《微型計算機(jī)接口技術(shù)》第3章 總線驅(qū)動與接口

1第3章總線線驅(qū)動與接口

2目錄3.1總線技術(shù)概述3.2總線驅(qū)動與控制3.3系統(tǒng)總線3.4外部總線（通信總線）3.5單片機(jī)常用接口總線33.1總線技術(shù)概述總線的概念與分類：片內(nèi)總線、片間總線、系統(tǒng)總線和通信總線。片內(nèi)總線是指連接集成電路芯片內(nèi)部各功能單元的信息通路，片間總線是芯片引出的總線，用來實現(xiàn)一個電路板內(nèi)芯片與芯片間的互聯(lián)。片間總線又稱為板內(nèi)總線、元件級總線、芯片間總線。系統(tǒng)總線是指連接微處理器、主存儲器和I/O接口等系統(tǒng)部件的一組公共信息通路。系統(tǒng)總線又稱為板級總線、板間總線或內(nèi)總線。通信總線又稱為I/O總線或外總線，是指連接微型計算機(jī)主機(jī)與I/O設(shè)備、儀器儀表，甚至其它微型計算機(jī)的總線。4總線的特性物理特性也稱機(jī)械特性，是指總線的物理形態(tài)和布局、機(jī)械連接性能等，功能特性是指總線中各個信號線的功能，比如地址總線傳送地址信息，數(shù)據(jù)總線傳送數(shù)據(jù)信息，而控制總線既傳送各種控制信息電氣特性是指信號的傳遞方向、工作電平、負(fù)載能力的最大額定值等。時間特性（即過程特性）定義每根線在什么時間有效，即總線上各信號有效的時序關(guān)系，一般用信號時序圖來描述。5總線的性能指標(biāo)總線的帶寬指的是單位時間內(nèi)總線上可傳送的數(shù)據(jù)量，即每秒鐘傳送多少字節(jié)。與總線帶寬密切相關(guān)的兩個概念是總線的位寬和總線的工作頻率?？偩€的位寬指的是總線能同時傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)，即8位、16位、32位、64位等總線寬度的概念。在工作頻率一定的條件下，總線的帶寬與總線的位寬成正比?？偩€的工作頻率也稱為總線的時鐘頻率，以MHz為單位。它是指用于協(xié)調(diào)總線上的各種操作的時鐘信號的頻率。工作頻率越高則總線工作速度越快，也即總線帶寬越寬。63.2總線驅(qū)動與控制總線競爭是指同一時刻有兩個或兩個以上部件向總線傳送信息。總線負(fù)載：直流負(fù)載：某個集成電路芯片的驅(qū)動能力是指該芯片在規(guī)定的性能下向下一級電路提供（或吸收）電流的能力，交流負(fù)載：允許在其輸出端所接的等效電容的能力。7總線隔離與驅(qū)動為了防止總線競爭，減輕總線負(fù)載，可以在總線和各個部件之間引入三態(tài)門電路以實現(xiàn)總線與各個設(shè)備的隔離。三態(tài)門的引入不僅實現(xiàn)了總線隔離，而且還可以提高總線的負(fù)載驅(qū)動能力。

典型的雙向三態(tài)門電路是74LS245，通常連接在數(shù)據(jù)總線上，用于控制和驅(qū)動數(shù)據(jù)信號的雙向傳輸；典型的單向三態(tài)門電路是74LS373和74LS244，可以對單向傳送的地址和控制信號進(jìn)行控制和驅(qū)動，其中74LS373還具有鎖存功能，特別適合于在地址/數(shù)據(jù)總線分時復(fù)用的情況下鎖存地址信號。8IBMPC/XT總線的形成24537393.3系統(tǒng)總線103.3.1系統(tǒng)總線概述最早的PC總線是IBM公司于1981年推出的基于8位機(jī)PC/XT的總線，稱為PC總線。1984年IBM公司推出了16位PC機(jī)PC/AT，其總線稱為AT總線。然而IBM公司從未公布過AT總線規(guī)格。為了能夠合理地開發(fā)外插接口卡，由Intel公司，IEEE和EISA集團(tuán)聯(lián)合開發(fā)了與IBM/AT原裝機(jī)總線意義相近的ISA總線，即8/16位的ISA(IndustryStandardArchitecture，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu))總線。隨著計算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，總線技術(shù)也隨之不斷創(chuàng)新。由最初的PC/XT到ISA、MCA、EISA、VESA、AGP再到PCI、PCIE、PCI-X等?？偩€標(biāo)準(zhǔn)不斷出現(xiàn)和升級換代。113.3.2IBMPC/XT總線PC/XT總線每個插槽有62根信號引腳，分為A、B兩面，包括8位數(shù)據(jù)線、20位地址線、6個中斷請求信號和4個DMA通道的請求與應(yīng)答信號（通道0用于動態(tài)存儲器刷新，無請求信號），還包括存儲器讀寫信號、I/O讀寫信號，以及時鐘、電源、地等信號，12IBMPC/XT總線13IBMPC/XT總線143.3.3ISA總線ISA總線在IBMPC/XT總線的基礎(chǔ)上增加了一個附加插槽，分為C、D兩面，共36根引腳。主要包括8位數(shù)據(jù)線和4位地址線，使ISA總線數(shù)據(jù)寬度擴(kuò)充為16位，而地址總線擴(kuò)充為24位。此外還增加了6根中斷請求信號和4個通道的DMA聯(lián)絡(luò)信號等。15ISA總線163.3.4PCI總線1991年下半年，Intel公司首先提出了PCI（PeripheralComponentInterconnect）的概念，并聯(lián)合IBM、Compaq、AST、HP、DEC等100多家公司成立了PCI集團(tuán)，于1993年正式推出了PCI局部總線標(biāo)準(zhǔn)：PCI總線。PCI總線是一種不依附于某個具體處理器的局部總線可用32位數(shù)據(jù)傳輸，也可擴(kuò)展為64位。173.3.5AGP總線AGP（AcceleratedGraphicsPort）即加速圖形端口。它是一種為了提高視頻帶寬而設(shè)計的總線規(guī)范。它支持的AGP插槽可以插入符合該規(guī)范的AGP插卡。其視頻信號的傳輸速率可以從PCI的132MB/s提高到266MB/s（×1模式）或者532MB/s（×2模式）。183.4外部總線（通信總線）外部總線用于計算機(jī)之間、計算機(jī)和一部分外設(shè)之間的通信，也稱為通信總線。3.4.1IDE和EIDE總線3.4.2SCSI總線3.4.3RS-232總線3.4.4RS-422和RS-485總線3.4.5USB總線3.4.6IEEE1394總線語音接口PS2鍵盤接口193.4.1IDE和EIDE總線集成設(shè)備電子部件（IntegratedDeviceElectronics，IDE）是從IBMPC/AT上使用的高級技術(shù)配件（AdvancedTechnologya、Attachment，ATA）接口發(fā)展而來，故又稱ATA接口。EIDE又稱為ATA-2，后來，IDE接口采用了由當(dāng)時的著名硬盤廠商昆騰（Quantum，現(xiàn)已被邁拓收購）與Intel共同制定的ATA/IDE新型接口技術(shù)—UitraDMA/33/66/100，并開發(fā)了第七代硬盤接口標(biāo)準(zhǔn)UltraDMA/133，使硬盤與主機(jī)間的傳輸速率達(dá)到133Mb/s，并使硬盤的容量突破137GB的限制。PC計算機(jī)常用，5400rpm,7200rpm203.4.2SCSI總線SCSI是小型計算機(jī)系統(tǒng)接口SmallComputerSystemInterface的簡稱，在服務(wù)器和圖形工作站中被廣泛采用。計算機(jī)系統(tǒng)通過SCSI接口卡，可以與各種各樣的外設(shè)相連。它的特點是傳輸速度快(達(dá)40Mbps以上)、支持多任務(wù)并行操作，是中小型計算機(jī)系統(tǒng)普遍采用的技術(shù)。目前主要使用在服務(wù)器系統(tǒng)中，>=10000rpm213.4.3RS-232總線1970年美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器廠家和計算機(jī)終端廠家，正式制定了用二進(jìn)制方式交換數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE（DataTerminalEquipment）與數(shù)據(jù)通信設(shè)備DCE（DataCommunicationEquipment）之間的串行接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，稱RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)，其中C為版本號，1988年又把RS232-C修訂為RS-232-D具體應(yīng)用在串行接口部分解釋22DB25連接器&DB9連接器引腳定義不同。TxD和RxD相反。233.4.4RS-422和RS-485總線RS-422總線采用平衡差動方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送.RS-485標(biāo)準(zhǔn)采有用平衡式發(fā)送，差分式接收的數(shù)據(jù)收發(fā)器來驅(qū)動總線.可以1拖32。提高抗干擾，傳輸距離遠(yuǎn)差分電平（±2V)，負(fù)邏輯BAGND1234875DROODEDIVCCMAX485R6差分TTL電平243.4.5USB總線USB的全稱叫UniversalSerialBus，中文名稱叫通用串行總線。為了規(guī)范USB的推廣和使用，國際上對USB制訂了協(xié)議，USB1.1、USB1.2、USB2.0和USB3.0都是USB協(xié)議的名稱。USB1.1規(guī)范是1998年制訂的，最大傳輸速度為12Mbps/秒；USB2.0規(guī)范是2000年制訂的，最大傳輸速度為480Mbps/秒；USB3.0規(guī)范是2008年制訂的，最大傳輸速度為5Gbps/秒。USB2.0標(biāo)準(zhǔn)是目前廣泛使用的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，兼容USB1.1和USB2.0接口可以工作在三種速度模式：480Mbps、12Mbps、1.5Mbps。25USB的接口形態(tài)USB接口采用矩形插座和插頭，有9針和4針兩種。目前廣泛采用的是4針引腳的USB接口接頭如圖3-16所示263.4.6IEEE1394總線IEEE1394的前身是Apple公司于1985年開始研究、1987年發(fā)布的FireWire（“火線”），1992年被接納為IEEE1394規(guī)范在這個標(biāo)準(zhǔn)中，傳輸速率被定義為100/200/400Mb/s三種，通常就稱為S100/S200/S400。后來先后推出的IEEEP1394a以及P1394-1999，P1394-2000都在保持傳輸速率不變的前提下，對控制性能和互操作性進(jìn)行了較大的改進(jìn)。其中，高性能的IEEEP1394b的帶寬在時鐘800/1600/3200MHz下分別達(dá)到100/200/300MB/S。273.5單片機(jī)常用接口總線隨著單片計算機(jī)的快速發(fā)展和廣乏應(yīng)用，單片機(jī)內(nèi)部集成的接口種類日益增多，同一引腳的多功能可編程復(fù)用成為一種趨勢。本節(jié)重點介紹單片計算機(jī)中的主要內(nèi)嵌接口的總線標(biāo)準(zhǔn)，如I2C、SPI、JTAG等，這些接口總線的應(yīng)用在后續(xù)章節(jié)將陸續(xù)介紹。3.5.1I2C總線3.5.2SPI總線3.5.3JTAG總線283.5.1I2C總線I2C(Inter-IntegratedCircuit)總線協(xié)議產(chǎn)生于1980年代，是由PHILIPS公司推出的兩線式串行通信總線，主要用于連接微控制器及其外圍設(shè)備，最初應(yīng)用于音頻和視頻設(shè)備之中，如今廣泛應(yīng)用于各種嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中。I2C串行總線是一種雙向兩線制的串行數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)總線。包括：一根雙向的數(shù)據(jù)線SDA，另一根是時鐘線SCL。所有接到I2C總線上的設(shè)備的串行數(shù)據(jù)都接到總線的SDA線，各設(shè)備的時鐘線SCL接到總線的SCL。每個接到I2C總線的設(shè)備都有一個唯一的地址。29

I2C的命令格式與傳輸規(guī)程I2C總線在傳送數(shù)據(jù)過程中共有三種特殊類型信號，它們分別是：開始信號、結(jié)束信號和應(yīng)答信號（如圖3-23）。開始信號：SCL為高電平時，SDA由高電平向低電平跳變，開始傳送數(shù)據(jù)。結(jié)束信號：SCL為高電平時，SDA由低電平向高電平跳變，結(jié)束傳送數(shù)據(jù)。應(yīng)答信號：接收器在接收到8位數(shù)據(jù)后，在SCL高電平期間向發(fā)送器發(fā)出特定的低電平脈沖，表示已收到數(shù)據(jù)。30I2C數(shù)據(jù)總線傳送時序正常數(shù)據(jù)傳輸時，SDA線上的數(shù)據(jù)在SCL時鐘“高”期間必須是穩(wěn)定的，以區(qū)別開始和停止條件。只有當(dāng)SCL線上的時鐘信號為低時，數(shù)據(jù)線上的“高”或“低”狀態(tài)才可以改變。輸出到SDA線上的每個字節(jié)必須是8位，每次傳輸?shù)淖止?jié)不受限制，每個字節(jié)必須有一個應(yīng)答為ACK，ACK由從機(jī)發(fā)出。31主機(jī)利用I2C總線傳輸1個字節(jié)數(shù)據(jù)在圖中，第1位為START（開始位，波形見圖3-23），后接一個控制字節(jié)（7位器件地址和1位寫信號（W）），1位ACK（由從機(jī)發(fā)出）；緊接著為2字節(jié)的目標(biāo)存儲器的內(nèi)部存儲地址，每個地址均有1位ACK（由從機(jī)發(fā)出）；然后，傳輸1個字節(jié)數(shù)據(jù)和1位ACK（由從機(jī)發(fā)出）；最后由主控設(shè)備發(fā)出STOP（停止位）。由此結(jié)束一次數(shù)據(jù)傳輸過程。323.5.2SPI總線SPI(SerialPeripheralBus)總線是Motorola公司提出的一個同步串行外設(shè)接口,容許CPU與各種外圍接口器件以串行方式進(jìn)行通信、交換信息。SPI使用4條線：串行時鐘線(SCK)、主機(jī)輸入/從機(jī)輸出線(MISO)、主機(jī)輸出/從機(jī)輸入線(MOSI)、低電平有效的使能信號線(SS#)。SPI使用SCK進(jìn)行主控設(shè)備（主機(jī)）與被控設(shè)備（從機(jī)）間的定時。主控設(shè)備的MISO信號線與所有被控設(shè)備的MOSI信號線連接，主控設(shè)備的MOSI信號線與所有被控設(shè)備的MISO信號線連接。33為了區(qū)分不同的被控設(shè)備，主控器應(yīng)該使用不同的SS#信號線連接被控設(shè)備的SS#信號線。這樣，SPI僅需3+n根信號線即可擴(kuò)展具有n路SPI接口的各種I/O器件。SPI總線接口的典型互聯(lián)結(jié)構(gòu)如圖3-26所示。34SPI的內(nèi)部連接結(jié)構(gòu)主機(jī)和從機(jī)之間的SPI內(nèi)部連接結(jié)構(gòu)如圖3-27所示。系統(tǒng)包括兩個移位寄存器和一個主機(jī)時鐘發(fā)生器。通過將需要的從機(jī)的SS#引腳拉低，主機(jī)啟動一次通訊過程。主機(jī)和從機(jī)將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)放入相應(yīng)的移位寄存器。主機(jī)在SCK引腳上產(chǎn)生時鐘脈沖以交換數(shù)據(jù)。主機(jī)的數(shù)據(jù)從主機(jī)的MOSI移出，從從機(jī)的MOSI移入；從機(jī)的數(shù)據(jù)從從機(jī)的MISO移出，從主機(jī)的MISO移入。主機(jī)通過將從機(jī)的SS#拉高實現(xiàn)與從機(jī)的同步。35SPI的總線時序SPI數(shù)據(jù)的每一位的移出和移入發(fā)生于SCK不同的信號跳變沿，以保證有足夠的時間使數(shù)據(jù)穩(wěn)定。SCK的相位、極性與數(shù)據(jù)間有4種組合，如表3-14所示。CPHA和CPOL控制組合的方式。CPOL為高表示空閑時SCK為高電平，否則，表示空閑時SCK為低電平；CPHA決定數(shù)據(jù)是在SCK的起始沿采樣還是在SCK的結(jié)束沿采樣。圖3-28給出了SPI模式0和模式2時的SPI引腳的時序圖。36SPI的工作模式373.5.3JTAG總線---調(diào)式手段的巨大革新JTAG是JointTestActionGroup的縮寫，是IEEE1149.1國際標(biāo)準(zhǔn)，其設(shè)計目標(biāo)是方便集成