《微型计算机原理及应用》课件第7章 (2).ppt

1、第7章总线7.1 总线概述7.2 内总线7.3 外总线7.4 总线驱动与控制习题第7章总线7.1 总总 线线 概概 述述7.1.1 定义及分类定义及分类 广义地说，总线就是连接两个或两个以上数字系统元器件的信息通路。从这个意义上讲，微型计算机系统中所使用的芯片内部、元器件之间、插件板卡间乃至系统到外设、系统到系统间的连线均可理解为总线。第7章总线1片内总线片内总线 顾名思义，片内总线就是集成电路芯片内部各功能元件之间的连接线。这类总线是由芯片的设计者来实现的。对于本书的读者，即使将来自己设计ASIC芯片，其芯片内部的连线也是由CAD软件来完成的，自己布线是极个别的现象。因此，我们知道片内总线是

2、重要的，将来应用时予以注意就可以了。第7章总线2元件级总线元件级总线 元件级总线又称板(卡)内总线，用于实现电路板(卡)内各元器件的连接。元件级总线对读者来说是重要的。因为，将来很可能会接手设计一块插在某总线上的电路板(卡)。在设计一块电路板(卡)时，必然要用板内总线将板内的元器件连接起来。板内总线的驱动能力，总线间的干扰、反射、延时以及总线的电磁兼容性等问题都必须认真考虑。只有这样，才能设计出工作可靠的电路板。有关问题的细节在本章的后面将做介绍。第7章总线3内总线内总线内总线又称系统总线，用于将构成微型机的各电路板(卡)连接在一起。内总线对微型机的设计者来说是非常重要的。如果所设计的系统内总

3、线性能很差或工作不可靠，则将直接影响所设计的计算机的性能，甚至使整个微型机系统不能正常工作。第7章总线 从微型机问世以来，有许多科学工作者致力于内总线的研究与开发，不同机型(8位机、16位机、32位机)、不同用途、性能不一的内总线标准不断地涌现出来。现在已制定的内总线标准已超过100种，有民用级微型机内总线标准，有工业级微型机内总线标准，也有军用级微型机内总线标准。微型机系统设计者可以根据用户的需求和系统设计方案选择某一标准总线，也可以自己制定专用内总线。只是前者比后者要好。第7章总线 4外总线外总线外总线又称通信总线，用于实现微型机与外设以及微型机系统之间的相互连接。从外总线的定义可以看到其

4、功能是实现微型机与外设或者微型机系统之间相互通信的。对计算机系统来说，这一总线是系统的重要组成部分。显然，这种总线的传送距离比较远，可采用串行方式或并行方式来实现。同样，从微型机问世以来，有许多科学工作者致力于外总线的研究与开发，分别制定了串行、并行的外总线标准有七八十种之多。微型机系统设计者可以根据用户的需求和系统设计方案，在自己所设计的系统中选择某一标准总线。第7章总线7.1.2 采用总线标准的优点采用总线标准的优点在微型计算机系统中，构成系统的各部分都是通过总线连接到一起的，总线上的各种信号是利用总线进行传递的。在进行计算机系统设计时，必须考虑系统设计的标准化、模块化和系列化，从而设计出

5、高性能的计算机系统。在进行系统设计时，可以考虑采用通用的总线标准，这样做可以获得一系列的好处。第7章总线1简化硬、软件的设计简化硬、软件的设计从前面第2章的图2.1可以看到，从概念上看，一台微型计算机就是由系统总线将其各组成部分连接到一起构成的。当系统总线各信号决定之后，构成微型计算机的各部件，如CPU电路板、ROM电路板、RAM电路板、各种外设所需的接口板等可以单独进行设计。在电路板的设计过程中，只与系统总线信号有关而与其他电路板没有关系，从而使设计得以简化。第7章总线另一方面，系统设计的另一种方法称为系统集成。如果采用总线标准，系统集成就很容易实现。例如，要构成一台PC机，就可以简单地购买

6、主机箱、电源、主板、显卡、LCD显示器、内存条、硬磁盘、光盘、网卡、声卡及音箱、键盘和鼠标等。把上述配件连接到一起，就构成了PC机的基本硬件系统。在此基础上，配上操作系统及相关软件，则一台PC机就集成成功了。第7章总线上述PC机的集成全过程只需要几十分钟即可完成。为什么构成这么一套比较复杂的PC机系统在这么短的时间里就能完成呢？这得益于标准化。上面所有的部件都有一定的标准，当然也包括内、外总线的标准化。这就使得上述构成PC机的各种部件，不管它是由哪个厂家生产的，只要它遵循所规定的标准，拿来就能用，用起来十分方便。例如，上述系统集成中采用了PCI总线，若要在PCI总线上插网卡，只要到电子市场购买

7、总线为PCI的网卡即可。不管购买谁家生产的网卡，只要是应用于PCI总线上的拿来插到总线上即可工作。第7章总线2简化了系统结构采用总线标准，可以简化微型计算机的系统结构。对于小的、简单的微型机系统来说，根据图2.1，可以认为是将CPU及构成微型机的各部分(ROM、RAM、各种接口)都挂接在系统总线上。对于较为复杂的微型机，如PC机，同样可以认为是将构成PC机的各组成部件连接在总线上构成PC机。在计算机的工程应用中，经常将多个CPU以紧耦合的方式构成性能更好的多机系统。而许多内总线都支持以紧耦合的方式构成多机系统。有了内总线的支持，构成这样的系统将变得比较容易了。第7章总线3易于系统扩展易于系统扩

8、展采用总线标准构成的微型机，要对其功能进行扩展将是非常容易的。例如，要扩展内存，只要购买合适的内存条(具有标准接口)插上即可。要在PC机上增加视频卡，只要购买相应总线(PCI、IEEE-1394等)的视频卡插在总线上，配上厂家提供的驱动程序即可工作。第7章总线可见，要扩展微型机的功能，实现起来十分容易。这是因为总线标准一旦确定，大量的厂家都会依据这一标准生产各式各样的板卡，等待用户选用。因此，采用总线标准使系统扩展易于进行。试想，如果所设计的微型机采用自己定义的专用总线，要进行系统扩展时就必须自己从元器件级上去设计电路板卡，而从头设计一块电路板则决非三天两日就能完成的。第7章总线4便于调试便于

9、调试当进行微型机系统设计时，由于采用标准的内总线，在某一电路板设计出来进行调试时，可以插到任何具有同样标准内总线的微型机上进行调试，这为硬件电路板的调试带来极大的方便。第7章总线5便于维修便于维修微型机系统是会出现故障的，有了故障就需要对系统进行维修。目前微型机系统的维修通常在下面两级上进行。一级维修，又称为部件级维修，要求故障定位达到某一块电路板、某一个部件或者某一个小设备。维修人员将完好的部件更换到系统上，使系统立即恢复正常工作。更换下来的故障部件由用户单位或厂家或专门维修点进行仔细检修，使它再恢复成为一块完好的部件，处于冷备份状态。这种维修比较容易，因为部件级的故障定位比较容易。第7章总

10、线另一种维修，称为二级维修。所谓二级维修，主要是更换集成电路芯片及元器件的维修。实现这种维修，要求故障诊断的分辨率要高，要能够确切地给出是哪个部件(或卡)上的哪块芯片或哪个元器件出现故障。若能迅速诊断清楚，更换新的芯片或元器件就很容易做到。但是，二级维修要求诊断到芯片、元器件级，要能够在系统出现故障之后很快地做出判断，找到发生故障的元器件，这就要求系统维护人员有很高的技术素质、思想作风并掌握一套合理的方法和经验。第7章总线在进行一级维修时，若发现某一电路板出现故障，可以到市场去购买任何厂家生产的同一总线标准的电路板更换故障电路板，则故障可立刻得以排除。若是采用专用总线，则不可能有现成的电路板可

11、以更换。若事先没有备份，为维修就需要从头设计该电路板，那将是一件很麻烦的事。第7章总线7.2 内内 总总 线线 7.2.1 PC机的内总线机的内总线从1981年PC机问世以来，PC机的发展极为迅速。同时，作为PC机的重要组成部分的内总线也随PC机的发展而发展。下面将对PC机的内总线从低级到高级逐一加以说明。第7章总线1PC/XT总线总线PC/XT总线是最早期的PC机(以8088为CPU)的系统总线。它由62个插座信号构成，如表7.1所示。除了前面提到的8088的20条地址线A0A19、8条数据线D0D7以及内存的读写控制信号、和 接口的读写控制信号、外，还包括6个中断请求IRQ2IRQ7，3个

12、DMA请求信号DREQ1DREQ3，3个DMA响应信号DACK1DACK3，、AEN、RESET、OSC等信号，再就是5V、12V电源和地信号。MEMRMEMWIORIOWOCHCK/IOCHRDY/I第7章总线表表7.1 PC/XT总线引脚定义总线引脚定义引 脚 信 号 引 脚 信 号 B1 GND A1 CK CH O/I B2 RESET DRV A2 D7 B3+5 V A3 D6 B4 IRQ2 A4 D5 B5-5 V A5 D4 B6 DRQ2 A6 D3 B7-12 V A7 D2 B8 SLCTD CARD A8 D1 B9+12 V A9 D0 B10 GND A10 RD

13、Y CH O/I B11 SMEMW A11 AEN B12 SMEMR A12 A19 B13 IOW A13 A18 B14 IOR A14 A17 B15 3DACK A15 A16 B16 DRQ3 A16 A15 B17 1DACK A17 A14 B18 DRQ1 A18 A13 B19 REFRESH A19 A12 B20 SYSCLK A20 A11 B21 IRQ7 A21 A10 第7章总线引 脚 信 号 引 脚 信 号 B22 IRQ6 A22 A9 B23 IRQ5 A23 A8 B24 IRQ4 A24 A7 B25 IRQ3 A25 A6 B26 2DACK A2

14、6 A5 B27 T/C A27 A4 B28 BALE A28 A3 B29+5 V A29 A2 B30 OSC A30 A1 B31 GND A31 A0 第7章总线PC/XT总线是一条8位内总线，利用该总线读写内存或接口，每次只能传送8位数据。同时，总线上的地址线只有20条，其寻址内存的范围很小，只有1MB。由于当时的CPU时钟频率只有4.77MHz，使这条总线传输速率很慢。另外，该总线上可实现的中断请求、DMA请求和DMA响应的数量也比较少。可见，这条总线是很低级的，仅能满足当时最简单的应用需要。第7章总线2ISA总线随着技术的发展，1982年Intel公司推出了80286，接着在1

15、984年IBM利用80286开发出PC/AT微型机。作为超级16位机的80286构成的计算机无法使用原来的8位系统总线。于是，IBM开发了相应的PC/AT总线。此后，PC/AT总线被IEEE定为一种内总线标准，这就是ISA。ISA是工业标准总线。它向上兼容更早的PC/XT总线，在PC/XT总线62个插座信号的基础上，再扩充另一个36个信号的插座构成ISA总线，扩充插座的定义如表7.2所示。第7章总线表表7.2 ISA总线扩充插座引脚定义总线扩充插座引脚定义引脚 信 号 引脚 信 号 D1 16 MEMCS C1 SBHE D2 16 I/OCS C2 LA23 D3 IRQ10 C3 LA22

16、 D4 IRQ11 C4 LA21 D5 IRQ12 C5 LA20 D6 IRQ14 C6 LA19 D7 IRQ15 C7 LA18 D8 0DACK C8 LA17 D9 DRQ0 C9 MEMR D10 5DACK C10 MEMW D11 DRQ5 C11 SD8 D12 6DACK C12 SD9 D13 DRQ6 C13 SD10 D14 7DACK C14 SD11 D15 DRQ7 C15 SD12 D16+5 V C16 SD13 D17 MASTER C17 SD14 D18 GND C18 SD15 第7章总线ISA总线主要包括24条地址线，可寻址内存地址空间增加到16

17、MB；16条数据线；控制总线(内存读写、接口读写、中断请求、中断响应、DMA请求、DMA响应等)，5V、12V电源、地线等。ISA总线新增加了8条数据线、4条地址线、7个中断请求、4个DMA请求、4个DMA响应等信号。使ISA总线成为寻址内存为16M的16位总线。第7章总线 是系统总线上的高字节允许信号，当该信号为低电平时，表示数据线SD8到SD15上正在传送数据的高字节。是存储器16位数据选中信号，当该信号有效(低电平)时，表示总线上传送的16位数据是内存数据。是接口16位数据选中信号，当该信号有效(低电平)时，表示总线上传送的16位数据是接口数据。在ISA总线中，B8定义为OWS 零等待状

18、态信号。SBHE16MEMCS16OCS/I第7章总线 当该信号为高电平时，通知CPU插入等待的时钟周期；而当该信号为低电平时，命令CPU无需插入等待的时钟周期。是新增的主控信号，总线上的设备利用这个信号可以将自己变成总线的主控器，控制整个ISA总线完成诸如DMA等的数据传送。另外，ISA总线新定义了 和 内存读写控制信号，它们与PC/XT总线上的和的区别在于XT上的信号用于寻址1MB的内存地址空间，而和则可以寻址整个16MB的内存地址空间。SMEMRMASTRSMEMWMEMWMEMRSMEMRSMEMW第7章总线ISA总线的性能不是很高，它的地址线只有24条，故内存寻址空间只有16MB。它

19、是一条16位的总线，总线上的数据线只有16条。总线的最高工作频率为8MHz，其数据最高传送速率只有16MB/s。这样的总线性能已能满足当时的使用要求，故在1984年之后的十几年里，ISA总线得到了极为广泛的应用，大批厂家以该总线为依据开发了大批的硬件电路板和相应的软件。直到今天，ISA总线在一些工业控制系统中仍有使用。第7章总线3EISA总线总线上面提到的ISA总线对于16位CPU是很合适的，例如80286、80386SX等CPU。但是，当80386DX(32位CPU)开发出来之后，ISA总线就无法适应32位CPU的性能要求。为此，不少厂家在这个时期推出了多种32位的内总线标准，例如VL总线、

20、EISA总线等。其中稍具影响的就是EISA(扩展的工业标准结构)总线。第7章总线EISA总线是在ISA总线的基础上发展起来的32位总线。该总线定义32位地址线、32位数据线，以及其他控制信号线、电源线、地线等共196个接点。总线传输速率达33MB/s。该总线利用总线插座与ISA总线相兼容，插板插在上层即为ISA总线信号；将插板接到下层便是EISA总线。尽管EISA总线在性能上比ISA总线要好得多，而且是一条32位的总线标准。但是，该标准并未得到很广泛的应用，不久它就被新推出的标准PCI所取代。鉴于这一原因，这里就不再做更多的说明。第7章总线4PCI总线总线1992年由Intel公司推出了PCI

21、(外部设备互连)总线标准，该总线具有很好的性能和特点，一经推出就立即得到广泛的应用。目前的PC机主板上无一例外地都配置多个PCI总线插槽。第7章总线1)PCI总线的特点PCI总线是一种不依赖任何具体CPU的局部总线，也就是说它独立于CPU，因为PCI总线与CPU之间隔着北桥芯片。实际上是通过北桥芯片实施对PCI管理的。这里对PCI不做详细描述，只说明PCI的一些特点。第7章总线(1)高性能。PCI的总线时钟频率为33MHz/66MHz。而且在进行64位数据传送时，其数据传送速率可达到66M8B=528Mb/s。这样高的传输速率是此前其他内总线所无法达到的。在PCI的插槽上，可以插上32位的电路

22、板(卡)，也可插上64位的电路板(卡)，实现两者相兼容。第7章总线(2)总线设备工作与CPU相对独立。在CPU对PCI总线上的某设备进行读写时，要读写的数据先传送到缓冲器中，通过PCI总线控制器进行缓冲，再由CPU处理。当写数据时，CPU只将数据传送到缓冲器中，由PCI总线控制器将数据写入规定的设备。在此过程中，CPU完全可以去执行其他操作。可见，PCI的工作与CPU是不同步的，CPU的速度可能很快而PCI相对要慢一些，它们是相对独立的。这一特点就使得PCI可以支持各种不同型号的CPU，具有更长的生命周期。第7章总线(3)即插即用。即插即用指PCI总线上的电路板(卡)，插在PCI总线上立即就可

23、以工作。PCI总线的这一特点为用户带来极大的方便。在此前的总线上，例如ISA上，可以插上不同厂家生产的电路板(卡)。但不同厂家电路板(卡)有可能发生地址竞争而无法正常工作。解决的办法就是利用电路板(卡)上的跳线开关通过跳线改变地址而克服地址竞争。在PCI总线上就不存在这样的问题，此总线上的接口地址是由PCI控制器自动配置的，不可能发生竞争。所以，电路板(卡)插上就可用。第7章总线(4)支持多主控设备。接在PCI总线上的设备均可以提出总线请求，通过PCI管理器中的仲裁机构允许该设备成为主控设备，由它来控制PCI总线，实现主控设备与从属设备间点对点的数据传输。并且，PCI总线上最多可以支持10个设

24、备。(5)错误检测及报告。PCI总线能够对所传送地址及数据信号进行奇偶校验检测，并通过某些信号线来报告错误的发生。(6)两种电压环境。PCI总线可以在5V的电压环境下工作，也可以在3.3V的电压环境下工作。第7章总线2)PCI总线的信号(1)PCI总线引脚信号安排。PCI总线定义了两种PCI扩展卡及连接器(即主板上的PCI插槽)：长卡和短卡。短卡为32位总线而设计，插槽分为A、B两边，每边定义62个引脚信号，故短卡共有124个引脚。长卡为64位总线而设计，插槽分为A、B两边，每边定义94个引脚信号。很显然，长卡的A、B两边，每边的前62个引脚信号与短卡信号是完全一样的，以便长卡完全兼容短卡。同

25、时，长卡又单独定义了A、B两边的其他各32个信号。PCI总线的信号如表7.3所示。第7章总线表表7.3 PCI总线引脚定义总线引脚定义引脚 信 号 引脚 信 号 B1-12 V A1 TRST B2 TCK A2+12V B3 GND A3 TMS B4 TD0 A4 TD1 B5+5 V A5+5 V B6+5 V A6 INTA B7 INTB A7 INTC B8 INTD A8+5 V B9 1PRSNT A9 保留 B10 保留 A10+5 V I/O B11 PRSNT2 A11 保留 第7章总线B10 保留 A10+5 V I/O B11 PRSNT2 A11 保留 B12 KE

26、Y或 GND A12 KEY或 GND B13 KEY或 GND A13 KEY或 GND B14 保留 A14 保留 B15 GND A15 RST B16 CLK A16+5 V I/O B17 GND A17 GNT B18 REQ A18 GND B19+5 V I/O A19 保留 B20 AD31 A20 AD30 B21 AD29 A21+3.3 V B22 GND A22 AD28 B23 AD27 A23 AD26 B24 AD25 A24 GND B25+3.3 V A25 AD24 B26 A26 IDSEL 第7章总线B25+3.3 V A25 AD24 B26 C/3

27、BE A26 IDSEL B27 AD23 A27+3.3 V B28 GND A28 AD22 B29 AD21 A29 AD20 B30 AD19 A30 GND B31+3.3 V A31 AD18 B32 AD17 A32 AD16 B33 C/2BE A33+3.3 V B34 GND A34 FRAME B35 IRDY A35 GND B36+3.3 V A36 TRDY B37 DEVSET A37 GND B38 GND A38 STOP 第7章总线引脚 信 号 引脚 信 号 B39 LOCK A39+3.3 V B40 PERR A40 SDONE B41+3.3 V A4

28、1 SBO B42 SERR A42 GND B43+3.3 V A43 PAR B44 C/1BE A44 AD15 B45 AD14 A45+3.3 V B46 GND A46 AD13 B47 AD12 A47 AD12 B48 AD10 A48 GND B49 GND A49 AD9 B50 KEY或 GND A50 KEY或 GND B51 KEY或 GND A51 KEY或 GND B52 AD8 A52 C/0BE B53 AD7 A53+3.3 V B54+3.3 V A54 AD6 B55 AD5 A55 AD5 B56 AD3 A56 GND 第7章总线B56 AD3 A5

29、6 GND B57 GND A57 AD2 B58 AD1 A58 AD0 B59+5 V I/O A59+5 V I/O B60 64ACK A60 64REQ B61+5 V A61+5 V B62+5 V KEY A62+5 V KEY B63 保留 A63 GND B64 GND A64 C/7BE B65 C/6BE A65 C/5BE B66 C/4BE A66+5 V I/O B67 GND A67 PAR64 B68 AD63 A68 AD62 B69 AD61 A69 GND B70+5 V I/O A70 AD60 B71 AD59 A71 AD58 B72 AD57 A7

30、2 GND B73 GMD A73 AD56 B74 AD55 A74 AD54 B75 AD53 A75+5 V I/O B76 GND A76 AD52 第7章总线引脚 信 号 引脚 信 号 B77 AD51 A77 AD50 B78 AD49 A78 GND B79+5 V I/O A79 AD48 B80 AD47 A80 AD46 B81 AD45 A81 GND B82 GND A82 AD44 B83 AD43 A83 AD42 B84 AD41 A84+5 V I/O B85 GND A85 AD40 B86 AD39 A86 AD38 B87 AD37 A87 GND B88

31、+5 V I/O A88 AD36 B89 AD35 A89 AD34 B90 AD33 A90 GND B91 GND A91 AD32 B92 保留 A92 保留 B93 保留 A93 GND B94 GND A94 保留 第7章总线 (2)PCI总线信号分类。PCI总线信号分为如下几类：a.地址及数据信号地址及数据信号 AD0AD63是地址/数据信号，双向三态在时间上是复用的信号，即某一时刻这些信号线上传送的是地址信号而在另外的时刻这些信号线上传送的是数据信号。C/C/是命令/字节选择信号，双向三态在时间上是复用的信号。在传送地址期间，这些信号线上传送总线命令。在传送数据期间，它们用来指

32、定64位数据中哪个(或哪些)字节有效。7BE7BE第7章总线b.接口控制信号接口控制信号为帧周期信号，低电平有效的双向三态信号。由当前的主控设备驱动，它有效表示一次总线传输开始并持续。是主控设备准备好信号，低电平有效的双向三态信号。该信号有效表示发起一次传输的设备已准备好，能完成一次数据传送。是从属设备准备好信号，低电平有效的双向三态信号。该信号有效表示从属设备已经做好了完成本次数据传送的准备。FRAMEIRDYTRDY第7章总线是停止数据传送信号，低电平有效的双向三态信号。该信号有效表示从属设备要求主控设备停止当前的数据传送。LOCK为锁定信号，低电平有效的双向三态信号。该信号有效表示驱动它

33、的设备需要多个传输才能完成其操作。IDSEL为初始设备选择信号，此信号是输入信号。在参数配置读写期间用作片选信号。为设备选择信号，低电平有效的双向三态信号。该信号变为低电平时，表示驱动它的设备变为从属设备。STOPDEVSEL第7章总线c.仲裁信号仲裁信号由于PCI总线上的设备都有可能成为主控设备来控制总线，实现规定的数据传送，因此当多个设备同时希望成为主控设备时，就需进行仲裁，以决定哪个设备能够成为主控设备。为总线占用请求信号，低电平有效的三态信号。该信号有效时表示驱动它的设备请求占有总线。REQ第7章总线GNT为总线占用允许信号，低电平有效的三态信号。该信号有效，向请求占用总线的设备表明其

34、占用请求已获得批准。d.系统信号系统信号CLK是PCI总线系统的时钟信号。对所有的PCI上的设备来说它都是输入信号，该信号决定了PCI的传输速率。初期的CLK为33MHz，后来有66MHz，如今这个时钟可达100MHz。RST是复位信号，低电平有效的输入信号。该信号使PCI总线专用的特殊寄存器和定序器恢复到初始状态。第7章总线e.错误报告信号错误报告信号为数据奇偶校验错误报告信号，低电平有效的双向三态信号。在一个数据期完成时，如果发现数据奇偶校验错，则立即产生有效。为系统错误报告信号，低电平有效的漏极开路信号。该信号用来报告地址奇偶校验错、特殊命令序列中奇偶校验错或者其他可能引起致命后果的系统

35、错误。PERRPERRSERR第7章总线f.中断信号中断信号、为4个中断请求信号，低电平有效的漏极开路信号。其作用是用于请求一次中断，而后三个信号只用于多功能设备。对于单功能设备，中断请求只能用；对于多功能设备，最多可允许有四个中断请求，可分别接这四条中断请求信号线。INTAINTBINTCINTDINTA第7章总线g.高速缓存支持信号高速缓存支持信号在PCI总线上可以配置高速缓冲存储器，为了更好地利用高速缓存，设置支持信号：为试探返回信号，低电平有效的输入/输出信号。该信号有效表示命中了一个修改过的行。SDONE为监听完成信号，低电平有效的输入/输出信号。当该信号为高电平时表示监听正在进行；

36、当其为低电平时表示监听己经完成。SBO第7章总线h.64位扩展总线有关信号位扩展总线有关信号在进行64位传送时，需要前面提到的AD0AD63这64条信号线和C/C/这8个信号。除此之外还需要如下几个支持信号：为64位请求信号，低电平有效的双向三态信号。该信号由当前的主控设备驱动，表示该设备需要进行64位的数据传送。为64位传输的响应信号，低电平有效的双向三态信号。该信号由从属设备驱动，表示该设备将按照64位进行数据传送。0BE7BE64REQ64ACK第7章总线为奇偶双字节校验信号，高电平有效的双向三态信号。该信号是对AD32AD63和C/C/的奇偶校验信号。主板上的PCI总线是由北桥产生和控

37、制的(也有用其他超大规模IC芯片产生和控制的)。显然，PCI的管理由该芯片来完成。64PAR0BE7BE第7章总线插在PCI总线插槽上的设备称为目标设备，目标设备与PCI总线的接口也是专用的IC芯片，是一片包括多种元件的超大规模集成电路芯片。在此接口芯片中还包括256个字节的用于配置的存储空间。利用软件对这些字节进行配置，便可以实现板卡的即插即用。256个字节的配置空间如图7.1所示。第7章总线图7.1 配置存储空间第7章总线有关图7.1所示的配置空间各部分的细节此处不做详细说明，留待后面的章节再加以讨论。这里要强调的是在将设备接到PCI总线上时，要采用厂家为我们提供的专用接口芯片。许多厂家为

38、人们提供了多种形式的PCI接口芯片可供使用者随意选用，可达到事半功倍的效果。如果找不到合适的接口芯片，可以用CPLD(复杂的可编程逻辑器件)或者用FPGA(现场可编程通用阵列)通过编程来实现PCI接口的功能。不可用小规模集成电路芯片去构成此接口，若非要那样做肯定是出力不讨好。第7章总线7.2.2 工控机的内总线标准工控机的内总线标准工业控制领域中的微型计算机应用范围非常广，从家用电器到工业企业中的测量控制直到军事领域中的各种军事装备，都会用到微型计算机。目前，人们将工控机纳入嵌入式计算机系统范畴。有关嵌入式计算机系统的内容在此不多涉及。就工业控制微型计算机而言，读者将来在工作中很可能会涉及到。

39、这种计算机是硬、软件适应于用户要求，在实时性、可靠性、体积、重量、耗电、安装方式等方面都有特别要求的一种专用的计算机系统。在这样的系统中，内总线的性能将对系统产生重要的影响。第7章总线工控机的内总线有许多种标准，本书无法一一涉及，下面准备向读者陈述工控机内总线发展的三代过程：即从第一代STD，到第二代IPC，再到第三代Compact PCI的工控机内总线的发展路线。目前，正处于第三代刚刚开始的时期。第7章总线1STD总线总线STD总线是1978年由美国推出的用于工业控制系统的内总线标准。该标准一经推出立刻受到工业控制领域技术人员的广泛欢迎并得到迅速发展。1984年该标准也成为中国工业控制机的内

40、总线标准。在整个上世纪80年代，该总线标准在全世界风靡一时。第7章总线1)STD总线的特点STD总线有如下一些特点：(1)STD总线有较好的兼容性。STD有8位、16位及32位的总线标准，它们是向上兼容的。例如，32位总线插上16位的电路板、8位的电路板均可正常工作。(2)可靠性高。STD总线采取了一整套可靠性措施，使采用该总线构成的工业控制机可以长期可靠地工作在恶劣环境之下。第7章总线(3)支持多机系统。STD总线可以支持在其总线上连接多个处理器，构成性能更高的多机系统。(4)结构简单。STD总线结构简单，电路板采用高度模块化的小板结构，可以根据用户要求集成为不同规模的系统。(5)支持厂家多

41、。支持STD总线的厂家非常多，生产支持各种处理器的各种STD电路板(卡)，有利于用户构成价格低廉的STD系统。第7章总线2)STD总线的信号定义最初，STD总线是针对8位微型机的，定义了56个信号。之后STD总线经改进，采用复用技术使原定义的56个信号的STD既可支持8位机又支持16位机。尽管在后来STD总线发展为114个信号，直到可以支持32位的136个信号的STD总线标准。国内大多采用56个信号的8位、16位兼容的STD总线，其信号定义如表7.4所示。第7章总线表表7.4 STD总线的信号定义总线的信号定义元 件 面 焊 接 面 引脚 信 号 方向及说明 引脚 信 号 方向及说明 1 VC

42、C I，逻辑电源+5 V 2 VCC I，逻辑电源+5 V 3 GND I，逻辑地 4 GND I，逻辑地 5 VBB1/VBAT I，偏置/电池 6 VBB2/DCPD I，偏置/掉电电源 7 D3/A19 I/O，数据/地址 8 D7/A23 I/O，数据/地址 9 D2/A18 I/O，数据/地址 10 D6A22 I/O，数据/地址 11 D1/A17 I/O，数据/地址 12 D5/A21 I/O，数据/地址 13 D0/A16 I/O，数据/地址 14 D4/A20 I/O，数据/地址 第7章总线元 件 面 焊 接 面 引脚 信 号 方向及说明 引脚 信 号 方向及说明 15 A7

43、 O，地址 16 A15/D15 I/O，数据/地址 17 A6 O，地址 18 A14/D14 I/O，数据/地址 19 A5 O，地址 20 A13/D13 I/O，数据/地址 21 A4 O，地址 22 A12/D12 I/O，数据/地址 23 A3 O，地址 24 A11/D11 I/O，数据/地址 25 A2 O，地址 26 A10/D10 I/O，数据/地址 27 A1 O，地址 28 A9/D9 I/O，数据/地址 29 A0 O，地址 30 A8/D8 I/O，数据/地址 31 WR I，写控制 32 RD O,读控制 33 I，I/O 地址选择 34 MEMRQ O，内存地址

44、选择 第7章总线31 WR I，写控制 32 RD O,读控制 33 IORQ I，I/O 地址选择 34 MEMRQ O，内存地址选择 35 IOEXP I/O，I/O 扩展 36 MEMEX I/O，存储器扩展 37 REFRESH O，刷新定时 38 MCSYNC O，CPU 周期同步 39 1STATUS O，CPU 状态 40 STATUS0 O，CPU 状态 41 BUSAK O，总线响应 42 BUSRQ I，总线请求 43 INTAK O，中断响应 44 INTRQ I，中断请求 45 WAITRQ I，等待请求 46 NMIRQ I，非屏蔽中断请求 47 SYSRESET O

45、，系统复位 48 PBRESET I，按钮复位 49 CLOCK O，处理器时钟 50 CNTRL I，辅助定时 51 PCO O，优先级链输出 52 PCI I，优先级链输入 53 AUXGND I，辅助地 54 AUXGND I，辅助地 55 AUX+V I，辅助电源+2 V 56 AUX-V I，辅助电源-2 V 第7章总线3)STD总线的衰落正如前面提到的,在整个上世纪80年代，工控机的内总线几乎是STD的天下，其应用十分广泛。但是，随着技术的发展以及用户对工控机在功能及性能上的要求不断提高，STD总线暴露出一些问题，主要表现在：(1)插头可靠性问题。STD总线插头采用“金手指”插拔，

46、在插拔过程中容易造成插头边缘的铜箔断裂。一旦插头的铜箔断裂，必然使插头接触不上从而使总线工作不可靠。(2)信号输入输出采用扁平电缆。STD总线上的模拟输入及数字信号采用扁平电缆，在信号传送过程中很容易受到干扰而影响系统的可靠性。第7章总线(3)显示方式落后。在STD系统中经常采用LED数码显示器，这样的显示器在使用者对控制系统进行参数设定及其他参数初始化时会感到不够方便。(4)资源浪费。STD总线在设计中考虑到系统的通用性、系统的可扩展性，使系统有许多冗余，这必然造成资源上的浪费。正因为上述种种原因，从上世纪90年代中期开始，作为第一代工控技术代表的STD的应用开始衰落，而基于PC的工业控制机

47、(IPC)的应用开始兴起。尽管同其他事物一样，STD总线不会骤然彻底退出工控机的应用领域，在今后的若干年内还会有一些工控系统使用它，但是STD总线的逐渐衰落将是不争的事实。第7章总线2基于基于PC(PC-based)的工控机总线的工控机总线基于PC的工控机造就了第二代工控机技术，开创了一个PC-based系统的新时代。1981年IBM公司正式研发出了IBM PC机，获得了极大成功。工业PC自上世纪90年代初进军工业自动化以来，正势不可挡地进入各领域，获得了广泛应用。究其原因，在于PC机的开放性，在它的应用和发展过程中积累了极为丰富的硬件资源、软件资源和人力资源，既得到广大工程技术人员的支持，也

48、为广大用户所熟悉，这是IPC热的基础。第7章总线当时著名的控制工程(CONTROL ENGINERRING)杂志就预测“90年代是工业IPC的时代，全世界近65%的工业计算机将使用IPC，并继续以每年21%的速度增长”。历史的发展已经证明了这个论断的正确性。IPC在中国的发展大致可以分为三个阶段：第一阶段是从20世纪80年代末到90年代初，这时市场上主要是国外品牌的昂贵产品。第7章总线第二阶段是从1991年到1996年，台湾生产的价位适中的基于ISA总线的工业控制PC(IPC)的工控机开始大量进入大陆市场，这在很大程度上加速了IPC市场的发展，IPC的应用也从传统工业控制向数据通信、电信、电力

49、等对可靠性要求较高的行业延伸。第三阶段是从1997年开始，大陆本土的IPC厂商开始进入该市场，促使IPC的价格不断降低，也使工控机的应用水平和应用行业有了极大发展，应用范围不断扩大，IPC也随之发展成了中国第二代主流工控机技术。第7章总线值得一提的是，IPC工控机开创了一个崭新的PC-based时代，对工业自动化和信息化技术的发展产生了深远的影响。在第二代工控机技术里，还需要提及一个比较成功的技术PC/104总线技术。基于ISA总线的PC/104总线问世于1992年，具有许多优异的特点，主要应用于军事和医疗设备。1997年PC/104扩展成PC/104-Plus，增加了PCI总线定义。PC/1

50、04总线工控机依靠自身的特点和不断地完善，还将继续在其传统优势领域占有一席之地。第7章总线1)基于PC的工业控制机(IPC)的特点(1)基于PC的技术有取之不尽的人才。从PC机诞生、PC技术应用至今已有二十多年的历史，已经有太多人了解 PC 技术。从硬件到软件，熟悉它们的技术人员比比皆是，这是IPC发展的先决条件。(2)成本低。人们都会明显的感觉到，PC机的性能不断地提高而其价格却不断地降低。构成IPC的硬件产品都在大批量生产，其价格在不断地降低。第7章总线(3)丰富的硬软件资源的支持。PC机技术已有几十年的历史，硬件开发和软件开发上积累了一大批可以利用的资源。许多硬件电路的设计、许多已使用成