嵌入式系統(tǒng)設計中常用總線和接口

 任何一個微處理器都要與一定數(shù)量的部件和外圍設備連接，但如果將各部件和每一種外圍設備都分別用一組線路與CPU 直接連接，那么連線將會錯綜復雜，甚至難以實現(xiàn)。為了簡化硬件電路設計、簡化系統(tǒng)結構，常用一組線路，配置以適當?shù)?strong>接口電路，與各部件和外圍設備連接，這組共用的連接線路被稱為總線。采用總線結構便于部件和設備的擴充，尤其制定了統(tǒng)一的總線標準則容易使不同設備間實現(xiàn)互連。

微機中總線一般有內(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;外部總線則是微機和外部設備之間的總線，微機作為一種設備，通過該總線和其他設備進行信息與數(shù)據(jù)交換，它用于設備一級的互連。

另外，從廣義上說，計算機通信方式可以分為并行通信和串行通信，相應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。

隨著微電子技術和計算機技術的發(fā)展，總線技術也在不斷地發(fā)展和完善，而使計算機總線技術種類繁多，各具特色。下面僅對微機各類總線中目前比較流行的總線技術分別加以介紹。

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域廣泛采用的一種新型總線標準。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

串行外圍設備接口SPI(serial peripheral interface)總線技術是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，所以，與SPI有關的軟件就相當簡單，使CPU有更多的時間處理其他事務。

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)總線標準是IBM 公司1984年為推出PC/AT機而建立的系統(tǒng)總線標準，所以也叫AT總線。它是對XT總線的擴展，以適應8/16位數(shù)據(jù)總線要求。它在80286至80486時代應用非常廣泛，以至于現(xiàn)在奔騰機中還保留有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)合推出的總線標準。它是在ISA總線的基礎上使用雙層插座，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。它的推出為微機系統(tǒng)總線體系結構的革新奠定了基礎。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，且可通過擴展槽擴展到64 位，使用33MHZ時鐘頻率，最大傳輸率達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132MB/s，可同時支持多組外圍設備。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機中，在計算機系統(tǒng)總線中，還有另一大類為適應工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境而設計的系統(tǒng)總線，比如STD總線、VME總線、PC/104總線等。這里僅介紹當前工業(yè)計算機的熱門總線之一——Compact PCI。 Compact PCI的意思是“堅實的PCI”，是當今第一個采用無源總線底板結構的PCI系統(tǒng)，是PCI總線的電氣和軟件標準加歐式卡的工業(yè)組裝標準，是當今最新的一種工業(yè)計算機標準。Compact PCI是在原來PCI總線基礎上改造而來，它利用PCI的優(yōu)點，提供滿足工業(yè)環(huán)境應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準。RS是英文“推薦標準”的縮寫，232為標識號，C表示修改次數(shù)。RS-232-C總線標準設有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標準規(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標準規(guī)定，驅動器允許有2500pF的電容負載，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 串行總線標準。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。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。應用RS-485可以聯(lián)網(wǎng)構成分布式系統(tǒng)，其允許最多并聯(lián)32臺驅動器和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準。IEEE-488總線用來連接系統(tǒng)，如微計算機、數(shù)字電壓表、數(shù)碼顯示器等設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和通信公司共同推出的一種新型接口標準。它基于通用連接技術，實現(xiàn)外設的簡單快速連接，達到方便用戶、降低成本、擴展PC連接外設范圍的目的。它可以為外設提供電源，而不像普通的使用串、并口的設備需要單獨的供電系統(tǒng)。另外，快速是USB技術的突出特點之一，USB的最高傳輸率可達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進行計算機的互連

5、IEEE1394

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

四、現(xiàn)場總線

1、LonWorks 總線

LonWorks 是由美國 Echelon 公司推出并由它與摩托羅拉、東芝公司共同倡導，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。LonTalk 協(xié)議通過神經(jīng)元芯片(Neuron Chip)上的硬件和固件實現(xiàn)，提供介質(zhì)存取、事物確認和對等通信服務;還有一些先進服務如接收認證、優(yōu)先級傳輸、單一/廣播/組播消息發(fā)送等。另外，它采用面向對象的設計方法，通過網(wǎng)絡變量把網(wǎng)絡通信設計簡化為參數(shù)設置，其通信速率從 300bps 至1.5Mbps 不等，直接通信距離可達 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)，并開發(fā)了相應的本質(zhì)安全防爆產(chǎn)品。其編址方法提供了巨大的網(wǎng)絡尋址能力(系統(tǒng)支持 32385 個網(wǎng)絡設備)。

高可靠性、安全性、易于實現(xiàn)和互操作性，使得 LonWorks 產(chǎn)品應用非常廣泛，如灌溉管理、電路板診斷、分散和過程控制、電梯控制、能源管理、環(huán)境監(jiān)視、污水處理、火災報警、采暖通風和家庭網(wǎng)絡自動化等。

2、Profibus 總線

Profibus 是德國國家標準 DIN9245 和歐洲標準 EN50170 的現(xiàn)場總線標準。Profibus 在實際應用中成績斐然，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應用于現(xiàn)場級，是一種高速低成本通信，適用于設備級控制系統(tǒng)與分散式 I/O 的實時通信;Profibus-FMS 用于車間級監(jiān)控網(wǎng)絡，是一個令牌結構、實時多主網(wǎng)絡;Profibus-PA 專為過程自動化設計，它采用了 IEC1158-2 傳輸技術，可實現(xiàn)總線供電和本質(zhì)安全防爆。

Profibus 總線訪問協(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。主站在一個限定的時間框內(nèi)(令牌占有時間)有總線訪問權。Profibus 應用于制造業(yè)、流程工業(yè)、交通、冶金、樓宇自動化等領域。

3、基金會現(xiàn)場總線

基金會現(xiàn)場總線(FF，F(xiàn)oundation Fieldbus)是在過程自動化領域得到了廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的技術。它是由以 Fisher-Rosement 公司為首，聯(lián)合 Foxboro、橫河、ABB、西門子等 80 家公司制定的 ISP 協(xié)議和以美國 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)場總線技術。它以 ISO/OSI 開放系統(tǒng)互聯(lián)模型為基礎，取其物理層、應用層為 FF 通信模型的相應層次，并在應用層上增加了用戶層。用戶層主要針對自動化測控應用的需要，定義了信息存取的統(tǒng)一規(guī)則，采用設備描述語言規(guī)定了通用的功能塊集。

基金會現(xiàn)場總線分低速 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 1900m(可加中繼器延長)，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。

基金會現(xiàn)場總線的主要技術內(nèi)容，包括 FF 通信協(xié)議，用于完成開放互聯(lián)模型中的第 2～7 層通信協(xié)議的通信棧、用于描述設備特征、參數(shù)、屬性及操作接口的DDL 設備描述語言、設備描述字典、控制工程量轉化等應用的功能塊、實現(xiàn)系統(tǒng)組態(tài)、調(diào)度、管理等功能的系統(tǒng)軟件技術以及構筑集成自動化系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng)的系統(tǒng)集成技術。

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

4、CAN 總線

CAN 是控制器局域網(wǎng)絡(Controller Area NetWork)的簡稱。它是德國 Bocsh 公司及幾個半導體集成電路制造商開發(fā)出來的，起初是專門為汽車工業(yè)設計的，目的是為了節(jié)省接線的工作量，后來由于自身的特點被廣泛地應用于各行各業(yè)。目前 CAN 已由 ISO 技術委員會批準為國際標準，在現(xiàn)場總線中，它是惟一被國際標準化組織批準的現(xiàn)場總線。CAN 協(xié)議也遵循 ISO/OSI 模型，采用了其中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層與應用層。CAN 采用多主工作方式，節(jié)點之間不分主從，但節(jié)點之間有優(yōu)先級之分，通信方式靈活，可實現(xiàn)點對點、一點對多點及廣播方式傳輸數(shù)據(jù)，無需調(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 1Mbps/40m，直接通信距離最遠可達 10km/5Kbps?？蓲旖釉O備數(shù)最多可達 110 個。

CAN 的信號傳輸采用短幀結構，每幀有效字節(jié)為 8 個，傳輸距離短，受干擾的概率低。當節(jié)點嚴重錯誤時，具有自動關閉功能，以切斷該節(jié)點與總線的聯(lián)系，使總線上的其它節(jié)點及通信不受影響?？梢?，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。最早由 Rosemount公司開發(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。這種被稱為可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議，其特點是在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實現(xiàn)數(shù)字信號通信，屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉變過程中的過渡性產(chǎn)品，然而在當前的過渡時期具有較強的市場競爭能力，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 類命令，第 1 類稱為通用命令，這是所有設備都理解、執(zhí)行的命令;第 2 類稱為一般行為命令，所提供的功能可以在許多現(xiàn)場設備(盡管不是全部)中實現(xiàn)，這類命令包括最常用的現(xiàn)場設備的功能庫;第 3 類稱為特殊設備命令，以便在某些設備中實現(xiàn)特殊功能，這類命令既可以在基金會中開放使用，又可以為開發(fā)此命令的公司所獨有。在一個現(xiàn)場設備中通?？砂l(fā)現(xiàn)同時存在這 3 類命令。

HART 采用統(tǒng)一的設備描述語言 DDL?，F(xiàn)場設備開發(fā)商采用這種標準語言來描述設備特性，由 HART 基金會負責登記管理這些設備描述并把它們編為設備描述字典，主設備運用 DDL 技術來理解這些設備的特性參數(shù)而不必為這些設備開發(fā)專用接口。但這種模擬數(shù)字混合信號制導致難以開發(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)主機作為主設備的雙主設備系統(tǒng)。

從以上的比較可以看出，每一種現(xiàn)場總線都有其主應用領域，如：Profibus、FF 總線是從支持 PLC 控制發(fā)展起來的，它們更適合化工、鋼鐵、電站等連續(xù)生產(chǎn)過程和部分批量生產(chǎn)的過程控制領域。在智能建筑控制方面，由于國際標準化組織遲遲未定出關于樓宇自動化控制網(wǎng)絡的標準規(guī)范，所以目前尚未有一個國際統(tǒng)一的標準。當前在該領域有兩種技術應用最為廣泛：一是美國供熱、制冷與空調(diào)工程師協(xié)會(American Society of HeatingRefrigerating, and Air Conditioning Engineers, ASHRAE)制定的 BACnet 標準協(xié)議;二是 Echlon 公司提出的 LonWorks 總線技術。世界各大樓宇自控公司一致認為這兩種技術是當前“最先進的”、“有非常大的潛在能力的”技術。