01外部總線概述

ExternalBus(外部總線) ，通常所說的總線(Bus)指片外總線，是CPU與內(nèi)存RAM、ROM和輸入/輸出設備接口之間進行通訊的通路，也稱系統(tǒng)總線.外部總線又稱為通信總線，用于計算機之間、計算機與遠程終端、計算機與外部設備以及計算機與測量儀器儀表之間的通信。該類總線不是計算機系統(tǒng)已有的總線，而是利用電子工業(yè)或其他領域已有的總線標準。外部總線又分為并行總線和串行總線，并行總線主要有IEEE-488總線，串行總線主要有RS232C、RS422C、RS485、IEEE1394以及USB總線等。

02IEEE-488總線概述

IEEE-488 總線是并行總線接口標準。IEEE-488總線用來連接系統(tǒng)，如微計算機、數(shù)字電壓表、數(shù)碼顯示器等設備及其他儀器儀表均可用IEEE-488總線裝配起來。它按照位并行、字節(jié)串行雙向異步方式傳輸信號，連接方式為總線方式，儀器設備直接并聯(lián)于總線上而不需中介單元，但總線上最多可連接15臺設備。最大傳輸距離為20米，信號傳輸速度一般為500KB/s，最大傳輸速度為1MB/s。

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。HP公司為了解決各種儀器儀表與各類計算機的接口時，由于互相不兼容而帶來的連接麻煩，而研制了通用接口總線HP—IB總線。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—488，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 488總線的推出，當用IEEE 488標準建立一個由計算機控制的測試系統(tǒng)時，不要再加一大堆復雜的控制電路，IEEE 488系統(tǒng)以機架層疊式智能儀器為主要器件，構(gòu)成開放式的積木測試系統(tǒng)。因此IEEE 488總線是當前工業(yè)上應用最廣泛的通信總線之一。

03IEEE-488總線工作方式

IEEE 488總線接口結(jié)構(gòu)如圖8.22所示 .利用IEEE 488總線將微型計算機和其它若干設備連接在一起。可以采用串行連接，也可以采用星型連接。

圖8.22 IEEE 488總線接口結(jié)構(gòu)

在IEEE 488系統(tǒng)中的每一個設備可按如下3種方式工作。

(1) “聽者”方式這是一種接收器，它從數(shù)據(jù)總線上接收數(shù)據(jù)，一個系統(tǒng)在同一時刻，可以有兩個以上的“聽者”在工作。可以充當“聽者”功能的設備有：微型計算機、打印機、繪圖儀等。

(2) “講者”方式這是一種發(fā)送器，它向數(shù)據(jù)總線發(fā)送數(shù)據(jù)，一個系統(tǒng)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。具有“講者”功能的設備有：微型計算機、磁帶機、數(shù)字電壓表、頻譜分析儀等。

(3) “控制者”方式這是一種向其它設備發(fā)布命令的設備，例如對其它設備尋址，或允許“講者”使用總線。控制者通常由微型機擔任。一個系統(tǒng)可以有不止一個控制者，但每一時刻只能有一個控制者在工作。

在IEEE 488總線上的各種設備可以具備不同的功能。有的設備如微型計算機可以同時具有控制者、聽者、講者3種功能。有的設備只具有收、發(fā)功能，而有的設備只具有接收功能，如打印機。在某一時刻系統(tǒng)只能有一個控制者，而當進行數(shù)據(jù)傳送時，某一時刻只能有一個發(fā)送器發(fā)送數(shù)據(jù)，允許多個接收器接收數(shù)據(jù)。也就是可以進行一對多的數(shù)據(jù)傳送。

一般應用中，例如，微型機控制的數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)，通過IEEE 488將微型機和各種測試儀器連接起來，這時，只有微型機具備控制、發(fā)、收3種功能，而總線上的其它設備都沒有控制功能，但仍有收、發(fā)功能。當總線工作時，由控制者發(fā)布命令，規(guī)定哪個設備為發(fā)送器、哪個為接收器，而后發(fā)送器可以利用總線發(fā)送數(shù)據(jù)，接收器從總線上接收數(shù)據(jù)。

04IEEE-488總線的使用約定

(1) 數(shù)據(jù)傳輸速率≤1 MB/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≤20 m。

(4) 整個系統(tǒng)的電纜總長度≤220 m，若電纜長度超過220 m，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(diào)制解調(diào)器

(5) 所有數(shù)據(jù)交換都必須是數(shù)字化的。

(6) 總線規(guī)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”。

05RS232C總線的概述

RS-232-C是美國電子工業(yè)協(xié)會EIA(Electronic Industry Association)制定的一種串行物理接口標準。RS是英文“推薦標準”的縮寫，232為標識號，C表示修改次數(shù)。RS-232-C總線標準設有25條信號線，包括一個主通道和一個輔助通道，在多數(shù)情況下主要使用主通道，對于一般雙工通信，僅需幾條信號線就可實現(xiàn)，如一條發(fā)送線、一條接收線及一條地線。RS-232-C標準規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸速率為每秒50、75、 100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。RS-232-C標準規(guī)定，驅(qū)動器允許有2500pF的電容負載，通信距離將受此電容限制，例如，采用150pF/m的通信電纜時，最大通信距離為15m;若每米電纜的電容量減小，通信距離可以增加。傳輸距離短的另一原因是RS-232屬單端信號傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題，因此一般用于20m以內(nèi)的通信。

06RS232C的電氣特性

EIA-RS-232C協(xié)議對電器特性、邏輯電平和各種信號線功能都作了規(guī)定。

在TxD和RxD上：邏輯1(MARK)=-3V～-15V

邏輯0(SPACE)=+3～+15V

在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制線上：

信號有效(接通，ON狀態(tài)，正電壓)=+3V～+15V

信號無效(斷開，OFF狀態(tài)，負電壓)=-3V～-15V

以上規(guī)定說明了RS-323C標準對邏輯電平的定義。

對于數(shù)據(jù)(信息碼)：

邏輯“1"(傳號)的電平低于-3V，邏輯“0"(空號)的電平高于+3V;對于控制信號;接通狀態(tài)(ON)即信號有效的電平高于+3V，斷開狀態(tài)(OFF)即信號無效的電平低于-3V，也就是當傳輸電平的絕對值大于3V時，電路可以有效地檢查出來，介于-3～+3V之間的電壓無意義，低于-15V或高于+15V的電壓也認為無意義，因此，實際工作時，應保證電平在±(3～15)V之間。

EIA-RS-232C協(xié)議與TTL轉(zhuǎn)換：

RS-232C協(xié)議是用正負電壓來表示邏輯狀態(tài)，與TTL以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同。因此，為了能夠同計算機接口或終端的TTL器件連接，必須在EIA-RS-232C協(xié)議與TTL電路之間進行電平和邏輯關系的變換。實現(xiàn)這種變換的方法可用分立元件，也可用集成電路芯片。目前較為廣泛地使用集成電路轉(zhuǎn)換器件，如MC1488、SN75150芯片可完成TTL電平到EIA電平的轉(zhuǎn)換，而MC1489、SN75154可實現(xiàn)EIA電平到TTL電平的轉(zhuǎn)換。MAX232芯片可完成TTL??EIA雙向電平轉(zhuǎn)換。

07RS232C總線連接器的機械性

連接器：由于RS-232C協(xié)議并未定義連接器的物理特性，因此，出現(xiàn)了DB-25、DB-15和DB-9各種類型的連接器，其引腳的定義也各不相同。下面分別介紹兩種連接器。

(1)DB-25：PC和XT機采用DB-25型連接器。DB-25連接器定義了25根信號線，分為4組：

①異步通信的9個電壓信號(含信號地SG)2，3，4，5，6，7，8，20，22

②20mA電流環(huán)信號 9個(12，13，14，15，16，17，19，23，24)

③空6個(9，10，11，18，21，25)

④保護地(PE)1個，作為設備接地端(1腳)

注意，20mA電流環(huán)信號僅IBM PC和IBM PC/XT機提供，至AT機及以后，已不支持。

(2)DB-9連接器

在AT機及以后，不支持20mA電流環(huán)接口，使用DB-9連接器，作為提供多功能I/O卡或主板上COM1和COM2兩個串行接口的連接器。它只提供異步通信的9個信號。DB-25型連接器的引腳分配與DB-25型引腳信號完全不同。因此，若與配接DB-25型連接器的DCE設備連接，必須使用專門的電纜線。

電纜長度：在通信速率低于20kb/s時，RS-232C協(xié)議所直接連接的最大物理距離為15m(50英尺)。

最大直接傳輸距離說明：RS-232C協(xié)議規(guī)定，若不使用MODEM，在碼元畸變小于4%的情況下，DTE和DCE之間最大傳輸距離為15m(50英尺)。可見這個最大的距離是在碼元畸變小于4%的前提下給出的。為了保證碼元畸變小于4%的要求，接口標準在電氣特性中規(guī)定，驅(qū)動器的負載電容應小于2500pF。

08RS422總線概述

RS-422是串行數(shù)據(jù)接口標準，最初都是由電子工業(yè)協(xié)會(EIA)制訂并發(fā)布的，RS-422由RS-232發(fā)展而來，它是為彌補RS-232之不足而提出的。為改進RS-232通信距離短、速率低的缺點，RS-422定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到10Mb/s，傳輸距離延長到4000英尺(速率低于100kb/s時)，并允許在一條平衡總線上連接最多10個接收器。一種單機發(fā)送、多機接收的單向、平衡傳輸規(guī)范，被命名為TIA/EIA-422-A標準。

09RS232、RS485和RS485的之間的區(qū)別

RS-232、RS-422與RS-485標準只對接口的電氣特性做出規(guī)定，而不涉及接插件、電纜或協(xié)議，在此基礎上用戶可以建立自己的高層通信協(xié)議。例如：視頻服務器都帶有多個RS422串行通訊接口，每個接口均可通過RS422通訊線由外部計算機控制實現(xiàn)記錄與播放。視頻服務器除提供各種控制硬件接口外，還提供協(xié)議接口，如RS422接口除支持RS422的Profile協(xié)議外，還支持 Louth、Odetics 、BVW等通過RS422控制的協(xié)議。

RS-232、RS-422與RS-485都是串行數(shù)據(jù)接口標準，都是由電子工業(yè)協(xié)會(EIA)制訂并發(fā)布的，RS-232在1962年發(fā)布。RS-422由RS-232發(fā)展而來，為改進RS-232通信距離短、速率低的缺點，RS-422定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到10Mbps，傳輸距離延長到4000英尺(速率低于100Kbps時)，并允許在一條平衡總線上連接最多10個接收器。RS-422是一種單機發(fā)送、多機接收的單向、平衡傳輸規(guī)范，被命名為TIA/EIA-422-A標準。為擴展應用范圍，EIA又于1983年在RS-422基礎上制定了RS-485標準，增加了多點、雙向通信能力，即允許多個發(fā)送器連接到同一條總線上，同時增加了發(fā)送器的驅(qū)動能力和沖突保護特性，擴展了總線共模范圍，后命名為TIA/EIA-485-A標準。

1. S-232串行接口標準

目前RS-232是PC機與通信工業(yè)中應用最廣泛的一種串行接口。RS-232被定義為一種在低速率串行通訊中增加通訊距離的單端標準。RS-232采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通訊。收、發(fā)端的數(shù)據(jù)信號是相對于信號地。典型的RS-232信號在正負電平之間擺動，在發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送端驅(qū)動器輸出正電平在+5~+15V，負電平在-5~-15V電平。當無數(shù)據(jù)傳輸時，線上為TTL，從開始傳送數(shù)據(jù)到結(jié)束，線上電平從TTL電平到RS-232電平再返回TTL電平。接收器典型的工作電平在+3~+12V與-3~-12V。由于發(fā)送電平與接收電平的差僅為2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上雙絞線上的分布電容，其傳送距離最大為約15米，最高速率為20Kbps。RS-232是為點對點(即只用一對收、發(fā)設備)通訊而設計的，其驅(qū)動器負載為3kΩ~7kΩ。所以RS-232適合本地設備之間的通信。

2. RS-422與RS-485串行接口標準

(1)平衡傳輸

RS-422、RS-485與RS-232不一樣，數(shù)據(jù)信號采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸，它使用一對雙絞線，將其中一線定義為A，另一線定義為B。通常情況下，發(fā)送驅(qū)動器A、B之間的正電平在+2~+6V，是一個邏輯狀態(tài)，負電平在-2V~6V，是另一個邏輯狀態(tài)。另有一個信號地C，在RS-485中還有一“使能”端，而在RS-422中這是可用可不用的。“使能”端是用于控制發(fā)送驅(qū)動器與傳輸線的切斷與連接。當“使能”端起作用時，發(fā)送驅(qū)動器處于高阻狀態(tài)，稱作“第三態(tài)”，即它是有別于邏輯“1”與“0”的第三態(tài)。

(2)RS-422電氣規(guī)定

由于接收器采用高輸入阻抗和發(fā)送驅(qū)動器比RS232更強的驅(qū)動能力，故允許在相同傳輸線上連接多個接收節(jié)點，最多可接10個節(jié)點。即一個主設備(Master)，其余為從設備(Salve)，從設備之間不能通信，所以RS-422支持點對多的雙向通信。RS-422四線接口由于采用單獨的發(fā)送和接收通道，因此不必控制數(shù)據(jù)方向，各裝置之間任何必須的信號交換均可以按軟件方式(XON/XOFF握手)或硬件方式(一對單獨的雙絞線)實現(xiàn)。RS-422的最大傳輸距離為4000英尺(約1219米)，最大傳輸速率為10Mbps。其平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在100Kbps速率以下，才可能達到最大傳輸距離。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長的雙絞線上所能獲得的最大傳輸速率僅為1Mbps。RS-422需要一終接電阻，要求其阻值約等于傳輸電纜的特性阻抗。在矩距離傳輸時可不需終接電阻，即一般在300米以下不需終接電阻。終接電阻接在傳輸電纜的最遠端。

(3)RS-485電氣規(guī)定

由于RS-485是從RS-422基礎上發(fā)展而來的，所以RS-485許多電氣規(guī)定與RS-422相仿。如都采用平衡傳輸方式、都需要在傳輸線上接終接電阻等。RS-485可以采用二線與四線方式，二線制可實現(xiàn)真正的多點雙向通信。RS-485總線，在要求通信距離為幾十米到上千米時，廣泛采用RS-485 串行總線標準。RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測低至200mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復。RS-485采用半雙工工作方式，任何時候只能有一點處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號加以控制。RS-485用于多點互連時非常方便，可以省掉許多信號線。應用RS-485 可以聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)，其允許最多并聯(lián)32臺驅(qū)動器和32臺接收器。RS-485與RS-422的不同還在于其共模輸出電壓是不同的，RS-485是-7V至+12V之間，而RS-422在-7V至+7V之間;RS-485滿足所有RS-422的規(guī)范，所以RS-485的驅(qū)動器可以用在RS-422網(wǎng)絡中應用。RS-485與RS-422一樣，其最大傳輸距離約為1219米，最大傳輸速率為10Mbps。平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在100Kbps速率以下，才可能使用規(guī)定最長的電纜長度。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長雙絞線最大傳輸速率僅為1Mbps。

10串行總線協(xié)議轉(zhuǎn)換器

在計算機控制系統(tǒng)中，主機通常提供RS-232C標準接口。但在控制系統(tǒng)分布較遠的情況下，單獨由RS232C不能實現(xiàn)遠距離的通信任務，這時需要進行與RS485或RS422的轉(zhuǎn)換。完成這種轉(zhuǎn)換的器件很多，分為有源和無源兩種，有源轉(zhuǎn)換器需提供標準電源，無源轉(zhuǎn)換器利用RS232C內(nèi)部的電源信號供電。

11通用串行總線的概述

通用串行總線總線 的供應商(Universal Serial Bus, USB)，是一種用于將適用USB的外圍設備連接到主機的外部總線結(jié)構(gòu)，主要用在中速和低速的外設。通用串行總線同時又是一種通信協(xié)議，支持主機和USB的外圍設備之間的數(shù)據(jù)傳輸。通用串行總線支持每秒12兆比特的數(shù)據(jù)速度。

使用通用串行總線，新的設備可以被添加到你的計算機上，而不需要添加適配卡或者甚至是需要將計算機關閉。通用串行總線外圍總線標準是由康柏，IBM，DEC ，Inter，微軟，NEC，以及北方電信開發(fā)的，還有所有的計算機和設備供應商免費提供的技術。。

12通用串行總線的傳輸方式

通用串行總線提供了四種傳輸方式，以適應各種設備的需要。

1、控制傳輸方式：控制傳輸是雙向傳輸，數(shù)據(jù)量通常較小，主要用來進行查詢、配置和給通用串行總線設備發(fā)送通用的命令。控制傳輸主要用在主計算機和通用串行總線外設中端點0之間。

2、等時傳輸方式：等時傳輸提供了確定的帶寬和間隔時間。它被用于時間嚴格并具有較強容錯性的流數(shù)據(jù)傳輸，或者用于要求恒定的數(shù)據(jù)傳送率的即時應用中。例如進行語音業(yè)務傳輸時，使用等時傳輸方式是很好的選擇。

3、中斷傳輸方式：中斷方式傳送是單向的并且對于主機來說只有輸入的方式。中斷傳輸方式主要用于定時查詢設備是否有中斷數(shù)據(jù)要傳送，該傳輸方式應用在少量的、分散的、不可預測的數(shù)據(jù)傳輸。鍵盤、游戲桿和鼠標就屬于這一類型。

4、大量傳輸方式：主要應用在沒有帶寬和間隔時間要求的大量數(shù)據(jù)的傳送和接收，它要求保證傳輸。打印機和掃描儀屬于這種類型。

13通用串行總線特點

通用串行總線最初是由英特爾與微軟公司倡導發(fā)起，其最大的特點是支持熱插拔(Hot plug)和即插即用 (Plug&Play)。當設備插入時，主機枚舉(enumerate)此設備并加載所需的驅(qū)動程序，因此使用遠比PCI和ISA總線方便。

通用串行總線速度比平行埠并聯(lián)總線(Parellel Bus，例如EPP、LPT)與串聯(lián)埠總線(Serial Port，例如RS-232)等傳統(tǒng)電腦用標準總線快上許多。原標準中USB 1.1 的最大傳輸帶寬為 12Mbps，USB 2.0 的最大傳輸帶寬為 480Mbps。

通用串行總線的設計為非對稱式的，它由一個主機(host)控制器和若干通過hub設備以樹形連接的設備組成。一個控制器下最多可以有5級hub，包括Hub在內(nèi)，最多可以連接127個設備，而一臺計算機可以同時有多個控制器。和SPI-SCSI等標準不同，USB hub不需要終結(jié)器。

通用串行總線可以連接的外設有鼠標、鍵盤、gamepad、游戲桿、掃描儀、數(shù)碼相機、打印機、硬盤和網(wǎng)絡部件。對數(shù)碼相機這樣的多媒體外設USB已經(jīng)是缺省接口;由于大大簡化了與計算機的連接，USB也逐步取代并口成為打印機的主流連接方式。2004年已經(jīng)有超過1億臺USB設備;到2005年顯示器和高清晰度數(shù)字視頻外設是僅有的USB未能染指的外設類別，因為他們需要更高的傳輸速率。

14通用串行總線的電氣特性

詳細的USB的電器特性的相關內(nèi)容是在USB規(guī)范。而在此，僅列出用戶所需注意的一些特性。如圖1所示，呈現(xiàn)了在全速設備與PC主機之間電氣特性的連接。除了Vcc(+5 V)與接地線外，需要特別注意的是D+與D-的差動數(shù)據(jù)信號線。首先，在連接至USB收發(fā)器之前必須先串接9O～44Ω的電阻。而后根據(jù)不同的USB設各的傳輸速度(全速或低速)，改變在設各端的提升電阻1.5×(1±5%)kΩ的位置。這個提升電阻，也可視為設各端電阻。對于全速設備(12 Mbps)，就將提升電阻接至D+信號線與電源之間的位置。如果是低速設各(1.5 Mbps)，就將提升電阻接到D一信號線與電源之間的位置，如圖1.15所示。這個電壓源的范圍為3.0～3.6 V。但對于USB 2。0的高速傳輸，這個提升電阻被省略，改以自動切換的方式。最后，D+與D-兩條信號線在PC主機的根集線器或集線器端同時接上15 kΩ的下拉電阻并連至接地端。用戶也可視這些下拉電阻為集線器端電阻。

圖1 全速設備與PC主機之間電氣特性的連接圖

圖2 低速設備與PC主機之間電氣特性的連接圖

整個PC主機與設備之間的電氣特性是如何操作的呢?首先，在設備未連接至PC主機的根集線器或集線器的連接端口時，D+與D-兩條信號線因為下拉電阻的關系，幾乎都視為接地，但是若有一個設各剛連接上時，由于提升電阻(1.5 kΩ)與下拉電阻(15 kΩ)形成了一個分壓器;因此其中有一條數(shù)據(jù)信號線(D+或D-)的電位將被提升至電壓Vdc的90%左右。此時，當集線器檢測到其中的一條數(shù)據(jù)信號線趨近3 Vcc，而另外一條仍維持接地狀態(tài)時就可確定有一設備已連接上。PC主機會不斷地每隔一般時間來查詢根集線器，檢查D+與D一的電位變化，以了解設備的連接狀態(tài)。

??審核編輯：湯梓紅