一文解析嵌入式開發(fā)中為何大部分通信總線都差不多

時(shí)間：2024-07-23 08:54:05

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[導(dǎo)讀]目前與我們生活習(xí)習(xí)相關(guān)的一系列活動(dòng)都無不牽涉到總線技術(shù)的應(yīng)用，如我們上英特網(wǎng)、給親戚朋友打電話、用U盤來存儲(chǔ)信息等。雖然流行的總線所采取的形式不同，但他們主要的原則性思想無非就是時(shí)分系統(tǒng)、頻分系統(tǒng)、相分系統(tǒng)和碼分系統(tǒng)等。

在進(jìn)行嵌入式開發(fā)中你一定遇到了各種總線，包括芯片內(nèi)的地址總線和數(shù)據(jù)總線，高速總線和低速總線，還有芯片外的各種通信總線等等。而往往大家對(duì)總線似乎還是把握得不太好，所以今天挑選了一篇關(guān)于總線的文章供大家閱讀。

如果一座只能容一個(gè)人來往的獨(dú)木橋，兩端的人都想要過橋，為了不擁擠、阻塞，那我們就得采取有效的辦法。比如規(guī)定某段時(shí)間哪端的人過橋，另一端的人就等著該他過橋的時(shí)間段的到來，同時(shí)也還可以規(guī)定人多時(shí)要按先來后到或年齡長幼的次序過橋。在這不經(jīng)意間，我們就體會(huì)到了現(xiàn)代電子信息數(shù)據(jù)通過總線按時(shí)分系統(tǒng)傳輸?shù)淖钤嫉乃枷搿?

現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)信息的發(fā)展，特別是對(duì)于成本和空間而言，總線傳輸替代點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸是目前發(fā)展的熱點(diǎn)，它的出現(xiàn)將給信息傳輸上提供了最大的方便和最有效的技術(shù)解決方案。假如一個(gè)微處理器與它的部件和外圍設(shè)備都分別用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的線路來連接通訊，則所有連線將會(huì)錯(cuò)綜復(fù)雜，甚至難以實(shí)現(xiàn)。

目前與我們生活習(xí)習(xí)相關(guān)的一系列活動(dòng)都無不牽涉到總線技術(shù)的應(yīng)用，如我們上英特網(wǎng)、給親戚朋友打電話、用U盤來存儲(chǔ)信息等。雖然流行的總線所采取的形式不同，但他們主要的原則性思想無非就是時(shí)分系統(tǒng)、頻分系統(tǒng)、相分系統(tǒng)和碼分系統(tǒng)等。

常言道“兵來將擋，水來土淹”，面對(duì)種類繁多的總線，我們只有從基本原理出發(fā)，從骨子里去了解它的實(shí)質(zhì)，而不要被它形式多樣的外表所迷惑，才能熟練掌握和靈活運(yùn)用眼下正在或?qū)⒁玫降母鞣N總線技術(shù)。

一文解析嵌入式開發(fā)中為何大部分通信總線都差不多

總線的定義

總線，英文叫作“BUS”,即我們中文的“公共車”，這是非常形象的比如，公共車走的路線是一定的，我們?nèi)魏稳硕伎梢宰曹嚾ピ摋l公共車路線的任意一個(gè)站點(diǎn)。如果把我們?nèi)吮茸魇请娮有盘?hào)，這就是為什么英文叫它為“BUS”而不是“CAR”的真正用意。

當(dāng)然，從專業(yè)上來說，總線是一種描述電子信號(hào)傳輸線路的結(jié)構(gòu)形式，是一類信號(hào)線的集合，是子系統(tǒng)間傳輸信息的公共通道。通過總線能使整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)各部件之間的信息進(jìn)行傳輸、交換、共享和邏輯控制等功能。如在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，它是CPU、內(nèi)存、輸入、輸出設(shè)備傳遞信息的公用通道，主機(jī)的各個(gè)部件通過主機(jī)相連接，外部設(shè)備通過相應(yīng)的接口電路再與總線相連接。

總線的分類

總線分類的方式有很多，如被分為外部和內(nèi)部總線、系統(tǒng)總線和非系統(tǒng)總線等等，下面是幾種最常用的分類方法。

1 按功能分類

最常見的是從功能上來對(duì)數(shù)據(jù)總線進(jìn)行劃分，可以分為地址總線(address bus)、數(shù)據(jù)總線(data bus)和控制總線(control bus)。在有的系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)總線和地址總線可以在地址鎖存器控制下被共享，也即復(fù)用。

地址總線是專門用來傳送地址的。在設(shè)計(jì)過程中，見得最多的應(yīng)該是從CPU地址總線來選用外部存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)地址。地址總線的位數(shù)往往決定了存儲(chǔ)器存儲(chǔ)空間的大小，比如地址總線為16位，則其最大可存儲(chǔ)空間為216(64KB)。

數(shù)據(jù)總線是用于傳送數(shù)據(jù)信息，它又有單向傳輸和雙向傳輸數(shù)據(jù)總線之分，雙向傳輸數(shù)據(jù)總線通常采用雙向三態(tài)形式的總線。數(shù)據(jù)總線的位數(shù)通常與微處理的字長相一致。例如Intel 8086微處理器字長16位，其數(shù)據(jù)總線寬度也是16位。在實(shí)際工作中，數(shù)據(jù)總線上傳送的并不一定是完全意義上的數(shù)據(jù)。

控制總線是用于傳送控制信號(hào)和時(shí)序信號(hào)。如有時(shí)微處理器對(duì)外部存儲(chǔ)器進(jìn)行操作時(shí)要先通過控制總線發(fā)出讀/寫信號(hào)、片選信號(hào)和讀入中斷響應(yīng)信號(hào)等。控制總線一般是雙向的，其傳送方向由具體控制信號(hào)而定，其位數(shù)也要根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際控制需要而定。

2 按傳輸方式分類

按照數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞絼澐?，總線可以被分為串行總線和并行總線。從原理來看，并行傳輸方式其實(shí)優(yōu)于串行傳輸方式，但其成本上會(huì)有所增加。通俗地講，并行傳輸?shù)耐藩q如一條多車道公路，而串行傳輸則是只允許一輛汽車通過單線公路。

目前常見的串行總線有SPI、I2C、USB、IEEE1394、RS232、CAN等;而并行總線相對(duì)來說種類要少，常見的如IEEE1284、ISA、PCI等。

3 按時(shí)鐘信號(hào)方式分類

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)，也就是說要用一根單獨(dú)的線來作為時(shí)鐘信號(hào)線;而異步總線的時(shí)鐘信號(hào)是從數(shù)據(jù)中提取出來的，通常利用數(shù)據(jù)信號(hào)的邊沿來作為時(shí)鐘同步信號(hào)。

總線傳輸基本原理

依據(jù)前面對(duì)總線的定義可知總線的基本作用就是用來傳輸信號(hào)，為了各子系統(tǒng)的信息能有效及時(shí)的被傳送，為了不至于彼此間的信號(hào)相互干擾和避免物理空間上過于擁擠，其最好的辦法就是采用多路復(fù)用技術(shù)，也就是說總線傳輸?shù)幕驹砭褪嵌嗦窂?fù)用技術(shù)。

所謂多路復(fù)用，就是指多個(gè)用戶共享公用信道的一種機(jī)制，目前最常見的主要有時(shí)分多路復(fù)用、頻分多路復(fù)用和碼分多路復(fù)用等。

1 時(shí)分多路復(fù)用(TDMA)

時(shí)分復(fù)用是將信道按時(shí)間加以分割成多個(gè)時(shí)間段，不同來源的信號(hào)會(huì)要求在不同的時(shí)間段內(nèi)得到響應(yīng)，彼此信號(hào)的傳輸時(shí)間在時(shí)間坐標(biāo)軸上是不會(huì)重疊。

2 頻分多路復(fù)用(FDMA)

頻分復(fù)用就是把信道的可用頻帶劃分成若干互不交疊的頻段，每路信號(hào)經(jīng)過頻率調(diào)制后的頻譜占用其中的一個(gè)頻段，以此來實(shí)現(xiàn)多路不同頻率的信號(hào)在同一信道中傳輸。而當(dāng)接收端接收到信號(hào)后將采用適當(dāng)?shù)膸V波器和頻率解調(diào)器等來恢復(fù)原來的信號(hào)。

3 碼分多路復(fù)用(CDMA)

碼分多路復(fù)用時(shí)所被傳輸?shù)男盘?hào)都會(huì)有各自特定的標(biāo)識(shí)碼或地址碼，接收端將會(huì)根據(jù)不同的標(biāo)識(shí)碼或地址碼來區(qū)分公共信道上的傳輸信息，只有標(biāo)識(shí)碼或地址碼完全一致的情況下傳輸信息才會(huì)被接收。

總線的通信協(xié)議

對(duì)于總線的學(xué)習(xí)，了解其通信協(xié)議是整個(gè)過程中最關(guān)鍵的一步，所有介紹總線技術(shù)的資料都會(huì)花很大的篇幅來描述其協(xié)議，特別是ISO/OSI的那七層定義。

其實(shí)，要了解一種總線的協(xié)議，最主要的就是去了解總線的幀數(shù)據(jù)每一位所代表的特性和意義，總線各節(jié)點(diǎn)間有效數(shù)據(jù)的收發(fā)都是通過各節(jié)點(diǎn)對(duì)幀數(shù)據(jù)位或段的判斷和確信來得以實(shí)現(xiàn)。

如圖1所示是常見的I2C總線上傳輸?shù)囊蛔止?jié)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)幀，其總線形式是由數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘SCL構(gòu)成的雙線制串行總線，并接在總線上的電路模塊即可作為發(fā)送器(主機(jī))又可作為接收器(從機(jī))。幀數(shù)據(jù)中除了控制碼(包括從機(jī)標(biāo)識(shí)碼和訪問地址碼)與數(shù)據(jù)碼外還包括起始信號(hào)、結(jié)束信號(hào)和應(yīng)答信號(hào)。

起始信號(hào)：SCL為高電平時(shí)，SDA由高電平向低電平跳變，開始傳送數(shù)據(jù)。

控制碼：用來選擇操作目標(biāo)與對(duì)象，即接通需要控制的電路，確定控制的種類對(duì)象。在讀期間，也即SCL時(shí)鐘線處于時(shí)鐘脈沖高電平時(shí)，SDA上的數(shù)據(jù)位不會(huì)跳變。

數(shù)據(jù)碼：是主機(jī)向從機(jī)發(fā)送的具體的有用的數(shù)據(jù)(如對(duì)比度、亮度等)和信息。在讀期間，SDA上的數(shù)據(jù)位不會(huì)跳變。

應(yīng)答信號(hào)：接收方收到8bit數(shù)據(jù)后，向發(fā)送方發(fā)出特定的低電平。讀/寫的方向與其它數(shù)據(jù)位正好相反，也即是由從機(jī)寫出該低電平，主機(jī)來讀取該低電平。

結(jié)束信號(hào)：SCL為高電平時(shí)，SDA由低電平向高電平跳變表示數(shù)據(jù)幀傳輸結(jié)束。

當(dāng)然不同的總線其數(shù)據(jù)位或段的定義肯定不同，但依據(jù)同樣的原理可以更快的去了解它的協(xié)議的特性和特點(diǎn)。雖然其信息幀的大小不一，但具體的某一數(shù)據(jù)位或數(shù)據(jù)段都類似于本文所提及的I2C總線，會(huì)依據(jù)它的協(xié)議的要求來定義它所達(dá)標(biāo)的意義和功能。

主要技術(shù)指標(biāo)

評(píng)價(jià)總線的主要技術(shù)指標(biāo)是總線的帶寬(即傳輸速率)、數(shù)據(jù)位的寬度(位寬)、工作頻率和傳輸數(shù)據(jù)的可靠性、穩(wěn)定性等。

1 帶寬(傳輸速率)、位寬和工作頻率

總線的帶寬指的是單位時(shí)間內(nèi)總線上傳送的數(shù)據(jù)量，即每秒傳送MB的最大數(shù)據(jù)傳輸率。

總線的位寬指的是總線能同時(shí)傳送的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)，或數(shù)據(jù)總線的位數(shù)，即32位、64位等總線寬度的概念;總線的位寬越寬，數(shù)據(jù)傳輸速率越大，總線的帶寬就越寬。

總線的工作時(shí)鐘頻率以MHz為單位，它與傳輸?shù)慕橘|(zhì)、信號(hào)的幅度大小和傳輸距離有關(guān)。在同樣硬件條件下，我們采用差分信號(hào)傳輸時(shí)的頻率常常會(huì)比單邊信號(hào)高得多，這是因?yàn)椴罘中盘?hào)的的幅度只有單邊信號(hào)的一半而已。

總線的帶寬、位寬和工作頻率，這三者密切相關(guān)，它們之間的關(guān)系：

2 傳輸數(shù)據(jù)的可靠性

可靠性是評(píng)定總線最關(guān)鍵的參數(shù)，沒有可靠性，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都是錯(cuò)誤的信息，便就失去了總線的實(shí)際意義。為了提高總線的可靠性，通常采用的措施有：

1)采用數(shù)據(jù)幀發(fā)送前發(fā)送器對(duì)總線進(jìn)行偵聽，只有偵聽到總線處于空閑狀態(tài)下時(shí)才可向總線傳送數(shù)據(jù)幀，這樣避免了不同節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)沖突。

2)采用雙絞線差分信號(hào)來傳送數(shù)據(jù)，以降低單線的電壓升降幅度，減小信號(hào)的邊沿產(chǎn)生的高次諧波。

3)適當(dāng)?shù)淖寯?shù)據(jù)的邊沿具有一定的斜坡。

4)增加匹配電阻和電容等來減少總線上信號(hào)的發(fā)射和平衡總線上的分布電容等。

5)采用合適的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和屏蔽技術(shù)等來減少受其他信號(hào)的干擾。

還有就是在軟件上通過數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)校驗(yàn)糾錯(cuò)等措施來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?