嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中常用總線和接口

任何一個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，那么連線將會錯綜復(fù)雜，甚至難以實現(xiàn)。為了簡化硬件電路設(shè)計、簡化系統(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)備一級的互 連。

另外，從廣義上說，計算機(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、實時 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，而使計算機(jī)總線技術(shù)種類繁多，各具特色。下面僅對微機(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，控制方式簡化，器件封裝形式小，通信速率較高等優(yōu)點。在主從通信中，可以有多個I2C總線器件同時接到I2C總線上，通過地址來識別通信對象。

2、SPI總線

串行外圍設(shè)備接口SPI（serial peripheral interface）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)簡單，使CPU有更多的時間處理其他事務(wù)。

3、SCI總線

串行通信接口SCI（serial communication interface）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。

二、系統(tǒng)總線

1、ISA總線

ISA（industrial STANDARD architecture）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條信號線上又增加了98條信號線，也就是在兩條ISA信號線之間添加一條EISA信號線。在實用中，EISA總線完全兼容ISA總線信號。

3、VESA總線

VESA（VIDEO ELECTRONICS STANDARD association）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，簡稱為VL(VESA local bus)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（peripheral component interconnect）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（MICRO channel architecture）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、Compact PCI

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)場環(huán)境而設(shè)計的系統(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)計算機(jī)的熱門總線之一——Compact PCI。 Compact PCI的意思是“堅實的PCI”，是當(dāng)今第一個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)計算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)。Compact PCI是在原來PCI總線基礎(chǔ)上改造而來，它利用PCI的優(yōu)點，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是美國電子工業(yè)協(xié)會EIA（Electronic Industry Association）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)識號，C表示修改次數(shù)。RS-232-C總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)有25條信號線，包括一個主通道和一個輔助通道，在多數(shù)情況下主要使用主通道，對于一般雙工通信，僅需幾條信號線就可實現(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，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。

2、RS-485總線

在要求通信距離為幾十米到上千米時，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，能檢測低至200mV的電壓，故傳輸信號 能在千米以外得到恢復(fù)。 RS-485采用半雙工工作方式，任何時候只能有一點處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號加以控制。RS-485用于多點互連時非常方便，可以省掉 許多信號線。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臺驅(qū)動器和32臺接收器。

3、IEEE-488總線

上述兩種外部總線是串行總線，而IEEE-488 總線是并行總線接口標(biāo)準(zhǔn)。IEEE-488總線用來連接系統(tǒng)，如微計算機(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，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臺設(shè)備。最大傳輸距離為20米，信號傳輸速度一般為500KB/s，最大傳輸速度為1MB/s。

4、USB總線

通用串行總線USB（universal serial bus）是由INTEL、 Compaq、DIGITAL、 IBM、Microsoft、NEC、Northern Telecom等7家世界著名的計算機(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)，實現(xiàn)外設(shè)的簡單快速連接，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)備需要單獨的供電系統(tǒng)。另外，快速是USB技術(shù)的突出特點之一，USB的 最高傳輸率可達(dá)12Mbps比串口快100倍，比并口快近10倍，而且USB還能支持多媒體。但是不能通過USB進(jìn)行計算機(jī)的互連

5、IEEE1394

Apple 公司的FireWire基礎(chǔ)上由IEEE制定的標(biāo)準(zhǔn)。與USB有很大的相似性。采用樹形或菊花鏈結(jié)構(gòu)，以級連方式在一個接口上最多可連接63個不同種類的 設(shè)備。傳輸速率高，最高可達(dá)3.2Gb/s； 實時性好，總線提供電源，系統(tǒng)中各設(shè)備之間的關(guān)系是平等的，連接方便，允許熱插拔和即插即用。