2.1 總線

2.1.1 總線的含義與類別

1.總線的含義

計(jì)算機(jī)作為控制設(shè)備在測(cè)試與控制領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用并形成了多種類型的應(yīng)用系統(tǒng)。在應(yīng)用系統(tǒng)內(nèi)部，有各種單元模塊，如I/O接口、A-D、D-A等。這些模塊之間必然要進(jìn)行信息交換，而在各個(gè)獨(dú)立的應(yīng)用系統(tǒng)之間，也需要進(jìn)行必要的信息交換。

無(wú)論信息傳送的方式如何，都必須遵循某種原則，如內(nèi)部插件的幾何尺寸應(yīng)相同，插頭、插座的規(guī)格應(yīng)統(tǒng)一，針數(shù)應(yīng)相同，各個(gè)插針的定義應(yīng)統(tǒng)一，控制插件應(yīng)相同，信號(hào)定義和工作時(shí)序應(yīng)相同等，這就導(dǎo)致了“總線”的誕生。

所謂總線，就是在模塊和模塊之間或設(shè)備與設(shè)備之間的一組進(jìn)行互連和傳輸信息的信號(hào)線，是一種在各模塊間傳送信息的公共通道。

總線就是一組信號(hào)線的集合，用這個(gè)集合可以組成系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)信息通道，它定義了各引線的信號(hào)、電氣、機(jī)械特性，使計(jì)算機(jī)內(nèi)部各組成部分之間以及不同的計(jì)算機(jī)之間建立信號(hào)聯(lián)系，進(jìn)行信息傳送。它可以把計(jì)算機(jī)或控制系統(tǒng)的模板或各種設(shè)備連成一個(gè)整體以便彼此間進(jìn)行信息交換。

總線是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的重要組成部分。總線的性能對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能具有舉足輕重的作用。采用總線技術(shù)，可大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，增加系統(tǒng)的開放性、兼容性、可靠性和可維護(hù)性。

2.總線的類別

總線的類別很多，按照功能和用途可分為內(nèi)部總線和外部總線；按應(yīng)用的場(chǎng)合可分為芯片總線、板內(nèi)總線、機(jī)箱總線、設(shè)備互連總線、現(xiàn)場(chǎng)總線及網(wǎng)絡(luò)總線等；按總線的作用域可分為全局總線和本地總線；按標(biāo)準(zhǔn)化程度可分為標(biāo)準(zhǔn)總線和非標(biāo)準(zhǔn)（專用）總線等；按其傳送數(shù)據(jù)的方式可分為串行總線和并行總線。

內(nèi)部總線是計(jì)算機(jī)內(nèi)部功能模板之間進(jìn)行通信的總線，它按功能又可分為數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線3部分，每種型號(hào)的計(jì)算機(jī)都有自身的內(nèi)部總線。

外部總線是計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間或計(jì)算機(jī)與其他智能設(shè)備之間進(jìn)行通信的連線，又稱為通信總線。

計(jì)算機(jī)內(nèi)部總線一般采用三總線結(jié)構(gòu)，如圖2-2所示。

（1）數(shù)據(jù)總線

數(shù)據(jù)總線用于CPU與其他部件之間傳送信息（數(shù)據(jù)和指令代碼），是雙向傳輸?shù)模碈PU通過(guò)數(shù)據(jù)總線可以接收來(lái)自其他部件的信息，也可以通過(guò)數(shù)據(jù)總線向其他部件發(fā)送信息。數(shù)據(jù)線的寬度表示總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰Γ从沉丝偩€的性能。

（2）地址總線

地址總線用于傳送CPU要訪問(wèn)的存儲(chǔ)單元或I/O接口地址信號(hào)。地址信號(hào)一般由CPU發(fā)往其他芯片，屬于單向總線。

地址總線的數(shù)據(jù)位數(shù)決定了該總線構(gòu)成的微機(jī)系統(tǒng)的尋址能力。地址總線的寬度視CPU所能直接訪問(wèn)的存儲(chǔ)空間的容量而定。

（3）控制總線

控制總線用于傳輸控制命令和狀態(tài)信息。比如，I/O讀寫信號(hào)、存儲(chǔ)器讀寫信號(hào)和中斷信號(hào)等。根據(jù)不同的使用條件，控制總線有的為單向，有的為雙向。

2.1.2 總線的優(yōu)點(diǎn)

總線是聯(lián)系計(jì)算機(jī)及控制設(shè)備的紐帶。由于總線中每一條線、每一個(gè)信號(hào)都有嚴(yán)格的定義，因此總線標(biāo)準(zhǔn)就是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)法規(guī)。一旦選中某種總線，任何廠家和用戶都要嚴(yán)格遵守這個(gè)法規(guī)，這就使系統(tǒng)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用和維護(hù)上具有很多優(yōu)越性。

總之采用總線有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

所有的模塊都做成相同的接插板通過(guò)總線連接，使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)清晰，簡(jiǎn)單明了，節(jié)省了連接線，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造工序。用戶可根據(jù)需要直接選用符合總線標(biāo)準(zhǔn)的功能板卡，而不必考慮板卡插件之間的匹配和兼容問(wèn)題。

（2）簡(jiǎn)化硬件與軟件的設(shè)計(jì)

由于面向總線的結(jié)構(gòu)中總線是嚴(yán)格定義的，掛在總線上的模塊或設(shè)備只需滿足總線標(biāo)準(zhǔn)并輔以相應(yīng)的軟件即可正常工作。因此，可以分別對(duì)各個(gè)模塊或設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)，而無(wú)須考慮其他模塊或設(shè)備。

由于硬件是積木式接插件結(jié)構(gòu)，也給整個(gè)軟件設(shè)計(jì)帶來(lái)了特有的模塊性，每一塊插件在系統(tǒng)中僅與總線打交道，從而使硬件的調(diào)試簡(jiǎn)單，調(diào)試周期短，節(jié)省工時(shí)。

加之模塊化程序設(shè)計(jì)可供多個(gè)用戶重復(fù)使用，提高了效率，降低了成本，縮短了研制周期。

（3）便于系統(tǒng)的擴(kuò)展與更新

由于總線的標(biāo)準(zhǔn)具有國(guó)際性，規(guī)范是公開的，因此各國(guó)廠商都可根據(jù)市場(chǎng)的需要，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)符合某總線標(biāo)準(zhǔn)的功能模塊和配套軟件。接插板由多個(gè)廠家生產(chǎn)，用戶有了選擇的余地，并能選到最優(yōu)的產(chǎn)品，從而有利于產(chǎn)品的更新?lián)Q代。

如果要擴(kuò)展規(guī)模，只需往總線上多插幾塊同類型的插件；如果要變換功能，用戶只需選擇相應(yīng)的功能板卡插在總線插槽上即可構(gòu)成新的系統(tǒng)，無(wú)需重新設(shè)計(jì)；如果要擴(kuò)充新功能，只要根據(jù)總線標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)制造新的模塊即可。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品的更新?lián)Q代是必然的。如果采用總線結(jié)構(gòu)，在要提高產(chǎn)品性能時(shí)，只要更換新型器件，不必對(duì)系統(tǒng)做出大的更改，有時(shí)只需更換個(gè)別模塊即可。

（4）便于組織生產(chǎn)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品造價(jià)

由于采用總線的系統(tǒng)產(chǎn)品模塊化，各模塊間可通過(guò)總線規(guī)約進(jìn)行聯(lián)系，又由于各模塊有一定的獨(dú)立性，方便組織專業(yè)化生產(chǎn)，使產(chǎn)品的性能和質(zhì)量得到進(jìn)一步提高。

模塊的單一性可簡(jiǎn)化設(shè)備的調(diào)試，降低對(duì)調(diào)試工人的技術(shù)要求，便于組織大規(guī)模生產(chǎn)，降低產(chǎn)品的造價(jià)。

（5）可維護(hù)性好

采用總線標(biāo)準(zhǔn)模塊化設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，一般都有較好的診斷軟件，很容易診斷到模塊級(jí)的故障，因此，一旦發(fā)現(xiàn)故障可立即更換模塊，系統(tǒng)很快就可修復(fù)。

2.1.3 總線標(biāo)準(zhǔn)

總線是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成基礎(chǔ)和重要資源，是聯(lián)系計(jì)算機(jī)內(nèi)部各部分資源的高速公路，是聯(lián)系計(jì)算機(jī)及控制設(shè)備的紐帶。因此，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中總線結(jié)構(gòu)性能的好壞、速度的高低和總線結(jié)構(gòu)的優(yōu)化合理程度將直接影響到計(jì)算機(jī)的性能。

總線標(biāo)準(zhǔn)的建立對(duì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用和普及是至關(guān)重要的。總線標(biāo)準(zhǔn)就是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)法規(guī)。

總線上的各個(gè)單元，如芯片之間、擴(kuò)展卡之間以及系統(tǒng)之間，如果要進(jìn)行正確的連接與傳輸信息，就應(yīng)遵守一定的協(xié)議與規(guī)范，即總線標(biāo)準(zhǔn)。

為了可靠有效地進(jìn)行各種信息交換而對(duì)總線信號(hào)傳送規(guī)則及傳送信號(hào)的物理介質(zhì)所做的一系列物理規(guī)定稱為總線規(guī)約，某一標(biāo)準(zhǔn)化組織批準(zhǔn)或推薦的總線規(guī)約稱為某種總線標(biāo)準(zhǔn)。

總線標(biāo)準(zhǔn)包括：總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、各個(gè)信號(hào)線（接口引腳）的功能定義、總線工作的時(shí)鐘頻率、傳輸速率的設(shè)定、信息格式的約定、信號(hào)的邏輯電平規(guī)定、時(shí)序的安排和要求、電路驅(qū)動(dòng)能力、抗干擾能力、機(jī)械規(guī)范（包括接插件的幾何形狀與尺寸）和實(shí)施總線協(xié)議的驅(qū)動(dòng)與管理程序等。

常用的外部總線標(biāo)準(zhǔn)有IEEE-481并行總線和RS-232C串行總線。對(duì)于遠(yuǎn)距離通信、多站點(diǎn)互聯(lián)通信，還有RS-422和RS-485總線標(biāo)準(zhǔn)。最典型的內(nèi)部總線標(biāo)準(zhǔn)有ISA總線、PCI總線等。

圖2-3是某型號(hào)計(jì)算機(jī)主板上的PCI和ISA插槽示意圖。其中有5個(gè)短的、白色的PCI插槽，2個(gè)長(zhǎng)黑色的ISA插槽。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，具體選擇哪一種總線標(biāo)準(zhǔn)，要根據(jù)通信距離、速率、系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、通信協(xié)議等要求來(lái)綜合分析確定。