《總線技術(shù)與IO接口基礎(chǔ).ppt》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《總線技術(shù)與IO接口基礎(chǔ).ppt（64頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、6.1 總線技術(shù) 6.2 I/O接口,第6章 總線技術(shù)與I/O接口基礎(chǔ),6.1 總線技術(shù),6.1.1 總線技術(shù)概述,總線定義:總線是芯片內(nèi)部各單元電路之間、芯片與芯片之間、模塊與模塊之間、設(shè)備與設(shè)備之間、甚至系統(tǒng)與系統(tǒng)之間傳輸信息的公共通路，在物理上它是一組信號線的集合。,總線技術(shù)研究對象:總線技術(shù)研究如何利用一組信號線有效地傳遞信息，并使其具有通用性強、擴展性好、升級容易等性能。,數(shù)據(jù)總線：傳送數(shù)據(jù)信息 系統(tǒng)總線的基本組成: 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,,1.總線的基本組成,2.總線功

2、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 中斷是計算機對緊急事務(wù)響應(yīng)的機制。當外部設(shè)備與主設(shè)備之間進行服務(wù)約定時，中斷是實現(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)的保護對策。,,規(guī)定模塊尺寸，總線插頭、邊沿連接器等的規(guī)格。,功能結(jié)構(gòu)規(guī)范：,機械結(jié)構(gòu)規(guī)范：,確定引腳名稱與功能，及其相互連接的協(xié)議。功能結(jié)構(gòu)規(guī)范

3、是總線的核心，通常以時序和狀態(tài)來描述信息的交流、流向及管理規(guī)則?？偩€在功能結(jié)構(gòu)方面的規(guī)范包括： 數(shù)據(jù)線、地址線、讀/寫及其它控制線、狀態(tài)線、時鐘線、電源線和地線等； 中斷機制； 總線主控仲裁； 應(yīng)用邏輯：如聯(lián)絡(luò)（也稱握手）線、復位、自啟動、休眠維護等。,電氣規(guī)范：,規(guī)定信號邏輯電平、負載能力及最大額定值、動態(tài)轉(zhuǎn)換時間等。,3.總線規(guī)范的基本內(nèi)容,4.總線的數(shù)據(jù)傳送,（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）向總線仲裁機構(gòu)提出占用總線的請求，經(jīng)總線仲裁機構(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)

4、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。,5.微機總線的分類,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

5、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）：是指微機底板上的總線，用來構(gòu)成微機系統(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：它是微機系統(tǒng)與系統(tǒng)之間、微機系統(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專有的，而是借用電子工業(yè)其它領(lǐng)域已有的總線標準并加以應(yīng)用形成的。流行的通信總線如：EIA-RS-232C、RS-422A、RS-485，IEEE-488，VXI等總線標準。,各類總線之間的相互關(guān)系見圖6.1。,

6、圖6.1 4類總線之間的關(guān)系,6.使用標準總線的優(yōu)點,簡化軟、硬件設(shè)計：由于總線定義非常嚴格，任何廠家或個人都必須按其標準制作插件板，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。 簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：采用標準總線，只要將各功能模塊（板）掛在總線上就可以方便的構(gòu)成微機的硬件系統(tǒng)。 便于系統(tǒng)的擴充：對于采用標準總線構(gòu)成的微機系統(tǒng)，只要按總線標準和用戶擴充要求設(shè)計或直接購買插件板插到總線插槽上就達到了擴充的目的。 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)，微機系統(tǒng)也要不斷更新，在采用標準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。,

7、6.1.2 局部總線,1.從IBM PC/XT總線到EISA總線 IBM PC/XT微機系統(tǒng)采用Intel 8088 CPU，它所連接的存儲器、I/O設(shè)備均為8位，因此，該系統(tǒng)采用8位總線標準。 由于Intel 8086及80286為16位的CPU，它們既可以連接8位設(shè)備又可以連接16位設(shè)備，顯然8位總線標準就不再適用。為此，IBM制定了16位工業(yè)標準總線(Industry Standard Architecture)ISA總線，又稱AT總線。它保留了原來PC總線的全部62個引腳信號，以便與原PC總線插件板兼容，同時它又在底板上增加了一個36引腳的插槽，以便增加新的功能。因此，IBM P

8、C/XT總線又稱為ISA-8，而IBM PC/AT總線稱為ISA-16。 ISA總線是迄今為止最成功的標準總線，其成熟及支持度都是別的總線所不能及的。,2.VESA總線 隨著80486和Pentium等高性能計算機的問世，CPU內(nèi)部處理速度大大提高，加之集成高速緩存和數(shù)值協(xié)處理器FPU，使得高速的CPU和內(nèi)存訪問同低速的I/O操作成為PC技術(shù)中的瓶頸。多媒體的出現(xiàn)，對于圖形和高速顯示提出用更高的速度傳送大量信息的要求。為此，一些廠商在不改變ISA標準的基礎(chǔ)上為主板設(shè)計了一種特殊的高速插槽。將高速外設(shè)控制卡直接掛到CPU局部總線上，并以CPU速度運行，這種特殊的總線插槽稱為局部總線插槽。它

9、為CPU和外設(shè)提供了一個高速橋梁。它為CPU和外設(shè)提供了一個高速橋梁。這種總線主要支持高速外部設(shè)備板，對于慢速設(shè)備仍保持原來的ISA和EISA總線標準，這樣既保持了兼容性又解決了瓶頸問題。PC領(lǐng)域出現(xiàn)了兩種比較優(yōu)秀的局部總線：VESA和PCI總線。下頁圖6.2給出了具有這種局部總線的PC體系結(jié)構(gòu)。 VESA總線是視頻電子標準委員會（Video Electronics Standards Association）制定的一種局部總線，又稱VL-BUS總線。,,圖6.2 具有局部總線的PC體系結(jié)構(gòu),3.PCI總線 PCI總線（Peripheral Component Interconnect，

10、即外圍元件互連）是一種為主CPU和外設(shè)之間提供高性能數(shù)據(jù)通道的總線。 PCI總線的優(yōu)勢在于： 數(shù)據(jù)線和地址線采用多路復用結(jié)構(gòu)，減少了針腳數(shù)。 PCI總線定義了兩種信號環(huán)境：5V和3.3V，并且它們之間可以很容易地相互轉(zhuǎn)換。同時，3.3V環(huán)境的定義也為PCI總線用于便攜機開辟了道路。 PCI總線獨立于處理器，因而可支持多系列的CPU和未來的處理器。 PCI總線具有32/64位總線透明性，允許32位和64位器件相互協(xié)作。 允許PCI局部總線擴展板和元件的自動配置，在PCI上包含有寄存器，上面帶有配置所需的器件信息。PCI局部總線的引腳功能分配見下頁表6.1。,表6.1 PCI局部總線的引腳功能分

11、配,說明：表中帶“#”的引腳為低電平有效,表6.1 PCI局部總線的引腳功能分配續(xù),,說明：表中帶“#”的引腳為低電平有效。,表6.1 PCI局部總線的引腳功能分配續(xù),說明：表中帶“#”的引腳為低電平有效,表6.1 PCI局部總線的引腳功能分配續(xù),說明：表中帶“#”的引腳為低電平有效。,PCI總線的引腳排列示于圖6.3。,圖6.3 PCI局部總線的引腳排列,圖6.4 一種典型的PCI局部總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu),圖6.4給出了一種典型的PCI局部總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，在這個例子中處理器/高速緩存/存儲器子系統(tǒng)通過橋路與PCI總線相連。該橋路提供一種低時間延遲的通道，通過它，處理器能直接操作任何映射到存儲器或I/

12、O地址空間的設(shè)備。它也提供一條高帶寬通道，使PCI總線主控能直接操作主存儲器。該橋路可以選擇下列功能：數(shù)據(jù)緩存/駐留和PCI核心功能（即仲裁）。 PCI局部總線不僅能用于高、中、低檔的臺式機中，而且可用于便攜機甚至部門服務(wù)器中。PCI總線規(guī)范中清楚地說明了5V和3.3V環(huán)境之間的轉(zhuǎn)換方法，并定義了由32位數(shù)據(jù)地址總線擴充為64位總線的方法，使PCI局部總線外設(shè)能夠向前和向后兼容。 目前，PCI總線是Pentium主機所帶的最常見的總線。,6.1.3 系統(tǒng)總線,1.S-100總線 S-100總線首先在MITS公司的Altair微機系統(tǒng)中使用，當時有些缺陷，1979年經(jīng)過兩次修改之后成為新的S

13、-100總線，并由國際標準會議定名為IEEE696,它是一種曾經(jīng)應(yīng)用很廣泛的系統(tǒng)總線。新、舊的S-100總線都設(shè)有100條引腳，按功能分為8組，包括：16條數(shù)據(jù)線、24條地址線、8條狀態(tài)線、6條控制輸入線、5條控制輸出線、8條向量中斷線、8條DMA控制線和25條其他用途線。它采用100個引腳的插件板，每面各有50個引腳。,2.STD總線 STD總線是1978年由美國普洛公司推出的一種用于工業(yè)控制微型計算機的標準系統(tǒng)總線。自問世以來以其優(yōu)越的性能和特點在工控領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和迅速的發(fā)展，顯示了強大的生命力，成為國際、國內(nèi)優(yōu)選的標準總線之一，并被國際標準化會議定名為IEEE961。早期的8位

14、STD總線在Z80 CPU組成的系統(tǒng)中使用，隨著16位CPU的問世，STD總線生產(chǎn)集團推出16位的電路標準STD16，并列入總線規(guī)范中，其中地址和數(shù)據(jù)線采用復用技術(shù)，可以支持16位數(shù)據(jù)和24位地址。32位CPU出現(xiàn)后，STD8和STD16已無法滿足應(yīng)用的需要，1989年美國的EAITECH公司開發(fā)出32位的STD總線STD32。,STD總線的特點 （1）模塊化的小板結(jié)構(gòu)、開放式的靈活組態(tài) STD總線使得微機系統(tǒng)被劃分成若干模塊，并制作成標準的功能模板（插件卡）。用戶可根據(jù)需要選擇功能模板組成自己的微機，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)不同要求的微機系統(tǒng)。圖6.5是基

15、于STD總線的微機系統(tǒng)的一個例子。,圖6.5 STD總線微機系統(tǒng)結(jié)構(gòu),（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)品與新標準的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

16、，其標準插件板的功能不斷增強，配套產(chǎn)品越來越豐富，給使用帶來極大方便。,3.VME總線 與EISA同期出現(xiàn)的還有美國Motorala公司的VME總線（Versa Module Eurocard），它也是一種32位總線。但主要用于Motorala公司的68000系列CPU，在國內(nèi)較為少見，因此熟悉它的人不多。,VME總線的特點： （1）VME是異步總線，全部總線傳輸都是異步完成的，這可最大限度地發(fā)揮每一個掛在系統(tǒng)總線上的微處理器的性能，避免因總線速度問題使總線成為系統(tǒng)的瓶頸。 （2）在總線上沒有事先固定的傳輸速率，當設(shè)備是高速時，總線調(diào)整到高速；當設(shè)備是低速時，總線調(diào)整到低速。地址和數(shù)據(jù)線都采

17、用非復用方式并行傳輸，因此相對提高了傳輸速度。 （3）采用總線主控/目標結(jié)構(gòu)，支持最多21個處理器。 （4）支持16位、24位、32位尋址及8位、16位、24位、32位數(shù)據(jù)傳輸。 （5）具有總線錯誤和系統(tǒng)錯誤檢測能力。,4.MULTI BUS總線 MULTI BUS總線有兩個標準，一種是用于16位微處理器的MULTI BUS（簡稱MB），由國際標準化組織承認并定名為IEEE796。另一種是用于32位微處理器的MULTI BUS（簡稱MB）被國際標準化組織定名為IEEE1296，它是由MULTI BUS擴展而來的。MULTI BUS總線應(yīng)用于多處理器系統(tǒng)。,6.1.4 通信總線,1.RS-23

18、2C、RS-422A和RS-485總線 （1）RS-232C總線 RS-232C是一種串行通信總線標準，也是數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）和數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）之間的接口標準，是1969年由美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）從CCITT遠程通信標準中導出的一個標準。當初制定這一標準的目的是為了使不同廠家生產(chǎn)的設(shè)備能達到接插的兼容性，即無論哪一家生產(chǎn)的設(shè)備，只要具有RS-232C標準接口，則不需要任何轉(zhuǎn)換電路就可以互相接插起來，但這個標準只保證硬件兼容而不保證軟件兼容。 RS-232C標準包括機械指標和電氣指標，其中機械指標規(guī)定：RS-232C標準接口通向外部的連接器（插針和插座）是一個“D”型保護殼25

19、針插頭，如圖6.6所示。,圖6.6 標準25針“D”型插頭,25針插腳的功能分配見表6.2,表6.2 RS-232C總線引腳分配及定義,注：帶*者為主信道信號組。, R232C的主要特點 信號線少：RS-232C總線共有25根線，它包括有主副兩個通道，用它可進行雙工通信。實際應(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39根線）。 傳輸距離遠：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30m。若是采用光電隔離20A電流環(huán)傳送，其傳輸距離可達1000m 。當然，如果在串行接口加上調(diào)制解調(diào)器，利用有線、無線或光纖進行

20、傳送，其距離會更遠。 可供選擇的傳輸速率多：RS-232C規(guī)定的標準傳送速率有：50，75，110，150，300，600，1200，2400，4800，9600，19200波特?？梢造`活地使用于不同速率的設(shè)備。 抗干擾能力強：RS-232C采用負邏輯，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-232C總線的功能規(guī)范 引腳分配：RS-232C總線共有25根信號線，其中，2根地線、4根數(shù)據(jù)線、11根控制線、3根定時線、5根備用線。引腳分配及定義如下頁表6.2所示。 引腳信號說明：在R

21、S-232C總線中，雖然絕大多數(shù)信號線均已定義使用，但在一般的微型計算機串行通信中，經(jīng)常使用的只有以下9個信號線，具體見表6.3，它們都是主信道組的信號線。 這9根引腳分為兩類：一類是基本的數(shù)據(jù)傳送引腳，另一類是用于調(diào)制解調(diào)器 （MODEM）的控制和反映它的狀態(tài)的引腳。 基本的數(shù)據(jù)傳送引腳：TXD，RXD，GND（2，3，7號引腳）是基本數(shù)據(jù)傳送引腳。,表6.2 RS-232C總線引腳分配及定義,注：帶“*”者為主信道信號組。,表6.3 微型計算機通信中常用的RS-232C接口信號,MODEM的控制和狀態(tài)引腳：從計算機通過RS-232C接口送給MODEM的控制引腳包括DTR和RTS。從MODE

22、M通過RS-323C接口送給計算機的狀態(tài)信息引腳包括DSR，CTS，DCD和RI。 DTR數(shù)據(jù)終端準備完畢引腳，用于通知MODEM計算機準備好，可以通信了。 RTS為請求發(fā)送引腳，用于通知MODEM計算機請求發(fā)送數(shù)據(jù)。 DSR為數(shù)據(jù)通信設(shè)備準備就緒引腳，用于通知計算機，MODEM準備好了。 CTS為允許發(fā)送引腳，用于通知計算機MODEM可以接收數(shù)據(jù)了。 DCD 為數(shù)據(jù)載體檢測引腳，用于通知計算機MODEM與電話線另一端的MODEM已經(jīng)建立聯(lián)系。 RI振鈴信號指示引腳，用于通知計算機，有來自電話網(wǎng)的信號。 RS-232C電氣規(guī)范 RS-232C總線的電氣規(guī)范列于下頁表6.4。,表6.4 RS-2

23、32C總線的電氣規(guī)范, RS-232C電平與TTL電平之間的轉(zhuǎn)換 由于RS-232C使用非常廣泛，許多半導體廠家都生產(chǎn)專用于TTL電平與RS-232C電平的專用轉(zhuǎn)換芯片。常用于將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-232C電平的芯片，除MC1488 外還有75188，75150等，用于將RS-232C電平轉(zhuǎn)換為TTL電平的除MC1489外還有75189，75154等。采用MC1488和MC1489進行電平轉(zhuǎn)換的原理如下頁圖6.7所示。 RS-232C總線接口幾種常用的連接方法 利用RS-232C總線接口，可以實現(xiàn)微型計算機之間、微型計算機與其他具有RS-232C接口的設(shè)備之間相連接。常用的連接方法如圖6.8

24、所示。其中，下頁圖6.8(a)、(b)連線比較簡單,可以利用查尋或中斷方式實現(xiàn)他們之間的通信。,圖6.7 采用MC1488和MC1489的電平轉(zhuǎn)換原理,圖6.8 幾種常用的RS-232C接口連接方法,（2）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。如圖6.9所示。,圖6.9 RS-422A的平衡輸出和差分輸入,發(fā)送器有兩根輸出線，當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-42

25、2A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。,但是必須注意由于接收器所允許的共模干擾范圍使有限的要求小于25V。因此，若雙方地電位的差超過這一數(shù)值，也會使信號錯誤，或?qū)е滦酒瑩p壞。當采用普通雙絞線時，RS-422A可在1200m范圍以38400的波特率進行通信 。在短距離（200m），RS-422A的線路可以輕易地達到200k以上的波特率，因此這種接口電路被廣泛地用在計算機本地網(wǎng)絡(luò)上。RS-422A的輸出信號線間的電壓為2V，接收器的識別電壓為0.2V

26、。共模范圍25V。在高速傳送信號時應(yīng)該考慮到通信線路的阻抗匹配，否則會產(chǎn)生強烈的反射，使傳送的信息發(fā)生畸變，導致通信錯誤。一般在接收端加終端電阻以吸收掉反射波。電阻網(wǎng)絡(luò)也應(yīng)該是平衡的，如圖6.10 所示。,圖6.10 在接收端加終端電阻,（3） RS-485總線 使用接口電路進行全雙工通信，需要兩對線或4條線，使線路成本增加。RS-485適用于收發(fā)雙方共用一對線進行通信，也適用于多個點之間共用一對線路進行總線方式聯(lián)網(wǎng)，通信只是半雙工的，線路如下頁圖6.11 所示。 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

27、制的。例如，當該端為高電平時，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。,圖6.11 用RS-485實現(xiàn)多點間的總線方式聯(lián)網(wǎng),2.IEEE-488總線 IEEE 488是一種并行的外總線，它是20世紀70年代由HP公司制定的。1975年IEEE以IEEE- 488標準總線予以推薦，1977年國際電工委員會（IEC）也對該總線進行認可與推薦，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，使得當用IEEE-4

28、48標準建立一個由計算機控制的測試系統(tǒng)時，不要再加一大堆復雜的控制電路，IEEE-488系統(tǒng)以機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總線是當前工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的通信總線之一。 （1）IEEE-488總線使用的約定 數(shù)據(jù)傳輸速率1MB/S。 連接在總線上的設(shè)備（包括作為主控器的微型機）15個。 設(shè)備間的最大距離20M。,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。 所有數(shù)字交換都必須是數(shù)字化的。 總線規(guī)定使用24線的組合插頭座，并且采用負邏輯，即用小于0.8V的電平表示邏輯“1

29、”；用大于2V的電平表示邏輯“0”。 （2）系統(tǒng)上設(shè)備的工作方式 “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。 “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。 “控制者”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。,圖6.12 IEEE-448總線接口結(jié)構(gòu),（3）IEEE-488總線信號定義說明 IEEE-488總線使用24線組合插頭座，其各引腳定義于表6.5。,表6.5 IEEE-488信號定義,IEEE-488的信號線除8條地線外，有以下信號

30、線。 D7D0數(shù)據(jù)總線：這是8條雙向數(shù)據(jù)線，除了用于傳送數(shù)據(jù)外，還用于“聽”、“講”方式的設(shè)置，以及設(shè)備地址和設(shè)備控制信息的傳送。 字節(jié)傳送控制線：在IEEE-488總線上數(shù)據(jù)傳送采用異步握手（掛鉤）聯(lián)絡(luò)方式。即用 DAV，NRFD和NDAC 3根線進行握手聯(lián)絡(luò)。 DAV（DATA AVAIBLE）數(shù)據(jù)有效線。當由發(fā)送器控制的數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)有效時，發(fā)送器置DAV低電平（邏輯1），指示接受器可以從總線上接收數(shù)據(jù)。 NRFD（NOT READY FOR DATA）未準備好接受數(shù)據(jù)線，只要連接在總線上被指定為接收器中的設(shè)備，尚有一個未準備好接收數(shù)據(jù)，接收器就置NRFD線為低電平，示意發(fā)送器不要發(fā)

31、送數(shù)據(jù)。當所有接收器都準備好時，NRFD變?yōu)楦唠娖健?NDAC（Not Data Accepted）未接收完數(shù)據(jù)，當總線上被指定為接收器的設(shè)備，有任何一個未接收完數(shù)據(jù)，它就置NDAC線為低電平，示意發(fā)送器不要撤消當前數(shù)據(jù)。只有當所有接收器都接收完數(shù)據(jù)后，此信號才變?yōu)楦唠娖健?當ATN=“1”時，表示數(shù)據(jù)線上傳送的是地址或命令，這時只有控制器能發(fā)送信息，其它設(shè)備都只能接收信息并作出解釋。 當ATN=“0”時，表示數(shù)據(jù)總線上傳送的是數(shù)據(jù)。 EOI（End or Identify）結(jié)束或識別線。該線與ATN線一起指示是數(shù)據(jù)傳送結(jié)束，還是用來識別一個具體設(shè)備。當ATN=“0”時，這是進行數(shù)據(jù)傳送，當傳

32、送完最后一個字節(jié)使EOI=“1”，表示數(shù)據(jù)傳送結(jié)束，當ATN=“1”，若EOI=“1”時，則表示數(shù)據(jù)總線上是設(shè)備識別信息，即可得到請求得到的設(shè)備編碼。 REN（remote Enable）遠程控制線。該信號為低電平時，系統(tǒng)處于遠程控制狀態(tài)，設(shè)備面板開關(guān)、按鍵均不起作用；若該信號為高電平，則遠程控制不起作用，本地面板控制開關(guān)、按鍵起作用。,（4）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條信號線進行握手聯(lián)絡(luò)。數(shù)據(jù)傳送的時序如圖6.13所示。,圖6.13 IEEE488總線3線握手時序圖,3.總線接

33、口電路 根據(jù)不同的總線標準構(gòu)成微型計算機系統(tǒng)時，均需配置相應(yīng)的接口電路，一則管理總線，實現(xiàn)總線的功能，二則聯(lián)接存儲器的外圍設(shè)備，控制存儲器和外圍設(shè)備的工作。 近年來，隨著高檔微處理器的發(fā)展，外圍接口電路也不斷發(fā)展，從而產(chǎn)生了許多系列的多功能集成電路芯片，例如： （1）82C206：是一種多功能外圍接口電路，其內(nèi)部包含的功能部件有：2個82C37DMA控制器；2個82C59中斷控制器；1個82C54定時器/計數(shù)器；1個MC146818實時時鐘電路；1個74LS612存儲器頁面映像控制器以及輔助接口電路。,（2）82344：ISA總線控制器，包含的功能部件有：2個82C37DMA控制器，與頁

34、面地址寄存器組成4個8位DMA通道和3個16位DMA通道；2個82C59中斷控制器，實現(xiàn)16級中斷請求控制；1個82C54 定時器/計數(shù)器，提供3個16位定時器計數(shù)器；1個與MC146818 完全兼容的實時時鐘電路，且具有114字節(jié)的通用CMOS RAM；另外還具有DRAM刷新控制邏輯、并行PORTA和 NMI邏輯。 （3）82360SL：也是一個多功能外圍接口電路，包含的功能部件有：2個82C37A DMA控制器；2個82C59 中斷控制器；2個82C54 定時器/計數(shù)器；1個與MC146818 兼容的實時時鐘電路；1個增強型74LS612 頁面存儲映像控制器；2個與NC16450 兼容的串

35、行通信接口和1個8位雙向并行I/O接口；另外還有256字節(jié)的CMOS RAM。 （4）82380：也是一個多功能外圍接口電路，包括的功能部件有：1個32位8通道DMA控制器；3個82C59A功能相當?shù)闹袛嗫刂破鳎?個82C54功能相同的16位定時器/計數(shù)器；另外還有DRAM刷新控制電路、總線判優(yōu)及控制電路。,（5）82357：集成系統(tǒng)外圍接口電路 （ISP），包括的功能部件有：2個4通道DMA控制器二級級聯(lián)；2個相當于8259的中斷控制器，主從級聯(lián)；3個與8254功能相當?shù)亩〞r器/計數(shù)器；另外還有總線判優(yōu)電路和NMI產(chǎn)生電路等。 （6）HT21：系統(tǒng)控制器，包括的功能部件有：1個82284產(chǎn)生

36、系統(tǒng)定時時序；1個74612提供存儲器地址映像；1個8254提供3個16位定時器/計數(shù)器；1個8284為8254提供定時脈沖信號；2個8237DMA控制器；2個8259中斷控制器，主從級聯(lián)，接收4個內(nèi)部和11個外部中斷請求。 4.SCSI總線 SCSI是small computer system interface的縮寫，即小型計算機系統(tǒng)接口。它用于計算機與磁帶機、軟磁盤機、硬磁盤機、CD-ROM、掃描儀、通信設(shè)備及打印機等外部設(shè)備的連接。目前廣泛應(yīng)用于微型計算機中主機與硬磁盤、光盤的連接，成為最重要、最有潛力的新的總線標準。,6.2 I/O接口,6.2.1 微機接口基本概念,1.接口與接口技

37、術(shù) 接口的定義: “接口”是微處理器CPU與外界的連接部件（電路）。 接口技術(shù)的研究對象：“接口技術(shù)”是研究CPU如何與外部世界進行最佳耦合與匹配，以實現(xiàn)雙方高效、可靠地交換信息的一門技術(shù)。,2.為什么要用接口電路 輸入/輸出（Input/Output）是計算機與外部世界交換信息所必需的手段。一方面，程序、數(shù)據(jù)和現(xiàn)場物理量等要通過輸入設(shè)備送給計算機；另一方面，計算機運行的結(jié)果和各種控制信號要通過輸出設(shè)備（輸入/輸出設(shè)備以下簡稱外設(shè)）進行顯示、打印或?qū)崿F(xiàn)實時控制等。計算機的外設(shè)有機械式、電子式、機電式等。,3.接口電路的組成及其傳遞的信息 為了完成CPU與外設(shè)之間的信息交換，通常在接口部件

38、中需要傳輸三種信息。 （1）數(shù)據(jù)信息 數(shù)據(jù)信息是指CPU與外設(shè)之間要傳送的數(shù)據(jù)本身。其形式有三種： 數(shù)字量：常以8位或16位的二進制或ASC碼形式傳輸。 模擬量：模擬的電壓或電流，甚至非電量（如：溫度、壓力、流量等），需經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的電信號，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字量形式傳輸。 開關(guān)量：通常用于表示兩種狀態(tài)“0”和“1”，如開關(guān)的通/斷，電機的轉(zhuǎn)/停，閥門的開/關(guān)等。 （2）狀態(tài)信息 為實現(xiàn)CPU與外設(shè)配合工作，CPU需要了解外設(shè)所處的現(xiàn)行狀態(tài)，如打印機是否忙（BUSY），輸入設(shè)備是否準備好（READY），用于表示外設(shè)工作狀態(tài)的信號叫狀態(tài)信息，它是由外設(shè)通過接口傳遞到CPU的。,（3

39、）控制信息 在CPU與外設(shè)的信息傳送過程中，需要向外設(shè)發(fā)出控制命令，這些控制信號由CPU發(fā)給接口電路，經(jīng)接口電路解釋并做適當變換后（若需要的話），去控制外設(shè)的動作。 這三種信息均通過接口電路傳遞，因此，接口電路的一般結(jié)構(gòu)如圖6.14所示。其中，數(shù)據(jù)寄存器用于暫時存放從外設(shè)來的數(shù)據(jù)（輸入時）或CPU寫給外設(shè)的數(shù)據(jù)（輸出時）；狀態(tài)寄存器用于暫時存放外設(shè)的工作狀態(tài)，供CPU查詢（或向CPU申請中斷），狀態(tài)寄存器一般為只讀的；控制寄存器用于暫時存放CPU發(fā)給外設(shè)的控制命令（也稱控制字或命令字），用于設(shè)置接口的工作方式，指定某些參數(shù)及功能等，控制寄存器一般為只寫的。 以上部件用于與外設(shè)一側(cè)傳遞信息。除

40、此以外，接口通過總線與CPU之間傳遞的信息有地址、數(shù)據(jù)和控制信號。地址譯碼器，用以實現(xiàn)對內(nèi)部寄存器的尋址。另外，還包括一些必不可少的控制邏輯電路。,圖6.14 接口電路的典型結(jié)構(gòu),4.接口的作用和特點 （1）接口的作用 主要負責接收、解釋并執(zhí)行CPU發(fā)出的命令，傳送外設(shè)的狀態(tài)，以及雙方的數(shù)據(jù)傳輸。管理雙方的工作邏輯、協(xié)調(diào)它們的工作時序。 （2）接口的功能特點 按CPU與外界交換信息的要求，一般來講，接口部件應(yīng)具有如下功能特點 數(shù)據(jù)緩沖功能 接口中一般都設(shè)置數(shù)據(jù)寄存器或鎖存器，以解決高速CPU和低速外設(shè)之間的矛盾，避免丟失數(shù)據(jù)。另外，這些鎖存器常常有驅(qū)動作用 設(shè)備選擇功能 微機系統(tǒng)中通常

41、都有多臺外設(shè)，而CPU在同一時間里只能與一臺外設(shè)交換信息，這就要借助于接口的地址譯碼對外設(shè)進行尋址。高位地址用于芯片（電路）選擇，低位地址用于選擇接口芯片（電路）內(nèi)部寄存器或鎖存器，從而選定需要與CPU交換信息的外設(shè)。,信號轉(zhuǎn)換功能 由于外設(shè)所能提供和所需要的各種信號常常與微機總線信號不兼容，因此信號變換就不可避免，它是接口設(shè)計中的一個重要方面。 接受、解釋并執(zhí)行CPU命令的功能 CPU發(fā)往外設(shè)的各種命令都是以代碼形式先發(fā)到接口電路，再由接口電路解釋后，形成一系列控制信號送往外設(shè)（被控對象）的。 中斷管理功能 當外設(shè)需要及時得到CPU的服務(wù)，例如，在出現(xiàn)故障而要求CPU進行刻不容緩的處理

42、時，就應(yīng)在接口中設(shè)置中斷控制邏輯，由它完成向CPU提出中斷請求，進行中斷優(yōu)先級排隊，接收中斷響應(yīng)信號以及向CPU提供中斷類型或中斷向量等有關(guān)中斷事務(wù)工作。 可編程功能 為使接口具有較強的通用性、靈活性和可擴充性，現(xiàn)在的接口芯片多數(shù)都是可編程的，這樣在不改變硬件的條件下，只改變驅(qū)動程序就可改變接口的工作方式和功能，以適應(yīng)不同的用途。,（3）CPU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式 程序控制方式 程序控制方式分為無條件傳送方式和條件傳送方式。 無條件傳送方式（又稱同步傳送方式）。其具體方法是：在程序中的適當位置直接插入I/O指令，以完成數(shù)據(jù)的傳輸。在這種方式中，CPU始終認為外設(shè)是準備好的。 條件傳送

43、方式（又稱查詢傳送方式）。其實現(xiàn)方法是：在每次執(zhí)行I/O操作之前，CPU先查詢外設(shè)的狀態(tài)，當外部設(shè)備準備好時才執(zhí)行I/O指令實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。這種傳送方式有效地解決了無條件傳送方式難以保證CPU與外設(shè)同步動作的問題，但其傳輸速度慢，CPU工作效率低，因為CPU將花費絕大部分時間去查詢外設(shè)的狀態(tài)。 程序控制方式的具體實例參見可編程并行接口芯片8255A的應(yīng)用。, 中斷傳送方式 為了提高CPU的效率，使系統(tǒng)具有實時處理能力，可采用中斷傳送方式進行CPU與外設(shè)間的數(shù)據(jù)傳送。具體過程為：當外設(shè)準備好進行數(shù)據(jù)傳輸時，通過接口向CPU提出中斷請求，CPU在滿足響應(yīng)中斷的條件下，向接口發(fā)出中斷響應(yīng)（回答）

44、信號，然后執(zhí)行中斷服務(wù)程序，完成數(shù)據(jù)傳送。這種方式可使CPU與外設(shè)并行工作，從而大大提高了CPU的工作效率。關(guān)于詳細的中斷處理過程參見中斷技術(shù)一章。 DMA傳送方式（直接存儲器存取方式） 在中斷傳送方式中，每傳送一次數(shù)據(jù)，CPU就要執(zhí)行一些附加的保護斷點和現(xiàn)場、恢復現(xiàn)場和斷點的指令。因此不能從根本上提高CPU的效率，且不能成塊傳送數(shù)據(jù)。,5.接口技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展 最初的計算機系統(tǒng)中并沒有設(shè)置獨立的接口部件，對外設(shè)的控制與管理均由CPU直接承擔。這在當時CPU任務(wù)較單一，操作簡單，外設(shè)品種較少的條件下是可行的。然而，隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展和日益廣泛的應(yīng)用，CPU需要執(zhí)行的任務(wù)愈來愈多，外設(shè)

45、的種類也大大增加，且性能各異，對外設(shè)的管理就變得愈來愈復雜。如果再使CPU承擔全部任務(wù)，那么勢必會使主機完全陷入與外設(shè)打交道的沉重負擔之中，因而必須設(shè)置專門的接口電路，把對外設(shè)的控制管理任務(wù)交給接口去完成，而主機只在適當時刻向接口發(fā)出命令，從接口讀入外設(shè)狀態(tài)或與外設(shè)傳送數(shù)據(jù)。這就大大減輕了主機的負擔，降低了對CPU的要求，同時也極大地提高了CPU的效率。,6.常用外圍接口芯片 微機外圍接口芯片品種繁多，常用的有：并行接口芯片8255A、8155A；串行接口芯片8250、8251；定時器/計數(shù)器8253、8254；中斷控制器8259A；DMA控制器8237A；鍵盤/LED專用控制器827

46、9；CRT控制器6834、8275；磁盤控制器PD7656843等。另外，在模擬接口中，還要用到A/D轉(zhuǎn)換器（如ADC0809）和D/A轉(zhuǎn)換器（如DAC0832）等。高檔微機中的接口有的是這些接口芯片的級聯(lián)，或?qū)⒛承┬酒墓δ芗傻揭黄?，或在它們的基礎(chǔ)上進行功能擴充。上一節(jié)中已介紹了一些多功能接口芯片。,6.2.2 接口的譯碼,CPU通過接口與外設(shè)打交道，那么CPU如何找到要與之傳送信息的外設(shè)呢？在第一節(jié)中已經(jīng)知道接口電路中一般包含多個寄存器，CPU是通過這些寄存器發(fā)出命令、讀取狀態(tài)和傳送數(shù)據(jù)的。因此，每個寄存器都被安排了一個地址，稱為端口地址（PORT ADDRESS），以便CPU能尋址它們

47、。 一個接口芯片上可能有多個端口，要尋址某個端口，除了找到該芯片外，還要能區(qū)分出不同端口。內(nèi)部端口的區(qū)分是由接口電路內(nèi)部的地址譯碼邏輯完成的。通常將低位地址線（一位或幾位）直接連到接口芯片上，用于內(nèi)部譯碼，而其余地址線作選擇接口芯片的譯碼輸入（也稱外部譯碼）。這一節(jié)的地址譯碼均指外部譯碼。,1.固定式地址譯碼 （1）用邏輯門電路進行譯碼 這是一種最簡單最基本的端口地址譯碼方法，適用于系統(tǒng)中接口電路（芯片）較少，而參與譯碼的地址線又較多的情況。 例6.1 設(shè)系統(tǒng)地址總線為16位，有一接口電路占用口地址為2FFH，則可設(shè)計譯碼電路如圖6.15所示。,,圖6.15 2FFH端口地址譯碼邏輯電路,（2

48、）用譯碼器進行地址譯碼 當系統(tǒng)中有多個接口芯片或有多個端口時，可選用集成的譯碼器進行譯碼，因為一片譯碼器有多個輸出端可用。常用的譯碼器有雙2-4線譯碼器74LS139，3-8線譯碼器74LS138和4-16線譯碼器74LS154等。 例6.2 在IBM PC/XT機系統(tǒng)板上接口芯片的口地址譯碼電路采用了3-8譯碼器74LS138，具體見第2章圖2.26。同時第2章表2.11中還列出了各接口芯片或控制電路的口地址范圍。 其中， AEN=1時，不執(zhí)行DMA操作，即CPU管理總線，這時才允許譯碼電路工作。當AEN =1，且A9=0，A8=0時，74LS138的哪一個輸出端為0，取決于A7A6A5

49、三條地址線上的信號。 需要說明的 ，低五位地址A4A0未參與譯碼，因此，分配給每個接口部件32個地址。 由于I/O地址空間已足夠用，所以只要能把它們區(qū)分開就行了。,,,,2.開關(guān)式可選口地址譯碼 如果用戶要求接口部件的端口地址能適應(yīng)不同的地址分配場合，或為系統(tǒng)以后的擴充留有余地，可采用開關(guān)式可選口地址譯碼方法。這種方法可根據(jù)要求撥動開關(guān)來改變端口地址而無需改動硬件線路。作為一個例子，下面來分析圖6.16的譯碼邏輯。,,圖6.16 開關(guān)可選式地址譯碼邏輯電路,,該譯碼邏輯主要使用了DIP開關(guān)，8位比較器74LS688和3-8譯碼器74LS138。圖中，當P7P0與Q7Q0狀態(tài)相同時，P=Q端輸

50、出低電平。那么AEN=0（不進行DMA操作），地址線A11=0，A10A5的狀態(tài)分別與6位DIP開關(guān)狀態(tài)相同時，比較器74LS688的P=Q端輸出“0”，且CPU進行讀/寫操作時，74LS138工作，而它們的輸出取決于地址線A4A2的狀態(tài)。地址線A1、A0用于接口芯片內(nèi)部譯碼，此邏輯電路的譯碼結(jié)果列于表6.7。,,表6.7 當對應(yīng)于Q5Q0的開關(guān)狀態(tài)為000111時的譯碼結(jié)果,6.2.3 微機接口設(shè)計與分析的基本方法,1.分析和設(shè)計接口兩側(cè)的連接關(guān)系 接口作為CPU與外設(shè)的中間界面，一面要通過總線與CPU連接，另一面要與外設(shè)連接。 2.進行適當?shù)男盘栟D(zhuǎn)換 有些接口芯片的信號線可直接與CPU

51、系統(tǒng)連接，有些信號線則需經(jīng)過一定的處理或改造，這種改造包括邏輯上、時序上或電平上的。特別是接外設(shè)一側(cè)的信號線，由于外設(shè)需要的電平常常不是TTL電平，而且要求有一定驅(qū)動能力。 3.接口驅(qū)動程序分析與設(shè)計 現(xiàn)在使用的接口芯片多數(shù)是可編程的，因此設(shè)計接口不僅是硬件上的問題，而且還包括編寫驅(qū)動程序。,4.接口設(shè)計與分析時應(yīng)注意的幾個問題 （1）軟、硬件綜合考慮 無論是在設(shè)計還是在分析接口時，都要做到軟、硬件綜合考慮。 （2）邏輯關(guān)系和時序關(guān)系統(tǒng)籌考慮 從一開始就要將雙方的邏輯關(guān)系與時序關(guān)系統(tǒng)一考慮，從而確保信息的正確傳輸。 （3）簡單、通用和擴展性同時考慮 在選擇接口芯片和設(shè)計接口電路時，應(yīng)盡量使硬件節(jié)省，邏輯簡潔，即夠用為度。但有時所設(shè)計的接口需要帶不同的外設(shè)，這就要考慮通用性問題，必要時可在適當位置設(shè)置開關(guān)以方便硬件變更。另外，系統(tǒng)的擴展任務(wù)往往落在接口電路上。因此，如果在以后的使用中系統(tǒng)有擴展的可能，首先應(yīng)在接口上留足擴展余地。簡單、通用和擴展三者如何兼顧要根據(jù)具體情況進行權(quán)衡。,