2.1 总线

2.1.1 总线的含义与类别

1.总线的含义

计算机作为控制设备在测试与控制领域中得到了广泛应用并形成了多种类型的应用系统。在应用系统内部，有各种单元模块，如I/O接口、A-D、D-A等。这些模块之间必然要进行信息交换，而在各个独立的应用系统之间，也需要进行必要的信息交换。

无论信息传送的方式如何，都必须遵循某种原则，如内部插件的几何尺寸应相同，插头、插座的规格应统一，针数应相同，各个插针的定义应统一，控制插件应相同，信号定义和工作时序应相同等，这就导致了“总线”的诞生。

所谓总线，就是在模块和模块之间或设备与设备之间的一组进行互连和传输信息的信号线，是一种在各模块间传送信息的公共通道。

总线就是一组信号线的集合，用这个集合可以组成系统的标准信息通道，它定义了各引线的信号、电气、机械特性，使计算机内部各组成部分之间以及不同的计算机之间建立信号联系，进行信息传送。它可以把计算机或控制系统的模板或各种设备连成一个整体以便彼此间进行信息交换。

总线是计算机控制系统的重要组成部分。总线的性能对计算机控制系统的性能具有举足轻重的作用。采用总线技术，可大大简化系统结构，增加系统的开放性、兼容性、可靠性和可维护性。

2.总线的类别

总线的类别很多，按照功能和用途可分为内部总线和外部总线；按应用的场合可分为芯片总线、板内总线、机箱总线、设备互连总线、现场总线及网络总线等；按总线的作用域可分为全局总线和本地总线；按标准化程度可分为标准总线和非标准（专用）总线等；按其传送数据的方式可分为串行总线和并行总线。

内部总线是计算机内部功能模板之间进行通信的总线，它按功能又可分为数据总线、地址总线和控制总线3部分，每种型号的计算机都有自身的内部总线。

外部总线是计算机与计算机之间或计算机与其他智能设备之间进行通信的连线，又称为通信总线。

计算机内部总线一般采用三总线结构，如图2-2所示。

（1）数据总线

数据总线用于CPU与其他部件之间传送信息（数据和指令代码），是双向传输的，即CPU通过数据总线可以接收来自其他部件的信息，也可以通过数据总线向其他部件发送信息。数据线的宽度表示总线数据传输的能力，反映了总线的性能。

（2）地址总线

地址总线用于传送CPU要访问的存储单元或I/O接口地址信号。地址信号一般由CPU发往其他芯片，属于单向总线。

地址总线的数据位数决定了该总线构成的微机系统的寻址能力。地址总线的宽度视CPU所能直接访问的存储空间的容量而定。

（3）控制总线

控制总线用于传输控制命令和状态信息。比如，I/O读写信号、存储器读写信号和中断信号等。根据不同的使用条件，控制总线有的为单向，有的为双向。

2.1.2 总线的优点

总线是联系计算机及控制设备的纽带。由于总线中每一条线、每一个信号都有严格的定义，因此总线标准就是系统的结构法规。一旦选中某种总线，任何厂家和用户都要严格遵守这个法规，这就使系统设计、生产、使用和维护上具有很多优越性。

总之采用总线有以下优点：

（1）简化系统结构

所有的模块都做成相同的接插板通过总线连接，使系统的结构清晰，简单明了，节省了连接线，简化了系统的设计和制造工序。用户可根据需要直接选用符合总线标准的功能板卡，而不必考虑板卡插件之间的匹配和兼容问题。

（2）简化硬件与软件的设计

由于面向总线的结构中总线是严格定义的，挂在总线上的模块或设备只需满足总线标准并辅以相应的软件即可正常工作。因此，可以分别对各个模块或设备进行设计，而无须考虑其他模块或设备。

由于硬件是积木式接插件结构，也给整个软件设计带来了特有的模块性，每一块插件在系统中仅与总线打交道，从而使硬件的调试简单，调试周期短，节省工时。

加之模块化程序设计可供多个用户重复使用，提高了效率，降低了成本，缩短了研制周期。

（3）便于系统的扩展与更新

由于总线的标准具有国际性，规范是公开的，因此各国厂商都可根据市场的需要，设计和生产符合某总线标准的功能模块和配套软件。接插板由多个厂家生产，用户有了选择的余地，并能选到最优的产品，从而有利于产品的更新换代。

如果要扩展规模，只需往总线上多插几块同类型的插件；如果要变换功能，用户只需选择相应的功能板卡插在总线插槽上即可构成新的系统，无需重新设计；如果要扩充新功能，只要根据总线标准，设计制造新的模块即可。

随着电子技术的发展，产品的更新换代是必然的。如果采用总线结构，在要提高产品性能时，只要更换新型器件，不必对系统做出大的更改，有时只需更换个别模块即可。

（4）便于组织生产，提高产品质量，降低产品造价

由于采用总线的系统产品模块化，各模块间可通过总线规约进行联系，又由于各模块有一定的独立性，方便组织专业化生产，使产品的性能和质量得到进一步提高。

模块的单一性可简化设备的调试，降低对调试工人的技术要求，便于组织大规模生产，降低产品的造价。

（5）可维护性好

采用总线标准模块化设计的产品，一般都有较好的诊断软件，很容易诊断到模块级的故障，因此，一旦发现故障可立即更换模块，系统很快就可修复。

2.1.3 总线标准

总线是计算机系统的组成基础和重要资源，是联系计算机内部各部分资源的高速公路，是联系计算机及控制设备的纽带。因此，计算机系统中总线结构性能的好坏、速度的高低和总线结构的优化合理程度将直接影响到计算机的性能。

总线标准的建立对计算机应用和普及是至关重要的。总线标准就是系统的结构法规。

总线上的各个单元，如芯片之间、扩展卡之间以及系统之间，如果要进行正确的连接与传输信息，就应遵守一定的协议与规范，即总线标准。

为了可靠有效地进行各种信息交换而对总线信号传送规则及传送信号的物理介质所做的一系列物理规定称为总线规约，某一标准化组织批准或推荐的总线规约称为某种总线标准。

总线标准包括：总线系统的结构、各个信号线（接口引脚）的功能定义、总线工作的时钟频率、传输速率的设定、信息格式的约定、信号的逻辑电平规定、时序的安排和要求、电路驱动能力、抗干扰能力、机械规范（包括接插件的几何形状与尺寸）和实施总线协议的驱动与管理程序等。

常用的外部总线标准有IEEE-481并行总线和RS-232C串行总线。对于远距离通信、多站点互联通信，还有RS-422和RS-485总线标准。最典型的内部总线标准有ISA总线、PCI总线等。

图2-3是某型号计算机主板上的PCI和ISA插槽示意图。其中有5个短的、白色的PCI插槽，2个长黑色的ISA插槽。

在系统设计中，具体选择哪一种总线标准，要根据通信距离、速率、系统拓扑结构、通信协议等要求来综合分析确定。