系統(tǒng)設(shè)計中的各種標(biāo)準(zhǔn)接口資料下載

??對于設(shè)計人員而言，根據(jù)應(yīng)用的性能、電源、存儲器以及接口要求尋找特定的嵌入式處理器是一項(xiàng)令人生畏的艱巨任務(wù)，因?yàn)榧幢闶窍嗨频南到y(tǒng)也存在著顯著的差異。盡管ARM處理器提供十幾種選擇，但系統(tǒng)設(shè)計人員卻很難找到“完美的搭配”。 ??本文將重點(diǎn)介紹各種標(biāo)準(zhǔn)接口，并揭示它們對不同嵌入式的區(qū)別所在。了解基本接口可幫助設(shè)計人員優(yōu)先考慮哪些接口應(yīng)為片上（on-chip）。不過，雖然標(biāo)準(zhǔn)接口具有很高的使用價值，但為了提供額外的片上資源，也需要可定制的片上接口。本文將介紹兩種這樣的外設(shè)模塊。 ??USB ??通用串行總線（USB）接口最初的開發(fā)目的是用來連接個人計算機(jī)與外設(shè)。隨著時間的推移，它已經(jīng)成為工業(yè)與基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用的常用接口。諸如鍵盤、鼠標(biāo)以及示波器等人機(jī)接口設(shè)備（HID）通常都采用USB接口，這就意味著它必須得到系統(tǒng)嵌入式處理器的支持。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最有效方法是采用片上外設(shè)。 ??除了HID之外，工業(yè)與基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用還可以使用另外兩種設(shè)備。USB通信設(shè)備類（CDC）不但適用于調(diào)制解調(diào)器與傳真機(jī)，而且還可通過提供用于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包傳輸?shù)慕涌趤碇С趾唵蔚穆?lián)網(wǎng)。同樣，USB大容量存儲設(shè)備（MSD）主要針對硬盤驅(qū)動器及其它存儲介質(zhì)。 ??USB 2.0規(guī)范要求主機(jī)初始化所有向內(nèi)及向外的傳輸。此外，該規(guī)范還定義了三種基本設(shè)備：主機(jī)控制器、集線器以及外設(shè)。 ??USB 2.0的物理互連是一種在每個星型中心使用一個集線器的分層星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。每條線段都是一個主機(jī)與集線器或功能之間的點(diǎn)對點(diǎn)連接，或者是一個連接至另一個集線器或功能的集線器。 ??USB 2.0系統(tǒng)中用于設(shè)備的尋址方案可實(shí)現(xiàn)單個主機(jī)連接多達(dá)127個設(shè)備。這127個設(shè)備可以是集線器或外設(shè)的任何組合。復(fù)合或組合設(shè)備可以是這127個設(shè)備中兩個或兩個以上的設(shè)備。 ??雖然USB 2.0很可能是工業(yè)和許多基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用的首選，但外設(shè)設(shè)備需要在沒有主機(jī)參與的情況下彼此通信時，還需要部署移動USB（USB OTG）。為了實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)通信，USB OTG引入了一種新的設(shè)備，這類設(shè)備包含可為兩個外設(shè)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的限制主機(jī)功能。 ??OTG補(bǔ)充方案定義了一套新的、稱之為主機(jī)協(xié)商協(xié)議（HNP）的握手方式。使用HNP，能夠作為默認(rèn)外設(shè)連接的設(shè)備可請求成為主機(jī)。這有助于現(xiàn)有USB 2.0主機(jī)設(shè)備范例提供點(diǎn)對點(diǎn)通信。另外還定義了會話請求協(xié)議（SRP）。 ??USB具有可靠標(biāo)準(zhǔn)的普及性與極高地位，可向嵌入式處理器廠商提供專門針對USB功能的軟件庫，從而可大幅縮短開發(fā)時間。系統(tǒng)設(shè)計人員不必編寫自己的代碼，只需進(jìn)行功能調(diào)用，便可實(shí)施接口。 ??這些庫應(yīng)通過認(rèn)證，證明已通過了USB實(shí)施人員論壇實(shí)施的USB設(shè)備及嵌入式主機(jī)合規(guī)性測試。德州儀器（TI）等一些廠商可為其嵌入式處理器提供廣泛的USB庫。 ??2007年，旨在創(chuàng)建一種更快USB類型的USB 3.0推廣團(tuán)隊(duì)（the USB 3.0 Promoter Group）得以成立，這種USB類型不但向后兼容以前的USB標(biāo)準(zhǔn)，而且還可提供比USB 2.0快10倍的數(shù)據(jù)速率。USB 3.0采用新的信號發(fā)送方案，并通過保留USB 2.0雙線接口實(shí)現(xiàn)了向后兼容性。然而這種更快的版本還處于部署初期，USB 2.0今后數(shù)年仍將是最常用的USB類型，其具有高速（480Mbps）、低速（1.5Mbps）以及全速（12Mbps）三種速度選項(xiàng)。 ??EMAC ??雖然符合IEEE 802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的接口一般會被誤稱為以太網(wǎng)介質(zhì)訪問控制器（EMAC），但完整的EMAC子系統(tǒng)接口實(shí)際上包括三個模塊，這三個模塊可能會集成在片上，也可能不會：物理層接口（PHY）；以太網(wǎng)MAC，其可實(shí)施協(xié)議的EMAC層；定制接口一般稱為MAC控制模塊。 ??EMAC模塊可控制系統(tǒng)到PHY的包數(shù)據(jù)流。MDIO模塊可執(zhí)行PHY的配置以及狀態(tài)監(jiān)控。兩個模塊都可通過MAC控制模塊訪問系統(tǒng)核心，從而還可優(yōu)化數(shù)據(jù)流。在TI嵌入式處理器等完全集成型解決方案中，定制接口被視為EMAC/MDIO外設(shè)不可或缺的組成部分。 ??完整的EMAC子系統(tǒng)如圖1所示。 ?? ??EMAC控制模塊不但可控制設(shè)備中斷，而且還整合了一個用于保持EMAC緩存器描述符的8K字節(jié)內(nèi)部隨機(jī)訪問存儲器（RAM）。該MDIO模塊采用802.3串行管理接口來詢問和控制多達(dá)32個采用共享雙線總線連接至設(shè)備的以太網(wǎng)PHY。 ??主機(jī)軟件使用MDIO模塊來配置連接至EMAC的每個PHY的自動協(xié)商參數(shù)，恢復(fù)協(xié)商結(jié)果，并在EMAC模塊中配置所需的參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)正確的操作。該模塊可為MDIO接口實(shí)現(xiàn)近乎透明的操作，基本不需要核心處理器的維護(hù)。 ??EMAC模塊可在網(wǎng)絡(luò)與處理器之間提供一個高效率的接口。EMAC模塊通?？商峁?0Base-T（10Mbit／秒）與100Base TX（100Mbit／秒）、半雙工與全雙工模式，以及硬件流控制與服務(wù)質(zhì)量（QoS）支持。此外，部分處理器現(xiàn)在還支持可實(shí)現(xiàn)1000Mbit／秒數(shù)據(jù)速率的千兆位EMAC容量。 ??由于以太網(wǎng)的廣泛使用，嵌入式處理器一般都在芯片上集成了一個或多個EMAC接口。不同的廠商在實(shí)施上述完整的EMAC子系統(tǒng)時采用的方法也稍有不同。實(shí)施以太網(wǎng)接口所需的軟件支持與庫的質(zhì)量和范圍是選擇嵌入式處理器廠商時需要考慮的另一個問題。 ??路由器或交換機(jī)等應(yīng)用所需的EMAC有時不止一個。這些應(yīng)用通過使用多個EMAC，能夠在創(chuàng)建同步過程通信的同時，與眾多設(shè)備通信。 ??SATA ??串行ATA（SATA）可將主機(jī)總線適配器與諸如硬盤驅(qū)動器與光盤驅(qū)動器等大容量存儲設(shè)備相連。它已基本取代了之前的并行ATA（PATA）。PATA要求40/80線并行線纜，長度不超過18英寸。PATA的最大數(shù)據(jù)傳輸速率為133Mbit／秒，而SATA串行數(shù)據(jù)格式則使用兩個差分對來支持連接數(shù)據(jù)存儲設(shè)備的接口，線路速率為1.5Gbit／秒（SATA版本1）、3.0Gbit／秒（SATA版本2）與6.0Gbit／秒（SATA版本3）。SATA 1和SATA 2現(xiàn)已面市，SATA 3將在近期推出。 ??此外，SATA控制器需要的線纜較細(xì)，而且可以長達(dá)3英尺。較細(xì)的線纜更加靈活，一方面可實(shí)現(xiàn)更便捷的布線，另一方面更有利于大容量存儲設(shè)備外殼內(nèi)的空氣流通。 ??串行鏈路可獲得高性能的部分原因是采用高級系統(tǒng)存儲器結(jié)構(gòu)來容納高速串行數(shù)據(jù)。這種高級主機(jī)控制器接口（AHCI）存儲器結(jié)構(gòu)可為控制、狀態(tài)以及命令列表數(shù)據(jù)表提供一個通用域。命令列表的每條記錄都包含用于編程SATA設(shè)備的信息以及一個用于在系統(tǒng)存儲器與設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)、指向描述符表的指針。 ??大多數(shù)SATA控制器不但支持熱插拔，而且還采用端口多路器來增加可連接至單個HBA端口的設(shè)備數(shù)量。SATA標(biāo)準(zhǔn)有一個很長的特性列表，但幾乎沒有SATA控制器可支持所有這些特性。常見特性包括：支持AHCI控制器規(guī)范1.1版；集成SERDES PHY；集成Rx與Tx數(shù)據(jù)緩存器；支持SATA電源管理特性；每端口配備內(nèi)部DMA引擎；多達(dá)32條記錄的硬件輔助原生命令排序（NCQ）；32位尋址；支持端口乘法器；支持LED工作；機(jī)械控制開關(guān)（mechanical presence switch）。 ??由于SATA能夠存儲可延伸至太字節(jié)范圍的大量數(shù)據(jù)，因此應(yīng)用非常廣泛，其中包括上網(wǎng)本、膝上型電腦、臺式機(jī)、多媒體設(shè)備以及便攜式數(shù)據(jù)終端等。此外，SATA還可用于可能需要傳感器或系統(tǒng)監(jiān)控器存儲大量數(shù)據(jù)以待后續(xù)分析的工業(yè)應(yīng)用。 ??DDR2/移動DDR ??DDR2是雙倍數(shù)據(jù)速率（DDR）SDRAM規(guī)范的后繼標(biāo)準(zhǔn)，這兩個標(biāo)準(zhǔn)互不兼容。DDR2在總線時鐘信號的上升沿與下降沿傳輸數(shù)據(jù)，并能夠以更高的總線速度運(yùn)行，從而可實(shí)現(xiàn)每個內(nèi)部時鐘周期四次的數(shù)據(jù)傳輸。 ??簡化型DDR2控制器包括以下設(shè)計塊：存儲器控制、讀取接口、寫入接口以及I/O塊。 ??這些塊以及它們與DDR2存儲器芯片及核心邏輯的關(guān)系見圖2所示。 ?? ??存儲器控制塊發(fā)出存儲器對專用核心邏輯的訪問，反之也是如此。讀取物理塊負(fù)責(zé)處理在各個讀取周期中采集數(shù)據(jù)的外部信號時序，而寫入物理塊則使用適當(dāng)?shù)耐獠啃盘枙r序管理時鐘與數(shù)據(jù)的發(fā)出。 ??字節(jié)寬度雙向數(shù)據(jù)選通（DQS）隨數(shù)據(jù)（DQ）通過外部方式傳輸，用于采集目的。DQS在讀取存儲器時由控制器通過邊緣對齊的方式傳輸，而在寫入存儲器時則采用中心對齊的方式。片上延遲鎖相環(huán)（DLL）用于鎖住DQS及相應(yīng)的DQ。這可在電壓及溫度發(fā)生變化時確保它們能夠彼此跟蹤。 ??DDR2 SRAM具有差分時鐘輸入，可降低時鐘輸入占空比變化時的影響。此外，DDR2 SRAM還支持?jǐn)?shù)據(jù)掩碼信號，可在各個寫入周期中為數(shù)據(jù)位添加掩碼。 ??移動DDR（MDDR）也稱低功耗雙倍數(shù)據(jù)傳輸速率存儲器（LPDDR），因?yàn)槠涔ぷ麟妷簽?.8V，而傳統(tǒng)存儲器工作電壓為2.5V或3.3V，通常用于便攜式電子產(chǎn)品。此外，移動DDR存儲器還支持傳統(tǒng)DDR2存儲器不具備的低功耗狀態(tài)。與所有DDR存儲器一樣，雙倍數(shù)據(jù)傳輸速率是通過器件時鐘上下沿同時傳輸數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)的。 ??uPP ??由于片上外設(shè)的數(shù)量受成本或其它限制條件的約束，系統(tǒng)設(shè)計人員往往想找出數(shù)據(jù)片上與片外傳輸?shù)男路椒?。一種策略是利用未使用視頻端口的資源，實(shí)際上是利用它來高速發(fā)送和接收非視頻數(shù)據(jù)。這種方法的缺點(diǎn)之一就是數(shù)據(jù)必須被格式化成視頻幀，這在工作中需要部分處理器MIPS的支持，而在設(shè)計周期中則需要寶貴的編程時間。 ??其它的方法存在類似的困難，而且大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)片上數(shù)據(jù)接口是串行端口，不能執(zhí)行高速數(shù)據(jù)傳輸。 ??最終許多系統(tǒng)設(shè)計人員認(rèn)識到將某種不符合特定接口標(biāo)準(zhǔn)，但能夠以多種方式配置的高靈活高速外設(shè)專門用于數(shù)據(jù)傳輸會帶來顯著的優(yōu)勢。如果系統(tǒng)處理器必須與高速DAC、ADC、DSP乃至FPGA連接，實(shí)現(xiàn)250MB／秒的高速數(shù)據(jù)傳輸，則這種思路就非常有價值了。 ??這種外設(shè)的基本架構(gòu)很容易描述。它要有多個具有單獨(dú)并行總線的通道，經(jīng)配置后可以容納超過一個字的長度。此外，它還要有內(nèi)部DMA塊，這樣其工作就無需占用內(nèi)核的MIPS預(yù)算。單、雙倍數(shù)據(jù)速率以及多種數(shù)據(jù)打包格式也是可以使用的。 ??TI各種嵌入式處理器都提供通用并行端口（uPP），包括Sitara ARM9 AM1808與AM1806