第2章計(jì)算機(jī)通信技術(shù)2.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)總線

2.2RS-232C串行總線

2.3EIA-449串行總線

2.4USB通用串行總線及應(yīng)用

2.5IEEE1394總線

2.6I2C總線

2.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)總線2.1.1總線的分類(lèi)

1.按相對(duì)位置分類(lèi)按相對(duì)于CPU或其他芯片的位置總線可分為:片內(nèi)總線和片外總線。在CPU內(nèi)部,寄存器之間和算術(shù)邏輯部件ALU及控制部件之間傳輸數(shù)據(jù)所用的總線稱(chēng)為片內(nèi)總線(即芯片內(nèi)部的總線);通常所說(shuō)的總線(Bus)指片外總線,是CPU與內(nèi)存RAM、ROM和輸入/輸出設(shè)備接口之間進(jìn)行通信的通路。有的資料上也把片內(nèi)總線叫做內(nèi)部總線或內(nèi)總線(InternalBus),把片外總線叫做外部總線或外總線(ExternalBus)。

2.按總線的功能分類(lèi)按總線的功能可將其分為:地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。通常所說(shuō)的總線都包括上述三個(gè)組成部分。地址總線(ABus)用來(lái)傳送地址信息,數(shù)據(jù)總線(DBus)用來(lái)傳送數(shù)據(jù)信息,控制總線(CBus)用來(lái)傳送各種控制信號(hào)。例如,ISA總線共有98條線(即ISA插槽有98個(gè)引腳),其中數(shù)據(jù)線有16條(構(gòu)成數(shù)據(jù)總線),地址線24條(構(gòu)成地址總線),其余各條為控制信號(hào)線(構(gòu)成控制總線)、接地線和電源線。

3.按總線的層次結(jié)構(gòu)分類(lèi)按總線的層次結(jié)構(gòu)可將其分為:CPU總線、存儲(chǔ)總線、系統(tǒng)總線和外部總線。

(1)CPU總線包括地址線(CAB)、數(shù)據(jù)線(CDB)和控制線(CCD),用來(lái)連接CPU和控制芯片。

(2)存儲(chǔ)總線包括地址線(MAB)、數(shù)據(jù)線(MDB)和控制線(MCD),用來(lái)連接存儲(chǔ)控制器和DRAM。

(3)系統(tǒng)總線也稱(chēng)為I/O通道總線,包括地址線(SAB)、數(shù)據(jù)線(SDB)和控制線(SCB),用來(lái)與擴(kuò)充插槽上的各擴(kuò)充板卡相連接。系統(tǒng)總線有多種標(biāo)準(zhǔn),適用于各種系統(tǒng)。

(4)外部總線用來(lái)連接外設(shè)控制芯片(如主機(jī)板上的I/O控制器和鍵盤(pán)控制器),包括地址線(XAB)、數(shù)據(jù)線(XDB)和控制線(XCB)。

4.按總線的位置分類(lèi)按總線在微機(jī)系統(tǒng)中的位置可分為:機(jī)內(nèi)總線和機(jī)外總線。

(1)機(jī)內(nèi)總線:上面介紹的各類(lèi)都是機(jī)內(nèi)總線。

(2)機(jī)外總線(PeripheralBus)：亦稱(chēng)外設(shè)總線,指與外部設(shè)備接口的總線,實(shí)際上是一種外設(shè)的接口標(biāo)準(zhǔn)。目前,在PC機(jī)上流行的接口標(biāo)準(zhǔn)有:IDE、SCSI、USB和IEEE1394等四種。前兩種主要是與硬盤(pán)、光驅(qū)等IDE設(shè)備接口,后面兩種新型外部總線可以用來(lái)連接多種外部設(shè)備。

5.按總線作用范圍分類(lèi)

按總線作用范圍可將其分為：系統(tǒng)總線和局部總線。

(1)系統(tǒng)總線。上面說(shuō)過(guò),我們要討論的總線主要是系統(tǒng)總線。PC機(jī)上的系統(tǒng)總線又可分為ISA、EISA、MCA、VESA、PCI、AGP等多種標(biāo)準(zhǔn)。

(2)局部總線。在以Windows為代表的圖形用戶接口(GUI)進(jìn)入PC機(jī)之后,要求有高速的圖形描繪能力和I/O處理能力。這不僅要求圖形適配卡要改善其性能,也對(duì)總線的速度提出了挑戰(zhàn)。實(shí)際上當(dāng)時(shí)外設(shè)的速度已有了很大的提高,如硬磁盤(pán)與控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸率已達(dá)10Mb/s以上,圖形控制器和顯示器之間的數(shù)據(jù)傳輸率也達(dá)到69Mb/s。通常認(rèn)為I/O總線的速度應(yīng)為外設(shè)速度的3～5倍。因此原有的ISA、EISA已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)要求,而成為了整個(gè)系統(tǒng)的主要瓶頸。

局部總線是PC體系結(jié)構(gòu)的重大發(fā)展。它打破了數(shù)據(jù)I/O的瓶頸,使高性能CPU的功能得以充分發(fā)揮。從結(jié)構(gòu)上看,所謂局部總線是在ISA總線和CPU總線之間增加了一級(jí)總線或管理層。這樣可將一些高速外設(shè),如圖形卡、硬盤(pán)控制器等從ISA總線上卸下而通過(guò)局部總線直接掛接到CPU總線上,使之與高速的CPU總線相匹配。局部總線可分為三種:

·專(zhuān)用局部總線；

·VL總線(VESALocalBus)；

·PCI總線(PeripheralComponentInterconnect)。

2.1.2總線的主要參數(shù)

1.總線帶寬總線帶寬是指一定時(shí)間內(nèi)總線上可傳送的數(shù)據(jù)量,即我們常說(shuō)的每秒鐘傳送多少M(fèi)B的最大穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)傳輸率。與總線帶寬密切相關(guān)的兩個(gè)概念是總線的位寬和總線的工作時(shí)鐘頻率。

2.總線位寬總線位寬是指總線能同時(shí)傳送的數(shù)據(jù)位數(shù),即我們常說(shuō)的32位、64位等總線寬度的概念?？偩€的位寬越寬,則總線每秒數(shù)據(jù)傳輸率越大,也即總線帶寬越寬。

3.總線工作時(shí)鐘頻率總線的工作時(shí)鐘頻率以MHz或GHz為單位,工作頻率越高,則總線工作速度越快,也即總線帶寬越寬?？偩€帶寬、總線位寬和總線工作時(shí)鐘頻率的關(guān)系舉個(gè)例子就很容易明白了。高速公路上的車(chē)流量取決于公路車(chē)道的數(shù)目和車(chē)輛行駛速度,車(chē)道越多、車(chē)速越快則車(chē)流量越大;總線帶寬就像是高速公路的車(chē)流量,總線位寬可以看做是高速公路上的車(chē)道數(shù),總線時(shí)鐘工作頻率相當(dāng)于車(chē)速,總線位寬越寬、總線工作時(shí)鐘頻率越高,則總線帶寬越大。

2.1.3STD總線

STD(Standard)總線是工業(yè)控制微機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線,它從8位、16位已發(fā)展到32位總線。目前仍是國(guó)內(nèi)外某些工業(yè)控制機(jī)普遍采用的總線標(biāo)準(zhǔn)。

1.STD總線

STD總線是1978年推出的用于工業(yè)控制微型機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)總線。自從問(wèn)世以來(lái),以其優(yōu)越的性能和強(qiáng)大的生命力在工業(yè)控制領(lǐng)域中受到了廣泛的歡迎,得到了迅速的發(fā)展,被定名為IEEE961。STD總線是流行的工業(yè)控制機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線。

STD總線開(kāi)始推出時(shí),是針對(duì)當(dāng)時(shí)的8位微型計(jì)算機(jī)的,隨著技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)應(yīng)用的需要,STD總線經(jīng)過(guò)修訂和改進(jìn),利用復(fù)用技術(shù),在原定義的56個(gè)總線信號(hào)之下,實(shí)現(xiàn)了STD總線支持20位地址,尋址1Mb的直接尋址能力。在保證同現(xiàn)有I/O插件板兼容的條件下,提供全16位數(shù)據(jù)的傳送能力。目前,國(guó)內(nèi)所采用的大多是這種8位、16位兼容的STD總線。20世紀(jì)80年代末,STD總線已由56個(gè)信號(hào)發(fā)展到114和136個(gè)信號(hào)。1989年美國(guó)的EAITECH公司開(kāi)發(fā)出了32位的STD32,為高檔的STD微機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。

2.STD總線的特點(diǎn)

(1)兼容性好,向上向下均可兼容。例如,8位的STD產(chǎn)品可以與新標(biāo)準(zhǔn)的16位或32位STD產(chǎn)品一起工作。

(2)主板采用小板結(jié)構(gòu),模塊化,開(kāi)發(fā)周期短。STD總線可根據(jù)用戶的要求組成各種規(guī)模的微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。

(3)可靠性高。該總線構(gòu)成的工業(yè)控制機(jī)可以長(zhǎng)期可靠地工作于各種惡劣環(huán)境之下。

(4)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,能支持多CPU系統(tǒng),是一種規(guī)模小且性能好的系統(tǒng)總線。

(5)系統(tǒng)主板品種齊全,性能良好,價(jià)格低廉,為推廣STD總線產(chǎn)品打下了基礎(chǔ)。

2.1.4

ISA總線

1.ISA總線早期的PC/XT微機(jī)作為當(dāng)時(shí)8位機(jī)的典型代表,其系統(tǒng)采用的XT總線(也稱(chēng)為IBMPC總線),是為使用8088CPU而設(shè)計(jì)的,并隨著PC/XT微機(jī)的普及成為許多微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)總線,它定義了62個(gè)總線信號(hào),位寬為8位。在XT總線系統(tǒng)里,CPU不僅要處理數(shù)據(jù)和指令,還要管理擴(kuò)展總線,而Intel8088時(shí)鐘頻率為4.77MHz,這就限制了擴(kuò)展總線的速度不能超過(guò)4.77MHz。

1984年IBMPC/AT微機(jī)閃亮登場(chǎng)時(shí),MCA仍未被使用。在XT總線和MCA總線之間,IBM引入了過(guò)渡方案AT總線。AT總線與80286CPU的性能相匹配,它使用16位技術(shù),支持更寬的地址總線和數(shù)據(jù)總線,保留了原有XT總線的全部62個(gè)信號(hào),并擴(kuò)展了36個(gè)信號(hào),形成62引腳大插槽附加36引腳小插槽的特殊結(jié)構(gòu)。AT總線速度與80286相同,為6MHz或8MHz。盡管AT總線是一種拼湊的解決方案,但它提供了有預(yù)見(jiàn)性的8/16位混合技術(shù)。

由于IBM沒(méi)有提供AT總線的詳細(xì)資料,因此擴(kuò)展卡制造商不得不在一些重要的功能上進(jìn)行猜測(cè)。于是,1987年IEEE定義了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)(ISA),將XT總線定義為8位ISA,將AT總線定義為16位ISA。

2.ISA總線的特點(diǎn)

(1)ISA總線既支持8位數(shù)據(jù)操作,也支持16位數(shù)據(jù)操作,為早期的微機(jī)提供了良好的兼容性。

(2)ISA總線將AT與XT總線的運(yùn)行速度提升至8MHz,并可提供最大8Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸率。

(3)ISA總線更強(qiáng)調(diào)I/O處理能力,提供了1kB的I/O空間、15級(jí)的硬件中斷、7級(jí)的DMA通道以及8個(gè)設(shè)備的負(fù)載能力(1臺(tái)ISA總線微機(jī)可提供8個(gè)擴(kuò)展槽)。

(4)ISA總線的地址、數(shù)據(jù)線采用非多路復(fù)用形式,使擴(kuò)展設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)便。

(5)ISA總線是一種多主控設(shè)備總線。除主CPU外,DMA控制器、DRAM刷新控制器、帶處理器的智能卡(只支持一個(gè))都可以成為ISA的主控設(shè)備。

(6)用戶可選擇的現(xiàn)成ISA插件卡種類(lèi)很多。ISA總線在其定義之前就已廣泛流行,因此,可供用戶選擇的現(xiàn)成ISA插件卡品種較多,如多種通信卡、I/O接口卡等,甚至一些早期的聲卡、視卡也是ISA類(lèi)型。

1.PCI總線

PCI(PeripheralComponentInterconnect,外部組件接口)總線是目前較好的系統(tǒng)總線,也是當(dāng)前惟一發(fā)揮了Pentium或Pentium以上系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)的總線(有些486類(lèi)型的微機(jī)也使用PCI)。這種總線運(yùn)行速度為60MHz或更高,提供64位尋址,具有高速存儲(chǔ)器和緩沖存儲(chǔ)管理的特征。PCI插槽與眾不同,它是白色的(ISA發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)為黑色),且比ISA插槽短。

由于圖形界面及高速傳輸率擴(kuò)展卡的需求,Intel公司于1991年首先提出了PCI總線的概念。之后,Intel聯(lián)合IBM、Compaq等100多家公司共同開(kāi)發(fā)總線,于1993年推出了PCI總線標(biāo)準(zhǔn)。該總線是廠家自發(fā)制定的一種企業(yè)聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn),是專(zhuān)門(mén)為奔騰系列芯片設(shè)計(jì)的。采用面向PCI標(biāo)準(zhǔn)的芯片時(shí),可以大大降低系統(tǒng)的構(gòu)造成本,這也對(duì)PCI總線的發(fā)展起到了推動(dòng)作用。PCIV2.0版本支持32/64位數(shù)據(jù)總線,總線時(shí)鐘頻率為25～33MHz,數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)132～264Mb/s。PCIV2.1版本(1995年)支持64位數(shù)據(jù)總線,總線時(shí)鐘頻率為66MHz,最大數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)528Mb/s(8X66),是最初的IBMPC總線的100倍,是最快的ISA總線的40倍。PCI的優(yōu)良性能使它成為當(dāng)前Pentium系列芯片的最佳選擇,現(xiàn)在所有Pentium主板都使用PCIV2.1或更新版的PCI。

2.PCI總線的特點(diǎn)

(1)PCI總線采用數(shù)據(jù)線和地址線復(fù)用結(jié)構(gòu),減少了總線引腳數(shù),從而可節(jié)省線路空間,降低設(shè)計(jì)成本。目標(biāo)設(shè)備可用47引腳,總線主控設(shè)備可用49引腳。

(2)PCI總線提供了兩種信號(hào)環(huán)境:5V和3.3V,并可進(jìn)行兩種環(huán)境的轉(zhuǎn)換,擴(kuò)大了它的適應(yīng)范圍。

(3)PCI總線對(duì)32位與64位總線的使用是透明的,它允許32位與64位器件相互協(xié)作。

(4)PCI總線允許PCI局部總線擴(kuò)展卡和元件進(jìn)行自動(dòng)配置,提供了即插即用的能力。

(5)總線獨(dú)立于處理器,它的工作頻率與CPU時(shí)鐘頻率無(wú)關(guān),可支持多機(jī)系統(tǒng)及新型處理器。

(6)PCI總線具有良好的兼容性,可支持ISA、EISA、MCA、SCSI、IDE等多種總線,同時(shí)還預(yù)留了發(fā)展空間。

(7)PCI總線允許在一個(gè)總線中插入32個(gè)物理部件(稱(chēng)為設(shè)備,當(dāng)前版本限制為10個(gè)),每一個(gè)物理部件可以含有最多8個(gè)不同的功能部件(稱(chēng)為功能)。除去用于生成廣播消息的一個(gè)功能部件地址外,在一條PCI總線上最多可有255個(gè)可尋址功能部件。

2.1.6

SCSI總線

1.SCSI總線簡(jiǎn)介

SCSI(SmallComputerSystemInterface,小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口)總線是20世紀(jì)80年代由ShugartAssociate公司聯(lián)合NCR公司研制的高速硬盤(pán)接口規(guī)范,可用于硬盤(pán)、光盤(pán)、掃描儀、打印機(jī)以及磁帶機(jī)等多種外圍設(shè)備的連接,在硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器市場(chǎng)有50％以上的占有率。早期的SCSI可傳送8位并行數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)傳輸率為5Mb/s,可接8個(gè)設(shè)備(包括計(jì)算機(jī)主機(jī))。在1994年正式標(biāo)準(zhǔn)化的SCSI-Ⅱ(ANSIX3.131-1994)包括3種形式:Fast-SCSI采用8位數(shù)據(jù)傳輸、10Mb/s數(shù)據(jù)傳輸率;Wide-SCSI采用8/16位數(shù)據(jù)傳輸;Fast/WideSCSI-Ⅱ數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)20/40/80Mb/s。

1993年開(kāi)始草擬的SCSI-Ⅲ開(kāi)始向并行與串行兩個(gè)方向發(fā)展,形成了SPI、SIP、FCP等10個(gè)規(guī)范,數(shù)據(jù)采用8/16/32位,最高數(shù)據(jù)傳輸率將達(dá)160Mb/s。之后,DEC公司在SCSI-Ⅱ基礎(chǔ)上改進(jìn)形成的UltraSCSI于1996年開(kāi)始逐步取代FastSCSI-Ⅱ。UltraⅡSCSI于1998年上市,而最新的UltraⅢSCSI數(shù)據(jù)傳輸率將達(dá)到160Mb/s,最高可達(dá)400Mb/s(使用LVD信號(hào),LowVoltageDifferential)。

SCSI被稱(chēng)為小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口總線,它用于計(jì)算機(jī)與磁帶機(jī)、軟磁盤(pán)、硬磁盤(pán)、光驅(qū)、打印機(jī)等設(shè)備之間的連接，尤其是廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)與磁盤(pán)的連接,是目前市場(chǎng)占有率極高的硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器接口標(biāo)準(zhǔn)。

1986年,ANSIX3標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)正式接受ShugartAssociated及NCR的提議,將SASI(ShugartAssociatedSystemInterface)改名為SCSI。這就是我們所熟知的SCSI-Ⅰ(ANSIX3.131-1986)。

2.SCSI-Ⅰ總線的主要特點(diǎn)

(1)SCSI-Ⅰ是一種低成本的外總線,其傳送速率在異步傳送時(shí)為1.5Mb/s,在同步傳送時(shí)高達(dá)5Mb/s。

(2)在采用差動(dòng)驅(qū)動(dòng)器和差動(dòng)接收器的情況下,工作距離可達(dá)25m。當(dāng)使用單端驅(qū)動(dòng)器和單端接收器進(jìn)行傳送時(shí),允許電纜長(zhǎng)度為6m。

(3)總線上最多可以掛接8臺(tái)總線設(shè)備。在任何時(shí)刻只允許兩個(gè)總線設(shè)備進(jìn)行通信。

(4)SCSI-Ⅰ可用于計(jì)算機(jī)與打印機(jī)、軟硬磁盤(pán)、磁帶機(jī)、海量光盤(pán)的連接,也可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)以及數(shù)據(jù)終端之間的通信。

2.1.7其他總線

1.MCA總線

MCA(MicroChannelArchitecture,微通道體系結(jié)構(gòu))總線是IBM在1987年為PS/2系統(tǒng)機(jī)及其兼容機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)理想的總線,它代表了總線設(shè)計(jì)的革命性進(jìn)步。MCA總線使用32位數(shù)據(jù)總線,將地址總線從24位增加到32位,數(shù)據(jù)傳輸率從10Mb／s(16位版本)提高到了16Mb／s(在規(guī)范中加入了流式數(shù)據(jù)協(xié)議)。10MHz、32位帶寬的MCA總線當(dāng)時(shí)被認(rèn)為是最好的總線,因?yàn)樗菼SA高檔(甚至比Window95更早提供了即插即用的功能)。但它沒(méi)能流行起來(lái),原因之一是它沒(méi)有提供對(duì)已在ISA總線結(jié)構(gòu)下運(yùn)行的產(chǎn)品的兼容性支持,并且它太超前,當(dāng)時(shí)的微機(jī)無(wú)法將其優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮出來(lái)。

2.EISA總線

EISA(ExtendedIndustryStandardArchitecture,擴(kuò)展的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu))總線是反壟斷的產(chǎn)物。MCA的強(qiáng)勁勢(shì)頭使許多人擔(dān)心,它的成功會(huì)使IBM重新成為市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)者,所以包括Compaq在內(nèi)的9大公司于1988年聯(lián)合開(kāi)發(fā)32位擴(kuò)展總線——EISA。EISA借鑒了MCA的優(yōu)勢(shì),包含MCA的全部功能,又保證對(duì)ISA產(chǎn)品的兼容。EISA插槽與ISA完全一致,所不同的是它在ISA觸點(diǎn)下面又添加了第二行觸點(diǎn)。8位ISA卡在EISA中可以很好地工作。EISA總線速度仍為8.33MHz,數(shù)據(jù)傳輸率最大可達(dá)33Mb/s(傳送4字節(jié)數(shù)據(jù)用一個(gè)時(shí)鐘周期)。新EISA-2結(jié)構(gòu)理論上最大數(shù)據(jù)傳輸率為132Mb/s。理想狀態(tài)下EISA比MCA要快50％,然而EISA和MCA一樣昂貴,且受到其專(zhuān)利權(quán)的影響,因而它也沒(méi)有獲得商業(yè)性成功。EISA在早期用于基于386系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中較為常見(jiàn)。

3.VESA總線

VESA(VideoElectronicsStandardsAssociation,視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì))總線也叫VL總線,是流行的ISA總線的擴(kuò)展。隨著內(nèi)存轉(zhuǎn)移到專(zhuān)用總線上,視頻成為了下一個(gè)總線速度瓶頸的對(duì)象。MicrosoftWindows和高質(zhì)量的游戲要求更快更強(qiáng)大的視頻特征,視頻也需要從ISA總線上移出。一個(gè)較容易的解決方案是將視頻轉(zhuǎn)移到內(nèi)存總線系統(tǒng),以保證CPU與視頻適配器直接通信。視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)采用了這種方法,為Intel80486設(shè)計(jì)的VESA局部總線(VLB)在1992年提出時(shí)就獲得了成功。VESA提供對(duì)32位處理器的直接訪問(wèn),并可擴(kuò)展到64位。VLB體系結(jié)構(gòu)支持的最大總線速度為50MHz,最大傳輸率可達(dá)276Mb/s。該總線提高了許多擴(kuò)展卡尤其是顯示卡和圖形(2-D和3-D)加速卡的性能。

4.ATA總線

ATA(ATAttachment)總線又稱(chēng)IDE(IntegratedDriveElectronics),是1985年Compaq公司委托WD(WesternDigital)公司為PC/AT機(jī)設(shè)計(jì)、由CDC(ControlData[JP2]Corp.)生產(chǎn)的世界上第一臺(tái)AT接口硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器。1988年CAM(CommonAccessMethod)委員會(huì)將AT接口制定為CAM規(guī)范,

同時(shí)ANSI的X3T9標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)也接受了AT接口,定名為ATA。

ATA-1標(biāo)準(zhǔn)于1994年正式公布,標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為ANSIX3.221—1994。AT接口從1985年上市到1992年,一直是純硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器接口。該接口定義了40個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),采用16位并行數(shù)據(jù)傳輸,傳輸率達(dá)8.33Mb/s,最多可接兩個(gè)硬盤(pán),硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的最大容量為528MB。

1994年,為了與SCSI競(jìng)爭(zhēng),WD公司推出了增強(qiáng)型IDE標(biāo)準(zhǔn)EIDE,Seagate公司也推出了FastATA,它們都屬于ATA-2標(biāo)準(zhǔn)。ATA-2不僅可以連接硬盤(pán),而且可以連接CD-ROM、磁帶機(jī)等存儲(chǔ)設(shè)備,它允許接4臺(tái)設(shè)備,支持大于528MB的磁盤(pán)容量,數(shù)據(jù)傳輸率為11.1～16.6Mb/s。到1999年,ATA-5的數(shù)據(jù)傳輸率已達(dá)66.6Mb/s。

總的來(lái)講,系統(tǒng)總線可分為傳統(tǒng)的和現(xiàn)代的兩類(lèi)。傳統(tǒng)總線對(duì)CPU有較強(qiáng)的依賴(有些實(shí)際上就是CPU引腳的延伸),側(cè)重于I/O處理能力,如ISA、STD等?，F(xiàn)代總線對(duì)CPU的依賴在不斷減弱,具有兼容性好、支持高速緩存Cache、支持多微處理器、可自動(dòng)配置等特點(diǎn),如MCA、EISA、VESA、PCI等。

從系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)上講,系統(tǒng)總線已從單總線形式向多總線形式發(fā)展。在ISA總線流行時(shí),總線已成為CPU與內(nèi)存間高速數(shù)據(jù)交換的瓶頸。Compaq改進(jìn)了ISA,專(zhuān)門(mén)在CPU與內(nèi)存間設(shè)立了一條信息通道,內(nèi)存總線由此誕生。內(nèi)存總線的工作頻率保持與主板工作速度相一致。內(nèi)存總線的出現(xiàn),使總線結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,它由單總線結(jié)構(gòu)進(jìn)化到雙總線結(jié)構(gòu)。之后,由于大量圖像處理的需求,視頻等高速擴(kuò)展卡又成為總線速度瓶頸的對(duì)象。解決的方法便是借鑒內(nèi)存總線的方案,從系統(tǒng)總線又分離出局部總線。這樣,總線結(jié)構(gòu)就進(jìn)一步演化為多總線結(jié)構(gòu)。局部總線具有較高的時(shí)鐘頻率和傳輸速率,在一定程度上克服了系統(tǒng)總線的瓶頸問(wèn)題,提高了系統(tǒng)性能。VESA、PCI就是兩種典型的局部總線。

2.2

RS-232C串行總線

2.2.1

RS-232C總線

RS-232C標(biāo)準(zhǔn)是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)在1969年頒布的一種推薦標(biāo)準(zhǔn),RS是RecommendedStandard的縮寫(xiě)。RS-232C總線是人們普遍采用公用電話網(wǎng)為媒體進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的結(jié)果,也是調(diào)制解調(diào)器商品化的產(chǎn)物。RS-232C總線是一種DTE和DCE間的信號(hào)傳輸線,DTE(Data

TerminalEquipment)是數(shù)據(jù)終端設(shè)備的簡(jiǎn)稱(chēng),DCE(DataCommunicationEquipment)是數(shù)據(jù)通信設(shè)備的簡(jiǎn)稱(chēng)。

RS-232C在當(dāng)代微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中得到了廣泛使用。PC機(jī)通過(guò)25線或9線的D型連接器實(shí)現(xiàn)主機(jī)與RS-232C的連接,連接端口的引腳定義如圖2.1所示。

圖2.1RS-232C連接端口

RS-232C的標(biāo)準(zhǔn)定義為25條信號(hào)線,引腳定義見(jiàn)表2.1。每條引腳在“符號(hào)”一欄中按第一個(gè)字母分為五類(lèi):A表示地線或公共回線,B表示數(shù)據(jù)線,C表示控制線,D代表定時(shí)線,S代表次級(jí)信道線。各引腳的功能敘述如下。

1)本地通信線(6條)

AA和AB:AA為保護(hù)地線,常與機(jī)殼相連,以構(gòu)成屏蔽地;AB為信號(hào)地線,是除保護(hù)地外其他信號(hào)線的測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)。

表2.1RS-232C各信號(hào)引腳定義

BA和BB:BA為發(fā)送數(shù)據(jù)線TXD,數(shù)據(jù)由DTE發(fā)送,DCE接收;BB為接收數(shù)據(jù)線RXD,信號(hào)由DCE發(fā)送,DTE接收。平時(shí),TXD線始終保持邏輯1(傳號(hào))狀態(tài),只有在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)才有可能變?yōu)檫壿?(空號(hào))狀態(tài)。RXD線在不發(fā)送數(shù)據(jù)的全部時(shí)間里以及發(fā)送數(shù)據(jù)的間隔期內(nèi),也始終保持邏輯1(傳號(hào))狀態(tài)。

CA和CB:CA為請(qǐng)求發(fā)送線RTS,由DTE發(fā)送,DCE接收;CB為允許發(fā)送線CTS,由DCE發(fā)送,DTE接收。這一對(duì)線主要用于DTE詢問(wèn)DCE對(duì)信道的連接狀況。當(dāng)DTE需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),它就使RTS變?yōu)檫壿?有效,用于請(qǐng)求DCE去接通通信鏈路。一旦DCE和通信鏈路接通,DCE就使CTS變?yōu)檫壿?有效,通知DTE可以在TXD線上發(fā)送數(shù)據(jù)了。

2)遠(yuǎn)程通信線(7條)

CD:為數(shù)據(jù)終端就緒線DTR。DTR由DTE發(fā)出,DCE接收,用于表示數(shù)據(jù)終端(DTE)的狀態(tài)。若DTR＝1,則表示DTE準(zhǔn)備就緒;若DTR=0,表示DTE尚未準(zhǔn)備就緒。通常,DTE在加電啟動(dòng)后就準(zhǔn)備就緒了。

CC:為數(shù)據(jù)裝置就緒線DSR,由DCE發(fā)出,DTE接收,是DTE的應(yīng)答線,用于表示DCE中數(shù)據(jù)裝置的狀態(tài)。若DSR＝1,則表示DCE的數(shù)據(jù)設(shè)備已準(zhǔn)備好(例如:自動(dòng)呼叫成功),但DCE是否和信道接通應(yīng)由CTS指示;若DSR＝0,則表示DCE中數(shù)據(jù)裝置尚未準(zhǔn)備好。

CE:為振鈴指示器線RI,由DCE發(fā)出,DTE接收,用于表示通信的另一方有無(wú)振鈴。若RI＝1,則表示DCE正在接收對(duì)方DCE發(fā)來(lái)的振鈴信號(hào)。RI在DCE沒(méi)有收到振鈴信號(hào)的所有其他時(shí)間內(nèi)都維持在邏輯0電平狀態(tài)。

CF:為數(shù)據(jù)載波檢測(cè)線DCD,又稱(chēng)為接收線路信號(hào)檢測(cè)線。DCD信號(hào)由DCE發(fā)出,DTE接收。當(dāng)本地DCE正接收來(lái)自遠(yuǎn)程的DCE載波信號(hào)時(shí),DCE變?yōu)檫壿?。在調(diào)制解調(diào)器中,DCD常接到標(biāo)有載波(Carrier)的發(fā)光二極管指示器上。

DA和DB:同步通信方式必須使用的兩條線,兩個(gè)信號(hào)不能同時(shí)使用,只能使用其中一個(gè)。DA是以DTE為源的發(fā)送信號(hào)碼元定時(shí)線,該信號(hào)是由DTE產(chǎn)生的同步時(shí)鐘,用于使Modem能和DTE同步地發(fā)送數(shù)據(jù);DB是以DCE為源的發(fā)送信號(hào)碼元定時(shí)線,同步時(shí)鐘由DCE產(chǎn)生,用于使DTE同步發(fā)送數(shù)據(jù)。

DD:接收信號(hào)的碼元定時(shí)線,該信號(hào)由DCE產(chǎn)生,用作同步接收時(shí)鐘,接收時(shí)必須把此信號(hào)從解調(diào)器發(fā)送到DTE。

以上7條通信線配合6條本地通信線,常在以公用電話網(wǎng)為媒體的遠(yuǎn)程通信中使用,以協(xié)調(diào)DTE和DCE間的數(shù)據(jù)傳送。應(yīng)當(dāng)指出:在以公用電話網(wǎng)為媒體的遠(yuǎn)程通信中,TXD線上發(fā)送數(shù)據(jù)的條件是RTS、CTS、DTR和DSR皆為邏輯1時(shí)為有效狀態(tài),但在沒(méi)有專(zhuān)用數(shù)據(jù)裝置的本地通信中,DTR和DSR兩條線是可以不用的。

3)其他引線(12條)這些引線的定義和名稱(chēng)已在表2.1中列出。其中,5條留作用戶定義,其余7條在大多數(shù)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中都空出不用,故在此從略。

2.2.2

RS-232C的應(yīng)用為了提高數(shù)據(jù)通信的可靠性和抗干擾能力,RS-232C標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定發(fā)送端信號(hào)邏輯“0”(空號(hào))電平范圍為+5～+15V,邏輯“1”(傳號(hào))電平范圍為-15～-5V,如圖2.2(a)所示;接收端邏輯“0”為+3～+15V,邏輯“1”為-15～-3V，如圖2.2(b)所示。噪聲容限為2V。-5～+5V以及-3～+3V之間分別為發(fā)送端和接收端信號(hào)的不確定區(qū)。通常,RS-232C總線邏輯電平采用+12V表示“0”,-12V表示“1”。

為了實(shí)現(xiàn)上述電平轉(zhuǎn)換,RS-232C可采用運(yùn)算放大器、晶體管和光電隔離器電路來(lái)完成電平轉(zhuǎn)換,或采用專(zhuān)用集成電路來(lái)完成電平轉(zhuǎn)換。例如,常采用電平轉(zhuǎn)換器MC1488和MC1489完成電平轉(zhuǎn)換,器件外特性如圖2.2(c)所示。MC1488將TTL電平轉(zhuǎn)換成RS-232C電平,MC1489將RS-232C電平轉(zhuǎn)換成TTL電平。

圖2.2RS-232C的應(yīng)用(a)RS-232C發(fā)送電平;(b)RS-232C接收電平;(c)電平轉(zhuǎn)換器件在工程應(yīng)用中,數(shù)據(jù)終端設(shè)備之間也可以采用RS-232C進(jìn)行通信,如圖2.3所示,它不但能提高系統(tǒng)的抗干擾能力,而且能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。數(shù)據(jù)終端設(shè)備與PC機(jī)之間進(jìn)行通信時(shí),在DTE一側(cè)需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換,如圖2.4所示。在分布式控制系統(tǒng)中,各DTE與后臺(tái)機(jī)之間也可以采用RS-232C進(jìn)行通信,如圖2.5所示。

圖2.3數(shù)據(jù)終端設(shè)備之間通信

圖2.4

PC機(jī)與數(shù)據(jù)終端設(shè)備通信

圖2.5

分布式系統(tǒng)通信模塊

在工程應(yīng)用中,除使用MC1488和MC1489進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換外,另一個(gè)常用器件是MAX232。由于MC1488需要±12V兩組電源,對(duì)某些系統(tǒng)就不太方便了。MAX232芯片是一種典型的單電源雙組驅(qū)動(dòng)器/接收器,每組驅(qū)動(dòng)器/接收器均能將輸入的232電平轉(zhuǎn)換為T(mén)TL/CMOS電平,并可將輸入的TTL/CMOS電平轉(zhuǎn)換為232電平。MAX232的最大特點(diǎn)是采用＋5V單電源供電,對(duì)于大多數(shù)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)化了系統(tǒng)對(duì)電源的要求。MAX232使用起來(lái)非常方便,只需按照典型應(yīng)用電路連接即可實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。圖2.6是MAX232驅(qū)動(dòng)器/接收器的管腳分布圖。圖2.7為MAX232芯片的典型應(yīng)用電路。推薦工作條件見(jiàn)表2.2。

圖2.6

MAX232引腳圖

圖2.7

MAX232典型連接

表2.2

MAX232的推薦工作條件

2.3

EIA-449串行總線

EIA-449是計(jì)算機(jī)和外部設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的另一種串行總線。

EIA-449的機(jī)械規(guī)范定義了兩種連接頭:一種是37針的DB-37,另一種是9針的DB-9,兩種組合成一種46針的配置如圖2.8所示。

圖2.8

DB-37和DB-9插座

1.DB-37各針腳功能為了保持與EIA-232標(biāo)準(zhǔn)的兼容性,EIA-449標(biāo)準(zhǔn)對(duì)交換數(shù)據(jù)、控制以及時(shí)序信息定義了兩類(lèi)針腳(見(jiàn)表2.3)。

表2.3

DB-37針腳功能

2.Ⅰ類(lèi)連接器第一類(lèi)插頭與EIA-232針腳的功能兼容(其中大多數(shù)進(jìn)行重命名)。對(duì)每一個(gè)Ⅰ類(lèi)針腳,EIA-449定義了兩根相同的針:一根在表中第一欄,另一根在第二欄。例如,第4針和第22針都叫數(shù)據(jù)發(fā)送,這兩根針的功能與EIA-232中針腳2的功能是一樣的。第5針和第23針都叫發(fā)送時(shí)序,第6針和第24針又都叫數(shù)據(jù)接收。更有意思的是,每對(duì)針在連接頭中都是垂直相鄰的,第二欄中的針腳恰位于第一欄中對(duì)應(yīng)針腳的下方。這種結(jié)構(gòu)就是EIA-449的功能基礎(chǔ)。

3.Ⅱ類(lèi)連接器

Ⅱ類(lèi)插頭是在EIA-232中沒(méi)有定義或是進(jìn)行了重定義的針腳。這些新針腳的序號(hào)和功能如下:本地回饋:10腳用于本地回饋測(cè)試。遠(yuǎn)程回饋:14腳用于遠(yuǎn)程回饋測(cè)試。頻率選擇:16腳用于在兩種不同的頻率之間進(jìn)行選擇。測(cè)試方式:18腳用于各級(jí)測(cè)試。共接收端:20腳對(duì)于DCE到DTE的非平衡線路提供了一種公共的信號(hào)回線。

終端服務(wù):28腳向DCE設(shè)備指示DTE設(shè)備是否可用。選擇備用:32腳允許在發(fā)生故障后使用備用設(shè)備。新信號(hào):對(duì)于一臺(tái)主DTE設(shè)備控制幾臺(tái)輔助DTE設(shè)備的多點(diǎn)通信系統(tǒng)中,腳34是有效的。一旦激活,針腳34就指示一臺(tái)DTE已經(jīng)完成了數(shù)據(jù)交換任務(wù),而另一臺(tái)新的正準(zhǔn)備通信。備用指示:36腳提供了從DCE來(lái)的對(duì)選擇備用(針腳32)報(bào)文的確認(rèn)信號(hào)。共發(fā)送端:37腳提供DTE到DCE間非平衡線路上的公共信號(hào)線。

4.DB-9各針腳功能表2.4列出了DB-9連接頭的針腳功能并顯示了它們與EIA-232(DB-25)中對(duì)應(yīng)部分的關(guān)系。

表2.4

DB-9針腳功能

5.電氣規(guī)范

1)RS-423非平衡模式

RS-423是一種非平衡電路規(guī)范,這意味著它只為信號(hào)傳播定義了一條線路。在該標(biāo)準(zhǔn)中的所有信號(hào)都使用公共線(或是地線)來(lái)完成信號(hào)交換。圖2.9給出了這一類(lèi)線路的傳輸示意圖以及該標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范。在非平衡電路模式中,EIA-449使用每一對(duì)Ⅰ類(lèi)連接器的第一個(gè)引腳和所有的Ⅱ類(lèi)引腳。距離為12m時(shí),傳輸速率為100kb/s;距離為1200m時(shí),傳輸速率為1kb/s。

圖2.9

RS-423非平衡模式傳輸

2)RS-422平衡模式

RS-422是一種平衡電路規(guī)范,它為每個(gè)信號(hào)都定義了兩條線路。信號(hào)的返回仍然采用公共線方式,其傳輸示意圖如圖2.10所示。在平衡模式中,EIA-449使用了每一對(duì)Ⅰ類(lèi)引腳但不使用Ⅱ類(lèi)引腳。正如標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中所規(guī)定的一樣,數(shù)據(jù)速率與距離的比要比非平衡方式和EIA-232標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的都要高,當(dāng)RS-422平衡模式傳輸距離為12m時(shí),傳輸速率為10Mb/s;當(dāng)傳輸距離為1200m時(shí),傳輸速率為1kb/s。在平衡模式中,兩條線路承載相同的傳輸,但是它們并不傳輸相同的信號(hào)。一條線路的信號(hào)是另一條線路信號(hào)的互補(bǔ)值。用圖表顯示,互補(bǔ)值看起來(lái)就像原始信號(hào)的鏡像一樣,如圖2.10所示。此時(shí)接收端并不檢測(cè)其中任何一個(gè)實(shí)際信號(hào),而是檢測(cè)兩個(gè)信號(hào)之間的差值。這樣傳輸信號(hào)幅值就會(huì)增大一倍,使得平衡線路具有比非平衡線路更好的抗噪聲干擾能力,從而提高了系統(tǒng)的信噪比。

圖2.10

RS-422平衡模式傳輸

當(dāng)互補(bǔ)的信號(hào)到達(dá)接收端時(shí),它們被輸入到一個(gè)差分放大器中,對(duì)信號(hào)進(jìn)行解釋前就減去了輔助信號(hào)。因?yàn)閮蓚€(gè)信號(hào)是互補(bǔ)的,因此它們的差值將兩倍于第一個(gè)信號(hào)的值。例如,如果在某時(shí)刻第一個(gè)信號(hào)值為5V,第二個(gè)信號(hào)值將是-5V,所以,相減的結(jié)果是5-(-5)=10V。

如果在傳輸中有噪聲,則噪聲會(huì)以同樣的方式影響兩個(gè)互補(bǔ)信號(hào)，結(jié)果在減法過(guò)程中即可消除噪聲,如圖2.11所示。例如,假定在某點(diǎn)存在2V噪聲,而此時(shí)第一個(gè)信號(hào)是+5V,它的互補(bǔ)信號(hào)是-5V。額外的畸變使第一個(gè)信號(hào)值變?yōu)?V,第二個(gè)信號(hào)為-3V。此時(shí)7-(-3)=10V。這種特性有助于消除噪聲的影響,提高傳輸可靠性,進(jìn)而提高傳輸速率。

圖2.11采用平衡模式消除噪聲(a)原始信號(hào)；(b)原始信號(hào)和互補(bǔ)信號(hào)；(c)噪聲信號(hào);(d)信號(hào)和噪聲信號(hào)；(e)差分放大消除干擾；(f)調(diào)整幅值恢復(fù)信號(hào)2.4USB通用串行總線及應(yīng)用

2.4.1USB總線概述

1.USB總線的發(fā)展連接計(jì)算機(jī)與外設(shè)的串行數(shù)據(jù)總線(簡(jiǎn)稱(chēng)串行總線)的發(fā)展一直非常緩慢。1969年美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)推出的RS-232(后改為RS-232C)串行總線,至今仍是計(jì)算機(jī)與外設(shè)通信的主流串行總線。盡管在20世紀(jì)70年代和80年代,陸續(xù)推出了RS-422A/423A、RS-449、RS-485和RS-530等串行總線,其中,RS-449的設(shè)計(jì)初衷就是想取代RS-232,RS-530則是想取代RS-449,但由于種種原因,都沒(méi)有改變RS-232先入為主的主導(dǎo)地位。而RS-232C的最高傳輸速率只有20kb/s,RS-530雖高一些,也只有2Mb/s,與20世紀(jì)70年代初HP公司推出的通用接口總線GPIB(即IEEE-488)相比,RS-530的傳輸速率只有GPIB的1/4,更無(wú)法與性能先進(jìn)的并行總線相比。因此,長(zhǎng)期以來(lái),串行總線只用于連接低速外設(shè),或用作低速網(wǎng)絡(luò)的傳輸總線。

USB(UniversalSerialBus)是1995年Microsoft、Compaq、IBM等公司聯(lián)合制定的一種新的PC串行通信協(xié)議。USB協(xié)議出臺(tái)后,得到各PC廠商、芯片制造商和PC外設(shè)廠商的廣泛支持。從當(dāng)初的0.7、0.8版本到現(xiàn)在廣泛采用的1.0、1.1、2.0版本,USB本身也得到了不斷的發(fā)展和完善。尤其是其支持熱插拔的特性,使得采用USB總線(接口)的設(shè)備使用更方便。USB外設(shè)正在以驚人的速度發(fā)展,迄今為止,各種USB的外設(shè)已經(jīng)十分普及了,如打印機(jī)、掃描儀、移動(dòng)硬盤(pán)、MP3、MP4、數(shù)碼照相機(jī)等。

USB1.0通用串行總線規(guī)范是由Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、NorthernTelecom等著名的計(jì)算機(jī)公司和通信公司于1996年1月提出的。通用串行總線是一種將USB外圍設(shè)備連接到主機(jī)的外部總線結(jié)構(gòu),它通過(guò)PCI總線和PC的內(nèi)部系統(tǒng)數(shù)據(jù)線連接,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。USB同時(shí)又是一種通信協(xié)議,它支持主系統(tǒng)(host)和USB的外圍設(shè)備(device)之間的數(shù)據(jù)傳送,通過(guò)一個(gè)4針的標(biāo)準(zhǔn)插頭,采用菊花鏈形式把所有的外設(shè)連接起來(lái)。

2.USB總線的特點(diǎn)與前述幾種串行總線相比,USB總線有其明顯的優(yōu)勢(shì)。概括起來(lái),USB總線有以下特點(diǎn)。

(1)節(jié)省了系統(tǒng)資源。USB為所有的USB外設(shè)提供了單一的、易于操作的標(biāo)準(zhǔn)連接,排除了外部設(shè)備對(duì)系統(tǒng)資源的需求,因而減少了硬件的復(fù)雜性和對(duì)端口的占用,整個(gè)USB系統(tǒng)只有一個(gè)端口,占用一個(gè)中斷源。

(2)USB支持熱插拔(hotplug)和即插即用(PlugandPlay)。在不關(guān)閉計(jì)算機(jī)的情況下可以安全地插上和斷開(kāi)USB設(shè)備,動(dòng)態(tài)加載驅(qū)動(dòng)程序,使用十分方便。

(3)USB連接設(shè)備供電方式靈活。USB直接連接到Hub或者連接到host的設(shè)備可以通過(guò)USB電纜供電,也可以通過(guò)電池或者其他電源供電,還可使用兩種方式組合,并且支持掛起和喚醒的節(jié)能模式。

(4)適應(yīng)各種不同類(lèi)型的外設(shè)。USB1.1規(guī)范提供全速12Mb/s和低速1.5Mb/s的模式,USB2.0規(guī)范提供高達(dá)480Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。

(5)USB提供了四種不同數(shù)據(jù)傳送方式,可以適應(yīng)各種不同類(lèi)型外圍設(shè)備的需求。

(6)USB使得多個(gè)外圍設(shè)備可以跟主機(jī)通信,最多可支持127個(gè)設(shè)備,但需要使用USBHub增加分支。

2.4.2USB總線的硬件結(jié)構(gòu)

USB采用四線電纜,其中兩根是用來(lái)傳送數(shù)據(jù)的串行通道,另外兩根為下游(Downstream)設(shè)備提供電源,如圖2.12所示。

圖2.12

USB連接線

D+、D-是一對(duì)差模信號(hào)線,它支持兩種數(shù)據(jù)傳輸速率,對(duì)于高速且需要高帶寬的外設(shè),USB以全速12Mb/s傳輸數(shù)據(jù),但必須使用屏蔽的雙絞線,且長(zhǎng)度不能超過(guò)5m。對(duì)于低速外設(shè),USB則以1.5Mb/s的傳輸速率傳輸數(shù)據(jù),在這種模式下可以使用無(wú)屏蔽的非雙絞線,但長(zhǎng)度不能超過(guò)3m。為保證能提供一定電平的信號(hào)并且與終端的負(fù)載匹配,在電纜的每一端都使用不平衡終端負(fù)載。這種終端負(fù)載也保證能檢測(cè)出外設(shè)與端口的連接和分離,且能區(qū)分高速與低速USB總線,可根據(jù)外設(shè)情況在兩種傳輸模式中自動(dòng)轉(zhuǎn)換。VBUS通常為+5V的電源,GND是地線。

USB是基于令牌傳輸方式的總線,類(lèi)似于令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)(后面章節(jié)將會(huì)介紹)。USB主控制器廣播令牌,總線上的設(shè)備檢測(cè)令牌中的地址是否與自身相符,通過(guò)接收或發(fā)送數(shù)據(jù)給主機(jī)來(lái)響應(yīng)。USB通過(guò)支持懸掛/恢復(fù)操作來(lái)管理USB總線電源。USB系統(tǒng)采用級(jí)聯(lián)星型拓?fù)?該拓?fù)溆扇齻€(gè)基本部分組成:主機(jī)(Host)、集線器(Hub)和功能設(shè)備,如圖2.13所示。

圖2.13USB系統(tǒng)級(jí)聯(lián)示意圖

主機(jī)(Host)也稱(chēng)為根、根結(jié),一般集成在計(jì)算機(jī)主板上。主機(jī)包含有主控制器和根集線器(RootHub),控制著USB總線上的數(shù)據(jù)和控制信息的流動(dòng),每個(gè)USB系統(tǒng)只能有一個(gè)根集線器,它連接在主控制器上。集線器(Hub)是USB結(jié)構(gòu)中的特定成分,它提供叫做端口(Port)的點(diǎn),從而將設(shè)備連接到USB總線上,同時(shí)檢測(cè)連接到總線上的設(shè)備,并為這些設(shè)備提供電源管理,負(fù)責(zé)總線的故障檢測(cè)和恢復(fù)。集線器可為總線提供能源,亦可為自身提供能源(從外部得到電源)。自身提供能源的設(shè)備可插入總線提供能源的集線器中,但總線提供能源的設(shè)備不能插入自身提供能源的集線器或支持超過(guò)四個(gè)的下游端口中。如果要求總線提供能源的設(shè)備需要超過(guò)100mA電流時(shí),就不能直接連接到總線提供電源的集線器上。

2.4.3USB總線的軟件結(jié)構(gòu)

1.USB總線接口

USB總線接口處理電氣層與協(xié)議層的互連。從互連的角度來(lái)看,相似的總線接口由設(shè)備和主機(jī)同時(shí)給出。USB總線接口由主控制器控制。

圖2.14USB軟件結(jié)構(gòu)示意圖

2.USB系統(tǒng)

USB系統(tǒng)利用主控制器管理主機(jī)與USB設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸。它與主控制器間的接口依賴于主控制器的硬件定義。同時(shí),USB系統(tǒng)也負(fù)責(zé)管理USB資源,例如帶寬和總線能量,這使客戶訪問(wèn)USB成為可能。USB系統(tǒng)還有三個(gè)基本軟件模塊。

1)主控制器驅(qū)動(dòng)程序主控制器驅(qū)動(dòng)程序(HCD)可把不同的主控制器設(shè)備映射到USB系統(tǒng)中。HCD與USB之間的接口叫HCDI,特定的HCDI由支持不同主控制器的操作系統(tǒng)來(lái)定義。通用主控制器驅(qū)動(dòng)器(UHCD)處于軟結(jié)構(gòu)的最底層,由它來(lái)管理和控制主控制器。UHCD實(shí)現(xiàn)了與USB主控制器通信和控制USB主控制器,并且它對(duì)系統(tǒng)軟件的其他部分是隱蔽的。系統(tǒng)軟件中的最高層通過(guò)UHCD的軟件接口與主控制器通信。

2)USB驅(qū)動(dòng)程序

USB驅(qū)動(dòng)程序(USBD)在主控制器驅(qū)動(dòng)程序(UHCD)之上,它提供驅(qū)動(dòng)器級(jí)的接口,滿足現(xiàn)有設(shè)備驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)要求。USBD以I/O請(qǐng)求包(IRPs)的形式提供數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu),由通過(guò)特定管道(Pipe)傳輸數(shù)據(jù)的需求組成。此外,USBD使客戶端出現(xiàn)設(shè)備的一個(gè)抽象,以便于抽象和管理。作為抽象的一部分,USBD擁有缺省的管道。通過(guò)它可以訪問(wèn)所有的USB設(shè)備以進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的USB控制。該缺省管道描述了一條USBD和USB設(shè)備間通信的邏輯通道。

3)主機(jī)軟件主機(jī)軟件有以下功能:(1)檢測(cè)連接和移去的USB設(shè)備;(2)管理主機(jī)和USB設(shè)備間的數(shù)據(jù)流;(3)連接USB狀態(tài)和活動(dòng)統(tǒng)計(jì);(4)控制主控制器和USB設(shè)備間的電氣接口,包括限制能量供應(yīng)。

3.USB客戶軟件

USB客戶軟件位于軟件結(jié)構(gòu)的最高層,負(fù)責(zé)處理特定USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)器?？蛻舫绦?qū)用枋鏊兄苯幼饔糜谠O(shè)備的軟件入口。當(dāng)設(shè)備被系統(tǒng)檢測(cè)到以后,這些客戶程序?qū)⒅苯幼饔糜谕鈬布?。這個(gè)共享的特性將USB系統(tǒng)軟件置于客戶和它的設(shè)備之間,客戶程序要根據(jù)USBD在客戶端形成的設(shè)備映像對(duì)它進(jìn)行處理,從而實(shí)現(xiàn)與主機(jī)的數(shù)據(jù)通信。2.4.4

USB的數(shù)據(jù)傳輸方式

1.控制傳輸控制傳輸是雙向傳輸,通常數(shù)據(jù)量較小。

USB系統(tǒng)軟件主要用來(lái)進(jìn)行查詢、配置和給USB設(shè)備發(fā)送通用的命令。控制傳輸方式可以傳輸包括8、16、32和64字節(jié)的數(shù)據(jù),這依賴于設(shè)備和傳輸速度?？刂苽鬏?shù)牡湫蛻?yīng)用在于主計(jì)算機(jī)和USB外設(shè)的端點(diǎn)之間的傳輸,但是指定控制傳輸可能會(huì)用到其他的端點(diǎn)。

2.同步傳輸

同步傳輸提供了確定的帶寬和時(shí)間間隔。它主要用于時(shí)間要求嚴(yán)格并具有較強(qiáng)容錯(cuò)性的數(shù)據(jù)流傳輸,或者用于要求恒定數(shù)據(jù)傳送率的實(shí)時(shí)應(yīng)用系統(tǒng)中。例如,即時(shí)通話的網(wǎng)絡(luò)電話使用同步傳輸模式就是很好的選擇。同步數(shù)據(jù)要求確定的帶寬值和確定的最大傳輸次數(shù)。對(duì)于同步傳輸來(lái)說(shuō),實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳遞比數(shù)據(jù)的完整性更重要。

3.中斷傳輸

中斷傳輸方式主要用于定時(shí)查詢?cè)O(shè)備是否有數(shù)據(jù)要傳送中斷請(qǐng)求。設(shè)備的端點(diǎn)模式結(jié)構(gòu)決定了它的查詢范圍為1～255ms。這種傳輸方式應(yīng)用于少量的、分散的、不可預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸,如鍵盤(pán)、操縱桿和鼠標(biāo)與主機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。中斷方式傳輸是單向的,對(duì)于Host來(lái)說(shuō)只有輸入方式。

4.大量傳輸大量傳輸方式主要應(yīng)用在大量傳送和接收數(shù)據(jù),同時(shí)又沒(méi)有帶寬和時(shí)間間隔要求的情況下。如打印機(jī)和掃描儀與主機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。這種傳輸類(lèi)型可以等到所有其他類(lèi)型的數(shù)據(jù)傳送完成之后再傳送和接收數(shù)據(jù)。

USB將其有效的帶寬分成各個(gè)不同的幀,每幀通常為1ms。每個(gè)設(shè)備每幀只能傳送一個(gè)同步的傳送包。在完成了系統(tǒng)的配置信息和連接之后,USB的Host就會(huì)對(duì)不同的傳送點(diǎn)和傳送方式作一個(gè)統(tǒng)籌安排,用來(lái)適應(yīng)整個(gè)USB的帶寬。通常情況下,同步方式和中斷方式的傳輸會(huì)占據(jù)整個(gè)帶寬的90％,其余的就安排給控制方式來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。

2.5

IEEE1394總線

2.5.1IEEE1394簡(jiǎn)介

IEEE1394的正式公布名稱(chēng)是IEEE1394高性能串行總線,是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)于1995年制訂的高速、低成本串行總線,用于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)通信,或作為計(jì)算機(jī)底板并行總線的備份總線。

IEEE1394正在被越來(lái)越多的PC廠商所采用,作為一種數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_(kāi)放式技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),已被應(yīng)用在眾多的領(lǐng)域當(dāng)中。目前,IEEE1394技術(shù)使用最廣的領(lǐng)域還是數(shù)字成像領(lǐng)域,支持的產(chǎn)品包括數(shù)碼照相機(jī)和數(shù)碼攝像機(jī)等。

2.5.2IEEE1394總線的特點(diǎn)

(1)傳輸速率高。在TTL總線主板上,其傳輸速率為24.576Mb/s;在BTL(BackplaneTransceiverLogic,總線底板收發(fā)器邏輯)總線主板上,其傳輸速率為49.152Mb/s;用電纜傳輸時(shí)其傳輸速率可達(dá)98.304Mb/s、196.608Mb/s和393.216Mb/s。

(2)節(jié)點(diǎn)之間的最大距離不能超過(guò)4.5m。若輸出距離過(guò)長(zhǎng),可以使用IEEE1394中繼器。一臺(tái)IEEE1394中繼器可以將節(jié)點(diǎn)之間傳輸?shù)木嚯x延長(zhǎng)4.5m。因?yàn)镮EEE1394最多只能支持16層樹(shù)形網(wǎng)段,所以兩個(gè)端點(diǎn)之間的最大距離為72(16×4.5)m。

(3)每個(gè)網(wǎng)段最多可以連接63臺(tái)設(shè)備,每臺(tái)IEEE1394可以連接10231394個(gè)網(wǎng)段,可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由于兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的最大距離為4.5m,因此IEEE1394并不適合在廣域網(wǎng)中使用。

(4)IEEE1394設(shè)備支持熱插拔,可以在任何時(shí)候向IEEE1394網(wǎng)絡(luò)添加或拆除設(shè)備。既不用擔(dān)心影響數(shù)據(jù)的傳輸,也不需要進(jìn)行重新配置,系統(tǒng)可以根據(jù)變化的環(huán)境進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。

(5)IEEE1394網(wǎng)絡(luò)使用的是對(duì)等結(jié)構(gòu),可自動(dòng)分配節(jié)點(diǎn)地址,不需要硬件設(shè)置,也不需要專(zhuān)用服務(wù)器。因此,對(duì)于那些集中進(jìn)行管理或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的系統(tǒng)來(lái)說(shuō),IEEE1394并不是一個(gè)理想的選擇。

(6)同一網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)可以用不同的速率傳輸。目前可以實(shí)現(xiàn)的速率為100Mb/s、200Mb/s和400Mb/s。這就決定了在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)要考慮到不同設(shè)備的傳輸性能。如果在兩臺(tái)傳輸速度可達(dá)400Mb/s的設(shè)備之間放置一臺(tái)100Mb/s的設(shè)備,無(wú)疑將會(huì)使實(shí)際的傳輸速度大大降低。

(7)IEEE1394開(kāi)放式主控制器接口(OHCI)向所有準(zhǔn)備支持IEEE1394技術(shù)的廠商提供了開(kāi)放式標(biāo)準(zhǔn),便于開(kāi)發(fā)相關(guān)產(chǎn)品。在實(shí)際操作過(guò)程中,設(shè)備首先要求控制物理層。進(jìn)行異步傳輸時(shí),數(shù)據(jù)發(fā)送和接收方交換地址,然后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,當(dāng)接收方收到數(shù)據(jù)包時(shí),會(huì)向發(fā)送方回傳確認(rèn)信息。采用自動(dòng)檢錯(cuò)重發(fā)方式(具體內(nèi)容將在6.1節(jié)中介紹)實(shí)現(xiàn)差錯(cuò)控制。如果接收方?jīng)]有接收到數(shù)據(jù)包,則啟動(dòng)錯(cuò)誤修復(fù)機(jī)制。

進(jìn)行同步傳輸時(shí),發(fā)送方首先要求獲得一個(gè)特定帶寬的數(shù)據(jù)通道,然后將通道ID附加在所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中一起發(fā)送。接收方對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行檢測(cè),只有當(dāng)發(fā)現(xiàn)具有特定ID號(hào)的數(shù)據(jù)時(shí)才進(jìn)行接收。同步數(shù)據(jù)傳輸模式的優(yōu)先級(jí)要高于異步傳輸模式。當(dāng)一臺(tái)設(shè)備發(fā)送同步數(shù)據(jù)時(shí),將獲得一個(gè)專(zhuān)用的數(shù)據(jù)通道,直到數(shù)據(jù)傳送完畢為止。而同一時(shí)刻發(fā)生的異步數(shù)據(jù)傳輸則只能使用當(dāng)前所剩余的可用帶寬。

IEEE1394是一種全數(shù)字協(xié)議,在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中不需要進(jìn)行任何數(shù)/模轉(zhuǎn)換。

2.5.3IEEE1394的連接方式

IEEE1394支持兩種不同的連接器。最為常用的一種是直接與6根導(dǎo)線相連接,如圖2.15所示。其中一對(duì)線用于傳送數(shù)據(jù),一對(duì)線用于傳送時(shí)鐘信號(hào),還有一對(duì)線傳送電源。電纜通過(guò)端口把各節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)。端口由收發(fā)器、終端匹配器和一些邏輯電路組成。由于可通過(guò)串行總線供電,因此即使節(jié)點(diǎn)的本地電源出現(xiàn)故障,也不致影響總線的正常工作。另一種是Sony公司推出的只包含4條數(shù)據(jù)線的小型線纜,該公司還專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了與之搭配的新型連接器。這種連接器如果要與標(biāo)準(zhǔn)的6根導(dǎo)線線纜連接的話,需要使用轉(zhuǎn)換器。因?yàn)樾⌒途€纜不提供電源線,所以與之連接的設(shè)備只能使用外部電源供電。

圖2.15

IEEE1394串聯(lián)線的橫切面示意圖

2.5.4IEEE1394與USB發(fā)展前景比較

IEEE1394標(biāo)準(zhǔn)目前仍處于不斷改進(jìn)和發(fā)展中,其數(shù)據(jù)傳輸速率已達(dá)到800Mb/s～3.2Gb/s。USB1.1和后來(lái)速度更高的USB2.0都是具有與1394相似的技術(shù)特性的串行總線。但是,1394和US