01

　　外部总线概述

　　Bus" target="_blank">ExternalBus（外部总线） ，通常所说的总线(Bus)指片外总线，是 CPU 与内存 RAM、ROM 和输入 / 输出设备接口之间进行通讯的通路，也称系统总线 . 外部总线又称为通信总线，用于计算机之间、计算机与远程终端、计算机与外部设备以及计算机与测量仪器仪表之间的通信。该类总线不是计算机系统已有的总线，而是利用电子工业或其他领域已有的总线标准。外部总线又分为并行总线和串行总线，并行总线主要有 IEEE-488 总线，串行总线主要有 RS232C、RS422C、RS485、IEEE1394 以及 USB 总线等。

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　　IEEE-488 总线概述

　　IEEE-488 总线是并行总线接口标准。IEEE-488 总线用来连接系统，如微计算机、数字电压表、数码显示器等设备及其他仪器仪表均可用 IEEE-488 总线装配起来。它按照位并行、字节串行双向异步方式传输信号，连接方式为总线方式，仪器设备直接并联于总线上而不需中介单元，但总线上最多可连接 15 台设备。最大传输距离为 20 米，信号传输速度一般为 500KB/s，最大传输速度为 1MB/s。

　　IEEE 488 是一种并行的外总线，它是 20 世纪 70 年代由 HP 公司制定的。HP 公司为了解决各种仪器仪表与各类计算机的接口时，由于互相不兼容而带来的连接麻烦，而研制了通用接口总线 HP—IB 总线。1975 年 IEEE 以 IEEE 488 标准总线予以推荐，1977 年国际电工委员会 (IEC)也对该总线进行认可与推荐，定名为 IEC—IB。所以这种总线同时使用了 IEEE—488，IEC—IB (IEC 接口总线)，HP—IB (HP 接口总线)或 GP—IB (通用接口总线)多种名称。由于 IEEE 488 总线的推出，当用 IEEE 488 标准建立一个由计算机控制的测试系统时，不要再加一大堆复杂的控制电路，IEEE 488 系统以机架层叠式智能仪器为主要器件，构成开放式的积木测试系统。因此 IEEE 488 总线是当前工业上应用最广泛的通信总线之一。

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　　IEEE-488 总线工作方式

　　IEEE 488 总线接口结构如图 8.22 所示 . 利用 IEEE 488 总线将微型计算机和其它若干设备连接在一起。可以采用串行连接，也可以采用星型连接。

　　图 8.22 IEEE 488 总线接口结构

　　在 IEEE 488 系统中的每一个设备可按如下 3 种方式工作。

　　(1) “听者”方式这是一种接收器，它从数据总线上接收数据，一个系统在同一时刻，可以有两个以上的“听者”在工作。可以充当“听者”功能的设备有：微型计算机、打印机、绘图仪等。

　　(2) “讲者”方式这是一种发送器，它向数据总线发送数据，一个系统可以有两个以上的“讲者”，但任一时刻只能有一个讲者在工作。具有“讲者”功能的设备有：微型计算机、磁带机、数字电压表、频谱分析仪等。

　　(3) “控制者”方式这是一种向其它设备发布命令的设备，例如对其它设备寻址，或允许“讲者”使用总线。控制者通常由微型机担任。一个系统可以有不止一个控制者，但每一时刻只能有一个控制者在工作。

　　在 IEEE 488 总线上的各种设备可以具备不同的功能。有的设备如微型计算机可以同时具有控制者、听者、讲者 3 种功能。有的设备只具有收、发功能，而有的设备只具有接收功能，如打印机。在某一时刻系统只能有一个控制者，而当进行数据传送时，某一时刻只能有一个发送器发送数据，允许多个接收器接收数据。也就是可以进行一对多的数据传送。

　　一般应用中，例如，微型机控制的数据测量系统，通过 IEEE 488 将微型机和各种测试仪器连接起来，这时，只有微型机具备控制、发、收 3 种功能，而总线上的其它设备都没有控制功能，但仍有收、发功能。当总线工作时，由控制者发布命令，规定哪个设备为发送器、哪个为接收器，而后发送器可以利用总线发送数据，接收器从总线上接收数据。

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　　IEEE-488 总线的使用约定

　　(1) 数据传输速率≤1 MB/s。

　　(2) 连接在总线上的设备 (包括作为主控器的微型机)≤15 个。

　　(3) 设备间的最大距离≤20 m。

　　(4) 整个系统的电缆总长度≤220 m，若电缆长度超过 220 m，则会因延时而改变定时关系，从而造成工作不可靠。这种情况应附加调制解调器

　　(5) 所有数据交换都必须是数字化的。

　　(6) 总线规定使用 24 线的组合插头座，并且采用负逻辑，即用小于+0.8V 的电平表示逻辑“1”；用大于 2V 的电平表示逻辑“0”。

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　　RS232C 总线的概述

　　RS-232-C 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。RS-232-C 标准规定的数据传输速率为每秒 50、75、 100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200 波特。RS-232-C 标准规定，驱动器允许有 2500pF 的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用 150pF/m 的通信电缆时，最大通信距离为 15m；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是 RS-232 属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于 20m 以内的通信。

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　　RS232C 的电气特性

　　EIA－RS－232C 协议对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。

　　在 TxD 和 RxD 上：逻辑 1（MARK）＝－3V～－15V

　　逻辑 0（SPACE）＝＋3～＋15V

　　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

　　以上规定说明了 RS－323C 标准对逻辑电平的定义。

　　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。

　　EIA－RS－232C 协议与 TTL 转换：

　　RS－232C 协议是用正负电压来表示逻辑状态，与 TTL 以高低电平表示逻辑状态的规定不同。因此，为了能够同计算机接口或终端的 TTL 器件连接，必须在 EIA－RS－232C 协议与 TTL 电路之间进行电平和逻辑关系的变换。实现这种变换的方法可用分立元件，也可用集成电路芯片。目前较为广泛地使用集成电路转换器件，如 MC1488、SN75150 芯片可完成 TTL 电平到 EIA 电平的转换，而 MC1489、SN75154 可实现 EIA 电平到 TTL 电平的转换。MAX232 芯片可完成 TTL??EIA 双向电平转换。

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　　RS232C 总线连接器的机械性

　　连接器：由于 RS－232C 协议并未定义连接器的物理特性，因此，出现了 DB－25、DB－15 和 DB－9 各种类型的连接器，其引脚的定义也各不相同。下面分别介绍两种连接器。

　　（1）DB－25：PC 和 XT 机采用 DB－25 型连接器。DB－25 连接器定义了 25 根信号线，分为 4 组：

　　①异步通信的 9 个电压信号（含信号地 SG）2，3，4，5，6，7，8，20，22

　　②20mA 电流环信号 9 个（12，13，14，15，16，17，19，23，24）

　　③空 6 个（9，10，11，18，21，25）

　　④保护地（PE）1 个，作为设备接地端（1 脚）

　　注意，20mA 电流环信号仅 IBM PC 和 IBM PC/XT 机提供，至 AT 机及以后，已不支持。

　　（2）DB－9 连接器

　　在 AT 机及以后，不支持 20mA 电流环接口，使用 DB－9 连接器，作为提供多功能 I/O 卡或主板上 COM1 和 COM2 两个串行接口的连接器。它只提供异步通信的 9 个信号。DB－25 型连接器的引脚分配与 DB－25 型引脚信号完全不同。因此，若与配接 DB－25 型连接器的 DCE 设备连接，必须使用专门的电缆线。

　　电缆长度：在通信速率低于 20kb/s 时，RS－232C 协议所直接连接的最大物理距离为 15m（50 英尺）。

　　最大直接传输距离说明：RS－232C 协议规定，若不使用 MODEM，在码元畸变小于 4%的情况下，DTE 和 DCE 之间最大传输距离为 15m（50 英尺）。可见这个最大的距离是在码元畸变小于 4%的前提下给出的。为了保证码元畸变小于 4%的要求，接口标准在电气特性中规定，驱动器的负载电容应小于 2500pF。

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　　RS422 总线概述

　　RS-422 是串行数据接口标准，最初都是由电子工业协会（EIA）制订并发布的，RS-422 由 RS-232 发展而来，它是为弥补 RS-232 之不足而提出的。为改进 RS-232 通信距离短、速率低的缺点，RS-422 定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到 10Mb/s，传输距离延长到 4000 英尺（速率低于 100kb/s 时），并允许在一条平衡总线上连接最多 10 个接收器。一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范，被命名为 TIA/EIA-422-A 标准。

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　　RS232、RS485 和 RS485 的之间的区别

　　RS-232、RS-422 与 RS-485 标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。例如：视频服务器都带有多个 RS422 串行通讯接口，每个接口均可通过 RS422 通讯线由外部计算机控制实现记录与播放。视频服务器除提供各种控制硬件接口外，还提供协议接口，如 RS422 接口除支持 RS422 的 Profile 协议外，还支持 Louth、Odetics 、BVW 等通过 RS422 控制的协议。

　　RS-232、RS-422 与 RS-485 都是串行数据接口标准，都是由电子工业协会（EIA）制订并发布的，RS-232 在 1962 年发布。RS-422 由 RS-232 发展而来，为改进 RS-232 通信距离短、速率低的缺点，RS-422 定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到 10Mbps，传输距离延长到 4000 英尺（速率低于 100Kbps 时），并允许在一条平衡总线上连接最多 10 个接收器。RS-422 是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范，被命名为 TIA/EIA-422-A 标准。为扩展应用范围，EIA 又于 1983 年在 RS-422 基础上制定了 RS-485 标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，后命名为 TIA/EIA-485-A 标准。

　　1. S-232 串行接口标准

　　目前 RS-232 是 PC 机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。RS-232 被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。RS-232 采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯。收、发端的数据信号是相对于信号地。典型的 RS-232 信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输出正电平在+5~+15V，负电平在 -5~-15V 电平。当无数据传输时，线上为 TTL，从开始传送数据到结束，线上电平从 TTL 电平到 RS-232 电平再返回 TTL 电平。接收器典型的工作电平在+3~+12V 与 -3~-12V。由于发送电平与接收电平的差仅为 2V 至 3V 左右，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大为约 15 米，最高速率为 20Kbps。RS-232 是为点对点（即只用一对收、发设备）通讯而设计的，其驱动器负载为 3kΩ~7kΩ。所以 RS-232 适合本地设备之间的通信。

　　2. RS-422 与 RS-485 串行接口标准

　　（1）平衡传输

　　RS-422、RS-485 与 RS-232 不一样，数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为 A，另一线定义为 B。通常情况下，发送驱动器 A、B 之间的正电平在+2~+6V，是一个逻辑状态，负电平在 -2V~6V，是另一个逻辑状态。另有一个信号地 C，在 RS-485 中还有一“使能”端，而在 RS-422 中这是可用可不用的。“使能”端是用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。当“使能”端起作用时，发送驱动器处于高阻状态，称作“第三态”，即它是有别于逻辑“1”与“0”的第三态。

　　（2）RS-422 电气规定

　　由于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器比 RS232 更强的驱动能力，故允许在相同传输线上连接多个接收节点，最多可接 10 个节点。即一个主设备（Master），其余为从设备（Salve），从设备之间不能通信，所以 RS-422 支持点对多的双向通信。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）实现。RS-422 的最大传输距离为 4000 英尺（约 1219 米），最大传输速率为 10Mbps。其平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在 100Kbps 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 1Mbps。RS-422 需要一终接电阻，要求其阻值约等于传输电缆的特性阻抗。在矩距离传输时可不需终接电阻，即一般在 300 米以下不需终接电阻。终接电阻接在传输电缆的最远端。

　　（3）RS-485 电气规定

　　由于 RS-485 是从 RS-422 基础上发展而来的，所以 RS-485 许多电气规定与 RS-422 相仿。如都采用平衡传输方式、都需要在传输线上接终接电阻等。RS-485 可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通信。RS-485 总线，在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用 RS-485 串行总线标准。RS-485 采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至 200mV 的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。RS-485 采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。RS-485 用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用 RS-485 可以联网构成分布式系统，其允许最多并联 32 台驱动器和 32 台接收器。RS-485 与 RS-422 的不同还在于其共模输出电压是不同的，RS-485 是 -7V 至+12V 之间，而 RS-422 在 -7V 至+7V 之间;RS-485 满足所有 RS-422 的规范，所以 RS-485 的驱动器可以用在 RS-422 网络中应用。RS-485 与 RS-422 一样，其最大传输距离约为 1219 米，最大传输速率为 10Mbps。平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在 100Kbps 速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般 100 米长双绞线最大传输速率仅为 1Mbps。

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　　串行总线协议转换器

　　在计算机控制系统中，主机通常提供 RS-232C 标准接口。但在控制系统分布较远的情况下，单独由 RS232C 不能实现远距离的通信任务，这时需要进行与 RS485 或 RS422 的转换。完成这种转换的器件很多，分为有源和无源两种，有源转换器需提供标准电源，无源转换器利用 RS232C 内部的电源信号供电。

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　　通用串行总线的概述

　　通用串行总线总线 的供应商(Universal Serial Bus, USB），是一种用于将适用 USB 的外围设备连接到主机的外部总线结构，主要用在中速和低速的外设。通用串行总线同时又是一种通信协议，支持主机和 USB 的外围设备之间的数据传输。通用串行总线支持每秒 12 兆比特的数据速度。

　　使用通用串行总线，新的设备可以被添加到你的计算机上，而不需要添加适配卡或者甚至是需要将计算机关闭。通用串行总线外围总线标准是由康柏，IBM，DEC ，Inter，微软，NEC，以及北方电信开发的，还有所有的计算机和设备供应商免费提供的技术。

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　　通用串行总线的传输方式

　　通用串行总线提供了四种传输方式，以适应各种设备的需要。

　　1、控制传输方式：控制传输是双向传输，数据量通常较小，主要用来进行查询、配置和给通用串行总线设备发送通用的命令。控制传输主要用在主计算机和通用串行总线外设中端点０之间。

　　2、等时传输方式：等时传输提供了确定的带宽和间隔时间。它被用于时间严格并具有较强容错性的流数据传输，或者用于要求恒定的数据传送率的即时应用中。例如进行语音业务传输时，使用等时传输方式是很好的选择。

　　3、中断传输方式：中断方式传送是单向的并且对于主机来说只有输入的方式。中断传输方式主要用于定时查询设备是否有中断数据要传送，该传输方式应用在少量的、分散的、不可预测的数据传输。键盘、游戏杆和鼠标就属于这一类型。

　　4、大量传输方式：主要应用在没有带宽和间隔时间要求的大量数据的传送和接收，它要求保证传输。打印机和扫描仪属于这种类型。

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　　通用串行总线特点

　　通用串行总线最初是由英特尔与微软公司倡导发起，其最大的特点是支持热插拔（Hot plug）和即插即用 (Plug&Play)。当设备插入时，主机枚举（enumerate）此设备并加载所需的驱动程序，因此使用远比 PCI 和 ISA 总线方便。

　　通用串行总线速度比平行埠并联总线（Parellel Bus，例如 EPP、LPT）与串联埠总线（Serial Port，例如 RS-232）等传统电脑用标准总线快上许多。原标准中 USB 1.1 的最大传输带宽为 12Mbps，USB 2.0 的最大传输带宽为 480Mbps。

　　通用串行总线的设计为非对称式的，它由一个主机（host）控制器和若干通过 hub 设备以树形连接的设备组成。一个控制器下最多可以有 5 级 hub，包括 Hub 在内，最多可以连接 127 个设备，而一台计算机可以同时有多个控制器。和 SPI-SCSI 等标准不同，USB hub 不需要终结器。

　　通用串行总线可以连接的外设有鼠标、键盘、gamepad、游戏杆、扫描仪、数码相机、打印机、硬盘和网络部件。对数码相机这样的多媒体外设 USB 已经是缺省接口；由于大大简化了与计算机的连接，USB 也逐步取代并口成为打印机的主流连接方式。2004 年已经有超过 1 亿台 USB 设备；到 2005 年显示器和高清晰度数字视频外设是仅有的 USB 未能染指的外设类别，因为他们需要更高的传输速率。

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　　通用串行总线的电气特性

　　详细的 USB 的电器特性的相关内容是在 USB 规范。而在此，仅列出用户所需注意的一些特性。如图 1 所示，呈现了在全速设备与 PC 主机之间电气特性的连接。除了 Vcc（＋5 V）与接地线外，需要特别注意的是 D＋与 D- 的差动数据信号线。首先，在连接至 USB 收发器之前必须先串接 9O～44Ω的电阻。而后根据不同的 USB 设各的传输速度（全速或低速），改变在设各端的提升电阻 1．5×（1±5％）kΩ的位置。这个提升电阻，也可视为设各端电阻。对于全速设备（12 Mbps），就将提升电阻接至 D＋信号线与电源之间的位置。如果是低速设各（1．5 Mbps），就将提升电阻接到 D 一信号线与电源之间的位置，如图 1．15 所示。这个电压源的范围为 3．0～3．6 V。但对于 USB 2。0 的高速传输，这个提升电阻被省略，改以自动切换的方式。最后，D＋与 D- 两条信号线在 PC 主机的根集线器或集线器端同时接上 15 kΩ的下拉电阻并连至接地端。用户也可视这些下拉电阻为集线器端电阻。

　　图 1 全速设备与 PC 主机之间电气特性的连接图

　　图 2 低速设备与 PC 主机之间电气特性的连接图

　　整个 PC 主机与设备之间的电气特性是如何操作的呢？首先，在设备未连接至 PC 主机的根集线器或集线器的连接端口时，D＋与 D- 两条信号线因为下拉电阻的关系，几乎都视为接地，但是若有一个设各刚连接上时，由于提升电阻（1．5 kΩ）与下拉电阻（15 kΩ）形成了一个分压器；因此其中有一条数据信号线（D＋或 D-）的电位将被提升至电压 Vdc 的 90％左右。此时，当集线器检测到其中的一条数据信号线趋近 3 Vcc，而另外一条仍维持接地状态时就可确定有一设备已连接上。PC 主机会不断地每隔一般时间来查询根集线器，检查 D＋与 D 一的电位变化，以了解设备的连接状态。