天大嵌入式系统课件-3-总线设计

1、2022-5-231嵌入式系统设计嵌入式系统设计 天津大学计算机学院天津大学计算机学院 车明车明 第三章第三章: 总线设计总线设计2022-5-2323.1 总线概述总线概述3.1.1 总线分类总线分类n片内总线片内总线: :芯片内部总线（芯片内部总线（VLSIVLSI课程相关）课程相关）n器件总线器件总线: :芯片间互连总线芯片间互连总线, ,可由设计者自定义，可由设计者自定义，也有标准的总线，如：也有标准的总线，如：I2CI2C、SPISPI、n内总线内总线: :设备内部总线，电路板间互连。设备内部总线，电路板间互连。u 标准内总线标准内总线: :国际标准国际标准, ,如如:STD:STD

2、、PCIPCI、u 专用内总线专用内总线: :由设计者根据需要采用、自定由设计者根据需要采用、自定义义n外总线：设备间总线，不同设备间通信。外总线：设备间总线，不同设备间通信。均为均为标准总线，如：标准总线，如：RS232RS232、USBUSB、2022-5-2333.1.2 标准总线与专用总线标准总线与专用总线n标准总线标准总线u 由国际标准化组织发布，业界统一由国际标准化组织发布，业界统一u 优点：简化设计、易于扩展、便于更新、方便维修优点：简化设计、易于扩展、便于更新、方便维修u 通用设备（如通用设备（如PC机）的内、外总线都采用标准总线机）的内、外总线都采用标准总线n专用总线专用总线

3、u 由设备设计者定义的、适应设备特点的总线由设备设计者定义的、适应设备特点的总线u 特点：专用性、不兼容，效率高、开销少、成本低特点：专用性、不兼容，效率高、开销少、成本低u 嵌入式设备因受应用环境限制，可能不易实现标准嵌入式设备因受应用环境限制，可能不易实现标准总线，且可能存在浪费；因此经常采用专用总线。总线，且可能存在浪费；因此经常采用专用总线。许多较小的系统也可能不需要内总线。许多较小的系统也可能不需要内总线。2022-5-2343.2 内总线内总线3.2.1 专用内总线专用内总线n单片机扩展总线：单片机扩展总线：u 一般地，通过选择合适的单片机，其内部资一般地，通过选择合适的单片机，其

4、内部资源应可以满足应用需求，则其外部引脚就可源应可以满足应用需求，则其外部引脚就可以看作器件总线或内总线，实现与相关外设以看作器件总线或内总线，实现与相关外设的连接。的连接。u 当单片机资源不足时，可通过单片机扩展内当单片机资源不足时，可通过单片机扩展内部总线，增加相关资源，这时内总线应能适部总线，增加相关资源，这时内总线应能适应相关资源的驱动需求，有必要对单片机外应相关资源的驱动需求，有必要对单片机外部引脚信号进行必要处理。部引脚信号进行必要处理。2022-5-235例：给例：给AT89C51单片机扩展单片机扩展RAM EBI总线总线n介绍uEBI总线主要用于处理器与外部存储器芯片之间进行数

5、据交换u根据处理器的不同，数据线宽度有8位，16位，32位，64位等u工作速率从0133MHzu传输带宽=位宽X速率，最高可达8Gbps 外设外设外设外设外设外设外设外设外设外设外设外设外设外设外设内存CPU EBI总线总线n接口信号uEBI总线根据用途可以分为数据总线、地址总线和控制总线，数据总线用D0,D1,D2来表示，地址总线用A0,A1,A2来表示，控制总线则根据各个控制线作用的不同，分别用CS（芯片片选信号）、CK（时钟使能）、WR（写控制信号）、OE（输出使能）等表示u多个外设可以共享地址总线和数据总线，通过不同的CS信号线来选择不同的外设 EBI总线总线n总线时序u读操作 EBI

6、总线总线n总线时序u读操作 发起数据传输的主机首先在总线上发出地址信息，然后使能nGS，选中某个外设，该外设在EXTCLK（外部时钟信号）的同步下读取地址信息；之后主机再将读使能信号nOE拉低，产生读操作信号，此后外设就将对应地址中的数据放在DATA信号线上，主机也在EXTCLK的同步下读取DATA值，从而完成一次读操作 EBI总线总线n总线时序u写操作 EBI总线总线n总线时序u写操作 写操作时主机首先将需要写入数据的地址值从ADDR信号线送出，然后主机使能nGS，选中某个外设，外设在EXTCLK的同步下读取该地址信息。主机再将需要写入的数据放于DATA线上，并使能nWE信号，外设在EXTC

7、LK的同步下从DATA线上读取数据值，并写入到ADDR指定的地址中 2022-5-23123.2.2 标准内总线标准内总线n标准内总线的种类已超过标准内总线的种类已超过100100种种n我们介绍嵌入式系统中常用的几种我们介绍嵌入式系统中常用的几种1） STD总线总线nSTDSTD总线是一个面向工业控制的总线是一个面向工业控制的8 8位总线，目位总线，目前已被升级到前已被升级到1616位、位、3232位位n8 8位位STDSTD总线是由总线是由5656条信号线组成的并行底板条信号线组成的并行底板总线，它又分为总线，它又分为4 4条小总线，即条小总线，即8 8根双向数据根双向数据线、线、1616根

8、地址线、根地址线、2222根控制线、根控制线、1010根电源线。根电源线。nSTDSTD总线在总线在19871987年被批准为年被批准为IEEE961IEEE961标准标准 2022-5-2313STD总线信号总线信号2022-5-2314nSTD总线信号功能总线信号功能:u 引脚引脚 1-6、53-56：电源及辅助电源：电源及辅助电源u 引脚引脚 7-14：8位数据总线位数据总线 / 高位地址扩展高位地址扩展u 引脚引脚 15-30：16位地址总线位地址总线 / 高位数据扩展高位数据扩展u 引脚引脚 31-52：控制总线。其中：控制总线。其中：F RD / WR：总线读：总线读 / 写写F

9、MEMRQ / IORQ ：存储器请求：存储器请求 / IO请求请求F BUSRQ / BUSAK：总线请求：总线请求 / 总线响应总线响应F INTRQ / INTAK：中断请求：中断请求 / 中断响应中断响应F SYSRESET / PBRESET： 系统系统 / 按键复位按键复位F CLOCK：处理器时钟输出：处理器时钟输出F PCI / PCO：中断优先链路输入：中断优先链路输入 / 输出输出2022-5-2315nSTD总线中断优先链的使用总线中断优先链的使用:u 串行连接串行连接u 优先级由高到低分布优先级由高到低分布u 高优先中断启动时关闭后续中断链高优先中断启动时关闭后续中断链

10、2022-5-2316STD-8031 CUP板nSTD总线的特点：总线的特点：u采用小模板结构采用小模板结构, 尺寸为尺寸为165114mmu模块化的总体设计布局模块化的总体设计布局u开放式的系统结构开放式的系统结构u拥有丰富的拥有丰富的I/O功能功能u模板的小尺寸设计模板的小尺寸设计, 减少减少冲击和震动的影响冲击和震动的影响2022-5-23172） PC机内总线机内总线nPC机内总线经历了机内总线经历了PC/XT、ISA、EISA、PCI、PCI-E的发展过程的发展过程n1981年，年，IBM公司开发的首台个人计算机公司开发的首台个人计算机PC/XT采采用的系统总线，是基于用的系统总线

11、，是基于8bit的的8088处理器的，当时处理器的，当时被称为被称为PC/XT总线，带宽总线，带宽2MB/sn1984年，年，16-bit Intel 80286诞生，总线也相应诞生，总线也相应地扩展为地扩展为16bit，并被称，并被称呼为呼为PC/AT总线，既后来总线，既后来的的ISA总线总线(工业标准架构：工业标准架构：Industry Standard Architecture )，带宽，带宽8MB/s 基于ISA总线的显卡 2022-5-2318n1988年，年，32-bit外部总线的外部总线的386DX处理器成为主流后，处理器成为主流后，ISA总线标准也被扩展到了总线标准也被扩展到了

12、32-bit，成为了，成为了EISA（扩（扩展展ISA，Extended ISA），带宽），带宽32MB/s，但由于，但由于EISA成本过高，很快被成本过高，很快被PCI取代。取代。基于PCI总线的显卡 n1992年，年，PCI总线随着总线随着486处理器一起问世，处理器一起问世，问世之初就是一种问世之初就是一种32bit/33MHz（相当于（相当于带宽带宽133MB/s ）的总）的总线标准；在线标准；在1993年被年被升级为升级为64bit/66MHz，但直到现在我们使用的但直到现在我们使用的仍是仍是32bit/33MHz的的PCI总线总线 。2022-5-2319n1996年，年，Inte

13、l推出了推出了AGP局部总线规范，这局部总线规范，这是专门为显卡量身打造是专门为显卡量身打造的一种总线标准，独立的一种总线标准，独立于于PCI总线。总线。nAGP的工作频率为的工作频率为66MHz ，1X模式下带模式下带宽为宽为266MB/s，是，是PCI总线的两倍。后来依次总线的两倍。后来依次又推出了又推出了AGP 2X、AGP 4X、AGP8X，AGP8X带宽已经达到带宽已经达到了了2.1GB/s，是，是PCI总总线带宽的线带宽的16倍。倍。基于AGP 8X总线的显卡 AGP与PCI的关系 2022-5-2320n2002年，年，PCI Express规范被批准，并称之为规范被批准，并称之

14、为第三代第三代I/O总线技术总线技术 (3rd Generation I/O，3GIO)nPCI Express总线是一种总线是一种点对点串行连接的设备点对点串行连接的设备连接方式，这意味着每连接方式，这意味着每一个一个PCI Express设备都设备都拥有自己独立的数据连拥有自己独立的数据连接。接。3GIO连接示意图n除了除了3D显示卡以外，直到现在还没有哪个计算机配显示卡以外，直到现在还没有哪个计算机配件脱离件脱离PCI总线的规范另起炉灶总线的规范另起炉灶 。但。但PC技术的快速技术的快速发展尤其是最近的千兆网络以及视频应用等外设，会发展尤其是最近的千兆网络以及视频应用等外设，会使使PCI

15、可怜的可怜的133MB/s带宽难以承受。带宽难以承受。2022-5-2321n在传输速率方面，在传输速率方面，PCI Express总线利用串行总线利用串行的连接特点，达到远超的连接特点，达到远超出出PCI总线的传输速率。总线的传输速率。nPCI Express的接口根的接口根据总线位宽不同而有所据总线位宽不同而有所差异，包括差异，包括x1、x4、x8以及以及x16 (x2模式专模式专用于内部接口而非插槽用于内部接口而非插槽模式模式)nPCI Express总线支持总线支持双向传输模式，还可运双向传输模式，还可运行全双工模式，而它的行全双工模式，而它的双单工连接能提供更高双单工连接能提供更高的

16、传输速率和质量的传输速率和质量 基于PCI Express 16X总线的显卡 PCI Express的模式模式模式 双向传输模式双向传输模式 数据传输模式数据传输模式 PCI Express x1 500MB/s 250MB/s PCI Express x2 1GB/s 500MB/s PCI Express x4 2GB/s 1GB/s PCI Express x8 4GB/s 2GB/s PCI Express x16 8GB/s 4GB/s PCI Express x32 16GB/s 8GB/s 2022-5-2322n目前用于嵌入式系统的目前用于嵌入式系统的PC总线主要是总线主要是P

17、CI和少和少量的量的ISAnPCI总线以其优越的电性能获得了业界的一致总线以其优越的电性能获得了业界的一致认可，同时利用认可，同时利用PCI总线的电性能，结合不同总线的电性能，结合不同的机械结构，产生了各种各样的总线：的机械结构，产生了各种各样的总线：u Compact PCI简称简称CPCI，中文称紧凑型，中文称紧凑型PCI，将，将PCI总线与欧规卡的机械结构相结合，支持热插拔总线与欧规卡的机械结构相结合，支持热插拔(Hot Swap)、后走线、后走线(Rear IO)，在电信、军工、，在电信、军工、交通等领域得到广泛的应用。交通等领域得到广泛的应用。 u PXI总线：在总线：在CPCI基础

18、上加入同步时钟、触发等基础上加入同步时钟、触发等测量专用信号，在测量、控制领域应用。测量专用信号，在测量、控制领域应用。u PMC总线：配合总线：配合CPCI总线在电信行业中使用。总线在电信行业中使用。 2022-5-2323CPU存储控制器存储器PCI桥标准总线桥设备标准总线 ISA 设备设备设备PCI 总线PCI总线的结构总线的结构2022-5-2324C/BE(30)AD(6332)C/BE(74)AD（310）PCI总线信号定义总线信号定义n必要引脚必要引脚49条条 n目标设备目标设备引脚引脚47条条 n可选引脚可选引脚51条（主条（主要用于要用于64位扩展、位扩展、中断请求、中断请求

19、、高速缓存高速缓存支持等）支持等）n总引脚数总引脚数120条条（包含电（包含电源、地、源、地、保留引脚保留引脚等等）等等） 2022-5-2325PCI总线信号时序总线信号时序2022-5-23263） 其他标准内总线其他标准内总线nVME（VersaModule Eurocard）总线是一）总线是一种通用的计算机总线，结合了种通用的计算机总线，结合了Motorola公司公司Versa总线的电气标准和在欧洲建立的总线的电气标准和在欧洲建立的Eurocard标准的机械形状因子，是一种开放标准的机械形状因子，是一种开放式架构，围绕其开发的产品遍及了工业控制、式架构，围绕其开发的产品遍及了工业控制、

20、军用系统、航空航天、交通运输和医疗等领军用系统、航空航天、交通运输和医疗等领域。域。 nVXI (VMEbus eXtension for Instrumentation)总线是总线是VME计算机总线在计算机总线在仪器领域中的扩展仪器领域中的扩展,由由HP等公司提出等公司提出,1992年年成为成为IEEE1155标准。标准。2022-5-23273.3 外总线外总线n标准外总线的种类也有近百种标准外总线的种类也有近百种n我们介绍嵌入式系统中常用的几种我们介绍嵌入式系统中常用的几种3.3.1 RS-232Cn异步串行通信接口，由异步串行通信接口，由EIAEIA（美国电子工业协会）发布（美国电子工

21、业协会）发布n全双工（同时收发），传输距离最大约为全双工（同时收发），传输距离最大约为15M15Mn电气特性：电气特性：u 数据数据“0”0”（“空号空号” ” spacespace）+3 - +15V+3 - +15Vu 数据数据“1”1”（“传号传号” ” markmark） -3 - -15V-3 - -15Vu 噪声容限：噪声容限：+/-+/-（3 - 53 - 5）V V2022-5-23289 9脚脚 RS-232C RS-232C 接口定义接口定义n通常使用数据接收（通常使用数据接收（2 2脚）、数据发送（脚）、数据发送（3 3脚）和信脚）和信号地（号地（5 5脚）即可构成最简单

22、的串行通信线路。脚）即可构成最简单的串行通信线路。2022-5-2329UART 与与 RS-232Cn通用异步收发通用异步收发 UART（Universal Asynchronous Receiver and Transmitter）通常是单片机的一个部件）通常是单片机的一个部件nUART提供异步串行通信接口，它使用逻辑电平标准提供异步串行通信接口，它使用逻辑电平标准 (如：如：TTL电平电平) ，通过电平转换即可构成，通过电平转换即可构成RS-232C接口接口n常用电平转换器件：常用电平转换器件：MC1488、MC1489、MAX2322022-5-2330异步串行通信的几个关键参数异步串

23、行通信的几个关键参数n 波特率（波特率（baud rate）：）：19200、9600、4800、 n 起始位：起始位： 1n 数据位：数据位： 5、6、7、8n 停止位：停止位： 1、1.5、2n 校验方式、校验位：校验方式、校验位：NULL、ODD、EVEN2022-5-23313.3.2 RS-485、RS-422nRS-485RS-485、RS-422 RS-422 接口标准是对接口标准是对 RS-232C RS-232C 在性能上在性能上的增强改进，通信时序与的增强改进，通信时序与 RS-232C RS-232C 相同。相同。 nRS-485RS-485、RS-422 RS-422

24、最大的通信距离约为最大的通信距离约为1200M1200M，最大，最大传输速率为传输速率为10Mb/S 10Mb/S （10M bps10M bps）nRS-485 RS-485 半双工，半双工，1 1组双绞线组双绞线2 2线传输（较常用）线传输（较常用）nRS-422 RS-422 全双工，全双工，2 2组双绞线组双绞线4 4线传输线传输nRS-485RS-485、RS-422 RS-422 支持多点数据通信。其总线网络支持多点数据通信。其总线网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构，不支持环形拓扑一般采用终端匹配的总线型结构，不支持环形或星型网络。或星型网络。nRS-485RS-485、RS-4

25、22 RS-422 总线一般最大支持总线一般最大支持3232个节点，如个节点，如果使用特制的果使用特制的485485芯片，可以达到芯片，可以达到128128个或个或256256个节个节点。点。 2022-5-2332RS-485、RS-422 电平转换电平转换nRS-485RS-485、RS-422 RS-422 采用平衡发送和差分接收方式实现通采用平衡发送和差分接收方式实现通信：发送端将串行口的信：发送端将串行口的TTLTTL电平信号转换成差分信号分电平信号转换成差分信号分A,BA,B两路输出，经过线缆传输之后在接收端将差分信号两路输出，经过线缆传输之后在接收端将差分信号还原成还原成TTLT

26、TL电平信号。电平信号。n常用电平转换器件：常用电平转换器件：DS3695、DS3696 (RS-485收发器收发器)2022-5-23333.3.3 USBn通用串行总线通用串行总线 USB（Universal Serial Bus）nUSB是在是在1994年底由年底由Intel、IBM、Microsoft等多家等多家公司联合提出的。不过直到近期，它才得到广泛地应公司联合提出的。不过直到近期，它才得到广泛地应用。用。1994年发表了年发表了USB V0.7版本以后，版本以后，USB目前的目前的实用版本为实用版本为V1.1和和V2.0n传输速率：传输速率：USB1.1 12Mb/s；USB2.

27、0 480Mb/sn支持热插拔和即插即用支持热插拔和即插即用n在同一线上支持同步、异步两种传输模式在同一线上支持同步、异步两种传输模式n支持对多个设备的同时操作支持对多个设备的同时操作n最多可以连接最多可以连接127个外部设备个外部设备2022-5-2334USB 体系结构体系结构nUSB采用多级星型网络把所有的外设连接起来采用多级星型网络把所有的外设连接起来 图31 总线的拓扑结构 USB总线总线n逻辑拓扑结构 在物理结构上，主机是通过集线器与各个逻辑设备通信的，但是在逻辑结构上，主机还是直接与各个逻辑设备通信，就好像它们是直接被连到主机上一样。2022-5-2336nUSB体系结构中包括三

28、种设备：体系结构中包括三种设备：u Host：USB主控制器主控制器u Device：USB设备（外部设备）设备（外部设备）u HUB：USB集线器（也是外部设备）集线器（也是外部设备）nUSB通信采用主从结构通信采用主从结构u 只有只有 Host 能够与能够与 Device 通信通信u 2个个 Host 或或 2个个 Device 之间不能通信之间不能通信n通过通过 HUB 的扩展，的扩展，Host 可以与多个可以与多个 Device 相连相连n每个每个USB 系统有且只有一个系统有且只有一个 Host，它负责管理整个它负责管理整个USB 系统，包括系统，包括 Device 的连接与删除、的

29、连接与删除、Host 与与 Device 的通信、的通信、 USB 线路的控制等。线路的控制等。nHost 端有一个端有一个 Root Hub 可提供一个或多个可提供一个或多个USB下行下行端口，每个端口可以连接一个端口，每个端口可以连接一个USB Hub或一个或一个USB Device 。 USB总线数据流总线数据流2022-5-2338USB 电缆电缆nUSB使用四线的电缆使用四线的电缆 ，两根线是用于发送信号，另，两根线是用于发送信号，另两根线提供端口供电。两根线提供端口供电。VBUS使用使用+5V电源。电源。 n完全依靠电缆提供能源的设备称作完全依靠电缆提供能源的设备称作“总线供能总线

30、供能”设备设备 n可选择能源来源的设备称作可选择能源来源的设备称作“自供电自供电”设备设备 n集线器也可由与之相连的集线器也可由与之相连的USB电缆提供电源，称为电缆提供电源，称为“总线供能总线供能”集线器。集线器。 2022-5-2339USB 通信通信nHost与与Device之间的数据通信可以分为两个阶段：之间的数据通信可以分为两个阶段：u 通信建立阶段：设备在收到主机的请求后发送设备通信建立阶段：设备在收到主机的请求后发送设备描述符等信息以便主机对设备进行识别和设置。描述符等信息以便主机对设备进行识别和设置。u 数据通信阶段：主机与设备之间进行数据交换。数据通信阶段：主机与设备之间进行

31、数据交换。nUSB有四种的传输方式：控制有四种的传输方式：控制 (Control)、同步、同步 (isochronous)、中断、中断 (interrupt)、大量、大量 (bulk)u 控制是双向传输，主要是控制是双向传输，主要是USB系统软件用来进行查系统软件用来进行查询配置和给询配置和给USB设备发送通用的命令设备发送通用的命令u 同步提供了确定的带宽和间隔时间，它被用于时间同步提供了确定的带宽和间隔时间，它被用于时间要求严格或要求恒定的数据传输率的即时应用中。要求严格或要求恒定的数据传输率的即时应用中。u 中断主要用于定时查询设备是否有中断数据要传输中断主要用于定时查询设备是否有中断数

32、据要传输u 大量主要应用在大批数据传输和接受上，同时又没大量主要应用在大批数据传输和接受上，同时又没有带宽和间隔时间要求的情况下。有带宽和间隔时间要求的情况下。2022-5-23403.3.4 IEEE 1394 nIEEE 1394的前身于的前身于1986年由苹果公司所草拟，苹果公年由苹果公司所草拟，苹果公司称之为火线司称之为火线 FireWire nIEEE 1394是为了增强外部多媒体设备与电脑连接性能是为了增强外部多媒体设备与电脑连接性能而设计的高速串行总线，传输速率达到而设计的高速串行总线，传输速率达到400Mbps，最，最新标准新标准IEEE 1394b达达3.2GbpsnIEEE

33、 1394具有两种数据传输模式：同步具有两种数据传输模式：同步(Isochronous)传输与非同步传输与非同步(Asynchronous)传输传输 nIEEE 1394支持热插拔支持热插拔nIEEE 1394使用六根铜导线，其中使用六根铜导线，其中2条用于设备供电，条用于设备供电，另外另外4条用于数据信号传输条用于数据信号传输 。nIEEE 1394典型连接设备如摄像机、音响设备、高速硬典型连接设备如摄像机、音响设备、高速硬盘等，目前面临被盘等，目前面临被USB取代的可能。取代的可能。2022-5-23413.3.5 并行接口（打印机接口）并行接口（打印机接口）nPCPC标准标准 CENTR

34、ONNIC CENTRONNIC 并行打印总线并行打印总线u 3636条信号线，也可简化到条信号线，也可简化到2525线线u 主要信号线为：主要信号线为：F D0D7 D0D7 数据线数据线F /STB /STB 数据选通数据选通F BUSY BUSY 打印机忙打印机忙F /ACK /ACK 打印完成打印完成n串行接口打印机：使用串行接口打印机：使用RS-232CRS-232C标准标准nUSBUSB接口打印机：使用接口打印机：使用 USB USB 设备标准协议设备标准协议u 目前打印机连接的主流方式目前打印机连接的主流方式2022-5-23423.3.6 其他标准外总线其他标准外总线nSCSI

35、 (Small Computer System Interface)总线的原型是美国总线的原型是美国Shugart公司推出的公司推出的,1986年成为美国国家标准年成为美国国家标准ANSI X3.131, 现已普遍现已普遍用作计算机的高速外设总线用作计算机的高速外设总线,如连接高速硬盘如连接高速硬盘驱动器。驱动器。 nMIL-STD-1553B航空数据总线，总线原本是航空数据总线，总线原本是美军航空电子综合系统的标准总线，首先使美军航空电子综合系统的标准总线，首先使用在美国空军用在美国空军F-16 战斗机和攻击直升机阿帕战斗机和攻击直升机阿帕奇奇AH-64A。国内对其进行了跟踪研究，制定。国内

36、对其进行了跟踪研究，制定了相应的国军标了相应的国军标GJB289A，并已应用于国产，并已应用于国产先进战斗机中。先进战斗机中。2022-5-2343n现场总线：现场总线是一种数字化、双向、现场总线：现场总线是一种数字化、双向、开放式、多点通信系统，是一种过程控制系开放式、多点通信系统，是一种过程控制系统中的常用总线；系统中的变送器、传感器、统中的常用总线；系统中的变送器、传感器、执行机构、控制装置相互之间或与监控设备执行机构、控制装置相互之间或与监控设备间能够实现双向多参数的数字通信。间能够实现双向多参数的数字通信。 n现场总线也有许多标准现场总线也有许多标准u 基金会现场总线基金会现场总线F

37、F (foundation fieldbus)u 德国西门子的德国西门子的Profibusu 美国美国Echelon公司的公司的Lon worksu 德国德国Bosch公司的公司的CANBUSu 瑞士的瑞士的Duplineu n CAN总线总线CAN是控制器局域网络(Controller Area Network, CAN)的简称，是由研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发，并最终成为国际标准（ISO11898）。是国际上应用最广泛的现场总线之一。CAN总线帧格式总线帧格式 CAN总线速度总线速度CAN总线根据其传输速率的不同，是分级的。不同的应用由于数据传输量、传输性能的要求不一

38、样，则可以采用不同级别的CAN网络。CAN总线应用举例总线应用举例 2022-5-23483.4 器件总线器件总线n器件总线主要由设计者自定义，但也有许多器件总线主要由设计者自定义，但也有许多标准的器件总线。标准的器件总线。n我们介绍嵌入式系统中常用的几种我们介绍嵌入式系统中常用的几种3.4.1 I2CnI2CI2C（InterInter - - Integrated CircuitIntegrated Circuit）总线）总线是由是由PhilipsPhilips公司推出的一种芯片间的串行公司推出的一种芯片间的串行通信总线，广泛应用于单片机嵌入式系统中。通信总线，广泛应用于单片机嵌入式系统中

39、。2022-5-2349nI2C总线最主要的优点是其简单和有效性总线最主要的优点是其简单和有效性 nI2C总线的标准传输速度是总线的标准传输速度是100Kb/s，最大长度，最大长度25英尺，并且能够支持英尺，并且能够支持40个具有独立地址的组件。个具有独立地址的组件。nI2C 总线是一种多主机的总线，可以连接多个能控总线是一种多主机的总线，可以连接多个能控制总线的器件，但同一时刻只能有一个器件控制总制总线的器件，但同一时刻只能有一个器件控制总线而成为主机。线而成为主机。nI2C由双向通讯的两芯线路为集成电路之间提供有由双向通讯的两芯线路为集成电路之间提供有效的控制效的控制u 一条用来传输时钟一

40、条用来传输时钟u 一条用来传输数据一条用来传输数据2022-5-2350nI2C总线器件的输出级必须是集电极或漏极开路总线器件的输出级必须是集电极或漏极开路的的，线上各个节点可在系统带电情况下接入或撤出。线上各个节点可在系统带电情况下接入或撤出。nI2C通过带有缓冲区的接口发送或接收数据，控制和通过带有缓冲区的接口发送或接收数据，控制和状态信息则通过一套内存映射寄存器来传送状态信息则通过一套内存映射寄存器来传送n主机启动开始信号以后，发送一个寻址字节，该字主机启动开始信号以后，发送一个寻址字节，该字节的高节的高7 位为从机地址，最低位位为从机地址，最低位(LSB)为数据方向位，为数据方向位，“

41、0”表示写，表示写，“1”表示读。表示读。n地址匹配的组件响应，并准备数据收发地址匹配的组件响应，并准备数据收发I2C总线总线n总线工作原理u总线协议 F总线上每次传送开始时有起始信号，结束时有停总线上每次传送开始时有起始信号，结束时有停止信号止信号 F启动总线后第一个字节启动总线后第一个字节(命令字节命令字节)的高的高7位是从位是从器件的寻址地址，其中最高器件的寻址地址，其中最高4位为器件类型识别位为器件类型识别码，接着的码，接着的3位为器件地址，第位为方向位位为器件地址，第位为方向位（“”表示写操作，表示写操作，“”表示读操作表示读操作)I2C总线总线n总线工作原理u总线协议 F地址字节后

42、面的字节为传输的数据地址字节后面的字节为传输的数据,数据字节可数据字节可以是以是1n个个 2022-5-2353nI2C 总线数据传输时，每个数据位必须有一个时钟脉冲总线数据传输时，每个数据位必须有一个时钟脉冲I2C 时序时序nI2C 总线空闲时，总线空闲时，SDA 和和SCL 都保持高电平，开始信号都保持高电平，开始信号(S)和结束信号和结束信号(P)由主机产生由主机产生u 开始信号：开始信号：SCL 为高电平时，为高电平时，SDA 由高电平向低电平由高电平向低电平跳变，开始传送数据。跳变，开始传送数据。u 结束信号：结束信号：SCL 为高电平时，为高电平时，SDA 由低电平向高电平由低电平

43、向高电平跳变，结束传送数据。跳变，结束传送数据。2022-5-2354I2C 总线连接总线连接标准模式组件连接到标准模式组件连接到 I2C 总线总线2022-5-23553.4.2 SPInSPI（Serial Peripheral interface）串行外）串行外围设备接口，由围设备接口，由Motorola推出推出n是一种高速、全双工、同步串行通信总线是一种高速、全双工、同步串行通信总线 nSPI 有有 3Mbit/s 的速率的速率 nSPI 协议要求接口设备按主协议要求接口设备按主-从方式进行配置，从方式进行配置，同一时间内总线上只能有一个主器件同一时间内总线上只能有一个主器件nSPI

44、总线可以配置成单主单从，单主多从，总线可以配置成单主单从，单主多从，互为主从互为主从 nSPI 接口主要应用在接口主要应用在EEPROM、FLASH、实时时钟、实时时钟、AD、DSP等器件之间等器件之间 2022-5-2356n实现实现SPI接口需要接口需要34根线根线u 同步时钟同步时钟(SCK) 线用于同步主器件和从器件之线用于同步主器件和从器件之间在间在MISO和和MOSI线上的串行数据传输，该数据线上的串行数据传输，该数据由主器件输出并决定其传输速率；由主器件输出并决定其传输速率；u 主输出主输出/从输入从输入(MOSI) 线，用于主器件的输出和线，用于主器件的输出和从器件的输入；从器

45、件的输入；u 主输入主输入/从输出从输出(MISO) 线，用于主器件的输入和线，用于主器件的输入和从器件的输出；从器件的输出；u 从选择从选择(NSS) 线线(可选可选)，当，当SPI工作在工作在3线方式时，线方式时，NSS被禁止，而当其工作在被禁止，而当其工作在4线方式时，线方式时，NSS用用于使能从器件。于使能从器件。2022-5-2357n依据依据MOSI及及MISO上的数据在上的数据在SCK的哪种极的哪种极性和相位上有效，性和相位上有效，SPI可分为四种工作模式可分为四种工作模式SPI 工作时序图2022-5-2358SPI 总线连接总线连接nSPI 接口的内部硬件实际上是两个移位寄存

46、器，传输接口的内部硬件实际上是两个移位寄存器，传输的数据为的数据为8位，在主器件产生的使能信号和移位脉冲控位，在主器件产生的使能信号和移位脉冲控制下，按位循环传输，高位在前，低位在后。制下，按位循环传输，高位在前，低位在后。SCK的的每个脉冲周期完成每个脉冲周期完成1位数据向对方寄存器的移位操作，位数据向对方寄存器的移位操作，8个脉冲周期完成一字节交换。个脉冲周期完成一字节交换。典型典型 SPI 总线连接总线连接(单主多从单主多从)SPI接口内部硬件图示接口内部硬件图示 8-bitShift Register8-bitShift RegisterSPI ClockGeneratorMASTER

47、SLAVEMOSIMISOSCK2022-5-2359n总线竞争情况下无法传送数据，必须通过适当总线竞争情况下无法传送数据，必须通过适当的总线控制逻辑避免总线竞争。的总线控制逻辑避免总线竞争。n硬件上总线驱动要使用三态门或集电极、漏极硬件上总线驱动要使用三态门或集电极、漏极开路门（开路门（OCOC门），必要时增加总线仲裁逻辑。门），必要时增加总线仲裁逻辑。n软件上必须对可能发生的总线竞争进行检测、软件上必须对可能发生的总线竞争进行检测、仲裁和处理，实现总线的分时使用。仲裁和处理，实现总线的分时使用。3.5 总线驱动与控制总线驱动与控制n总线驱动与控制涉及器件总线、内总线和外总线总线驱动与控制涉

48、及器件总线、内总线和外总线3.5.1 总线竞争总线竞争n总线竞争指总线竞争指2 2个以上设备同时个以上设备同时驱动总线发送数据驱动总线发送数据2022-5-23603.5.2 负载计算负载计算n在计算机中，某一芯片的负载驱动能力，也就是在计算机中，某一芯片的负载驱动能力，也就是它能在规定的性能下供给下一级的电流它能在规定的性能下供给下一级的电流( (或是吸或是吸收下级电流收下级电流) )的能力及允许在其输出端所接的等的能力及允许在其输出端所接的等效电容的能力。效电容的能力。u 前者是下级电路对驱动器的直流负载前者是下级电路对驱动器的直流负载u 后者是下级电路对驱动器的交流负载后者是下级电路对驱

49、动器的交流负载u 某一芯片所能连接的下级电路输入管脚数称为该某一芯片所能连接的下级电路输入管脚数称为该芯片的扇出系数芯片的扇出系数n嵌入式系统设计，特别是总线设计中，必须考虑嵌入式系统设计，特别是总线设计中，必须考虑器件的负载问题，以确定驱动的需求。器件的负载问题，以确定驱动的需求。2022-5-2361回顾一：数字电路之回顾一：数字电路之IC器件的电气参数器件的电气参数nV(IH): V(IH): 高电平输入电压高电平输入电压( (一般是一个有效范围一般是一个有效范围) )nV(IL): V(IL): 低电平输入电压低电平输入电压( (一般是一个有效范围一般是一个有效范围) )nV(OH):

50、 V(OH): 高电平输出电压高电平输出电压( (一般与一般与VCCVCC相关相关) )nV(OL): V(OL): 低电平输出电压低电平输出电压( (由输出晶体管确定由输出晶体管确定) )nI(IH): I(IH): 高电平输入电流高电平输入电流( (流入器件流入器件) )nI(IL): I(IL): 低电平输入电流低电平输入电流( (由器件流出由器件流出) )nI(OH): I(OH): 高电平输出电流高电平输出电流( (由器件流出由器件流出, ,驱动电流驱动电流) )nI(OL): I(OL): 低电平输出电流低电平输出电流( (流入器件流入器件, ,灌电流灌电流) )nC(P): C(

51、P): 输出端最大允许电容负载输出端最大允许电容负载( (交流负载能力交流负载能力) )nC(I): C(I): 输入端电容输入端电容( (一般为输入端寄生电容一般为输入端寄生电容) )2022-5-2362回顾二：数字电路之回顾二：数字电路之IC器件的电气特性器件的电气特性2022-5-2363直流、交流负载的计算依据直流、交流负载的计算依据n输入端负载电流、电容的统计应计算输入端数，输入端负载电流、电容的统计应计算输入端数，而不是负载门数。因为有可能一个负载门上的多而不是负载门数。因为有可能一个负载门上的多个输入端均被连接在一个输出信号上。个输入端均被连接在一个输出信号上。2022-5-2

52、3641） 直流负载直流负载n当驱动门为高电平时，驱动门的高电平输出电流当驱动门为高电平时，驱动门的高电平输出电流I(OH)应应大于所有负载输入端所需要的高电平输入电流大于所有负载输入端所需要的高电平输入电流I(IH)之和。之和。n当驱动门为低电平时，驱动门的低电平输出电流当驱动门为低电平时，驱动门的低电平输出电流I(OL)(实实际是负载的灌电流际是负载的灌电流)应大于所有负载输入端的低电平输入应大于所有负载输入端的低电平输入电流电流I(IL)(实际是负载门的漏电流实际是负载门的漏电流)之和。之和。NmIHmOHII1为负载输入端总数个负载输入端的为第其中：NImIIHIHmNmILmOLII1为负载输入端总数个负载输入端的为第其中：NImIILILm2022-5-23652） 交流负载交流负载n就目前嵌入式应用来说，通常系统频率不是很高，一般只就目前嵌入式应用来说，通常系统频率不是很高，一般只考虑电容的影响。因为电容的存在可使脉冲信号产生延时，考虑电容的影响。因为电容的存在可使脉冲信号产生延时，边沿变坏。边沿变坏。n许多电路芯片都规定了所允许的负载许多电路芯片都规定了所允许的负载C(P)。另一