计算机总线部分

计算机总线部分

1、计算机总线的分类

按照总线内部信息传输的性质，总线可分为

?数据总线:DB 用于传送数据信息

?地址总线:AB 是专门用来传送地址的

?控制总线:CB 控制总线包括控制、时序和中断信号线

?电源总线:PB 用于向系统提供电源

按照总线在系统结构中的层次位置，总线可分为

?片内总线(On-Chip Bus)

在集成电路的内部，用来连接各功能单元的信息通路

?内部总线(Internal Bus)

用于计算机内部模块（板）之间通信

?外部总线(External Bus)：又称通讯总线

用于计算机之间或计算机与设备之间通信

根据总线的数据传输方式，总线可分为

?并行总线：每个信号都有自己的信号线

?串行总线：所有信号复用一对信号线

2、总线的主要性能指标

?总线频率即总线工作时钟频率，单位为MHz，它是影响总线传输速率的重要因素之一。

?总线宽度又称总线位宽，是总线可同时传输的数据位数，用bit（位）表示，如8位、16位、32位等。显然，总线的宽度越大，它在同一时刻就能够传输更多的数据。

?总线带宽又称总线传输率，表示在总线上每秒传输字节的多少，单位是MB/S。影响总线传输率的因素有总线宽度、总线频率等。

一般的，总线带宽（MB/S）= 1/8×总线宽度×总线频率

?同步方式可分为同步方式和异步方式。在同步方式下，总线上主模块与从模块进行一次数据传输的时间是固定的，并严格按照系统时钟来统一定时主模块、从模块之间的传输操作，只要总线上的设备都是高速的，就可达到很高的总线带宽。

?总线复用采用多路复用技术，可以减少总线的数目。

?信号线数表明总线拥有多少信号线，是数据总线、地址总线、控制总线和电源总线的总和。信号线数与总线性能不成正比，但一般与复杂度成正比。

?总线控制方式包括并发工作、自动配置、仲裁方式、逻辑方式、计数方式等。

3、总线的两种控制方式

集中式将控制逻辑集中在一处(如在CPU中) 。集中控制是单总线、双总线和三总线结构计算机主要采用的方式，常见的集中控制方式主要有链式查询方式、计数器定时查询方式和独立请求总线控制方式。

分布式将总线控制逻辑分散在与总线连接的各个部件或设备上。

4、PCI局部总线的主要技术特点和性能指标

–PCI(Peripheral Component Interconnect，设备部件互连总线)是一种高性能局部总线，它是92年由Intel公司带头制定的设备总线标准

–支持64位数据传送、多总线主控模块、线性猝发读写和并发工作方式

–具有即插即用功能(PnP，Plug and Play，可自动找到一个不冲突的中断和I/O地址分配给外部设备)

–最高传送数据132Mbps

–兼容性强、成本低

?PCI局部总线已形成工业标准。它的高性能总线体系结构满足了不同系统的需求，低成本的PCI总线构成的计算机系统达到了较高的性能/价格比水平。因此，PCI总线被应用于多种平台和体系结构中。

?PCI总线的组件、扩展板接口与处理器无关，在多处理器系统结构中，数据能够高效地在多个处理器之间传输。与处理器无关的特性，使PCI总线具有很好的I/O性能，最大限度地使用各类CPU/RAM的局部总线操作系统、各类高档图形设备和各类高速外部设备，如SCSI、HDTV、3D等。

?PCI总线特有的配置寄存器为用户使用提供了方便。系统嵌入自动配置软件，在加电时自动配置PCI扩展卡，为用户提供了简便的使用方法。

5、PCI-Express的结构、主要技术特点以及与PCI的主要区别

–PCI Express和PCI不同的是实现了传输方式从并行到串行的转变。

–PCI Express是采用点对点的串行连接方式，这个和以前的并行通道大为不同，

–允许和每个设备建立独立的数据传输通道。不用再向整个系统请求带宽，这样也就轻松地到达了高带宽要求。

PCI-E总线主要特点

–串行的点对点互连

–差分信号传送

–采用交换开关互连多台设备

–PCI Express 事务与包

?PCI Express的事务分成两类：

(1)非转发事务，即请求者发送请求包给完成者，完成者返回完成包给请求者，如

存储器读事务；

(2)转发事务，即只有请求者给完成者发送请求包，而完成者不用返回完成包给请

求者，如存储器写事务

–具有更高的数据传输率

–错误处理

–具有优先级的传送

–两种中断方式

?一种是类似PCI-X的MSI协议，PCI Express设备启动一个写存储器包，向根复合体发送一个中断向

量，根复合体再中断CPU。

?另一种是使用中断消息事务向根复合体传送传统PCI总线上的INT x＃信号的跳变情况，这种中断方

式只对具有传统功能的端点设备和PCI Express-PCI桥的系统有用。

–支持热插拔（即带电插拔，允许用户在不关闭系统，不切断电源的情况下取出设备）

6、RS232C的电气特性，最简单的RS232C通信结构

电气连接方式：

?TTL电平：+5V为逻辑“1”，0V为逻辑“0”；

?EIA电平：3~15V为逻辑“1”，-3~-15V为逻辑“0”

主要特点：

–非平衡的连接方式

–采用点对点通信

–公用地线

电气参数

引线信号状态

?RS-232C 标准引线状态必须是以下三种之一，即SPACE/ MARK(空号/传号)、或ON/OFF(通/断)、或逻辑0/逻辑1。

引线逻辑电平

?用-3～-15V表示逻辑1

?用+3～+15V表示逻辑0

短路抑制性能RS-232C的驱动电路必须能承受电缆中任何导线短路通信速率

–最高通信速率为115200bps

–RS-232C标准规定通信距离应小于15m。

最简单的RS-232C数据通信

7、RS422和RS485的主要特性和相互区别

RS-422A标准接口:

RS-422由RS-232C发展而来

RS-422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输的总线标准

RS-422标准规定了双端电气接口型式，使用双端线传送信号。它通过传输线驱动器，把逻辑电平变换成电位差，完成始端的信息传送；通过传输线接收器，把电位差转变成逻辑电平，实现终端的信息接收

?RS-422的数据信号采用差分传输方式传输。

?RS-422 有4 根信号线，两根发送、两根接收，RS-422 的收与发是分开的，支持全双工的通讯方式。

?RS-422的最大传输距离为1200m，最大传输速率为10Mbps。

?RS-422A接口电路

RS-485标准接口：

–RS-485是一种多发送器的电路标准，它是RS-422A性能的扩展，是真正意义上的总线标准。

–允许在二根导线(总线)上挂接32台RS--485负载设备。负载设备可以是发送器、被动发送器、接收器或组合收发器（发送器和接收器的组合）

RS485具有以下特点：

RS-485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+2V~+6V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-2V~ -6V表示。

RS-485的数据最高传输速率为10Mbps

RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强。

RS-485接口的最大传输距离为1200m，在总线上是允许连接多达128个收发器,即具有多站能力和多机通信功能。

RS-485与RS-422的区别在于：

硬件线路上，RS-422至少需要4根通信线，而RS-485仅需2根

通信方式上，RS-422可以全双工，而RS-485只能半双工

RS-485驱动器共模电压的输出范围是-7V和+12V之间；而RS-422驱动器这个指标只有7V；RS-422接收器的最小输入电阻是4千欧姆，而RS-485的最小输入电阻则是12千欧姆RS-485 的驱动器可以用在RS-422的应用中，因为RS-485满足所有的RS-422规范，反之则不成立

8、USB的主要特性、体系结构、传输方式，以及USB设备和主机之间的连接方法

USB设备的主要特点:

–采用USB接口的设备支持热拔插

–USB接口可以同时连接127台USB设备。

–速度方面，USB 1.1总线规范定义了12 Mb/s的带宽，而USB2.0可提供480Mb/s的传输速度。

–USB总线能够提供500 mA的电流。

USB设备及其体系结构：

USB总线系统中的设备可以分为三个类型

–USB主机

–USB 集线器（HUB）

–USB总线的设备，又称USB功能外设。

USB的传输方式：

控制(Control)传输方式

设备控制指令、状态查询及确认命令

中断(Interrupt)传输方式

数据量小、需及时处理的数据，如键盘、鼠标

同步(Isochronous)传输方式

对数据正确性要求不高、对时间敏感的外部设备，如麦克风、喇叭

批(Bulk)传输方式

正确无误的大批量数据，如移动硬盘、打印机、扫描仪和数码相机

USB设备的电气连接：

USB连接分为上行连接和下行连接。所有USB外设都有一个上行的连接，上行连接采用A型接口，而下行连接一般则采用B型接口。

USB电缆中有四根导线，VBUS为电源，+5V

USB连接设备和主机的连接方法, USB 集线器和设备的电阻连接

USB连接设备和主机的连接方法：

USB集线器通过监视差分数据线来检测设备是否已连接到集线器的端口上.

--当没有设备连接到USB端口时，D+和D-通过下拉电阻Rpd电平是近

地的。--USB设备必须至少在D+和D-线的任意一条上有一个上拉电阻Rpu

--由于Rpu=1.5KΩ,Rpd=15K Ω,所以数据线上会有90%的Vcc电压

--集线器通过检测不同的数据线电压接近Vcc来判别是哪一类USB设备连接到其端口上–如D+电平接近Vcc，D-近地，则所连设备为全速设备

–如D-电平接近Vcc，D+近地，则所连设备为低速设备

–当D+和D-的电压都降到0.8V以下，并持续2.5微秒以上的话，就认为该设备断开连接了。

9、I2C总线的主要特点和三种数据传输格式

I2C总线传输率：

–标准模式下，基本的I2C总线规范的规定的数据传输速率为100kb/s

–快速模式下，数据传输速率为400KB/s

–高速模式下，数据传输速率为3.4Mb/s

?I2C总线采用二线制传输，一根是数据线SDA（Serial Data Line），另一根是时钟线SCL（serial clock line），所有I2C器件都连接在SDA和SCL上，每一个器件具有一个唯一的地址

?I2C总线是一个多主机总线，总线上可以有一个或多个主机（或称主控制器件），总线运行由主机控制

–主机是指启动数据的传送（发起始信号）、发出时钟信号、发出终止信号的器件。通常，主机由单片机或其它微处理器担任

–被主机访问的器件叫从机（或称从器件），它可以是其它单片机，或者其他外围芯片，如：A/D、D/A、LED或LCD驱动串行存储器芯片

?I2C总线支持多主（multi-mastering）和主从（master-slave）两种工作方式：

–多主方式下，I2C总线上可以有多个主机。I2C总线需通过硬件和软件仲裁来确定主机对总线的控制权–主从工作方式时，系统中只有一个主机，总线上的其它器件均为从机（具有I2C总线接口），只有主机能对从机进行读写访问，因此，不存在总线的竞争等问题。在主从方式下，I2C总线的时序可以模拟，I2C总线的使用不受主机是否具有I2C总线接口–在嵌入式系统的串行总线扩展中，经常遇到的是以MCU为主机，其它接口器件为从机的单主机情况

采用I2C总线设计系统的优点：

?功能框图中的功能模块与实际的外围器件对应，可以使系统设计直接由功能框图快速地过渡到系统样机

?外围器件直接“挂在”I2C总线上，不需设计总线接口；增加和删减系统中的外围器件，不会影响总线和其他器件的工作，便于系统功能的改进和升级

?集成在器件中的寻址和数据传输协议可以使系统完全由软件来定义

I2C总线的数据传输：

?I2C总线通过上拉电阻接正电源。当总线空闲时，两根线均为高电平。连到总线上的任一器件输出的低电平，都将使总线的信号变低，即各器件的SDA及SCL都是线“与”关系

I2C总线的数据传输：

I2C总线通过上拉电阻接正电源。当总线空闲时，两根线均为高电平。连到总线上的任一器件输出的低电平，都将使总线的信号变低，即各器件的SDA及SCL都是线“与”关系

I2C总线特点：

–总线速度：总线速度为从0Hz到3.4MHz，没有SPI那样快

–流控：存在系统开销，这些开销包括起始位/停止位、确认位和从地址位，但它因此拥有流控机制

–多主：允许多个主器件工作在同一总线上，多个主器件可以轻松同步其时钟

–添加从器件：I2C总线只有两条导线，因此新从器件只需接入总线即可，而无需附加逻辑

–非全双工，一般无FIFO

3种数据传输格式：

（1）字节传送与应答

?每一个字节必须保证是8位长度。数据传送时，先传送最高位（MSB），每一个

被传送的字节后面都必须跟随一位应答位（即一帧共有9位）

?由于某种原因从机不对主机寻址信号应答时（如从机正在进行实时性的处理工作而无法接收总线上的数据），它必须将数据线置于高电平，而由主机产生一个终止信号以结束总线的数据传送

?如果从机对主机进行了应答，但在数据传送一段时间后无法继续接收更多的数据时，从机可以通过对无法接收的第一个数据字节的“非应答”通知主机，主机则应发出终止信号以结束数据的继续传送

?当主机接收数据时，它收到最后一个数据字节后，必须向从机发出一个结束传送的信号。这个信号是由对从机的“非应答”来实现的。然后，从机释放SDA线，以允许主机产生终止信号

（2）数据帧格式：

?I2C总线上传送的数据信号是广义的，既包括地址信号，又包括真正的数据信号

?在起始信号后必须传送一个从机的地址（7位），第8位是数据的传送方向位（R/T），用“0”表示主机发送数据（T），“1”表示主机接收数据（R）。每次数据传送总是由主机产生的终止信号结束。但是，若主机希望继续占用总线进行新的数据传送，则可以不产生终止信号，马上再次发出起始信号对另一从机进行寻址

?在总线的一次数据传送过程中，可以有以下几种组合方式：

a）主机向从机发送数据，数据传送方向在整个传送过程中不变：

–注：

?阴影部分表示数据由主机向从机传送，无阴影部分则表示数据由从机向主机传送

?A表示应答，A非表示非应答（高电平）

?S表示起始信号，P表示终止信号。

b）主机在第一个字节后，立即从从机读数据：

c）在传送过程中，当需要改变传送方向时，起始信号和从机地址都被重复产生一次，但两次读/写方向位正好反相

10、SPI总线的主要特点以及SPI与I2C间的比较

I2C与SPI比较：

?总线速度

?流控

–流控制用于解决串口通信中的数据丢失问题，当接收端数据处理不过来时，就发出“不再接收”的信号，发送端就停止发送，直到收到“可以继续发送”的信号再发送数据

?多主机

?从器件添加

?数据流向

SPI总线特点:

–总线速度：时钟速度很快，范围可从几兆赫兹到几十兆赫兹，且没有系统开销

–流控：缺乏流控机制，无论主器件还是从器件均不对消息进行确认，主器件无法知道从器件是否繁忙

–多主：没有多主器件协议，必须采用很复杂的软件和外部逻辑来实现多主器件架构–添加从器件：每个从器件需要一个单独的从选择信号。总信号数最终为n+3个，其中n是总线上从器件的数量。在SPI总线上添加新的从器件也不方便。对于额外添加的每个从器件，都需要一条新的从器件选择线或解码逻辑

–可实现全双工通信