方彥軍 第7章 通信接口設(shè)計

嵌入式系統(tǒng)原理與設(shè)計

第七章通信接口設(shè)計本章簡介計算機與外界的信息交換稱為通信?；镜耐ㄐ欧绞接袃煞N，即并行通信和串行通信。并行通信是指數(shù)據(jù)的各位同時進行傳送（發(fā)送或接收）的通信方式。串行通信指數(shù)據(jù)是一位一位按順序傳送的通信方式。I2C接口本章提要1324串行接口

Ethernet以太網(wǎng)接口USB接口

7.1串行接口許多I/O接口器件與CPU交換信息或計算機與計算機之間交換信息，都是通過一對導(dǎo)線或通信來傳遞信息，這時數(shù)據(jù)時一位一位進行傳輸?shù)?，每一位都占?jù)一個規(guī)定長度的時間間隔，這樣數(shù)據(jù)一位位順序傳遞的通信方式稱為串行通信。

完成串行通信任務(wù)的接口稱為串行通信接口。本節(jié)首先介紹串行通信中的一些基本概念及串行通信接口的設(shè)計方法。１．?dāng)?shù)據(jù)傳送方式串行通信時，數(shù)據(jù)在兩個站(或設(shè)備)A與B之間傳送，按數(shù)據(jù)流方向的不同可分為單工、半雙工、全雙工和多工等幾種傳送方式。

單工(Simplex)方式只允許數(shù)據(jù)按一個固定的方向傳送。采用這種方式時，就已經(jīng)確定了通信雙方中的一方為接收端，另一方為發(fā)送端。這種確定方式是不可以改變的。如圖7.1(a)現(xiàn)在把這種通信方式稱為單向通信。

7.1.1串行通信概述

半雙工(HalfDuplex)通信是指信息的發(fā)送和接收要同時公用一條線，在半雙工方式中，數(shù)據(jù)可在兩個設(shè)備之間任一個方向傳輸，但兩個設(shè)備之間只有一根傳輸線，故同一時間內(nèi)只能在一個方向上傳輸數(shù)據(jù)，不能同時收發(fā)，故在通信換向時接口部分要靠電路轉(zhuǎn)換，如圖7.1(b)。7.1.1串行通信概述

全雙工(FullDuplex)通信是指接口對接收和發(fā)送的信息用不同的通道供信息的發(fā)送和接收可同時進行，這就意味著工作于全雙工方式下的串行通信信息的傳遞要用兩條線即發(fā)送線、接收線，如圖7.1(c)。7.1.1串行通信概述

多工方式下采用的多路復(fù)用技術(shù)主要有時分復(fù)用TDM和頻分復(fù)用FDM兩種。在計算機串行通訊中主要使用半雙工和全雙工方式。7.1.1串行通信概述2．異步通信和同步通信方式同步通信(Asynchronous)：同步通信是將所要發(fā)送信息組成一個信息組（通常稱為幀），在每幀信息的開始要有同步字符（1～2）個，在數(shù)據(jù)線上要保持連續(xù)的字符，沒有信息時也要填上專用空字符，因為同步傳輸不允許在傳輸一幀信息時出現(xiàn)間隙。特點：傳送信息量大，數(shù)度高，適宜于快速傳遞，靈活性差。異步通信(Synchronous)：異步通信時，在字符開始要有起始位，一個字傳輸?shù)慕Y(jié)束要用間隔位進行字間隔。通常一組數(shù)據(jù)由多個字符組成，而字符是若干數(shù)碼位的集合。特點：靈活性好，便于處理實時性強的串行數(shù)據(jù)；速度低，僅適宜于中低速率傳輸。7.1.1串行通信概述3．波特率和傳輸速率（1）傳輸速率串行通信中，可用傳速率衡量通信設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)快慢，傳輸速率定義為每秒鐘傳輸?shù)淖址麕瑪?shù)（2）波特率串行中每秒鐘傳送二進制數(shù)碼的位數(shù)稱為波特率。波特率的單位bps，即位/秒（BitperSecond）。7.1.1串行通信概述7.1.1串行通信概述4.出錯校驗在單片機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信中常用的校驗方法有奇偶校驗、累加和校驗以及CRC冗余校驗（CyclicalRedundancyCheck）。奇偶校驗:通過檢驗被傳送的二進制數(shù)據(jù)中0或1位數(shù)的奇偶性，來判斷數(shù)據(jù)在傳送過程中是否出錯。累加和校驗:如果要對有n個字節(jié)的數(shù)據(jù)塊進行校驗，則可以采用累加和校驗方法。CRC循環(huán)冗余校驗:將一個數(shù)據(jù)塊看成一個很長的二進制數(shù)。在重要數(shù)據(jù)傳送時經(jīng)常采用較為復(fù)雜的CRC循環(huán)冗余校驗。表７.１ＲＩＡ制定的傳送電氣規(guī)格5．電氣特性RS-232C是由美國電子工業(yè)協(xié)會EIA于1969年制定并采用的一種串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)，后來被廣泛采用，發(fā)展成為一種國際通用的串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)。表7.1即為RIA制定的傳送電氣規(guī)格。狀態(tài)L(Low)H(High)電壓范圍-25V~-3V+3V~+25V邏輯10名稱SPACEMARK7.1.1串行通信概述RS-232C標(biāo)準(zhǔn)采用的接口是9芯或25芯的D型插頭為例，各引腳定義如表7.2所示。引腳名稱功能描述1DCD數(shù)據(jù)載波檢測2RXD數(shù)據(jù)接收3TXD數(shù)據(jù)發(fā)送4DTR數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好5GND地6DSR數(shù)據(jù)設(shè)備準(zhǔn)備好7RTS請求發(fā)送8CTS清除發(fā)送9RI振鈴指示表7.29芯D型插頭引腳信號描述7.1.1串行通信概述7.1.2串行接口設(shè)計實例由于RS-232C標(biāo)準(zhǔn)所定義的高、低電平信號與S3C4510B系統(tǒng)的LVTTL電路所定義的高、低電平信號完全不同，兩者間要進行通信必須經(jīng)過信號電平的轉(zhuǎn)換，目前常使用的電平轉(zhuǎn)換電路為MAX232，其引腳分布如圖7.2。圖7.2MAX232引腳分布7.1.2串行接口設(shè)計實例圖7.3為MAX232的常見應(yīng)用電路圖，C1、C2、C3、C4用于電平轉(zhuǎn)換，其典型值為0.1uF。圖7.3MAX232的常見應(yīng)用電路

通過此MAX232電路，S3C4510B的UART0與PC機的串口1建立連接，S3C4510B的UART1與PC機的串口2建立連接。S3C4510B的UART單元特性包括：波特率可編程支持紅外發(fā)送與接收1～2個停止位5、6、7或8個數(shù)據(jù)位奇偶校驗

7.1.2串行接口設(shè)計實例7.2.1接口概述

總線是嵌入式系統(tǒng)中常用的網(wǎng)絡(luò)接口，它常用于將微控制器連接到系統(tǒng)的總線。1.I2C總線數(shù)據(jù)傳送格式在I2C總線上傳送信息時的時鐘同步信號是由掛接在SCL時鐘線上的所有器件的邏輯“與”完成的。在I2C總線技術(shù)規(guī)范中，開始和結(jié)束信號（也稱做啟動和停止信號）的定義如圖7.4所示。7.2.1接口概述

當(dāng)時鐘線SCL為高電平時，數(shù)據(jù)線SDA由高電平跳變?yōu)榈碗娖?，定義為“開始”信號。當(dāng)SCL線為高電平時，SDA線發(fā)生低電平到高電平的跳變，定義為“結(jié)束”信號。開始和結(jié)束信號都是由主器件產(chǎn)生的。

圖7.4開始和結(jié)束信號的定義2.I2C總線數(shù)據(jù)傳送過程I2C總線傳送數(shù)據(jù)時，每次都是先傳送最高位，通常從器件在接收到每個字節(jié)后都會做出響應(yīng)，即釋放SCL線返回高電平，準(zhǔn)備接收下一個數(shù)據(jù)字節(jié)，主器件可繼續(xù)傳送。如果從器件正在處理一個實時事件而不能接收數(shù)據(jù)時，則可以使時鐘SCL線保持低電平，從器件必須使SDA保持高電平，此時主器件產(chǎn)生1個結(jié)束信號，使傳送異常結(jié)束，迫使主器件處于等待狀態(tài)。當(dāng)從器件處理完畢時將釋放SCL線，主器件繼續(xù)傳送。7.2.1接口概述3．總線競爭和仲裁機制總線上可能掛接有多個器件，有時會發(fā)生兩個或多個主器件同時想占用總線的情況。當(dāng)多個主器件同時想占用總線時，如果某個主器件發(fā)送高電平，而另一個主器件發(fā)送低電平，則發(fā)送電平與此時SDA總線電平不符的那個器件將自動關(guān)閉其輸出級。7.2.1接口概述

7.2.2接口設(shè)計實例圖7.5AT24C01應(yīng)用電路

本實例介紹一種常見的存儲器AT24C01在S3C4510嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用編程方法。7.2.2接口設(shè)計實例S3C4510B片內(nèi)的I2C總線控制器具有如下重要特性：（1）僅需要兩根傳輸線。（2）連接到總線上的每一個設(shè)備都可以通過一個主控器使用唯一的地址進行軟件尋址。（3）支持8位、雙向、串行數(shù)據(jù)傳輸。（4）連接到I2C總線的器件數(shù)目僅受到最大總線電容

（400PF）的限制。7.2.2接口設(shè)計實例

圖7.6為S3C4510BI2C總線控制器的功能模塊。

圖7.6S3C4510B總線控制器的功能模塊圖

7.2.2接口設(shè)計實例S3C4510B的I2C總線控制器為一個串行I2C總線主控器?？赏ㄟ^設(shè)置預(yù)分頻寄存器（PrescalerRegister，IICPSR）對串行時鐘頻率進行編程。串行時鐘頻率可由下式計算：MCLK/（16×（預(yù)分頻寄存器的值＋1）＋3）寫數(shù)據(jù)的操作：先設(shè)置控制狀態(tài)寄存器的BF位，然后寫入數(shù)據(jù)到移位緩沖寄存器。移位緩沖寄存器無論是被讀還是寫，BF位均會自動清零。若要進行連續(xù)的讀/寫操作，必須設(shè)置控制狀態(tài)寄存器的ACK位。讀數(shù)據(jù)的操作：在設(shè)置控制狀態(tài)寄存器的BF位以后，可以進行讀數(shù)據(jù)的操作，當(dāng)讀/寫完最后一個字節(jié)時，可對ACK位進行復(fù)位，通知發(fā)送器/接收器讀數(shù)據(jù)操作的結(jié)束。7.3Ethernet以太網(wǎng)接口

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展以及嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用,傳統(tǒng)基于總線的控制技術(shù)也將朝著網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。為使嵌入式系統(tǒng)可以接入Internet就必須做好兩個方面的準(zhǔn)備：（1）在硬件上，要給嵌入式系統(tǒng)設(shè)計一個以太網(wǎng)接口電路；（2）在軟件上，要提供相應(yīng)的通信協(xié)議。7.3.1Ethernet接口概述1．以太網(wǎng)工作原理以太網(wǎng)/IEEE802.3通常使用專門的網(wǎng)絡(luò)接口卡或通過系統(tǒng)主電路板上的電路實現(xiàn)。以太網(wǎng)采用廣播機制，所有與網(wǎng)絡(luò)連接的工作站都可以看到網(wǎng)絡(luò)上傳遞的數(shù)據(jù)。以太網(wǎng)采用CSMA/CD介質(zhì)訪問技術(shù)，任何工作站都可以在任何時間訪問網(wǎng)絡(luò)。作為一種基于競爭機制的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，以太網(wǎng)允許任何一臺網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)空閑時發(fā)送信息。7.3.1Ethernet接口概述2．以太網(wǎng)的傳輸編碼以太網(wǎng)的傳輸編碼是曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼，編碼方式如圖7.7所示。圖7.7數(shù)字編碼7.3.1Ethernet接口概述3．以太網(wǎng)幀格式以太網(wǎng)（特指10Mbps的以太網(wǎng)）協(xié)議有兩種。一種是IEEE802.2/IEEE802.3，另一種是以太網(wǎng)幀的封裝格式，以太網(wǎng)幀封裝格式位定義如表7.3所示。字段同步位分隔位目的地址源地址類型/長度數(shù)據(jù)段填充位FCS長度56848481646~1500X327.3.2以太網(wǎng)控制器RTL80197.3.2以太網(wǎng)控制器RTL8019RTL8019是高度集成的以太網(wǎng)控制器，為即插即用式NE2000兼容網(wǎng)絡(luò)適配器提供了簡易的解決方案。RTL8019的寄存器如表7.4所示。

地址Page0Page1Page2Page3RWR/WRRR/W00CRCRCRCRCRCR01CLDA0PSTARTPAR0PSTART9346CR9346CR02CLDA1PSTOPPAR1PSTOPBPAGEBPATGE03BNRYBNRYPAR2NONFIG004TSRTSRPAR3TPSRCONFIG1CONFIG17.3.2以太網(wǎng)控制器RTL801905NCRTBCR0PAR4CONFIG2CONFIG206FIFOTBCR1PAR5CONFIG3CONFIG307ISRISRCURRTEST08CRDA0RSAR0MAR0CSNSAV09CRDA1RSAR1MAR1HLTCLK0x0A8019ID0RBCR0MAR20x0B8019ID1RBCR1MAR3INTR0x0CRSRRSRMAR4RCRFMWP0x0DCNTR0TCRMAR5TCR0x0ECNTR1DCRMAR6DCR0x0FCNTR2IMRMAR7IMR[0x10:0x17]DMA端口[0x18:0x1F]復(fù)位端口7.3.2以太網(wǎng)控制器RTL80191．RTL8019的復(fù)位RTL8019的復(fù)位引腳RSTDRV是高電平有效的復(fù)位信號，高電平時間長度需大于800ns，通常在RSTDRV從高電平回到低電平之后的100ms時，再對RTL8019進行讀寫操作，以確保完全復(fù)位。18h～1Fh的8個地址，為復(fù)位端口，對該端口的偶數(shù)地址讀或?qū)懭肴魏螖?shù)，都會引起以太網(wǎng)控制器的復(fù)位，這種方式稱為熱復(fù)位。

7.3.2以太網(wǎng)控制器RTL8019表7.5中斷狀態(tài)寄存器（ISR）位符號描述0PRX表示數(shù)據(jù)包被無錯接受1PTX表示數(shù)據(jù)包被無錯發(fā)送2RXE如果在接受數(shù)據(jù)中發(fā)生CRC錯誤、幀對齊錯誤和包丟失時，該位置13TXE如果在數(shù)據(jù)發(fā)送過程中發(fā)生了過多的沖突，發(fā)送就會停止，且該位置14OVW如果接受緩沖器溢出，該位置15CNT如果1個或多個網(wǎng)絡(luò)標(biāo)簽計數(shù)器的最高位置1，該位置16RDC如果遠程DMA操作完成7RST如果NIC進入復(fù)位狀態(tài)，該位置1；在啟動命令寫入命令寄存器CR時，該位清0；在接受緩沖區(qū)溢出時該位置1，如果一個或多個包從緩沖區(qū)中讀出，該位清0。7.3.2以太網(wǎng)控制器RTL80192．RAM空間結(jié)構(gòu)CURR和BNRY寄存器是以太網(wǎng)數(shù)據(jù)收發(fā)中用到的兩個最主要的寄存器，它們的工作原理如下。（1）CURR是以太網(wǎng)控制器寫接收緩沖區(qū)的指針。（2）BNRY指向接收緩沖區(qū)中已經(jīng)被讀取的最后一個頁。（3）CURR和BNRY主要用來控制緩沖區(qū)的存取過程，保證能順次寫入和讀出。3．網(wǎng)卡的物理地址

要對網(wǎng)卡的物理地址進行設(shè)置，就必須知道網(wǎng)卡的物理地址是多少。RAM地址中的0x0000～0x000B的12字節(jié)是網(wǎng)卡的物理地址。

7.3.3Ethernet接口設(shè)計實例

常規(guī)的網(wǎng)卡設(shè)計思路不同的是，在嵌入式系統(tǒng)中，系統(tǒng)的精簡一直是個主要的原則。據(jù)此原則本例采用RTL8019AS作為網(wǎng)卡芯片，以S3C44B0作為處理器設(shè)計設(shè)計以太網(wǎng)接口。以太網(wǎng)模塊與處理器的接口電路如圖7.8所示。圖7.8以太網(wǎng)模塊與處理器的接口電路7.3.3Ethernet接口設(shè)計實例(5)通過RTL8019傳輸數(shù)據(jù)

RTL8019作為一個集成的以太網(wǎng)芯片，數(shù)據(jù)的發(fā)送校驗、總線數(shù)據(jù)包的碰撞檢測與避免是由芯片自己完成的，只需要配置發(fā)送數(shù)據(jù)的物理地址的原地址、目的地址、數(shù)據(jù)包類型以及發(fā)送的數(shù)據(jù)就可以進行數(shù)據(jù)發(fā)送了。在RTL8019的初始化程序中已經(jīng)設(shè)置好了接收緩沖區(qū)的位置，并且配置好了中斷的模式。當(dāng)有一個正確的數(shù)據(jù)包到達的時候，RTL8019會產(chǎn)生一個中斷信號，在ARM中斷處理程序中，接收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的接收比較簡單，即通過遠端DMA把數(shù)據(jù)從RTL8019的RAM空間讀回ARM中處理。

7.4USB接口由于USB接口技術(shù)在最近幾年已成為計算機領(lǐng)域發(fā)展最快的技術(shù)之一，幾乎所有的外設(shè)都可以借助USB接口輕易地與PC機相連。許多嵌入式系統(tǒng)生產(chǎn)廠商都嘗試在自己的平臺上應(yīng)用USB接口技術(shù)。因此，掌握USB接口技術(shù)的概念、原理以及應(yīng)用對嵌入式系統(tǒng)設(shè)計者來說就是必要的。7.4.1USB接口概述一個USB系統(tǒng)由USB主機、USB設(shè)備和USB互連構(gòu)成。（1）USB設(shè)備USB設(shè)備分為Hub（集線器）和Function（功能）兩大類。USB設(shè)備應(yīng)具有標(biāo)準(zhǔn)的USB接口。（2）USB主機在任一個USB系統(tǒng)中只有一個主機，到主計算機系統(tǒng)的USB接口被稱作主控制器。（3）USB互連USB互連指的是USB設(shè)備與主機的連接和通信方式，它包括總線拓撲結(jié)構(gòu)、內(nèi)層關(guān)系、數(shù)據(jù)模型和USB調(diào)度表。7.4.1USB接口概述1．USB的電氣特性

USB傳送信號和電源是通過一種四線的電纜收發(fā)，圖7.9中的兩根線用于信號發(fā)送。存在兩種數(shù)據(jù)傳輸率：圖7.9USB的電纜電纜中包括VBUS、GND兩條線，向設(shè)備提供電源。VBUS使用+5V電源。

7.4.1USB接口概述2．USB的數(shù)據(jù)傳輸類型

在主控制器上，可以連接許多USB設(shè)備，這些設(shè)備與主機之間有四種可能的通信方式，即同步數(shù)據(jù)（Isochronous）傳輸方式、中斷數(shù)據(jù)傳輸方式（Interrupt）、控制數(shù)據(jù)傳輸方式（Control）和批量數(shù)據(jù)（Bulk）傳輸方式。

（1）控制數(shù)據(jù)傳送當(dāng)USB設(shè)備初次安裝時，USB系統(tǒng)軟件使用控制數(shù)據(jù)對設(shè)備進行設(shè)置，設(shè)備驅(qū)動程序通過特定的方式使用控制數(shù)據(jù)來傳送，數(shù)據(jù)傳送是無損性的。7.4.1USB接口概述（2）批量數(shù)據(jù)傳送批量數(shù)據(jù)是由大量的數(shù)據(jù)組成，如使用打印機和掃描儀時，批量數(shù)據(jù)是連續(xù)的。（3）中斷數(shù)據(jù)傳輸中斷數(shù)據(jù)是少量的，且其數(shù)據(jù)延遲時間也是在有限范圍內(nèi)的。（4）同步傳輸同步數(shù)據(jù)的建立、傳送和使用是連續(xù)且實時的，同步數(shù)據(jù)是以穩(wěn)定的速率發(fā)送和接收實時的信息，同步數(shù)據(jù)要使接收者與發(fā)送者保持相同的時間安排。7.4.1USB接口概述3．USB的數(shù)據(jù)傳輸原理

USB主控制器使用間隔為1ms的幀來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。USB設(shè)備最大的特點就是即插即用，之所以能夠這樣，是因為USB協(xié)議規(guī)定在主機啟動或是USB設(shè)備插入系統(tǒng)的時候都要對設(shè)備進行配置。4．USB總線協(xié)議

USB是一種查詢（Polling）總線，由主控制器啟動所有的數(shù)據(jù)傳輸。USB上所掛連的外設(shè)通過由主機調(diào)度的（Host-Scheduled）、基于令牌的（Token-Based）協(xié)議來共享USB帶寬。7.4.1USB接口概述5.USB設(shè)備開發(fā)

USB設(shè)備開發(fā)的一般步驟如下：（1）根據(jù)所要開發(fā)的設(shè)備的功能需要，進行電路設(shè)計。（2）編寫固件程序。（3）根據(jù)所用設(shè)備是否為標(biāo)準(zhǔn)USB設(shè)備，來決定是否另外編寫驅(qū)動，還是使用操作系統(tǒng)自帶的驅(qū)動程序來訪問USB設(shè)備。（4）把編寫好的固件程序載入USB設(shè)備，并將USB設(shè)備插入主機總線。（5）按需要調(diào)試和重復(fù)以上步驟。7.4.2USB接口設(shè)計實例

以Philips公司生產(chǎn)的USB接口芯片PDIUSBD12設(shè)計S3C4510B的USB接口為實例，介紹USB的工作原理和設(shè)計方法。

1．PDIUSBD12的主要特性（1）符合通用串行總線USB1.1版規(guī)范；（2）高性能USB接口器件集成了SIEFIFO存儲器、收發(fā)器以及電壓調(diào)整器；（3）符合大多數(shù)器件的分類規(guī)格；7.4.2USB接口設(shè)計實例（4）可與任何外部微控制器/微處理實際高速并行接口2MB/s；（5）完全自治的直接內(nèi)存取DMA操作；（6）集成320字節(jié)多結(jié)構(gòu)FIFO存儲器；（7）主端點的雙緩沖配置增加了數(shù)據(jù)吞吐量并輕松實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)傳送；（8）在批量模式和同步模式下均可實現(xiàn)1MB/s的數(shù)據(jù)傳送速率；7.4.2USB接口設(shè)計實例（9）具有良好EMI特性的總線供電能力；（10）在掛起時可控制LazyClock輸出；（11）可通過軟件控制與USB的連接；（12）采用GoodLink技術(shù)的連接指示器，在通信時使LED閃爍；（13）可編程的時鐘頻率輸出；7.4.2USB接口設(shè)計實例（14）符合ACPI、OnNOW和USB電源管理的要求；（15）內(nèi)部上電復(fù)位和低電壓復(fù)位；（16）工業(yè)級操作溫度-40℃～+85℃；（17）具有高錯誤恢復(fù)率（>99%）的全掃描設(shè)計確保了高品質(zhì)；（18）雙電源操作3.30.3V或擴展的5V電源，范圍為3.6～5.5V；（19）多中斷模式實現(xiàn)批量和同步傳輸。7.4.2USB接口設(shè)計實例圖7.10PDIUSBD12的引腳PDIUSBD12采用28PIN引腳模式(有SO28和TSSOP28兩種封裝)，如圖7.10所示。各個引腳功能如表7.6所示。7.4.2USB接口設(shè)計實例管腳符號類型描述1DATA<0>IO2雙向數(shù)據(jù)位02DATA<1>IO2雙向數(shù)據(jù)位13DATA<2>IO2雙向數(shù)據(jù)位24DATA<3>IO2雙向數(shù)據(jù)位35GND