優(yōu)點

在微型計算機系統(tǒng)中，構成系統(tǒng)的各部分都是通過總線連接到一起的，總線上的各種信號是利用總線進行傳遞的。在進行計算機系統(tǒng)設計時，必須考慮系統(tǒng)設計的標準化、模塊化和系列化，從而設計出高性能的計算機系統(tǒng)。在進行系統(tǒng)設計時，可以考慮采用通用的總線標準，這樣做可以獲得一系列的好處。

1．簡化硬、軟件的設計

從前面第2章的圖2.1可以看到，從概念上看，一臺微型計算機就是由系統(tǒng)總線將其各組成部分連接到一起構成的。當系統(tǒng)總線各信號決定之后，構成微型計算機的各部件，如CPU電路板、ROM電路板、RAM電路板、各種外設所需的接口板等可以單獨進行設計。在電路板的設計過程中，只與系統(tǒng)總線信號有關而與其他電路板沒有關系，從而使設計得以簡化。另一方面，系統(tǒng)設計的另一種方法稱為系統(tǒng)集成。如果采用總線標準，系統(tǒng)集成就很容易實現(xiàn)。例如，要構成一臺PC機，就可以簡單地購買主機箱、電源、主板、顯卡、LCD顯示器、內(nèi)存條、硬磁盤、光盤、網(wǎng)卡、聲卡及音箱、鍵盤和鼠標等。把上述配件連接到一起，就構成了PC機的基本硬件系統(tǒng)。在此基礎上，配上操作系統(tǒng)及相關軟件，則一臺PC機就集成成功了。上述PC機的集成全過程只需要幾十分鐘即可完成。為什么構成這么一套比較復雜的PC機系統(tǒng)在這么短的時間里就能完成呢？這得益于標準化。上面所有的部件都有一定的標準，當然也包括內(nèi)、外總線的標準化。這就使得上述構成PC機的各種部件，不管它是由哪個廠家生產(chǎn)的，只要它遵循所規(guī)定的標準，拿來就能用，用起來十分方便。例如，上述系統(tǒng)集成中采用了PCI總線，若要在PCI總線上插網(wǎng)卡，只要到電子市場購買總線為PCI的網(wǎng)卡即可。不管購買誰家生產(chǎn)的網(wǎng)卡，只要是應用于PCI總線上的拿來插到總線上即可工作。2．簡化了系統(tǒng)結構

采用總線標準，可以簡化微型計算機的系統(tǒng)結構。對于小的、簡單的微型機系統(tǒng)來說，根據(jù)圖2.1，可以認為是將CPU及構成微型機的各部分(ROM、RAM、各種接口)都掛接在系統(tǒng)總線上。對于較為復雜的微型機，如PC機，同樣可以認為是將構成PC機的各組成部件連接在總線上構成PC機。

在計算機的工程應用中，經(jīng)常將多個CPU以緊耦合的方式構成性能更好的多機系統(tǒng)。而許多內(nèi)總線都支持以緊耦合的方式構成多機系統(tǒng)。有了內(nèi)總線的支持，構成這樣的系統(tǒng)將變得比較容易了。

3．易于系統(tǒng)擴展

采用總線標準構成的微型機，要對其功能進行擴展將是非常容易的。例如，要擴展內(nèi)存，只要購買合適的內(nèi)存條(具有標準接口)插上即可。要在PC機上增加視頻卡，只要購買相應總線(PCI、IEEE-1394等)的視頻卡插在總線上，配上廠家提供的驅(qū)動程序即可工作?？梢姡獢U展微型機的功能，實現(xiàn)起來十分容易。這是因為總線標準一旦確定，大量的廠家都會依據(jù)這一標準生產(chǎn)各式各樣的板卡，等待用戶選用。因此，采用總線標準使系統(tǒng)擴展易于進行。試想，如果所設計的微型機采用自己定義的專用總線，要進行系統(tǒng)擴展時就必須自己從元器件級上去設計電路板卡，而從頭設計一塊電路板則決非三天兩日就能完成的。

4．便于調(diào)試

當進行微型機系統(tǒng)設計時，由于采用標準的內(nèi)總線，在某一電路板設計出來進行調(diào)試時，可以插到任何具有同樣標準內(nèi)總線的微型機上進行調(diào)試，這為硬件電路板的調(diào)試帶來極大的方便。

5．便于維修

微型機系統(tǒng)是會出現(xiàn)故障的，有了故障就需要對系統(tǒng)進行維修。目前微型機系統(tǒng)的維修通常在下面兩級上進行。一級維修，又稱為部件級維修，要求故障定位達到某一塊電路板、某一個部件或者某一個小設備。維修人員將完好的部件更換到系統(tǒng)上，使系統(tǒng)立即恢復正常工作。更換下來的故障部件由用戶單位或廠家或?qū)ｉT維修點進行仔細檢修，使它再恢復成為一塊完好的部件，處于冷備份狀態(tài)。這種維修比較容易，因為部件級的故障定位比較容易。另一種維修，稱為二級維修。所謂二級維修，主要是更換集成電路芯片及元器件的維修。實現(xiàn)這種維修，要求故障診斷的分辨率要高，要能夠確切地給出是哪個部件(或卡)上的哪塊芯片或哪個元器件出現(xiàn)故障。若能迅速診斷清楚，更換新的芯片或元器件就很容易做到。但是，二級維修要求診斷到芯片、元器件級，要能夠在系統(tǒng)出現(xiàn)故障之后很快地做出判斷，找到發(fā)生故障的元器件，這就要求系統(tǒng)維護人員有很高的技術素質(zhì)、思想作風并掌握一套合理的方法和經(jīng)驗。在進行一級維修時，若發(fā)現(xiàn)某一電路板出現(xiàn)故障，可以到市場去購買任何廠家生產(chǎn)的同一總線標準的電路板更換故障電路板，則故障可立刻得以排除。若是采用專用總線，則不可能有現(xiàn)成的電路板可以更換。若事先沒有備份，為維修就需要從頭設計該電路板，那將是一件很麻煩的事。7.2內(nèi)總線7.2.1PC機的內(nèi)總線從1981年PC機問世以來，PC機的發(fā)展極為迅速。同時，作為PC機的重要組成部分的內(nèi)總線也隨PC機的發(fā)展而發(fā)展。下面將對PC機的內(nèi)總線從低級到高級逐一加以說明。

1．PC/XT總線

PC/XT總線是最早期的PC機(以8088為CPU)的系統(tǒng)總線。它由62個插座信號構成，如表7.1所示。除了前面提到的8088的20條地址線A0～A19、8條數(shù)據(jù)線D0～D7以及內(nèi)存的讀寫控制信號、和接口的讀寫控制信號、外，還包括6個中斷請求IRQ2～IRQ7，3個DMA請求信號DREQ1～DREQ3，3個DMA響應信號DACK1～DACK3，、、AEN、RESET、OSC等信號，再就是?±5?V、±12?V電源和地信號。表7.1PC/XT總線引腳定義

PC/XT總線是一條8位內(nèi)總線，利用該總線讀寫內(nèi)存或接口，每次只能傳送8位數(shù)據(jù)。同時，總線上的地址線只有20條，其尋址內(nèi)存的范圍很小，只有1?MB。由于當時的CPU時鐘頻率只有4.77?MHz，使這條總線傳輸速率很慢。另外，該總線上可實現(xiàn)的中斷請求、DMA請求和DMA響應的數(shù)量也比較少。可見，這條總線是很低級的，僅能滿足當時最簡單的應用需要。2．ISA總線

隨著技術的發(fā)展，1982年Intel公司推出了80286，接著在1984年IBM利用80286開發(fā)出PC/AT微型機。作為超級16位機的80286構成的計算機無法使用原來的8位系統(tǒng)總線。于是，IBM開發(fā)了相應的PC/AT總線。此后，PC/AT總線被IEEE定為一種內(nèi)總線標準，這就是ISA。

ISA是工業(yè)標準總線。它向上兼容更早的PC/XT總線，在PC/XT總線62個插座信號的基礎上，再擴充另一個36個信號的插座構成ISA總線，擴充插座的定義如表7.2所示。表7.2ISA總線擴充插座引腳定義

ISA總線主要包括24條地址線，可尋址內(nèi)存地址空間增加到16?MB；16條數(shù)據(jù)線；控制總線(內(nèi)存讀寫、接口讀寫、中斷請求、中斷響應、DMA請求、DMA響應等)，±5?V、

±12?V電源、地線等。

ISA總線新增加了8條數(shù)據(jù)線、4條地址線、7個中斷請求、4個DMA請求、4個DMA響應等信號。使ISA總線成為尋址內(nèi)存為16?M的16位總線。

是系統(tǒng)總線上的高字節(jié)允許信號，當該信號為低電平時，表示數(shù)據(jù)線SD8到SD15上正在傳送數(shù)據(jù)的高字節(jié)。是存儲器16位數(shù)據(jù)選中信號，當該信號有效(低電平)時，表示總線上傳送的16位數(shù)據(jù)是內(nèi)存數(shù)據(jù)。是接口16位數(shù)據(jù)選中信號，當該信號有效(低電平)時，表示總線上傳送的16位數(shù)據(jù)是接口數(shù)據(jù)。在ISA總線中，B8定義為OWS零等待狀態(tài)信號。

當該信號為高電平時，通知CPU插入等待的時鐘周期；而當該信號為低電平時，命令CPU無需插入等待的時鐘周期。是新增的主控信號，總線上的設備利用這個信號可以將自己變成總線的主控器，控制整個ISA總線完成諸如DMA等的數(shù)據(jù)傳送。另外，ISA總線新定義了和內(nèi)存讀寫控制信號，它們與PC/XT總線上的和的區(qū)別在于XT上的信號用于尋址1?MB的內(nèi)存地址空間，而和則可以尋址整個16?MB的內(nèi)存地址空間。

ISA總線的性能不是很高，它的地址線只有24條，故內(nèi)存尋址空間只有16?MB。它是一條16位的總線，總線上的數(shù)據(jù)線只有16條?？偩€的最高工作頻率為8?MHz，其數(shù)據(jù)最高傳送速率只有16?MB/s。這樣的總線性能已能滿足當時的使用要求，故在1984年之后的十幾年里，ISA總線得到了極為廣泛的應用，大批廠家以該總線為依據(jù)開發(fā)了大批的硬件電路板和相應的軟件。直到今天，ISA總線在一些工業(yè)控制系統(tǒng)中仍有使用。

3．EISA總線

上面提到的ISA總線對于16位CPU是很合適的，例如80286、80386SX等CPU。但是，當80386DX(32位CPU)開發(fā)出來之后，ISA總線就無法適應32位CPU的性能要求。為此，不少廠家在這個時期推出了多種32位的內(nèi)總線標準，例如VL總線、EISA總線等。其中稍具影響的就是EISA(擴展的工業(yè)標準結構)總線。

EISA總線是在ISA總線的基礎上發(fā)展起來的32位總線。該總線定義32位地址線、32位數(shù)據(jù)線，以及其他控制信號線、電源線、地線等共196個接點?？偩€傳輸速率達33?MB/s。該總線利用總線插座與ISA總線相兼容，插板插在上層即為ISA總線信號；將插板接到下層便是EISA總線。

盡管EISA總線在性能上比ISA總線要好得多，而且是一條32位的總線標準。但是，該標準并未得到很廣泛的應用，不久它就被新推出的標準PCI所取代。鑒于這一原因，這里就不再做更多的說明。

4．PCI總線

1992年由Intel公司推出了PCI(外部設備互連)總線標準，該總線具有很好的性能和特點，一經(jīng)推出就立即得到廣泛的應用。目前的PC機主板上無一例外地都配置多個PCI總線插槽。

1)?PCI總線的特點

PCI總線是一種不依賴任何具體CPU的局部總線，也就是說它獨立于CPU，因為PCI總線與CPU之間隔著北橋芯片。實際上是通過北橋芯片實施對PCI管理的。這里對PCI不做詳細描述，只說明PCI的一些特點。

(1)高性能。PCI的總線時鐘頻率為33?MHz/66?MHz。而且在進行64位數(shù)據(jù)傳送時，其數(shù)據(jù)傳送速率可達到66?M?×?8?B?=?528?Mb/s。這樣高的傳輸速率是此前其他內(nèi)總線所無法達到的。在PCI的插槽上，可以插上32位的電路板(卡)，也可插上64位的電路板(卡)，實現(xiàn)兩者相兼容。

(2)總線設備工作與CPU相對獨立。在CPU對PCI總線上的某設備進行讀寫時，要讀寫的數(shù)據(jù)先傳送到緩沖器中，通過PCI總線控制器進行緩沖，再由CPU處理。當寫數(shù)據(jù)時，CPU只將數(shù)據(jù)傳送到緩沖器中，由PCI總線控制器將數(shù)據(jù)寫入規(guī)定的設備。在此過程中，CPU完全可以去執(zhí)行其他操作。可見，PCI的工作與CPU是不同步的，CPU的速度可能很快而PCI相對要慢一些，它們是相對獨立的。這一特點就使得PCI可以支持各種不同型號的CPU，具有更長的生命周期。

(3)即插即用。即插即用指PCI總線上的電路板(卡)，插在PCI總線上立即就可以工作。PCI總線的這一特點為用戶帶來極大的方便。

在此前的總線上，例如ISA上，可以插上不同廠家生產(chǎn)的電路板(卡)。但不同廠家電路板(卡)有可能發(fā)生地址競爭而無法正常工作。解決的辦法就是利用電路板(卡)上的跳

線開關通過跳線改變地址而克服地址競爭。在PCI總線上就不存在這樣的問題，此總線上的接口地址是由PCI控制器自動配置的，不可能發(fā)生競爭。所以，電路板(卡)插上就

可用。

(4)支持多主控設備。接在PCI總線上的設備均可以提出總線請求，通過PCI管理器中的仲裁機構允許該設備成為主控設備，由它來控制PCI總線，實現(xiàn)主控設備與從屬設備間點對點的數(shù)據(jù)傳輸。并且，PCI總線上最多可以支持10個設備。

(5)錯誤檢測及報告。PCI總線能夠?qū)λ鶄魉偷刂芳皵?shù)據(jù)信號進行奇偶校驗檢測，并通過某些信號線來報告錯誤的發(fā)生。

(6)兩種電壓環(huán)境。PCI總線可以在5?V的電壓環(huán)境下工作，也可以在3.3?V的電壓環(huán)境下工作。

2)?PCI總線的信號

(1)?PCI總線引腳信號安排。PCI總線定義了兩種PCI擴展卡及連接器(即主板上的PCI插槽)：長卡和短卡。

短卡為32位總線而設計，插槽分為A、B兩邊，每邊定義62個引腳信號，故短卡共有124個引腳。

長卡為64位總線而設計，插槽分為A、B兩邊，每邊定義94個引腳信號。很顯然，長卡的A、B兩邊，每邊的前62個引腳信號與短卡信號是完全一樣的，以便長卡完全兼容短卡。同時，長卡又單獨定義了A、B兩邊的其他各32個信號。PCI總線的信號如表7.3所示。表7.3PCI總線引腳定義

(2)?PCI總線信號分類。PCI總線信號分為如下幾類：

a.地址及數(shù)據(jù)信號

AD0～AD63是地址/數(shù)據(jù)信號，雙向三態(tài)在時間上是復用的信號，即某一時刻這些信號線上傳送的是地址信號而在另外的時刻這些信號線上傳送的是數(shù)據(jù)信號。

C/～C/是命令/字節(jié)選擇信號，雙向三態(tài)在時間上是復用的信號。在傳送地址期間，這些信號線上傳送總線命令。在傳送數(shù)據(jù)期間，它們用來指定64位數(shù)據(jù)中哪個(或哪些)字節(jié)有效。

b.接口控制信號為幀周期信號，低電平有效的雙向三態(tài)信號。由當前的主控設備驅(qū)動，它有效表示一次總線傳輸開始并持續(xù)。是主控設備準備好信號，低電平有效的雙向三態(tài)信號。該信號有效表示發(fā)起一次傳輸?shù)脑O備已準備好，能完成一次數(shù)據(jù)傳送。是從屬設備準備好信號，低電平有效的雙向三態(tài)信號。該信號有效表示從屬設備已經(jīng)做好了完成本次數(shù)據(jù)傳送的準備。是停止數(shù)據(jù)傳送信號，低電平有效的雙向三態(tài)信號。該信號有效表示從屬設備要求主控設備停止當前的數(shù)據(jù)傳送。

LOCK為鎖定信號，低電平有效的雙向三態(tài)信號。該信號有效表示驅(qū)動它的設備需要多個傳輸才能完成其操作。

IDSEL為初始設備選擇信號，此信號是輸入信號。在參數(shù)配置讀寫期間用作片選信號。為設備選擇信號，低電平有效的雙向三態(tài)信號。該信號變?yōu)榈碗娖綍r，表示驅(qū)動它的設備變?yōu)閺膶僭O備。

c.仲裁信號由于PCI總線上的設備都有可能成為主控設備來控制總線，實現(xiàn)規(guī)定的數(shù)據(jù)傳送，因此當多個設備同時希望成為主控設備時，就需進行仲裁，以決定哪個設備能夠成為主控設備。為總線占用請求信號，低電平有效的三態(tài)信號。該信號有效時表示驅(qū)動它的設備請求占有總線。

GNT為總線占用允許信號，低電平有效的三態(tài)信號。該信號有效，向請求占用總線的設備表明其占用請求已獲得批準。

d.系統(tǒng)信號

CLK是PCI總線系統(tǒng)的時鐘信號。對所有的PCI上的設備來說它都是輸入信號，該信號決定了PCI的傳輸速率。初期的CLK為33?MHz，后來有66?MHz，如今這個時鐘可達100?MHz。

RST是復位信號，低電平有效的輸入信號。該信號使PCI總線專用的特殊寄存器和定序器恢復到初始狀態(tài)。

e.錯誤報告信號為數(shù)據(jù)奇偶校驗錯誤報告信號，低電平有效的雙向三態(tài)信號。在一個數(shù)據(jù)期完成時，如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)奇偶校驗錯，則立即產(chǎn)生有效。為系統(tǒng)錯誤報告信號，低電平有效的漏極開路信號。該信號用來報告地址奇偶校驗錯、特殊命令序列中奇偶校驗錯或者其他可能引起致命后果的系統(tǒng)錯誤。

f.中斷信號、、、為4個中斷請求信號，低電平有效的漏極開路信號。其作用是用于請求一次中斷，而后三個信號只用于多功能設備。對于單功能設備，中斷請求只能用；對于多功能設備，最多可允許有四個中斷請求，可分別接這四條中斷請求信號線。

g.高速緩存支持信號在PCI總線上可以配置高速緩沖存儲器，為了更好地利用高速緩存，設置支持信號：為試探返回信號，低電平有效的輸入/輸出信號。該信號有效表示命中了一個修改過的行。

SDONE為監(jiān)聽完成信號，低電平有效的輸入/輸出信號。當該信號為高電平時表示監(jiān)聽正在進行；當其為低電平時表示監(jiān)聽己經(jīng)完成。

h.?64位擴展總線有關信號在進行64位傳送時，需要前面提到的AD0～AD63這64條信號線和C/～C/這8個信號。除此之外還需要如下幾個支持信號：為64位請求信號，低電平有效的雙向三態(tài)信號。該信號由當前的主控設備驅(qū)動，表示該設備需要進行64位的數(shù)據(jù)傳送。為64位傳輸?shù)捻憫盘?，低電平有效的雙向三態(tài)信號。該信號由從屬設備驅(qū)動，表示該設備將按照64位進行數(shù)據(jù)傳送。為奇偶雙字節(jié)校驗信號，高電平有效的雙向三態(tài)信號。該信號是對AD32～AD63和C/～C/的奇偶校驗信號。主板上的PCI總線是由北橋產(chǎn)生和控制的(也有用其他超大規(guī)模IC芯片產(chǎn)生和控制的)。顯然，PCI的管理由該芯片來完成。插在PCI總線插槽上的設備稱為目標設備，目標設備與PCI總線的接口也是專用的IC芯片，是一片包括多種元件的超大規(guī)模集成電路芯片。在此接口芯片中還包括256個字節(jié)的用于配置的存儲空間。利用軟件對這些字節(jié)進行配置，便可以實現(xiàn)板卡的即插即用。256個字節(jié)的配置空間如圖7.1所示。圖7.1配置存儲空間有關圖7.1所示的配置空間各部分的細節(jié)此處不做詳細說明，留待后面的章節(jié)再加以討論。

這里要強調(diào)的是在將設備接到PCI總線上時，要采用廠家為我們提供的專用接口芯片。許多廠家為人們提供了多種形式的PCI接口芯片可供使用者隨意選用，可達到事半功倍的效果。如果找不到合適的接口芯片，可以用CPLD(復雜的可編程邏輯器件)或者用FPGA(現(xiàn)場可編程通用陣列)通過編程來實現(xiàn)PCI接口的功能。不可用小規(guī)模集成電路芯片去構成此接口，若非要那樣做肯定是出力不討好。7.2.2工控機的內(nèi)總線標準

工業(yè)控制領域中的微型計算機應用范圍非常廣，從家用電器到工業(yè)企業(yè)中的測量控制直到軍事領域中的各種軍事裝備，都會用到微型計算機。目前，人們將工控機納入嵌入式計算機系統(tǒng)范疇。有關嵌入式計算機系統(tǒng)的內(nèi)容在此不多涉及。就工業(yè)控制微型計算機而言，讀者將來在工作中很可能會涉及到。這種計算機是硬、軟件適應于用戶要求，在實時性、可靠性、體積、重量、耗電、安裝方式等方面都有特別要求的一種專用的計算機系統(tǒng)。在這樣的系統(tǒng)中，內(nèi)總線的性能將對系統(tǒng)產(chǎn)生重要的影響。工控機的內(nèi)總線有許多種標準，本書無法一一涉及，下面準備向讀者陳述工控機內(nèi)總線發(fā)展的三代過程：即從第一代STD，到第二代IPC，再到第三代CompactPCI的工控機內(nèi)總線的發(fā)展路線。目前，正處于第三代剛剛開始的時期。

1．STD總線

STD總線是1978年由美國推出的用于工業(yè)控制系統(tǒng)的內(nèi)總線標準。該標準一經(jīng)推出立刻受到工業(yè)控制領域技術人員的廣泛歡迎并得到迅速發(fā)展。1984年該標準也成為中國工業(yè)控制機的內(nèi)總線標準。在整個上世紀80年代，該總線標準在全世界風靡一時。

1)?STD總線的特點

STD總線有如下一些特點：

(1)?STD總線有較好的兼容性。STD有8位、16位及32位的總線標準，它們是向上兼容的。例如，32位總線插上16位的電路板、8位的電路板均可正常工作。

(2)可靠性高。STD總線采取了一整套可靠性措施，使采用該總線構成的工業(yè)控制機可以長期可靠地工作在惡劣環(huán)境之下。

(3)支持多機系統(tǒng)。STD總線可以支持在其總線上連接多個處理器，構成性能更高的多機系統(tǒng)。

(4)結構簡單。STD總線結構簡單，電路板采用高度模塊化的小板結構，可以根據(jù)用戶要求集成為不同規(guī)模的系統(tǒng)。

(5)支持廠家多。支持STD總線的廠家非常多，生產(chǎn)支持各種處理器的各種STD電路板(卡)，有利于用戶構成價格低廉的STD系統(tǒng)。

2)?STD總線的信號定義

最初，STD總線是針對8位微型機的，定義了56個信號。之后STD總線經(jīng)改進，采用復用技術使原定義的56個信號的STD既可支持8位機又支持16位機。盡管在后來STD總線發(fā)展為114個信號，直到可以支持32位的136個信號的STD總線標準。國內(nèi)大多采用56個信號的8位、16位兼容的STD總線，其信號定義如表7.4所示。表7.4STD總線的信號定義

3)?STD總線的衰落

正如前面提到的,在整個上世紀80年代，工控機的內(nèi)總線幾乎是STD的天下，其應用十分廣泛。但是，隨著技術的發(fā)展以及用戶對工控機在功能及性能上的要求不斷提高，STD總線暴露出一些問題，主要表現(xiàn)在：

(1)插頭可靠性問題。STD總線插頭采用“金手指”插拔，在插拔過程中容易造成插頭邊緣的銅箔斷裂。一旦插頭的銅箔斷裂，必然使插頭接觸不上從而使總線工作不可靠。

(2)信號輸入輸出采用扁平電纜。STD總線上的模擬輸入及數(shù)字信號采用扁平電纜，在信號傳送過程中很容易受到干擾而影響系統(tǒng)的可靠性。

(3)顯示方式落后。在STD系統(tǒng)中經(jīng)常采用LED數(shù)碼顯示器，這樣的顯示器在使用者對控制系統(tǒng)進行參數(shù)設定及其他參數(shù)初始化時會感到不夠方便。

(4)資源浪費。STD總線在設計中考慮到系統(tǒng)的通用性、系統(tǒng)的可擴展性，使系統(tǒng)有許多冗余，這必然造成資源上的浪費。

正因為上述種種原因，從上世紀90年代中期開始，作為第一代工控技術代表的STD的應用開始衰落，而基于PC的工業(yè)控制機(IPC)的應用開始興起。盡管同其他事物一樣，STD總線不會驟然徹底退出工控機的應用領域，在今后的若干年內(nèi)還會有一些工控系統(tǒng)使用它，但是STD總線的逐漸衰落將是不爭的事實。

2．基于PC(PC-based)的工控機總線

基于PC的工控機造就了第二代工控機技術，開創(chuàng)了一個PC-based系統(tǒng)的新時代。

1981年IBM公司正式研發(fā)出了IBM

PC機，獲得了極大成功。工業(yè)PC自上世紀90年代初進軍工業(yè)自動化以來，正勢不可擋地進入各領域，獲得了廣泛應用。究其原因，在于PC機的開放性，在它的應用和發(fā)展過程中積累了極為豐富的硬件資源、軟件資源和人力資源，既得到廣大工程技術人員的支持，也為廣大用戶所熟悉，這是IPC熱的基礎。當時著名的《控制工程》(《CONTROL

ENGINERRING》)雜志就預測“90年代是工業(yè)IPC的時代，全世界近65%的工業(yè)計算機將使用IPC，并繼續(xù)以每年21%的速度增長”。歷史的發(fā)展已經(jīng)證明了這個論斷的正確性。

IPC在中國的發(fā)展大致可以分為三個階段：

第一階段是從20世紀80年代末到90年代初，這時市場上主要是國外品牌的昂貴產(chǎn)品。第二階段是從1991年到1996年，臺灣生產(chǎn)的價位適中的基于ISA總線的工業(yè)控制PC(IPC)的工控機開始大量進入大陸市場，這在很大程度上加速了IPC市場的發(fā)展，IPC的應用也從傳統(tǒng)工業(yè)控制向數(shù)據(jù)通信、電信、電力等對可靠性要求較高的行業(yè)延伸。

第三階段是從1997年開始，大陸本土的IPC廠商開始進入該市場，促使IPC的價格不斷降低，也使工控機的應用水平和應用行業(yè)有了極大發(fā)展，應用范圍不斷擴大，IPC也隨之發(fā)展成了中國第二代主流工控機技術。值得一提的是，IPC工控機開創(chuàng)了一個嶄新的PC-based時代，對工業(yè)自動化和信息化技術的發(fā)展產(chǎn)生了深遠的影響。

在第二代工控機技術里，還需要提及一個比較成功的技術——PC/104總線技術?；贗SA總線的PC/104總線問世于1992年，具有許多優(yōu)異的特點，主要應用于軍事和醫(yī)療設備。1997年PC/104擴展成PC/104-Plus，增加了PCI總線定義。PC/104總線工控機依靠自身的特點和不斷地完善，還將繼續(xù)在其傳統(tǒng)優(yōu)勢領域占有一席之地。

1)基于PC的工業(yè)控制機(IPC)的特點

(1)基于PC的技術有取之不盡的人才。從PC機誕生、PC技術應用至今已有二十多年的歷史，已經(jīng)有太多人了解PC技術。從硬件到軟件，熟悉它們的技術人員比比皆是，這是IPC發(fā)展的先決條件。

(2)成本低。人們都會明顯的感覺到，PC機的性能不斷地提高而其價格卻不斷地降低。構成IPC的硬件產(chǎn)品都在大批量生產(chǎn)，其價格在不斷地降低。

(3)豐富的硬軟件資源的支持。PC機技術已有幾十年的歷史，硬件開發(fā)和軟件開發(fā)上積累了一大批可以利用的資源。許多硬件電路的設計、許多已使用成熟的應用軟件乃至DOS、Windows、Linux等多種操作系統(tǒng)均可用于IPC中。

(4)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。在構成系統(tǒng)的硬件方面，目前的IC及其他硬件的穩(wěn)定性、可靠性已經(jīng)可以做得很高。高度的集成化、一體化已經(jīng)可以確保硬件的穩(wěn)定性和可靠性。在軟件方面，關鍵在于操作系統(tǒng)，目前應用的主要操作系統(tǒng)是WindowsCE和Linux，這兩種操作系統(tǒng)的應用已經(jīng)多年，應用中證明這些操作系統(tǒng)是穩(wěn)定可靠的。

(5)強大的數(shù)據(jù)處理能力。在今后的工業(yè)控制機中，要處理的數(shù)據(jù)除了過去傳統(tǒng)的測量控制參數(shù)之外，還會包括大數(shù)據(jù)量的聲音、圖像數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)的處理要求系統(tǒng)有強大的數(shù)據(jù)處理能力，而以PC機為核心的IPC恰恰具備這種能力。

2)?PC/104總線

基于PC的工業(yè)控制機(IPC)的內(nèi)總線的典型代表就是PC/104總線。之所以稱PC/104是因為它是基于PC機的，而且總線有兩個連接器：一個是有64引腳的連接器P1，另一個是有40引腳的連接器P2。兩者的總引腳數(shù)為104。

PC/104是一種專門為嵌入式控制而定義的工業(yè)控制總線，近年來在國際上廣泛流行，被IEEE協(xié)會定義為IEEE—P996.1。我們知道，IEEE—P996是ISA(PC/AT)工業(yè)總線規(guī)范，而從PC/104被定義為IEEE—P996.1就可以看出，PC/104實質(zhì)上是一種緊湊型、小型化的IEEE—P996。其信號定義和ISA(PC/AT)一致，但電氣和機械規(guī)范卻完全不同，是一種優(yōu)化的、小型堆棧式結構的嵌入式控制系統(tǒng)總線。

PC/104總線產(chǎn)品在軟件上與PC/AT完全兼容。在硬件上與ISA(PC/AT)主要存在著以下幾方面的不同：

(1)小尺寸結構，標準模塊的機械尺寸為3.6×3.8英寸(96×90?mm)。

(2)堆棧式“針”“孔”總線連接，即PC/104總線模塊之間總線的連接是通過上層的針和下層的孔相互咬合相連，有極好的抗震性。

(3)?4?mA總線驅(qū)動即可使模塊正常工作，低功耗，減少元件數(shù)量。

(4)自我堆棧式連接，無須母板?！?PC/104的總線電路板結構

根據(jù)PC/104總線的規(guī)范，總線上的電路板如圖7.2所示。電路板的長、寬分別如上所述。板上的插座為針孔而插頭便是插針，上一塊板的插針就插在底下電路板的針孔中，所以才稱其為堆棧式連接。圖7.2PC/104電路板及插座值得說明的是電路板在結構上支持8位的PC/XT總線，也支持16位的ISA總線。每一塊電路板上都有兩個插頭(座)，分別是J1(P1)和J2(P2)。當工作在8位的PC/XT總線上時，電路板上只有一個插頭(座)J1(P1)；而當工作在16位的ISA總線上時，則電路板上就用兩個插頭(座)。下面將會看到，插頭(座)J1(P1)對應著PC/XT總線信號，而插頭(座)J1(P1)和J2(P2)則對應著ISA總線信號?！?PC/104的信號定義

根據(jù)2003年公布的PC/104規(guī)范版本V2.5，PC/104的兩個插頭(座)J1(P1)和J2(P2)的引腳信號定義分別如表7.5和表7.6所示。表7.5PC/104插頭(座)J1(P1)的引腳信號表7.6PC/104插頭(座)J2(P2)的引腳信號

3)?PC/104的發(fā)展——PC/104PLUS

技術的發(fā)展加上用戶的需求，在PC/104總線技術的基礎上，推出了PC/104PLUS。PC/104PLUS是專為PCI總線設計的，可以連接高速外接設備。PC/104PLUS

在硬件上通過使用一個3×40即帶有120個針孔和插針的插頭座，將電路板堆疊在一起。PC/104PLUS包括了PCI規(guī)范2.1版要求的所有信號。為了向下兼容，PC/104PLUS保持了PC/104的所有特性。

PC/104PLUS與PC/104相比有以下一些特點：

a.為了連PCI信號，在原有PC/104電路板上增加了一個帶有120個針孔和插針的插頭座，用以支持

PCI總線信號，見圖7.3。

b.改變了電路板上面元器件的高度限制，由PC/104的11.05?mm英寸降低為8.76?mm，電路板下面的高度由2.54?mm增加到4.83?mm，以便增加模塊的柔韌性。

c.加入了控制邏輯單元，以滿足高速度總線的需求。

d.?PC/104PLUS用120針2?mm孔堆棧插座連接，而32位PCI總線用124針插槽連接。

e.120針的PCI不支持64位擴展和JTAG、PRSNT或

CLKRUN

信號。

f.?PC/104PLUS規(guī)范包含了兩種總線標準：ISA總線和PCI總線。這有點像前幾年的PC那樣，在那種PC機里既有PCI總線也有ISA總線，雙總線并存于同一微型機中。

PC/104PLUS電路板如圖7.3所示。圖7.3PC/104PLUS電路板及插座由圖7.3可以看到，電路板的右邊保留了圖7.2中PC/104的兩個插頭座，也就是說PC/104PLUS完全保留了PC/104的總線信號。同時，在電路板的左側(cè)又增加了一個具有120針孔和插針的插頭座，用以傳送PCI總線信號。

在圖7.3所示的電路板上，用于PC/104總線的兩個插頭座針孔間(前后、左右)的距離均為2.54?mm，而用于連接PCI總線的插頭座針孔間(前后、左右)的距離則均為2?mm。有關PC/104PLUS的詳細內(nèi)容可參考相關規(guī)范。作為第二代工業(yè)控制機總線代表，PC/104和PC/104PLUS正在發(fā)展過程中，已獲得廣泛的應用。今后，PC/104和PC/104PLUS還會繼續(xù)發(fā)展和廣泛應用。

這一時期的工業(yè)控制機總線標準還有許多。例如，AT96總線是由德國西門子公司發(fā)起制定的工控機總線標準，在德國和歐美得到了相當廣泛的應用。至于其他IPC的內(nèi)總線，本書不再提及。

3．CompactPCI

如前所述，IPC工控機是在PC機的基礎上，在機箱、結構等方面作適當改造，保留了PCI-ISA總線的有源底板，開發(fā)和擴充了系列工業(yè)I/O模板而構成的。自上世紀90年代初以來，由于PCI總線的開放性、高性能、低成本、通用操作系統(tǒng)等諸多方面的優(yōu)點，使其得到迅速的普及和發(fā)展。

1)?CompactPCI的特點

CompactPCI是一種新的開放式工業(yè)計算機標準，它是PCI總線技術和成熟的歐式卡組裝技術的結合。采用CompactPCI既能吸收PC機最新的技術成果，又具有滿足工業(yè)實時應用所必需的功能及性能。該總線標準的主要特點是：

(1)兼容性好。在電氣、邏輯和軟件方面，CompactPCI與PCI標準完全兼容。在CompactPCI總線上可以利用積累了十余年的PCI上的硬件資源和軟件資源。因此，CompactPCI

具有前述PCI的

高性能：在32位、工作頻率為33?MHz時，總線的數(shù)據(jù)傳輸速度可達到132?MB/s.，從而滿足了CPU速度的提高對總線性能的要求。CompactPCI也具備PCI適應性強的特點，使CompactPCI總線獨立于CPU的類型，在使用中可選擇CPU的范圍較寬。同時，CompactPCI也具備即插即用等PCI所具備的其他性能。

(2)系統(tǒng)抗震性強。CompactPCI電路板上下有導軌固定，電路板的前端通過氣密性的針孔連接器和背板相連，每個接頭具有10?kg的結合力。電路板可以通過面板螺絲固定在機箱上。CompactPCI電路板的前后上下都被固定，系統(tǒng)抗震性大大提高。由于CompactPCI具備更好的機械特性，因此它增強了PCI系統(tǒng)在各種條件惡劣的工業(yè)環(huán)境中的可維護性和可靠性。

(3)支持熱插拔。支持熱插拔即配備允許帶電拔插工作的電路板，其最基本的目的是要求帶電拔插單板而不影響系統(tǒng)運行，以便維修故障板或重新配置系統(tǒng)。熱插拔技術可以提供有計劃地訪問熱插拔設備，允許在不停機或很少需要操作人員參與的情況下，實現(xiàn)故障恢復和系統(tǒng)重新配置。熱插拔技術可以提高應用的可靠性。為了支持熱插拔，CompactPCI的背板連接器使用長中短插針結構，其中電源和地的針腳最長，可以保證電路板安全地帶電插入和拔出。此外板選信號IDSEL、BD－SEL#針腳最短，其他總線信號和部分電源信號是中長針。連接器插座J1插孔有長針、中長針和短針插孔，而J2插座都是中長針插孔。系統(tǒng)根據(jù)短針信號可以判斷電路板是在插入過程還是拔出過程。另外，CompactPCI制定了熱插拔的硬件過程和軟件管理接口，保證了電路板熱插拔過程的有效性。有關如何實現(xiàn)熱插拔的技術細節(jié)可查閱相關資料。

(4)高可靠性。在CompactPCI電路板的設計中，拋棄IPC傳統(tǒng)機械結構，改用經(jīng)過20年實踐檢驗證明具有高可靠性的歐洲卡結構和針孔連接。機械方面遵循IEEE—1101.1標準，符合Eurocard(歐洲卡)的尺寸規(guī)范。與PCI不同的是，CompactPCI有高密度(2?mmpitch)的接頭，更有利于電路板卡的穩(wěn)定性，快速抽取式的把手便于更換和維修、改善了散熱條件，提高了抗震動沖擊能力，符合電磁兼容性要求。

CompactPCI拋棄了IPC的“金手指”式互連方式，改用2mm密度的針孔連接器，具有氣密性、防腐性，進一步提高了可靠性，并增加了負載能力。無源母板和電路模板垂直放置，抗沖擊、抗震動能力強。CompactPCI開發(fā)者遵循PICMG所制定的規(guī)范來設計，使CompactPCI系統(tǒng)具有很高的可靠性。

(5)背板結構，支持后走線，更有利于配線。在CompactPCI系統(tǒng)中，其他電路模板都是插在具有N個針孔插座的無源背板(亦稱母板)上。背板上的插座數(shù)量N由系統(tǒng)設計者根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模來確定，可多可少。

背板的前面用于插電路板，在其后面則支持后走線。CompactPCI電路板的信號線不用從電路板前面板引出，可以通過背板將信號線用轉(zhuǎn)接板從后端引出。當更換電路板時，只需將新電路板插上而不需要更換信號線，這樣減少了更換電路板的工作量并減小了因更換信號線而引起的出錯概率。此外，信號線從后端引出，設備前端也會更美觀。

(6)?CompactPCI電路板具有更好的電氣特性。CompactPCI背板插針和接頭全部鍍金，并嚴格定義了信號線的最長長度、PCB板的阻抗、去耦電容、PCI上拉電阻阻值等。因此，CompactPCI的電氣特性要優(yōu)于普通PCI工控機。單個CompactPCI總線段最多可以支持7個PCI設備，而普通PCI工控機只能支持4個PCI設備。

(7)良好的熱設計。CompactPCI電路板采用歐洲規(guī)范卡結構，卡片垂直安裝，系統(tǒng)的散熱氣流從下向上吹，符合空氣對流原理，散熱效果好。合理的散熱結構設計便于均勻散熱，降低元件失效率。

(8)防腐和電磁屏蔽性好。CompactPCI使用2mm氣密性針孔總線連接器。使鹽霧、酸霧、腐蝕性氣體及帶電粉塵不能腐蝕總線。此外，CompactPCI的全鋁合金機箱外殼和電路板上的U型彈簧片能給系統(tǒng)提供良好的電磁屏蔽保護。

(9)抗靜電性能好。CompactPCI電路板的底端具有3段靜電導出條，可將靜電導出到大地。另外，CompactPCI規(guī)定系統(tǒng)的邏輯地和機箱地隔離，即所謂“浮地”，從而保證系統(tǒng)不受外界干擾。

(10)機箱深度淺，便于機柜安裝。CompactPCI的機箱深度只有258?mm，大大短于普通工控機的機箱深度400～450?mm，給機柜安裝留下了更大空間。這樣便于用戶安裝其他配線設備。同時，深度比較淺的機箱也有利于維修和更換電路板。

2)?CompactPCI電路板結構

●背板

根據(jù)1995年PICMG公布的CompactPCI總線規(guī)范V1.0中的規(guī)定，CompactPCI總線背板由8個針孔插座構成，其示意圖如圖7.4所示。圖7.4CompactPCI背板示意圖由圖7.4可以看到，8個插座中第1個插座為系統(tǒng)插座，其余7個為外設插座。正如前面所提到的，插座的前面可以插電路板，而插座的后面可以通過特定的連接器，從背板的后面引線。

背板的插座是7×47個針孔的插座，其排列如圖7.4所示。針孔插座列的序號從下到上為1到47列，其中12到14列為定位鍵的位置。該插座針孔信號的定義見后面的說明。

背板插座間的中心間距為20.32?mm。其他有關背板的詳細信息見CompactPCI總線規(guī)范?！耠娐钒?/p>

根據(jù)歐洲工業(yè)標準，CompactPCI總線上的電路板有兩種尺寸：

一種是3U板的標準，其尺寸為100.00?mm×160.00?mm。板上只有一個插針插頭，可以插在圖7.4所示的背板上。在插座上已包含了所有CompactPCI總線規(guī)范所規(guī)定的信號，詳見下文。另一種是6U板的標準，其尺寸為233.35?mm×160.00?mm。板上有兩個帶有插針的插頭，其中一個與3U板的插頭完全一樣，同時增加了第二個帶有插針的插頭，這個插頭上的信號是由用戶根據(jù)自己的需要自行定義的。顯然，在6U板之下，背板也要改變，每塊電路板的位置上，針孔插座由3U規(guī)范的一個增加為兩個，以便使6U板能插到插座上。

從上面的電路板規(guī)范可以看到，3U板和6U板的長度是完全一樣的。不同的是寬度不一樣。

1997年10月，PICMG發(fā)布了PICMG2.0Revision3.0。它是CompactPCI總線的核心標準，也是CompactPCI技術的精髓。它由三項領先技術綜合而成：PCI局部總線的電氣特性(PCISIG)、工業(yè)級歐洲卡封裝結構和規(guī)格(IEC60297—3、IEC60297—4)和IEC2?mm堅固的米制針孔連接器(IEC61076—4—101)。

PICMG2.0Revision3.0規(guī)定了背板上各插槽之間、系統(tǒng)槽與背板、I/O模板與背板之間嚴格的互聯(lián)關系，定義了背板、模板和前后面板的結構、尺寸，定義P1支持32位PCI操作，P1和P2支持64位PCI操作，P3、P4和P5留給用戶使用或作為總線擴展用。其中3U板包括P1和P2，6U板則包括P1、P2、P3、P4和P5。有關PICMG2.0Revision3.0，此處不再討論。

3)?CompactPCI總線信號定義

前面已經(jīng)提到，CompactPCI總線信號與前面描述的PCI是兼容的。但是，在這里要特別給出7×47個針孔的插座信號的定義，并注意它與PCI的不同。7×47個針孔的插座的信號定義如表7.7所示。表7.7CompactPCI總線信號定義表7.7中的各信號對應于圖7.4中7×47個針孔的插座。47行信號中，第12、13、14行的位置是用作定位鍵。前28行包含了原32位PCI的信號，而到42行包含了64位的PCI信號。

除此之外，CompactPCI又增加了一些信號，還保留了一些信號(用BRSV來表示)。另外就是從43行開始直到47行，留有大量的信號供用戶定義使用(用USR來表示)。顯然，當這些信號不夠用時，可用6U板，在那里將有更多的信號供用戶定義使用。

CompactPCI以其種種優(yōu)異的特點正在成為第三代工控機技術的代表，在國內(nèi)外正在發(fā)展。相對于以前的工控機的內(nèi)總線，由于CompactPCI要復雜一些，因此使用起來要更麻煩一點。但是，隨著技術的發(fā)展、支持廠家的增加、新的專用芯片的不斷出現(xiàn)，在今后的若干年里，CompactPCI一定會有更大的發(fā)展。除CompactPCI外，第三代工控機內(nèi)總線還有其他總線，例如，PXI是一種專業(yè)的模塊化儀器平臺，PXI具備PCI總線的電氣性能、CompactPCI總線的可靠性能、VXI總線的定時和觸發(fā)信號。PXI是PCIExtensionsforInstrumentation的縮寫，在儀器、儀表中將會得到廣泛的應用。7.3外總線7.3.1常見外總線

1．RS-232C

1)特點

RS-232C是一條串行外總線，其主要特點是：

(1)傳輸線比較少。盡管RS-232C定義的信號線比較多，但在工作和應用中通常只用7到9條信號線即可實現(xiàn)通信。最少只需三條線(一條發(fā)、一條收、一條地線)即可實現(xiàn)全雙工通信。

(2)傳送距離遠。用電平傳送為30米，電流環(huán)傳送可達千米。

(3)多種可供選擇的傳送速率。利用RS-232C進行通信，有多種通信速率可供選擇。下列速率在可選之列：50、75、110、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特等。

(4)采用非歸零碼負邏輯工作。該標準規(guī)定，電平在?-3?V到?-15?V規(guī)定為邏輯1，而電平在?+3?V到?+15?V規(guī)定為邏輯0，具有較好的抗干擾性。

(5)結構簡單、實現(xiàn)容易。RS-232C總線實現(xiàn)起來非常容易，就用本書后面描述的通信接口芯片16550再加上電平轉(zhuǎn)換芯片(例如1488和1489)，配上相應的通信程序，便可以實現(xiàn)通信雙方的全雙功通信。

正是由于這些優(yōu)點，RS-232C在上世紀80、90年代得到非常廣泛的應用。筆者曾在多個微機系統(tǒng)中使用過RS-232C。直到今天，PC機上仍然配置RS-232C總線接口。

2)?RS-232C存在的問題

隨著技術的進步和通信需求的改變，尤其是當今的應用中經(jīng)常需要以高速度傳送各種大數(shù)據(jù)量的多媒體信息。這時，RS-232C就顯得無能為力。RS-232C存的主要問題是：

(1)通常RS-232C只能實現(xiàn)點對點的通信，而許多微機系統(tǒng)經(jīng)常需要一點對多點或者多點對多點通信，RS-232C就難以實現(xiàn)這樣的要求。

(2)從前面給出的傳輸速率可以看到，RS-232C的數(shù)據(jù)傳輸速率非常低。當用它來傳送大數(shù)據(jù)量的圖像及聲音信號時，其傳送時間是使用者所無法忍受的。

鑒于上述原因，RS-232C的應用會逐步衰落直到最后退出歷史舞臺。因此，在這里就不再做更詳細的介紹。

2．其他有關總線

1)?RS-422和RS-423

RS-422和RS-423的信號定義與RS-232C是一樣的。主要的不同在于RS-422和RS-423在信號傳輸過程中使用的驅(qū)動器和接收器不一樣，從而保證了傳輸速率和傳輸距離的全面提高。這里RS-422是RS-423的改進，其性能較RS-423更好。

RS-422采用的是單向平衡方式進行傳送，可以有效地克服干擾的影響。其驅(qū)動和接收電路如圖7.5所示。

RS-422的驅(qū)動器可以驅(qū)動10個接收器，實現(xiàn)一點對多點的通信。在幾十米的距離上，傳輸速率可達幾兆波特。距離越近，傳送速率越高。傳送速率低時，傳送距離可以更遠。例如，在20?K波特率以下，其傳送距離可達1500?m。圖7.5RS-422接口驅(qū)動與接收電路

2)?RS-485

在工控機中，RS-485的應用最為廣泛，它不僅可以滿足RS-422總線的全部要求，而且允許在RS-485上連接32個驅(qū)動器和32個接收器，實現(xiàn)真正的多點結構。RS-485的主要特點是：

(1)允許連接多達32個驅(qū)動器和32個接收器；

(2)具有高達10?Mbps的傳輸速率；

(3)驅(qū)動器可以處于高阻狀態(tài)，不會發(fā)生總線競爭；

(4)傳送距離可達1500米。因此，在目前的工控系統(tǒng)中，RS-485總線仍在普便使用。廠家為用戶提供了幾十種RS-485總線驅(qū)動器和接收器供選擇使用。下面僅給出利用DS9617X作為驅(qū)動器和接收器的連接圖，如圖7.6所示。至于RS-485的其他細節(jié)本書不再提及。圖7.6RS-485利用DS9617X的典型連接7.3.2PC機的外總線

1．SCSI總線

小型計算機系統(tǒng)接口(SCSI)是一種并行外總線，廣泛用于微型計算機與軟硬磁盤、光盤、掃描儀等外設的連接。就目前的應用來說，計算機的外存市場分為兩大陣營，一類為下面將要提及的IDE(ATA)，另一類就是SCSI。IDE是普通家用PC硬盤、光盤等外設常用的接口，也是我們最常接觸的硬盤接口；而SCSI主要面向服務器、RAID等高端外存儲器市場。

1)?SCSI的特點

SCSI具有許多優(yōu)秀的特點：

(1)適應范圍廣。在使用IDE接口時，會受到IRQ(中斷號)及IDE通道的限制。一般情況下，每個IDE通道占用一個IRQ，而一塊標準的主板只有兩個IDE通道(即IDE1與IDE2插槽)，每兩個設備要占用一個IDE通道。因此，一塊標準的主板上最多只能連接四個IDE設備。使用SCSI則可以使連接設備數(shù)超過15個，而且所有設備只占用一個中斷號，因此它的適應面比IDE要廣得多。

(2)傳輸速率高。目前最新的SCSI接口類型Ultra320SCSI所支持的最大總線速度為320?Mb/s。雖然實際使用時可能達不到這個理論值，但上百兆比特的傳輸率在SCSI上還是能夠達到的。即將誕生的SCSI5的傳輸速率將高達640?Mb/s。

(3)提高了CPU的效率。構成SCSI系統(tǒng)必須要有SCSI控制卡或適配器?？刂瓶▋?nèi)會有專用的芯片負責SCSI數(shù)據(jù)的處理，CPU只需將命令傳輸給SCSI的專用處理芯片，后面有關的處理工作就由SCSI的專用芯片去處理。這時，CPU就可以去執(zhí)行其他操作。因此，SCSI系統(tǒng)對CPU的占用率是很低的，這可以大大提高CPU的效率。

(4)支持多任務。在SCSI系統(tǒng)工作過程中，在對一個設備進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r，它允許另一個設備對其進行數(shù)據(jù)訪問。這在網(wǎng)絡服務器系統(tǒng)中非常重要，因為在網(wǎng)絡環(huán)境下，經(jīng)常需要同時處理許多并行請求。

(5)智能化。SCSI卡上的專用處理芯片可對CPU指令進行排隊，這樣就提高了工作效率。在多任務時，硬盤會在當前磁頭位置，將鄰近的任務先完成，提高處理效率。

2)?SCSI的工作模式

從1979年SCSI出現(xiàn)到現(xiàn)在，隨著時間的推移，先后推出了不同工作模式的SCSI。為了簡單起見，下面只用表7.8做說明。表7.8SCSI的幾種工作模式表7.8中，支持的設備數(shù)包括計算機中的主控SCSI設備，因此，在此SCSI主控總線上連接的其他設備應為表中設備數(shù)減1。因為控制器也算一個設備，即

實際最大可連接設備數(shù)目?=?理論最大支持設備數(shù)目?-1

SCSI控制板(卡)由SCSI專用處理芯片、SCSIBIOS、SCSI內(nèi)置數(shù)據(jù)線電纜插座、SCSI外置高密度插座、PCI插座和終端器六部分構成。其中專用處理芯片是控制卡的核心，由它來控制SCSI的工作，目前有多家廠家為用戶提供這樣的芯片，在構成SCSI控制板時注意選用；BIOS用來提供SCSI的基本設置功能；內(nèi)置數(shù)據(jù)線電線插座主要分50針、68針及80針三種，通過內(nèi)置數(shù)據(jù)線可以連接內(nèi)置式SCSI設備；外置高密度插座用于連接外置SCSI設備；PCI插座對應主板上的PCI插槽，可將SCSI插在PCI的插槽中；而終結器是SCSI的一個重要特性，它代表SCSI總線的結束，它是SCSI總線的終端匹配網(wǎng)絡，用于減少總線的反射，保證總線正常工作。一般情況下，SCSI有三種編碼方式：SE(單端)、HVD(高電平差動)和LVD(低電平差動)。SE方式從SCSI-1時就開始使用，所使用的電纜最長為6米。目前，這一編碼方式終被廢棄。HVD提供高級編碼方式，即使在高數(shù)據(jù)速度下，也可以繼續(xù)使用較長的電纜。HVD主要的缺點在于耗電量較高，而且每個信號需要使用兩根電纜?，F(xiàn)在，HVDSCSI已經(jīng)很少使用。LVD提供低壓解決方案，沒有定義它的速度，在12米以內(nèi)都能保持正常傳輸率。所以，新的SCSI系統(tǒng)大多使用LVD。

LVDSCSI發(fā)布于1995年，它是一個低功率、低價格的差分總線收發(fā)器，具有與HVDSCSI相同的高速數(shù)據(jù)傳輸能力。LVD(V+?和V?-)信號擺幅約為400?mV，在以1.25?V的共模偏置電壓為中心的范圍內(nèi)擺動。與單端或高壓差分信號相比，LVD較小的信號擺幅能夠快速達到所要求的邏輯狀態(tài)。利用基于EIA-644(LVDS)銅線數(shù)據(jù)傳輸標準的LVDSCSI能夠達到每秒655?M字節(jié)的數(shù)據(jù)速率(點至點傳輸)。LVDSCSI相對于HVDSCSI的另一優(yōu)勢是它可以向后兼容至SE、SCSI-2標準。在SCSI總線系統(tǒng)中，每個SCSI設備都必須有自己唯一的ID(標識號)，這個號碼從1～15。

3)?SCSI總線信號定義

下面只給出數(shù)據(jù)位為8位的差分SCSI的信號定義，如表7.9所示。表7.9差分SCSI總線信號定義在SCSI總線的差分傳送中，一位數(shù)據(jù)需兩條信號線進行傳送。信號線中DB-1到DB-8用來傳送8位數(shù)據(jù)，DB-P用于傳送奇偶校驗位。

BSY用于傳送忙狀態(tài)信號，高電平表示總線忙。

SEL為選擇信號，該信號由選擇目標設備的起始設備產(chǎn)生或者由重選起始設備的目標設備產(chǎn)生。在這里，要求其他設備進行操作的設備為起始設備，而執(zhí)行起始設備命令的為目標設備。在SCSI上，有的設備能作為目標設備，有的設備只能作為起始設備，有的設備在某一時間作為起始設備而在另外的時間又可作為目標設備，例如微型機。

REQ為請求信號，該信號由目標設備產(chǎn)生，用來請求進行數(shù)據(jù)傳送。

C/D為控制/數(shù)據(jù)指示信號，它由目標設備產(chǎn)生，用來指示數(shù)據(jù)線上傳送的是控制命令還是數(shù)據(jù)信息。當該信號為“0”時，表示數(shù)據(jù)信號；當該信號為“1”時，表示控制命令。

I/O是輸入/輸出信號，該信號由目標設備產(chǎn)生，用以告訴起始設備信息輸送的方向。當該信號為“0”時，表示起始設備輸出；當它為“1”時，表示起始設備輸入。

MSG為信息信號，由目標設備產(chǎn)生，用來告訴起始設備數(shù)據(jù)總線上傳送的是報文還是其他信息。當該信號為“0”時，表示命令或狀態(tài)信息；當該信號為“1”時，表示報文信息。

ATN為注意信號，它由起始設備產(chǎn)生，用來告訴目標設備起始設備已經(jīng)準備好了一個報文信息。

RST為重置信號，可由總線上的任何一個設備產(chǎn)生，用來通知總線上的所有設備執(zhí)行重置。

ACK為響應信號，由起始設備產(chǎn)生，用來作為對請求信號的響應。

4)?SCSI總線的發(fā)展

前面已經(jīng)提到，SCSI在二十多年里有了很大的發(fā)展。在微型計算機尤其是在服務器中，它仍將是當今和今后若干年的主流。在今后的許多年里，SCSI總線還會繼續(xù)發(fā)展并得到更加廣泛的應用。

同時，在SCSI總線的使用當中，尤其是近幾年對總線數(shù)據(jù)傳輸速率的要求愈來愈高，在使用中暴露出一些問題。

(1)傳輸速率問題。目前SCSI的最高傳輸速率為320?MB/s，未來可做到640?MB/s。對于并行總線來說，這樣的速率差不多到頭了，再想增加速率就非常困難甚至不可能做到。

(2)不能熱插拔?？偟膩碚fSCSI很嬌氣，必須在電腦和外設都關斷電源的情況下插、拔，否則可能產(chǎn)生嚴重的后果。

(3)掛接的設備有限。在SCSI總線上除主控器之外僅能掛接7(15)個設備，每個設備須有自己的ID號，不得重復使用，CPU占用的ID其他設備不能用。這在使用上受到限制，若要突破這一限制，則需要做比較復雜的工作。

(4)總線電纜的限制。SCSI總線電纜必須接上匹配網(wǎng)絡，以減小電纜和連接器的反射，信號終止限制是比較苛刻的。同時，并行總線在高速傳輸時，信號扭曲和串音(交叉串擾)是難以避免的，這必然影響SCSI的傳輸速率及總線的可靠性。鑒于上述問題，2003年人們提出了串行SCSI總線，即SAS總線。該總線一經(jīng)提出，立即引起強烈反響，許多廠家已根據(jù)其規(guī)范生產(chǎn)出有關產(chǎn)品。由于SAS的許多優(yōu)異性能，可以肯定它將成為未來連接硬盤、光盤等設備總線的發(fā)展方向。廠商喜歡串行技術，因為它們設計起來比并行連接要容易得多。串行技術在涉及到線纜時占用更小的體積(這意味著更低廉的成本)，而更小的體積意味著對氣流更少的限制，因而使用更小的風扇(進一步降低成本)。但是，廠商喜歡串行設計的主要原因是信號與系統(tǒng)時鐘的關系變得更加簡單。例如，并行SCSI必須將時鐘與多個獨立的并行線路上的信號保持同步，而在使用SAS時，所有的信號都在一根線路上傳送。控制同步更加容易，因此設備背板、連接器等部件設計起來也更加容易，設計的費用也更加低廉。

SAS的一些優(yōu)異性能主要表現(xiàn)在：

●高速率

串行連接SCSI以一步到位的方式達到了杰出的性能、擴展性和靈活性。目前的傳輸速率為3.0Gb/s，很快就會做到6.0?Gb/s，不久的將來其傳輸速率將達到12.0Gb/s。

●好的兼容性

針對不斷擴大的對經(jīng)濟有效的合理化系統(tǒng)的需求，SAS結合了對串行ATA(SATA)的無縫兼容?？梢苑奖愕貫橛脩籼峁┗旖覵AS和SATA硬盤來有效地滿足應用需求?！顸c對點架構

串行連接SCSI樸實無華的點對點的串行架構與此前的并行技術相比，既簡單又健壯。Ultra320SCSI需要用32根信號導線(16條數(shù)據(jù)路徑，每條需要兩根)來實現(xiàn)LVD信號傳輸，而SAS僅需4條。

●全雙工、多端口設計

全雙工操作在雙方向上同時進行信號傳輸，因此使有效吞吐量提高一倍?！窀鼜姷臄U展性

與SAS的點對點架構相匹配的是高速交換設備，也叫擴展器，能夠快速聚合許多硬盤，使一個單一SAS域能容納多達16384塊硬盤而不致降低性能。

●更長的電纜長度

SAS電纜線最長可達8米(約25英尺)，不僅可用于直接連接服務器，還可連接服務器周圍獨立的存儲陣列?！耠娎|/接頭緊湊設計

SAS接頭和電纜比并行SCSI組件小得多，因此可簡化繞線、節(jié)省空間，并提高系統(tǒng)機箱內(nèi)的空氣流動及散熱水平。SAS接頭還能夠輕松地插接到小尺寸硬盤上。

●支持熱插拔/熱交換

SAS的熱插拔能力實現(xiàn)了不停機的硬盤交換。因此，保證了不中斷的數(shù)據(jù)可用性。

●全球唯一的設備ID每個SAS端口和擴展器都有一個全球唯一的64位SAS地址。

●保留SCSI指令集

SAS保留了現(xiàn)有的SCSI指令及其并行技術所具有的核心優(yōu)勢。SAS還保護了企業(yè)多年來在配置、部署和維護SCSI系統(tǒng)方面儲備的大量SCSI智力資源。

綜上所述，串行SCSI被認為是企業(yè)級接口最佳的系統(tǒng)解決方案，SAS的超前思維設計確保它能夠滿足如今乃至未來的企業(yè)應用需要。

2．ATA總線

ATA的前身為IDE(集成驅(qū)動器電氣接口)及EIDE(增強IDE)。由美國國家標準學會命名為ATA總線。該總線廣泛用于家用個人計算機，用來連接硬磁盤、光盤等設備。

1)?ATA概述

早期的IDE功能很弱，在此總線上只能接兩臺硬盤，數(shù)據(jù)傳輸速率很低(2?MB/s)，能管理的硬盤容量很小(528?MB)，但已能滿足當時的個人計算機的需要。隨著計算機的發(fā)展，對硬盤的容量要求愈來愈大，傳輸速率也要求愈來愈高，為適應這一要求，ATA也一代接一代地發(fā)展。ATA從1994年發(fā)布至今共經(jīng)歷了7代標準，現(xiàn)在用下面表7.10來說明ATA的發(fā)展過程。表7.10ATA的發(fā)展及簡要性能

ATA中磁盤機與主機之間的數(shù)據(jù)傳輸方式有兩種：

一種是程序輸入/輸出(即PIO)方式，這種方式下是CPU通過執(zhí)行程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。顯然，這種方式的傳輸速率不可能太高。

另一種是直接存儲器存取(即DMA)方式，這種方式下磁盤機與主機之間的數(shù)據(jù)傳送不需要CPU參與。這種傳輸方式的數(shù)據(jù)傳輸速率要更快一些。

有關這兩種數(shù)據(jù)傳輸方式的詳細內(nèi)容，在本書的前面已詳細予以描述。其他有關ATA的細節(jié)此處不再說明。

2)?ATA總線的發(fā)展

像SCSI總線一樣，ATA作為主要用于磁盤、光盤、掃描儀等外設的并行總線，在技術與