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文檔簡介
第5章外部總線接口
5.1串行與并行接口5.2USB接口5.31394接口5.4SPI接口5.5I2C總線接口5.6PCMCIA和PCI接口5.1串行與并行接口5.1.1概述5.1.2RS-232串行接口5.1.3UART控制器5.1.4串行接口編程UART5.1.5并行接口5.1.1概述串行通信是數(shù)據(jù)的一種傳送方式,在這種方式下數(shù)據(jù)是一位緊接一位在通信介質(zhì)中進行傳輸?shù)摹T趥鬏斶^程中,每一位數(shù)據(jù)都占據(jù)一個固定的時間長度。串行接口的作用就是將外部設(shè)備與CPU之間聯(lián)系起來,使它們能夠通過串行傳送方式互相傳送和接收信息。1.單工、半雙工和全雙工方式2.同步方式和異步方式3.發(fā)送時鐘和接收時鐘4.波特率與校驗方式5.信號的調(diào)制與解調(diào)1.單工、半雙工和全雙工方式單工方式:系統(tǒng)只能單向傳送數(shù)據(jù),也就是說,系統(tǒng)一端作為發(fā)送端,另一端作為接收端。半雙工方式:在半雙工方式中,輸入過程和輸出過程使用同一通路,端口可以收發(fā)數(shù)據(jù),但不能同時進行。全雙工方式:在全雙工方式中,對數(shù)據(jù)的兩個傳輸方向采用不同的通路,可以同時進行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。。圖5-1串口的傳送方式2.同步方式和異步方式采用同步通信時,將許多字符組成一個信息組,這樣,字符可以一個接一個地傳輸。但是,在每組信息(通常稱為一個信息幀)的開始要加上同步字符,在沒有信息要傳輸時,要填上空字符,因為同步傳輸不允許有間隙。異步通信方式如圖5-2所示,其中各位的意義如下:起始位:先發(fā)出一個邏輯”0”信號,表示傳輸字符的開始。數(shù)據(jù)位:緊接著起始位之后。數(shù)據(jù)位的個數(shù)可以是4、5、6、7、8等,構(gòu)成一個字符。通常采用ASCII碼。從最低位開始傳送,靠時鐘定位。奇偶校驗位:數(shù)據(jù)位加上這一位后,使得“1”的位數(shù)應(yīng)為偶數(shù)(偶校驗)或奇數(shù)(奇校驗),以此來校驗數(shù)據(jù)傳送的正確性。停止位:它是一個字符數(shù)據(jù)的結(jié)束標志??梢允?位、1.5位、2位的高電平??臻e位:處于邏輯“1”狀態(tài),表示當前線路上沒有數(shù)據(jù)傳送。圖5-2異步通信方式3.發(fā)送時鐘和接收時鐘異步通信和同步通信對時鐘的要求是不一樣的。在異步通信中,一幀信息的長度只有10~11位,在起始位起動后,接收時鐘只要在接收期間能夠和發(fā)送時鐘保持同步,就可以正確接收數(shù)據(jù)。因此,在異步通信中,發(fā)送端和接收端可有自己的獨立時鐘。在同步通信中,由于一幀數(shù)據(jù)位數(shù)較多且通信速度較快,要求發(fā)送時鐘和接收時鐘精確同步。這樣,發(fā)送端和接收端就不能采用獨立的局部時鐘,而采用統(tǒng)一的時鐘。通常采用的方法是,在發(fā)送端利用編碼器把發(fā)送的數(shù)據(jù)和發(fā)送的時鐘組合在一起,通過傳輸線發(fā)送到接收端,在接收端再用解碼器從數(shù)據(jù)流中分離出時鐘。4.波特率與校驗方式為了衡量串行通信的速度,應(yīng)該有一個測量單位,在串行通信中通常用波特率來表示,波特率是衡量數(shù)據(jù)傳送速率的指標。表示每秒鐘傳送的二進制位數(shù)。串行通信一般要檢測傳輸過程中是否有錯誤出現(xiàn),目前,串行通信一般采用兩種校驗方式。奇偶校驗和CRC循環(huán)冗余校驗。5.信號的調(diào)制與解調(diào)為了利用電話線傳輸數(shù)字信號,必須采取一些措施,把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為適于傳輸?shù)哪M信號,而在接收端再將其轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號。前一種轉(zhuǎn)換稱為調(diào)制,后一種轉(zhuǎn)換稱為解調(diào)。圖5-3信號的調(diào)制與解調(diào)常用的調(diào)制方式有三種,幅移鍵控ASK(AmplitudeShiftKeying)也稱為調(diào)幅;頻移鍵控FSK(FrequencyShiftKeying)也稱為調(diào)頻;相移鍵控PSK(PhaseShiftKeying)也稱為調(diào)相,如圖5-4所示。圖5-4調(diào)制方式5.1.2RS-232串行接口圖5-5
RS232接口在通信中RS-232C是作為數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE與數(shù)據(jù)通信設(shè)備DCE的接口標準而引入的。目前,不僅在遠距離通信中經(jīng)常用到它,就是在兩臺計算機或者設(shè)備之間的近距離串行連接也普遍用RS-232C接口1.RS-232C的信號定義2.RS-232C的電氣特征1.RS-232C的信號定義引腳定義引腳定義1保護地(PGND)14輔信道發(fā)送數(shù)據(jù)2發(fā)送數(shù)據(jù)(TxD)15發(fā)送信號元定時3接收數(shù)據(jù)(RxD)16輔信道接收數(shù)據(jù)4請求發(fā)送(RTS)17接收信號元定時5允許發(fā)送(CTS)18未定義6數(shù)據(jù)準備就緒(DSR)19輔信道請求發(fā)送7信號地(SGND)20數(shù)據(jù)終端準備就緒(DTR)8載波檢測(CD)21信號檢測(SD)9未定義22振鈴指示(RI)10未定義23數(shù)據(jù)信號速率選擇11未定義24外部發(fā)送時鐘12輔信道載波檢測25未定義13輔信道載波發(fā)送
表5-1
RS232引腳定義2.RS-232C的電氣特征RS-232C總線采用負邏輯。對于數(shù)據(jù)信號線,邏輯1為-3V到-15V;邏輯0為+3V到+15V。對于控制和定時信號,接通(ON)為+3V到+15V;斷開(OFF)為-3V到-15V。如果要實現(xiàn)RS-232C電路和TTL電路的連接,必須要經(jīng)過信號電平轉(zhuǎn)換,通常使用傳輸線驅(qū)動器1488和1489實現(xiàn)其轉(zhuǎn)換。圖5-6電平轉(zhuǎn)換電路5.1.3UART控制器圖5-7
UART控制器3.接口電路圖5-8
RS232接口電路5.1.5并行接口所謂并行接口,就是指采用并行傳輸方式來傳輸數(shù)據(jù)的接口標準。從最簡單的一個并行數(shù)據(jù)寄存器或?qū)S媒涌诩呻娐沸酒?255、6820等,一直至比較復(fù)雜的SCSI或IDE并行接口,其種類不下數(shù)十種,但總的來說,一個并行接口的接口特性可以從兩個方面加以描述:(1)以并行方式傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通道的寬度,也稱接口傳輸?shù)奈粩?shù)。(2)用于協(xié)調(diào)并行數(shù)據(jù)傳輸?shù)念~外接口控制線或稱交互信號的特性。圖5-10常用并口5.2USB接口5.2.1USB接口概述5.2.2USB通信原理5.2.3S3C2410的USB接口5.2.4USB接口軟件設(shè)計5.2.1USB接口概述1.USB體系結(jié)構(gòu)2.USB物理接口3.USB的電源4.USB總線特點1.USB體系結(jié)構(gòu)USB的物理連接是一個層次性的星型布局,在USB的樹形拓撲中,每個集線器是在星型的中心,每條線段是點對點連接的,USB的HUB為USB的功能部件連接到主機提供了擴展的接口。利用這種樹形拓撲,USB總線支持最多127個USB外設(shè)同時連接到主計算機系統(tǒng)。任何USB系統(tǒng)中,只有一個主機。USB和主機系統(tǒng)的接口稱為主機控制器(HostController),它是由硬件和軟件綜合實現(xiàn)的。根集線器是綜合于主機系統(tǒng)內(nèi)部的,用以提供USB的連接點。USB的設(shè)備包括集線器(Hub)和功能設(shè)備(Function)。集線器為USB提供了更多的連接點,功能部件是指鍵盤、揚聲器等,為系統(tǒng)提供了具體的功能。USB的協(xié)議實現(xiàn)了系統(tǒng)的協(xié)調(diào)。圖5-11
USB的總線拓撲圖2.USB物理接口USB用一個4針插頭作為標準插頭,采用菊花鏈形式可以把所有的外設(shè)連接起來,最多可以連接127個外部設(shè)備,并且不會損失帶寬。USB需要主機硬件、操作系統(tǒng)和外設(shè)三個方面的支持才能工作。目前的主板一般都采用支持USB功能的控制芯片組,主板上也安裝有USB接口插座,而且除了背板的插座之外,主板上還預(yù)留有USB插針,可以通過連線接到機箱前面作為前置USB接口以方便使用。而且USB接口還可以通過專門的USB連機線實現(xiàn)雙機互連,并可以通過Hub擴展出更多的接口。圖5-12
USB線纜3.USB的電源USB電源包括電源的分配和管理。電源分配用來處理USB設(shè)備如何使用主機通過USB總線提供的電源,USB系統(tǒng)可以通過USB線纜為其外設(shè)提供不高于+5V、500mA的總線電源。那些完全依靠USB線纜來提供電源的設(shè)備被稱為總線供電設(shè)備(Bus-powereddevice),而自帶電源的設(shè)備則被稱為自供電外設(shè)(Self-powereddevice)。4.USB總線特點速度快無須外接電源有不同的帶寬和連接距離支持多設(shè)備連接提供了對電話的兩路數(shù)據(jù)支持具有高保真音頻良好的兼容性5.2.2USB通信原理1.USB規(guī)范2.數(shù)據(jù)傳輸模式3.USB工作原理圖5-13
USB的通信流及信道當一臺USB外設(shè)初次連接到USB系統(tǒng)中后,通過8個步驟來完成它的初始化:(1)USB外設(shè)所連接的HUB(ROOTHUB或擴展HUB)檢測到所連接的USB外設(shè)并自動通知主機,以及它的端口狀態(tài)的變化,這時外設(shè)還處于禁止(Disabled)狀態(tài)。(2)主機通過對HUB的查詢以確認外設(shè)的連接。(3)現(xiàn)在,主機已經(jīng)知道有一臺新的USB外設(shè)連接到了USB系統(tǒng)中,然后,它激活(Enabled)這個HUB的埠,并向HUB發(fā)送一個復(fù)位(Reset)該埠的命令。(4)HUB將復(fù)位信號保持10ms,為連接到該埠的外設(shè)提供100mA的總線電流,這時該外設(shè)處于上電狀態(tài),它的所有寄存器被清空并指向默認的地址。(5)在外設(shè)分配到唯一的USB地址以前,它的默認信道均使用主機的默認地址。然后主機通過讀取外設(shè)協(xié)議層的特征字來了解該外設(shè)的默認信道所使用的實際的最大數(shù)據(jù)有效載荷寬度(即外設(shè)在特征字中所定義的在DATA0數(shù)據(jù)包中數(shù)據(jù)域位的長度)。(6)主機分配一個唯一的USB地址給該外設(shè),并使它處于Addressed狀態(tài)。(7)主機開始使用Endpoint0信道讀取外設(shè)的設(shè)備配置特征字(8)基于設(shè)備配置特征字,主機為該外設(shè)指定一個配置值,這時,外設(shè)即處于配置(Configured)狀態(tài)了,它所有的端點(Endpoint)這時也處于配置值所描述的狀態(tài)。從外設(shè)的角度來看,這時該外設(shè)已處于準備使用的狀態(tài)。5.31394接口5.3.11394接口概述5.3.21394協(xié)議結(jié)構(gòu)5.3.11394接口概述IEEE1394是美國APPLE公司提出的一種高品質(zhì)、高傳輸速率的串行總線技術(shù)。1995年被IEEE認定為串行工業(yè)總線標準,命名為1394-1395,后來又在其基礎(chǔ)上增加了被稱為1394a的附加規(guī)范。近年又計劃提出新的1394b規(guī)范。世界幾大計算機公司包括IBM、Apple、Microsoft等都支持這種總線。雖然目前多數(shù)計算機不含1394的接口,但越來越多的跡象表明,1394將成為一種新的串行總線標準,得到廣泛使用。IEEE1394的特點(1)支持多種總線速度,適應(yīng)不同應(yīng)用要求。(2)即插即用,支持熱插拔。(3)支持兩種傳輸方式,即同步和異步的傳輸方式。(4)支持點到點的通信模式。(5)遵循ANSIIEEE1212控制及狀態(tài)寄存器(CSR)標準(6)支持較遠距離的傳輸。(7)IEEE1394支持公平仲裁原則,為每一種傳輸方式保證足夠的帶寬。(8)IEEE1394六線電纜具有電源線,可傳輸8~40V的直流電壓,某些特定的節(jié)點可通過電源線向總線供電,其它節(jié)點可以從總線獲取能量。5.3.21394協(xié)議結(jié)構(gòu)圖5-16
IEEE1394的分層結(jié)構(gòu)模型5.4SPI接口5.4.1SPI概述5.4.2S3C2410中的SPI接口5.4.3SPI接口編程5.4.1SPI概述SPI系統(tǒng)用于同標準外設(shè)芯片通信。這類芯片很多,例如串/并和并/串移位寄存器、A/D轉(zhuǎn)換器、LCD控制器等。微控制器還可以通過SPI組成一個通信速率比UART高的同步網(wǎng)絡(luò),在一個小型系統(tǒng)中交換數(shù)據(jù),完成較復(fù)雜的工作。SPI總線工作原理SPI可工作在主模式或從模式下。在主模式,每一位數(shù)據(jù)的發(fā)送/接收需要1次時鐘作用;而在從模式下,每一位數(shù)據(jù)都是在接收到時鐘信號之后才發(fā)送/接收。1個典型的SPI系統(tǒng)包括1個主MCU和1個或幾個從外圍器件。SPI接口可設(shè)置成在發(fā)送/接收1個字節(jié)的結(jié)束時產(chǎn)生1次中斷。主時鐘可以通過編程而成為不同的狀態(tài)。SCK是主機的時鐘線,為MISO數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收提供同步時鐘信號。每一位數(shù)據(jù)的傳輸都需要1次時鐘作用,因而發(fā)送或接收1個字節(jié)的數(shù)據(jù)需要8個時鐘的作用。數(shù)據(jù)可以設(shè)置為時鐘的上升沿有效或者下降沿有效。圖5-17
SPI接口一個SPI的數(shù)據(jù)包有16位,它們被發(fā)送到DIN端,每一位串行數(shù)據(jù)在每個CLK的下降沿被移到內(nèi)部16位寄存器中。S3C2410中SPI接口的一種數(shù)據(jù)傳送格式如圖5-18所示:圖5-18
S3C2410中SPI數(shù)據(jù)傳輸時序SPI接口電路通過SPI接口,S3C2410芯片就能和帶有SPI接口的芯片進行通信從而實現(xiàn)各種接口電路MAX504是MAXIUM公司推出的低功耗,電壓輸出,10位串行數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換芯片,支持+5V單供電和±5V雙供電方式,并且該芯片對于包括偏移、增益和線性誤差在內(nèi)的各項誤差均以調(diào)整,所以應(yīng)用非常簡單,不需要再度校正。圖5-20
S3C2410芯片和MAX504的連接5.5I2C總線接口5.5.1I2C總線概述5.5.2I2C總線工作原理5.5.3I2C總線接口電路5.5.4I2C總線接口編程5.5.1I2C總線概述I2C(Inter-IntegratedCircuit)總線是一種由PHILIPS公司開發(fā)的兩線式串行總線,用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。I2C總線產(chǎn)生于在80年代,最初為音頻和視頻設(shè)備開發(fā),如今主要在服務(wù)器管理中使用,其中包括單個組件狀態(tài)的通信。例如管理員可對各個組件進行查詢,以管理系統(tǒng)的配置或掌握組件的功能狀態(tài),如電源和系統(tǒng)風扇??呻S時監(jiān)控內(nèi)存、硬盤、網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)溫度等多個參數(shù),增加了系統(tǒng)的安全性,方便了管理。5.5.2I2C總線工作原理I2C總線是由數(shù)據(jù)線SDA和時鐘SCL構(gòu)成的串行總線,可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在CPU與被控IC之間、IC與IC之間進行雙向傳送,最高傳送速率100kbps。各種被控制電路均并聯(lián)在這條總線上,就像電話機一樣只有撥通各自的號碼才能工作,所以每個電路和模塊都有唯一的地址,在信息的傳輸過程中,I2C總線上并接的每一模塊電路既是主控器(或被控器),又是發(fā)送器(或接收器),這取決于它所要完成的功能。CPU發(fā)出的控制信號分為地址碼和控制量兩部分,地址碼用來選址,即接通需要控制的電路,確定控制的種類;控制量決定該調(diào)整的類別(如對比度、亮度等)及需要調(diào)整的量。這樣,各控制電路雖然掛在同一條總線上,卻彼此獨立,互不相關(guān)。圖5-21
I2C總線結(jié)構(gòu)當SCL信號線保持高電平時,若SDA信號線上有高電平到低電平的變化,那么I2C總線數(shù)據(jù)傳輸就開始了,隨后SCL信號線上出現(xiàn)的是時鐘信號,SDA信號線上出現(xiàn)的是數(shù)據(jù),最高位最先傳輸。8位數(shù)據(jù)傳輸完后,在SCL信號線上要出現(xiàn)第9個時鐘脈沖,以便SDA信號線確定ACK信號。在下一個字節(jié)開始前,SCL信號線上保持低電平,迫使總線進入等待狀態(tài)。這種情況可以用于當接收器接收到一個字節(jié)后要進行一些其它方面的工作而無法立即接收下一個數(shù)據(jù)時,迫使總線進入等待狀態(tài),直到接收器準備好接收新的數(shù)據(jù)時,接收器再釋放時鐘線使數(shù)據(jù)傳送得以繼續(xù)正常進行。圖5-22
S3C2410中I2C總線傳輸時序5.5.3I2C總線接口電路圖5-23
I2C總線主控器結(jié)構(gòu)圖5-24
I2C總線控制的鍵盤電路5.5.4I2C總線接口編程I2C總線的編程除了要對I2C總線的專用寄存器進行初始化外,還需要按照I2C總線的時序要求編寫傳送和接收程序。5.6PCMCIA和PCI接口5.6.1PCMCIA接口5.6.2PCI總線5.6.1PCMCIA接口PCMCIA(PersonalComputerMemoryCardInternationalAssociation)是一個國際標準組織,成立于1989年,現(xiàn)在已經(jīng)擁有超過2000個企業(yè)會員.該組織成立之初,是為了建立一個物理尺寸較小、低功耗的、靈活的存儲卡標準,以滿足筆記本電腦對移動存儲方面越來越迫切的要求。1990年9月,PCMCIA推出了PC
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