现代测试技术第章测控总线技术优质PPT.pptx
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因此,从传统的观念来看,不同的接口标准是不能通用的。
但是,随着计算机技术的迅速发展,新的接口标准不断出现（如USB、IEEE1394等）,这些接口标准和传统的接口标准不同,它们允许同时连接多种不同的外设,具有一定的公用性。
第6章测控总线技术,总线标准与接口标准的特点总线标准与接口标准在概念上是不同的,但是,往往有些资料把一些接口标准说成是总线标准,实际上两者之间是有区别的。
总线标准的特点总线标准的特点如下：
公用性,同时挂接多种不同类型的功能模块。
在机箱内以总线扩展插槽形式提供使用。
一般为并行传输。
定义的信号线多,包括分离的数据信号线、地址信号线和控制信号线以及电源线。
第6章测控总线技术,2）接口标准的特点接口标准的特点如下：
专用性,一般一个接口只接一类或一种设备。
一般设在机箱外,以接口插头（座）形式提供使用。
有并行和串行两种传输。
定义的信号线少,一般是控制信号线、数据信号线和地址信号线公用线。
第6章测控总线技术,总线和接口标准的分类总线的分类1）局部总线局部总线是介于CPU总线（即CPU内部的通信标准）和系统总线之间的一级总线。
它有两侧,一侧直接面向CPU总线,另一侧面向系统总线,分别由桥接电路连接。
由于局部总线离CPU总线更近,因此,外部设备通过它与CPU之间的数据传输速率将大大加快。
如果把一些高速外设从系统总线（如ISA）上卸下来,通过局部总线直接挂接到CPU总线上,使之与高速CPU总线相匹配,就会打破系统的IO瓶颈,充分发挥CPU的高性能。
局部总线又可分成如下3种:
（1）专用局部总线,一些大公司为自己系统开发的专用总线,无通用性。
第6章测控总线技术,VL总线（VESALocalBUS）,用于486机型的一种过渡性通用局部总线标准,现已经被淘汰。
PCI总线,先进的新的局部总线标准,目前的高档微机普遍采用这种标准。
系统总线系统总线是微机系统内部各部件（插板）之间进行连接和传输信息的一组信号线。
例如,ISA和EISA就是构成IBMPCX86系列微机的系统总线,可称之为标准总线。
系统总线是微机系统所特有的总线,由于它用于插板之间的连接,因此也叫做板级总线。
通信总线通信总线是系统之间或微机系统与设备之间进行通信的一组信号线。
例如,微机与微机之间所采用的RS-232C/RS-485总线,微机与智能仪器之间所采用的IEEE488/VXI总线,以及微机与外部设备之间所采用的USB和IEEE1394通用串行总线等。
第6章测控总线技术,2.接口标准的分类根据接口所连接的设备的性质与功能,接口标准一般可分为以下几类:
通用外设接口标准,支持多种外设以及家用电器的接口标准,如USB和IEEE1394通用串行接口标准。
外存储设备接口标准,支持磁盘、光盘、CD-ROM和磁带的接口标准,如IDE和SCSI并行接口标准。
图形显示器接口标准，支持图形显示卡的接口标准,如AGP新型视频接口标准。
传统的串行/并行接口标准,支持微机系统输入/输出的串行端口和并行端口,如RS-232C标准（包括UART8251、UART8250、UART16550）以及I2C接口标准和IEEE1284标准（Centronics、EPP、ECP）。
第6章测控总线技术,（5）测试仪器接口标准,支持智能测试仪器组成自动测试系统的接口标准,如IEEE488、VXI接口标准。
需要指出的是,上述列出的各种接口标准的外设是使用该标准最多的外设。
实际上,有的接口标准还可以支持其他外设,如SCSI除作为外存储设备接口标准以外,还可作为打印机、显示器等外设的接口标准。
第6章测控总线技术,总线的组成和性能参数总线的组成微机总线主要由数据总线、地址总线、控制总线、电源线和地线4部分组成。
数据总线用于传输数据,采用双向三态（通、断、高阻）逻辑。
常见的STD总线是8位数据线,ISA总线是16位数据线,EISA总线是32位数据线,PCI总线是32位或64位数据线,其中数据线的位数（也称总线宽度）表示总线的数据传输能力,反映总线的性能.,第6章测控总线技术,地址总线是微机传送地址信息用的,采用单向三态逻辑。
对任一总线而言,它所规定的地址数目决定了该总线系统所具有的寻址范围。
例如:
ISA总线有24位地址线,可寻址224=16MB;
EISA总线有32位地址线,可寻址232=4GB。
控制总线是微机传送控制和状态信号用的。
根据不同的使用条件,控制总线有的为单向,有的为双向,有的为三态,有的为非三态。
控制总线是最能体现总线特色的信号线,它决定了总线功能的强弱和适应性。
一种总线标准与另一种总线标准最大的不同就在于控制线,而它们的数据总线、地址总线可以相同或相似。
因此,可以这样说,数据总线的宽度表征了构成计算机系统的处理能力;
地址总线的位数决定了系统的寻址能力,表明构成计算机系统的规模;
而控制总线则代表总线的特色,表示该总线的控制能力.,第6章测控总线技术,电源线和地线决定总线使用的电源种类及地线分布和用法。
ISA、EISA采用12V和5V,PCI采用+5V或+3V,PCMCIA采用+3.3V。
这表明计算机系统向低电源发展的趋势,电源种类已在向3.3V、2.5V甚至1.7V方向发展。
以上4类信号线所组成的系统总线,一般都做成标准的插槽形式,插槽的每个引脚都定义了一根总线的信号线（数据、地址或控制信号线）,并按一定的顺序排列,我们把这种插槽叫做总线插槽。
微机系统内的各种功能模块（插板）,就是通过总线插槽连接的。
第6章测控总线技术,2.总线的性能参数市场上的微机所采用的总线标准是多种多样的,其主要原因是没有哪一种总线能够完美地适合各种场合的需要。
尽管各类总线在设计上有许多不同之处,但从总体原则上看它们的主要性能参数是可以比较的。
总线的常见性能参数如下:
总线时钟频率,即总线的工作频率,以MHz表示。
它是影响总线传输速率的重要因素之一。
总线宽度,即数据总线的位数,用位（bit）表示,如总线宽度为8位、16位、32位或64位。
总线传输速率,即在总线上每秒钟传输的最大字节数,用MB/s表示（每秒多少兆字节）。
若总线的工作频率为8MHz,总线宽度为8位,则最大传输速率为8MB/s；
若总线工作频率为33.3MHz,总线宽度为32位,则最大传输速率为133MB/s。
第6章测控总线技术,传输方式,有同步或异步之分。
在同步方式下,总线上主模块与从模块进行一次传输所需的时间（即传输周期或总线周期）是固定的,并严格按系统时钟来统一定时主、从模块之间的传输操作。
在异步方式下,采用应答式传输技术,允许从模块自行调整响应时间,即传输周期是可以改变的。
多路复用,若地址线和数据线公用一条物理线,即某一时刻该线上传输的是地址信号,而另一时刻传输的是数据或总线命令。
采用多路复用,可以减少总线的数目。
负载能力,一般采用“可连接的扩充电路板的数量”来表示,它反映了总线的负载能力。
第6章测控总线技术,信号线数,即总线拥有的信号线是数据线、地址线、控制线及电源线的总和。
信号线数与其性能不成正比,但与系统复杂度成正比。
总线控制方式,如传输方式（猝发方式）、并发工作、设备自动配置、中断分配及仲裁方式。
其他性能,如电源电压等级是5V还是3.3V,能否扩展64位宽度等。
第6章测控总线技术,6.1.4基于总线的自动测试系统接口系统包括总线电缆和接口电路两部分。
总线电缆是一组多芯无源电缆线,供信息传递。
接口电路则是各种逻辑电路,用于对自动测试系统中交流的信息进行发送、接收、编码、译码等。
接口系统是自动测试系统的重要组成部分。
采用标准接口系统是第二代自动测试系统的标志。
在组建自动测试系统时必须对各种标准接口系统进行认真地分析、比较,结合测试要求和使用环境特点做出合理的选择。
有时,可能还需要采用多种接口总线组成复合系统。
在自动测试系统中,按照总线标准的要求设置系统框架,并由系统计算机完成传统测试系统中人工完成的控制和数据处理工作,即可构成一个简单的基于总线的自动测试系统。
图61即为基于总线的自动测试系统（ATS）的简易框图。
第6章测控总线技术,图61基于总线的自动测试系统的简易框图,第6章测控总线技术,在图6-1中:
用户接口包括人机对话设备,如各种控制按钮、键盘和视频屏幕等;
控制器由专用或通用计算机承担;
测量仪器包括电压表、计数器、示波器等;
激励仪器包括动态激励装置（如摇摆台、转台等）和各种信号源；
开关组合用于实现采样信号和控制信号的多路转接;
外围设备包括各种显示记录仪器;
被测单元可以是整个系统或系统中的设备;
接口总线是系统中各种信息的传送通路,它将各种设备和仪器连接起来组成ATS系统,保证了ATS系统中各种控制信号及测试数据等信号正确、可靠地传输。
接口电路与设备间的连接总线电缆称为接口系统。
接口系统最初是为每个自动测试系统专门设计的。
第6章测控总线技术,现在,广泛流行的有从仪器制造行业发展起来的GPIB标准接口总线系统和从核物理实验系统发展起来的CAMAC标准。
此外,在传统产业技术革命和工业自动化的推动下,国际上流行的STD将CPU装入机箱可以适应小的测试系统的要求,组成单机箱的测试系统。
多个机箱内置CPU可以组成分布式系统。
机箱接入大的系统可以采用多种联系方式。
例如,GPIB总线连接多个机箱组成的系统可使系统处于GPIB的编程环境,也可经RS-232串行接口纳入测试系统,还可接到局域网以组成更大的分布式测试系统。
由于VXI总线的模块式仪器系统综合了个人仪器、智能仪器等各种优点,从而引起了电子测量和仪器仪表领域的广泛重视。
第6章测控总线技术,6.2常用微型机总线简介6.2.1STD总线STD总线是由美国的ProLog公司与Mostek公司共同发展起来的一种工业微型计算机系统的总线标准。
它于1978年12月正式公布,1985年2月被IEEE协会接受为并行内总线标准,称为IEEEP961,并作为标准总线给予推荐。
这是一种适合工业现场控制与监测用微机的总线标准,特别适合用来组建小型自动控制系统。
STD总线标准规定采用小型功能模板,每块模板的几何尺寸比较小,适用于存在机械振动的场合,组建系统灵活。
由于STD总线标准中采用的功能模板小,模板功能比较单一,因此在模板印制电路的设计中,其电磁兼容性可达到较高水准,抗干扰能力强,总线具有良好的抗干扰、防振动、抑噪声的性能,接口简单,适应性强,简单易学,容易普及且支持多微机处理系统。
实践还证明,STD总线可以修改与发展以适应最新技术,因此它是一种最适用于工业微型机系统的总线标准。
第6章测控总线技术,6.2.2XT/ISA/EISA总线XT总线标准是在IBM公司推出PC/XT个人电脑时提出的,用于扩充主板上没有提供的其他各种控制功能。
这些用来进行功能扩充的标准插槽信号,由分布在插槽A、B两边的62根信号线共同定义。
它与8088CPU兼容,具有20根地址线、8根数据线以及一些控制信号线、电源、逻辑地等接口信号线。
它支持7级硬件中断、3级DMA通道。
ISA（IndustrialStandardArchitecture）总线是IBM公司于1984年进一步扩充XT总线标准而形成的。
IBM公司推出的基于80286CPU的PC/AT微型计算机所采用的扩展总线标准就是ISA总线。
ISA总线标准支持24位的地址线、16位的数据线、15级硬件中断、7级DMA通道。
为了与XT总线保持向下兼容,ISA总线在信号功能的定义和物理接口上均做了特殊的安排,即保持原有的XT总线不变,重新增加一个36线的连,第6章测控总线技术,接插槽,分成C、D两面,扩充的功能均设计在C、D两面的信号线上。
自32位的80386CPU推出以后,由于其地址信号线和数据信号线均为32根,因此,ISA总线标准自然不能满足系统性能进一步提高的要求。
为了提高系统的整体性能,同时又考虑到向下兼容，1989年,以Compaq公司为代表,由Compaq、AST、HP、NEC、EPSON等公司,在ISA总线的基础上,推出了适应32位微处理器的系统总线标准EISA（ExtendedIndustrialStandardArchitecture）总线。
在此之前,IBM公司也推出了适应32位微处理器的系统总线标准MCA（MicroChannelArchitecture），但出于商业上的考虑,IBM公司未公开MCA的主要参数,MCA也不兼容ISA标准,因此最终阻碍了该标准的推广应用。
而EISA总线、ISA总线、XT总线分别向下兼容且性能优越,标准开放,这使得EISA总线的扩展插槽在个人计算机系统中有一定的生命周期。
第6章测控总线技术,工业PC中并没有正规化地使用过EISA总线,其原因在于ISA总线在相当长的时间内已经满足工业控制的需求,且新出现的PCI总线的性能优于EISA总线,这使得工业PC要么使用ISA总线,要么直接过渡到PCI总线,因此目前的PC一般只提供ISA总线插槽和PCI总线插槽。
第6章测控总线技术,6.2.3PC/104总线PC/104总线是超小型PC机所用的总线标准。
由于这种超小型PC机体积小,结构紧凑,在各种工业控制中很受欢迎,并被嵌入到对体积和功耗要求都很高的产品中（例如通信装置、商用终端、军用电子设备、机器人等设备之中）,因而常被称为嵌入式PC总线。
这种PC机有两个总线插头,其中P1有64个引脚,P2有40个引脚,共104个引脚（这也是PC/104名称的由来）。
总线及整机除小型化的结构外,在硬件和软件上与PC总线标准完全兼容,实质上是为了更好地满足工业控制或小型化外设的要求而开发出来的PC系列小型化机型。
第6章测控总线技术,使用PC/104总线的嵌入式PC机的主要优点如下:
使用超小尺寸的插板,包括CPU插板在内,全部功能插板均按PC/104标准设计,插板尺寸规定为90mm96mm,而一般PC系列微机的总线插板尺寸要大得多。
自堆（叠）总线结构,取消了底板和插槽,利用插板上的堆（叠）装总线插座,将插板堆叠连接在一起,如图6-2所示。
这种结构组装紧凑而灵活。
第6章测控总线技术,（3）总线驱动电流小（6mA）,功耗低（12W）。
为适应小型化要求,各插板都为VLSI器件、门阵列、ASIC芯片,以及大容量固态盘（一种用半导体存储器件RAM、ROM、EPROM、EEPROM等组成的存储系统,其数据组织及数据存取方法和磁盘机的相同,可以像存取磁盘数据那样存取固态盘的数据）。
目前使用PC/104总线的嵌入式PC机已相当流行,很多厂家生产了系列化的功能块,可满足不同用户的需要。
第6章测控总线技术,图62PC/104总线结构,第6章测控总线技术,USB总线概述在传统的接口电路中,用户必须为系统增加的每一种设备提供相应的接口或插座,并要准备相应的驱动程序,这给使用和维护带来了很大的困难。
而USB总线（UniversalSerialBus,通用串行总线）采用通用的连接器,使用热插拔技术以及相应的软件,使得外设的连接、使用大大地简化,因此受到了普遍的欢迎,已经成为流行的外设接口。
USB之所以得到广泛支持和迅速普及,是因为它具有以下优点:
用一种连接器类型连接多种外设。
USB对连接设备没有任何种类的限制,仅提出了准则和带宽上界。
用统一的4针插头,取代了机箱后种类繁多的串行/并行口插头,实现了将计算机常规I/O设备、多媒体设备（部分）、通信设备（电话、网络）以及家用电器统一为一种接口的愿望。
第6章测控总线技术,采用星形层式结构和Hub技术,允许一个USB主控机连接多达127个外设,用户不用担心要连接的设备数目会受到限制。
两个外设间的距离（电缆长度）可达5m,扩展灵活。
连接简单、快速。
USB能自动识别USB系统中设备的接入或移走,真正做到即插即用。
USB支持机箱外的热插拔连接,设备连到USB时,不必打开机箱,也不必关闭主板电源。
总线提供电源。
一般的串行/并行口设备都需要自备专门的供电电源,而USB能提供+5V、500mA的电源,供低功耗设备（如键盘、鼠标和MODEM等）作电源使用,免除了这些设备必须自带电源的麻烦。
同时,USB采用APM（AdvancedPowerManagement）技术,节省了系统能源。
速度加快了。
USB设备有两种速度：
高速（全速）为12Mb/s；
低速为1.5Mb/s。
这意味着USB的最高传输速率比普通的串行口快了100倍,比普通并行口也快了十多倍。
第6章测控总线技术,2.接口信号线USB总线（电缆）包含4根信号线,用以传送信号和提供电源。
其中,D+和D-为信号线,用来传送信号,是一对双绞线;
Vbus和GND是电源线,提供电源,如图6-3（a）所示。
相应的USB接口插头（座）也比较简单,只有4芯,上游插头是4芯长方形插头,下游插头是4芯方形插头,两者不能弄错。
在两根信号线的D+线上,当设备以全速传输时,要求接1.5（1+5）k的上拉电阻,并且在D+和D-线上分别接入串联电阻,其阻值为2944,如图6-3（b）所示。
USB设备的电源供给有两种方式:
自给方式（设备自带电源）和总线供给方式。
第6章测控总线技术,图63USB总线结构（a）USB总线结构；
（b）外接电阻的连接,第6章测控总线技术,3.USB的特性、设备及描述USB主机有一个独立于USB的电源管理系统（APM）。
USB系统软件通过与主机电源管理系统的交互过程来处理诸如挂起、唤醒等电源事件。
为了节省能源,它还可以将暂时不用的设备置为挂起状态,等有数据传输时,再唤醒设备。
USB允许具有不同传送速度的各个节点设备相互通信。
USB2.0标准的最高传输速率可达480Mb/s。
USB设备是通过描述符来报告它的属性和特点的。
描述符是一个有一定格式的数据结构。
每个USB设备都必须有设备描述符、设置描述符、接口描述符和端点描述符。
这些描述符提供的信息包括目标USB设备的地址、传输类型、数据包的大小和带宽请求等。
设备描述符包含了设备设置所用的默认管道的信息,第6章测控总线技术,和设备的一般信息;
设置描述符包含了设置的一般信息和设置时所需的接口数,每个设置有一个或多个接口，当主机请求设置描述符时,端点描述符和接口描述符也一同返回；
接口描述符提供接口的一般信息,也用于指定具体接口所支持的设备类型,以及用该接口通信时所用的端点描述符数；
端点描述符包含的是它所支持的传输类型（4种）和最大传输速率。
用户驱动程序通过设备的描述可以获得有关信息,特别是在设备接入时,USB系统软件根据这些信息进行判断和决定如何操作,这个判断和决定的过程是依靠描述符来完成的。
第6章测控总线技术,IEEE1394总线概述IEEE1394是Apple公司于1993年首先提出,用以取代SCSI的高速串行总线,后经IEEE协会于1995年12月正式接纳成为一个工业标准,全称为IEEE1394高性能串行总线标准。
IEEE1394总线有如下特征:
遵从IEEE1212控制和状态寄存器结构标准。
总线传输类型包括块读/写和单个4字节读/写。
传输方式有同步（等时）和异步两种。
自动地址分配,具有即插即用功能。
采用公平仲裁和优先级相结合的总线访问,保证所有节点有机会使用总线。
第6章测控总线技术,提供两种环境,即电缆环境和底板环境,使其拓扑结构非常灵活。
支持JP2多种数据传输速率,例如在电缆环境下,速率有98.304Mb/s、196.608Mb/s和393.216Mb/s。
两个设备之间最多可相连16个电缆单位,每个电缆单位的距离可达4.5m,这样最多可用电缆连接相距72m的设备。
IEEE1394标准的接口信号线采用6芯电缆和6针插头,其中4根信号线组成两对双绞线传送信息,2根电源线向被连设备提供电源。
第6章测控总线技术,2.主要性能特点IEEE1394总线的主要性能特点如下：
通用性强。
IEEE1394采用树型或菊花链结构,在一个接口上以级联方式最多可以连接63个不同种类的设备。
IEEE1394连接的设备不仅数量多,而且种类广泛,包括多媒体设备（声卡、视频卡）、传统的外设（如硬盘、光驱、打印机、扫描仪）、电子产品（如数码相机、DVD播放机）以及家用电器等。
它为微机外设和电子产品提供了一个统一的接口,对实现计算机家电化起到了重要的推动作用。
传输速率高。
IEEE1394支持的最高数据传输速率为400Mb/s。
实时性好。
由于IEEE1394的高传输速率,再加上它的同步传送方式,使数据传送的实时性好,因而能有效地保证图像和声音不会出现时断时续的现象,这对多媒体数据特别重要。
第6章测控总线技术,对被连设备提供电源。
IEEE1394电缆由6芯组成,其中4条信号线分别做成两对双绞线,用以传输信息,其他2条线作为电源线,向被连接的设备提供（410）V/1.5A的电源。
由于IEEE1394总线能够向使用设备提供电源,因此可以免除为每台设备配置独立的供电系统,同时,当设备断电或出现故障时,也不会影响整个系统的正常运行。
系统中设备之间是平等关系。
任何两个带有IEEE1394接口的设备可以直接连接,不需要通过PC机的控制。
因此,在PC机关闭的情况下,仍可以把DVD播放机与数字电视机直接连接起来,插放光盘节目。
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