嵌入式系统总线接口课件

嵌入式系统总线接口

6.1串行接口

6.1.1串行接口基本原理与结构1．串行通信概述常用的数据通信方式有并行通信和串行通信两种。当两台数字设备之间传输距离较远时，数据往往以串行方式传输。串行通信具有传输线少、成本低等优点，特别适合远距离传送。①串行数据通信模式串行数据通信模式有单工通信、半双工通信和全双工通信3种基本的通信模式。●单工通信。●半双工通信●全双工通信②串行通信方式串行通信在信息格式的约定上可以分为同步通信和异步通信两种方式。异步通信对字符的格式、波特率、校验位有确定的要求。●字符的格式每个字符传送时，必须前面加一起始位，后面加上1、1.5或2位停止位。例如ASCII码传送时，一帧数据的组成是：前面1个起始位，接着7位ASCII编码，再接着一位奇偶校验位，最后一位停止位，共10位。●波特率传送数据位的速率称为波特率，用位／秒（bit/s）来表示，称之为波特。异步通信的波特率的数值通常为：150、300、600、1200、2400、4800、9600、14400、28800等，数值成倍数变化。●校验位在一个有8位的字节（byte）中，其中必有奇数个或偶数个的“1”状态位。异步串行通信中的字符传送格式开始前，线路处于空闲状态，连续多个“1”；开始时，先发一个“0”作为起始位；然后是二进制数据和奇偶校验位（可选）；最后是一个及一个以上的“1”作为停止位；RS232-C是美国电子工业协会(EIA)制定的串行通讯标准;RS232是一个全双工的通讯标准，它可以同时进行数据接收和发送的工作;RS232标准包括一个主通道和一个辅助通道，在多数情况下主要使用主通道，即RXD、TXD、GND信号；RS232-C简介DB-25/DB-9引脚定义DB-25/DB-9引脚说明RS-232C接口通信的两种基本连接方式UART与RS232-C互联RS232标准采用负逻辑方式，标准逻辑“1”对应－5V～－15V电平，标准逻辑“0”对应+5V～+15V电平；UART的TTL电平需要进行RS232电平转换后，才能与RS232接口连接并通讯，可以使用SP3232E等芯片进行电平转换；6.1.2S3C2410A的UART1．UART简介

UART（通用异步收发器）主要由数据线接口、控制逻辑、配置寄存器、波特率发生器、发送部分和接收部分组成，采用异步串行通信方式，采用RS-232C9芯接插件（DB-9）连接，是广泛使用的串行数据传输方式，2．S3C2410A的UART结构

S3C2410A的UART提供3个独立的异步串行I/O口---UART0、UART1、UART2。它们都可以运行于中断模式或DMA模式。UART可以产生中断请求或DMA请求，以便在CPU和UART之间传输数据。在使用系统时钟的情况下，UART可以支持最高230.4Kbps的传输速率。如果外部设备通过UEXTCLK为UART提供时钟，那么UART的传输速率可以更高。每个UART通道包含两个用于接收和发送数据的16字节的FIFO缓冲寄存器。最大波特率115.2K。

如图6.1.5所示，S3C2410A的UART由波特率发生器、发送器、接收器以及控制单元组成。波特率发生器的时钟可以由PCLK或UEXTCLK提供。发送器和接收器包含16字节的FIFO缓冲寄存器和数据移位器。发送时，数据被写入FIFO，然后拷贝到发送移位器中，接下来数据通过发送数据引脚（TxDn）被发送。接收时，接收到的数据从接收数据引脚（RxDn）移入，然后从移位器拷贝到FIFO中。

图6.1.5S3C2410A的UART方框图（具有FIFO）3．S3C2410AUART专用寄存器的配置要使用S3C2410A的UART进行串口通信，需要在程序中配置以下与UART相关的专用寄存器。线路控制寄存器ULCONn:决定UART的数据格式控制寄存器UCONn:决定UART的工作模式；FIFO控制寄存器UFCONn:用于收发缓冲寄存器管理；MODEM控制寄存器UMCONn:设置流控方式；状态寄存器UTRSTATn:反映收发缓冲寄存器状态；发送寄存器UTXHn:存放发送数据；接受寄存器URXHn:存放接收数据；波特因子寄存器UBRDIVn:设置波特率……

通过设置UCONn寄存器选择UART时钟是由S3C2410X的系统时钟（PCLK）产生还是由外部UART设备的时钟（UCLK）产生。波特率的大小可以通过设置波特率寄存器（UBRDIVn）控制，使用PCLK时的计算公式如下：

UBRDIVn=(int)(PCLK/(bpsx16))-1

使用UCLK时的计算公式如下：

UBRDIVn=(int)(UCLK/(bpsx16))-1

其中PCLK是系统时钟频率，UCLK是UART设备时钟使用PCLK，在40MHz的情况下，当波特率取115200时

UBRDIVn=(int)(40000000/(115200x16))–1=20波特率计算4.UART工作过程（以UART0为例）串口初始化首先要设置相应I/O为TXD0、RXD0功能引脚；然后通过ULCON0寄存器来设置串口数据格式；然后通过UCON0寄存器来设置串口工作模式；最后通过UBRDIV0来设置通讯波特率；串口收发数据发送：将待发送数据写入UTXH0寄存器，然后通过读取UTRSTAT0寄存器的值判断数据是否发送完成；接收：通过读取UTRSTAT0寄存器的值判断是否接收到数据，如果接收到数据，则可以从URXH0寄存器中读出数据。6.1.3与S3C2410AUART连接的串行接口电路1．S3C2410AUART与RS-232C的接口电路要完成最基本的串行通信功能，实际上只需要RXD、TXD和GND即可。由于RS-232C标准所定义的高、低电平信号与S3C2410A系统的LVTTL电路所定义的高、低电平信号不同，RS-232C标准采用负逻辑方式，标准逻辑“1”对应-5V～-15V电平，标准逻辑“0”对应+5V～+15V电平。而LVTTL的标准逻辑“1”对应2～3.3V电平，标准逻辑“0”对应0～0.4V电平。显然，两者间要进行通信必须经过信号电平的转换。目前常使用的电平转换电路有MAX232、SP3232等。S3C2410A与SP3232的接口电路如6.1.7所示。在图6.1.7中，包含有UART0和UART1与RS-232C的接口电路，通过9芯的D型插头与外设连接。也可设计数据发送与接收的状态指示LED，当有数据通过串行口传输时，LED闪烁，便于用户掌握其工作状态，以及进行软、硬件的调试。图6.1.7S3C2410A的RS-232C接口电路

RS232电平TTL电平UART应用示例——操作流程设置串口的相应属性设置串口波特率设置串口工作模式发送或接收数据检查串口状态字或等待串口中断6.1.4S3C2410AUART编程实例本程序实例实现从UART0接收数据，然后分别从UART0和UART1发送出去。其功能可以把键盘敲击的字符通过PC机的串口发送给ARM系统上的UART0，ARM系统上的UART0接收到字符后，再通过UART0和UART1送给PC机，这样就完成了串口间的收发数据。要实现以上数据的收发功能，需要编写的主要代码如下。3．发送数据其中whichUart为全局变量，指示当前选择的UART通道，使用串口发送一个字节的代码如下：4．接收数据如果没有接收到字符则返回0。使用串口接收一个字符的代码如下：5．主函数实现的功能为从UART0接收字符，然后将接收到的字符再分别从UART0和UART1送出去，其中Uart_Select（n）用于选择使用的传输通道为UARTn。代码如下：

对串口进行初始化时，首先要设置相应I/O为TXD0、RXD0

功能引脚，然后通过ULCON0寄存器来设置串口数据格式，通过UCON0寄存器来设置串口工作模式，最后通过UBRDIV0来设置通讯波特率。使用串口发送数据时，将待发送数据写入UTXH0

寄存器，然后通过读取UTRSTAT0寄存器的值判断数据是否发送完成。当然，实际代码也可以先等待UTXH0寄存器为空(通过读取UTRSTAT0寄存器的值判断)，再将数据写入UTXH0寄存器。进行串口数据接收时，通过读取UTRSTAT0寄存器的值判断是否接收到数据，如果接收到数据，则可以从URXH0寄存器中读出数据。总结6.2IIC接口

6.2.1I2C接口基本原理与结构

I2CBUS（InterIntegratedCircuitBUS，内部集成电路总线）是由Philips公司推出的二线制串行扩展总线，用于连接微控制器及其外围设备。如图6.2.1所示，在I2C总线上，只需要两条线—串行数据SDA线和串行时钟SCL线，它们用于总线上器件之间的信息传递。SDA和SCL都是双向的。每个器件都有一个唯一的地址（读写不一样）以供识别，而且各器件都可以作为一个发送器或接收器（由器件的功能决定）。在标准模式下，总线数据传输的速度为100kbit/s，在高速模式下，可达400kbit/s；

I2C总线有如下操作模式：主发送模式、主接收模式、从发送模式、从接收模式。下面介绍其通用传输过程、信号及数据格式。（1）I2C总线的启动和停止信号当I2C接口处于从模式时，要想数据传输，必须检测SDA线上的启动信号，启动信号由主器件产生。如图6.2.2所示，在SCL信号为高时，SDA产生一个由高变低的电平变化，即产生一个启动信号。当I2C总线上产生了启动信号后，那么这条总线就被发出启动信号的主器件占用了，变成“忙”状态；如图6.2.2所示，在SCL信号为高时，SDA产生一个由低变高的电平变化，产生停止信号。停止信号也由主器件产生，作用是停止与某个从器件之间的数据传输。当I2C总线上产生了一个停止信号后，那么在几个时钟周期之后总线就被释放，变成“闲”状态。主器件产生一个启动信号后，它还会立即送出一个从地址，用来通知将与它进行数据通信的从器件。1个字节的地址包括7位的地址信息和1位的传输方向指示位，如果第7位为“0”，表示马上要进行一个写操作；如果为“1”，表示马上要进行一个读操作。图6.2.1I2C总线接口电路结构图6.2.2I2C总线启动和停止信号的定义（2）数据传输格式

SDA线上传输的每个字节长度都是8位，每次传输中字节的数量是没有限制的。在起始条件后面的第一个字节是地址域，之后每个传输的字节后面都有一个应答（ACK）位。（3）应答信号为了完成1个字节的传输操作，接收器应该在接收完1个字节之后发送ACK位到发送器，告诉发送器，已经收到了这个字节。ACK脉冲信号在SCL线上第9个时钟处发出（前面8个时钟完成1个字节的数据传输，SCL上的时钟都是由主器件产生的）。当发送器要接收ACK脉冲时，应该释放SDA信号线，即将SDA置高。接收器在接收完前面8位数据后，将SDA拉低。发送器探测到SDA为低，就认为接收器成功接收了前面的8位数据。（4）I2C总线的数据传输过程①开始：主设备产生启动信号，表明数据传输开始。②地址：主设备发送地址信息，包含7位的从设备地址和1位的数据方向指示位（读或写位，表示数据流的方向）。③数据：根据指示位，数据在主设备和从设备之间进行传输。数据一般以8位传输，最重要的位放在前面；具体能传输多少量的数据并没有限制。接收器产生1位的ACK（应答信号）表明收到了每个字节。传输过程可以被中止和重新开始。④停止：主设备产生停止信号，结束数据传输。6.2.2S3C2410A的I2C接口

S3C2410A提供一个I2C总线接口，其模块框图如图6.2.3所示，具有一个专门的串行数据线和串行时钟线。它有主设备发送模式、主设备接收模式、从设备发送模式和从设备接收模式4种操作模式。控制S3C2410AI2C总线操作，需要写数据到IICCON（I2C总线控制寄存器）、IICSTAT（I2C总线控制/状态寄存器）、IICDS（I2C总线Tx/Rx数据寄存器）和IICADD（I2C总线地址寄存器）。图6.2.3S3C2410A处理器I2C串行总线框图IIC相关寄存器控制寄存器IICCON—用于设置IIC总线时钟和中断(标志)使能，还有1位中断标志位状态寄存器IICSTAT—除了指示当前IIC总线状态外，还有2位IIC操作模式控制位和总线启动/结束控制位地址寄存器IICADD—用来保存S3C2410A作IIC从机时的器件地址移位数据寄存器IICDS--用来发送数据或接收数据6.2.3S3C2410A的I2C接口应用实例

S3C2410AI2C总线与使用I2C总线的EEPROM芯片KS24C080C连接电路如图6.2.4所示。图6.2.4S3C2410AI2C总线与KS24C080C连接电路

程序设计：

使用IIC接口主模式向CAT1025写入10字节数据，然后读出校验，若校验通过则蜂鸣器响1声，否则不断地蜂鸣报警

对IIC接口进行初始化时，首先要设置相应I/O为IICSDA、IICSCL功能引脚，然后通过IICCON寄存器来设置IIC总线时钟，并使能IIC中断(标志)，通过IICSTAT寄存器来设置IIC接口为主发送模式。

主模式/发送数据主模式/接收数据初始化IIC总线voidInitI2C(void){ //设置管脚连接

rGPECON=(rGPECON&0x0FFFFFFF)|0xA0000000;//设置IIC口使能，GPE14、GPE15分别为SCL和SDArGPEUP=rGPEUP|0xC000;//禁止内部上拉电阻

//设置IIC控制寄存器(使能ACK位时才能接收从机的应答位)rIICCON=IICCON_DACK;

//IICCON_DACK=((1<<7)|(1<<6)|(1<<5)|(0<<0))//设置IIC为主机模式

rIICSTAT=(3<<6)|(1<<4);//从机地址(作主机时没有用)rIICADD=0x10;}启动IIC总线，发送从器件地址intStartI2C(uint8sla){ uint32i; rIICDS=sla; //设置从机地址

if(sla&0x01) { rIICSTAT=(2<<6)|(1<<5)|(1<<4); //主接收模式，发送使能，启动总线

rIICCON=IICCON_DACK; //若是重启总线，则需要有此操作

}else{ rIICSTAT=(3<<6)|(1<<5)|(1<<4);//主发送模式，发送使能，启动总线

}//等待操作完成

while((rIICCON&0x10)==0);//判断操作是否成功(总线仲裁和从机应答) if((rIICSTAT&0x09)==0) { return(TRUE);} else { //发送结束信号

if(sla&0x01)rIICSTAT=(2<<6)|(0<<5)|(1<<4); elserIICSTAT=(3<<6)|(0<<5)|(1<<4); rIICCON=IICCON_DACK; for(i=0;i<5000;i++); //等待结束信号产生完毕

return(FALSE); }//endofif((rIICSTAT&0x09)==0)...else...}

IIC发送1字节数据，并接收应答位intI2C_SendByte(uint8dat){ uint32i; rIICDS=dat; //将数据写入I2C数据寄存器

rIICCON=IICCON_DACK; //清除中断标志，允许发送数据操作

//等待操作完成

while((rIICCON&0x10)==0);//判断操作是否成功(总线仲裁和从机应答) if((rIICSTAT&0x09)==0) { return(TRUE); } else { //发送结束信号

rIICSTAT=(3<<6)|(0<<5)|(1<<4); rIICCON=IICCON_DACK;

for(i=0;i<5000;i++); //等待结束信号产生完毕

return(FALSE); }}IIC接收1字节数据，并发送应答位intI2C_RcvByteA(uint8*dat){ uint32i; //允许接收数据

rIICCON=IICCON_DACK; //等待接收数据操作完成

while((rIICCON&0x10)==0);//判断操作是否成功(总线仲裁) if((rIICSTAT&0x08)!=0) { //发送结束信号

rIICSTAT=(2<<6)|(0<<5)|(1<<4); rIICCON=IICCON_DACK; for(i=0;i<5000;i++); //等待结束信号产生完毕

return(FALSE); } *dat=rIICDS; //读取数据

return(TRUE);}结束IIC总线voidStopI2C(uint8send){ uint32i; if(send)//主发送模式时为1，否则为0 { rIICSTAT=(3<<6)|(0<<5)|(1<<4);//发送结束信号

} else { rIICSTAT=(2<<6)|(0<<5)|(1<<4);//发送结束信号

} rIICCON=IICCON_DACK; for(i=0;i<5000;i++); //等待结束信号产生完毕}6.3USB接口

6.3.1USB接口基本原理与结构

USB（通用串行总线）是由HP、Intel、Philips等公司制定的连接计算机与外围设备的机外总线。USB协议出现过的版本有USB1.0，USB1.1，USB2.0。USB支持三种设备传输速率：低速设备1.5Mb/s、中速设备12Mb/s和高速设备480Mb/s。在ARM系统中，USB接口数据传输主要的任务是：从PC上传/下载内核（.bin）文件或应用程序。

USB接口主要特点是：支持即插即用。传输速度快。连接方便。独立供电。低成本。1、USB规范中将USB分为以下五个部分：控制器—负责执行控制器驱动程序发出的命令，如位于 PC主板的USB控制芯片。驱动程序—

在控制器与USB设备之间建立通信通道，一 般由操作系统或控制器厂商提供。USB芯片驱动程序—提供对USB芯片的支持，支持设备上 的固件。USB设备—包括与PC相连的USB外围设备。设备驱动程序—驱动USB设备的程序，一般有USB设备制 造商提供。2、USB系统结构一个USB系统可以由USB主机、USB设备和USB互连3部分来描述。（1）USB设备

USB设备分为Hub（集线器）和Function（功能）两大类。Hub提供到USB的附加连接点，Function为主机系统提供附加的性能。（2）USB主机在任何一个USB系统中只有一个主机，它控制总线上所有USB设备和所有集线器的数据通信过程。。主控制器可采用硬件、固件或软件相结合的方式来实现，与Hub集成在主机系统内，向上与主总线（如PCI总线）相连，向下可提供一或多个连接点。（3）USB互连

USB互连指的是USB设备与主机的连接和通信方式，它包括总线拓扑结构、内层关系、数据流模型和USB调度表。

针对设备对系统资源需求的不同，在USB规范中规定了四种不同的数据传输方式：同步传输

–该方式用来连接需要连续传输数据，外设对数据的正确性要求不高，但是对时间敏感，如电话、麦克风、扬声器等。中断传输

–该方式用于较少数据量的传送，但需要及时处理，以达到实时效果的设备。主要用在偶然需要少量数据通信，但服务时间受限的键盘、鼠标及操纵杆等设备。控制传输–该方式用于处理主机到USB设备的数据传输，包括设备控制指令、设备状态查询及确认指令。批量传输–该方式不能保证传输的速率，但可以保证数据的可靠性。当出现错误时，会要求发送发重发。通常打印机、扫描仪、数码相机以这种方式与主机相连。3．物理接口

USB总线的电缆有一对标准尺寸的双绞信号线和一对标准尺寸的电源线，共4根导线,即：5V电源线(Vbus),差分数据线负(D-)，差分数据线正(D+)，地(Gnd)。USB使用的是差分传输模式，有两根数据线，分别是D+和D-。4．电源

USB的电源规范包括电源分配和电源管理两个方面。vdd,gndD+,D-5．总线协议

USB是一种查询（Polling）总线，由主控制器启动所有的数据传输。USB上所挂连的外设通过由主机调度的（Host-Scheduled）、基于令牌的（Token-Based）协议来共享USB带宽。大部分总线事务涉及3个包的传输。USB采用“令牌包”-“数据包”-“握手包”的传输机制，在令牌包中指定数据包去向或者来源的设备地址和端点（Endpoint），从而保证了只有一个设备对被广播的数据包/令牌包作出响应。握手包表示了传输的成功与否。当主控制器按计划地发出一个描述事务类型和方向、USB设备地址和端点号的USB包时，就开始发起一个事务，这个包称作“令牌包”（TokenPacket），它指示总线上要执行什么事务，欲寻址的USB设备及数据传送方向。然后，事务源发送一个数据包（DataPacket），或者指示它没有数据要传输。最后，目标一般还要用一个指示传输是否有成功的握手包（HandshakePacket）来响应。

端点（endpoint）端点是位于USB设备中与USB主机进行通信的基本单元，是通信的发送或者接收点，你要发送数据，那你只要把数据发送到正确的端点那里就可以了。端点是有方向的，从usb主机到设备称为out端点，从设备到主机称为in端点。每个设备允许有多个端点，主机只能通过端点与设备通信，各个端点由设备地址和端点号确定在USB系统中的唯一地址。每个端点都包含一些属性，如传输方式、总线访问频率、带宽、端点号、数据包的最大容量等。除控制端点0外的其他端点必须在设备配置后才能生效。控制端点0通常用于设备初始化参数。USB芯片中，每个端点实际就是一定大小的数据缓存区。管道（pipe）管道是USB设备与USB主机之间数据通信的逻辑通道，共有两种类型的管道：无格式的流管道和有格式的信息管道。一个USB管道对应一个设备端点，各端点通过各自的管道与主机通信。当USB设备被配置时，大多数管道就形成了。一旦设备加电，总是形成一个被称作默认控制管道的消息管道，即默认的控制管道默认的控制管道默认的控制管道默认的控制管道，USB主机通过该管道来获取设备的描述、配置、状态，并对设备进行配置。

所有设备都支持对应端点0的控制管道，通过控制管道主机可以获得USB设备的信息，包括设备类型、电源管理、配置、端点描述等。6．USB设备设计原理

USB设备控制器提供多个标准的端点，每一个端点都支持单一的总线传输方式。端点0支持控制传输，其他端点支持同步传输、批量传输或中断传输中的任意一种。管理和使用这些端点，实际就是操作相应的控制寄存器、状态寄存器、中断寄存器和数据寄存器来实现。其中，控制寄存器用于设置端点的工作模式和启用端点的功能等；状态寄存器用于查询端点的当前状态；中断寄存器用于设置端点的中断触发和响应功能；数据寄存器是设备与主机交换数据的缓冲区。6.3.2S3C2410A的USB控制器

S3C2410拥有2通道USB主机接口和1个复用的USB设备接口。

S3C2410A的USB主机控制器内部结构如图6.3.1所示，S3C2410A的USB主机控制器支持两通道USB主机接口，具有两个向下数据流通道，支持低速和高速USB设备。

S3C2410A的USB设备控制器内部结构方框图如图6.3.2所示。S3C2410A的USB设备控制器具有集成的USB收发器（12Mbps），批量传输的DMA接口，5个带FIFO的端口，其中：EP0为16字节（寄存器），EP1～EP4为64字节IN/OUTFIFO（双通道异步RAM），可采用中断或者DMA方式。支持DMA接口在大端口上的接收和发送（EP1、EP2、EP3和EP4）。支持挂起和远程唤醒功能。

图6.3.1S3C2410A的USB主机控制器内部结构方框图图6.3.2S3C2410A的USB设备控制器内部结构方框图6.3.3S3C2410A的USB接口电路与驱动1．S3C2410AUSB接口电路在S3C2410A芯片中集成有USB接口控制器电路，可以直接利用芯片的USB接口。采用S3C2410A可以提供1个DEVICEUSB和2个HOSTUSB，对应管脚是：DP0、DN0；DP1/PDP0、DN1/PDN0。

USB接口电路如图6.3.3所示。图6.3.3S3C2410AUSB接口电路2.设备驱动程序设计

在所有的操作之前，需要对S3C2410A的杂项控制器进行以下