GB/T 18471-2001 VXI总线系统规范

前言

着计算机技术和大规模集成电路技术的飞速发展电子测量仪器领域发生了巨大的变化降低测

试成本缩短测试系统的开发时间以及把风险减小到最低限度就成为组建计算机自动测试系统

的主要目标总线测试系统正是为适应这一发展潮流在吸

取了总线高速通信和易于组合的优点后产生的该系统规范于年由

和五家测试仪器公司组成的联

合体提出

总线是一种在世界范围内完全开放的适用于多个生产厂家的模块化的仪器总线系统它集

中了智能仪器个人仪器和自动测试系统的很多特长并且有小型便携高速数据传输模块式结构组

建和使用灵活易于充分发挥计算机效能和标准化程度高等诸多优点自问世以来得到了迅速的发展和

推广目前程控领域的两个重要进展和可程控仪器的标准命令都已普遍应用

于总线系统总线做为新一代仪器总线的地位已经确立它使已提出多年的虚拟仪器的概念

变成现实预计在世纪初总线在测试领域将占主导地位

本标准等同采用总线联合公布的在排

版结构上与版等效只作编性修改

本标准的附录附录附录和附录都是标准的附录

本标准由中国航天机电集团公司提出

本标准由航天工业总公司七八所归口

分

本标准起草单位北京航天测控技术开发公司哈尔滨电工仪器仪表研究所

本标准主要起草人奚全生张礼勇毛新童子权孟汉城程华彦

中华人民共和国国家标准

总线系统规范

总线规范引言

本标准规定与总线模块仪器兼容的总线目

的是为设计与系统相兼容的仪器的设计者建立应用标准

总线的结构基于世纪年代末微处理器

年公布了基于系统的总线其后又公布了多个版本最后一版公布于

年月

与此同时又出现了印刷电路板的一种新标准即欧卡年月

等公司宣布它们支持一种基于欧卡的新总线即总线总线规范经历

了三次变动最近一次是年月公布的版本对应标准为

总线具有开放式结构特性许多厂家提供上千种总线接口板虽然也有一些用于工业

过程控制的总线数据采集卡但大部分接口板卡还是用于计算机系统的总线仪器模块有

大量的需求虽然频带很宽的总线底板也有其他优点并且尤其适用于数字化测试和数字信号处

理但采用总线接口板的主要目的还在于减小仪器的尺寸

总线在仪器上应用的最大困难在于缺乏总线高层标准年春

和的技术代表组成了一个特别委员会制定了基于

总线欧卡和其后如等仪器标准的开放式仪器结构标准年月这些公司宣布

支持总线模块化通用仪器结构称为总线

生产厂家号

总线标准提供了在多个总线设备上区别生产厂家的方法由可通过总线

见配置寄存器组读出的位生产厂家号组成可从总线联合体得到

全部厂家编码并对公众开放每个生产厂家都有唯一的一个编码编码从开始降序排列

总线概述

引言

总线的目的是建立一个基于总线的模块化仪器标准这个标准对所有的仪器生产厂家

开放并且与现有的工业标准兼容

是总线对仪器的扩展的缩写总线规范详细描述了与总线兼容的各部件的

技术要求如机箱底板电源和模块在确定总线结构之前应该首先熟悉总线规范

总线背景

总线主要是针对于计算机系统的开放式系统结构因而在仪器领域很少应用总线模

块长为英寸高度有两种英寸和英寸总线规范将这

两种尺寸相应定义为尺寸欧卡标准定义了电路板的精确尺寸也定义了印制电路板系列以及它

们所使用的连接器总线模块间距为英寸尺寸板连接一个引脚连接

中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局批准实施

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器称为尺寸板可安装两个连接器每个连接器由三排每排引脚组成典型应用

为底板垂直放置连接器位于板的上部由于方向只是安装问题而不是兼容问题因而总线

和总线都没规定物理方向许多总线系统设计成水平安装插板

总线规范最多可连接个模块但是如果在一个标准的英寸机箱中垂直安

装则最多只能安装个模块总线没有另外定义机箱间通信协议多机箱系统可采用总

线缓冲这样损失机箱间的带宽或忽略总线的层次结构而采用标准数据通信连接总线也

没有制定电磁兼容性规范和传导辐射功率分布限制机箱冷却等规范而将这些遗留给了系

统集成但总线对这些因素都有严格的定义

虽然总线在电气上和逻上与微处理器很相似但总线接口却不只仅仅依赖

某些处理器其适用范围非常大许多其他类型的处理器也支持总线如许多简单的

总线板根本不包含处理器

总线最小系统只包含连接器所有挂钩仲裁中断信号都在上连接器用来将系

统的数据位和地址位扩展至位连接器支持位和位寻址以及位和位数据宽度

和的其余连线位于连接器中间的一排外侧的两排为用户定义这些未定义的引脚可用于接口

的连接如允许模块驱动机箱连接器读写一个嵌入式磁盘驱动器或提供模块间的通信总

线子系统是标准子系统总线该总线在连接器上可进行个模块间的通信一个总线系统中

可存在多个总线子系统值得注意的是由于总线定义的最大子系统为个模块在

总线系统中也可以存在多个类似于的子系统

总线扩展

总线采用了总线定义的连接器和连接器的中间一排其中包括上的和

电源上的电源总线定义的尺寸模块与总线完全兼容但是总线

在总线上附加了适用于仪器的部分因而可认为总线在电气结构上是总线的超集在

逻上是总线的子集

总线模块

总线增加了两种长度为英寸的欧卡模块称为型型尺寸它们的高分别

为英寸和英寸安装宽度英寸欧卡型尺寸与

总线尺寸板高度相同安装和两个连接器尺寸板的高度是欧卡尺寸高度的倍另外还有

连接器英寸的模块安装宽度可以安装高密度仪器模块同时也可屏蔽模块的两侧

及插入机箱屏蔽还有一些其他的优点如可通过在型型板上安装适配器使它们与其他两种尺

寸板兼容适配器也可通过屏蔽总线板的两侧使其与总线系统实现电磁兼容

总线子系统

总线系统最多可有个设备包括一个或多个子系统一个总线子系统可由槽和最

多个仪器模块组成和连接器各引脚都给出了定义个模块安装于一个英寸的标准机

箱中每个模块宽度为许多系统是由一个机箱和个模块构成一般配置是一个槽

模块其上配有总线定时发生器总线所要求的系统控制功能数据通信口如

等槽也可包含可选仪器其他插槽用于安装普通模块一个总线子系统最多可有个

附加插槽在系统内部子系统可采用任何方法连接例如一个系统由一个槽和个模块

组成扩展至另一个机箱该机箱中有两个槽其中一个槽有与其相连的个仪器插槽另一个槽

带有个仪器插槽和个不带连接器的标准总线插槽

连接器定义

如上所述总线定义了和连接器的所有引脚连接器增加了时钟

和模拟电源和触发线模拟相加总线模块识别线具有菊花链结构的本地总线触发

线作为总线子系统仪器间的信号资源本地总线常用于相邻槽的多模块仪器中本地总线菊花链

留给生产厂家定义允许传输多种信号包括低电压模拟信号最大的模拟信号靠近

前面板的机械锁键指示本地总线的类型防止不兼容类型本地总线的典型应用包括产生内部模拟总

线或连接处理器的信号连接器上共有根本地总线信号线根信号输入线根信号输出

线这样就形成了与相邻插槽的位总线

连接器定义

总线连接器增加了连接器上的相同资源类型主要是面向更高级的仪器其中包括

时钟和同步信号附加的电源引脚更多的触发线本地总线的另外根线另外还定义

了星形总线星形总线可使精确信号通过类似于交叉点开关的槽传送这保证了在不考虑模块

位置的前提下在模块间进行精确定时触发

总线系统系结构

总线设备协议定义了在总线地址空间内模块怎样保证互不冲突典型情况下一个设备

就是一个模块但这也并不一定在一个模块上可有几个设备一个设备也可由几个模块构成一个

系统中可有个设备其逻地址从总线系统定义了地址空间的高

空间在这个空间中每个设备保证有个字节这对许多简单仪器已足了如果设备需要更大

的空间可在地址空间定义的寄存器中指明所需地址空间数目在加电后资源管理器读出该值

然后在设备的偏移寄存器中写入新的总线地址满足其要求的地址空间这种方法将设备额外所

需的存储空间定位于字节或字节地址空间中如果在系统中使用了总线插

卡资源管理器必须将总线设备定位于标准总线插卡所用的地址空间附近

高层通信允许更多的生产厂家享有接口模块和其他设备

总线规范构成

在结构上总线规范与总线规范版本的大部分内容平行其中一些章条的名称与

总线规范的章条名称相同其他部分服务于主题而并不局限于总线规范总线规范不

仅仅只包含与总线一致的规则也包含设计的提示建议等规则推荐建议和注意的格式与

总线规范相同使用者在有了一定经验后可以相应地忽略一些部分

文件构成

本标准按章条组织每一章条讨论系统实现的特定的相互独立的内容在与其他标准相并行的部分

如总线规范给出了对应的编号在最后给出了包括分类和扩展信息的附录

规范的目标

本标准定义了一组规则和推荐内容用以构成与总线的接口规范包括了从简单的基本硬件

设计如板的尺寸到推荐的通信协议本标准的目标如下

允许设备间以明确的方式通信

有助于减小标准堆叠式仪器系统的尺寸

通过使用功能相似的通用接口使得在测试系统集成中软件成本降低

通过采用高性能宽带通道进行模块间的通信以提高测试系统的吞吐量同时采用了一些有助

于提高系统吞吐量的新的通信协议

提供可用于军用系统的设备

采用虚拟仪器技术使测试系统具有新的功能

定义了在本标准框架内实现多模块仪器的方法

规范结构术语定义

下列术语用于本标准条目标题表示该条目内容

规则

为确保系统内插件的兼容性必须遵守的规定用应该或不应该表示

推荐

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为避免发生问题并获得最佳性能必须遵守这些忠告

推荐的内容是一些影响设备最终使用性能的忠告包括某些特殊设备提高吞吐量的讨论和为避免

发生问题和获得最佳性能应遵循的事项等

建议

建议是一种有益的但不是必须遵守的忠告建议有助于新的设计人员解决设计中可能出现的疑难

问题

允许

阐明规范中未明令禁止的范围允许条目保证读者哪些方法是可以采用的并且这些方法不会产生

问题允许所对应的限定词为可以

注意

阐明规则的含义提醒容易忽略的事情解释某些规则的原因

总线构成

这部分列出了对总线规范增加部分以及推荐使用的部分在结构编排上与总线规范

相同是对相应的总线规范的增补是总线规范中没有的新条文

引言

总线对于规范的配置在电气机械结构上作为总线规范的一个子集在逻结构

上为一个子集从而确保所有总线系统的兼容性同样也可使符合总线规范的电路板在电

气性能与机械性能上与总线兼容但是由于在总线规范中定义了总线的数据传输仲

裁以及中断的子集因而限制了标准的产品在系统中的应用另外电路板尺寸的扩大构成

了机械结构的超集

数据传输总线

地址修改器

推荐

不要使用总线地址修改器规定的用户定义位

数据传输应答操作

规则

在数据选通脉冲变成低电平后受令者应在内将信号或信号拉成低电平

推荐

在数据选通脉冲变成低电平后受令者应在内将信号拉成低电平

规则

在数据选通脉冲变成高电平后受令者应在内释放信号和信号

推荐

在数据选通脉冲变成高电平后受令者应在内释放信号和信号

总线定时器操作

规则

总线定时器操作时间不应小于

注意

是保证机箱之间通信的最小时间它使每个机箱可在之内响应数据传输

仲裁总线

规则

所有单块板和组件板都应使用或允许通过总线允许菊花链

推荐

仲裁器应在个总线请求允许级中进行基于优先权的仲裁

优先中断总线

规则

所有单块板和组件板都应使用或允许通过中断应答菊花链

公用总线

电源监视器

电源监视器是总线的一种功能该功能为在电源接通时确认线以及在撤电时

使线和线迅速占有优先权虽然这是总线系统控制器的功能但当

设备由主机箱供电时必须有这种功能因此每一个机箱都必须提供这种功能

规则

每个总线主机箱应提供一个总线电源监视器

推荐

当检测到电源故障时电源监视器应完成

在将驱动至低电平之前电源监视器应将驱动为低电平并最少持续

在直流电源降至以下之前电源监视器应将驱动为低电平并最少持续

见总线系统规范版本图

电源引脚

电源引脚规范参见

电气规范

规则

与和连接器相连的所有信号导应符合总线规范版本所述的要求

连接器

连接器的引脚定义同总线规范版本

总线子系统连接器

总线子系统为仪器定义了连接器外侧的两排引脚功能即用户定义引脚中间线排引脚

的定义遵循规范连接器外侧两排在总线系统不是总线子系统中允许改变该定

义不过这个改变应按分段底板结构进行在这里其他总线子系统总线如总线也可以并

存总线子系统是由系统资源模块按照升序由号槽到号槽来定义的总线和子系

统总线在总线规范这一条中交替使用连接器的引脚定义见表表

总线连接器向模块提供资源信息在连接器上总线增加了

和附加的电源

差分时钟

条并行触发线

条并行触发线

模块识别引脚

条由生产厂家定义的连接相邻模块的本地总线

终端模拟相加总线

号槽模块作为系统资源为实现对模块识别引脚的中央控制将连接器定义作了修改在提供

这些公用资源的同时号槽模块还可以包含其他设备和仪器

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表引脚定义号槽号槽

引脚号排信号助记符排信号助记符排信号助记符

表引脚定义号槽

引脚号排信号助记符排信号助记符排信号助记符

时钟

是一个的系统时钟它通过连接器由号槽分配到号槽号槽

输出信号是差分信号经过底板缓冲作为单源单目的差分信号分配到各模块插槽

在每个插槽位置的底板上也经过缓冲以便提供模块间良好的隔减轻模块负载见图

规则

号槽时钟标称频率应是在规定工作温度和时间内其精度不应低于

推荐

号槽模块的信号允许通过外部频率源产生

注意

外部频率源可以使用像铷这样的精密频率参考源这样有助于多个总线主机箱相互同步

规则

在转换电平的处测量时钟频率信号时其占空比应为

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规则

如果在不同的时钟源间切换信号那么切换期间最小时钟宽度不论高电平或低电平不应

小于或大于连续两次切换极性相同的信号之间的最小时间间隔不应小于

规则

各插槽的应由各自的底板上的缓冲器输出来驱动

规则

信号应从号槽差分分配

规则

底板上的信号的印制线阻抗应设计成

图和底板信号传输路径

规则

如果模块访问信号那么它应在和上提供终端匹配电阻加上不

超过个等效的负载

规则

时钟信号从号槽传输到任何模块的绝对延时不应超过

注意

在底板上可以使用单端输入缓冲器或差分输入缓冲器缓冲和扇出信号典型的缓冲器为

或

模块识别线

线允许通过物理位置或插槽来识别逻辑设备这些线源于总线号槽模块分配到

号插槽或其他插槽中的模块每块模块上都有一根识别线位于连接器的引脚在一个配置完

整的总线子系统里号槽通过根线与其他模块相连除了这根线外号槽还有

它自己的线线的用途是

检测插槽中模块是否存在即使被检测模块已有故障也不例外

识别特定设备的物理位置或插槽号

用指示器或其他方法指示模块的实际物理位置

每个模块上都有一个与线相连的固定接地电阻号槽通过检测电平是否被该

电阻下拉为地电平来判断插槽中是否有模块这种方法适用于所有被测模块而不论该模块是否损坏或

是否加电

设备的插槽号由号槽加以识别号槽模块保持特定的线并查询位于各模块配置

空间内的位以检测所选设备是否存在

安装在插槽旁边或模块上的指示灯可以指明何时驱动了特定的线这就可以快速识别出

包括故障模块在内的任何模块的位置参见图所示加载和驱动线的规则

图模块线

规则

号槽的每个接收器应遵守总线规范中关于加载大电流三态线的规定

总线规范版本规则

规则

号槽的每个驱动器应遵守总线规范中关于驱动标准三态线的规定总

线规范版本规则

规则

每个号槽模块应在各线和电源线间提供一个的上拉电阻

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规则

如果一个非号槽模块访问线那么它应提供一个的下拉接地电阻同时通过其

线的漏电流应不大于

注意

电阻和电阻是标准金属膜电阻

规则

总线子系统底板应在线上提供一个的下拉接地电阻

规则

底板不应从任何线吸收或向任何线灌入大于的漏电流

允许

总线子系统号槽模块可以驱动其线来点亮自身的模块位置指示灯

注意

当号槽所有的线驱动器都被禁止时可以通过读线的状态来检查号插槽

中的模块是否为具有号槽功能的模块低状态表示该模块在号槽位置高状态表示该模块在其他插

槽位置

触发线

触发线是用于模块间通信的集电极开路线包括号槽模块在内的任何模块都可

以驱动这些线并从这些线上接收信息这些线是用于发送触发握手时钟或逻状态等信号的通用

线在用户通过程序分配之前线一直处于释放高状态本条规定了同步半同步异步以

及启停等标准协议为了补偿由于无源上拉终端引起的较大的上升时间这些协议分别规定了触发源

和触发接收器的时序要求在传送逻状态时规定了针对时钟沿的建立时间和保持时间其他协议可

以由生产厂家规定

注意

总线规范版本为集电极开路线推荐了一个的系统阻抗虽然线会被

端接并满足总线的驱动和负载要求但底板上这些印制线的特性阻抗可能非常接近

这允许印制线共享同一底板层并可保持底板可加工的层数及元件插入的厚度这不会明显

影响线的性能

规则

底板应端接所有线参见总线规范版本中图标准总线终端

规则

模块与任何信号线的接口应遵守集电极开路的驱动和加载规定见总线规范版

本条

规则

在信号无效后应在之内释放所有的线驱动器

规则

在单根线组两根线组或四根线组中模块应为特定功能分配线

规则

如果某模块使用单根线组那么此模块应由用户编程可与任何线连接

规则

如果某模块使用两根线组那么此模块应由用户编程可与任何确定的线组

对连接确定的线组对是线和线线和线线和线及线和线

规则

如果某模块使用根线组那么此模块应由用户编程与任何确定的四根线

组连接确定的根线组是线线线和线及线线线和线

标准协议

同步触发协议

同步触发协议是一个不需要任何接收器应答的单根线广播触发协议

规则

同步触发信号源应保持一个最小时间为的触发脉冲而释放时间最小为如图

所示

参数最小最大说明

最小信号源保持时间

最小信号源释放时间

图同步触发协议

规则

同步触发接收器应接收任何保持时间不小于的触发脉冲且紧跟着一段不小于

的释放时间

异步触发协议

异步触发协议是一个双线单信号源单接收器协议信号源通过置位分配的

线对中的低编号线开始一次操作而接收器则通过置位线对中的高编号线应答这种触发

方式对总线模块和外部仪器间的握手或对总线主机箱之间的握手都是有用的

规则

执行异步触发协议的模块应在线对中的低编号线上产生信号

规则

执行异步触发协议的模块应在线对中的高编号线上应答

规则

如果模块执行异步触发协议那么它应满足图所示的时序要求

规则

异步触发信号源或接收器应接收任何保持时间不小于的触发脉冲且紧跟着一

段不小于的释放时间

线时钟传送

线可以用于时钟信号传送

规则

如果某根线用于时钟传送那么它应满足同步触发协议中所规定的时序

要求

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注意

在一个满负载的总线子系统里触发脉冲上升时间大约为因此采用脉冲

下降沿触发

参数最小最大说明

最小信号源保持时间

最小接收器响应时间

最小接收器保持时间

最小信号源释放时间

对信号源再保持的最小接收器应答时间

图异步触发协议

线数据传送

这根线也能用于数据传送根线中一根可用作时钟线数据可以与时钟上升沿

同步或者与时钟下降沿同步或者与二者均同步

规则

如果信号源用线在时钟下降沿传送数据那么该信号源应满足图所示的时序要求

规则

如果信号源用线在时钟上升沿传送数据那么此信号源应满足图所示的时序要求

规则

数据接收器应接收建立时间和保持时间都不小于的任何数据

参数最小最大说明

数据建立时间

数据保持时间

图在时钟下降沿上的数据传送

参数最小最大说明

数据建立时间

数据保持时间

图在时钟上升沿上的数据传送

启停协议

启停协议提供了一种同步启动和终止操作一组模块的方法有一条受号槽模块驱动的

线其状态表示启动或停止操作划归为一组的所有模块在下一个时钟的上

升沿都同步地响应这条线号槽模块应该用时钟来同步启停信号以保证所有接收器的建

立时间和保持时间这需要号槽中的仲裁器来同步外部事件

规则

如果模块执行协议那么启停线应由用户编程来与任何线连接

规则

如果号槽模块执行协议那么它应满足图所示的时序要求

参数最小最大说明

启停建立时间

启停保持时间

图启停时序

规则

信号接收器应接收建立时间和保持时间都不小于的任何命令

规则

在执行协议时启动信号应由启停线的低保持状态表示停止信号应由

启停线的高释放状态表示

外部触发缓冲

注意

根据加载和驱动规定要求将线扩展至主机箱外时需要进行缓冲

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推荐

当触发操作扩展到总线机箱外部时缓冲器应向下述的标准外部触发缓冲器源出和接收

信号

标准外部触发缓冲器

为了最大限度地使一个或多个主机箱与外部仪器兼容本标准推荐了一种线的标准缓

冲电路信号源有一个的串联输出阻抗它的开路低电平输出不大于开路高电平输出不小

于信号源模块与其他总线主机箱或仪器之间的连接推荐使用的电缆在距信号源

最远处给电缆端接电阻这样可获得最佳性能用一个负载阻抗不小于的电阻将接收器的

阈值电平定在的有效逻保持不变保持状态仍为低参见图

注意

为执行同步和异步触发协议标准外部触发缓冲器只要求简单的缓冲

图外部触发缓冲

触发线

线可作为模块间的定时源这两条线以总线子系统底板的一段为通路任何模块

当然也包括号槽模块都可以驱动这两条线也可以从这两条线上接收信息这两条线是单端线

系统阻抗为规定逻高为有效状态

规则

在底板各端每条线应用的电阻端接使电压达到这就要求任何驱动器能

驱动的电阻

规则

距任何模块的连接器的焊点的最大印制线长度不得超过

推荐

连接连接器到触发线的接收器驱动器之间的传输线阻抗应为

推荐

检测线的模块应有一个电阻与传输线串联该传输线是连接器上的

触发线与线接收器的连线

规则

在任何线上各模块都不应有一个以上的等效驱动器接收器负载

规则

如果模块驱动总线那么它应使用驱动器该驱动器提供一个小于终端电压

例如的低输出电平

注意

采用产生线高阻抗低电平的驱动器来消除设备线或时发生的尖峰干扰

规则

如果模块连接线那么它应在信号无效之后内释放该线

规则

分配线应根或根为一组且应满足为线定义的同一分配规则

图示出了典型的接口

图典型的接口

标准协议

有一套相应于协议的规定协议这些协议在以下各部分定义

同步触发协议

同步触发协议是一个不需要任何接收器应答的单根连线传播触发协议

规则

一个同步触发源应保持一个最小时间为的触发脉冲而释放时间最小应为如

图所示

参数最小最大说明

最小信号源保持时间

最小信号源释放时间

图同步触发协议

规则

同步触发接收器应接收任何保持时间的触发脉冲且紧跟着一段的释放

时间

异步触发协议

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异步触发协议是一个双线单信号源单接收器协议信号源通过保持分配的线

对中的低编号线开始一次操作而接收器则通过保持线对中的高编号线应答这种触发方式

对总线模块和外部仪器间的握手是有用的

规则

执行异步触发协议的模块应在线对中的低编号线上产生信号

规则

执行异步触发协议的模块应在线对中的高编号线上应答

规则

如果模块执行异步触发协议那么它应满足图所示的时序要求

规则

异步触发信号源或接收器应接收任何保持时间不小于的触发脉冲且紧跟着一段

不小于的释放时间

参数最小最大说明

最小信号源保持时间

最小接收器响应时间

最小接收器保持时间

最小信号源释放时间

对信号源再保持的最小接收器应答时间

图异步触发协议

线时钟传送

线可以用于时钟信号传送

规则

如果某根线用于时钟传送那么它应满足