盤點嵌入式開發中常用的總線與接口

xyd2018

任何一個微處理器都要與一定數量的部件和外圍設備連接，但如果將各部件和每一種外圍設備都分別用一組線路與CPU直接連接，那么連線將會錯綜復雜，甚至難以實現。為了簡化硬件電路設計、簡化系統結構，常用一組線路，配置以適當的接口電路，與各部件和外圍設備連接，這組共用的連接線路被稱為總線。采用總線結構便于部件和設備的擴充，尤其制定了統一的總線標準則容易使不同設備間實現互連。
微機中總線一般有內部總線、系統總線和外部總線。
(1)、內部總線是微機內部各外圍芯片與處理器之間的總線，用于芯片一級的互連;
(2)、系統總線是微機中各插件板與系統板之間的總線，用于插件板一級的互連;
(3)、外部總線則是微機和外部設備之間的總線，微機作為一種設備，通過該總線和其他設備進行信息與數據交換，它用于設備
一級的互連。
另外，從廣義上說，計算機通信方式可以分為并行通信和串行通信，相應的通信總線被稱為并行總線和串行總線。并行通信速度快、實時性好，但由于占用的口線多，不適于小型化產品;而串行通信速率雖低，但在數據通信吞吐量不是很大的微處理電路中則顯得更加簡易、方便、靈活。串行通信一般可分為異步模式和同步模式。

隨著微電子技術和計算機技術的發展，總線技術也在不斷地發展和完善，而使計算機總線技術種類繁多，各具特色。下面僅對微機各類總線中目前比較流行的總線技術分別加以介紹。

一、內部總線
1.I2C總線
I2C(Inter-IC)總線10多年前由Philips公司推出，是近年來在微電子通信控制領域廣泛采用的一種新型總線標準。它是同步通信的一種特殊形式，具有接口線少，控制方式簡化，器件封裝形式小，通信速率較高等優點。在主從通信中，可以有多個I2C總線器件同時接到I2C總線上，通過地址來識別通信對象。
2.SPI總線
串行外圍設備接口SPI(serial peripheral interface)總線技術是Motorola公司推出的一種同步串行接口。Motorola公司生產的絕大多數MCU(微控制器)都配有SPI硬件接口，如68系列MCU。SPI總線是一種三線同步總線，因其硬件功能很強，所以，與SPI有關的軟件就相當簡單，使CPU有更多的時間處理其他事務。
3.SCI總線
串行通信接口SCI(serial communication interface)也是由Motorola公司推出的。它是一種通用異步通信接口UART，與MCS-51的異步通信功能基本相同。


二、系統總線
1.ISA總線
ISA(industrial standard architecture)總線標準是IBM 公司1984年為推出PC/AT機而建立的系統總線標準，所以也叫AT總線。它是對XT總線的擴展，以適應8/16位數據總線要求。它在80286至80486時代應用非常廣泛，以至于現在奔騰機中還保留有ISA總線插槽。ISA總線有98只引腳。
2.EISA總線
EISA總線是1988年由Compaq等9家公司聯合推出的總線標準。它是在ISA總線的基礎上使用雙層插座，在原來ISA總線的98條信號線上又增加了98條信號線，也就是在兩條ISA信號線之間添加一條EISA信號線。在實用中，EISA總線完全兼容ISA總線信號。
3.VESA總線
VESA(video electronics standard association)總線是 1992年由60家附件卡制造商聯合推出的一種局部總線，簡稱為VL(VESA local bus)總線。它的推出為微機系統總線體系結構的革新奠定了基礎。該總線系統考慮到CPU與主存和Cache 的直接相連，通常把這部分總線稱為CPU總線或主總線，其他設備通過VL總線與CPU總線相連，所以VL總線被稱為局部總線。它定義了32位數據線，且可通過擴展槽擴展到64 位，使用33MHz時鐘頻率，最大傳輸率達132MB/s，可與CPU同步工作。是一種高速、高效的局部總線，可支持386SX、386DX、486SX、486DX及奔騰微處理器。
4.PCI總線
PCI(peripheral component interconnect)總線是當前最流行的總線之一，它是由Intel公司推出的一種局部總線。它定義了32位數據總線，且可擴展為64位。PCI總線主板插槽的體積比原ISA總線插槽還小，其功能比VESA、ISA有極大的改善，支持突發讀寫操作，最大傳輸速率可達132MB/s，可同時支持多組外圍設備。 PCI局部總線不能兼容現有的ISA、EISA、MCA(micro channel architecture)總線，但它不受制于處理器，是基于奔騰等新一代微處理器而發展的總線。
5.Compact PCI
以上所列舉的幾種系統總線一般都用于商用PC機中，在計算機系統總線中，還有另一大類為適應工業現場環境而設計的系統總線，比如STD總線、 VME總線、PC/104總線等。這里僅介紹當前工業計算機的熱門總線之一——Compact PCI。 Compact PCI的意思是“堅實的PCI”，是當今第一個采用無源總線底板結構的PCI系統，是PCI總線的電氣和軟件標準加歐式卡的工業組裝標準，是當今最新的一種工業計算機標準。Compact PCI是在原來PCI總線基礎上改造而來，它利用PCI的優點，提供滿足工業環境應用要求的高性能核心系統，同時還考慮充分利用傳統的總線產品，如ISA、STD、VME或PC/104來擴充系統的I/O和其他功能。

三、外部總線
1.RS-232-C總線
RS-232-C是美國電子工業協會EIA(Electronic Industry Association)制定的一種串行物理接口標準。RS是英文“推薦標準”的縮寫，232為標識號，C表示修改次數。RS-232-C總線標準設有25條信號線，包括一個主通道和一個輔助通道，在多數情況下主要使用主通道，對于一般雙工通信，僅需幾條信號線就可實現，如一條發送線、一條接收線及一條地線。RS-232-C標準規定的數據傳輸速率為每秒50、75、 100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。RS-232-C標準規定，驅動器允許有2500pF的電容負載，通信距離將受此電容限制，例如，采用150pF/m的通信電纜時，最大通信距離為15m;若每米電纜的電容量減小，通信距離可以增加。傳輸距離短的另一原因是RS-232屬單端信號傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題，因此一般用于20m以內的通信。

2.RS-485總線
在要求通信距離為幾十米到上千米時，廣泛采用RS-485 串行總線標準。RS-485采用平衡發送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發器具有高靈敏度，能檢測低至200mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復。 RS-485采用半雙工工作方式，任何時候只能有一點處于發送狀態，因此，發送電路須由使能信號加以控制。RS-485用于多點互連時非常方便，可以省掉許多信號線。應用RS-485可以聯網構成分布式系統，其允許最多并聯32臺驅動器和32臺接收器。

3.IEEE-488總線
上述兩種外部總線是串行總線，而IEEE-488 總線是并行總線接口標準。IEEE-488總線用來連接系統，如微計算機、數字電壓表、數碼顯示器等設備及其他儀器儀表均可用IEEE-488總線裝配起來。它按照位并行、字節串行雙向異步方式傳輸信號，連接方式為總線方式，儀器設備直接并聯于總線上而不需中介單元，但總線上最多可連接15臺設備。最大傳輸距離為20米，信號傳輸速度一般為500KB/s，最大傳輸速度為1MB/s。

4.USB總線
通用串行總線USB(universal serial bus)是由Intel、 Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、Northern Telecom等7家世界著名的計算機和通信公司共同推出的一種新型接口標準。它基于通用連接技術，實現外設的簡單快速連接，達到方便用戶、降低成本、擴展PC連接外設范圍的目的。它可以為外設提供電源，而不像普通的使用串、并口的設備需要單獨的供電系統。另外，快速是USB技術的突出特點之一，USB的最高傳輸率可達12Mbps比串口快100倍，比并口快近10倍，而且USB還能支持多媒體。

5.IEEE1394
Apple公司的FireWire基礎上由IEEE制定的標準。與USB有很大的相似性。采用樹形或菊花鏈結構，以級連方式在一個接口上最多可連接63個不同種類的設備。傳輸速率高，最高可達3.2Gb/s; 實時性好，總線提供電源，系統中各設備之間的關系是平等的，連接方便，允許熱插拔和即插即用。
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