几种设备总线标准

几种设备总线标准
在计算机系统中，设备或部件间的连接除了总线技术外，还有标准接口技术。

标准接口也是为了便于模块化的结构而设计的。

接口与总线的区别在于，接口一般是指主机与某类外设之间的适配电路，其主要功能是解决主机与外设在电压等级、信号形式和速度上的匹配问题。

因此，不同类型的外部设备需要与之相应的接口（标准），不同的接口是不通用的。

而总线主要是用于连接部件或设备的。

目前也出现了一些接口标准，允许连接多种不同的外部设备，如USB、IEEE1394等。

人们也把它们称为外设总线或设备总线。

一、EIA-232D/ RS-449串行接口标准
RS-232C是美国电子工业协会（EIA）正式公布的串行总线标准，也是目前最常用的串行接口标准，用来实现计算机之间、计算机与外部设备之间的数据通信，信号最高传输速率为19.2kb/s，最大传输距离为30m，适合于短距离或带调制解调器的通信场合。

它要求使用DB-25连接器。

图4.14为RS-232C使用的DB-25连接器机械特性。

图4.4为RS-232C的标准接口信号。

它分为3组：供主信道使用的(带*号者，共15条)、
供辅信道使用的和未定义的。

辅信道也是一个串行信道，但其速率远低于主信道。

在一般的设备中并不需要用到信道的所有信号线。

RS-449是EIA 1977年制定的一种串行物理接口功能标准，并于1980年成为美国标准。

其机械性能明确规定了37脚及9脚两种标准接口连接器。

其电气性能依据RS-422A3X，RS-423A以及RS-485电气标准。

它的最大传输距离达1200m，信号最高传输速率为100 kb/s。

二、IDE接口与SCSI接口总线
IDE与SCSI是硬盘和光驱目前应用最广泛的两个接口标准。

一般来讲，在微机中用IDE 接口，在工作站/服务器或小型机中使用SCSI接口。

1、IDE接口和EIDE接口
IDE（Integrated Device Electronics，集成设备电子部件）是从IBM PC/AT上使用的A TA （Advanced Technology Attachment 高级技术附件规格）接口发展而来，故又称ATA端口。

它的最大的特点是把控制器集成到驱动器内，从而可以消除驱动器和控制器之间的数据丢失，使数据传输十分可靠。

采用这种接口的硬盘称为IDE硬盘。

IDE接口有如下三点限制：（1）读写磁盘的数据传输率一般不超过1.5MB/s。

（2）最多可连接两个IDE设备。

（3）如果连接磁盘驱动器，每个磁盘的容量不超过528MB。

随着计算机系统对硬盘速度和容量要求的提高，增强的IDE接口标准就应运而生，其标准改进如下：
（1）读写磁盘的数据传输率可达12MB/s~18MB/s。

（2）最多可连接4个IDE设备
（3）每个磁盘驱动器的容量可超过528MB
后来，IDE接口采用了由著名的硬盘厂商昆腾（Quantum，后为迈拓所收购）与Intel 共同制定Uitra DMA/33/66/100的A TA/IDE新型接口技术。

目前，UltraDMA/133是第七代硬盘接口标准使硬盘与主机间的传输速率达到133 Mb/s，硬盘的容量也突破137GB限制。

由于采用了独特的数据传输线和CRC（循环冗余校验码）技术，还提高了传输数据的完整性。

2、SCSI总线
SCSI是小型计算机系统接口“Small Computer System Interface”的简称,在服务器和图形工作站中被广泛采用。

1986年美国国家标准局（ANSI）在原SASI(美国Shugart公司的Shugart Associates System Interface)接口基础上，经过功能扩充和协议标准化，制定出SCSI 标准，后来又被国际标准化组织（ISO）确认为国际标准。

它最初主要为管理磁盘而设计，是一种基于通道的接口。

除了硬盘使用这种接口以外，SCSI 接口还可以连接CD-ROM 驱动器、扫描仪和打印机等。

图4.16是SCSI系统结构示意图。

图中多个适配器（接口)与设备控制器通过SCSI总线实现数据信息通信。

这些连接在SCSI总线上的适配器和设备控制器称为SCSI设备。

应当注意，SCSI具有与设备和主机无关的高级命令系统；SCSI设备都是有智能的总线成员，它们之间无主次之分，只有启动设备和目标设备之分，这是它与外设的区别。

控制器与外设之间的总线是设备级总线。

SCSI总线包括并行数据总线和控制总线。

数据总线传输命令、消息、状态、数据等。

控制总线传输总线的阶段变化、时序变化等总线活动。

SCSI于1986年成为ANSI标准SCSI-1，1990又推出了SCSI-2标准。

从20世纪90年代开始，ANSI SCSI委员会开始制定SCSI-3规范，并在20世纪90年代中期推出了Ultra SCSI 作为过渡性方案。

SCSI接口标准的主要特性如下：
（1）SCSI是系统级的标准输入输出总线接口，可以与各种采用SCSI接口标准的外部设备相连，如硬盘驱动器、光盘、CD-ROM、磁带、扫描仪、打印机以及计算机网络通信设备等。

总线上的主机适配器和SCSI外设的总数最大8个。

（2）SCSI支持多任务并行操作，具有总线仲裁功能。

SCSI上的适配器和控制器可以并行工作，在同一个SCSI控制器控制下的多台外设也可以并行工作。

（3）SCSI可以按同步方式和异步方式传输数据。

SCSI-1在同步方式下的数据传输速率为4 Mb/s，在异步方式下为1.5 Mb/s，最多可以支持32个硬盘；SCSI-2 将SCSI-1的8位数据总线电缆称为A电缆，增加了一条B电缆——进行16位和32位的数据传送，使同步传输速度达到了20 Mb/s；1998年推出的Ultra2 SCSI（LVD——低电压差分方式）采用16位数据总线，最高数据传输率达到80Mb/s；1998年9月发表的Ultra3 SCSI的Ultra160/m ，进一步将数据传输率提高到160Mb/s。

（4）SCSI有两种输出方式：单端输出方式下的连接长度限制为6m，差分输出方式下的连接长度限制为25m。

（5）SCSI总线上的设备没有主从之分，双方平等。

驱动设备和目标设备之间采用高级命令进行通信，不涉及外部设备的物理特性。

因此使用方便、适应性强，便于集成。

三、USB总线
1、概述
USB（Universal Serial Bus，通用串行总线）是由Compaq、Digital、IBM、Intel、Microsoft、NEC和Nothern Telecom7家公司共同开发的，1995年11月，USB 0.9规范正式提出1998年发布USB 1.1，目前已经推出USB 2.0。

表4.5为USB 1.1与USB 2.0的主要特性比较。

2、USB的特点
（1）使用方便，使用USB接口可以连接多个不同的设备,而过去的串口和并口只能接一个设备,因此,从一个设备转而使用另一个设备时不得不关机。

使用USB则可立即把拔掉一个设备而插上两一个设备，即支持热插拔。

在软件方面,USB设计的驱动程序和应用软件可以自动启动,无需用户做更多的操作,这同样为用户带来极大的方便。

USB设备也不涉及IRQ冲突问题。

USB口单独使用自己的保留中断,不会同其它设备争用PC机有限的资源,同样为用户省去了硬件配置的烦恼。

（2）速度够快，USB接口的最高传输率可达每秒12Mb,比串口快了整整100倍,比并口也快了十多倍。

（3）连接灵活，USB接口支持多个不同设备的串列连接,一个USB口理论上可以连接127个USB设备。

连接的方式也十分灵活,既可以使用串行连接,也可以使用中枢转接头（Hub）,把多个设备连接在一起,再同PC机的USB口相接。

一个USB控制器可以连接多达127个外设,而每个外设间距离（线缆长度）可达5米。

USB能智能识别USB链上外围设备的插入或折卸,USB为PC 的外设扩充提供了一个很好的解决方案。

（4）独立供电，USB电源能向低压设备提供5伏的电源,因此新的设备就不需要专门的交流电源了,从而降低了这些设备的成本并提高了性价比。

（5）支持多媒体，USB提供了对电话的两路数据支持。

USB可支持异步以及等时数据传输,使电话可与PC 集成,共享语音邮件及其它特性。

（6）USB存在的问题，尽管在理论上,USB可以实现高达127个设备的串列连接,但是在实际应用中,也许串联3到4个设备就可能导致一些设备失效。

而且,实际的USB产品中,只有键盘是有一个输入口、一个输出口的设备,其它的则只有一个输入口而已,根本无法再连接下一个USB设备,所以当前的USB应用中,使用Hub来连接多个USB设备是必需的。

另一个问题出在USB的电源上,尽管USB本身可以提供500mA的电力,但一旦碰到高电耗的设备,就会导致供电不足。

解决这个问题的办法仍然是使用Hub。

3、USB的拓扑结构
在USB规范中，要求主控器具有根集线器的功能，为HUB设备与主控器设备之间提供电气接口，进行数据传输。

通常根集线器集成在主控器中，具有2~4个USB端口，连接采用“级联”方式。

USB的最大串接能力为5个Hub集线器级联，最长扩展连接能力为30 m。

4、USB的接口接头
USB接口采用长方形插座和插头，有9针和4针两种（目前广泛采用的是4针引脚的USB接口接头）。

4针USB接口的引脚定义如下所述。

◆引脚1：+5V电源引脚Vcc；
◆引脚2：数据输入/数据同步引脚RD；
◆引脚3：信号接地引脚GND；
◆引脚4：数据输出/时钟同步引脚TD。

5、USB系统总线结构
图4.19所示为USB系统功能结构图。

它的几个功能组成部分分述如下。

◆客户驱动程序：用于与特定的USB设备通信，通常由USB设备制造商或作为操作系统的一部分提供；
◆USB驱动程序（USBD）：作为操作系统中支持USB设备的系统软件；
◆主控制器驱动程序（HCD）：在主控制器的客户软件与USB设备间进行点对点的通信，用于USB主控硬件为USBD解释/建立帧列表等，对USB主控制器进行管理；
◆主控制器（HC）：执行HCD产生的指令列表；
◆USB设备。

四、IEEE 1394总线
IEEE 1394，又称为FireWire或iLink，是一种高效的串行接口,目前已经成为数码影象设备的传输标准，它定义了数据的传输协定及连接系统,可以较低的成本达到较高的性能,以增强电脑与外设如硬盘,打印机,扫描仪的连接能力。

它的前身是Apple公司于1985年开始研究、1987年发布的FireWire（“火线”），1992年被接纳为IEEE 1394规范。

其后的第一个版本是1995年发布的IEEE 1394-1995，在这个标准中，传输速率被定义为：98.304/196.608(2×)/ 393.216(4×)Mb/s，即大约100/200/400Mb/s，通常就称为S100/S200/S400。

后来先后推出的IEEE P1394a，以及P1394-1999，P1394-2000都在保持传输速率不变的前提下，对控制性能和互操作性进行了较大改善。

1、IEEE 1394 的主要技术特点
（1）支持高速应用并且有可升级性能。

目前IEEE 1394规范的传输速率为100~400 Mb/s，可以连接高速设备，如DVD播放机、数码相机、硬盘等。

IEEE 1394B可以升级到800 Mb/s、1.6 Gb/s甚至3.2 Gb/s。

（2）分层的主控制器结构。

IEEE 1394的拓扑结构中不需要集线器（hub）就可以连接63台设备（接点间距离为4.5 m），并且可以由网桥再将这些独立的子网连接起来。

它采用树型或菊花链结构，设备间电缆最大长度4.5 m；采用树型结构时可达16层，从主机到最末端总长可达72 m。

（3）同时支持等时和异步两类传输模式。

在异步数据传输模式下，信息传输可以被中断；在等时传输模式下，数据能在不受任何中断和干扰的情形下实现连续传输。

IEEE 1394同时支持等时和异步两种数据传输模式，即在等时数据传输的同时可以进行异步数据传输，在一定时间内能进行数据的顺序传输，以便将数字声音、图像等实时、准确地传输到接收设备。

（4）采用基于内存的地址编码，具有64位地址，将资源看作内存单元和寄存器，可以
按照CPU访问内存的速率进行读写操作。

因而可以获得高速传输能力。

（5）采用对等结构，不强调要由计算机控制这些设备。

而USB必须通过hub（集线器）来实现多重连接，并且一定要由计算机作为总的控制。

（6）IEEE 1394的拓扑结构在其外部设备增减时，会自动重设网络。

（7）其他性能指标：信号线条数：6（电源2、信号4）/4（无电源）；支持系统：Windows 98；支持特性：PnP，热插拔。

2、EEE 1394的拓扑结构
IEEE 1394拓扑呈树型结构，在树型结构中包含两个以上节点：有的节点只有一个端口，有的节点有多个端口。

有一个端口的节点是其所在的分支的结束点，有两个以上端口的节点允许总线延续下去。

在IEEE 1394拓扑结构中，信号是点到点地传输的。

数据包传输到一个多端口节点后，要被检测、接收，并按中继器本地时钟重新等时化，然后转发到其他节点端口。

（1）动态自动配置
IEEE 1394不像其他总线那样依赖于一个处理器，它的所有节点都参与局限于串行总线的配置进程。

当系统初始化加电和节点加入或者移出总线时，该节点就会自动地执行1394 总线的管理功能。

（2）点到点传输
IEEE 1394支持点到点传输，并且不需要主系统的干预。

这样，在启用设备之间的高速I/O时，不影响计算机系统的性能。

（3）设备插架
设备插架用于提供一种不用打开机箱盖就可以加入或更新外围设备的技术。

这样，IEEE 1394 就可以取代PCI总线插槽，改进计算机的结构。

五、IEEE 488总线
IEEE 488是并行总线接口标准，用来进行系统连接。

它按照位并行、字节串行双向异步方式传输信号。

最多可连接15台设备，最大传输距离为20m，一般信号传输速率为500kb/s，最大传输速率为1 Mb/s。