2 测控总线技术(5)_v04.ppt

2.6PC-DAQ仪器系统,2.测控总线技术,,Expansionbus–ISA,PCI,PCIeInterfacePort–RS232,USB,IEEE1394,Ethernet,2,虚拟仪器总线技术,Serial1960’s,VXI1987,PXI1997,PC-DAQPCI,USB,,,,,,高性能高可靠性标准化,,高性能低成本,基于工业测控总线,基于商用计算机,GPIB1960’s,CAMAC1960’s,LXI2004,,,3,总线的概念,总线结构的主要优点简化系统结构，便于系统设计制造；大大减少连线数目，便于布线，减小体积，提高系统的可靠性；便于接口设计，所有与总线连接的设备均采用类似的接口；便于系统的扩充、更新与灵活配置，易于实现系统的模块化；便于设备的软件设计，所有接口的软件就是对不同的口地址进行操作；便于故障诊断和维修，同时也降低了成本。,总线是连接计算机有关部件的一组信号线，是计算机中用来传送信息代码的公共通道。,4,总线的分类（1）,1.按传输信号的性质分类总线按其信号线上传输的信息性质可分为三组数据总线一般情况下是双向总线；地址总线单向总线，是微处理器或主设备发出的地址信号线；控制总线微处理器与存储器或接口等之间控制信号。通常这部份线的含义和特性最复杂。,5,总线的分类（2）,2.按照信号的功能分类基本信息总线包括地址线、数据线及内存和I/O的读写控制信号线等。握手总线控制启动和停止总线操作、实现数据传送同步的信号线，以保证总线上能容纳各种存取速度的设备（异步总线）。仲裁总线包括总线仲裁（总线请求、总线确认线）和中断仲裁线（中断请求线、中断响应线）等。定时信号总线包括时钟信号线、复位信号线等。电源信号总线包括电源线和地线。,6,总线的分类（3）,3.按照层次位置分类片内总线片内总线位于微处理器或I/O芯片内部。芯片总线用于芯片级的连接，如1-Wire、I2C、SPI等。系统总线也称内总线，用于微机系统中各插件之间的信息传输，如ISA、PCI、PCMCIA、PCIExpress等。设备总线也称外总线或通信总线，用于系统之间的连接（如微机与外设或仪器之间）。并行总线Centronics（并行打印机总线）、SCSI（并行外部设备总线）、IEEE488等。串行总线RS-232、USB、IEEE1394、Ethernet等,2.6.1ISAbus,8,ISA总线,历史PC/XT总线1981年IBM推出8位适用于以8088为CPU的PC/XTPC机PC/AT总线1984年IBM推出以80286为CPU的16位PC机总线（未公布）ISA总线同期，Intel、IEEE和EISA集团联合开发出与AT总线相近的ISAIndustrialStandardArchitecture工业标准结构总线。Intel286/386/486PC的标准扩展总线ISA总线是PC微机最基本的总线标准，分为XT总线和AT总线两种。PC/XT机是最早的8位个人机，它采用XT总线；后来IBM推出16位AT机，采用了在原总线基础上的扩展，将62线扩展到98线，叫AT总线。ISA总线比较适于控制外设和进行数据通讯。,A、B两面是XT总线，再加上C、D两面是AT总线，总称为ISA总线。,62芯8位基本ISA插槽,36芯16位扩充ISA插槽,,,10,ISA总线特性,64KBI/O空间（0100H-03FFH）24位地址线，16MB寻址空间8/16位数据线62A31/B3136C18/D18引脚最大位宽16位8MHz时钟频率带宽8-16MB/S15级硬件中断7级DMA通道ISA是一种多主控MultiMaster总线,11,EISA总线,EISAExtendedISA总线是ISA总线的扩展，与ISA总线完全兼容，由Compaq、AST、Zenith、Tandy等公司开发。支持多个总线主控器，增加了突发式传送，是一种高性能的32位标准总线，最高数传率为33MBytes/s。EISA总线出现在32位微机中，具有32位的数据线，支持8位、16位或32位的数据存取，支持数据突发式传输；地址线支持32位寻址，可寻址4GB存储空间，也支持64KB的I/O端口寻址。EISA总线的信号有198条，在ISA总线基础上，又增加了E31pins、F31pins、G19pins和H19pins。,2.6.2PCIbus,13,PCI总线,1991年下半年，Intel公司首先提出了PCI的概念，并联合IBM、Compaq、AST、HP、DEC等100多家公司成立了PCI集团。PCI-PeripheralComponentInterconnectSpecialInterestGroup（外围部件互连专业组），简称PCISIG。,14,PCI总线特性,1）高性能PCI总线的数据宽度为32位，可扩展到64位，时钟频率33/66MHz。数据传输率可达132MB/s32Bits66MHz-528MB/s64Bits66MHz。2）采用总线主控和同步操作PCI独特的同步操作功能可保证微处理器能够与这些总线主控同时操作，不必等待后者的完成。提高PCI总线性能3）支持突发工作方式PCI总线支持突发工作方式，并且后面可跟无限个数据周期。这意味着可以从某一地址起读出或写入大量数据。线性猝发传输能够更有效地运用总线的带宽去传送数据，以减少无谓的地址操作,15,PCI总线特性,4）减少存取延迟对于支持PCI总线的设备，存取延时很小，能够大幅度减少外围设备取得总线控制权所需的时间。5）不受处理器限制，通用性好PCI独立于处理器的结构，形成一种独特的中间缓冲器设计方式，将中央处理器子系统与外围设备分开。可随意增添外围设备以扩展电脑系统而不必担心在不同时钟频率下会导致性能的下降；独立于处理器的总线设计还可保证处理器技术的变化不会使任何个别系统的设计变得过时；可适用于各种机型，如台式机、便携机和服务器等。,16,PCI总线特性,6）成本低PCI总线采用地址/数据总线分时复用方式，大大减少了引线数124pinsfor32-bits,188pinsfor64-bits和PCI部件，从而使PCI部件用以连接其它部件的引脚数减至50以下。7）自动配置（即插即用，PlugandPlay）PCI总线具有即插即用功能，可以自动配置，使用方便。从而保证了用户在安装外围卡时，不需要手工调整跨接线。8）兼容性好，易于扩展PCI总线标准对协议、时序、负载、电气特性和机械特性等都作了严格的规定，这保证了它的可靠性和兼容性。PCI总线可与ISA、VESA等总线兼容。,17,PCI总线信号,PCI局部总线的信号线有12432-bit/18864-bit条。,18,基于PCI总线的微机系统结构,2.6.3USBbus,20,USB,PCI总线的问题对于低速设备（鼠标、键盘等）的扩展，成本太高设备安装时，需要用户的参与，例如打开机箱、设置跳线、重新启动有限的PCI扩展槽如何解决1994年底，由Intel、Compaq、IBM、Microsoft等多家公司联合提出共同开发一种新的总线标准-USB。,21,USB设计的目标,无需打开机箱无需跳线在计算机运行时，就可安装设备，无需关闭电源USB设备安装后，计算机无需重新启动从电缆上供电最多可连接127设备支持实时设备使用相同的电缆成本低USB是一个使计算机周边设备连接标准化、单一化的接口。,22,USB特性,USB电缆长度最长为5米独立供电最大500mA5V支持热插拔USB设备可以被主机随时关闭，以节省电能主机可通过所连接的USB集线器，连接和控制多个USB设备USB的版本USB1.0/1.1的最大传输速率为12Mbps–FullSpeed1996年USB2.0的最大传输速率高达480Mbps–HighSpeed2000年USB3.0最大传输速率5Gbps–SuperSpeed2008年,23,USB特性,USB是一种自同步的串行通信总线。USB2.0基于半双工二线制总线，只能提供单向数据流传输。USB3.0采用对偶四线制差分信号线，支持双向并发数据流传输（全双工）。还引入了新的电源管理机制，支持待机、休眠和暂停等状态。USB的应用可以连接鼠标、键盘、打印机、扫描仪、摄像头、闪存盘、MP3机、手机、数码相机、移动硬盘、外置光软驱、USB网卡、ADSLModem、CableModem等，几乎所有的外部设备。USB自从1996年推出后，已成功替代串口和并口，并成为当今个人电脑和大量智能设备的必配接口之一。,24,USB连接器,两种连接器A型连接器总是上行连接计算机B型连接器总是下行连接设备,A,B,25,USB2.0,USB2.0电缆包括4根信号线电源线（2根）5Vredandgroundbrown.数据传输线（2根）yellowandblue.,26,USB3.0,USB3.0在USB2.0的基础上增加了5个触点（插头），新触点并排位于4个USB2.0触点的后方，包含4个数据传输触点和1个GND。在USB3.0增加的5条线路中，两条为数据输出，两条数据输入，这四条线路可以实现双向同时传输。使用USB3.0可以在70秒内传输一部27GB的高清电影，而使用USB2.0需要15分钟以上,USB3.0插座,USB3.0插头,27,,28,PC连接性,,,,,PCin1996针对新的应用需要引入新的连接器。,PCTadayPC演变为一种简单和易于使用的设备。,,,,,,,,,,,,,,,Keyboard,,Mouse,SerialPort,ParallelPort,,,,,,,,,,,,SCSIPort,,,,,,,,,,,,,,,,Sound/GamePorts,GraphicsPort,,,LAN,,,,,,,,,Modem,,,,,GraphicsPort,LAN,,,,Telephony,Modem,Kyb,Mouse,Joystick,Still/MotionCamera,DigitalAudio,BackupStore,Printer,Scanner,WirelessAdaptors,,,USB,,,,,29,Prices,RemovableUSBFlashDrive10-30,USBCable1-3,USBHub20-50,2.6.4IEEE1394,31,IEEE1394FireWire,WhatisFireWireHowdoesitworkDifferentPinsFireWirefeaturesUSBvs.FireWire,32,WhatisFireWire,IEEE1394是1986年由Apple发明的一种高速串行接口总线。Apple称之为FireWire火线，Sony称之为i.Link，TexasInstruments称之为Lynx，中文译名为火线接口firewire。1995年，IEEE将其确认为高速度、低成本串行总线标准。IEEE1394支持外设热插拔可为外设提供电源，能连接多个不同设备，支持同步和异步数据传输。两点间传输距离为100米。,33,WhatisFireWire,Makesitgreatultimediaperipherals.videocameras,digitalcamera,harddrives,andprinters,34,IEEE1394连接器,A,B,有两种类型的连接器A型连接器上行连接计算机B型连接器下行连接数码设备等,35,IEEE1394电缆结构与连接器,IEEE1394规定的电缆是6芯线，电缆外层有一层总屏蔽；其中有两对屏蔽双绞线，一对用于传送数据，另一对传送时钟信号，是一种高速的外同步串行总线；在双绞线上传输的差分信号采用200mV的非归零码NRZ；另外两根是电源线，电压4-40V，最大电流1.5A，为总线上处于等待方式的设备供电，或直接给低功耗外围设备供电；,36,IEEE1394传输方式,IEEE1394以半双工方式工作，可以进行双向通信，但在某一时刻只能有一个方向传送数据。由总线仲裁确定通讯方向，在逻辑地址间建立通讯。IEEE1394提供了一个灵活的总线管理系统，通过简单而直接的数据传输命令即可对数据进行操作。系统将数据组织成四字节一组的数据包形式传输。IEEE1394定义了两种传输方式等时同步方式保证以一定周期接收/发送一定数量的信息包，适用于图象和音频数据流的传输；异步方式适用于文件数据的传输。,37,FireWire特性,Transferrate100Mb/s400Mb/s800Mb/s1.6Gb/s3.2Gb/sIEEE1394-2008,38,USBvs.FireWire,USB3.05Gb/s480Mb/s12Mb/s需要USB控制器管理总线和数据传输支持最多127个设备对外部设备供电900mA/5V4.5W兼容USB2.0设备,FireWire3.2Gb/s1394b1.6Gb/s800Mb/s无需总线控制器，设备之间是点对点通信支持最多63个设备对外部设备供电1.25A/12V15W是惟一用于视频摄像机videocamera的计算机总线,2.6.5LAN/Ethernet,LAN是一种在有限的地理范围内将大量PC机及各种设备互联，实现数据传输和资源共享的计算机网络。,40,LAN特性,覆盖范围有限房间、建筑物、园区范围，距离≤25km传输速率高10Mbps-1000Mbps误码率低10-8-10-10支持广播或组播传输介质双绞线、同轴电缆、光纤、无线、红外单一管理,41,局域网的拓扑结构,星型（Star）环型（Ring）总线型（Bus）树型（Tree）,42,千兆以太网GigabitEthernet,两种标准802.3z和802.3ab802.3z1000BaseX屏蔽短双绞线/MMF/SMF802.3ab1000BaseT无屏蔽双绞线5类、6类连接距离较短1000BaseX双绞线-25米；MMF-550米；SMF-3km1000BaseT5类双绞线-100米拓扑结构和媒体布线方法同10/100BaseT相同；传输速率比100BaseT快10倍；帧结构和介质访问控制方式仍沿用IEEE802.3。允许网络平滑升级到千兆主干，具有较好的兼容性。,43,PC串行总线接口,44,PC主板接口,RS232,IEEE1394,USB,Ethernet,,,2.6.6PCIExpress,46,OverviewofPCIExpress,HistoryofPCIIntroductiontoPCIExpressBenefitsofPCIExpressPCIExpressArchitectureVirtualInstrumentationandPCIExpress,47,PCI总线历史,总线时钟频率33.3MHz/66MHz与CPU及时钟频率无关缓冲隔离总线主控操作即插即用统一了当时的PC扩展总线（1990年代）,48,PCArchitecturewithPCI2003,连接外设,内存,显示器,扩展总线,49,PCI面临的挑战,有限的通信带宽通信带宽被总线上的所有设备所共享不支持实时数据传输（例如视频数据传输）苛刻的走线规则没有电源管理，缺乏对频率和电压的调节,50,PCIExpress的诞生,在2001年春季IDFIntel开发者论坛上，Intel公司宣布要用一种新的技术取代PCI总线和多种芯片的内部连接，并称之为第三代I/O总线技术3rdGenerationI/O，也就是3GIO；到了2001年底，包括Intel、AMD、DELL、IBM等20多家业界主导公司加入了PCI-SIGPCI特殊兴趣小组并开始起草3GIO规范的草案；2002年草案完成，并把3GIO正式命名为PCIExpress。季IDF2003上，Intel公布了PCIExpress的产品开发计划。,51,PCIExpress的诞生,与传统并行计算机总线（ISA/PCI）的共享并行架构相比，PCIExpress采用设备间的点对点串行连接serialinterface，允许每个设备都有自己的专用连接（是独占的），并不需要向整个总线请求带宽；串行连接可以轻松地将数据传输速度提到一个很高的频率，达到远超出PCI总线的传输速率。单个基本的PCIExpress连接是一种双单工连接，一个单独的基本的PCIExpress串行连接就是两个独立的通过不同的低电压对驱动信号实现的连接，一个接受对和一个发送对（共四组线路）。,52,PCIExpress的互连,53,PC扩展总线的发展,,,,,1980s,1990s,2000s,ISABus,PCIBus,,8.33MHz,66MHz,1GHz,5GHz,10GHz,15GHz,,,,,,,,AGPx,VESA,VL,EISA,MCA,HL,PCIx,,,12GHzCopperSignallingLimit,,1GHzParallelBusLimit,20GHz,,54,工业标准总线的吞吐率,55,工业总线性能,56,PCIExpressPCI的进化模型,PCIExpress简写为PCIe串行互连2.5Gb/sPCI事务先打包，然后再串行化传输方式LVDS信号，点对点，8B/10B编码PCIe1.0每个槽的带宽均可达到2.5Gb/s，并且是双向的X1可达到的实际传输带宽是200MByts/S/directionX16可达到的实际传输带宽是3.2GBytes/S/direction,57,PCIeBus1xPinout,SideB,SideA,,,58,PCIeinDesktops,Intel925XEExpressChipset,全面取代PCI和AGPAdvancedGraphicPorts，最终实现总线标准的统一。,59,PCIeinDesktops,60,提高传输带宽,Upto30XbandwidthincreaseoverPCI通过增加信道Lane宽度来增加数据传输带宽,PCIe信道宽度,,,,,,,,,,,,,,ByteStream{conceptual},,,,,,Lane3,8b/10b,PS,,,Lane0,8b/10b,PS,,,,,,使用多个信道时，带宽是可选的,,,,PSParalleltoserial,62,专用带宽,PCIExpress为每个设备提供专用带宽,63,PCIe物理层,点对点的差分互连2个单向连接，无需控制信号数据传输速率2.5Gb/s/pin/dir同步时钟内嵌时钟信号（8b/10b编码）接口宽度每个方向x1,x2,x4,x8,x12,x16,x32,,,,DeviceA,,,Frame,Frame,SequenceNumber,PacketRequest,CRC,Frame,CRC,PacketRequest,SequenceNumber,Frame,,,Data,Data,Data,Data,,,Clock,Clock,,DeviceB,,,,X1Lane,64,8B/10B编码,消耗20的有效带宽包含在250Mbytes/s带宽指标中保证最小的转换密度允许在每次转换中恢复时钟灵活的布线无需解决时钟/数据信号的畸变问题,65,PCIe的发展,2002年，发布PCIExpress1.0。数据传输速率2.5Gb/s/pin/dir250MBytes/s2007年，通过PCIExpress2.0，将总线带宽由1.0标准的2.5Gbps翻倍至5.0Gbps/pin/dir500MBytes/s，也就是说PCIExpress2.0 x16接口能够翻番达到惊人的16GB/s总线带宽（双向）。2010年，发布PCIExpress3.0。将总线带宽由2.0标准的5Gbps提升至8.0Gbps/pin/dir1GBytes/s。采用更为有效的128b/130b编码方案，避免了20信号带宽的浪费。事实上PCIExpress3.0中所浪费的带宽仅仅为1.538。,66,PCIe的优势,PCIe的革命性它一改过去的并行总线为串行总线，克服了高频并行总线潜在的干扰问题。PCIe总线改变原来普通PCI的总线共享方式，采用先进的点到点型拓朴，率先将交换Switch引入了总线拓朴结构。性能PCIe总线使用称为“信道”LANE的串行通道来传递数据，通道的个数决定它的规格类型。PCIe1.0总线拥有更高的带宽，单通道单向传输时速率可达到250MB/S，双向为500MB/S，是普通PCI总线的30倍，AGP8X的2倍。,67,PCIe的优势,提高传输带宽分层结构PCIe导线数量比PCI减少了将近75，在同一系统内能够以不同频率运行，而且能够延伸到系统之外，这是PCI无法做到的。采用点对点技术，能够为每一设备分配独享通道，而PCI是所有设备共享同一条总线资源。保证软件的后向兼容性,68,PCIeDataAcquisition,Upto32channels,16-bit,1.25MS/sanalogsHigh-speedanalog,digital,andcounterI/Oonasingledevicex1PCIExpressconnector后向软件兼容,NIPCIe-6251ŸNIPCIe-6259,69,PCIeFrameGrabber,NIPCIe-1429支持任何CameraLink标准的摄像机x4PCIExpress连接器吞吐率680MB/sCameraLink标准的最大数据流量,70,NIPCIe-GPIB,x1PCIe接口高性能的GPIB1.5Mbytes/sstandard7.9Mbytes/sHS488提供仪器驱动程序NI-488.2forWindows2000/XP,71,PCIeControlofPXIwithMXI-Express,采用一块NIPCIe-8362可以控制两个PXI机箱使用MXI-4控制PXI比PCI总线的吞吐率提高40持续稳定的数据吞吐率160MB/stwochassis110MB/sonechassis,72,PCIe总结,PCIe是最新一代PC总线技术传输带宽是PCI总线的30倍每个外部设备拥有专用的带宽软件后向兼容PCIe为基于虚拟仪器的新一代高性能控制和测试系统应用提供了驱动力。,73,构建PC-DAQ仪器系统,选择操作系统和应用开发软件选择PC-DAQ卡仪器驱动程序选择信号调理模块及附件,74,PC-DAQ仪器模块,IEEE1394,LPT,USB,ISA,PCI,PCMCIA,PCIe,75,数据采集硬件,DAQ硬件将PC变为一个测量和自动化系统,YourSignal,,,,Cable,,76,基于PC-DAQ的测量和自动控制系统,77,NIRTSI-RealTimeSystemIntegrationBus,在板卡之间连接时钟和触发信号完成数据采集的同步操作在DSP卡串行传输数据,78,思考题,PCIExpress总线有什么特点PC-DAQ仪器系统有哪几种构建方式PC-DAQ仪器系统有什么特点如何组建一个PC-DAQ仪器系统试比较分别利用PC扩展总线和外部接口总线构建PC-DAQ仪器系统的优缺点。PC-DAQ仪器系统主要有哪些应用,QA,