第4章总线技术与总线标准
第4章 PC机的总线结构和时序

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第4章
PC机的总线结构和时序
4.2 IBM PC/XT CPU子系统和PC/AT机的系统板 4.2.1 8086微处理器的结构 4.2.2 IBM PC/XT的CPU子系统 4.2.3 IBM PC/AT的系统板
第4章
PC机的总线结构和时序
4.2.1 8086微处理器的结构
4.2.1.1 8086的功能结构 4.2.1.2 8086的寄存器结构
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PC机的总线结构和时序
4.3 IBM PC 的系统总线及时序
1.读周期的时序 2.写周期的时序
第4章
PC机的总线结构和时序
1.读周期的时序(图4-10)
图4-10 8086读总线周期
第4章
PC机的总线结构和时序
一个基本的读周期一般包含如下几个状态:
T1状态: T2状态: T3状态: Tw状态: T4状态:
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PC机的总线结构和时序
2.执行部件EU
执行部件的功能就是负责从指令队列取指 令并执行。从编程结构图可见,执行部件 由下列几个部分组成: (1)4个通用寄存器,即AX、BX、CX、 DX; (2)4个专用寄存器: (3)标志寄存器FR; (4)算术逻辑单元ALU。
第4章
PC机的总线结构和时序
第4章
PC机的总线结构和时序
4.1.2.1 什么是总线
总线能为多个部件服务,总线的基本工作 方式通常是由发送信息的部件分时地将信息发 往总线,再由总线将这些信息同时发往各个接 收信息的部件。究竟由哪个部件接收信息,要 由CPU给出的设备地址经译码产生的控制信号来 决定。
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第4章
PC机的总线结构和时序
第4章
现场总线技术 第4章 通用工业协议CIP 现场总线技术及其应用 教学课件

DeviceNet Physical
Layer
ControlNet Physical Layer
Ethernet physical
Layer
Future
ATM, Firewire USB, Blue Tooth, etc.
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CIP
This is Ethernet/IP
(IP stands for Industrial Protocol)
2020/3/19
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4.2 CIP的特点----报文
I/O报文(I/O Message) –在本质上是隐性的,因而有时也称为隐式报文 (Implicit Message),它的数据域中常不包括协 议信息,仅仅是实时的I/O控制数据,这些数据的 含义是预定义的。因而在节点中对处理这些数据所 需的时间大大减小。 –为解释这种类型的报文而必须引入的附加量 (overhead)小,数据短,使用频率一致,并且需要 高的性能:对I/O报文传送的可靠性,送达时间的 确定性及可重复性有很高的要求。 –过去,用于I/O控制的网络不能处理发送显性报文 时在发送数据的时间及报文尺寸上的不定性因素。 控制设备提供商不得不使用不同的网络来管理这两 种不同报文类型的不同要求。 西门子的 Profibus FMS/ProfibusDP网络就是这种情况的表现。
Future?
ATM, Firewire USB, Blue Tooth, etc.
9
This is DeviceNet
User Layer
Application Layer
Transport and Data Link Layer
Physical Layer
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CIP
总线与总线标准

率的通信。SerDes技术将广泛应用于各种高速总线和接口协议中,推
动总线技术的发展。
03 总线的应用领域
工业控制领域
实时性要求高
安全可靠性
工业控制领域中,总线需要满足高实 时性要求,确保设备之间的快速通信 和精确控制。
工业控制领域对安全可靠性要求极高, 总线需要具备高度的稳定性和可靠性, 以避免因通信故障导致的生产事故。
灵活性高
总线结构允许节点在总线上任意接入 或断开,提高了系统的灵活性。
总线的缺点
带宽有限
总线的带宽有限,限制了数据 的传输速率。
竞争激烈
多个节点共享总线资源,导致 资源竞争激烈,影响系统性能 。
故障排除困难
一旦总线发生故障,故障排除 比较困难。
对线缆要求高
总线结构的线缆要求较高,需 要高质量的线缆以保证信号传
灵活性
通信领域中,总线需要具 备较好的灵活性,能够适 应不同传输介质和传输距 离的需求。
计算机硬件领域
高速数据传输
计算机硬件领域中,总线需要满 足高速数据传输的要求,确保
CPU、内存、硬盘等硬件设备之 间的快速信息交换。
兼容性
计算机硬件领域中,总线需要遵 循国际通用的标准协议,以确保
不同硬件设备之间的兼容性。
扩展性
计算机硬件技术不断发展,总线 需要具备良好的扩展性,以适应 新的硬件设备和更高的性能要求。
04 总线的优缺点分析
总线的优点
可靠性高
总线结构简单,减少了故障发生的可 能性,提高了系统的可靠性。
可扩展性强
总线采用分支结构,方便增加和减少 节点,具有良好的可扩展性。
成本低
总线结构减少了线缆的使用量,降低 了布线和维护成本。
总线技术与总线标准

汇报人:
单击输入目录标题 总线技术概述 总线标准类型 总线技术的性能指标 总线技术的优势与局限性 总线技术的应用案例
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总线技术概述
总线技术的定义
总线技术通常用于计算机系 统中的各个部件之间的通信
总线技术是一种用于连接和 传输数据的通信技术
总线技术可以包括多种不同 的协议和标准
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单位:比特率通常以bps(bits per second)或Kbps(kilobits per second)、Mbps(megabits per second)等表示
单击此处添加标题
性能评估:数据传输速率是总线技术的重要性能指标之一,它直接影响到 系统的整体性能和效率
传输距离
定义:传输距离 是指总线技术能 够传输信号的最 大距离
• CAN总线技术:CAN总线技术是一种广泛应用于汽车、航空航天、工业自动化等领域中的通信协 议。它具有高可靠性、实时性和灵活性等特点,可以实现设备之间的快速数据传输和实时监控。
• LIN总线技术:LIN总线技术是一种低成本的串行通信协议,被广泛应用于汽车、智能家居等领域 中。它具有简单、可靠、低成本等特点,可以实现设备之间的简单数据传输和通信。
传输速度快: 总线技术采用 高速传输协议, 因此具有较快 的传输速度。
灵活性好:总 线技术采用总 线控制方式, 因此具有较强 的灵活性和可
扩展性。
可靠性高:总 线技术采用差 分信号传输方 式,因此具有 较高的可靠性。
局限性
成本较高:总线 技术的硬件成本 相对较高,增加 了整个系统的成 本。
传输距离有限: 总线技术的传输 距离有限,限制 了其在大型系统 中的应用。
总线技术的应用领域
第4章 总线技术与总线标准

一、选择1. 总线是一种( ① ),由系统中各部件所共享,在( ② )的控制之下将信息准确地传送给( ③ )。
A 、公共信号通道B 、专用地信号连线C 、主设备D 、中断源E 、从设备F 、信号源2. 下面关于总线的叙述中,错误的是( )。
A 、总线位宽指的是总线能同时传送的最大数据位数B 、总线标准是指总线传送信息时应遵守的一些协议与规范C 、PCI 总线不支持突发成组传送D 、总线带宽是指单位时间内总线上可传送的最大数据量3. 74138译码器通常用于产生片选信号,其译码输入端应与系统的( )总线相连。
A 、地址B 、数据C 、控制D 、串行4. 按总线共享原则,为避免信号逻辑的混乱和器件的损坏,( )一个以上的输出引脚共享一条信号线。
A 、禁止B 、允许C 、当引脚较少时允许D 、当输出引脚有三态功能时允许5. 设异步串行接口电路中波特率因子为64,则接收端在确定起始位后应每隔( )个时钟周期对串行数据接收线采样一次。
A 、8B 、16C 、32D 、646. CPU 对存储器或I/O 端口完成一次读/写操作所需的时间称为一个( )。
A 、指令周期B 、总线周期C 、时钟周期D 、传输周期7. 处理器完成一个基本操作所用时间的最小单位是通常称为( c )周期,而完成一次存储器读/写操作所用时间通常称为( b )周期。
A 、指令周期B 、总线周期C 、时钟周期D 、循环周期8. 某系统总线时序如下图所示,可知该系统最大寻址空间为( ① );数据线D0-7上传送的是(②)信息;总线可能采用( ③ )时序控制方式。
① A. 1KB B. 2KBC. 4KBD. 8KB② A. 写入到存储器的 B. 写入到端口的 C. 从存储器读出的 D.从端口读出的 ③ A. 异步 B. 同步 C. 周期挪用 D.以上都不对9. 为提高总线驱动能力通常可采用( )。
A 、译码器B 、多路转换器C 、采样保持器D 、三态缓冲器地址数据地址CLK IO /( /M) D0-7A0-10 (/WR) / RD10.通常来说,同种总线上的数据传送速率与距离成( )。
CAN总线主要内容和CAN技术规范

接发电 机
底盘网 络M
M
仪表单元
车身中央 控制单元
空调 单元
前门 单元
前座 单元 顶窗 单元
前座 单元
左前门 单元
M
M
后门
M
单元
M
M
M
M
M
M
M
M M
后座 单元
M
M
M
后门 单元
M
M
后窗 单元
图例:
CAN
加热器
M
LIN
灯具
CAN数据传C输AN总舒线主适要内系容和统CAN技C术A规N范ZONGXIAN
CAN总线主要内容和CAN技术规范
编码规则
1)位填充:发送器监视发送位流,连续5个相同位 便自动插入一个补码位。(错误帧和过载帧以及 帧结束标志不执行位填充)
2)采用不归零(NRZ)编码 CAN总线主要内容和CAN技术规范
1. 数据帧
帧间空间
数据帧
帧间空间
仲裁场 控制场 数据场 CRC场 帧结束
CAN总线主要内容和CAN技术规范
• 基于CAN的应用层协议应用较通用的有两种:DeviceNet (适合于工厂底层自动化) 和 CANopen(适合于机械控 制的嵌入式应用)。
• 任何组织或个人都可以从DeviceNet供货商协会(ODVA) 获得DeviceNet规范。购买者将得到无限制的、真正免费 的开发DeviceNet产品的授权。
CAN总线主要内容和CAN技术规范
4.1.2 CAN的分层结构
根据ISO/OSI参考模型,CAN2.0规范细分为以下不同的 层次:数据链路层和物理层。在以前版本的CAN规范中 (2.0A版本),数据链路层的LLC子层和MAC子层的服务及功 能分别被解释为“对象层”和“传输层”。
现场总线技术

○ DIN19245;EN50170 。
应用领域:工厂自动化和楼宇自动化。 使用情况:应用很广,已有250家生产厂商2000多种产品,已安装25万节点。
Profibus-DP 主要性能特点
传输速率范围很 广,可高速数据 通信 9.6Kbit/s~12 Mbit/s
:
料纺养厂应 管织系、用 理工统农领 系业、业域 统、沥环奶 。太青境制
阳和控品 能水制厂 电泥、、 站生动啤 、产物酒 燃、饲
:
:IEC61158;IEC61784;E
N50179
准标 。
Data
支
持
公 司
单 位
。丹
麦
Proces-
:
P-NET
P-NET主要性能特点
使用屏蔽双绞线电缆(RS485),总线分段结构,每段长1200m; 通信速率:76.8kbit/s;·结构简单灵活,易于扩展,不采用专用芯片。
理 任
点网
。
:
要
工应 业用 控领 制域 。流
程 工 业 及 其 它
。司
册公
注等
过生
通默
品艾
家使
用 情 况
:
(4
)
已 有 产
主要性能特点
IEC支持,开放性好,可互操作性好; 使用工业级的以太网、集线器、交换机等设备; 网络层使用IP行规,传输层使用TCP、VDP(用户数据报协议,即为
IEIF标准下768项协议)行规; 作为FCS的主干网络,可局域网冗余,设备冗余。
INTERB US主要性 能特点
环型拓扑网络,通过总线控制板引出主干 线外,并具有165分支层;
微型计算机的总线技术原理分析

2021/4/21
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(6)USB传输线能够提供100mA的电流,而带电源的USB Hub使得每个接口可以提供500 mA的电流。
(7)USB V1.1规范提供全速12Mbps的模式和低速1.5Mbps 的模式,USB V2.0规范提供高达480Mbps的数据传输速 率,可以适应各种不同类型的外设。
8位ISA总线是一种开放式的结构总线,在总线母板上有8个系 统插槽,用于I/O设备和PC机的连接。由于8位ISA总线具有价格 低、可靠性好、使用灵活等特点,并且对插板兼容性好。
8位ISA总线引脚信号总共有62条。通过一个31脚分为A、B两 面的连接插槽来实现,其中,A面为元件面,B面为焊接面。符 合ISA总线标准的接插件可以方便的插入,以便对微型计算机 系统进行功能扩展。
16位ISA总线的前62引脚的信号分布及其功能与8位ISA总线基 本相同,仅有两处作了改动。
16位ISA总线中新增加的36引脚插槽信号扩展了8位数据线、7 位地址线、存储器和I/O设备的读写控制线、中断和DMA控制线 、电源和地线等。
新插槽中的引脚信号分为C(元件面)和D(焊接面)两列。
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4.3 局部总线
4.3.1 VESA总线
VESA(Video Electronics Standards Association 视频电 子标准协会)总线是一种32位接口的局部总线,通 常称为VL总线。
由于EISA总线工作频率是8MHz,而VESA局部总线工 作频率可以达到33MHz。因此,需要高速数据传输 的系统可以采用VESA局部总线。它通常用于视频和 磁盘到基于80486的PC机的接口。
PCI V2.0版本支持32/64位数据总线,总线时钟为25~ 33MHz,数据传输率达132~264MB/s。1995年推出的PCI V2.1版本支持64位数据总线,总线速度为66MHz,最大 数据传输率达528MB/s。这个速度是最初的IBM PC总线的 100倍,是最快的ISA总线的40倍。PCI总线的优良性能使 它成为当前Pentium系列芯片的最佳选择,现在所有 Pentium主板都使用了PCI V2.1和更新版的PCI总线。
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•32位或64位的PCI局部总线
第4章总线技术与总线标准
常见总线分类
总线 类型
同步
支持PnP (即插即用)
PnP
位置分类 系统内总线
ISA USB
SPI I2C
RS232 RS422 RS485
•26
第4章总线技术与总线标准
4.1.3 总线操作与时序
• 总线操作:计算机系统中,通过总线进行信息交换的过程称 为总线操作
• 总线周期:总线设备完成一次完整信息交换的时间 • 读/写存储器周期 • 读/写IO口周期 • DMA周期 • 中断周期
• 多主控制器系统,总线操作周期一般分为四个阶段 • 总线请求及仲裁阶段、寻址阶段、传数阶段和结束阶段
•系统内总线(插板级总线)
片有关)
•系统外总线(通信总线) •地址总线
•通用标准总 线
•数据总线
•控制总 线
•同步
•并行总线 •半同步 •异步
•串行总 线
•同 •步异
步
•按时序关系 •(握手方式)
第4章总线技术与总线标准
计算机系统的四层总线结构
•计算机系 统
•主板 •CP
U •运算 器
•控 制 器
• 一般一次读写操作可在一个时钟周期内完成,时钟前、 后沿分别指明总线操作周期的开始和结束
• 地址、数据及读/写等控制信号可在时钟沿处改变
• 优点:电路设计简单,总线带宽大,数据传输速率快
• 缺点:时钟以最慢速设备为准,高速设备性能将受到影 响
•同步时 •钟地址信号 •数据信号 •控制信号
•30
•延时
✓CLK信号 作为快速 设备的同 步时钟信 号
✓Ready 信号可作 为慢速设 备的异步 联络信号
•32
第4章总线技术与总线标准
4.2 总线标准
• 总线标准包括: • 逻辑规范:逻辑信号电平 • 时序规范 • 电气规范 • 机械规范 • 通信协议
•33
第4章总线技术与总线标准
常用总线分类
一.串行总线
•RS232、USB、1394、SPI、现场总线 •SATA、SAS
系二.并行总线
统 •ATA(Advanced Technology
内 总 线
Attachment)
•SCSI (Small Computer System Interface )
•16位的PC/AT(ISA)总线
系统外总线
•32位的PC386(EISA)总线
BR
•从下一设备
•到下一设备
总
线
仲
裁 器
•主模块 1
•主模块2
•主模块3
•主模块4
•……
•综合了串行和并行两种仲裁方式的优点和缺点(模块1和 3为第一组,模块2和4为第二组):第一组和第二组的优 先级由总裁器内部的设定的优先级决定, 每组内部由位 •置25 决定优先级(模块1比模块3高,模块第4章2总比线技模术与总块线标4准高)
速率 • 缺点:复杂
•14
第4章总线技术与总线标准
多级总线结构
•前端总线Front Side Bu•s高速IO
总线 •北桥
•存储 总线
•低速IO•南桥
总线
第4章总线技术与总线标准
总线隔离与驱动
• 不操作时把功能部件与总线隔离 • 同一时刻只能有一个部件发送数据到总线上
• 提供驱动能力 • 数据发送方必须提供足够的电流以驱动多个部件
第4章总线技术与总线标准
并行仲裁
•
•主模块 1
•主模块2
•……
•主模块 N
总
•请求BR
线
•允许BG
仲
•忙BB
裁
器
•特点:各主控模块有独立的请求信号线和允许信号线,其 优先级别由总线仲裁器内部模块判定;
•优点:总线请求响应的速度快; •缺点:扩充性较差;
第4章总线技术与总线标准
•
串并行二维仲裁
•请求 •允许BG •忙BB
•10
第4章总线技术与总线标准
微机系统中的外总线(通信总线)
•11
第4章总线技术与总线标准
总线的组织形式
• 组织形式:单总线、双总线,多级总线 • 单总线
• 特征:存储器和I/O分时使用同一总线 • 优点:结构简单,成本低廉,易于扩充 • 缺点:带宽有限,传输率不高(可能造成物理
长度过长)
•12
• 提供锁存能力 • 具有信息缓存和信息分离能力
•16
第4章总线技术与总线标准
总线电路中常用器件
• 三态总线驱动器 • 驱动、隔离 • 单向、双向
A 0
A 1 A 2 A 3 A 4 A 5 A 6 A 7
8286
B 0
B 1 B 2 B 3 B 4 B 5 B 6 B 7
三态:高电平、 低电平、高阻
•电气性能
•总线时序:规定通信双方的联络方式 •总线仲裁:规定解决总线冲突的方式
•其它:如差错控制等
•5
•机械性能• 如接口尺寸、形状等
第4章总线技术与总线标准
总线协议组件
•6
第4章总线技术与总线标准
总线分类
•按所处位置 •(数据传送范
围)
•按总线功 能
•按数据格 式
•7
•片内总线
•非通用总线
•芯片总线(片间总线、元件级总线) (与具体芯
10
11
第4章总线技术与总线标准
VCC DO0 DO1 DO2 DO3 DO4 DO5 DO6 DO7 STB
总线的性能指标
• 总线时钟频率:总线上的时钟信号频率
• 总线宽度(位宽):数据线、地址线宽度
• 总线速率:总线每秒所能传输数据的最大次数。 • 总线速率=总线时钟频率/总线周期数 • 总线周期数:总线传送一次数据所需的时钟周期数
第4章总线技术与总线标准
异步并行总线时序
• 特点:系统中可以没有统一的时钟源,模块之间依靠各种联 络(握手)信号进行通信,以确定下一步的动作
• 优点:全互锁方式可靠性高,适应性强 • 缺点:控制复杂,交互的联络过程会影响系统工作速度
•地址信号 •主设备 •联络信号 •从设备 •联络信号 ••数31 据信号
• 总线时序类型 • 同步:所有设备都采用一个统一的时钟信号来协调 收发双方的定时关系 • 异步:依靠传送双方互相制约的握手(handshake)信号 来实现定时控制 • 半同步:具有同步总线的高速度和异步总线的适应 性
•29
第4章总线技术与总线标准
• 特点
同步并行总线时序
• 系统使用同一时钟信号控制各模块完成数据传输
第4章总线技术与总线标准
总线要素
• 线路介质
•种类:有线(电缆、光缆)、无线(电磁波)
•特性
• 原始数据传输率
• 带宽
• 对噪声的敏感性:内部或外部干扰
• 对失真的敏感性:信号和传输介质之间的互相作用引起
• 对衰减的敏感性:信号通过传输介质时的功率损耗
• 总线协议
•总线信号:有效电平、传输方向/速率/格式等
第4章总线技术与总线标 准
2020/11/26
第4章总线技术与总线标准
•简 单并
行总
线结 构
•现 代 并 行 总 线 结 构
第4章总线技术与总线标准
总线的表示方法
8位数据线(DB)
•上图的粗箭头表示是下图实际线路的简略表 示
第4章总线技术与总线标准
4.1 总线技术
• 总线是计算机系统中的信息传输通道,由系统中各个部件所 共享。总线的特点在于公用性,总线由多条通信线路(线缆) 组成
•+ 5V
•8284 •时钟 •发生
器
•R •R EE SA ED TY
片间总线: 微机系统三总线
•CPU
•MN/MX
• INTA
• RD
•CLK WR
•READY M/IO •RESET
•ALE •BHE • A19-A16 • AD15-AD0 •DEN DT/R
•AD1
5
•地
•
•S•TB
•A1 ~ A19
•① •②
•③ •④
•① 准备好接收 •(M发送地址信号)
•②已送出数据 •(S发送数据信号)
•③已收到数据 •(M撤销地址信号)
•④完成一次传送 •(S撤销数据信号)
第4章总线技术与总线标准
半同步并行总线时序
• 特点:同时使用主模块的时钟信号和从模块的联络信号 • 优点:兼有同步总线的速度和异步总线的可靠性与适应性
•22
第4章总线技术与总线标准
菊花链(串行)总线仲裁
•
•允许BG •主控
总
模块1
线
仲 裁
•请求BR
器 •忙BB
•主控 模块2
•…… •主控
模块N
•特点:各主控模块共用请求信号线和忙信号线,其优先级 别由其在链式允许信号线上的位置决定;
•优点:具有较好的灵活性和可扩充性; •缺点:主控模块数目较多时,总线请求响应的速度较慢;
• 计算机系统通常包含不同种类的总线,在不同层次上为计算 机组件之间提供通信通路
• 采用总线的原因: • 非总线结构的N个设备的互联线组数为N*(N-1)/2 • 非总线结构的M发N收设备间的互联线组数为M*N
• 采用总线的优势
• 减少部件间连线的数量
• 扩展性好,便于构建系统
• 便于产品更新换代
•4
分布式总线仲裁方式
• 总线上各个设备都有总线仲裁模块
• 当任何一个设备申请总线,置“总线忙”状态,以阻止其他 设备同时请求
•+5 V
•仲 裁 •IN OUT 线