第5章 外部總線接口

第5章外部總線接口

5.1串行與并行接口5.2USB接口5.31394接口5.4SPI接口5.5I2C總線接口5.6PCMCIA和PCI接口5.1串行與并行接口5.1.1概述5.1.2RS-232串行接口5.1.3UART控制器5.1.4串行接口編程UART5.1.5并行接口5.1.1概述串行通信是數(shù)據(jù)的一種傳送方式，在這種方式下數(shù)據(jù)是一位緊接一位在通信介質(zhì)中進(jìn)行傳輸?shù)摹Ｔ趥鬏斶^程中，每一位數(shù)據(jù)都占據(jù)一個(gè)固定的時(shí)間長(zhǎng)度。串行接口的作用就是將外部設(shè)備與CPU之間聯(lián)系起來，使它們能夠通過串行傳送方式互相傳送和接收信息。1.單工、半雙工和全雙工方式2.同步方式和異步方式3.發(fā)送時(shí)鐘和接收時(shí)鐘4.波特率與校驗(yàn)方式5.信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)1.單工、半雙工和全雙工方式單工方式：系統(tǒng)只能單向傳送數(shù)據(jù)，也就是說，系統(tǒng)一端作為發(fā)送端，另一端作為接收端。半雙工方式：在半雙工方式中，輸入過程和輸出過程使用同一通路，端口可以收發(fā)數(shù)據(jù)，但不能同時(shí)進(jìn)行。全雙工方式：在全雙工方式中，對(duì)數(shù)據(jù)的兩個(gè)傳輸方向采用不同的通路，可以同時(shí)進(jìn)行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。。圖5-1串口的傳送方式2.同步方式和異步方式采用同步通信時(shí)，將許多字符組成一個(gè)信息組，這樣，字符可以一個(gè)接一個(gè)地傳輸。但是，在每組信息（通常稱為一個(gè)信息幀）的開始要加上同步字符，在沒有信息要傳輸時(shí)，要填上空字符，因?yàn)橥絺鬏敳辉试S有間隙。異步通信方式如圖5-2所示，其中各位的意義如下：起始位：先發(fā)出一個(gè)邏輯”0”信號(hào)，表示傳輸字符的開始。數(shù)據(jù)位：緊接著起始位之后。數(shù)據(jù)位的個(gè)數(shù)可以是4、5、6、7、8等，構(gòu)成一個(gè)字符。通常采用ASCII碼。從最低位開始傳送，靠時(shí)鐘定位。奇偶校驗(yàn)位：數(shù)據(jù)位加上這一位后，使得“1”的位數(shù)應(yīng)為偶數(shù)(偶校驗(yàn))或奇數(shù)(奇校驗(yàn))，以此來校驗(yàn)數(shù)據(jù)傳送的正確性。停止位：它是一個(gè)字符數(shù)據(jù)的結(jié)束標(biāo)志?？梢允?位、1.5位、2位的高電平。空閑位：處于邏輯“1”狀態(tài)，表示當(dāng)前線路上沒有數(shù)據(jù)傳送。圖5-2異步通信方式3.發(fā)送時(shí)鐘和接收時(shí)鐘異步通信和同步通信對(duì)時(shí)鐘的要求是不一樣的。在異步通信中，一幀信息的長(zhǎng)度只有10～11位，在起始位起動(dòng)后，接收時(shí)鐘只要在接收期間能夠和發(fā)送時(shí)鐘保持同步，就可以正確接收數(shù)據(jù)。因此，在異步通信中，發(fā)送端和接收端可有自己的獨(dú)立時(shí)鐘。在同步通信中，由于一幀數(shù)據(jù)位數(shù)較多且通信速度較快，要求發(fā)送時(shí)鐘和接收時(shí)鐘精確同步。這樣，發(fā)送端和接收端就不能采用獨(dú)立的局部時(shí)鐘，而采用統(tǒng)一的時(shí)鐘。通常采用的方法是，在發(fā)送端利用編碼器把發(fā)送的數(shù)據(jù)和發(fā)送的時(shí)鐘組合在一起，通過傳輸線發(fā)送到接收端，在接收端再用解碼器從數(shù)據(jù)流中分離出時(shí)鐘。4.波特率與校驗(yàn)方式為了衡量串行通信的速度，應(yīng)該有一個(gè)測(cè)量單位，在串行通信中通常用波特率來表示，波特率是衡量數(shù)據(jù)傳送速率的指標(biāo)。表示每秒鐘傳送的二進(jìn)制位數(shù)。串行通信一般要檢測(cè)傳輸過程中是否有錯(cuò)誤出現(xiàn)，目前，串行通信一般采用兩種校驗(yàn)方式。奇偶校驗(yàn)和CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)。5.信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)為了利用電話線傳輸數(shù)字信號(hào)，必須采取一些措施，把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為適于傳輸?shù)哪M信號(hào)，而在接收端再將其轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào)。前一種轉(zhuǎn)換稱為調(diào)制，后一種轉(zhuǎn)換稱為解調(diào)。圖5-3信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)常用的調(diào)制方式有三種，幅移鍵控ASK（AmplitudeShiftKeying）也稱為調(diào)幅；頻移鍵控FSK（FrequencyShiftKeying）也稱為調(diào)頻；相移鍵控PSK（PhaseShiftKeying）也稱為調(diào)相,如圖5-4所示。圖5-4調(diào)制方式5.1.2RS-232串行接口圖5-5

RS232接口在通信中RS-232C是作為數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE與數(shù)據(jù)通信設(shè)備DCE的接口標(biāo)準(zhǔn)而引入的。目前，不僅在遠(yuǎn)距離通信中經(jīng)常用到它，就是在兩臺(tái)計(jì)算機(jī)或者設(shè)備之間的近距離串行連接也普遍用RS-232C接口1.RS-232C的信號(hào)定義2.RS-232C的電氣特征1.RS-232C的信號(hào)定義引腳定義引腳定義1保護(hù)地（PGND）14輔信道發(fā)送數(shù)據(jù)2發(fā)送數(shù)據(jù)（TxD）15發(fā)送信號(hào)元定時(shí)3接收數(shù)據(jù)（RxD）16輔信道接收數(shù)據(jù)4請(qǐng)求發(fā)送（RTS）17接收信號(hào)元定時(shí)5允許發(fā)送（CTS）18未定義6數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒(DSR)19輔信道請(qǐng)求發(fā)送7信號(hào)地（SGND）20數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備就緒(DTR)8載波檢測(cè)（CD）21信號(hào)檢測(cè)（SD）9未定義22振鈴指示（RI）10未定義23數(shù)據(jù)信號(hào)速率選擇11未定義24外部發(fā)送時(shí)鐘12輔信道載波檢測(cè)25未定義13輔信道載波發(fā)送

表5-1

RS232引腳定義2.RS-232C的電氣特征RS-232C總線采用負(fù)邏輯。對(duì)于數(shù)據(jù)信號(hào)線，邏輯1為-3V到-15V；邏輯0為+3V到+15V。對(duì)于控制和定時(shí)信號(hào)，接通（ON）為+3V到+15V；斷開（OFF）為-3V到-15V。如果要實(shí)現(xiàn)RS-232C電路和TTL電路的連接，必須要經(jīng)過信號(hào)電平轉(zhuǎn)換，通常使用傳輸線驅(qū)動(dòng)器1488和1489實(shí)現(xiàn)其轉(zhuǎn)換。圖5-6電平轉(zhuǎn)換電路5.1.3UART控制器圖5-7

UART控制器3.接口電路圖5-8

RS232接口電路5.1.5并行接口所謂并行接口，就是指采用并行傳輸方式來傳輸數(shù)據(jù)的接口標(biāo)準(zhǔn)。從最簡(jiǎn)單的一個(gè)并行數(shù)據(jù)寄存器或?qū)Ｓ媒涌诩呻娐沸酒?255、6820等，一直至比較復(fù)雜的SCSI或IDE并行接口，其種類不下數(shù)十種，但總的來說，一個(gè)并行接口的接口特性可以從兩個(gè)方面加以描述：(1)以并行方式傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通道的寬度，也稱接口傳輸?shù)奈粩?shù)。(2)用于協(xié)調(diào)并行數(shù)據(jù)傳輸?shù)念~外接口控制線或稱交互信號(hào)的特性。圖5-10常用并口5.2USB接口5.2.1USB接口概述5.2.2USB通信原理5.2.3S3C2410的USB接口5.2.4USB接口軟件設(shè)計(jì)5.2.1USB接口概述1.USB體系結(jié)構(gòu)2.USB物理接口3.USB的電源4.USB總線特點(diǎn)1.USB體系結(jié)構(gòu)USB的物理連接是一個(gè)層次性的星型布局，在USB的樹形拓?fù)渲?，每個(gè)集線器是在星型的中心，每條線段是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接的，USB的HUB為USB的功能部件連接到主機(jī)提供了擴(kuò)展的接口。利用這種樹形拓?fù)?，USB總線支持最多127個(gè)USB外設(shè)同時(shí)連接到主計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。任何USB系統(tǒng)中，只有一個(gè)主機(jī)。USB和主機(jī)系統(tǒng)的接口稱為主機(jī)控制器（HostController）,它是由硬件和軟件綜合實(shí)現(xiàn)的。根集線器是綜合于主機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部的，用以提供USB的連接點(diǎn)。USB的設(shè)備包括集線器（Hub）和功能設(shè)備（Function）。集線器為USB提供了更多的連接點(diǎn)，功能部件是指鍵盤、揚(yáng)聲器等，為系統(tǒng)提供了具體的功能。USB的協(xié)議實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的協(xié)調(diào)。圖5-11

USB的總線拓?fù)鋱D2.USB物理接口USB用一個(gè)4針插頭作為標(biāo)準(zhǔn)插頭，采用菊花鏈形式可以把所有的外設(shè)連接起來，最多可以連接127個(gè)外部設(shè)備，并且不會(huì)損失帶寬。USB需要主機(jī)硬件、操作系統(tǒng)和外設(shè)三個(gè)方面的支持才能工作。目前的主板一般都采用支持USB功能的控制芯片組，主板上也安裝有USB接口插座，而且除了背板的插座之外，主板上還預(yù)留有USB插針，可以通過連線接到機(jī)箱前面作為前置USB接口以方便使用。而且USB接口還可以通過專門的USB連機(jī)線實(shí)現(xiàn)雙機(jī)互連，并可以通過Hub擴(kuò)展出更多的接口。圖5-12

USB線纜3.USB的電源USB電源包括電源的分配和管理。電源分配用來處理USB設(shè)備如何使用主機(jī)通過USB總線提供的電源，USB系統(tǒng)可以通過USB線纜為其外設(shè)提供不高于+5V、500mA的總線電源。那些完全依靠USB線纜來提供電源的設(shè)備被稱為總線供電設(shè)備(Bus-powereddevice),而自帶電源的設(shè)備則被稱為自供電外設(shè)(Self-powereddevice)。4.USB總線特點(diǎn)速度快無須外接電源有不同的帶寬和連接距離支持多設(shè)備連接提供了對(duì)電話的兩路數(shù)據(jù)支持具有高保真音頻良好的兼容性5.2.2USB通信原理1.USB規(guī)范2.數(shù)據(jù)傳輸模式3.USB工作原理圖5-13

USB的通信流及信道當(dāng)一臺(tái)USB外設(shè)初次連接到USB系統(tǒng)中后，通過8個(gè)步驟來完成它的初始化：(1)USB外設(shè)所連接的HUB(ROOTHUB或擴(kuò)展HUB)檢測(cè)到所連接的USB外設(shè)并自動(dòng)通知主機(jī)，以及它的端口狀態(tài)的變化，這時(shí)外設(shè)還處于禁止(Disabled)狀態(tài)。(2)主機(jī)通過對(duì)HUB的查詢以確認(rèn)外設(shè)的連接。(3)現(xiàn)在，主機(jī)已經(jīng)知道有一臺(tái)新的USB外設(shè)連接到了USB系統(tǒng)中，然后，它激活(Enabled)這個(gè)HUB的埠，并向HUB發(fā)送一個(gè)復(fù)位(Reset)該埠的命令。(4)HUB將復(fù)位信號(hào)保持10ms，為連接到該埠的外設(shè)提供100mA的總線電流，這時(shí)該外設(shè)處于上電狀態(tài)，它的所有寄存器被清空并指向默認(rèn)的地址。(5)在外設(shè)分配到唯一的USB地址以前，它的默認(rèn)信道均使用主機(jī)的默認(rèn)地址。然后主機(jī)通過讀取外設(shè)協(xié)議層的特征字來了解該外設(shè)的默認(rèn)信道所使用的實(shí)際的最大數(shù)據(jù)有效載荷寬度（即外設(shè)在特征字中所定義的在DATA0數(shù)據(jù)包中數(shù)據(jù)域位的長(zhǎng)度）。(6)主機(jī)分配一個(gè)唯一的USB地址給該外設(shè)，并使它處于Addressed狀態(tài)。(7)主機(jī)開始使用Endpoint0信道讀取外設(shè)的設(shè)備配置特征字(8)基于設(shè)備配置特征字，主機(jī)為該外設(shè)指定一個(gè)配置值，這時(shí)，外設(shè)即處于配置(Configured)狀態(tài)了，它所有的端點(diǎn)(Endpoint)這時(shí)也處于配置值所描述的狀態(tài)。從外設(shè)的角度來看，這時(shí)該外設(shè)已處于準(zhǔn)備使用的狀態(tài)。5.31394接口5.3.11394接口概述5.3.21394協(xié)議結(jié)構(gòu)5.3.11394接口概述IEEE1394是美國(guó)APPLE公司提出的一種高品質(zhì)、高傳輸速率的串行總線技術(shù)。1995年被IEEE認(rèn)定為串行工業(yè)總線標(biāo)準(zhǔn)，命名為1394-1395，后來又在其基礎(chǔ)上增加了被稱為1394a的附加規(guī)范。近年又計(jì)劃提出新的1394b規(guī)范。世界幾大計(jì)算機(jī)公司包括IBM、Apple、Microsoft等都支持這種總線。雖然目前多數(shù)計(jì)算機(jī)不含1394的接口，但越來越多的跡象表明，1394將成為一種新的串行總線標(biāo)準(zhǔn)，得到廣泛使用。IEEE1394的特點(diǎn)(1)支持多種總線速度，適應(yīng)不同應(yīng)用要求。(2)即插即用，支持熱插拔。(3)支持兩種傳輸方式，即同步和異步的傳輸方式。(4)支持點(diǎn)到點(diǎn)的通信模式。(5)遵循ANSIIEEE1212控制及狀態(tài)寄存器（CSR）標(biāo)準(zhǔn)(6)支持較遠(yuǎn)距離的傳輸。(7)IEEE1394支持公平仲裁原則，為每一種傳輸方式保證足夠的帶寬。(8)IEEE1394六線電纜具有電源線，可傳輸8～40V的直流電壓，某些特定的節(jié)點(diǎn)可通過電源線向總線供電，其它節(jié)點(diǎn)可以從總線獲取能量。5.3.21394協(xié)議結(jié)構(gòu)圖5-16

IEEE1394的分層結(jié)構(gòu)模型5.4SPI接口5.4.1SPI概述5.4.2S3C2410中的SPI接口5.4.3SPI接口編程5.4.1SPI概述SPI系統(tǒng)用于同標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)芯片通信。這類芯片很多，例如串/并和并/串移位寄存器、A/D轉(zhuǎn)換器、LCD控制器等。微控制器還可以通過SPI組成一個(gè)通信速率比UART高的同步網(wǎng)絡(luò)，在一個(gè)小型系統(tǒng)中交換數(shù)據(jù)，完成較復(fù)雜的工作。SPI總線工作原理SPI可工作在主模式或從模式下。在主模式，每一位數(shù)據(jù)的發(fā)送/接收需要1次時(shí)鐘作用；而在從模式下，每一位數(shù)據(jù)都是在接收到時(shí)鐘信號(hào)之后才發(fā)送/接收。1個(gè)典型的SPI系統(tǒng)包括1個(gè)主MCU和1個(gè)或幾個(gè)從外圍器件。SPI接口可設(shè)置成在發(fā)送/接收1個(gè)字節(jié)的結(jié)束時(shí)產(chǎn)生1次中斷。主時(shí)鐘可以通過編程而成為不同的狀態(tài)。SCK是主機(jī)的時(shí)鐘線，為MISO數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收提供同步時(shí)鐘信號(hào)。每一位數(shù)據(jù)的傳輸都需要1次時(shí)鐘作用，因而發(fā)送或接收1個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)需要8個(gè)時(shí)鐘的作用。數(shù)據(jù)可以設(shè)置為時(shí)鐘的上升沿有效或者下降沿有效。圖5-17

SPI接口一個(gè)SPI的數(shù)據(jù)包有16位，它們被發(fā)送到DIN端，每一位串行數(shù)據(jù)在每個(gè)CLK的下降沿被移到內(nèi)部16位寄存器中。S3C2410中SPI接口的一種數(shù)據(jù)傳送格式如圖5-18所示:圖5-18

S3C2410中SPI數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序SPI接口電路通過SPI接口，S3C2410芯片就能和帶有SPI接口的芯片進(jìn)行通信從而實(shí)現(xiàn)各種接口電路MAX504是MAXIUM公司推出的低功耗，電壓輸出，10位串行數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換芯片，支持+5V單供電和±5V雙供電方式，并且該芯片對(duì)于包括偏移、增益和線性誤差在內(nèi)的各項(xiàng)誤差均以調(diào)整，所以應(yīng)用非常簡(jiǎn)單，不需要再度校正。圖5-20

S3C2410芯片和MAX504的連接5.5I2C總線接口5.5.1I2C總線概述5.5.2I2C總線工作原理5.5.3I2C總線接口電路5.5.4I2C總線接口編程5.5.1I2C總線概述I2C(Inter-IntegratedCircuit)總線是一種由PHILIPS公司開發(fā)的兩線式串行總線,用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。I2C總線產(chǎn)生于在80年代,最初為音頻和視頻設(shè)備開發(fā),如今主要在服務(wù)器管理中使用,其中包括單個(gè)組件狀態(tài)的通信。例如管理員可對(duì)各個(gè)組件進(jìn)行查詢,以管理系統(tǒng)的配置或掌握組件的功能狀態(tài),如電源和系統(tǒng)風(fēng)扇?？呻S時(shí)監(jiān)控內(nèi)存、硬盤、網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)溫度等多個(gè)參數(shù),增加了系統(tǒng)的安全性,方便了管理。5.5.2I2C總線工作原理I2C總線是由數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘SCL構(gòu)成的串行總線,可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在CPU與被控IC之間、IC與IC之間進(jìn)行雙向傳送,最高傳送速率100kbps。各種被控制電路均并聯(lián)在這條總線上,就像電話機(jī)一樣只有撥通各自的號(hào)碼才能工作,所以每個(gè)電路和模塊都有唯一的地址,在信息的傳輸過程中,I2C總線上并接的每一模塊電路既是主控器（或被控器）,又是發(fā)送器（或接收器）,這取決于它所要完成的功能。CPU發(fā)出的控制信號(hào)分為地址碼和控制量?jī)刹糠?地址碼用來選址,即接通需要控制的電路,確定控制的種類;控制量決定該調(diào)整的類別（如對(duì)比度、亮度等）及需要調(diào)整的量。這樣,各控制電路雖然掛在同一條總線上,卻彼此獨(dú)立,互不相關(guān)。圖5-21

I2C總線結(jié)構(gòu)當(dāng)SCL信號(hào)線保持高電平時(shí)，若SDA信號(hào)線上有高電平到低電平的變化，那么I2C總線數(shù)據(jù)傳輸就開始了，隨后SCL信號(hào)線上出現(xiàn)的是時(shí)鐘信號(hào)，SDA信號(hào)線上出現(xiàn)的是數(shù)據(jù)，最高位最先傳輸。8位數(shù)據(jù)傳輸完后，在SCL信號(hào)線上要出現(xiàn)第9個(gè)時(shí)鐘脈沖，以便SDA信號(hào)線確定ACK信號(hào)。在下一個(gè)字節(jié)開始前，SCL信號(hào)線上保持低電平，迫使總線進(jìn)入等待狀態(tài)。這種情況可以用于當(dāng)接收器接收到一個(gè)字節(jié)后要進(jìn)行一些其它方面的工作而無法立即接收下一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，迫使總線進(jìn)入等待狀態(tài)，直到接收器準(zhǔn)備好接收新的數(shù)據(jù)時(shí)，接收器再釋放時(shí)鐘線使數(shù)據(jù)傳送得以繼續(xù)正常進(jìn)行。圖5-22

S3C2410中I2C總線傳輸時(shí)序5.5.3I2C總線接口電路圖5-23

I2C總線主控器結(jié)構(gòu)圖5-24

I2C總線控制的鍵盤電路5.5.4I2C總線接口編程I2C總線的編程除了要對(duì)I2C總線的專用寄存器進(jìn)行初始化外，還需要按照I2C總線的時(shí)序要求編寫傳送和接收程序。5.6PCMCIA和PCI接口5.6.1PCMCIA接口5.6.2PCI總線5.6.1PCMCIA接口PCMCIA(PersonalComputerMemoryCardInternationalAssociation)是一個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織,成立于1989年，現(xiàn)在已經(jīng)擁有超過2000個(gè)企業(yè)會(huì)員.該組織成立之初,是為了建立一個(gè)物理尺寸較小、低功耗的、靈活的存儲(chǔ)卡標(biāo)準(zhǔn),以滿足筆記本電腦對(duì)移動(dòng)存儲(chǔ)方面越來越迫切的要求。1990年9月,PCMCIA推出了PC