5章作业答案

第5章计算机测控系统中的总线与接口。

习题与思考题。

1．总线有哪些基本操作？总线有哪些性能指标？

2．总线标准与接口标准有什么不同？

3．为什么计算机应用系统一定要配置i/o接口？

4．接口的基本结构是什么？i/o接口有那几种控制方式？

5．计算机控制系统的开关量输出信号有何用处？举出几种产生开关信号的传感器。

6．查阅文献，了解计算机控制系统中过程通道常用的测控电路（a/d转换器、d/a转换器、多路转换开关、采样保持器、程控增益放大器等）的工作原理、产品信息。

解答（部分）

1．总线有哪些基本操作？总线有哪些性能指标？

总线的基本操作：

广义上说，总线就是传输信息的公共通路，挂在总线上的所有设备都可以发出信息传输命令，进行信息传送，此时这个设备称为总线主设备，而其它则被称为总线从设备。挂在总线上的每个设备都可以成为总线主设备，都可以发出信息传输命令，这就有可能发生信息传输时的冲突。显然，为了保证信息传输的正确性，某一时刻只允许一个主设备发布命令，这就需要一个仲裁机构解决某时刻总线的占有权问题。

当仲裁机构决定某设备作为总线主设备占有总线时，其它挂在总线上的设备此刻为从设备。主设备将其地址信息放在总线上，以选择与其通信的从设备。从设备应具备识别地址的功能，当主设备地址被某一从设备认可，该从设备即可与主设备进行信息交换，被读或被写。

任何设备都不能长期占用总线，当进行一次或几次信息交换之后，必须放弃总线占有权。

为了解决总线的占有权，就需要有一套总线规约以管理总线。多数总线操作都采用定时信号进行同步，定时信号用以指明总线上的数据和地址什么时候是有效的。几乎所有的总线都有中断处理机构，以处理总线上某一设备向另一设备发出的请求信号，要求后者注意并进行某种服务。

还需要提及的是，为了减少总线信号的数目，有些总线系统采用复用技术，如地址线与数据线分阶段在同样的数据—地址线上传输。显然，复用技术降低了总线的传输速度及性能，但也同样降低了总线的造价。以下就上述总线的基本操作加以说明。

1）总线仲裁。

一般挂在总线上的每一个主设备都设有专用的总线请求及总线允许线作为应答信号，用以决策总线占有权。总线仲裁有三种方案：集中仲裁、链路方式及分布式仲裁方式。

集中仲裁方式利用优先级方案进行仲裁，优先级方案则有多种选择，如有一种方案允许优先级高的设备长期占用总线；另一种方案则可按时间仲裁，不允许某设备长期“霸占”总线，这种方案的总线仲裁及数据传送操作并行工作，互不影响，但挂在总线上的设备越多，那么，总线请求，允许线数目也越多，结构越复杂。链路方式中总线请求，允许线是公用的，主设备占用总线的优先级按其在链路中的位置决定。某一设备占用总线，总线允许信号就不下传，从而避免了总线冲突，但最大的问题是无法满足中断请求优先处理问题，离开仲裁电路越远的设备，总线占有率越低。

分布式仲裁方案的特点是仲裁过程在每一个主设备中完成，当某一主设备在总线上置起它的优先级**时，即开始了一个仲裁周期。仲裁周期结束，只有最高优先级仍放置在总线上，当某一主设备检测到总线上的优先级与自己的级别一致，即认为自己为下一个总线主设备。

2）总线定时。

主设备获得总线控制权以后，即进入总线操作周期，进行主设备间的信息交换（包括地址信息和数据信息的交换)。定时信号即用于指明这些信息何时有效。定时信号有异步与同步两种。

在异步总线系统中，命令者与响应者之间有一对选通／应答定时信号进行握手，以表示信息的有效和接收。在大多数的同步总线系统中，定时时钟是由系统统一提供的，总线状态的改变只出现在固定的时刻。总线周期的持续时间通常根据挂在总线上最慢的设备速率决定。

为了保证总线的通信速率，在总线标准中规定了插入等待周期，以为慢速设备信息传送提供方便。

3）寻址。寻址是主设备与从设备建立联系的一种总线操作，通常有以下方式。

1）物理寻址。该寻址方式通常是用于选择挂在总线某一特定位置的从设备。大多数从设备都包含若干个寄存器，这种寻址方式常伴有辅助寻址，最终选择的是某从设备的特定寄存器或某一功能。

2）逻辑寻址。该寻址方式用于选择指定存储单元的某一通用区，而不考虑这些存储单元的物理位置，即逻辑寻址是选择与位置无关的设备。

3）广播寻址。该寻址方式用于选择多个从设备作为响应者。为了确保所选从设备都能响应，系统应设这种操作的定时机构。

4）数据传输。

通过寻址，一个主设备可以和一个或多个从设备通过总线沟通，然后进行数据的读／写操作。这个过程根据总线的形式不同，传输方法也各异，通常有并行和串行两种传送方式。并行传送速度较快，方法简单；串行传送还应配置一定的应答信号，所传信息除有效信息外，还应有起始和结束的标志位、校验位等用以保证信息传送的正确性。

5）出错检测。

在总线上进行信息传送时常常会因噪声及串扰而出错。并行传送由于距离短、出错率低，不少总线没设置检错纠错机构。但在串行传送时，一般距离都较远，发生错误的机会较多，在高性能的总线中都配有奇偶校验码产生及校验电路，以监督传送是否有错，一般采用重发方式纠错，但在要求较高的场合，除总线监督外，还应采用其它抗干扰措施，以保证数据的可靠传输。

6）中断。当挂在总线上的某设备需要进行信息传送或完成某种操作时，即向总线发出中断请求。总线采用中断请求的方法是多样的，最简单的方法是采用菊花链方式。

请求中断的设备置起此信号，准备响应的某设备则监测此信号，当相符时即发出中断回答信号并禁止此信号下传，而把自己的识别码放在总线上以使中断处理机构加以识别。这种方法连线简单，但灵活性和可靠性均较差，不宜用于系统具有多个能进行中断处理的设备。另一种方法是把请求中断的设备变成总线命令者，然后把中断信息发给想知道的设备。

这种处理过程是分布式的，把设备指派为中断处理的设备是动态进行的。这种方法的缺点是所有申请中断的设备都应具有主设备的能力，在高性能的总线标准中采用这种方法。

7）容错技术。

当挂在总线上的设备之间进行信息传输时，不可避免地会有差错，因此如何减少故障对系统的影响，提高系统的重新配置能力，提高总线的容错技术是必须考虑的，如动态重配逻辑地址、隔离故障或更换故障单元等软件措施应受到总线支持。有些总线标准还规定了串行总线出故障时如何用备用路径宋代替的条文。这种备用总线在主串行总线工作时，可以传送中断信息、监视主串行总线工作，随时准备替代出故障的主串行总线。

8）控制信号。

总线上的控制信号一般有三种类型：第一类是设备的初始化操作，如清零、启动、停止等，第二类用于改变总线的操作方式，如改变数据流向、数据字段的宽度和字节的选择等；第三类用来指明地址和数据的含义，如地址可指定某一地址空间等。

总线的性能指标：

由于用户往往存在选择总线标准的问题，不同的总线之间如何进行比较有着现实的意义。以下几个参数可以作为衡量总线的指标：

1）总线时钟频率。

总线的工作是在时钟脉冲的作用下进行的，一个任务的完成一般需要一个到几个时钟脉冲的周期。因此，总线时钟频率可以作为衡量总线工作速度的—个指标。总线时钟频率用mhz来表示。

2）总线宽度。

总线宽度用总线中数据总线的位数来表示。总线的宽度有8位、16位、32位和64位等。显然，在同样的总线时钟频率下，总线宽度越大，数据传输的速度就越快。

3）总线（最大）传输速率。

总线（最大）传输速率用总线上每秒钟所能传输的最大字节数来表示，单位为mb/s。若总线的时钟频率为8mhz，总线的宽度为8位，则其总线传输速率为8mb/s。若总线的时钟频率为33.

3mhz，总线的宽度为32位，则其总线传输速率为133mb/s。

4）同步方式。

总线上的主模块与从模块之间进行传输有同步和异步两种方式。在同步方式下，总线上的主模块与从模块之间进行一次传输所需要的时间（即传输周期或总线周期）是固定的，并严格按照系统的时钟定时操作主、从模块之间的传输。只要总线上的模块或设备都是高速的，总线的传输速率就会很高，当然，前提是总线上的模块或设备要以比较高的速度运行。

在异步方式下，主模块与从模块之间采用应答方式来传输数据，允许从模块根据自己的工作速度来调整响应时间。显然，在异步方式下，对从模块的要求不是很高，但总线的传输速率也会下降。

5）其它性能指标。

负载能力：负载能力反映了一个总线允许挂接（插入）扩展模板的数目。负载能力越大，允许挂接的模板的数目就越多。

信号线数目：总线的信号线数目反映了总线的技术复杂程度。信号线数目越大，总线就越复杂。

总线控制方式：总线控制方式包括：传输方式、并发方式、中断分配与仲裁方式等。

电源电压等级：—般来说，电源电压越低，总线的负载能力也就越高。

使用的普及程度：—种总线标准使用得越普及，在市场上支持该总线的模板也就越多，用户的选择面就越大。

2．总线标准与接口标准有什么不同？

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，信息包括指令、数据和地址。计算机的总线都是具有一定的含义的。例如，“局部总线”、“系统总线”和“通信总线”等，它们都各自具有明确的定义与内容。

对于连接到总线上的多个设备而言，任何一个设备发出的信号可以被连接到总线上的所有其他设备接收。如果两个以上的设备同时在总线上发出自己的信号，则会发生信号混乱。因此，在同一时间段内，连接到总线上的多个设备中只能有一个设备主动进行信号的传输，其他设备只能处于被动接收的状态。

所谓总线标准是指芯片之间、扩展卡之间以及系统之间，通过总线进行连接和传输信息时，应该遵守的一些协议与规范。这些协议和规范一般包括硬件和软件两个方面，比如总线工作的时钟频率、总线中信号线的定义、总线系统的结构、总线仲裁机构以及配置机构、机械规范和实施总线协议的驱动与管理程序。

所谓接口就是微处理器与外部连接的部件，是cpu与外部设备进行消息交换的中转站。

所谓接口标准是外设接口的规范，涉及接口信号线定义、信号传输速率、传输方向和拓扑结构，以及电气特性和机械特性等多个方面。

不同的外设有不同的接口和接口标准，只有符合接口标准的外设，才能使用这种接口。过去，各种外设使用的接口种类繁多，给应用带来诸多麻烦，现代微机系统出现了一些诸如usb这样的新型接口标准，它具有公用性，允许同时连接多种不同的外设，我们也常称他们为“外设总线”。

虽然总线标准和接口标准非常相似，但他们之间还是有一些差别的。

总线标准具有公用性，可以挂接多种不同类型的功能模块；而接口标准大多是专用的，一般只接一类或一种设备。

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