01

　　外部總線概述

　　Bus" target="_blank">ExternalBus（外部總線） ，通常所說的總線(Bus)指片外總線，是 CPU 與內存 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已有的總線，而是利用電子工業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。

　　02

　　IEEE-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，如微計算機、數字電壓表、數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時，不要再加一大堆復雜的控制電路，IEEE 488 系統以機架層疊式智能儀器為主要器件，構成開放式的積木測試系統。因此 IEEE 488 總線是當前工業上應用最廣泛的通信總線之一。

　　03

　　IEEE-488 總線工作方式

　　IEEE 488 總線接口結構如圖 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?？梢圆捎么羞B接，也可以采用星型連接。

　　圖 8.22 IEEE 488 總線接口結構

　　在 IEEE 488 系統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，它從數據總線上接收數據，一個系統在同一時刻，可以有兩個以上的“聽者”在工作?？梢猿洚敗奥犝摺惫δ艿脑O備有：微型計算機、打印機、繪圖儀等。

　　(2) “講者”方式這是一種發送器，它向數據總線發送數據，一個系統可以有兩個以上的“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布命令的設備，例如對其它設備尋址，或允許“講者”使用總線?？刂普咄ǔＳ晌⑿蜋C擔任。一個系統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。在某一時刻系統只能有一個控制者，而當進行數據傳送時，某一時刻只能有一個發送器發送數據，允許多個接收器接收數據。也就是可以進行一對多的數據傳送。

　　一般應用中，例如，微型機控制的數據測量系統，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、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、發功能。當總線工作時，由控制者發布命令，規定哪個設備為發送器、哪個為接收器，而后發送器可以利用總線發送數據，接收器從總線上接收數據。

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　　IEEE-488 總線的使用約定

　　(1) 數據傳輸速率≤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。這種情況應附加調制解調器

　　(5) 所有數據交換都必須是數字化的。

　　(6) 總線規定使用 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”。

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　　RS232C 總線的概述

　　RS-232-C 是美國電子工業協會 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。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，如一條發送線、一條接收線及一條地線。RS-232-C 標準規定的數據傳輸速率為每秒 50、75、 100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200 波特。RS-232-C 標準規定，驅動器允許有 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 以內的通信。

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　　RS232C 的電氣特性

　　EIA－RS－232C 協議對電器特性、邏輯電平和各種信號線功能都作了規定。

　　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，正電壓）＝＋3V～＋15V

　　信號無效（斷開，OFF 狀態，負電壓）＝－3V～－15V

　　以上規定說明了 RS－323C 標準對邏輯電平的定義。

　　對于數據（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（ON）即信號有效的電平高于＋3V，斷開狀態（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 協議與 TTL 轉換：

　　RS－232C 協議是用正負電壓來表示邏輯狀態，與 TTL 以高低電平表示邏輯狀態的規定不同。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 協議與 TTL 電路之間進行電平和邏輯關系的變換。實現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換器件，如 MC1488、SN75150 芯片可完成 TTL 電平到 EIA 電平的轉換，而 MC1489、SN75154 可實現 EIA 電平到 TTL 電平的轉換。MAX232 芯片可完成 TTL??EIA 雙向電平轉換。

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　　RS232C 總線連接器的機械性

　　連接器：由于 RS－232C 協議并未定義連接器的物理特性，因此，出現了 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。

　?。?）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 電流環信號 9 個（12，13，14，15，16，17，19，23，24）

　?、劭?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 協議規定，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定，驅動器的負載電容應小于 2500pF。

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　　RS422 總線概述

　　RS-422 是串行數據接口標準，最初都是由電子工業協會（EIA）制訂并發布的，RS-422 由 RS-232 發展而來，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。一種單機發送、多機接收的單向、平衡傳輸規范，被命名為 TIA/EIA-422-A 標準。

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　　RS232、RS485 和 RS485 的之間的區別

　　RS-232、RS-422 與 RS-485 標準只對接口的電氣特性做出規定，而不涉及接插件、電纜或協議，在此基礎上用戶可以建立自己的高層通信協議。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，還提供協議接口，如 RS422 接口除支持 RS422 的 Profile 協議外，還支持 Louth、Odetics 、BVW 等通過 RS422 控制的協議。

　　RS-232、RS-422 與 RS-485 都是串行數據接口標準，都是由電子工業協會（EIA）制訂并發布的，RS-232 在 1962 年發布。RS-422 由 RS-232 發展而來，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 是一種單機發送、多機接收的單向、平衡傳輸規范，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，即允許多個發送器連接到同一條總線上，同時增加了發送器的驅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、發端的數據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，在發送數據時，發送端驅動器輸出正電平在+5~+15V，負電平在 -5~-15V 電平。當無數據傳輸時，線上為 TTL，從開始傳送數據到結束，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、發設備）通訊而設計的，其驅動器負載為 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

　?。?）平衡傳輸

　　RS-422、RS-485 與 RS-232 不一樣，數據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，發送驅動器 A、B 之間的正電平在+2~+6V，是一個邏輯狀態，負電平在 -2V~6V，是另一個邏輯狀態。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?！笆鼓堋倍耸怯糜诳刂瓢l送驅動器與傳輸線的切斷與連接。當“使能”端起作用時，發送驅動器處于高阻狀態，稱作“第三態”，即它是有別于邏輯“1”與“0”的第三態。

　?。?）RS-422 電氣規定

　　由于接收器采用高輸入阻抗和發送驅動器比 RS232 更強的驅動能力，故允許在相同傳輸線上連接多個接收節點，最多可接 10 個節點。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送和接收通道，因此不必控制數據方向，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。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。

　?。?）RS-485 電氣規定

　　由于 RS-485 是從 RS-422 基礎上發展而來的，所以 RS-485 許多電氣規定與 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送狀態，因此，發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 可以聯網構成分布式系統，其允許最多并聯 32 臺驅動器和 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 的規范，所以 RS-485 的驅動器可以用在 RS-422 網絡中應用。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。

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　　串行總線協議轉換器

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

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　　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構，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議，支持主機和 USB 的外圍設備之間的數據傳輸。通用串行總線支持每秒 12 兆比特的數據速度。

　　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，以及北方電信開發的，還有所有的計算機和設備供應商免費提供的技術。

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　　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，數據量通常較小，主要用來進行查詢、配置和給通用串行總線設備發送通用的命令?？刂苽鬏斨饕迷谥饔嬎銠C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據傳輸，或者用于要求恒定的數據傳送率的即時應用中。例如進行語音業務傳輸時，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據要傳送，該傳輸方式應用在少量的、分散的、不可預測的數據傳輸。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據的傳送和接收，它要求保證傳輸。打印機和掃描儀屬于這種類型。

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　　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總線（Parellel Bus，例如 EPP、LPT）與串聯埠總線（Serial Port，例如 RS-232）等傳統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，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、數碼相機、打印機、硬盤和網絡部件。對數碼相機這樣的多媒體外設 USB 已經是缺省接口；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 年已經有超過 1 億臺 USB 設備；到 2005 年顯示器和高清晰度數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。

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　　通用串行總線的電氣特性

　　詳細的 USB 的電器特性的相關內容是在 USB 規范。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- 的差動數據信號線。首先，在連接至 USB 收發器之前必須先串接 9O～44Ω的電阻。而后根據不同的 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；因此其中有一條數據信號線（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據信號線趨近 3 Vcc，而另外一條仍維持接地狀態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。