第六章32位嵌入式系统常用总线..ppt

嵌入式微处理器系统及应用 第六章32位嵌入式系统常用总线 概述 并行总线 数据线与数据位数相同总线串行总线 不管数据位数是多少 一般只需要一根数据线 概述 并行总线信息的各位数据被同时传送的通信方式所有数据位同时传送 传送速度快 效率高有多少数据位就要多少根数据线 硬件成本高数据线越多 相互干扰越大 只适合近距离传输 几十厘米到几米范围 EBI IDE SCSI PCI等 概述 串行总线信息的各位数据按照一定的顺序逐位进行传输的通信方式每次只能传输一位数据 传输速率依赖于传输的波特率不论传输多少位数据 都只需要一根数据线 成本低传输距离最远可达上千公里 如光纤通信USBIEEE1394I2CSPIRS232CANLIN等 并行总线 主要内容EBI总线LCD总线 EBI总线 介绍EBI总线主要用于处理器与外部存储器芯片之间进行数据交换根据处理器的不同 数据线宽度有8位 16位 32位 64位等工作速率从0 133MHz传输带宽 位宽X速率 最高可达8Gbps CPU 内存 外设 外设 外设 CPU CPU CPU 内存 CPU 内存 CPU 外设 内存 CPU 外设 内存 CPU 外设 外设 内存 CPU 外设 外设 内存 CPU CPU CPU CPU 内存 CPU 内存 CPU 外设 内存 CPU 外设 内存 CPU 外设 外设 内存 CPU 外设 外设 内存 CPU EBI总线 接口信号EBI总线根据用途可以分为数据总线 地址总线和控制总线 数据总线用D0 D1 D2 来表示 地址总线用A0 A1 A2 来表示 控制总线则根据各个控制线作用的不同 分别用CS 芯片片选信号 CKE 时钟使能 WR 写控制信号 OE 输出使能 等表示多个外设可以共享地址总线和数据总线 通过不同的CS信号线来选择不同的外设 EBI总线 总线时序读操作 EBI总线 总线时序读操作发起数据传输的主机首先在总线上发出地址信息 然后使能nGS 选中某个外设 该外设在EXTCLK 外部时钟信号 的同步下读取地址信息 之后主机再将读使能信号nOE拉低 产生读操作信号 此后外设就将对应地址中的数据放在DATA信号线上 主机也在EXTCLK的同步下读取DATA值 从而完成一次读操作 EBI总线 总线时序写操作 EBI总线 总线时序写操作写操作时主机首先将需要写入数据的地址值从ADDR信号线送出 然后主机使能nGS 选中某个外设 外设在EXTCLK的同步下读取该地址信息 主机再将需要写入的数据放于DATA线上 并使能nWE信号 外设在EXTCLK的同步下从DATA线上读取数据值 并写入到ADDR指定的地址中 并行总线 主要内容EBI总线LCD总线 LCD总线 介绍分为专用接口和总线接口两种专用接口是由处理器对LCD的所有数据点直接进行处理和控制 需要处理器产生LCD所需的时钟和点阵数据 这种接口的优点是所有显示均由处理器控制 使用灵活 缺点对处理器的速度要求比较高总线接口可以将LCD挂接到系统总线 EBI 上 通过外设访问时序 发送控制命令给LCD即可完成显示 其优点是对处理器的性能要求不高 使用方法简单 但是由于LCD集成了显示控制器 所以成本较高 LCD总线 总线信号专用接口信号专用接口信号一般由数据锁存时钟 数据移位时钟VCLK 帧同步信号VFRAME LCD驱动信号VM 用于控制某一行是否需要点亮 以及数据信号VD0 VD7 根据模块的不同 数据线数量会有差别 组成 LCD总线 总线信号专用接口信号一般定义 LCD总线 接口时序专用接口 LCD总线 接口时序专用接口LCD工作时 先将VFRAME置为高电平 指示LCD一帧数据的开始 然后将VLINE置高电平 开始传送一行新数据 然后再由VCLK将每一位数据同步送到LCD模块进行显示 LCD总线 总线信号总线接口信号总线接口信号一般由数据命令切换信号RS 读写信号R W LCD使能信号E 根据屏的大小可能会有多根使能信号 和数据信号DB0 DB7组成 LCD总线 总线信号总线接口信号一般定义 LCD总线 接口时序总线接口 LCD总线 接口时序总线接口LCD工作时 由R W信号控制读写状态 R W为高则进行读操作 R W为低则进行写操作 A0决定当前传送的字节是命令还是数据 写数据操作时首先设置R W为低电平 再设置A0为高电平 将数据从DB0 DB7送出 然后将使能信号E拉低 数据就写入LCD控制器中 读数据操作时将R W设置为高电平 A0为高电平 然后将使能信号E拉低 从DB0 DB7上读取LCD送出的数据 串行总线 主要内容SPI总线I2C总线UART接口USB总线I2S音频总线SDIO总线MII RMII SMII 总线CAN总线LIN总线 SPI总线 介绍SPI SerialPeripheralInterface 总线是一种同步串行外设接口 是Motorola公司开发的一种同步串行接口 通过SPI总线连接的设备可以同时发送和接收串行数据 它可以使MCU与各种外围设备以串行 同步的方式进行通信以交换信息 最高工作速率可以到20Mbps左右 SPI总线 接口信号该接口一般使用4根信号线 串行时钟线 SCK 主机输入 从机输出数据线MISO 主机输出 从机输入数据线MOST 低电平有效的从机选择线SSx x可为0 1 2 SPI总线 工作时序写时序 SPI总线 工作时序写时序当主机需要对从机进行写入操作时 主机首先将SS信号拉低 选中某个从机 与从机建立通信通道 然后主机通过MOSI发送写命令字节和寄存器地址字节 然后再发送数据字节 数据字节可以是一个或者多个 SPI总线 工作时序读时序 SPI总线 工作时序读时序当主机需要对从机进行读出操作时 主机首先将SS信号拉低 选中某个从机 与从机建立通信通道 然后主机通过MOSI发送读命令字节和寄存器地址字节 在SCK的驱动下 从机将数据从MISO上送出 直到停止SCK信号为止 串行总线 主要内容SPI总线I2C总线UART接口USB总线I2S音频总线SDIO总线MII RMII SMII 总线CAN总线LIN总线 I2C总线 介绍I2C Inter IntegratedCircuit 总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线 用于连接微控制器及其外围设备 I2C总线产生于80年代 最初是为音频和视频设备开发的 I2C总线最主要的优点是其简单性和有效性 由于接口简单 I2C总线占用的空间非常小 减少了电路板的空间需求和芯片引脚的数量 降低了互联成本 I2C总线的另一个优点是 它支持多主机 multimastering 模式 任何能够进行数据发送和接收的设备都可以成为主机 一个主机能够控制总线上信号的传输和时钟频率 当然 在任何一个时间只能有一个设备工作于主机模式 I2C具有完善的总线协议 可以构成多主机系统 在协议软件的支持下可自动地处理总线任何可能的运行状态 I2C总线的工作速率在其最新的2 1版本规范中最高可以达到3 4Mbps I2C总线 总线信号I2C总线由时钟信号SCL和双向数据信号SDA组成 I2C总线 总线工作原理开始信号SCL为高电平时 SDA由高电平向低电平跳变 开始传送数据 I2C总线 总线工作原理结束信号SCL为低电平时 SDA由低电平向高电平跳变 结束传送数据 I2C总线 总线工作原理总线协议总线上每次传送开始时有起始信号 结束时有停止信号启动总线后第一个字节 命令字节 的高7位是从器件的寻址地址 其中最高4位为器件类型识别码 接着的3位为器件地址 第 位为方向位 表示写操作 表示读操作 I2C总线 总线工作原理总线协议地址字节后面的字节为传输的数据 数据字节可以是1 n个 I2C总线 总线工作原理总线协议每个字节传输完成后 接收方必须发出一个应答位 AcknowledgeBit 主机方用于确认接收方是否正确接收总线的数据传输采用最高位 MSB 在前的方式 I2C总线 总线工作原理数据传输流程主机方需要通信时 首先产生一个起始信号 通知总线上的其他设备即将开始一个通信操作主机然后在SCL的同步下发送一个命令字节 在接收到从机的应答信号后 再发送一个字节的寄存器地址如果是写操作 后续则发送一个或多个字节的待写入数据到从机 直到主机产生一个停止信号 结束本次通信如果是读操作 则在发送地址字节之后 主机将SDA置为输入状态 在SCL的驱动下 从机将数据送出到SDA上 直至主机产生停止信号 串行总线 主要内容SPI总线I2C总线UART接口USB总线I2S音频总线SDIO总线MII RMII SMII 总线CAN总线LIN总线 UART接口 介绍UART UniversalAsynchronousReceiver Transmitter 即通用异步收发器 是嵌入式系统上很常用的一种串行接口 用于异步通信 可以实现全双工数据传输和接收 UART主要用于各种低速数据传输的场合 如控制台 modem等 UART工作于对等模式下 只要通信速率设置正确 UART接口两端的设备都可以自由发送数据 传输速率一般从1200bps到115200bps 根据应用环境的不同 UART接口可以转换为RS232 RS422或者RS485的工业标准与其他设备进行互联 来完成几十米至几公里距离上的数据传输 UART接口 信号组成UART接口一般由9个信号组成 包括RD 数据输入 TD 数据输出 CTS 允许发送 RTS 请求发送 DTR 数据终端就绪 CD 载波检测 DSR 数据设备就绪 RI 振铃指示 和GND 地线 也可以在某些应用场合采用更简单的3线制 只有RD TD和GND信号 进行数据传输 UART的连接器一般采用9针D型连接器 逻辑图和实物如下图 UART接口 信号组成DSR 数据设备就绪 Datasetready 当该信号处于有效 ON 状态 表明MODEM处于可以使用的状态DTR 数据终端就绪 DataTerminalready 当该信号处于有效 ON 状态 表明数据终端可以使用RTS 请求发送 Requesttosend 用来表示DTE 数据终端设备 请求DCE 数据通信设备 发送数据 当终端需要发送数据时 使该信号有效 ON状态 向MODEM请求发送 它用来控制MODEM是否要进入发送状态 UART接口 信号组成CTS 允许发送 Cleartosend 用来表示DCE准备好接收DTE发来的数据 是对请求发送信号RTS的响应信号 当MODEM已准备好接收终端传来的数据 并向前发送时 使该信号有效 通知终端开始向发送数据线TxD发送数据 RTS CTS这对请求应答联络信号用于半双工MODEM系统中发送方式和接收方式之间的切换 在全双工系统中 因配置为双向通道 故不需要RTS CTS联络信号 可以使其一直保持为高电平 UART接口 信号组成RLSD 接收线信号检出 ReceivedLinedetection 用来表示DCE已接通通信链路 告知DTE准备接收数据 当本地的MODEM收到由通信链路另一端 远地 的MODEM送来的载波信号时 使RLSD信号有效 通知终端准备接收 并且由MODEM将接收下来的载波信号解调成数字数据后 通过接收数据线RxD送到终端 此线也叫做数据载波检测 DataCarrierdectection DCD 线 UART接口 信号组成RI 振铃指示 Ringing 当MODEM收到交换台送来的振铃呼叫信号时 使该信号有效 ON状态 通知终端已被呼叫TxD 发送数据 Transmitteddata 通过TxD线 终端将串行数据发送到MODEM DTE DCE RxD 接收数据 Receiveddata 通过RxD线 终端接收从MODEM发来的串行数据 DCE DTE UART接口 工作原理UART工作采用异步模式 数据位可以设置为8位 9位和10位三种 停止位分为1位 1 5位和2位三种 因为没有时钟信号 所以需要双方约定好通信的格式和速率才能进行通信 接收方定时检查信号线上的电平变化来确定当前传输的数据位 从而接收完整的数据帧 在没有数据传输时TxD和RxD端都是高电平 当需要发送数据时 传输方就将TxD先置为低电平 起始位 通知对方开始接收数据 然后按照预先设置好的波特率按从低位到高位的顺序发送数据位 最后将TxD置为高电平 产生结束位 从而结束一次通信过程 串行总线 主要内容SPI总线I2C总线UART接口USB总线I2S音频总线SDIO总线MII RMII SMII 总线CAN总线LIN总线 USB总线 介绍USB是英文UniversalSerialBus的缩写 中文含义是 通用串行总线 是重要的串行接口之一 USB是在1994年由Intel NEC 微软和IBM等公司共同提出的 USB的目的在于将众多的接口 串口 并口 PS2口等 改为通用的标准 它仅仅使用一个4针插头作为标准插头 并通过这个标准接头连接各种外设 如鼠标 键盘 游戏手柄 打印机 数码相机等 采用主从模式 可以支持最多127个从机同时工作 USB接口的特点是支持热插拔 支持单接口上接多个设备等 当从机接入USB总线时 主机端会检测到从机接入的信号 然后主机会对从机进行相关的功能 特性配置 配置完成后从机就可以根据主机的请求进行数据传输了 目前 USB主要有两个版本 USB1 1和USB2 0 两者最主要的差别在于传输速度 USB1 1理论最大传输速度为12Mbps 而USB2 0的理论最大传输速度达到了480Mbps 比USB1 1快40倍 USB总线 总线信号USB总线由差分数据线D D 和电源VCC 地GND四根信号线组成 D D 用于传送数据 VCC和GND用于向从机提供电源 USB总线接口的连接器分为A型和B型 A型用于Up Stream端口 也就是连接到主机的端口 B型则用于Down Stream端口 也就是连接到设备的端口 另外还有一种小型连接器 MiniUSB 一般也用于设备端 以缩小连接器体积 A型 B型 MiniUSB USB总线 物理拓扑结构USB总线上连接了USB主机和USB设备 在物理连接上是有层次性的星型结构 每个网络集线器 Hub 是在星型的中心 在主机中就有一个被嵌入的Hub叫根Hub rootHub 主机通过它提供若干个连接点 每条线段是点点连接 从主机到集线器或其功能部件 或从集线器到集线器或其功能部件 图6 19USB总线拓扑结构 USB总线 逻辑拓扑结构在物理结构上 主机是通过集线器与各个逻辑设备通信的 但是在逻辑结构上 主机还是直接与各个逻辑设备通信 就好像它们是直接被连到主机上一样 USB总线 数据流 USB总线 通信流 USB总线 数据传输在USB的数据传送的方式下 有四种的传输方式 控制传输 同步传输 中断传输和批量传输 USB总线 数据传输控制传输 ControlTransfer 控制传送是双向传送 数据量通常较小 USB系统软件用来主要进行查询 配置和给USB设备发送通用的命令 控制传送方式可以包括8 16 32和64字节的数据 这依赖于设备和传输速度 控制传输典型地用在主计算机和USB外设之间的端点 Endpoint 0之间的传输 但是指定供应商的控制传输可能用到其它的端点 USB总线 数据传输同步传输 IsochronousTransfer 同步传输提供了确定的带宽和间隔时间 latency 它被用于时间严格并具有较强容错性的流数据传输 或者用于要求恒定的数据传送率的即时应用中 例如执行即时通话的网络电话应用时 使用同步传输模式是很好的选择 同步数据要求确定的带宽值和确定的最大传送次数 对于同步传送来说 即时的数据传递比完美的精度和数据的完整性更重要一些 USB总线 数据传输中断传输 InterruptTransfer 中断方式传输主要用于定时查询设备是否有中断数据要传送 设备的端点模式器的结构决定了它的查询频率 从1到255ms之间 这种传输方式典型的应用在少量的分散的 不可预测数据的传输 键盘 操纵杆和鼠标就属于这一类型 中断方式传送是单向的并且对于host来说只有输入的方式 USB总线 数据传输批量传输 BulkTransfer 主要应用在数据大量传送和接收 同时又没有带宽和间隔时间要求的情况下 要求保证传输 打印机和扫描仪属于这种类型 这种类型的设备适合于传输非常慢和大量被延迟的传输 可以等到所有其它类型的数据的传送完成之后再传送和接收数据 串行总线 主要内容SPI总线I2C总线UART接口USB总线I2S音频总线SDIO总线MII RMII SMII 总线CAN总线LIN总线 I2S音频总线 介绍I2S InterICsound 接口主要是为数字音频设备开发的 是飞利浦公司为数字音频设备之间的音频数据传输而制定的一种总线标准 广泛应用于各种多媒体系统中 它采用了沿独立的导线传输时钟与数据信号的设计 通过将数据和时钟信号分离 避免了因时差诱发的失真 为用户节省了购买抵抗音频抖动的专业设备的费用 I2S音频总线 总线信号串行时钟SCK 也叫位时钟 BCLK 即对应于数字音频的每一位数据 SCK都有1个脉冲 SCK的频率通过以下公式计算得到 SCK频率 2 采样频率 采样位数帧时钟LRCK 用于切换左右声道的数据 LRCK为 1 表示正在传输的是左声道的数据 为 0 则表示正在传输的是右声道的数据 LRCK的频率等于采样频率 串行数据SDATA 就是用二进制补码表示的音频数据 有时为了使系统间能够更好地同步 还需要另外的一个信号MCLK 称为主时钟 也叫系统时钟 SystemClock 它是采样频率的256倍或384倍 字段 声道 选择 WS 它表明了正在被传输的声道 WS为 0 表示正在传输的是左声道的数据 WS为 1 表示正在传输的是右声道的数据 WS可以在串行时钟的上升沿或者下降沿发生改变 并且WS信号不一定是要对称的 在从属装置端 WS在时钟信号的上升沿发生改变 WS总是在最高位传输前的一个时钟周期内发生改变 这样可以使从属装置得到与被传输的串行数据同步的时间 并且使接收端存储当前的命令并为下次的命令清除空间 I2S音频总线 工作时序SCK的每一个脉冲对应SD的一位 接收方就通过SCK来同步采样SD的数据 WS用于切换左右声道 SD上传输的数据格式是高位在前 低位在后 无论被传输的信号有多少位有效数据 数据的最高位总是被最先传输 在WS发生变化也就是一帧开始后的第2个SCK脉冲处 因此最高位拥有固定的位置 而最低位的位置则依赖于数据的有效位数 这也就使得接收端与发送端的有效位数可以不同 如果接收端能处理的有效位数少于发送端 它可以放弃数据帧中多余的低位数据 如果接收端能处理的有效位数多于发送端 则它可以自行补足剩余的位 通常用零来补足 这种同步机制使得数字音频设备的互连更加方便 而且不会造成数据错位 为了保证数字音频信号的正确传输 发送端和接收端应该采用相同的数据格式和长度 串行总线 主要内容SPI总线I2C总线UART接口USB总线I2S音频总线SDIO总线MII RMII SMII 总线CAN总线LIN总线 SDIO总线 介绍SDIO总线主要用于连接SD卡 它主要的特点是其数据线可以采用1线到4线 上电后 SD卡默认使用0号数据线DAT0 初始化之后 主机可以改变线宽 比如2根线 3根线 因此 不同配置的SD卡都可以和主机连接 称之为混和的SD卡连接方式 在混和连接中Vcc Vss和CLK的信号连接可以通用 但是命令 回复和数据 DAT0 3 这几根信号线 各个SD卡必须独立与主机连接 SDIO总线 总线信号CLK 时钟信号 每个时钟周期传输一个命令或数据位 时钟的频率可在0 25MHz之间变化 SD卡的总线管理器可以不受任何限制地自由产生0 25MHz的频率 CMD 命令信号 主机发出的命令在CMD线上串行传输 一个命令是一次主机到从卡操作的开始 命令可以对单机寻址 寻址命令 或呼叫所有卡 广播命令 回复信号也在CMD线上串行传输 一个命令是对之前命令的回答 回复可以来自单机或所有卡 DATA0 3 数据线 SDIO总线 工作时序SDIO的工作时序相对比较简单 主机方通过CMD指示当前数据线上发送的值是命令还是数据 然后根据命令送出写入SD卡的数据 或者接收从SD卡中读取的数据 SD总线上的命令和数据比特流从一个起始位开始 以停止位中止 串行总线 主要内容SPI总线I2C总线UART接口USB总线I2S音频总线SDIO总线MII RMII SMII 总线CAN总线LIN总线 介绍MII MediaIndependentInterface 主要用于以太网设备的互联 通常是MAC与PHY之间的通信通道 RMII ReducedMII SMII SerialMII都是在MII的基础上发展而来 MII总线可以支持10M 100Mbps的数据传输率 MII总线 MII总线 总线信号 MAC控制器 PHY MII总线 总线信号TXD 3 0 数据发送信号 方向是从MAC控制器到PHY 每次传输半个字节RXD 3 0 数据接收信号 方向是从PHY到MAC控制器 每次传输半个字节TXC发送时钟 由PHY器件提供 用于数据同步RXC接收时钟 由PHY器件提供 用于数据同步TXER发送错误指示 当PHY器件发现MAC控制器发送的数据校验码有误 则会置位TXER通知MAC控制器RXER接收错误指示 当MAC控制器发现PHY器件发送的数据校验码有误 则会置位RXER通知MAC控制器 MII总线 总线信号CRS载波检测 当网线上检测到通信载波时置位TXEN发送使能 指示TXD数据线上的数据有效RXDV接收数据有效 指示RXD数据线上的数据有效MDC时钟信号 用于管理接口数据同步MDIO数据信号 管理接口数据收发 MII总线 工作时序接收时序接收数据时MII外设会将RXDV置为高电平 并根据RXCLK的时序依次将数据分成两个4位从RXD 0 3 送出 接收方在接收完一帧数据后 如果数据帧有误 MII外设将RXER置为高电平 表明接收的数据有误 这时接收方将刚接收的数据帧 如果接收正确的话则保留接收到的数据帧 MII总线 工作时序发送时序发送数据时MAC控制器先将TXEN置为高电平 在TXCLK的同步下开始传送数据 在数据帧传输完成后 如果数据帧经校验有误 则拉高TXER表明刚发送的数据无效 接收方则会丢弃刚收到的数据帧 如果没有TXER信号 则表明