计算机总线部分DOC.docx

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计算机总线部分

1、计算机总线的分类

（1）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

（2）按照总线在系统结构中的层次位置，总线可分为

（A）片内总线（On-ChipBus）

在集成电路的内部，用来连接各功能单元的信息通路

•片内总线

􀁺受芯片面积及对外引脚数的限制，片内总线大多采用单总线结构，这有利于芯片集成度和成品率的提高，而对于内部数据传送速度要求较高的，也可采用双总线或三总线结构。

􀁺ASIC技术的出现，用户也可以按照自己的要求，借助于适当的EDA工具，设计自己的芯片内部总线是微机系统中最重要的总线，人们平常所说的微机总线就是指系统总线，如STD总线、PC总线、ISA总线、PCI总线等

（B）内部总线（InternalBus）

用于计算机内部模块（板）之间通信

•内部总线：

系统总线或板级总线

–按功能可分为数据总线DB、地址总线AB、控制总线CB、和电源总线PB

数据总线D：

用于传递数据信息

总线宽度：

数据信号线的根数。

决定设备获得最大性能影响计算机系统性能地址总线宽度：

地址线的根数决定直接寻址能力避免IO地址与内存地址的重叠

地址总线A：

用于传递地址信息

控制总线C：

包括控制、时序和中断信号线，用于传递各种

控制信息，决定了总线的性能好坏

电源总线P：

提供电源

（C）外部总线（ExternalBus）：

又称通讯总线

用于计算机之间或计算机与设备之间通信

•外部总线如：

IEEE-488、RS-232C、RS-485等

（3）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

􀁺在集成电路的内部，用来连接各功能单元的信息通路。

2、计算机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、计算机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-Express的结构、主要技术特点以及与PCI的主要区别

区别：

–PCIExpress和PCI不同的是实现了传输方式从并行到串行的转变。

–PCIExpress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

–PCIExpress事务与包

•PCIExpress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

5、RS232C的电气特性，最简单的RS232C通信结构

一．RS-232C总线的电气特性

（1）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”

（2）主要特点：

–非平衡的连接方式

–采用点对点通信

–公用地线

（3）电气参数

􀂾a.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。

b.引线逻辑电平用-3～-15V表示逻辑1,用+3～+15V表示逻辑0

􀂾c.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

（4）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。

二．通信结构

6、RS422和RS485的主要特性和相互区别

RS-485与RS-422的区别在于：

􀂾a.硬件线路上，RS-422至少需要4根通信线，而RS-485仅需2根

􀂾b.通信方式上，RS-422可以全双工，而RS-485只能半双工

􀂾c.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

􀂾d.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

7、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

（1）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，USB1.1总线规范定义了12Mb/s的带宽，而USB2.0可提供480Mb/s的传输速度。

–USB总线能够提供500mA的电流。

（2）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

（3）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

（4）USB设备和主机之间的连接方法

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=15KΩ,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。

8、I2C总线的主要特点，起始、终止信号以及三种数据传输格式

1.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

2、起始和终止信号

–SCL线为高电平期间，SDA线由高电平向低电平的变化表示起始信号

–SCL线为高电平期间，SDA线由低电平向高电平的变化表示终止信号

•起始和终止信号都是由主机发出的，在起始信号产生后，总线就处于被占用的状态；在终止信号产生后，总线就处于空闲状态

•连接到I2C总线上的器件，若具有I2C总线的硬件接口，则很容易检测到起始和终止信号

•接收器件若无法立刻接收下一个字节，可以将SCL线拉成低电平，从而使主机处于等待状态。

直到接收器件准备好接收下一个字节时，再释放SCL线使之为高电平，从而使数据传送可以继续进行

•3、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：

•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

9、SPI总线的主要特点，主从方式SPI总线接口系统的典型结构，以及SPI与I2C间的比较

•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

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

•主从方式SPI总线接口系统的典型结构

–在大多数应用场合，可使用1个微控制器作为主控机来控制数据传送，并向1个或几个外围器件传送数据。

从机只有在主机发命令时才能接收或发送数据

–当一个主机通过SPI与多个芯片相连时，必须使用每个芯片的片选，这可通过MCU的I/O端口输出线来实现

–