嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中串列匯流排的選擇策略.doc

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中串列匯流排的選擇策略串列通訊是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個重要部份，選擇恰當(dāng)?shù)拇薪槊鏁r要考慮多方因素。本文描述了RS-232、RS-422、RS485、I2C、SPI、Microwire及1-Wire等七種常用的串列匯流排，並分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，以幫助嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師選擇適用於其設(shè)計(jì)的串列介面匯流排。 在嵌入式設(shè)計(jì)中，從顯示器、記憶體到周邊的通訊都藉由串列介面進(jìn)行。目前有多種串列通訊介面可用於嵌入式系統(tǒng)，但在選擇時要考慮到多個因素。以下將講述表1所示七種最為常用的串列介面，以幫助設(shè)計(jì)工程師進(jìn)行正確選擇。 串列介面的優(yōu)點(diǎn) 在多種情況下需要使用串列介面，最為常見的則是在開發(fā)或現(xiàn)場使用時必須與PC進(jìn)行介面。多數(shù)PC帶有與周邊相接的串列介面匯流排，只有少數(shù)例外。對於必須與通用電腦介面的嵌入式系統(tǒng)而言，使用串列介面常常比ISA或PCI擴(kuò)展匯流排更為方便。 串列通訊只需一個I/O引腳便可進(jìn)行通訊，而平行通訊則需要8個或更多。許多通用嵌入式系統(tǒng)周邊(如類比?數(shù)位轉(zhuǎn)換器和數(shù)位?類比轉(zhuǎn)換器、LCD和溫度感測器)均支援串列介面。 串列匯流排還可用於內(nèi)部處理器通訊(例如網(wǎng)路)，從而可用若干價(jià)格低廉的小處理器來完成通常需要大處理器完成的任務(wù)。藉由串列介面，處理器通訊無需共享記憶體和旗語，進(jìn)一步避免了可能引起的問題。 不過，對於讀取匯流排、地址匯流排和數(shù)據(jù)匯流排以及其它微程式控制而言，平行匯流排永遠(yuǎn)是首選。記憶體映射外部設(shè)備已成為一種專門技術(shù)，用於帶地址和數(shù)據(jù)匯流排的系統(tǒng)中。藉由這一技術(shù)可平行存取片外設(shè)備。不過，由於許多8位元微控制器(更不用說8引腳的了)不帶外部地址?數(shù)據(jù)匯流排，因此通常不使用記憶體映射。 基本術(shù)語 在詳細(xì)講述每種介面方式之前，我們先定義以下幾個術(shù)語： (1) 在非同步匯流排中數(shù)據(jù)發(fā)送無需時脈信號；而在同步匯流排中則需要。 (2) 在全雙工方式中，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收可同時進(jìn)行。而在半雙工方式中，可分別進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，但不能同時收發(fā)。 (3) 主?從關(guān)係指的匯流排連接一個主設(shè)備和若干從設(shè)備。主?從匯流排通常是同步的，在雙向數(shù)據(jù)發(fā)送中，均由主設(shè)備提供時脈信號。 (4) 多主匯流排也是主?從匯流排，不過它的主設(shè)備不止一個。這種匯流排必須具有仲裁方案，以便在多個主設(shè)備企圖同時控制匯流排時避免衝突。(5) 點(diǎn)對點(diǎn)或?qū)Φ?peer)介面指的是兩個設(shè)備間具有一種對應(yīng)關(guān)係；但無主從關(guān)係。對等介面通常是非同步的。 (6) 當(dāng)一個介面具有多個接收器和一個發(fā)送器時，我們用點(diǎn)對多點(diǎn)(multi-drop)來進(jìn)行描述。(7) 當(dāng)一條匯流排中的對等收發(fā)器多於兩個時，用多點(diǎn)(multi-point)來描述。這與點(diǎn)對多點(diǎn)介面並不一樣，它可在同一組連線中進(jìn)行雙向通訊。 RS-232介面 幾乎所有的電腦都採用TIA/EIA-232-F(通常稱為RS-232)介面方式。RS-232是一種完整的標(biāo)準(zhǔn)，除了電氣特性外，還規(guī)範(fàn)了物理及機(jī)械特性，如連接硬體、輸出引腳及信號名稱。RS-232是一種點(diǎn)對點(diǎn)介面，適用於中等長度的通訊，速率可高達(dá)20Kbps。儘管在規(guī)範(fàn)手冊中並未標(biāo)出，但在連接距離較短且正確接地的情況下，其速率可超過115.2Kbps。通常RS-232傳輸距離為30英尺，採用低電容電纜時，可達(dá)200英尺。 RS-232是一種非平衡式匯流排，可在兩對接收?發(fā)送器(稱為數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)及數(shù)據(jù)電路終端設(shè)備(DCE)間進(jìn)行全雙工通訊。每一端的傳輸信號均與另一端的接收信號相連。因此，兩端的引腳有所不同。 每個發(fā)送器都藉由改變線路的電壓來發(fā)送數(shù)據(jù)。高於3V的電壓用二進(jìn)制數(shù)0表示，而低於-3V的電壓則用二進(jìn)制數(shù)1表示。這兩個閥值間的電壓未定義。可採用RS-232轉(zhuǎn)換IC，如1488、1489或十分常見的MAX232，來進(jìn)行邏輯電平(0V和5V)與這些電壓的轉(zhuǎn)換。 通常RS-232通訊包含有起始位元、數(shù)據(jù)位元、奇偶校驗(yàn)位元(如果有的話)和停止位元(有時多位元)。與PC通訊的典型格式為八個數(shù)據(jù)位元、無奇偶校驗(yàn)位元、一個停止位元。此外，七個數(shù)據(jù)位元、一個偶校驗(yàn)位元和一個停止位元這種模式也很常用。通常起始位元為0、停止位元為1，如圖1所示。在正式的規(guī)範(fàn)中沒有描述RS-232的通訊協(xié)議，包括起始位元和停止位元的使用。 許多嵌入式系統(tǒng)藉由RS-232與PC或PC周邊(如數(shù)據(jù)機(jī))進(jìn)行介面。而其它系統(tǒng)則使用RS-232，再配合較為便宜的協(xié)議分析儀或帶有兩個串列口的PC來監(jiān)控匯流排通訊量。 幾乎所有的微控制器廠商都有支援RS-232的硬體產(chǎn)品，稱為通用非同步收發(fā)器(UART)。通常UART都是中斷驅(qū)動，速度可高達(dá)115.2Kbps，軟體附加費(fèi)用較少。但不同架構(gòu)的UART會稍有不同。 RS-422和RS-485 TIA/EIA-422-B(通常稱為RS-422)及TIA/EIA-485-A(通常稱為RS-485)是平衡式、雙絞線介面，速度可高達(dá)10Mbps，傳輸距離長達(dá)4,000英尺。RS-422和RS-485均為差分匯流排，採用1.5V到6V的信號來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。與RS-232等單端非平衡式匯流排相比，差分平衡式匯流排中的抗噪音能力有所提高。 RS-422是一種點(diǎn)對多點(diǎn)介面，在一對雙絞線上進(jìn)行單向通訊，從一個發(fā)射器將信號發(fā)送到多個接收器，最高可有10個單元負(fù)載(UL)。如果接收元件需要與發(fā)射器進(jìn)行通訊，則必須在每個接收器和發(fā)射器間連接一條獨(dú)立的專有匯流排(採用這種回路匯流排可進(jìn)行全雙工通訊)。正是因?yàn)檫@一點(diǎn)，RS-422通常很少用於兩個節(jié)點(diǎn)以上。 RS-485介面則藉由一對雙絞線在多個收發(fā)器間進(jìn)行雙向通訊。規(guī)範(fàn)顯示，該匯流排可包括多達(dá)32個等同於收發(fā)器的單元負(fù)載(UL)。一些製造商生產(chǎn)分支式(fractional)UL收發(fā)器，從而將可連接的元件數(shù)目增加到100個以上。 RS-422和RS-485使用的起始位元、數(shù)據(jù)位元和停止位元格式通常與RS-232一樣。實(shí)際上，現(xiàn)有的多種轉(zhuǎn)換器都可在RS-232和RS-485之間進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。不過切記，RS-232是全雙工介面，而RS-485則是半雙工。 多數(shù)微控制器製造商提供嵌入式UART，並聲稱具有特殊的RS-485性能。 I2C匯流排 (2線）：型號為以 24 開頭的系列。例：24LC02內(nèi)部積體電路匯流排(I2C)是由飛利浦半導(dǎo)體公司開發(fā)的一種專用介面。它是一種半雙工同步多主設(shè)備匯流排，只需要兩條信號線：串列數(shù)據(jù)線(SDA)及串列時脈線(SCL)。在一個與連線介面中，這些信號線的電壓藉由升壓電阻拉高，並藉由開漏驅(qū)動器由硬體進(jìn)行控制。 I2C採用可尋址通訊協(xié)議，主設(shè)備可與採用7位元或10位元地址的從設(shè)備進(jìn)行通訊。每一元件均有一個地址，此地址由飛利浦半導(dǎo)體公司向元件生產(chǎn)商分配。此外還有多個特殊地址，包括總呼叫地址(它可對匯流排內(nèi)的每一地址進(jìn)行尋址)及高速起始地址。 在與從設(shè)備進(jìn)行通訊時，所有與從設(shè)備通訊的時脈信號(包括去和回)均由從設(shè)備產(chǎn)生。每次通訊開始時，主設(shè)備均會產(chǎn)生一個開始信號、一個8位元數(shù)據(jù)字、一個應(yīng)答位元，然後是一個停止信號或重覆的開始信號。除開始信號和停止信號外，每個數(shù)據(jù)位元的傳送都在SCL為低電平時進(jìn)行。當(dāng)SCL為高電平時，SDA線從高電平變成低電平，產(chǎn)生開始信號，開始數(shù)據(jù)傳送。當(dāng)SCL為高電平時，SDA線從低電平變成高電平，產(chǎn)生結(jié)束信號，結(jié)束數(shù)據(jù)傳送(見圖2)。資訊接收設(shè)備藉由將SDA線的電平拉低來產(chǎn)生應(yīng)答位元，此時主設(shè)備釋放該線路，使之保持高電平。如果主設(shè)備讀到的應(yīng)答位元為高電平時，它認(rèn)為最後的通訊數(shù)據(jù)尚未收到，並採取相應(yīng)的行動如果可能則重發(fā)該數(shù)據(jù)。 I2C有個十分有趣的特徵稱為時脈伸展(clock stretching)，產(chǎn)生在從設(shè)備無法處理數(shù)據(jù)位元並要求更多時間時。這種情況下，從設(shè)備將SCL線的電平拉低。由於信號表現(xiàn)為與連線，因此當(dāng)主設(shè)備釋放SCL線而從設(shè)備正在伸展時脈時，主設(shè)備會注意到該線路仍處於低電平。此時，主設(shè)備等待，直到從設(shè)備處理完數(shù)據(jù)位元並釋放該線路。一旦從設(shè)備釋放線路後，SCL線恢復(fù)高電平，指示主設(shè)備可發(fā)送下一個數(shù)據(jù)位元。 I2C有慢(小於100Kbps)、快(400Kbps)及高速(3.4Mbps)三種速率，每一種均可向下相容。如果需要將信號發(fā)送出電路板外可參照飛利浦公司規(guī)範(fàn)的建議連線方法。 儘管傳聞有人曾使用I2C匯流排在大於50英尺的距離內(nèi)成功通訊，不過它的通訊距離通常僅限於同一電路板內(nèi)。限制I2C通訊距離的是匯流排的比特率和傳輸量。因此，對於板外通訊，I2C實(shí)際常限制在10英尺內(nèi)，屬於中等速率。 SPI匯流排（3線）：型號為以 25 開頭的系列。例：25LC08 串列周邊介面(SPI)是由摩托羅拉開發(fā)的一種同步串列匯流排，用於該公司的多種微控制器中。 SPI匯流排由四路信號組成，分別是主出從入(MOSI)、主入從出(MISO)、串列時脈(SCK)及主動低電平從設(shè)備選擇(/SS)。SPI是一種多主?從設(shè)備通訊協(xié)議，主設(shè)備與選定的從設(shè)備間使用單向MISO和MOSI線進(jìn)行通訊，速率超過1Mbps，為全雙工模式。主設(shè)備產(chǎn)生一個SCK脈衝，數(shù)據(jù)被同步到主設(shè)備和從設(shè)備間中。SIP協(xié)議有四種不同的時脈類型，視SCK信號的極性和相位而定。必須確保這些信號在主設(shè)備和從設(shè)備間相互相容。 除了1Mbps的速率外，SIP還有另一優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)僅使用一個從設(shè)備時，/SS線路電平會被拉低，/SS信號可以不藉由主設(shè)備產(chǎn)生。不過，這一性能要依賴於SCK的相位選擇。 SPI的一個缺點(diǎn)是每個從設(shè)備都需要獨(dú)立的/SS線路。如果具有外部I/O引腳，或者外部電路板有足夠的位置配置多路選擇輸出器IC，這並不成問題。但對於體積小、管腳數(shù)少的微控制器來說，具有多個從設(shè)備的SPI介面並非理想之選。 Microwire匯流排（3線）：型號為以 93 開頭的系列。例：93C46 Microwire是由美國國家半導(dǎo)體公司開發(fā)的一種三線同步介面，用於該公司的COP8處理器系列產(chǎn)品。 與SPI相似，Microwire是一種主?從匯流排，包括主設(shè)備發(fā)出的串列數(shù)據(jù)(SO)、主設(shè)備接收的串列數(shù)據(jù)(SI)及信號時脈(SK)等三路信號，分別對應(yīng)於SPI的MOSI、MISO及SCK。此外還有一個片選信號，其功能與SPI的/SS相似。Microwire是一種全雙工匯流排，速度可達(dá)到或超過625Kbps(由其電容決定)。 針對不同的數(shù)據(jù)需求，Microwire元件遵循不同的協(xié)議。與基於8位元組的SPI不同，Microwire的數(shù)據(jù)長度可變，同時還規(guī)定了一種連續(xù)位元流模式。 由於Microwire也具有多個從設(shè)備，需要多條片選線，因此它像SPI一樣同時兼具優(yōu)缺點(diǎn)。有時候，SPI元件可工作於Microwire匯流排，同樣，Microwire元件也可以工作於SPI匯流排，儘管只能在單元件情況下。 儘管在電容配置得當(dāng)且速率較低時SPI和microwire通訊距離可長達(dá)10英尺，但它們通常都局限於板內(nèi)通訊，距離不超過六英寸。 1- Wire匯流排 （1線）：由 Dallas / Maxim 公司出品。Dallas Semiconductor的1-Wire是一種非同步主?從式匯流排，沒有用於多個主設(shè)備的協(xié)議。與I2C相似，1-Wire採用半雙工通訊，在單一連線上採用一種開漏拓樸結(jié)構(gòu)進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸。不過，1-Wire匯流排的數(shù)據(jù)線也可以向從設(shè)備傳輸功率，儘管比較有限。1-Wire的最高速率僅達(dá)16Kbps，但在升壓電阻配置得當(dāng)時，傳輸距離可達(dá)1,000英尺。 位元碼監(jiān)測 如果沒有支援以上匯流排的硬體，可以使用通用的I/O引腳。用軟體控制串列通訊通常稱作位元碼監(jiān)測(bit banging)，因?yàn)檐涹w的確在串列口上實(shí)施監(jiān)測作用。 位元碼監(jiān)測要求軟體可識別每個位元碼的正確時序，因?yàn)樗仨毐O(jiān)測每個輸出位元碼的變化(在全雙工介面中還要監(jiān)測接收數(shù)據(jù)的情況。)不過，令嵌入式開發(fā)者慶幸的是，不少位