嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中常用總線和接口

 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)?strong>接口電路，與各部件和外圍設(shè)備連接，這組共用的連接線路被稱(chēng)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(guò)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(shuō)，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(chēng)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(lèi)繁多，各具特色。下面僅對(duì)微機(jī)各類(lèi)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(lái)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(guò)地址來(lái)識(shí)別通信對(duì)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(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(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(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(lái)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(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(jiǎn)稱(chēng)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(chēng)為CPU總線或主總線，其他設(shè)備通過(guò)VL總線與CPU總線相連，所以VL總線被稱(chēng)為局部總線。它定義了32位數(shù)據(jù)線，且可通過(guò)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(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(xiě)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(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(jì)算機(jī)系統(tǒng)總線中，還有另一大類(lèi)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(mén)總線之一——Compact PCI。 Compact PCI的意思是“堅(jiān)實(shí)的PCI”，是當(dāng)今第一個(gè)采用無(wú)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)。Compact PCI是在原來(lái)PCI總線基礎(chǔ)上改造而來(lái)，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(lái)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(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(xiě)，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(wèn)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(shí)，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(cè)低至200mV的電壓，故傳輸信號(hào)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(shí)候只能有一點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號(hào)加以控制。RS-485用于多點(diǎn)互連時(shí)非常方便，可以省掉許多信號(hào)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(tái)驅(qū)動(dòng)器和32臺(tái)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(lái)連接系統(tǒng)，如微計(jì)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(lái)。它按照位并行、字節(jié)串行雙向異步方式傳輸信號(hào)，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(tái)設(shè)備。最大傳輸距離為20米，信號(hào)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(jì)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(shí)現(xiàn)外設(shè)的簡(jiǎn)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(dú)的供電系統(tǒng)。另外，快速是USB技術(shù)的突出特點(diǎn)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(guò)USB進(jìn)行計(jì)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(shù)形或菊花鏈結(jié)構(gòu)，以級(jí)連方式在一個(gè)接口上最多可連接63個(gè)不同種類(lèi)的設(shè)備。傳輸速率高，最高可達(dá)3.2Gb/s;實(shí)時(shí)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。

四、現(xiàn)場(chǎng)總線

1、LonWorks 總線

LonWorks 是由美國(guó) Echelon 公司推出并由它與摩托羅拉、東芝公司共同倡導(dǎo)，于 1990 年正式公布而形成的。其通信協(xié)議 LonTalk 支持 ISO/OSI 的全部 7 層模型，這是 Lon 總線最杰出的特點(diǎn)。LonTalk 協(xié)議通過(guò)神經(jīng)元芯片(Neuron Chip)上的硬件和固件實(shí)現(xiàn)，提供介質(zhì)存取、事物確認(rèn)和對(duì)等通信服務(wù);還有一些先進(jìn)服務(wù)如接收認(rèn)證、優(yōu)先級(jí)傳輸、單一/廣播/組播消息發(fā)送等。另外，它采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化為參數(shù)設(shè)置，其通信速率從 300bps 至1.5Mbps 不等，直接通信距離可達(dá) 2700m(78Kbps，雙絞線);持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電力線等多種通信介質(zhì)，并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的本質(zhì)安全防爆產(chǎn)品。其編址方法提供了巨大的網(wǎng)絡(luò)尋址能力(系統(tǒng)支持 32385 個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備)。

高可靠性、安全性、易于實(shí)現(xiàn)和互操作性，使得 LonWorks 產(chǎn)品應(yīng)用非常廣泛，如灌溉管理、電路板診斷、分散和過(guò)程控制、電梯控制、能源管理、環(huán)境監(jiān)視、污水處理、火災(zāi)報(bào)警、采暖通風(fēng)和家庭網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化等。

2、Profibus 總線

Profibus 是德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) DIN9245 和歐洲標(biāo)準(zhǔn) EN50170 的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。Profibus 在實(shí)際應(yīng)用中成績(jī)斐然，在眾多總線中居于前列，廣泛用于各種行業(yè)。目前的 Profibus 有 3 種系列：Profibus-DP、Profibus- FMS 和 Profibus-PA。Profibus-DP應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)，是一種高速低成本通信，適用于設(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)與分散式 I/O 的實(shí)時(shí)通信;Profibus-FMS 用于車(chē)間級(jí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，是一個(gè)令牌結(jié)構(gòu)、實(shí)時(shí)多主網(wǎng)絡(luò);Profibus-PA 專(zhuān)為過(guò)程自動(dòng)化設(shè)計(jì)，它采用了 IEC1158-2 傳輸技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)總線供電和本質(zhì)安全防爆。

Profibus 總線訪問(wèn)協(xié)議是一種混合的協(xié)議，包括主站之間的令牌傳遞方式(Token Ring)和主站與從站之間的主從方式。主站在一個(gè)限定的時(shí)間框內(nèi)(令牌占有時(shí)間)有總線訪問(wèn)權(quán)。Profibus 應(yīng)用于制造業(yè)、流程工業(yè)、交通、冶金、樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域。

3、基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線

基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(FF，F(xiàn)oundation Fieldbus)是在過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域得到了廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的技術(shù)。它是由以 Fisher-Rosement 公司為首，聯(lián)合 Foxboro、橫河、ABB、西門(mén)子等 80 家公司制定的 ISP 協(xié)議和以美國(guó) Honeywell 公司為首，聯(lián)合歐洲等地的 150 家公司制定的 WorldFIP 協(xié)議，于 1994 年合并統(tǒng)一而成的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。它以 ISO/OSI 開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)模型為基礎(chǔ)，取其物理層、應(yīng)用層為 FF 通信模型的相應(yīng)層次，并在應(yīng)用層上增加了用戶層。用戶層主要針對(duì)自動(dòng)化測(cè)控應(yīng)用的需要，定義了信息存取的統(tǒng)一規(guī)則，采用設(shè)備描述語(yǔ)言規(guī)定了通用的功能塊集。

基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線分低速 H1 和高速 H2 兩種通信速率。H1 的傳輸速率為31.25Kbps，通信距離可達(dá) 1900m(可加中繼器延長(zhǎng))，可支持總線供電，支持本質(zhì)安全防爆環(huán)境。H2 的傳輸速率可為 1Mbps 和 2.5Mbps 兩種，其通信距離分別為750m 和 500m。

基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線的主要技術(shù)內(nèi)容，包括 FF 通信協(xié)議，用于完成開(kāi)放互聯(lián)模型中的第 2～7 層通信協(xié)議的通信棧、用于描述設(shè)備特征、參數(shù)、屬性及操作接口的DDL 設(shè)備描述語(yǔ)言、設(shè)備描述字典、控制工程量轉(zhuǎn)化等應(yīng)用的功能塊、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)組態(tài)、調(diào)度、管理等功能的系統(tǒng)軟件技術(shù)以及構(gòu)筑集成自動(dòng)化系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的系統(tǒng)集成技術(shù)。

FF總線適用于石油、化工、鋼鐵、電站連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程和部分批量生產(chǎn)，其相應(yīng)的 FCS 產(chǎn)品適合連續(xù)的生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化。

4、CAN 總線

CAN 是控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area NetWork)的簡(jiǎn)稱(chēng)。它是德國(guó) Bocsh 公司及幾個(gè)半導(dǎo)體集成電路制造商開(kāi)發(fā)出來(lái)的，起初是專(zhuān)門(mén)為汽車(chē)工業(yè)設(shè)計(jì)的，目的是為了節(jié)省接線的工作量，后來(lái)由于自身的特點(diǎn)被廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)。目前 CAN 已由 ISO 技術(shù)委員會(huì)批準(zhǔn)為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，在現(xiàn)場(chǎng)總線中，它是惟一被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織批準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線。CAN 協(xié)議也遵循 ISO/OSI 模型，采用了其中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層與應(yīng)用層。CAN 采用多主工作方式，節(jié)點(diǎn)之間不分主從，但節(jié)點(diǎn)之間有優(yōu)先級(jí)之分，通信方式靈活，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及廣播方式傳輸數(shù)據(jù)，無(wú)需調(diào)度。CAN 總線可采用雙絞線，同軸電纜或光纖作力傳輸介質(zhì)。通信速率可達(dá) 1Mbps/40m，直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá) 10km/5Kbps。可掛接設(shè)備數(shù)最多可達(dá) 110 個(gè)。

CAN 的信號(hào)傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每幀有效字節(jié)為 8 個(gè)，傳輸距離短，受干擾的概率低。當(dāng)節(jié)點(diǎn)嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)，具有自動(dòng)關(guān)閉功能，以切斷該節(jié)點(diǎn)與總線的聯(lián)系，使總線上的其它節(jié)點(diǎn)及通信不受影響?？梢?jiàn)，CAN 是所有總線中最為可靠的。

5、HART 總線

HART是Highway Addressable Remote Transducer的縮寫(xiě)。最早由 Rosemount公司開(kāi)發(fā)并得到 80 多家著名儀表公司的支持，于 1993 年成立了 HART 通信基金會(huì)。這種被稱(chēng)為可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道的開(kāi)放通信協(xié)議，其特點(diǎn)是在現(xiàn)有模擬信號(hào)傳輸線上實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)通信，屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過(guò)程中的過(guò)渡性產(chǎn)品，然而在當(dāng)前的過(guò)渡時(shí)期具有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，得到了較快發(fā)展。它規(guī)定了一系列命令，按命令方式工作。它有 3 類(lèi)命令，第 1 類(lèi)稱(chēng)為通用命令，這是所有設(shè)備都理解、執(zhí)行的命令;第 2 類(lèi)稱(chēng)為一般行為命令，所提供的功能可以在許多現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(盡管不是全部)中實(shí)現(xiàn)，這類(lèi)命令包括最常用的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的功能庫(kù);第 3 類(lèi)稱(chēng)為特殊設(shè)備命令，以便在某些設(shè)備中實(shí)現(xiàn)特殊功能，這類(lèi)命令既可以在基金會(huì)中開(kāi)放使用，又可以為開(kāi)發(fā)此命令的公司所獨(dú)有。在一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中通?？砂l(fā)現(xiàn)同時(shí)存在這 3 類(lèi)命令。

HART 采用統(tǒng)一的設(shè)備描述語(yǔ)言 DDL?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備開(kāi)發(fā)商采用這種標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言來(lái)描述設(shè)備特性，由 HART 基金會(huì)負(fù)責(zé)登記管理這些設(shè)備描述并把它們編為設(shè)備描述字典，主設(shè)備運(yùn)用 DDL 技術(shù)來(lái)理解這些設(shè)備的特性參數(shù)而不必為這些設(shè)備開(kāi)發(fā)專(zhuān)用接口。但這種模擬數(shù)字混合信號(hào)制導(dǎo)致難以開(kāi)發(fā)出一種能滿足各公司要求的通信接口芯片。HART 能利用總線供電，可滿足本質(zhì)安全防爆要求，并可組成由手持編程器與管理系統(tǒng)主機(jī)作為主設(shè)備的雙主設(shè)備系統(tǒng)。

從以上的比較可以看出，每一種現(xiàn)場(chǎng)總線都有其主應(yīng)用領(lǐng)域，如：Profibus、FF 總線是從支持 PLC 控制發(fā)展起來(lái)的，它們更適合化工、鋼鐵、電站等連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程和部分批量生產(chǎn)的過(guò)程控制領(lǐng)域。在智能建筑控制方面，由于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織遲遲未定出關(guān)于樓宇自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，所以目前尚未有一個(gè)國(guó)際統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前在該領(lǐng)域有兩種技術(shù)應(yīng)用最為廣泛：一是美國(guó)供熱、制冷與空調(diào)工程師協(xié)會(huì)(American Society of HeatingRefrigerating, and Air Conditioning Engineers, ASHRAE)制定的 BACnet 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議;二是 Echlon 公司提出的 LonWorks 總線技術(shù)。世界各大樓宇自控公司一致認(rèn)為這兩種技術(shù)是當(dāng)前“最先進(jìn)的”、“有非常大的潛在能力的”技術(shù)。