《計算機數(shù)據(jù)通信》課件第2章

第2章計算機通信技術(shù)2.1計算機系統(tǒng)總線

2.2RS-232C串行總線

2.3EIA-449串行總線

2.4USB通用串行總線及應(yīng)用

2.5IEEE1394總線

2.6I2C總線

2.1計算機系統(tǒng)總線2.1.1總線的分類

1.按相對位置分類按相對于CPU或其他芯片的位置總線可分為:片內(nèi)總線和片外總線。在CPU內(nèi)部,寄存器之間和算術(shù)邏輯部件ALU及控制部件之間傳輸數(shù)據(jù)所用的總線稱為片內(nèi)總線(即芯片內(nèi)部的總線);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(shè)備接口之間進(jìn)行通信的通路。有的資料上也把片內(nèi)總線叫做內(nèi)部總線或內(nèi)總線(InternalBus),把片外總線叫做外部總線或外總線(ExternalBus)。

2.按總線的功能分類按總線的功能可將其分為:地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。通常所說的總線都包括上述三個組成部分。地址總線(ABus)用來傳送地址信息,數(shù)據(jù)總線(DBus)用來傳送數(shù)據(jù)信息,控制總線(CBus)用來傳送各種控制信號。例如,ISA總線共有98條線(即ISA插槽有98個引腳),其中數(shù)據(jù)線有16條(構(gòu)成數(shù)據(jù)總線),地址線24條(構(gòu)成地址總線),其余各條為控制信號線(構(gòu)成控制總線)、接地線和電源線。

3.按總線的層次結(jié)構(gòu)分類按總線的層次結(jié)構(gòu)可將其分為:CPU總線、存儲總線、系統(tǒng)總線和外部總線。

(1)CPU總線包括地址線(CAB)、數(shù)據(jù)線(CDB)和控制線(CCD),用來連接CPU和控制芯片。

(2)存儲總線包括地址線(MAB)、數(shù)據(jù)線(MDB)和控制線(MCD),用來連接存儲控制器和DRAM。

(3)系統(tǒng)總線也稱為I/O通道總線,包括地址線(SAB)、數(shù)據(jù)線(SDB)和控制線(SCB),用來與擴(kuò)充插槽上的各擴(kuò)充板卡相連接。系統(tǒng)總線有多種標(biāo)準(zhǔn),適用于各種系統(tǒng)。

(4)外部總線用來連接外設(shè)控制芯片(如主機板上的I/O控制器和鍵盤控制器),包括地址線(XAB)、數(shù)據(jù)線(XDB)和控制線(XCB)。

4.按總線的位置分類按總線在微機系統(tǒng)中的位置可分為:機內(nèi)總線和機外總線。

(1)機內(nèi)總線:上面介紹的各類都是機內(nèi)總線。

(2)機外總線(PeripheralBus)：亦稱外設(shè)總線,指與外部設(shè)備接口的總線,實際上是一種外設(shè)的接口標(biāo)準(zhǔn)。目前,在PC機上流行的接口標(biāo)準(zhǔn)有:IDE、SCSI、USB和IEEE1394等四種。前兩種主要是與硬盤、光驅(qū)等IDE設(shè)備接口,后面兩種新型外部總線可以用來連接多種外部設(shè)備。

5.按總線作用范圍分類

按總線作用范圍可將其分為：系統(tǒng)總線和局部總線。

(1)系統(tǒng)總線。上面說過,我們要討論的總線主要是系統(tǒng)總線。PC機上的系統(tǒng)總線又可分為ISA、EISA、MCA、VESA、PCI、AGP等多種標(biāo)準(zhǔn)。

(2)局部總線。在以Windows為代表的圖形用戶接口(GUI)進(jìn)入PC機之后,要求有高速的圖形描繪能力和I/O處理能力。這不僅要求圖形適配卡要改善其性能,也對總線的速度提出了挑戰(zhàn)。實際上當(dāng)時外設(shè)的速度已有了很大的提高,如硬磁盤與控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸率已達(dá)10Mb/s以上,圖形控制器和顯示器之間的數(shù)據(jù)傳輸率也達(dá)到69Mb/s。通常認(rèn)為I/O總線的速度應(yīng)為外設(shè)速度的3～5倍。因此原有的ISA、EISA已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)要求,而成為了整個系統(tǒng)的主要瓶頸。

局部總線是PC體系結(jié)構(gòu)的重大發(fā)展。它打破了數(shù)據(jù)I/O的瓶頸,使高性能CPU的功能得以充分發(fā)揮。從結(jié)構(gòu)上看,所謂局部總線是在ISA總線和CPU總線之間增加了一級總線或管理層。這樣可將一些高速外設(shè),如圖形卡、硬盤控制器等從ISA總線上卸下而通過局部總線直接掛接到CPU總線上,使之與高速的CPU總線相匹配。局部總線可分為三種:

·專用局部總線；

·VL總線(VESALocalBus)；

·PCI總線(PeripheralComponentInterconnect)。

2.1.2總線的主要參數(shù)

1.總線帶寬總線帶寬是指一定時間內(nèi)總線上可傳送的數(shù)據(jù)量,即我們常說的每秒鐘傳送多少MB的最大穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)傳輸率。與總線帶寬密切相關(guān)的兩個概念是總線的位寬和總線的工作時鐘頻率。

2.總線位寬總線位寬是指總線能同時傳送的數(shù)據(jù)位數(shù),即我們常說的32位、64位等總線寬度的概念。總線的位寬越寬,則總線每秒數(shù)據(jù)傳輸率越大,也即總線帶寬越寬。

3.總線工作時鐘頻率總線的工作時鐘頻率以MHz或GHz為單位,工作頻率越高,則總線工作速度越快,也即總線帶寬越寬。總線帶寬、總線位寬和總線工作時鐘頻率的關(guān)系舉個例子就很容易明白了。高速公路上的車流量取決于公路車道的數(shù)目和車輛行駛速度,車道越多、車速越快則車流量越大;總線帶寬就像是高速公路的車流量,總線位寬可以看做是高速公路上的車道數(shù),總線時鐘工作頻率相當(dāng)于車速,總線位寬越寬、總線工作時鐘頻率越高,則總線帶寬越大。

2.1.3STD總線

STD(Standard)總線是工業(yè)控制微機標(biāo)準(zhǔn)總線,它從8位、16位已發(fā)展到32位總線。目前仍是國內(nèi)外某些工業(yè)控制機普遍采用的總線標(biāo)準(zhǔn)。

1.STD總線

STD總線是1978年推出的用于工業(yè)控制微型機的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)總線。自從問世以來,以其優(yōu)越的性能和強大的生命力在工業(yè)控制領(lǐng)域中受到了廣泛的歡迎,得到了迅速的發(fā)展,被定名為IEEE961。STD總線是流行的工業(yè)控制機標(biāo)準(zhǔn)總線。

STD總線開始推出時,是針對當(dāng)時的8位微型計算機的,隨著技術(shù)的發(fā)展和計算機應(yīng)用的需要,STD總線經(jīng)過修訂和改進(jìn),利用復(fù)用技術(shù),在原定義的56個總線信號之下,實現(xiàn)了STD總線支持20位地址,尋址1Mb的直接尋址能力。在保證同現(xiàn)有I/O插件板兼容的條件下,提供全16位數(shù)據(jù)的傳送能力。目前,國內(nèi)所采用的大多是這種8位、16位兼容的STD總線。20世紀(jì)80年代末,STD總線已由56個信號發(fā)展到114和136個信號。1989年美國的EAITECH公司開發(fā)出了32位的STD32,為高檔的STD微機系統(tǒng)的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。

2.STD總線的特點

(1)兼容性好,向上向下均可兼容。例如,8位的STD產(chǎn)品可以與新標(biāo)準(zhǔn)的16位或32位STD產(chǎn)品一起工作。

(2)主板采用小板結(jié)構(gòu),模塊化,開發(fā)周期短。STD總線可根據(jù)用戶的要求組成各種規(guī)模的微機應(yīng)用系統(tǒng)。

(3)可靠性高。該總線構(gòu)成的工業(yè)控制機可以長期可靠地工作于各種惡劣環(huán)境之下。

(4)結(jié)構(gòu)簡單,能支持多CPU系統(tǒng),是一種規(guī)模小且性能好的系統(tǒng)總線。

(5)系統(tǒng)主板品種齊全,性能良好,價格低廉,為推廣STD總線產(chǎn)品打下了基礎(chǔ)。

2.1.4

ISA總線

1.ISA總線早期的PC/XT微機作為當(dāng)時8位機的典型代表,其系統(tǒng)采用的XT總線(也稱為IBMPC總線),是為使用8088CPU而設(shè)計的,并隨著PC/XT微機的普及成為許多微機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)總線,它定義了62個總線信號,位寬為8位。在XT總線系統(tǒng)里,CPU不僅要處理數(shù)據(jù)和指令,還要管理擴(kuò)展總線,而Intel8088時鐘頻率為4.77MHz,這就限制了擴(kuò)展總線的速度不能超過4.77MHz。

1984年IBMPC/AT微機閃亮登場時,MCA仍未被使用。在XT總線和MCA總線之間,IBM引入了過渡方案AT總線。AT總線與80286CPU的性能相匹配,它使用16位技術(shù),支持更寬的地址總線和數(shù)據(jù)總線,保留了原有XT總線的全部62個信號,并擴(kuò)展了36個信號,形成62引腳大插槽附加36引腳小插槽的特殊結(jié)構(gòu)。AT總線速度與80286相同,為6MHz或8MHz。盡管AT總線是一種拼湊的解決方案,但它提供了有預(yù)見性的8/16位混合技術(shù)。

由于IBM沒有提供AT總線的詳細(xì)資料,因此擴(kuò)展卡制造商不得不在一些重要的功能上進(jìn)行猜測。于是,1987年IEEE定義了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)(ISA),將XT總線定義為8位ISA,將AT總線定義為16位ISA。

2.ISA總線的特點

(1)ISA總線既支持8位數(shù)據(jù)操作,也支持16位數(shù)據(jù)操作,為早期的微機提供了良好的兼容性。

(2)ISA總線將AT與XT總線的運行速度提升至8MHz,并可提供最大8Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸率。

(3)ISA總線更強調(diào)I/O處理能力,提供了1kB的I/O空間、15級的硬件中斷、7級的DMA通道以及8個設(shè)備的負(fù)載能力(1臺ISA總線微機可提供8個擴(kuò)展槽)。

(4)ISA總線的地址、數(shù)據(jù)線采用非多路復(fù)用形式,使擴(kuò)展設(shè)計更簡便。

(5)ISA總線是一種多主控設(shè)備總線。除主CPU外,DMA控制器、DRAM刷新控制器、帶處理器的智能卡(只支持一個)都可以成為ISA的主控設(shè)備。

(6)用戶可選擇的現(xiàn)成ISA插件卡種類很多。ISA總線在其定義之前就已廣泛流行,因此,可供用戶選擇的現(xiàn)成ISA插件卡品種較多,如多種通信卡、I/O接口卡等,甚至一些早期的聲卡、視卡也是ISA類型。

1.PCI總線

PCI(PeripheralComponentInterconnect,外部組件接口)總線是目前較好的系統(tǒng)總線,也是當(dāng)前惟一發(fā)揮了Pentium或Pentium以上系統(tǒng)優(yōu)勢的總線(有些486類型的微機也使用PCI)。這種總線運行速度為60MHz或更高,提供64位尋址,具有高速存儲器和緩沖存儲管理的特征。PCI插槽與眾不同,它是白色的(ISA發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)為黑色),且比ISA插槽短。

由于圖形界面及高速傳輸率擴(kuò)展卡的需求,Intel公司于1991年首先提出了PCI總線的概念。之后,Intel聯(lián)合IBM、Compaq等100多家公司共同開發(fā)總線,于1993年推出了PCI總線標(biāo)準(zhǔn)。該總線是廠家自發(fā)制定的一種企業(yè)聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn),是專門為奔騰系列芯片設(shè)計的。采用面向PCI標(biāo)準(zhǔn)的芯片時,可以大大降低系統(tǒng)的構(gòu)造成本,這也對PCI總線的發(fā)展起到了推動作用。PCIV2.0版本支持32/64位數(shù)據(jù)總線,總線時鐘頻率為25～33MHz,數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)132～264Mb/s。PCIV2.1版本(1995年)支持64位數(shù)據(jù)總線,總線時鐘頻率為66MHz,最大數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)528Mb/s(8X66),是最初的IBMPC總線的100倍,是最快的ISA總線的40倍。PCI的優(yōu)良性能使它成為當(dāng)前Pentium系列芯片的最佳選擇,現(xiàn)在所有Pentium主板都使用PCIV2.1或更新版的PCI。

2.PCI總線的特點

(1)PCI總線采用數(shù)據(jù)線和地址線復(fù)用結(jié)構(gòu),減少了總線引腳數(shù),從而可節(jié)省線路空間,降低設(shè)計成本。目標(biāo)設(shè)備可用47引腳,總線主控設(shè)備可用49引腳。

(2)PCI總線提供了兩種信號環(huán)境:5V和3.3V,并可進(jìn)行兩種環(huán)境的轉(zhuǎn)換,擴(kuò)大了它的適應(yīng)范圍。

(3)PCI總線對32位與64位總線的使用是透明的,它允許32位與64位器件相互協(xié)作。

(4)PCI總線允許PCI局部總線擴(kuò)展卡和元件進(jìn)行自動配置,提供了即插即用的能力。

(5)總線獨立于處理器,它的工作頻率與CPU時鐘頻率無關(guān),可支持多機系統(tǒng)及新型處理器。

(6)PCI總線具有良好的兼容性,可支持ISA、EISA、MCA、SCSI、IDE等多種總線,同時還預(yù)留了發(fā)展空間。

(7)PCI總線允許在一個總線中插入32個物理部件(稱為設(shè)備,當(dāng)前版本限制為10個),每一個物理部件可以含有最多8個不同的功能部件(稱為功能)。除去用于生成廣播消息的一個功能部件地址外,在一條PCI總線上最多可有255個可尋址功能部件。

2.1.6

SCSI總線

1.SCSI總線簡介

SCSI(SmallComputerSystemInterface,小型計算機系統(tǒng)接口)總線是20世紀(jì)80年代由ShugartAssociate公司聯(lián)合NCR公司研制的高速硬盤接口規(guī)范,可用于硬盤、光盤、掃描儀、打印機以及磁帶機等多種外圍設(shè)備的連接,在硬盤驅(qū)動器市場有50％以上的占有率。早期的SCSI可傳送8位并行數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)傳輸率為5Mb/s,可接8個設(shè)備(包括計算機主機)。在1994年正式標(biāo)準(zhǔn)化的SCSI-Ⅱ(ANSIX3.131-1994)包括3種形式:Fast-SCSI采用8位數(shù)據(jù)傳輸、10Mb/s數(shù)據(jù)傳輸率;Wide-SCSI采用8/16位數(shù)據(jù)傳輸;Fast/WideSCSI-Ⅱ數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)20/40/80Mb/s。

1993年開始草擬的SCSI-Ⅲ開始向并行與串行兩個方向發(fā)展,形成了SPI、SIP、FCP等10個規(guī)范,數(shù)據(jù)采用8/16/32位,最高數(shù)據(jù)傳輸率將達(dá)160Mb/s。之后,DEC公司在SCSI-Ⅱ基礎(chǔ)上改進(jìn)形成的UltraSCSI于1996年開始逐步取代FastSCSI-Ⅱ。UltraⅡSCSI于1998年上市,而最新的UltraⅢSCSI數(shù)據(jù)傳輸率將達(dá)到160Mb/s,最高可達(dá)400Mb/s(使用LVD信號,LowVoltageDifferential)。

SCSI被稱為小型計算機系統(tǒng)接口總線,它用于計算機與磁帶機、軟磁盤、硬磁盤、光驅(qū)、打印機等設(shè)備之間的連接，尤其是廣泛應(yīng)用于計算機與磁盤的連接,是目前市場占有率極高的硬盤驅(qū)動器接口標(biāo)準(zhǔn)。

1986年,ANSIX3標(biāo)準(zhǔn)委員會正式接受ShugartAssociated及NCR的提議,將SASI(ShugartAssociatedSystemInterface)改名為SCSI。這就是我們所熟知的SCSI-Ⅰ(ANSIX3.131-1986)。

2.SCSI-Ⅰ總線的主要特點

(1)SCSI-Ⅰ是一種低成本的外總線,其傳送速率在異步傳送時為1.5Mb/s,在同步傳送時高達(dá)5Mb/s。

(2)在采用差動驅(qū)動器和差動接收器的情況下,工作距離可達(dá)25m。當(dāng)使用單端驅(qū)動器和單端接收器進(jìn)行傳送時,允許電纜長度為6m。

(3)總線上最多可以掛接8臺總線設(shè)備。在任何時刻只允許兩個總線設(shè)備進(jìn)行通信。

(4)SCSI-Ⅰ可用于計算機與打印機、軟硬磁盤、磁帶機、海量光盤的連接,也可以實現(xiàn)計算機與計算機以及數(shù)據(jù)終端之間的通信。

2.1.7其他總線

1.MCA總線

MCA(MicroChannelArchitecture,微通道體系結(jié)構(gòu))總線是IBM在1987年為PS/2系統(tǒng)機及其兼容機設(shè)計的一個理想的總線,它代表了總線設(shè)計的革命性進(jìn)步。MCA總線使用32位數(shù)據(jù)總線,將地址總線從24位增加到32位,數(shù)據(jù)傳輸率從10Mb／s(16位版本)提高到了16Mb／s(在規(guī)范中加入了流式數(shù)據(jù)協(xié)議)。10MHz、32位帶寬的MCA總線當(dāng)時被認(rèn)為是最好的總線,因為它比ISA高檔(甚至比Window95更早提供了即插即用的功能)。但它沒能流行起來,原因之一是它沒有提供對已在ISA總線結(jié)構(gòu)下運行的產(chǎn)品的兼容性支持,并且它太超前,當(dāng)時的微機無法將其優(yōu)勢充分發(fā)揮出來。

2.EISA總線

EISA(ExtendedIndustryStandardArchitecture,擴(kuò)展的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu))總線是反壟斷的產(chǎn)物。MCA的強勁勢頭使許多人擔(dān)心,它的成功會使IBM重新成為市場的領(lǐng)導(dǎo)者,所以包括Compaq在內(nèi)的9大公司于1988年聯(lián)合開發(fā)32位擴(kuò)展總線——EISA。EISA借鑒了MCA的優(yōu)勢,包含MCA的全部功能,又保證對ISA產(chǎn)品的兼容。EISA插槽與ISA完全一致,所不同的是它在ISA觸點下面又添加了第二行觸點。8位ISA卡在EISA中可以很好地工作。EISA總線速度仍為8.33MHz,數(shù)據(jù)傳輸率最大可達(dá)33Mb/s(傳送4字節(jié)數(shù)據(jù)用一個時鐘周期)。新EISA-2結(jié)構(gòu)理論上最大數(shù)據(jù)傳輸率為132Mb/s。理想狀態(tài)下EISA比MCA要快50％,然而EISA和MCA一樣昂貴,且受到其專利權(quán)的影響,因而它也沒有獲得商業(yè)性成功。EISA在早期用于基于386系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中較為常見。

3.VESA總線

VESA(VideoElectronicsStandardsAssociation,視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會)總線也叫VL總線,是流行的ISA總線的擴(kuò)展。隨著內(nèi)存轉(zhuǎn)移到專用總線上,視頻成為了下一個總線速度瓶頸的對象。MicrosoftWindows和高質(zhì)量的游戲要求更快更強大的視頻特征,視頻也需要從ISA總線上移出。一個較容易的解決方案是將視頻轉(zhuǎn)移到內(nèi)存總線系統(tǒng),以保證CPU與視頻適配器直接通信。視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會采用了這種方法,為Intel80486設(shè)計的VESA局部總線(VLB)在1992年提出時就獲得了成功。VESA提供對32位處理器的直接訪問,并可擴(kuò)展到64位。VLB體系結(jié)構(gòu)支持的最大總線速度為50MHz,最大傳輸率可達(dá)276Mb/s。該總線提高了許多擴(kuò)展卡尤其是顯示卡和圖形(2-D和3-D)加速卡的性能。

4.ATA總線

ATA(ATAttachment)總線又稱IDE(IntegratedDriveElectronics),是1985年Compaq公司委托WD(WesternDigital)公司為PC/AT機設(shè)計、由CDC(ControlData[JP2]Corp.)生產(chǎn)的世界上第一臺AT接口硬盤驅(qū)動器。1988年CAM(CommonAccessMethod)委員會將AT接口制定為CAM規(guī)范,

同時ANSI的X3T9標(biāo)準(zhǔn)委員會也接受了AT接口,定名為ATA。

ATA-1標(biāo)準(zhǔn)于1994年正式公布,標(biāo)準(zhǔn)號為ANSIX3.221—1994。AT接口從1985年上市到1992年,一直是純硬盤驅(qū)動器接口。該接口定義了40個標(biāo)準(zhǔn)信號,采用16位并行數(shù)據(jù)傳輸,傳輸率達(dá)8.33Mb/s,最多可接兩個硬盤,硬盤驅(qū)動器的最大容量為528MB。

1994年,為了與SCSI競爭,WD公司推出了增強型IDE標(biāo)準(zhǔn)EIDE,Seagate公司也推出了FastATA,它們都屬于ATA-2標(biāo)準(zhǔn)。ATA-2不僅可以連接硬盤,而且可以連接CD-ROM、磁帶機等存儲設(shè)備,它允許接4臺設(shè)備,支持大于528MB的磁盤容量,數(shù)據(jù)傳輸率為11.1～16.6Mb/s。到1999年,ATA-5的數(shù)據(jù)傳輸率已達(dá)66.6Mb/s。

總的來講,系統(tǒng)總線可分為傳統(tǒng)的和現(xiàn)代的兩類。傳統(tǒng)總線對CPU有較強的依賴(有些實際上就是CPU引腳的延伸),側(cè)重于I/O處理能力,如ISA、STD等?，F(xiàn)代總線對CPU的依賴在不斷減弱,具有兼容性好、支持高速緩存Cache、支持多微處理器、可自動配置等特點,如MCA、EISA、VESA、PCI等。

從系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)上講,系統(tǒng)總線已從單總線形式向多總線形式發(fā)展。在ISA總線流行時,總線已成為CPU與內(nèi)存間高速數(shù)據(jù)交換的瓶頸。Compaq改進(jìn)了ISA,專門在CPU與內(nèi)存間設(shè)立了一條信息通道,內(nèi)存總線由此誕生。內(nèi)存總線的工作頻率保持與主板工作速度相一致。內(nèi)存總線的出現(xiàn),使總線結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,它由單總線結(jié)構(gòu)進(jìn)化到雙總線結(jié)構(gòu)。之后,由于大量圖像處理的需求,視頻等高速擴(kuò)展卡又成為總線速度瓶頸的對象。解決的方法便是借鑒內(nèi)存總線的方案,從系統(tǒng)總線又分離出局部總線。這樣,總線結(jié)構(gòu)就進(jìn)一步演化為多總線結(jié)構(gòu)。局部總線具有較高的時鐘頻率和傳輸速率,在一定程度上克服了系統(tǒng)總線的瓶頸問題,提高了系統(tǒng)性能。VESA、PCI就是兩種典型的局部總線。

2.2

RS-232C串行總線

2.2.1

RS-232C總線

RS-232C標(biāo)準(zhǔn)是美國電子工業(yè)協(xié)會(EIA)在1969年頒布的一種推薦標(biāo)準(zhǔn),RS是RecommendedStandard的縮寫。RS-232C總線是人們普遍采用公用電話網(wǎng)為媒體進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的結(jié)果,也是調(diào)制解調(diào)器商品化的產(chǎn)物。RS-232C總線是一種DTE和DCE間的信號傳輸線,DTE(Data

TerminalEquipment)是數(shù)據(jù)終端設(shè)備的簡稱,DCE(DataCommunicationEquipment)是數(shù)據(jù)通信設(shè)備的簡稱。

RS-232C在當(dāng)代微型計算機系統(tǒng)中得到了廣泛使用。PC機通過25線或9線的D型連接器實現(xiàn)主機與RS-232C的連接,連接端口的引腳定義如圖2.1所示。

圖2.1RS-232C連接端口

RS-232C的標(biāo)準(zhǔn)定義為25條信號線,引腳定義見表2.1。每條引腳在“符號”一欄中按第一個字母分為五類:A表示地線或公共回線,B表示數(shù)據(jù)線,C表示控制線,D代表定時線,S代表次級信道線。各引腳的功能敘述如下。

1)本地通信線(6條)

AA和AB:AA為保護(hù)地線,常與機殼相連,以構(gòu)成屏蔽地;AB為信號地線,是除保護(hù)地外其他信號線的測量基準(zhǔn)點。

表2.1RS-232C各信號引腳定義

BA和BB:BA為發(fā)送數(shù)據(jù)線TXD,數(shù)據(jù)由DTE發(fā)送,DCE接收;BB為接收數(shù)據(jù)線RXD,信號由DCE發(fā)送,DTE接收。平時,TXD線始終保持邏輯1(傳號)狀態(tài),只有在發(fā)送數(shù)據(jù)時才有可能變?yōu)檫壿?(空號)狀態(tài)。RXD線在不發(fā)送數(shù)據(jù)的全部時間里以及發(fā)送數(shù)據(jù)的間隔期內(nèi),也始終保持邏輯1(傳號)狀態(tài)。

CA和CB:CA為請求發(fā)送線RTS,由DTE發(fā)送,DCE接收;CB為允許發(fā)送線CTS,由DCE發(fā)送,DTE接收。這一對線主要用于DTE詢問DCE對信道的連接狀況。當(dāng)DTE需要發(fā)送數(shù)據(jù)時,它就使RTS變?yōu)檫壿?有效,用于請求DCE去接通通信鏈路。一旦DCE和通信鏈路接通,DCE就使CTS變?yōu)檫壿?有效,通知DTE可以在TXD線上發(fā)送數(shù)據(jù)了。

2)遠(yuǎn)程通信線(7條)

CD:為數(shù)據(jù)終端就緒線DTR。DTR由DTE發(fā)出,DCE接收,用于表示數(shù)據(jù)終端(DTE)的狀態(tài)。若DTR＝1,則表示DTE準(zhǔn)備就緒;若DTR=0,表示DTE尚未準(zhǔn)備就緒。通常,DTE在加電啟動后就準(zhǔn)備就緒了。

CC:為數(shù)據(jù)裝置就緒線DSR,由DCE發(fā)出,DTE接收,是DTE的應(yīng)答線,用于表示DCE中數(shù)據(jù)裝置的狀態(tài)。若DSR＝1,則表示DCE的數(shù)據(jù)設(shè)備已準(zhǔn)備好(例如:自動呼叫成功),但DCE是否和信道接通應(yīng)由CTS指示;若DSR＝0,則表示DCE中數(shù)據(jù)裝置尚未準(zhǔn)備好。

CE:為振鈴指示器線RI,由DCE發(fā)出,DTE接收,用于表示通信的另一方有無振鈴。若RI＝1,則表示DCE正在接收對方DCE發(fā)來的振鈴信號。RI在DCE沒有收到振鈴信號的所有其他時間內(nèi)都維持在邏輯0電平狀態(tài)。

CF:為數(shù)據(jù)載波檢測線DCD,又稱為接收線路信號檢測線。DCD信號由DCE發(fā)出,DTE接收。當(dāng)本地DCE正接收來自遠(yuǎn)程的DCE載波信號時,DCE變?yōu)檫壿?。在調(diào)制解調(diào)器中,DCD常接到標(biāo)有載波(Carrier)的發(fā)光二極管指示器上。

DA和DB:同步通信方式必須使用的兩條線,兩個信號不能同時使用,只能使用其中一個。DA是以DTE為源的發(fā)送信號碼元定時線,該信號是由DTE產(chǎn)生的同步時鐘,用于使Modem能和DTE同步地發(fā)送數(shù)據(jù);DB是以DCE為源的發(fā)送信號碼元定時線,同步時鐘由DCE產(chǎn)生,用于使DTE同步發(fā)送數(shù)據(jù)。

DD:接收信號的碼元定時線,該信號由DCE產(chǎn)生,用作同步接收時鐘,接收時必須把此信號從解調(diào)器發(fā)送到DTE。

以上7條通信線配合6條本地通信線,常在以公用電話網(wǎng)為媒體的遠(yuǎn)程通信中使用,以協(xié)調(diào)DTE和DCE間的數(shù)據(jù)傳送。應(yīng)當(dāng)指出:在以公用電話網(wǎng)為媒體的遠(yuǎn)程通信中,TXD線上發(fā)送數(shù)據(jù)的條件是RTS、CTS、DTR和DSR皆為邏輯1時為有效狀態(tài),但在沒有專用數(shù)據(jù)裝置的本地通信中,DTR和DSR兩條線是可以不用的。

3)其他引線(12條)這些引線的定義和名稱已在表2.1中列出。其中,5條留作用戶定義,其余7條在大多數(shù)微型計算機系統(tǒng)中都空出不用,故在此從略。

2.2.2

RS-232C的應(yīng)用為了提高數(shù)據(jù)通信的可靠性和抗干擾能力,RS-232C標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定發(fā)送端信號邏輯“0”(空號)電平范圍為+5～+15V,邏輯“1”(傳號)電平范圍為-15～-5V,如圖2.2(a)所示;接收端邏輯“0”為+3～+15V,邏輯“1”為-15～-3V，如圖2.2(b)所示。噪聲容限為2V。-5～+5V以及-3～+3V之間分別為發(fā)送端和接收端信號的不確定區(qū)。通常,RS-232C總線邏輯電平采用+12V表示“0”,-12V表示“1”。

為了實現(xiàn)上述電平轉(zhuǎn)換,RS-232C可采用運算放大器、晶體管和光電隔離器電路來完成電平轉(zhuǎn)換,或采用專用集成電路來完成電平轉(zhuǎn)換。例如,常采用電平轉(zhuǎn)換器MC1488和MC1489完成電平轉(zhuǎn)換,器件外特性如圖2.2(c)所示。MC1488將TTL電平轉(zhuǎn)換成RS-232C電平,MC1489將RS-232C電平轉(zhuǎn)換成TTL電平。

圖2.2RS-232C的應(yīng)用(a)RS-232C發(fā)送電平;(b)RS-232C接收電平;(c)電平轉(zhuǎn)換器件在工程應(yīng)用中,數(shù)據(jù)終端設(shè)備之間也可以采用RS-232C進(jìn)行通信,如圖2.3所示,它不但能提高系統(tǒng)的抗干擾能力,而且能實現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。數(shù)據(jù)終端設(shè)備與PC機之間進(jìn)行通信時,在DTE一側(cè)需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換,如圖2.4所示。在分布式控制系統(tǒng)中,各DTE與后臺機之間也可以采用RS-232C進(jìn)行通信,如圖2.5所示。

圖2.3數(shù)據(jù)終端設(shè)備之間通信

圖2.4

PC機與數(shù)據(jù)終端設(shè)備通信

圖2.5

分布式系統(tǒng)通信模塊

在工程應(yīng)用中,除使用MC1488和MC1489進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換外,另一個常用器件是MAX232。由于MC1488需要±12V兩組電源,對某些系統(tǒng)就不太方便了。MAX232芯片是一種典型的單電源雙組驅(qū)動器/接收器,每組驅(qū)動器/接收器均能將輸入的232電平轉(zhuǎn)換為TTL/CMOS電平,并可將輸入的TTL/CMOS電平轉(zhuǎn)換為232電平。MAX232的最大特點是采用＋5V單電源供電,對于大多數(shù)單片機應(yīng)用系統(tǒng)來說簡化了系統(tǒng)對電源的要求。MAX232使用起來非常方便,只需按照典型應(yīng)用電路連接即可實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。圖2.6是MAX232驅(qū)動器/接收器的管腳分布圖。圖2.7為MAX232芯片的典型應(yīng)用電路。推薦工作條件見表2.2。

圖2.6

MAX232引腳圖

圖2.7

MAX232典型連接

表2.2

MAX232的推薦工作條件

2.3

EIA-449串行總線

EIA-449是計算機和外部設(shè)備之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的另一種串行總線。

EIA-449的機械規(guī)范定義了兩種連接頭:一種是37針的DB-37,另一種是9針的DB-9,兩種組合成一種46針的配置如圖2.8所示。

圖2.8

DB-37和DB-9插座

1.DB-37各針腳功能為了保持與EIA-232標(biāo)準(zhǔn)的兼容性,EIA-449標(biāo)準(zhǔn)對交換數(shù)據(jù)、控制以及時序信息定義了兩類針腳(見表2.3)。

表2.3

DB-37針腳功能

2.Ⅰ類連接器第一類插頭與EIA-232針腳的功能兼容(其中大多數(shù)進(jìn)行重命名)。對每一個Ⅰ類針腳,EIA-449定義了兩根相同的針:一根在表中第一欄,另一根在第二欄。例如,第4針和第22針都叫數(shù)據(jù)發(fā)送,這兩根針的功能與EIA-232中針腳2的功能是一樣的。第5針和第23針都叫發(fā)送時序,第6針和第24針又都叫數(shù)據(jù)接收。更有意思的是,每對針在連接頭中都是垂直相鄰的,第二欄中的針腳恰位于第一欄中對應(yīng)針腳的下方。這種結(jié)構(gòu)就是EIA-449的功能基礎(chǔ)。

3.Ⅱ類連接器

Ⅱ類插頭是在EIA-232中沒有定義或是進(jìn)行了重定義的針腳。這些新針腳的序號和功能如下:本地回饋:10腳用于本地回饋測試。遠(yuǎn)程回饋:14腳用于遠(yuǎn)程回饋測試。頻率選擇:16腳用于在兩種不同的頻率之間進(jìn)行選擇。測試方式:18腳用于各級測試。共接收端:20腳對于DCE到DTE的非平衡線路提供了一種公共的信號回線。

終端服務(wù):28腳向DCE設(shè)備指示DTE設(shè)備是否可用。選擇備用:32腳允許在發(fā)生故障后使用備用設(shè)備。新信號:對于一臺主DTE設(shè)備控制幾臺輔助DTE設(shè)備的多點通信系統(tǒng)中,腳34是有效的。一旦激活,針腳34就指示一臺DTE已經(jīng)完成了數(shù)據(jù)交換任務(wù),而另一臺新的正準(zhǔn)備通信。備用指示:36腳提供了從DCE來的對選擇備用(針腳32)報文的確認(rèn)信號。共發(fā)送端:37腳提供DTE到DCE間非平衡線路上的公共信號線。

4.DB-9各針腳功能表2.4列出了DB-9連接頭的針腳功能并顯示了它們與EIA-232(DB-25)中對應(yīng)部分的關(guān)系。

表2.4

DB-9針腳功能

5.電氣規(guī)范

1)RS-423非平衡模式

RS-423是一種非平衡電路規(guī)范,這意味著它只為信號傳播定義了一條線路。在該標(biāo)準(zhǔn)中的所有信號都使用公共線(或是地線)來完成信號交換。圖2.9給出了這一類線路的傳輸示意圖以及該標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范。在非平衡電路模式中,EIA-449使用每一對Ⅰ類連接器的第一個引腳和所有的Ⅱ類引腳。距離為12m時,傳輸速率為100kb/s;距離為1200m時,傳輸速率為1kb/s。

圖2.9

RS-423非平衡模式傳輸

2)RS-422平衡模式

RS-422是一種平衡電路規(guī)范,它為每個信號都定義了兩條線路。信號的返回仍然采用公共線方式,其傳輸示意圖如圖2.10所示。在平衡模式中,EIA-449使用了每一對Ⅰ類引腳但不使用Ⅱ類引腳。正如標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中所規(guī)定的一樣,數(shù)據(jù)速率與距離的比要比非平衡方式和EIA-232標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的都要高,當(dāng)RS-422平衡模式傳輸距離為12m時,傳輸速率為10Mb/s;當(dāng)傳輸距離為1200m時,傳輸速率為1kb/s。在平衡模式中,兩條線路承載相同的傳輸,但是它們并不傳輸相同的信號。一條線路的信號是另一條線路信號的互補值。用圖表顯示,互補值看起來就像原始信號的鏡像一樣,如圖2.10所示。此時接收端并不檢測其中任何一個實際信號,而是檢測兩個信號之間的差值。這樣傳輸信號幅值就會增大一倍,使得平衡線路具有比非平衡線路更好的抗噪聲干擾能力,從而提高了系統(tǒng)的信噪比。

圖2.10

RS-422平衡模式傳輸

當(dāng)互補的信號到達(dá)接收端時,它們被輸入到一個差分放大器中,對信號進(jìn)行解釋前就減去了輔助信號。因為兩個信號是互補的,因此它們的差值將兩倍于第一個信號的值。例如,如果在某時刻第一個信號值為5V,第二個信號值將是-5V,所以,相減的結(jié)果是5-(-5)=10V。

如果在傳輸中有噪聲,則噪聲會以同樣的方式影響兩個互補信號，結(jié)果在減法過程中即可消除噪聲,如圖2.11所示。例如,假定在某點存在2V噪聲,而此時第一個信號是+5V,它的互補信號是-5V。額外的畸變使第一個信號值變?yōu)?V,第二個信號為-3V。此時7-(-3)=10V。這種特性有助于消除噪聲的影響,提高傳輸可靠性,進(jìn)而提高傳輸速率。

圖2.11采用平衡模式消除噪聲(a)原始信號；(b)原始信號和互補信號；(c)噪聲信號;(d)信號和噪聲信號；(e)差分放大消除干擾；(f)調(diào)整幅值恢復(fù)信號2.4USB通用串行總線及應(yīng)用

2.4.1USB總線概述

1.USB總線的發(fā)展連接計算機與外設(shè)的串行數(shù)據(jù)總線(簡稱串行總線)的發(fā)展一直非常緩慢。1969年美國電子工業(yè)協(xié)會推出的RS-232(后改為RS-232C)串行總線,至今仍是計算機與外設(shè)通信的主流串行總線。盡管在20世紀(jì)70年代和80年代,陸續(xù)推出了RS-422A/423A、RS-449、RS-485和RS-530等串行總線,其中,RS-449的設(shè)計初衷就是想取代RS-232,RS-530則是想取代RS-449,但由于種種原因,都沒有改變RS-232先入為主的主導(dǎo)地位。而RS-232C的最高傳輸速率只有20kb/s,RS-530雖高一些,也只有2Mb/s,與20世紀(jì)70年代初HP公司推出的通用接口總線GPIB(即IEEE-488)相比,RS-530的傳輸速率只有GPIB的1/4,更無法與性能先進(jìn)的并行總線相比。因此,長期以來,串行總線只用于連接低速外設(shè),或用作低速網(wǎng)絡(luò)的傳輸總線。

USB(UniversalSerialBus)是1995年Microsoft、Compaq、IBM等公司聯(lián)合制定的一種新的PC串行通信協(xié)議。USB協(xié)議出臺后,得到各PC廠商、芯片制造商和PC外設(shè)廠商的廣泛支持。從當(dāng)初的0.7、0.8版本到現(xiàn)在廣泛采用的1.0、1.1、2.0版本,USB本身也得到了不斷的發(fā)展和完善。尤其是其支持熱插拔的特性,使得采用USB總線(接口)的設(shè)備使用更方便。USB外設(shè)正在以驚人的速度發(fā)展,迄今為止,各種USB的外設(shè)已經(jīng)十分普及了,如打印機、掃描儀、移動硬盤、MP3、MP4、數(shù)碼照相機等。

USB1.0通用串行總線規(guī)范是由Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、NorthernTelecom等著名的計算機公司和通信公司于1996年1月提出的。通用串行總線是一種將USB外圍設(shè)備連接到主機的外部總線結(jié)構(gòu),它通過PCI總線和PC的內(nèi)部系統(tǒng)數(shù)據(jù)線連接,實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。USB同時又是一種通信協(xié)議,它支持主系統(tǒng)(host)和USB的外圍設(shè)備(device)之間的數(shù)據(jù)傳送,通過一個4針的標(biāo)準(zhǔn)插頭,采用菊花鏈形式把所有的外設(shè)連接起來。

2.USB總線的特點與前述幾種串行總線相比,USB總線有其明顯的優(yōu)勢。概括起來,USB總線有以下特點。

(1)節(jié)省了系統(tǒng)資源。USB為所有的USB外設(shè)提供了單一的、易于操作的標(biāo)準(zhǔn)連接,排除了外部設(shè)備對系統(tǒng)資源的需求,因而減少了硬件的復(fù)雜性和對端口的占用,整個USB系統(tǒng)只有一個端口,占用一個中斷源。

(2)USB支持熱插拔(hotplug)和即插即用(PlugandPlay)。在不關(guān)閉計算機的情況下可以安全地插上和斷開USB設(shè)備,動態(tài)加載驅(qū)動程序,使用十分方便。

(3)USB連接設(shè)備供電方式靈活。USB直接連接到Hub或者連接到host的設(shè)備可以通過USB電纜供電,也可以通過電池或者其他電源供電,還可使用兩種方式組合,并且支持掛起和喚醒的節(jié)能模式。

(4)適應(yīng)各種不同類型的外設(shè)。USB1.1規(guī)范提供全速12Mb/s和低速1.5Mb/s的模式,USB2.0規(guī)范提供高達(dá)480Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。

(5)USB提供了四種不同數(shù)據(jù)傳送方式,可以適應(yīng)各種不同類型外圍設(shè)備的需求。

(6)USB使得多個外圍設(shè)備可以跟主機通信,最多可支持127個設(shè)備,但需要使用USBHub增加分支。

2.4.2USB總線的硬件結(jié)構(gòu)

USB采用四線電纜,其中兩根是用來傳送數(shù)據(jù)的串行通道,另外兩根為下游(Downstream)設(shè)備提供電源,如圖2.12所示。

圖2.12

USB連接線

D+、D-是一對差模信號線,它支持兩種數(shù)據(jù)傳輸速率,對于高速且需要高帶寬的外設(shè),USB以全速12Mb/s傳輸數(shù)據(jù),但必須使用屏蔽的雙絞線,且長度不能超過5m。對于低速外設(shè),USB則以1.5Mb/s的傳輸速率傳輸數(shù)據(jù),在這種模式下可以使用無屏蔽的非雙絞線,但長度不能超過3m。為保證能提供一定電平的信號并且與終端的負(fù)載匹配,在電纜的每一端都使用不平衡終端負(fù)載。這種終端負(fù)載也保證能檢測出外設(shè)與端口的連接和分離,且能區(qū)分高速與低速USB總線,可根據(jù)外設(shè)情況在兩種傳輸模式中自動轉(zhuǎn)換。VBUS通常為+5V的電源,GND是地線。

USB是基于令牌傳輸方式的總線,類似于令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)(后面章節(jié)將會介紹)。USB主控制器廣播令牌,總線上的設(shè)備檢測令牌中的地址是否與自身相符,通過接收或發(fā)送數(shù)據(jù)給主機來響應(yīng)。USB通過支持懸掛/恢復(fù)操作來管理USB總線電源。USB系統(tǒng)采用級聯(lián)星型拓?fù)?該拓?fù)溆扇齻€基本部分組成:主機(Host)、集線器(Hub)和功能設(shè)備,如圖2.13所示。

圖2.13USB系統(tǒng)級聯(lián)示意圖

主機(Host)也稱為根、根結(jié),一般集成在計算機主板上。主機包含有主控制器和根集線器(RootHub),控制著USB總線上的數(shù)據(jù)和控制信息的流動,每個USB系統(tǒng)只能有一個根集線器,它連接在主控制器上。集線器(Hub)是USB結(jié)構(gòu)中的特定成分,它提供叫做端口(Port)的點,從而將設(shè)備連接到USB總線上,同時檢測連接到總線上的設(shè)備,并為這些設(shè)備提供電源管理,負(fù)責(zé)總線的故障檢測和恢復(fù)。集線器可為總線提供能源,亦可為自身提供能源(從外部得到電源)。自身提供能源的設(shè)備可插入總線提供能源的集線器中,但總線提供能源的設(shè)備不能插入自身提供能源的集線器或支持超過四個的下游端口中。如果要求總線提供能源的設(shè)備需要超過100mA電流時,就不能直接連接到總線提供電源的集線器上。

2.4.3USB總線的軟件結(jié)構(gòu)

1.USB總線接口

USB總線接口處理電氣層與協(xié)議層的互連。從互連的角度來看,相似的總線接口由設(shè)備和主機同時給出。USB總線接口由主控制器控制。

圖2.14USB軟件結(jié)構(gòu)示意圖

2.USB系統(tǒng)

USB系統(tǒng)利用主控制器管理主機與USB設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸。它與主控制器間的接口依賴于主控制器的硬件定義。同時,USB系統(tǒng)也負(fù)責(zé)管理USB資源,例如帶寬和總線能量,這使客戶訪問USB成為可能。USB系統(tǒng)還有三個基本軟件模塊。

1)主控制器驅(qū)動程序主控制器驅(qū)動程序(HCD)可把不同的主控制器設(shè)備映射到USB系統(tǒng)中。HCD與USB之間的接口叫HCDI,特定的HCDI由支持不同主控制器的操作系統(tǒng)來定義。通用主控制器驅(qū)動器(UHCD)處于軟結(jié)構(gòu)的最底層,由它來管理和控制主控制器。UHCD實現(xiàn)了與USB主控制器通信和控制USB主控制器,并且它對系統(tǒng)軟件的其他部分是隱蔽的。系統(tǒng)軟件中的最高層通過UHCD的軟件接口與主控制器通信。

2)USB驅(qū)動程序

USB驅(qū)動程序(USBD)在主控制器驅(qū)動程序(UHCD)之上,它提供驅(qū)動器級的接口,滿足現(xiàn)有設(shè)備驅(qū)動器的設(shè)計要求。USBD以I/O請求包(IRPs)的形式提供數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu),由通過特定管道(Pipe)傳輸數(shù)據(jù)的需求組成。此外,USBD使客戶端出現(xiàn)設(shè)備的一個抽象,以便于抽象和管理。作為抽象的一部分,USBD擁有缺省的管道。通過它可以訪問所有的USB設(shè)備以進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的USB控制。該缺省管道描述了一條USBD和USB設(shè)備間通信的邏輯通道。

3)主機軟件主機軟件有以下功能:(1)檢測連接和移去的USB設(shè)備;(2)管理主機和USB設(shè)備間的數(shù)據(jù)流;(3)連接USB狀態(tài)和活動統(tǒng)計;(4)控制主控制器和USB設(shè)備間的電氣接口,包括限制能量供應(yīng)。

3.USB客戶軟件

USB客戶軟件位于軟件結(jié)構(gòu)的最高層,負(fù)責(zé)處理特定USB設(shè)備驅(qū)動器?？蛻舫绦?qū)用枋鏊兄苯幼饔糜谠O(shè)備的軟件入口。當(dāng)設(shè)備被系統(tǒng)檢測到以后,這些客戶程序?qū)⒅苯幼饔糜谕鈬布?。這個共享的特性將USB系統(tǒng)軟件置于客戶和它的設(shè)備之間,客戶程序要根據(jù)USBD在客戶端形成的設(shè)備映像對它進(jìn)行處理,從而實現(xiàn)與主機的數(shù)據(jù)通信。2.4.4

USB的數(shù)據(jù)傳輸方式

1.控制傳輸控制傳輸是雙向傳輸,通常數(shù)據(jù)量較小。

USB系統(tǒng)軟件主要用來進(jìn)行查詢、配置和給USB設(shè)備發(fā)送通用的命令?？刂苽鬏敺绞娇梢詡鬏敯?、16、32和64字節(jié)的數(shù)據(jù),這依賴于設(shè)備和傳輸速度?？刂苽鬏?shù)牡湫蛻?yīng)用在于主計算機和USB外設(shè)的端點之間的傳輸,但是指定控制傳輸可能會用到其他的端點。

2.同步傳輸

同步傳輸提供了確定的帶寬和時間間隔。它主要用于時間要求嚴(yán)格并具有較強容錯性的數(shù)據(jù)流傳輸,或者用于要求恒定數(shù)據(jù)傳送率的實時應(yīng)用系統(tǒng)中。例如,即時通話的網(wǎng)絡(luò)電話使用同步傳輸模式就是很好的選擇。同步數(shù)據(jù)要求確定的帶寬值和確定的最大傳輸次數(shù)。對于同步傳輸來說,實時的數(shù)據(jù)傳遞比數(shù)據(jù)的完整性更重要。

3.中斷傳輸

中斷傳輸方式主要用于定時查詢設(shè)備是否有數(shù)據(jù)要傳送中斷請求。設(shè)備的端點模式結(jié)構(gòu)決定了它的查詢范圍為1～255ms。這種傳輸方式應(yīng)用于少量的、分散的、不可預(yù)測數(shù)據(jù)的傳輸,如鍵盤、操縱桿和鼠標(biāo)與主機之間的數(shù)據(jù)傳輸。中斷方式傳輸是單向的,對于Host來說只有輸入方式。

4.大量傳輸大量傳輸方式主要應(yīng)用在大量傳送和接收數(shù)據(jù),同時又沒有帶寬和時間間隔要求的情況下。如打印機和掃描儀與主機之間的數(shù)據(jù)傳輸。這種傳輸類型可以等到所有其他類型的數(shù)據(jù)傳送完成之后再傳送和接收數(shù)據(jù)。

USB將其有效的帶寬分成各個不同的幀,每幀通常為1ms。每個設(shè)備每幀只能傳送一個同步的傳送包。在完成了系統(tǒng)的配置信息和連接之后,USB的Host就會對不同的傳送點和傳送方式作一個統(tǒng)籌安排,用來適應(yīng)整個USB的帶寬。通常情況下,同步方式和中斷方式的傳輸會占據(jù)整個帶寬的90％,其余的就安排給控制方式來傳輸數(shù)據(jù)。

2.5

IEEE1394總線

2.5.1IEEE1394簡介

IEEE1394的正式公布名稱是IEEE1394高性能串行總線,是美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會于1995年制訂的高速、低成本串行總線,用于實現(xiàn)計算機與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)通信,或作為計算機底板并行總線的備份總線。

IEEE1394正在被越來越多的PC廠商所采用,作為一種數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_放式技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),已被應(yīng)用在眾多的領(lǐng)域當(dāng)中。目前,IEEE1394技術(shù)使用最廣的領(lǐng)域還是數(shù)字成像領(lǐng)域,支持的產(chǎn)品包括數(shù)碼照相機和數(shù)碼攝像機等。

2.5.2IEEE1394總線的特點

(1)傳輸速率高。在TTL總線主板上,其傳輸速率為24.576Mb/s;在BTL(BackplaneTransceiverLogic,總線底板收發(fā)器邏輯)總線主板上,其傳輸速率為49.152Mb/s;用電纜傳輸時其傳輸速率可達(dá)98.304Mb/s、196.608Mb/s和393.216Mb/s。

(2)節(jié)點之間的最大距離不能超過4.5m。若輸出距離過長,可以使用IEEE1394中繼器。一臺IEEE1394中繼器可以將節(jié)點之間傳輸?shù)木嚯x延長4.5m。因為IEEE1394最多只能支持16層樹形網(wǎng)段,所以兩個端點之間的最大距離為72(16×4.5)m。

(3)每個網(wǎng)段最多可以連接63臺設(shè)備,每臺IEEE1394可以連接10231394個網(wǎng)段,可以實現(xiàn)各種復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由于兩個節(jié)點之間的最大距離為4.5m,因此IEEE1394并不適合在廣域網(wǎng)中使用。

(4)IEEE1394設(shè)備支持熱插拔,可以在任何時候向IEEE1394網(wǎng)絡(luò)添加或拆除設(shè)備。既不用擔(dān)心影響數(shù)據(jù)的傳輸,也不需要進(jìn)行重新配置,系統(tǒng)可以根據(jù)變化的環(huán)境進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。

(5)IEEE1394網(wǎng)絡(luò)使用的是對等結(jié)構(gòu),可自動分配節(jié)點地址,不需要硬件設(shè)置,也不需要專用服務(wù)器。因此,對于那些集中進(jìn)行管理或數(shù)據(jù)存儲的系統(tǒng)來說,IEEE1394并不是一個理想的選擇。

(6)同一網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)可以用不同的速率傳輸。目前可以實現(xiàn)的速率為100Mb/s、200Mb/s和400Mb/s。這就決定了在設(shè)計網(wǎng)絡(luò)時要考慮到不同設(shè)備的傳輸性能。如果在兩臺傳輸速度可達(dá)400Mb/s的設(shè)備之間放置一臺100Mb/s的設(shè)備,無疑將會使實際的傳輸速度大大降低。

(7)IEEE1394開放式主控制器接口(OHCI)向所有準(zhǔn)備支持IEEE1394技術(shù)的廠商提供了開放式標(biāo)準(zhǔn),便于開發(fā)相關(guān)產(chǎn)品。在實際操作過程中,設(shè)備首先要求控制物理層。進(jìn)行異步傳輸時,數(shù)據(jù)發(fā)送和接收方交換地址,然后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,當(dāng)接收方收到數(shù)據(jù)包時,會向發(fā)送方回傳確認(rèn)信息。采用自動檢錯重發(fā)方式(具體內(nèi)容將在6.1節(jié)中介紹)實現(xiàn)差錯控制。如果接收方?jīng)]有接收到數(shù)據(jù)包,則啟動錯誤修復(fù)機制。

進(jìn)行同步傳輸時,發(fā)送方首先要求獲得一個特定帶寬的數(shù)據(jù)通道,然后將通道ID附加在所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中一起發(fā)送。接收方對數(shù)據(jù)流進(jìn)行檢測,只有當(dāng)發(fā)現(xiàn)具有特定ID號的數(shù)據(jù)時才進(jìn)行接收。同步數(shù)據(jù)傳輸模式的優(yōu)先級要高于異步傳輸模式。當(dāng)一臺設(shè)備發(fā)送同步數(shù)據(jù)時,將獲得一個專用的數(shù)據(jù)通道,直到數(shù)據(jù)傳送完畢為止。而同一時刻發(fā)生的異步數(shù)據(jù)傳輸則只能使用當(dāng)前所剩余的可用帶寬。

IEEE1394是一種全數(shù)字協(xié)議,在數(shù)據(jù)傳輸過程中不需要進(jìn)行任何數(shù)/模轉(zhuǎn)換。

2.5.3IEEE1394的連接方式

IEEE1394支持兩種不同的連接器。最為常用的一種是直接與6根導(dǎo)線相連接,如圖2.15所示。其中一對線用于傳送數(shù)據(jù),一對線用于傳送時鐘信號,還有一對線傳送電源。電纜通過端口把各節(jié)點連接起來。端口由收發(fā)器、終端匹配器和一些邏輯電路組成。由于可通過串行總線供電,因此即使節(jié)點的本地電源出現(xiàn)故障,也不致影響總線的正常工作。另一種是Sony公司推出的只包含4條數(shù)據(jù)線的小型線纜,該公司還專門設(shè)計了與之搭配的新型連接器。這種連接器如果要與標(biāo)準(zhǔn)的6根導(dǎo)線線纜連接的話,需要使用轉(zhuǎn)換器。因為小型線纜不提供電源線,所以與之連接的設(shè)備只能使用外部電源供電。

圖2.15

IEEE1394串聯(lián)線的橫切面示意圖

2.5.4IEEE1394與USB發(fā)展前景比較

IEEE1394標(biāo)準(zhǔn)目前仍處于不斷改進(jìn)和發(fā)展中,其數(shù)據(jù)傳輸速率已達(dá)到800Mb/s～3.2Gb/s。USB1.1和后來速度更高的USB2.0都是具有與1394相似的技術(shù)特性的串行總線。但是,1394和US