詳解CAN、USART、SPI、SCI等常見總線技術(shù)

任何一個(gè)微處理器都要與一定數(shù)量的部件和外圍設(shè)備連接，但如果將各部件和每一種外圍設(shè)備都分別用一組線路與CPU直接連接，那么連線將會(huì)錯(cuò)綜復(fù)雜，甚至難以實(shí)現(xiàn)。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)慕涌陔娐?，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。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。

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。

另外，從廣義上說，計(jì)算機(jī)通信方式可以分為并行通信和串行通信，相應(yīng)的通信總線被稱為并行總線和串行總線。并行通信速度快、實(shí)時(shí)性好，但由于占用的口線多，不適于小型化產(chǎn)品;而串行通信速率雖低，但在數(shù)據(jù)通信吞吐量不是很大的微處理電路中則顯得更加簡(jiǎn)易、方便、靈活。串行通信一般可分為異步模式和同步模式。

隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，總線技術(shù)也在不斷地發(fā)展和完善，而使計(jì)算機(jī)總線技術(shù)種類繁多，各具特色。下面僅對(duì)微機(jī)各類總線中目前比較流行的總線技術(shù)分別加以介紹。

一、內(nèi)部總線

1.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。

2.SPI總線

串行外圍設(shè)備接口SPI(serialperipheralinterface)總線技術(shù)是Motorola公司推出的一種同步串行接口。 Motorola公司生產(chǎn)的絕大多數(shù)MCU(微控制器)都配有SPI硬件接口，如68系列MCU。SPI總線是一種三線同步總線，因其硬件功能很強(qiáng)，所以，與SPI有關(guān)的軟件就相當(dāng)簡(jiǎn)單，使CPU有更多的時(shí)間處理其他事務(wù)。

3.SCI總線

串行通信接口SCI(serialcommunicationinterface)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。

4.CAN總線

屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。較之目前許多RS-485基于R線構(gòu)建的分布式控制系統(tǒng)而言，基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)在以下方面具有明顯的優(yōu)越性。只有2根線與外部相連，并且內(nèi)部集成了錯(cuò)誤探測(cè)和管理模塊。

二、系統(tǒng)總線

1.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。

2.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)用中，EISA總線完全兼容ISA總線信號(hào)。

3.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。

4.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.CompactPCI

以上所列舉的幾種系統(tǒng)總線一般都用于商用PC機(jī)中，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)總線中，還有另一大類為適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境而設(shè)計(jì)的系統(tǒng)總線，比如STD總線、VME總線、PC/104總線等。這里僅介紹當(dāng)前工業(yè)計(jì)算機(jī)的熱門總線之一——CompactPCI。

CompactPCI的意思是“堅(jiān)實(shí)的PCI”，是當(dāng)今第一個(gè)采用無源總線底板結(jié)構(gòu)的PCI系統(tǒng)，是PCI總線的電氣和軟件標(biāo)準(zhǔn)加歐式卡的工業(yè)組裝標(biāo)準(zhǔn)，是當(dāng)今最新的一種工業(yè)計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)。CompactPCI是在原來PCI總線基礎(chǔ)上改造而來，它利用PCI的優(yōu)點(diǎn)，提供滿足工業(yè)環(huán)境應(yīng)用要求的高性能核心系統(tǒng)，同時(shí)還考慮充分利用傳統(tǒng)的總線產(chǎn)品，如ISA、STD、VME或PC/104來擴(kuò)充系統(tǒng)的I/O和其他功能。

三、外部總線

1.RS-232-C總線

RS-232-C是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA(ElectronicIndustryAssociation)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。