總線技術的基礎知識

總線，英文叫作“BUS”,即我們中文的“公共車”，這是非常形象的比如，公共車走的路線是一定的，我們任何人都可以坐公共車去該條公共車路線的任意一個站點。如果把我們人比作是電子信號，這就是為什么英文叫它為“BUS”而不是“CAR”的真正用意。當然，從專業上來說，總線是一種描述電子信號傳輸線路的結構形式，是一類信號線的集合，是子系統間傳輸信息的公共通道。通過總線能使整個系統內各部件之間的信息進行傳輸、交換、共享和邏輯控制等功能。如在計算機系統中，它是CPU、內存、輸入、輸出設備傳遞信息的公用通道，主機的各個部件通過主機相連接，外部設備通過相應的接口電路再于總線相連接。

現代網絡信息的發展，特別是對于成本和空間而言，總線傳輸替代點對點傳輸是目前發展的熱點，它的出現將給信息傳輸上提供了最大的方便和最有效的技術解決方案。

系統總線的基本組成

數據總線：傳送數據信息

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：為系統提供電源信號

總線的功能

1、數據傳輸功能

數據傳輸功能是總線的基本功能，用總線傳輸率來表示，即每秒傳輸的字節數，單位是Mbps(兆字節每秒)。

2、多設備支持功能

多個設備使用一條總線，首先是總線占用權的問題，哪一個主設備申請占用總線，由總線仲裁器確定。

3、中斷

中斷是計算機對緊急事務響應的機制。當外部設備與主設備之間進行服務約定時，中斷是實現服務約定的聯絡信號。

4、錯誤處理

錯誤處理包括奇偶校驗錯、系統錯、電池失效等錯誤檢測處理，以及提供相應的保護對策。

總線的數據傳輸流程

1、申請占用總線

需要使用總線的總線主設備(如CPU、DMA 控制器等)向總線仲裁機構提出占用總線的請求，經總線仲裁機構判定，若滿足響應條件，則發出響應信號，并把下一個總線傳送周期的總線控制權授予申請者。

2、尋址

獲得總線控制權的總線主設備，通過地址總線發出本次要訪問的存儲器和I/O端口的地址，經地址譯碼選中被訪問的模塊并開始啟動數據轉換。

3、傳送數據

總線主設備也叫主模塊，被訪問的設備叫從模塊。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據總線進行數據傳送。

4、結束

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。

微機總線的種類

片內總線

它是位于大規模、超大規模集成芯片內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內部ALU、寄存器組、控制器等部件之間的總線。

局部總線(也稱內部總線)

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部的總線，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。

系統總線(也稱外部總線)

是指微機底板上的總線，用來構成微機系統的各插件板、多處理器系統各CPU模塊之間的信道。較典型的系統總線如：STD-BUS，MULTI-BUS，VME等。

通信總線

它是微機系統與系統之間、微機系統與其它儀器儀表或設備之間的信息通路。這種總線往往不是計算機專有的，而是借用電子工業其它領域已有的總線標準并加以應用形成的。流行的通信總線如：EIA-RS-232C、RS-422A、RS-485，IEEE-488，VXI等總線標準。

各總線間的關系

使用總線技術的優點

1、簡化軟、硬件設計：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，有了規范就給用戶在硬件設計上帶來了很大的方便，簡化了設計過程。

2、簡化系統結構：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成微機的硬件系統。

3、便于系統的擴充：對于采用標準總線構成的微機系統，只要按總線標準和用戶擴充要求設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。

4、便于系統的更新：隨著電子技術的不斷發展，新的器件不斷涌現，微機系統也要不斷更新，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性能，而不必做很大改動。

總線技術的分類

總線分類的方式有很多，如被分為外部和內部總線、系統總線和非系統總線等等。

1、按功能分

最常見的是從功能上來對數據總線進行劃分，可以分為地址總線(address bus)、數據總線(data bus)和控制總線(control bus)。在有的系統中，數據總線和地址總線可以在地址鎖存器控制下被共享，也即復用。

地址總線是專門用來傳送地址的。在設計過程中，見得最多的應該是從CPU地址總線來選用外部存儲器的存儲地址。地址總線的位數往往決定了存儲器存儲空間的大小，比如地址總線為16位，則其最大可存儲空間為216(64KB)。

數據總線是用于傳送數據信息，它又有單向傳輸和雙向傳輸數據總線之分，雙向傳輸數據總線通常采用雙向三態形式的總線。數據總線的位數通常與微處理的字長相一致。例如Intel 8086微處理器字長16位，其數據總線寬度也是16位。在實際工作中，數據總線上傳送的并不一定是完全意義上的數據。

控制總線是用于傳送控制信號和時序信號。如有時微處理器對外部存儲器進行操作時要先通過控制總線發出讀/寫信號、片選信號和讀入中斷響應信號等。控制總線一般是雙向的，其傳送方向由具體控制信號而定，其位數也要根據系統的實際控制需要而定。

2、按傳輸方式分

按照數據傳輸的方式劃分，總線可以被分為串行總線和并行總線(基于各種總線技術設計電路圖集錦)。從原理來看，并行傳輸方式其實優于串行傳輸方式，但其成本上會有所增加。通俗地講，并行傳輸的通路猶如一條多車道公路，而串行傳輸則是只允許一輛汽車通過單線公路。目前常見的串行總線有SPI、I2C、USB、IEEE1394、RS232、CAN等;而并行總線相對來說種類要少，常見的如IEEE1284、ISA、PCI等。

3、按時鐘信號方式分

按照時鐘信號是否獨立，可以分為同步總線和異步總線。同步總線的時鐘信號獨立于數據，也就是說要用一根單獨的線來作為時鐘信號線;而異步總線的時鐘信號是從數據中提取出來的，通常利用數據信號的邊沿來作為時鐘同步信號。

總線傳輸的基本原理

依據前面對總線的定義可知總線的基本作用就是用來傳輸信號，為了各子系統的信息能有效及時的被傳送，為了不至于彼此間的信號相互干擾和避免物理空間上過于擁擠，其最好的辦法就是采用多路復用技術，也就是說總線傳輸的基本原理就是多路復用技術。所謂多路復用就是指多個用戶共享公用信道的一種機制，目前最常見的主要有時分多路復用、頻分多路復用和碼分多路復用等。

時分多路復用(TDMA)

時分復用是將信道按時間加以分割成多個時間段，不同來源的信號會要求在不同的時間段內得到響應，彼此信號的傳輸時間在時間坐標軸上是不會重疊。

頻分多路復用(FDMA)

頻分復用就是把信道的可用頻帶劃分成若干互不交疊的頻段，每路信號經過頻率調制后的頻譜占用其中的一個頻段，以此來實現多路不同頻率的信號在同一信道中傳輸。而當接收端接收到信號后將采用適當的帶通濾波器和頻率解調器等來恢復原來的信號。

碼分多路復用(CDMA)

碼分多路復用是所被傳輸的信號都會有各自特定的標識碼或地址碼，接收端將會根據不同的標識碼或地址碼來區分公共信道上的傳輸信息，只有標識碼或地址碼完全一致的情況下傳輸信息才會被接收。

總線主要技術指標

評價總線的主要技術指標是總線的帶寬(即傳輸速率)、數據位的寬度(位寬)、工作頻率和傳輸數據的可靠性、穩定性等。

帶寬(傳輸速率)、位寬和工作頻率

總線的帶寬指的是單位時間內總線上傳送的數據量，即每鈔傳送MB的最大數據傳輸率。總線的位寬指的是總線能同時傳送的二進制數據的位數，或數據總線的位數，即32位、64位等總線寬度的概念;總線的位寬越寬，數據傳輸速率越大，總線的帶寬就越寬。總線的工作時鐘頻率以MHz為單位，它與傳輸的介質、信號的幅度大小和傳輸距離有關。在同樣硬件條件下，我們采用差分信號傳輸時的頻率常常會比單邊信號高得多，這是因為差分信號的的幅度只有單邊信號的一半而已。

總線的帶寬、位寬和工作頻率，這三者密切相關，它們之間的關系：

傳輸數據的可靠性

可靠性是評定總線最關鍵的參數，沒有可靠性，傳輸的數據都是錯誤的信息，便就失去了總線的實際意義。為了提高總線的可靠性，通常采用的措施有：

1、采用數據幀發送前發送器對總線進行偵聽，只有偵聽到總線處于空閑狀態下時才可向總線傳送數據幀，這樣避免了不同節點的數據沖突。

2、采用雙絞線差分信號來傳送數據，以降低單線的電壓升降幅度，減小信號的邊沿產生的高次諧波。

3、適當的讓數據的邊沿具有一定的斜坡。

4、增加匹配電阻和電容等來減少總線上信號的發射和平衡總線上的分布電容等。

5、采用合適的網絡拓撲結構和屏蔽技術等來減少受其他信號的干擾。

幾種典型的總線技術及特點

STD系統總線

1、模塊化的小板結構、開放式的靈活組態

STD總線使得微機系統被劃分成若干模塊，并制作成標準的功能模板(插件卡)。用戶可根據需要選擇功能模板組成自己的微機，插件卡與外設之間可用其他方式連接，因此可以靈活方便地構成適應不同要求的微機系統。

2、高可靠性、高抗干擾能力和高信號質量

STD總線優良的物理特性使之具有抗惡劣環境的能力。其模塊化小尺寸結構使其具有抗沖擊和振動的能力，也可以減少自身發熱產生的問題。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總線的結構可使信號流有序地從總線接口流向用戶接口，提高了信號的質量。

3、兼容的結構、配套的產品和齊全的功能

STD總線的兼容式結構可以使8位的STD產品與新標準的16位或32位STD產品一起工作。STD總線還支持多處理器系統。隨著技術的發展和STD產品的推廣和應用，其標準插件板的功能不斷增強，配套產品越來越豐富，給使用帶來極大方便。

RS-232C通信總線

RS-232C是一種串行通信總線標準，也是數據終端設備(DTE)和數據通信設備(DCE)之間的接口標準，是1969年由美國電子工業協會(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的設備能達到接插的兼容性，即無論哪一家生產的設備，只要具有RS-232C標準接口，則不需要任何轉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針插頭。

RS-232C的主要特點

1、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。實際應用中，多數只用主信號通道(即第一通道)，并只使用其中幾個信號(通常3~9根線)。

2、傳輸距離遠(相對于并行)：由于RS-232C采用串行傳輸方式，并將TTL電平轉換成了RS-232C電平，在基帶傳輸時，距離可達30m。若是采用光電隔離20A電流環傳送，其傳輸距離可達1000m 。當然，如果在串行接口加上調制解調器，利用有線、無線或光纖進行傳送，其距離會更遠。

3、可供選擇的傳輸速率多：RS-232C規定的標準傳送速率有：50，75，110，150，300，600，1200，2400，4800，9600，19200波特。可以靈活地使用于不同速率的設備。

4、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-422A總線

RS-422A采用平衡輸出的發送器，差分輸入的接收器。發送器有兩根輸出線，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過來。在RS-422A線路中發送信號要用兩條線，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-422A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生的干擾減至最小。雙方地電位不同產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的線路產生錯誤。

RS-485總線

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網，通信只是半雙工的。

由于共用一條線路，任何時刻，只允許有一個發送器發送數據，其它發送器必須處于關閉(高阻)狀態，這是通過發送器芯片上的發送允許端控制的。例如，當該端為高電平時，發送器可以發送數據，而為低電平時，發送器的兩個輸出端都呈現高阻狀態，好象從線路上脫開一樣。

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-448標準建立一個由計算機控制的測試系統時，不要再加一大堆復雜的控制電路，IEEE-488系統以機架層疊式智能儀器為主要器件，構成開放式的積木測試系統，因此IEEE-488總線是當前工業上應用最廣泛的通信總線之一。

IEEE-488總線使用的約定：1、·數據傳輸速率≤1MB/S。2、·連接在總線上的設備(包括作為主控器的微型機)≤15個。3、·設備間的最大距離≤20M。4、·整個系統的電纜總長度≤220M，若電纜長度超過220M，則會因延時而改變定時關系，從而造成工作不可靠。這種情況應附加調制解調器。5、·所有數字交換都必須是數字化的。6、·總線規定使用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”;用大于2V的電平表示邏輯“0”。

系統上設備的工作方式：1、“聽者”方式：這是一種接收器，它在數據總線上接收數據，一個系統在同一時刻，可以有兩個以上的“聽者”在工作。2、“講者”方式：這是一種發送器，一個系統可以有兩個以上的“講者”但任一時刻只能有一個講者在工作。3、“控者”方式：這是一種向其他設備發布命令的設備，例如對其他設備尋址，或允許“講者”使用總線。任一時刻只能有一個控者。