第5章 外部总线接口

第5章外部总线接口

5.1串行与并行接口5.2USB接口5.31394接口5.4SPI接口5.5I2C总线接口5.6PCMCIA和PCI接口5.1串行与并行接口5.1.1概述5.1.2RS-232串行接口5.1.3UART控制器5.1.4串行接口编程UART5.1.5并行接口5.1.1概述串行通信是数据的一种传送方式，在这种方式下数据是一位紧接一位在通信介质中进行传输的。在传输过程中，每一位数据都占据一个固定的时间长度。串行接口的作用就是将外部设备与CPU之间联系起来，使它们能够通过串行传送方式互相传送和接收信息。1.单工、半双工和全双工方式2.同步方式和异步方式3.发送时钟和接收时钟4.波特率与校验方式5.信号的调制与解调1.单工、半双工和全双工方式单工方式：系统只能单向传送数据，也就是说，系统一端作为发送端，另一端作为接收端。半双工方式：在半双工方式中，输入过程和输出过程使用同一通路，端口可以收发数据，但不能同时进行。全双工方式：在全双工方式中，对数据的两个传输方向采用不同的通路，可以同时进行发送和接收数据。。图5-1串口的传送方式2.同步方式和异步方式采用同步通信时，将许多字符组成一个信息组，这样，字符可以一个接一个地传输。但是，在每组信息（通常称为一个信息帧）的开始要加上同步字符，在没有信息要传输时，要填上空字符，因为同步传输不允许有间隙。异步通信方式如图5-2所示，其中各位的意义如下：起始位：先发出一个逻辑”0”信号，表示传输字符的开始。数据位：紧接着起始位之后。数据位的个数可以是4、5、6、7、8等，构成一个字符。通常采用ASCII码。从最低位开始传送，靠时钟定位。奇偶校验位：数据位加上这一位后，使得“1”的位数应为偶数(偶校验)或奇数(奇校验)，以此来校验数据传送的正确性。停止位：它是一个字符数据的结束标志。可以是1位、1.5位、2位的高电平。空闲位：处于逻辑“1”状态，表示当前线路上没有数据传送。图5-2异步通信方式3.发送时钟和接收时钟异步通信和同步通信对时钟的要求是不一样的。在异步通信中，一帧信息的长度只有10～11位，在起始位起动后，接收时钟只要在接收期间能够和发送时钟保持同步，就可以正确接收数据。因此，在异步通信中，发送端和接收端可有自己的独立时钟。在同步通信中，由于一帧数据位数较多且通信速度较快，要求发送时钟和接收时钟精确同步。这样，发送端和接收端就不能采用独立的局部时钟，而采用统一的时钟。通常采用的方法是，在发送端利用编码器把发送的数据和发送的时钟组合在一起，通过传输线发送到接收端，在接收端再用解码器从数据流中分离出时钟。4.波特率与校验方式为了衡量串行通信的速度，应该有一个测量单位，在串行通信中通常用波特率来表示，波特率是衡量数据传送速率的指标。表示每秒钟传送的二进制位数。串行通信一般要检测传输过程中是否有错误出现，目前，串行通信一般采用两种校验方式。奇偶校验和CRC循环冗余校验。5.信号的调制与解调为了利用电话线传输数字信号，必须采取一些措施，把数字信号转换为适于传输的模拟信号，而在接收端再将其转换成为数字信号。前一种转换称为调制，后一种转换称为解调。图5-3信号的调制与解调常用的调制方式有三种，幅移键控ASK（AmplitudeShiftKeying）也称为调幅；频移键控FSK（FrequencyShiftKeying）也称为调频；相移键控PSK（PhaseShiftKeying）也称为调相,如图5-4所示。图5-4调制方式5.1.2RS-232串行接口图5-5

RS232接口在通信中RS-232C是作为数据终端设备DTE与数据通信设备DCE的接口标准而引入的。目前，不仅在远距离通信中经常用到它，就是在两台计算机或者设备之间的近距离串行连接也普遍用RS-232C接口1.RS-232C的信号定义2.RS-232C的电气特征1.RS-232C的信号定义引脚定义引脚定义1保护地（PGND）14辅信道发送数据2发送数据（TxD）15发送信号元定时3接收数据（RxD）16辅信道接收数据4请求发送（RTS）17接收信号元定时5允许发送（CTS）18未定义6数据准备就绪(DSR)19辅信道请求发送7信号地（SGND）20数据终端准备就绪(DTR)8载波检测（CD）21信号检测（SD）9未定义22振铃指示（RI）10未定义23数据信号速率选择11未定义24外部发送时钟12辅信道载波检测25未定义13辅信道载波发送

表5-1

RS232引脚定义2.RS-232C的电气特征RS-232C总线采用负逻辑。对于数据信号线，逻辑1为-3V到-15V；逻辑0为+3V到+15V。对于控制和定时信号，接通（ON）为+3V到+15V；断开（OFF）为-3V到-15V。如果要实现RS-232C电路和TTL电路的连接，必须要经过信号电平转换，通常使用传输线驱动器1488和1489实现其转换。图5-6电平转换电路5.1.3UART控制器图5-7

UART控制器3.接口电路图5-8

RS232接口电路5.1.5并行接口所谓并行接口，就是指采用并行传输方式来传输数据的接口标准。从最简单的一个并行数据寄存器或专用接口集成电路芯片如8255、6820等，一直至比较复杂的SCSI或IDE并行接口，其种类不下数十种，但总的来说，一个并行接口的接口特性可以从两个方面加以描述：(1)以并行方式传输的数据通道的宽度，也称接口传输的位数。(2)用于协调并行数据传输的额外接口控制线或称交互信号的特性。图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接口软件设计5.2.1USB接口概述1.USB体系结构2.USB物理接口3.USB的电源4.USB总线特点1.USB体系结构USB的物理连接是一个层次性的星型布局，在USB的树形拓扑中，每个集线器是在星型的中心，每条线段是点对点连接的，USB的HUB为USB的功能部件连接到主机提供了扩展的接口。利用这种树形拓扑，USB总线支持最多127个USB外设同时连接到主计算机系统。任何USB系统中，只有一个主机。USB和主机系统的接口称为主机控制器（HostController）,它是由硬件和软件综合实现的。根集线器是综合于主机系统内部的，用以提供USB的连接点。USB的设备包括集线器（Hub）和功能设备（Function）。集线器为USB提供了更多的连接点，功能部件是指键盘、扬声器等，为系统提供了具体的功能。USB的协议实现了系统的协调。图5-11

USB的总线拓扑图2.USB物理接口USB用一个4针插头作为标准插头，采用菊花链形式可以把所有的外设连接起来，最多可以连接127个外部设备，并且不会损失带宽。USB需要主机硬件、操作系统和外设三个方面的支持才能工作。目前的主板一般都采用支持USB功能的控制芯片组，主板上也安装有USB接口插座，而且除了背板的插座之外，主板上还预留有USB插针，可以通过连线接到机箱前面作为前置USB接口以方便使用。而且USB接口还可以通过专门的USB连机线实现双机互连，并可以通过Hub扩展出更多的接口。图5-12

USB线缆3.USB的电源USB电源包括电源的分配和管理。电源分配用来处理USB设备如何使用主机通过USB总线提供的电源，USB系统可以通过USB线缆为其外设提供不高于+5V、500mA的总线电源。那些完全依靠USB线缆来提供电源的设备被称为总线供电设备(Bus-powereddevice),而自带电源的设备则被称为自供电外设(Self-powereddevice)。4.USB总线特点速度快无须外接电源有不同的带宽和连接距离支持多设备连接提供了对电话的两路数据支持具有高保真音频良好的兼容性5.2.2USB通信原理1.USB规范2.数据传输模式3.USB工作原理图5-13

USB的通信流及信道当一台USB外设初次连接到USB系统中后，通过8个步骤来完成它的初始化：(1)USB外设所连接的HUB(ROOTHUB或扩展HUB)检测到所连接的USB外设并自动通知主机，以及它的端口状态的变化，这时外设还处于禁止(Disabled)状态。(2)主机通过对HUB的查询以确认外设的连接。(3)现在，主机已经知道有一台新的USB外设连接到了USB系统中，然后，它激活(Enabled)这个HUB的埠，并向HUB发送一个复位(Reset)该埠的命令。(4)HUB将复位信号保持10ms，为连接到该埠的外设提供100mA的总线电流，这时该外设处于上电状态，它的所有寄存器被清空并指向默认的地址。(5)在外设分配到唯一的USB地址以前，它的默认信道均使用主机的默认地址。然后主机通过读取外设协议层的特征字来了解该外设的默认信道所使用的实际的最大数据有效载荷宽度（即外设在特征字中所定义的在DATA0数据包中数据域位的长度）。(6)主机分配一个唯一的USB地址给该外设，并使它处于Addressed状态。(7)主机开始使用Endpoint0信道读取外设的设备配置特征字(8)基于设备配置特征字，主机为该外设指定一个配置值，这时，外设即处于配置(Configured)状态了，它所有的端点(Endpoint)这时也处于配置值所描述的状态。从外设的角度来看，这时该外设已处于准备使用的状态。5.31394接口5.3.11394接口概述5.3.21394协议结构5.3.11394接口概述IEEE1394是美国APPLE公司提出的一种高品质、高传输速率的串行总线技术。1995年被IEEE认定为串行工业总线标准，命名为1394-1395，后来又在其基础上增加了被称为1394a的附加规范。近年又计划提出新的1394b规范。世界几大计算机公司包括IBM、Apple、Microsoft等都支持这种总线。虽然目前多数计算机不含1394的接口，但越来越多的迹象表明，1394将成为一种新的串行总线标准，得到广泛使用。IEEE1394的特点(1)支持多种总线速度，适应不同应用要求。(2)即插即用，支持热插拔。(3)支持两种传输方式，即同步和异步的传输方式。(4)支持点到点的通信模式。(5)遵循ANSIIEEE1212控制及状态寄存器（CSR）标准(6)支持较远距离的传输。(7)IEEE1394支持公平仲裁原则，为每一种传输方式保证足够的带宽。(8)IEEE1394六线电缆具有电源线，可传输8～40V的直流电压，某些特定的节点可通过电源线向总线供电，其它节点可以从总线获取能量。5.3.21394协议结构图5-16

IEEE1394的分层结构模型5.4SPI接口5.4.1SPI概述5.4.2S3C2410中的SPI接口5.4.3SPI接口编程5.4.1SPI概述SPI系统用于同标准外设芯片通信。这类芯片很多，例如串/并和并/串移位寄存器、A/D转换器、LCD控制器等。微控制器还可以通过SPI组成一个通信速率比UART高的同步网络，在一个小型系统中交换数据，完成较复杂的工作。SPI总线工作原理SPI可工作在主模式或从模式下。在主模式，每一位数据的发送/接收需要1次时钟作用；而在从模式下，每一位数据都是在接收到时钟信号之后才发送/接收。1个典型的SPI系统包括1个主MCU和1个或几个从外围器件。SPI接口可设置成在发送/接收1个字节的结束时产生1次中断。主时钟可以通过编程而成为不同的状态。SCK是主机的时钟线，为MISO数据的发送和接收提供同步时钟信号。每一位数据的传输都需要1次时钟作用，因而发送或接收1个字节的数据需要8个时钟的作用。数据可以设置为时钟的上升沿有效或者下降沿有效。图5-17

SPI接口一个SPI的数据包有16位，它们被发送到DIN端，每一位串行数据在每个CLK的下降沿被移到内部16位寄存器中。S3C2410中SPI接口的一种数据传送格式如图5-18所示:图5-18

S3C2410中SPI数据传输时序SPI接口电路通过SPI接口，S3C2410芯片就能和带有SPI接口的芯片进行通信从而实现各种接口电路MAX504是MAXIUM公司推出的低功耗，电压输出，10位串行数字/模拟转换芯片，支持+5V单供电和±5V双供电方式，并且该芯片对于包括偏移、增益和线性误差在内的各项误差均以调整，所以应用非常简单，不需要再度校正。图5-20

S3C2410芯片和MAX504的连接5.5I2C总线接口5.5.1I2C总线概述5.5.2I2C总线工作原理5.5.3I2C总线接口电路5.5.4I2C总线接口编程5.5.1I2C总线概述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总线产生于在80年代,最初为音频和视频设备开发,如今主要在服务器管理中使用,其中包括单个组件状态的通信。例如管理员可对各个组件进行查询,以管理系统的配置或掌握组件的功能状态,如电源和系统风扇。可随时监控内存、硬盘、网络、系统温度等多个参数,增加了系统的安全性,方便了管理。5.5.2I2C总线工作原理I2C总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线,可发送和接收数据。在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送,最高传送速率100kbps。各种被控制电路均并联在这条总线上,就像电话机一样只有拨通各自的号码才能工作,所以每个电路和模块都有唯一的地址,在信息的传输过程中,I2C总线上并接的每一模块电路既是主控器（或被控器）,又是发送器（或接收器）,这取决于它所要完成的功能。CPU发出的控制信号分为地址码和控制量两部分,地址码用来选址,即接通需要控制的电路,确定控制的种类;控制量决定该调整的类别（如对比度、亮度等）及需要调整的量。这样,各控制电路虽然挂在同一条总线上,却彼此独立,互不相关。图5-21

I2C总线结构当SCL信号线保持高电平时，若SDA信号线上有高电平到低电平的变化，那么I2C总线数据传输就开始了，随后SCL信号线上出现的是时钟信号，SDA信号线上出现的是数据，最高位最先传输。8位数据传输完后，在SCL信号线上要出现第9个时钟脉冲，以便SDA信号线确定ACK信号。在下一个字节开始前，SCL信号线上保持低电平，迫使总线进入等待状态。这种情况可以用于当接收器接收到一个字节后要进行一些其它方面的工作而无法立即接收下一个数据时，迫使总线进入等待状态，直到接收器准备好接收新的数据时，接收器再释放时钟线使数据传送得以继续正常进行。图5-22

S3C2410中I2C总线传输时序5.5.3I2C总线接口电路图5-23

I2C总线主控器结构图5-24

I2C总线控制的键盘电路5.5.4I2C总线接口编程I2C总线的编程除了要对I2C总线的专用寄存器进行初始化外，还需要按照I2C总线的时序要求编写传送和接收程序。5.6PCMCIA和PCI接口5.6.1PCMCIA接口5.6.2PCI总线5.6.1PCMCIA接口PCMCIA(PersonalComputerMemoryCardInternationalAssociation)是一个国际标准组织,成立于1989年，现在已经拥有超过2000个企业会员.该组织成立之初,是为了建立一个物理尺寸较小、低功耗的、灵活的存储卡标准,以满足笔记本电脑对移动存储方面越来越迫切的要求。1990年9月,PCMCIA推出了PC