嵌入式的常用總線介紹

1 總線是什么？

總線是計(jì)算機(jī)各種功能部件之間傳送信息的公共通信干線，它是由導(dǎo)線組成的傳輸線束。

其實(shí)，總線就是一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)，它是CPU、內(nèi)存、輸入、輸出設(shè)備傳遞信息的公用通道。

工程師為了簡(jiǎn)化硬件電路設(shè)計(jì)、簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，常用一組線路，配置以適當(dāng)?shù)?a target="_blank">接口電路，與各部件和外圍設(shè)備連接，這組共用的連接線路被稱為總線。

另外就是采用總線結(jié)構(gòu)便于部件和設(shè)備的擴(kuò)充，尤其制定了統(tǒng)一的總線標(biāo)準(zhǔn)則容易使不同設(shè)備間實(shí)現(xiàn)互連。

2 總線分類

總線按功能和規(guī)范可分為五大類型：數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線、擴(kuò)展總線及局部總線。

數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線也統(tǒng)稱為系統(tǒng)總線，即通常意義上所說的總線。常見的數(shù)據(jù)總線為ISA、EISA、VESA、PCI等。

地址總線：是專門用來傳送地址的，由于地址只能從CPU傳向外部存儲(chǔ)器或I/O端口，所以地址總線總是單向三態(tài)的，這與數(shù)據(jù)總線不同，地址總線的位數(shù)決定了CPU可直接尋址的內(nèi)存空間大小。

控制總線：用來傳送控制信號(hào)和時(shí)序信號(hào)。控制信號(hào)中，有的是微處理器送往存儲(chǔ)器和I/O接口電路的；也有是其它部件反饋給CPU的，比如：中斷申請(qǐng)信號(hào)、復(fù)位信號(hào)、總線請(qǐng)求信號(hào)、設(shè)備就緒信號(hào)等。

按照傳輸數(shù)據(jù)的方式劃分，可以分為串行總線和并行總線。串行總線中，二進(jìn)制數(shù)據(jù)逐位通過一根數(shù)據(jù)線發(fā)送到目的器件；并行總線的數(shù)據(jù)線通常超過2根。常見的串行總線有SPI、I2C、USB及RS232等。

按照時(shí)鐘信號(hào)是否獨(dú)立，可以分為同步總線和異步總線。同步總線的時(shí)鐘信號(hào)獨(dú)立于數(shù)據(jù)，而異步總線的時(shí)鐘信號(hào)是從數(shù)據(jù)中提取出來的。SPI、I2C是同步串行總線，RS232采用異步串行總線。

微機(jī)中總線一般有內(nèi)部總線、系統(tǒng)總線和外部總線。內(nèi)部總線是微機(jī)內(nèi)部各外圍芯片與處理器之間的總線，用于芯片一級(jí)的互連；而系統(tǒng)總線是微機(jī)中各插件板與系統(tǒng)板之間的總線，用于插件板一級(jí)的互連；外部總線則是微機(jī)和外部設(shè)備之間的總線，微機(jī)作為一種設(shè)備，通過該總線和其他設(shè)備進(jìn)行信息與數(shù)據(jù)交換，它用于設(shè)備一級(jí)的互連。

那么多分類，筆者也只能選擇一種介紹了，就選擇內(nèi)部總線、系統(tǒng)總線和外部總線咯。

3 內(nèi)部總線

I2C總線：I2C（Inter-IC）總線10多年前由Philips公司推出，是近年來在微電子通信控制領(lǐng)域廣泛采用的一種新型總線標(biāo)準(zhǔn)。

它是同步通信的一種特殊形式，具有接口線少，控制方式簡(jiǎn)化，器件封裝形式小，通信速率較高等優(yōu)點(diǎn)。在主從通信中，可以有多個(gè)I2C總線器件同時(shí)接到I2C總線上，通過地址來識(shí)別通信對(duì)象。

SCI總線：串行通信接口SCI也是由Motorola公司推出的。它是一種通用異步通信接口UART，與MCS-51的異步通信功能基本相同。

IIS：I2S（Inter-IC Sound Bus）是飛利浦公司為數(shù)字音頻設(shè)備之間的音頻數(shù)據(jù)傳輸而制定的一種總線標(biāo)準(zhǔn)。

I2S有3個(gè)主要信號(hào)：

1.串行時(shí)鐘SCLK，也叫位時(shí)鐘，即對(duì)應(yīng)數(shù)字音頻的每一位數(shù)據(jù)，SCLK有1個(gè)脈沖。

2.幀時(shí)鐘LRCK，用于切換左右聲道的數(shù)據(jù)。LRCK為“1”表示正在傳輸?shù)氖亲舐暤赖臄?shù)據(jù)，為“0”則表示正在傳輸?shù)氖怯衣暤赖臄?shù)據(jù)。

3.串行數(shù)據(jù)SDATA，就是用二進(jìn)制補(bǔ)碼表示的音頻數(shù)據(jù)。有時(shí)為了使系統(tǒng)間能夠更好地同步，還需要另外傳輸一個(gè)信號(hào)MCLK，稱為主時(shí)鐘，也叫系統(tǒng)時(shí)鐘（Sys Clock）。

SPI：SPI（Serial Peripheral Interface：串行外設(shè)接口）;SPI是Motorola首先在其MC68HCXX系列處理器上定義的。

SPI接口主要應(yīng)用在EEPROM，F(xiàn)LASH，實(shí)時(shí)時(shí)鐘，AD轉(zhuǎn)換器，還有數(shù)字信號(hào)處理器和數(shù)字信號(hào)解碼器之間。

SPI接口是以主從方式工作的，這種模式通常有一個(gè)主器件和一個(gè)或多個(gè)從器件，其接口包括以下四種信號(hào)：

（1）MOSI – 主器件數(shù)據(jù)輸出，從器件數(shù)據(jù)輸入

（2）MISO – 主器件數(shù)據(jù)輸入，從器件數(shù)據(jù)輸出

（3）SCLK – 時(shí)鐘信號(hào)，由主器件產(chǎn)生

（4）/SS – 從器件使能信號(hào)，由主器件控制。

UART：UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter：通用異步收發(fā)器）。將由計(jì)算機(jī)內(nèi)部傳送過來的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為輸出的串行數(shù)據(jù)流。

將計(jì)算機(jī)外部來的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字節(jié)，供計(jì)算機(jī)內(nèi)部使用并行數(shù)據(jù)的器件使用。在輸出的串行數(shù)據(jù)流中加入奇偶校驗(yàn)位，并對(duì)從外部接收的數(shù)據(jù)流進(jìn)行奇偶校驗(yàn)。

在輸出數(shù)據(jù)流中加入啟停標(biāo)記，并從接收數(shù)據(jù)流中刪除啟停標(biāo)記。處理由鍵盤或鼠標(biāo)發(fā)出的中斷信號(hào)（鍵盤和鼠標(biāo)也是串行設(shè)備）。

可以處理計(jì)算機(jī)與外部串行設(shè)備的同步管理問題。有一些比較高檔的UART還提供輸入輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。常用TXD，RXD，/RTS，/CTS。

JTAG：JTAG （Joint Test Action Group 聯(lián)合測(cè)試行動(dòng)小組）是一種國際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試協(xié)議（IEEE1149.1兼容），主要用于芯片內(nèi)部測(cè)試。

標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口是4線：TMS、TCK、TDI、TDO，分別為模式選擇、時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出線。測(cè)試復(fù)位信號(hào)（TRST，一般以低電平有效）一般作為可選的第五個(gè)端口信號(hào)。

一個(gè)含有JTAGDebug接口模塊的CPU，只要時(shí)鐘正常，就可以通過JTAG接口訪問CPU的內(nèi)部寄存器和掛在CPU總線上的設(shè)備，如FLASH，RAM，內(nèi)置模塊的寄存器，象UART，Timers，GPIO等等的寄存器。

CAN：CAN全稱為“Controller Area Network”，即控制器局域網(wǎng)，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。

最初，CAN被設(shè)計(jì)作為汽車環(huán)境中的微控制器通訊，在車載各電子控制裝置ECU之 間交換信息，形成汽車電子控制網(wǎng)絡(luò)。

比如：發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)、變速箱控制器、儀表裝備、電子主干系統(tǒng)中，均嵌入CAN控制裝置。一個(gè)由CAN總線構(gòu)成的單一網(wǎng)絡(luò)中，理論上可以掛接無數(shù)個(gè)節(jié)點(diǎn)。

實(shí)際應(yīng)用中，節(jié)點(diǎn)數(shù)目受網(wǎng)絡(luò)硬件的電氣特性所限制。例如，當(dāng)使用Philips P82C250作為CAN收發(fā)器時(shí)，同一網(wǎng)絡(luò)中允許掛接110個(gè)節(jié)點(diǎn)。

CAN 可提供高達(dá)1Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，這使實(shí)時(shí)控制變得非常容易。另外，硬件的錯(cuò)誤檢定特性也增強(qiáng)了CAN的抗電磁干擾能力。

SDIO：SDIO是SD型的擴(kuò)展接口，除了可以接SD卡外，還可以接支持SDIO接口的設(shè)備，插口的用途不止是插存儲(chǔ)卡。

支持 SDIO接口的PDA，筆記本電腦等都可以連接像GPS接收器，Wi-Fi或藍(lán)牙適配器，調(diào)制解調(diào)器，局域網(wǎng)適配器，條型碼讀取器，F(xiàn)M無線電，電視接收 器，射頻身份認(rèn)證讀取器，或者數(shù)碼相機(jī)等等采用SD標(biāo)準(zhǔn)接口的設(shè)備。

GPIO：GPIO （General Purpose Input Output 通用輸入/輸出）或總線擴(kuò)展器利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)I2C、SMBus或SPI接口簡(jiǎn)化了I/O口的擴(kuò)展。

當(dāng)微控制器或芯片組沒有足夠的I/O端口，或當(dāng)系統(tǒng) 需要采用遠(yuǎn)端串行通信或控制時(shí)，GPIO產(chǎn)品能夠提供額外的控制和監(jiān)視功能。

4 系統(tǒng)總線

ISA總線：ISA（industrialstandardarchitecture）總線標(biāo)準(zhǔn)是IBM公司1984年為推出PC/AT機(jī)而建立的系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)，所以也叫AT總線。

它是對(duì)XT總線的擴(kuò)展，以適應(yīng)8/16位數(shù)據(jù)總線要求。它在80286至80486時(shí)代應(yīng)用非常廣泛，以至于現(xiàn)在奔騰機(jī)中還保留有ISA總線插槽。ISA總線有98只引腳。

EISA總線：EISA總線是1988年由Compaq等9家公司聯(lián)合推出的總線標(biāo)準(zhǔn)。它是在ISA總線的基礎(chǔ)上使用雙層插座，在原來ISA總線的98條信號(hào)線上又增加了98條信號(hào)線，也就是在兩條ISA信號(hào)線之間添加一條EISA信號(hào)線。

在實(shí)際使用中，EISA總線完全兼容ISA總線信號(hào)。

VESA總線：VESA（videoelectronicsstandardassociation）總線是1992年由60家附件卡制造商聯(lián)合推出的一種局部總線，簡(jiǎn)稱為VL（VESAlocalbus）總線。

它的推出為微機(jī)系統(tǒng)總線體系結(jié)構(gòu)的革新奠定了基礎(chǔ)。該總線系統(tǒng)考慮到CPU與主存和Cache的直接相連，通常把這部分總線稱為CPU總線或主總線，其他設(shè)備通過VL總線與CPU總線相連，所以VL總線被稱為局部總線。

它定義了32位數(shù)據(jù)線，且可通過擴(kuò)展槽擴(kuò)展到64位，使用33MHz時(shí)鐘頻率，最大傳輸率達(dá)132MB/s，可與CPU同步工作。是一種高速、高效的局部總線，可支持386SX、386DX、486SX、486DX及奔騰微處理器。

PCI總線：PCI（peripheralcomponentinterconnect）總線是當(dāng)前最流行的總線之一，它是由Intel公司推出的一種局部總線。

它定義了32位數(shù)據(jù)總線，且可擴(kuò)展為64位。PCI總線主板插槽的體積比原ISA總線插槽還小，其功能比VESA、ISA有極大的改善，支持突發(fā)讀寫操作，最大傳輸速率可達(dá)132MB/s，可同時(shí)支持多組外圍設(shè)備。

PCI局部總線不能兼容現(xiàn)有的ISA、EISA、MCA（microchannelarchitecture）總線，但它不受制于處理器，是基于奔騰等新一代微處理器而發(fā)展的總線。

5 外部總線

RS-232-C總線：RS-232-C是美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA制定的一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)。

RS是英文“推薦標(biāo)準(zhǔn)”的縮寫，232為標(biāo)識(shí)號(hào)，C表示修改次數(shù)。RS-232-C總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)有25條信號(hào)線，包括一個(gè)主通道和一個(gè)輔助通道，在多數(shù)情況下主要使用主通道，對(duì)于一般雙工通信，僅需幾條信號(hào)線就可實(shí)現(xiàn)，如一條發(fā)送線、一條接收線及一條地線。

RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸速率為每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。

RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，驅(qū)動(dòng)器允許有2500pF的電容負(fù)載，通信距離將受此電容限制，例如，采用150pF/m的通信電纜時(shí)，最大通信距離為15m；若每米電纜的電容量減小，通信距離可以增加。傳輸距離短的另一原因是RS-232屬單端信號(hào)傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題，因此一般用于20m以內(nèi)的通信。

RS-485總線：在要求通信距離為幾十米到上千米時(shí)，廣泛采用RS-485串行總線標(biāo)準(zhǔn)。

RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測(cè)低至200mV的電壓，故傳輸信號(hào)能在千米以外得到恢復(fù)。

RS-485采用半雙工工作方式，任何時(shí)候只能有一點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號(hào)加以控制。

RS-485用于多點(diǎn)互連時(shí)非常方便，可以省掉許多信號(hào)線。應(yīng)用RS-485可以聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)，其允許最多并聯(lián)32臺(tái)驅(qū)動(dòng)器和32臺(tái)接收器。

IEEE-488總線：IEEE-488總線用來連接系統(tǒng)，如微計(jì)算機(jī)、數(shù)字電壓表、數(shù)碼顯示器等設(shè)備及其他儀器儀表均可用IEEE-488總線裝配起來。

它按照位并行、字節(jié)串行雙向異步方式傳輸信號(hào)，連接方式為總線方式，儀器設(shè)備直接并聯(lián)于總線上而不需中介單元，但總線上最多可連接15臺(tái)設(shè)備。

最大傳輸距離為20米，信號(hào)傳輸速度一般為500KB/s，最大傳輸速度為1MB/s。

USB總線：通用串行總線USB是由Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、NorthernTelecom等7家世界著名的計(jì)算機(jī)和通信公司共同推出的一種新型接口標(biāo)準(zhǔn)。

它基于通用連接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)外設(shè)的簡(jiǎn)單快速連接，達(dá)到方便用戶、降低成本、擴(kuò)展PC連接外設(shè)范圍的目的。它可以為外設(shè)提供電源，而不像普通的使用串、并口的設(shè)備需要單獨(dú)的供電系統(tǒng)。

另外，汽車電子最近這么火，筆者想談一下汽車網(wǎng)絡(luò)中的LIN與CAN總線：

早在1983年，博世公司開始開發(fā)控制器局域網(wǎng)（CAN）總線，并且在1986年正式發(fā)布相關(guān)協(xié)議。目前有多種不同汽車總線標(biāo)準(zhǔn)，但是CAN仍然是最流行的標(biāo)準(zhǔn)。在CAN網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點(diǎn)（源于不同的ECU）都擔(dān)當(dāng)主節(jié)點(diǎn)（即，不存在主從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)），而且并不分配具體地址。而是由消息攜帶標(biāo)識(shí)符。

在給定時(shí)間，多個(gè)節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)向CAN總線發(fā)送數(shù)據(jù)。然后由消息標(biāo)識(shí)符幫助確定消息的優(yōu)先級(jí)。

最高優(yōu)先級(jí)的消息會(huì)使CAN總線進(jìn)入顯性狀態(tài)，而所有其他節(jié)點(diǎn)會(huì)停止發(fā)送。

這些節(jié)點(diǎn)實(shí)際上是收發(fā)器，除發(fā)送消息之外，其可以根據(jù)特定功能從總線查找特定消息。因此，CAN總線所連接的不同節(jié)點(diǎn)之間會(huì)出現(xiàn)信息流。

由于CAN會(huì)進(jìn)行填充錯(cuò)誤、誤碼、校驗(yàn)和錯(cuò)誤、誤幀以及應(yīng)答錯(cuò)誤等多項(xiàng)錯(cuò)誤檢查， 因此具有高可靠性。

CAN支持高達(dá)1Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，從而成為連接汽車關(guān)鍵功能ECU（如：變速箱、溫度傳感器等）的默認(rèn)選擇。

6 LIN與CAN的區(qū)別

汽車電子的作用并非僅僅局限于這些關(guān)鍵單元。車身電子市場(chǎng)多年來一直在增長。典型車身控制應(yīng)用包括座椅、車窗、智能雨刷以及汽車空調(diào)傳感器等。

對(duì)車身電子的關(guān)鍵要求是確保汽車更舒適、更安全。盡管這些系統(tǒng)可能不要求像關(guān)鍵ECU那樣的高安全性，但是它們?nèi)匀恍枰欢ǖ钠嚲W(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)。

LIN與CAN對(duì)比，實(shí)現(xiàn)CAN比實(shí)現(xiàn)LIN的成本高。導(dǎo)致CAN成本更高的因素包括：

CAN網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要時(shí)鐘發(fā)生器或晶體；

CAN的芯片級(jí)實(shí)現(xiàn)起來更復(fù)雜；

采用雙線傳輸

最重要的是，整個(gè)昂貴的架構(gòu)對(duì)于不需要高可靠性和高數(shù)據(jù)速率的應(yīng)用來說過于奢侈。