查漏补缺-总线

bluskly

       以前在找工作的时候，每次笔试总会遇到各种总线协议什么的题目，每次都头大，不是没听到过，而是基本上都是了解但是不清晰的状态，需要查资料、翻书才能搞得清楚的。也没太在意，但是到了实际工作的时候，慢慢地发现它就变成一个疑难杂症了（因为他总是不能被记住，每到要的时候到处找资料），我觉得做技术的东西就是要把是事情做牢靠，把产品做稳定。那些个所谓的高科技、高技术含量的的东西，如果不稳定那就跟垃圾无异。
4 Z7 H7 n8 T1 W2 q4 x( f    根据以前碰到的问题，经过查阅资料和一些自己的理解汇总如下，今天特地把他整理出来，大家如果觉得有必要的可以瞅瞅，不过高手就可以飘过了。
    微机中总线一般有内部总线、系统总线和外部总线。内部总线是微机内部各外围芯片与处理器之间的总线，用于芯片一级的互连；而系统总线是微机中各插件板与系统板之间的总线，用于插件板一级的互连；外部总线则是微机和外部设备之间的总线，微机作为一种设备，通过该总线和其他设备进行信息与数据交换，它用于设备一级的互连。内部总线有以下几种类型。
1.1  IIC总线
5 }+ q1 @( \- P  ]* _6 _    I2C串行总线一般有两根信号线，一根是双向的数据线SDA，另一根是时钟线SCL。所有接到I2C总线设备上的串行数据SDA都接到总线的SDA上，各设备的时钟线SCL接到总线的SCL上。
为了避免总线信号的混乱，要求各设备连接到总线的输出端时必须是漏极开路（OD）输出或集电极开路（OC）输出。设备上的串行数据线SDA接口电路应该是双向的，输出电路用于向总线上发送数据，输入电路用于接收总线上的数据。而串行时钟线也应是双向的，作为控制总线数据传送的主机，一方面要通过SCL输出电路发送时钟信号，另一方面还要检测总线上的SCL电平，以决定什么时候发送下一个时钟脉冲电平；作为接受主机命令的从机，要按总线上的SCL信号发出或接收SDA上的信号，也可以向SCL线发出低电平信号以延长总线时钟信号周期。总线空闲时，因各设备都是开漏输出，上拉电阻Rp使SDA和SCL线都保持高电平。任一设备输出的低电平都将使相应的总线信号线变低，也就是说：各设备的SDA是“与”关系，SCL也是“与”关系。
1.2  SPI总线
$ @8 l: ?1 ]% |4 m    SPI一般是四根线，分别为SDI（数据输入），SDO（数据输出），SCLK（时钟），CS（片选）。其中CS是控制芯片是否被选中的，也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时（高电位或低电位），对此芯片的操作才有效。这就允许在同一总线上连接多个SPI设备成为可能。
: r2 g  o+ {+ |' i; x6 V+ v: e1 X% X' U    SCLK信号线只由主设备控制，从设备不能控制信号线。同样，在一个基于SPI的设备中，至少有一个主控设备。这样传输的特点：这样的传输方式有一个优点，与普通的串行通讯不同，普通的串行通讯一次连续传送至少8位数据，而SPI允许数据一位一位的传送，甚至允许暂停，因为SCLK时钟线由主控设备控制，当没有时钟跳变时，从设备不采集或传送数据。
; T7 l) c5 t/ M- nIIS总线。IIS主要英语音响数据的采集 、处理和传输。IIS总线一般为三根线，分别为串行时钟线（SCLK），帧时钟线（LRCK），串行数据线（SDATA）。有时候为了使系统间更好的同步，还需要另外增加一根主时钟（MCLK），也称为系统时钟。
3 t* t$ E! R' a4 g1 V! s    串行时钟SCLK，也叫位时钟（BCLK），即对应数字音频的每一位数据，SCLK都有1个脉冲。SCLK的频率=2×采样频率×采样位数。帧时钟LRCK，(也称WS)，用于切换左右声道的数据。LRCK为“1”表示正在传输的是左声道的数据，为“0”则表示正在传输的是右声道的数据。LRCK的频率等于采样频率。 I2S格式的信号无论有多少位有效数据，数据的最高位总是出现在LRCK变化（也就是一帧开始）后的第2个SCLK脉冲处。这就使得接收端与发送端的有效位数可以不同。如果接收端能处理的有效位数少于发送端，可以放弃数据帧中多余的低位数据；如果接收端能处理的有效位数多于发送端，可以自行补足剩余的位。这种同步机制使得数字音频设备的互连更加方便，而且不会造成数据错位。
1.3  CAN总线
/ u4 y! |# N6 a( o, U2 A3 P8 s, |    它属于现场总线的范畴,它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。较之目前许多RS-485基于R线构建的分布式控制系统而言, 基于CAN总线的分布式控制系统在以下方面具有明显的优越性。只有2根线与外部相连，并且内部集成了错误探测和管理模块。CAN总线特点：(1) 数据通信没有主从之分，任意一个节点可以向任何其他（一个或多个）节点发起数据通信，靠各个节点信息优先级先后顺序来决定通信次序，高优先级节点信息在134μs通信; (2) 多个节点同时发起通信时，优先级低的避让优先级高的，不会对通信线路造成拥塞; (3) 通信距离最远可达10KM(速率低于5Kbps)速率可达到1Mbps(通信距离小于40M）；（4) CAN总线传输介质可以是双绞线，同轴电缆。CAN总线适用于大数据量短距离通信或者长距离小数据量，实时性要求比较高，多主多从或者各个节点平等的现场中使用。
系统总线又称内总线或板级总线。因为该总线是用来连接微机各功能部件而构成一个完整微机系统的，所以称之为系统总线。系统总线上传送的信息包括数据信息、地址信息、控制信息，因此，系统总线包含有三种不同功能的总线，即数据总线DB（Data Bus）、地址总线AB（Address Bus）和控制总线CB（Control Bus）。 常用的系统总线有下列几种。
2.1  ISA总线
    它(Industry Standard Architecture:工业标准体系结构）是IBM公司为PC/AT电脑而制定的总线标准，为16位体系结构，只能支持16位的I/O设备，数据传输率大约是16MB/S。也称为AT标准。开始时PC机面向个人及办公室，定义了8位的ISA总线结构，对外公开，成为标准（ISO ISA标准）。第三方开发出许多ISA扩充板卡，推动了PC机的发展。1984年推出IBM-PC/AT系统，ISA从8位扩充到16位，地址线从20条扩充到24条。1988年，康柏、HP、NEC等9个厂商协同把ISA扩展到32位，即EISA总线(Extended ISA)。ISA总线的主要引线定义如下：　　
    RESET、BCLK：复位及总线基本时钟，BLCK=8MHz。
1 W5 D. o; |" ?" p    SA19-SA0：存储器及I/O空间20位地址，带锁存。
    LA23-LA17：存储器及I/O空间20位地址，不带锁存。
    BALE：总线地址锁存，外部锁存器的选通。
    AEN：地址允许，表明CPU让出总线，DMA开始。
    SMEMR#、SMEMW#：8位ISA存储器读写控制。 　　　
    MEMR#、MEMW#：16位ISA存储器读写控制。 　　
( t% `! V9 @$ D( x; l7 q2 f    SD15-SD0：数据总线，访问8位ISA卡时高8位自动传送到SD7-SD0。
    SBHE#：高字节允许，打开SD15-SD8数据通路。 　　
    MEMCS16#、IOCS16#：ISA卡发出此信号确认可以进行16位传送。
    I/O HRDY：ISA卡准备好，可控制插入等待周期。
9 v+ b$ G' L% D9 P8 _- I! N    NOWS#：不需等待状态，快速ISA发出不同插入等待。
, H2 o0 S# H% O4 R$ F    I/OCHCK#：ISA卡奇偶校验错。
    IRQ15、IRQ14、IRQ12-IRQ9、IRQ7-IRQ3：中断请求。
    DRQ7-DRQ5 、DRQ3-DRQ0： ISA卡DMA请求。
( \' T/ E. N% O    DACK7#-DACK5#、DACK3#-DACK0#：DMA请求响应。
% F; m! ]( t. @" o7 Y+ x    MASTER#：ISA主模块确立信号，ISA发出此信号，与主机内DMAC配合使ISA卡成为主模块，全部控制总线。
4 ~' R5 k  c  u- @. d2.2  EISA总线
    它(Extended Industry Standard Architecture:扩展工业标准结构）是EISA集团为配合32位CPU而设计的总线扩展标准。它吸收了IBM微通道总线的精华，并且兼容ISA总线。但现今已被淘汰。 它使用8MHz的时钟速率，但总线提供的DMA(直接存储器访问)速度可达33Mbps。EISA总线的输出/输出(I/O)总线和微处理总线是分离的，因此I/O总线可保持低时钟速率以支持1SA卡而微处理器总线则可以高速率运行。EISA机器可以向多个用户提供高速磁盘输出。
2.3  VESA总线
    它（video electronics standard association）是 1992年由60家附件卡制造商联合推出的一种局部总线，简称为VL(VESA local bus)总线。它的推出为微机系统总线体系结构的革新奠定了基础。该总线系统考虑到CPU与主存和Cache 的直接相连，通常把这部分总线称为CPU总线或主总线，其他设备通过VL总线与CPU总线相连，所以VL总线被称为局部总线。它定义了32位数据线，且可通过扩展槽扩展到64 位，使用33MHz时钟频率，最大传输率达132MB/s，可与CPU同步工作。是一种高速、高效的局部总线，可支持386SX、386DX、486SX、486DX及奔腾微处理器。 VESA局部总线设计的两个特点：
, n' o# h, H$ V! X! I2 m" g定义了32位数据线，且可通过扩展槽扩展到64 位，使用33MHz时钟频率，最大传输率为128MB/S到132MB/，可与CPU同步工作。它是一种高速、高效的局部总线，可支持386SX、386DX、486SX、486DX及奔腾微处理器。
2.4  PCI总线
   它是由Intel公司1991年推出的一种局部总线。从结构上看，PCI是在CPU和原来的系统总线之间插入的一级总线，具体由一个桥接电路实现对这一层的管理，并实现上下之间的接口以协调数据的传送。管理器提供了信号缓冲，使之能支持10种外设，并能在高时钟频率下保持高性能，它为显卡，声卡，网卡，MODEM等设备提供了连接接口，它的工作频率为33MHz/66MHz。
( D9 v5 m* ~% t6 e* fPCI总线是一种同步的独立于处理器的32位或64位局部总线，最高工作频率为33MHz，峰值速度在32位时为132MB/s，64位时为264MB/s，总线规范由PCISIG发布。ISA总线相比，PCI总线和有如下显著的特点：
# C. k/ z2 @! A" i. o, |1 v" P   1、高速性。PCI局部总线一33MHz的时钟频率操作，采用32bit数据总线，数据传输率可以达到132MB/s。PCI总线的主设备可与微机内存直接交换数据，不需要经过CPU的中转，大大提高了数据传送的效率。
   2、即插即用性。随着计算机技术的发展，微机中留给用户使用的硬件资源越来越少。当同一台微机使用多个不同厂商提供的不同型号的板卡的时候可能会存在板卡之间的硬件资源冲突，或者板卡所占用的硬件资源可能会与系统硬件资源相冲突。但是PCI板卡的硬件资源统一由微机统一分配，就很好的解决了这个问题。
/ O2 M+ r3 V  X   3、可靠性。PCI独立于处理器的结构，形成一种独特的中间缓冲器设计方式，将中央处理器子系统与系统设备分开，用户可以随意添加外围设备。与ISA总线相比，PCI总线增加了奇偶校验错、系统错等处理可靠性的措施。
2.5  PCI Express总线
   它是新一代的总线接口。PCI Express的接口根据总线位宽不同而有所差异，包括X1、X4、X8以及X16。PCI Express接口能够支持热拔插，这也是个不小的飞跃。PCI Express卡支持的三种电压分别为+3.3V、3.3Vaux以及+12V。用于取代AGP接口的PCI Express接口位宽为X16，将能够提供5GB/s的带宽，即便有编码上的损耗但仍能够提供4GB/s左右的实际带宽，远远超过AGP 8X的2.1GB/s的带宽。
   PCI Express规格从1条通道连接到32条通道连接，有非常强的伸缩性，以满足不同系统设备对数据传输带宽不同的需求。例如，PCI Express X1规格支持双向数据传输，每向数据传输带宽250MB/s，PCI Express X1已经可以满足主流声效芯片、网卡芯片和存储设备对数据传输带宽的需求，但是远远无法满足图形芯片对数据传输带宽的需求。因此，必须采用PCI Express X16，即16条点对点数据传输通道连接来取代传统的AGP总线。PCI Express X16也支持双向数据传输，每向数据传输带宽高达4GB/s，双向数据传输带宽有8GB/s之多，相比之下，目前广泛采用的AGP 8X数据传输只提供2.1GB/s的数据传输带宽。
2.6  Compact PCI总线
    CPCI总线(CompactPCI，紧凑型PCI)，是PICMG(PCIIndustrial Computer Manufacturer's Group，国际工业计算机制造者联合会)组织于1994年提出的高性能工业计算机总线标准。
    CPCI所具有可热插拔（Hot Swap）、高开放性、高可靠性。CPCI技术中最突出、最具吸引力的特点是热插拔（Hot Swap）。简言之，就是在运行系统没有断电的条件下，拔出或插入功能模板，而不破坏系统的正常工作的一种技术。热插拔一直是电信应用的要求，也为每一个工业自动化系统所渴求。它的实现是：在结构上采用三种不同长度的引脚插针，使得模板插入或拔出时，电源和接地、PCI总线信号、热插拔启动信号按序进行；采用总线隔离装置和电源的软启动；在软件上，操作系统要具有即插即用功能。目前CPCI总线热插拔技术正在从基本热切换技术向高可用性方向发展。
" T4 v( A( m0 F3 U1 Q8 m    CPCI标准具有种种优点。它与传统的桌面PCI系统完全兼容，在64位/66M总线接口下能提供每秒高达512MB的带宽。它支持用  在桌面PC和工作站上的完全一样的接口芯片。使用CPCI能利用在桌面工作站上开发的整个应用，无需任何改变就能将其移到目标环境，极大地缩短了产品推向市场的时间。利用CPCI技术使得电信设备OEM能利用与桌面应用系统同样的先进技术，同时还具有针对桌面系统设计的大量PCI芯片所带来的规模经济和低成本特性。其产品成本上往往低于同等功能的VME产品，仅略高于通常的工控机IPC（IPC，Industrial Personal Computer）产品。
2.7  VME总线
0 j8 d2 O* L" X7 P) `    它（VersaModule Eurocard）结合了Motorola公司Versa总线的电气标准和在欧洲建立的Eurocard标准的机械形状因子，是一种开放式架构。VME的数据传输机制是异步的，有多个总线周期，地址宽度是16、24、32、40或64位，数据线路的宽度是8、16、24、32、64位，系统可以动态的选择它们。它的数据传输方式为异步方式，因此只受制于信号交换协议，而不依赖于系统时钟；其数据传输速率为0～500Mb/s；此外，还有Unaligned Data传输能力，误差纠正能力和自我诊断能力，用户可以定义I/O端口；其配有21个插卡插槽和多个背板，在军事应用中可以使用传导冷却模块。
2.8  VPX总线
    它是VITA(VME International Trade Association, VME国际贸易协会)组织于2007年在其VME总线基础上提出的新一代高速串行总线标准。VPX总线的基本规范、机械结构和总线信号等具体内容均在ANSI/VITA46系列技术规范中定义。VPX总线来源于VME总线，而VME总线诞生于30年前，结合了Motorola公司Versa总线电气标准和欧式卡机械封装标准，是一种开放式架构，在工业控制、信号处理和国防领域中得到了广泛应用。
    VPX总线采用高速串行总线技术替代了VME总线的并行总线技术。VPX总线引入了目前最新串行总线技术，例如：RapidIO、PCI-Express和万兆以太网等，支持更高的背板带宽。VPX核心交换可以提供32对差分对，每对差分对理论上可以提供10Gbps的数据交换能力，一个VPX模块理论上最高可以提供8GByte/s的数据交换能力。
VPX总线还采用交换式结构替代VME的主控式结构。交换式结构使得系统整体性能不在受主控板的限制，提高了系统的整体性能。同时，在交换式结构下，处理器可以在任意的时间发送数据，而不需要等待总线后才发起传输，特别适合多处理器系统。
7 ^: h. Y5 [: E, e' M) L外部总线主要是指微机与外部设备之间的总线。主要有以下几种：
3.1  RS-232总线
    它是美国电子工业协会EIA（Electronic Industry Association）制定的一种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数。RS-232-C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道。在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。通常 RS-232 接口以9个引脚 (DB-9) 或是25个引脚 (DB-25) 的型态出现，一般个人计算机上会有两组 RS-232 接口，分别称为 COM1 和 COM2。
电气特性规范：
    在TxD和RxD上：逻辑1(MARK)=-3V～-15V ，逻辑0(SPACE)=+3～+15V 　　
) w3 t% z- u6 v; ~. `    在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上：信号有效（接通，ON状态，正电压）=+3V～+15V ，信号无效（断开，OFF状态，负电压）=-3V～-15V 。
    对于数据（信息码）：逻辑“1”（传号）的电平低于-3V，逻辑“0”（空号）的电平高于+3V；对于控制信号；接通状态（ON）即信号有效的电平高于+3V，断开状态（OFF）即信号无效的电平低于-3V，也就是当传输电平的绝对值大于3V时，电路可以有效地检查出来，介于-3～+3V之间的电压无意义，低于-15V或高于+15V的电压也认为无意义，因此，实际工作时，应保证电平在±（3～15）V之间。
3.2  RS-485总线
    智能仪表是随着80年代初单片机技术的成熟而发展起来的，现在世界仪表市场基本被智能仪表所垄断。究其原因就是企业信息化的需要，企业在仪表选型时其中的一个必要条件就是要具有联网通信接口。最初是数据模拟信号输出简单过程量，后来仪表接口是RS232接口，这种接口可以实现点对点的通信方式，但这种方式不能实现联网功能。随后出现的RS485解决了这个问题。
, ]* K& ~; j: ?1 C8 n7 Z* Q& G    RS485采用差分信号负逻辑，+0.2V～+6V表示“0”，- 6V～- 0.2V表示“1”。RS485有两线制和四线制两种接线，四线制只能实现点对点的通信方式，现很少采用，现在多采用的是两线制接线方式，这种接线方式为总线式拓朴结构在同一总线上最多可以挂接32个结点。在RS485通信网络中一般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机。很多情况下，连接RS-485通信链路时只是简单地用一对双绞线将各个接口的“A”、“B”端连接起来。而忽略了信号地的连接，这种连接方法在许多场合是能正常工作的，但却埋下了很大的隐患，这有二个原因：(1)共模干扰问题： RS-485接口采用差分方式传输信号方式，并不需要相对于某个参照点来检测信号，系统只需检测两线之间的电位差就可以了。但人们往往忽视了收发器有一定的共模电压范围，RS-485收发器共模电压范围为-7～+12V，只有满足上述条件，整个网络才能正常工作。当网络线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠，甚至损坏接口。(2)EMI问题：发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路，如没有一个低阻的返回通道（信号地），就会以辐射的形式返回源端，整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波。
& y* h3 d5 c, c7 I4.3  RS-422总线
    RS-422四线接口由于采用单独的发送和接收通道，因此不必控制数据方向，各装置之间任何必须的信号交换均可以按软件方式（XON/XOFF握手）或硬件方式（一对单独的双绞线）。RS-422的最大传输距离为4000英尺（约1219米），最大传输速率为10Mb/s。其平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在 100kb/s速率以下，才可能达到最大传输距离。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为 1Mb/s。 不过RS-422属于平衡差分信号，所以需要接一个终端匹配电阻，其组织大约等于传输电缆的特性阻抗。
5 e% o8 B) A) X4.4  USB总线
    USB是英文Universal Serial BUS（通用串行总线）的缩写，而其中文简称为“通串线，是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。是应用在PC领域的接口技术。USB接口支持设备的即插即用和热插拔功能。USB是在1994年底由英特尔、康柏、IBM、Microsoft等多家公司联合提出的。USB采用四线电缆，其中两根是用来传送数据的串行通道，另两根为下游（Downstream）设备提供电源，对于高速且需要高带宽的外设，USB以全速12Mbps的传输数据；对于低速外设，USB则以1.5Mbps的传输速率来传输数据。USB总线会根据外设情况在两种传输模式中自动地动态转换。USB是基于令牌的总线。类似于令牌环网络或FDDI基于令牌的总线。USB主控制器广播令牌，总线上设备检测令牌中的地址是否与自身相符，通过接收或发送数据给主机来响应。USB通过支持悬挂/恢复操作来管理USB总线电源。USB系统采用级联星型拓扑，该拓扑由三个基本部分组成：主机（Host），集线器（Hub）和功能设备。
' T1 x/ G( Q; `  P& \7 X8 ~2 P& Q/ h: j   主机，也称为根，根结或根Hub，它做在主板上或作为适配卡安装在计算机上，主机包含有主控制器和根集线器（Root Hub），控制着USB总线上的数据和控制信息的流动，每个USB系统只能有一个根集线器，它连接在主控制器上。 　　
, k: \2 g! C  C* V" b0 j4 g7 A' c   集线器是USB结构中的特定成分，它提供叫做端口（Port）的点将设备连接到USB总线上，同时检测连接在总线上的设备，并为这些设备提供电源管理，负责总线的故障检测和恢复。集线可为总线提供能源，亦可为自身提供能源（从外部得到电源），自身提供能源的设备可插入总线提供能源的集线器中，但总线提供能源的设备不能插入自身提供能源的集线器或支持超过四个的下游端口中，如总线提供能源设备的需要超过100mA电源时，不能同总线提供电源的集线器连接。功能设备通过端口与总线连接。USB同时可做Hub使用。
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) c6 ~9 f9 g+ I& g7 a& t. l

) r/ O9 D& f9 O$ B. E- y  _2012年10月7日 01点32分
各类总线解析.pdf (238.2 KB, 下载次数: 235)

2012-12-26 00:24 上传

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seawater

新手学习，谢谢楼主总结分享

Larry_11844

一直就找这个东东，谢谢了

KSCNN

谢谢了！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！学习一下

lqf

很好，谢谢。

myeda_365

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szkalwa

总结写得不错！

tlyyy1314

大赞。。。。。。。。。。。。。。。学习中

油炸冰溜子

顶楼主，多谢分享

zhouqingmin

学习了

cedzbj

要学习的深还是要认真研读规范

liuy2007ca

是应该经常总结。支持。

wyb546024278

支持原创，赞一个

huangzhitong

多谢楼猪分享~~

zzzljb

l楼主有心人，热心人，赞一下！