計算機總線技術課件

電子系統(tǒng)總線技術

第四部分

計算機總線技術主講人：于海濱二教中樓309室shoreyhb@7/22/20231課時數(shù)：12，共4周課程安排概述及緩存系統(tǒng)中的總線切換技術（3-4）總線數(shù)據(jù)傳輸中的同步技術與UART技術（2-3）學生課程匯報（6）課程考核課程小論文與課程匯報參考教材：《計算機控制技術》，劉川來、胡乃平編著，機械工業(yè)出版社。其中第三章“計算機總線技術”《微型計算機組成原理》，陸志才，高等教育出版社。其中第九、十章“總線技術”7/22/20232課程小論文要求結合自己的科研實際完成一篇與總線相關的小論文至少包含以下內(nèi)容我正在從事的課題是“xxxxxx”，里面用到了xxx總線技術選取xxx總線的依據(jù)是……系統(tǒng)的基本結構是……，用……來實現(xiàn)xxx總線，擬實現(xiàn)的技術指標是……實現(xiàn)的細節(jié)，包括硬件、軟件題目自擬，但必須包含選取的總線名稱，副標題為學號、姓名字數(shù)在3000字左右，需打印提交時間：12月25日之前，二教中樓309，可集中后一起交7/22/20233課程小論文要求若暫時還未進入課題從下述總線中選取一種，完成一篇綜述性文章，介紹該總線的基本原理、主要特性、應用范圍，并列舉至少一個應用實例，給出該應用實例的電路結構框圖、工作原理、實現(xiàn)的功能和具體技術指標CANUSBRS232RS485I2CSPIModbusProfibus無線方面的總線協(xié)議7/22/20234課程匯報要求課程匯報時間：12月18日、12月25日上午10:00-12:30兩人一組（自由組合），兩人共同制作匯報用的PPT，其中一人負責匯報，一人負責回答問題匯報內(nèi)容應以課程小論文內(nèi)容為基礎，須包含課程小論文內(nèi)容當中的要素匯報時間嚴格控制在5分鐘以內(nèi)，回答問題2分鐘左右本課程后續(xù)不再組織考試，本次課程匯報成績即為考試成績，須認真對待（匯報60%+小論文30%+出勤率10%）一組兩人成績相同，根據(jù)PPT匯報與回答問題情況決定不參加課程匯報者本門課程無成績7/22/20235隨著微處理器技術的飛速發(fā)展，總線技術也得到不斷創(chuàng)新。先后出現(xiàn)了ISA、MCA、EISA、VESA、PCI、AGP、IEEE1394、SATA、USB等總線。芯片內(nèi)部的總線技術也在不斷發(fā)展，AMBA、CoreConnect、CoreRAM等已經(jīng)形成集成電路內(nèi)部十分具有競爭力的總線標準。工業(yè)控制的CAN、PROFIBUS，F(xiàn)F等現(xiàn)場總線技術?？偩€的數(shù)據(jù)傳輸速度也不斷提升，目前，AGP局部總線數(shù)據(jù)可達528MB/s，PCI-X可達1GB/s，系統(tǒng)總線傳輸速率也由66MB/s提高到100MB/s甚至更高的133MB/s、150MB/s、200MB/s。7/22/20236PCI-E槽:PCI-Express，Intel提出，可全面取代現(xiàn)行的PCI和AGP，最終實現(xiàn)總線標準的統(tǒng)一。傳輸率目前最高可達到10GB/s以上AGP槽:AccelerateGraphicalPort，加速圖形接口，實質為PCI2.1

DIMM槽:DualInlineMemoryModule，雙列直插內(nèi)存模塊

ISA槽南橋主要是負責IO

北橋用于CPU和內(nèi)存、顯卡、PCI交換數(shù)據(jù)

7/22/20237計算機總線技術總線的基本概念內(nèi)部總線外部總線7/22/202381總線的基本概念

總線就是一組信號線的集合，它定義了各引線的信號、電氣和機械特性，使計算機系統(tǒng)內(nèi)部的各部件之間以及外部的各系統(tǒng)之間建立信號聯(lián)系，進行數(shù)據(jù)傳遞和通信。規(guī)定了各引線的信號、時序、電氣和機械特性為計算機系統(tǒng)內(nèi)部各部件、各模塊之間或計算機各系統(tǒng)之間提供了標準的公共信息通路采用總線標準設計、生產(chǎn)的計算機模板和設備具有很強的兼容性總線的定義總線的特點7/22/20239按照總線內(nèi)部信息傳輸?shù)男再|，總線可分為1.1總線的分類數(shù)據(jù)總線:DB用于傳送數(shù)據(jù)信息地址總線:AB是專門用來傳送地址的控制總線:CB控制總線包括控制、時序和中斷信號線電源總線:PB用于向系統(tǒng)提供電源DBABCBPB7/22/202310按照總線在系統(tǒng)結構中的層次位置，總線可分為總線的分類（續(xù)）片內(nèi)總線(On-ChipBus)

在集成電路的內(nèi)部，用來連接各功能單元的信息通路

內(nèi)部總線(InternalBus)

用于計算機內(nèi)部模塊（板）之間通信外部總線(ExternalBus)：又稱通訊總線用于計算機之間或計算機與設備之間通信7/22/202311根據(jù)總線的數(shù)據(jù)傳輸方式，總線可分為并行總線：每個信號都有自己的信號線串行總線：所有信號復用一對信號線總線的分類（續(xù)）7/22/202312計算機總線結構示意圖總線的分類（續(xù)）7/22/202313在集成電路的內(nèi)部，用來連接各功能單元的信息通路。總線的分類（續(xù)）片內(nèi)總線受芯片面積及對外引腳數(shù)的限制，片內(nèi)總線大多采用單總線結構，這有利于芯片集成度和成品率的提高，而對于內(nèi)部數(shù)據(jù)傳送速度要求較高的，也可采用雙總線或三總線結構。

ASIC技術的出現(xiàn)，用戶也可以按照自己的要求，借助于適當?shù)腅DA工具，設計自己的芯片。7/22/202314內(nèi)部總線是微機系統(tǒng)中最重要的總線，人們平常所說的微機總線就是指系統(tǒng)總線，如STD總線、PC總線、ISA總線、PCI總線等總線的分類（續(xù)）內(nèi)部總線：系統(tǒng)總線或板級總線

按功能可分為數(shù)據(jù)總線DB、地址總線AB、控制總線CB、和電源總線PB7/22/202315數(shù)據(jù)總線D：用于傳遞數(shù)據(jù)信息總線寬度：數(shù)據(jù)信號線的根數(shù)。 決定設備獲得最大性能 影響計算機系統(tǒng)性能地址總線寬度：地址線的根數(shù) 決定直接尋址能力 避免IO地址與內(nèi)存地址的重疊地址總線A：用于傳遞地址信息控制總線C：包括控制、時序和中斷信號線，用于傳遞各種控制信息，決定了總線的性能好壞電源總線P：提供電源7/22/202316如：IEEE-488、RS-232C、RS-485等外部總線總線的分類（續(xù)）7/22/2023171.2總線主要性能指標

又稱總線傳輸率，表示在總線上每秒傳輸字節(jié)的多少，單位是MB/S。影響總線傳輸率的因素有總線寬度、總線頻率等。一般的，

總線帶寬（MB/S）=1/8×總線寬度×總線頻率總線頻率即總線工作時鐘頻率，單位為MHz，它是影響總線傳輸速率的重要因素之一?？偩€寬度又稱總線位寬，是總線可同時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)，用bit（位）表示，如8位、16位、32位等。顯然，總線的寬度越大，它在同一時刻就能夠傳輸更多的數(shù)據(jù)。總線帶寬7/22/202318

表明總線擁有多少信號線，是數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線和電源總線的總和。信號線數(shù)與總線性能不成正比，但一般與復雜度成正比。同步方式可分為同步方式和異步方式。在同步方式下，總線上主模塊與從模塊進行一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間是固定的，并嚴格按照系統(tǒng)時鐘來統(tǒng)一定時主模塊、從模塊之間的傳輸操作，只要總線上的設備都是高速的，就可達到很高的總線帶寬?？偩€復用采用多路復用技術，可以減少總線的數(shù)目。信號線數(shù)總線控制方式包括并發(fā)工作、自動配置、仲裁方式、邏輯方式、計數(shù)方式等。7/22/202319幾種微型計算機總線性能參數(shù)

名稱ISA(PC-AT)EISASTDMCAPCIPCI-E適用機型80286,386,486系列機386,486,586IBM系列機Z-80，IBM-PC系列機IBM個人機與工作站P5個人機,PowerPC,Alpha工作站全面取代現(xiàn)有內(nèi)部總線，實現(xiàn)統(tǒng)一標準最大傳輸率8MB/s33MB/s2MB/s33MB/s133MB/s1GB/s（1x）8GB/s（16x）總線寬度8/16位32位8/16位32位32位8位總線頻率8MHz8.33MHz2MHz10MHz20～33MHz2.5GHz同步方式半同步同步同步異步同步支持同步地址寬度2432243232/6432/64負載能力86無限制無限制3無限制信號線數(shù)9814356109120164（x16）64位擴展不可無規(guī)定不可可可可多路復用非非非是是7/22/2023201.3總線的模板化結構模板化結構按功能劃分計算機的各個部件，并按總線標準設計成由總線連接的模板結構：CPU主板、RAM/ROM存儲板、A/D、D/A、DI、DO等模板化結構的優(yōu)點增加計算機系統(tǒng)的通用性、靈活性、開放性、擴展性和可靠性為系統(tǒng)的維修提供了方便7/22/202321總線控制1.4總線控制與總線傳輸

將控制邏輯集中在一處(如在CPU中)。集中控制是單總線、雙總線和三總線結構計算機主要采用的方式，常見的集中控制方式主要有鏈式查詢方式、計數(shù)器定時查詢方式和獨立請求總線控制方式。

將總線控制邏輯分散在與總線連接的各個部件或設備上。如CAN總線分布式集中式7/22/202322總線傳輸總線上的數(shù)據(jù)在主模塊的控制下進行傳送。一般的，總線在完成一次傳輸周期時，可分為四個階段： 由需要使用總線的主模塊(或主設備)提出申請，經(jīng)總線仲裁機構決定在下一傳輸周期是否能獲得總線使用權；取得了使用權的主模塊，通過總線發(fā)出本次打算訪問的從模塊(或從設備)的存儲地址或設備地址及有關命令，啟動參與本次傳輸?shù)膹哪K；主模塊和從模塊進行數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)由源模塊發(fā)出經(jīng)數(shù)據(jù)總線流入目的模塊；

主模塊的有關信息均從系統(tǒng)總線上撤除，讓出總線使用權。申請分配階段尋址階段數(shù)據(jù)傳輸階段結束階段7/22/2023232內(nèi)部總線

STD總線

PC系列總線本節(jié)主要內(nèi)容7/22/202324STD總線起初設計為可用于64K存儲空間的8位總線，后發(fā)展成可用于尋址16M空間的16位總線美國PRO-LOG公司1978年推出，后被重新定名為IEEE9612.1STD總線STD總線的特點：56根并行總線，采用小模板結構,尺寸為165×114mm模塊化的總體設計布局開放式的系統(tǒng)結構兼容式總線結構，擁有豐富的I/O功能，廣泛適用于工業(yè)控制小模板結構，模板尺寸小,可減少沖擊和震動的影響7/22/20232556根并行總線都有明確的定義，按功能可分為五大類(1)邏輯電源線6根(引線1～6)(2)數(shù)據(jù)總線8根(引線7～14)(3)地址總線16根(引線15～30)(4)控制總線22根(引線31～52)(5)輔助電源線4根(引線53～56)STD總線的信號分配7/22/202326總線低位地址A0～A12直接連接到各存儲器芯片STD總線與存儲器連接方法高位地址A13～A15用來選片（可選64K基本存儲器，通過擴展，可增至128K）7/22/202327地址碼的低位字節(jié)連接到總線譯碼器,形成6根選板信號和2根選口信號,選通I/O端口工作STD總線與I/O的連接方法（可選128個口，擴展后可增至256個口）7/22/202328ISA：IndustryStandardArchitecture2.2PC系列總線MCA：MicroChannelArchitectureEISA：ExtensionISAPCI：PeripheralComponentsInterconnectIBMPC總線的簡稱，因IBM及其兼容機的廣泛普及成為全世界用戶承認的一種事實上的標準PCI-E：PCIExpress7/22/202329問世較早，是8位、16位數(shù)據(jù)傳輸總線的工業(yè)標準最高傳輸速率8Mbps尋址空間為16MB將CPU看作唯一的主模塊，其余外設均為從模塊，包括可以暫時掌握總線的DMA和協(xié)處理器98根總線分成5類：地址線、數(shù)據(jù)線、控制線、時鐘線和電源線ISA總線7/22/202330IBM在推出386時提出數(shù)據(jù)、地址總線寬度32位，支持4GB的尋址能力數(shù)據(jù)傳輸速率33Mbps在電氣及物理上與ISA不兼容IBM沒有公布標準MCA總線（MicroChannelArchitecture）7/22/20233189年，為沖破IBM公司對MCA標準的壟斷，以Compaq公司為首的9家兼容機制造商聯(lián)合推出32位數(shù)據(jù)總線，支持32位地址通路總線主控技術，擴展卡上具有總線主控處理器與ISA兼容，支持多個主模塊可以自動根據(jù)需要進行32、16、8位數(shù)據(jù)間的轉換支持多總線主控模塊擴展卡的安裝十分容易，可根據(jù)配置文件自動配置系統(tǒng)和擴展板EISA總線7/22/202332PCI(PeripheralComponentInterconnect，設備部件互連總線)是一種高性能局部總線，它是92年由Intel公司帶頭制定的設備總線標準支持64位數(shù)據(jù)傳送、多總線主控模塊、線性猝發(fā)讀寫和并發(fā)工作方式具有即插即用功能(PnP，PlugandPlay)最高傳送數(shù)據(jù)132Mbps兼容性強、成本低PCI局部總線7/22/202333PCI總線特有的配置寄存器為用戶使用提供了方便。系統(tǒng)嵌入自動配置軟件，在加電時自動配置PCI擴展卡，為用戶提供了簡便的使用方法。

PCI局部總線已形成工業(yè)標準。它的高性能總線體系結構滿足了不同系統(tǒng)的需求，低成本的PCI總線構成的計算機系統(tǒng)達到了較高的性能/價格比水平。因此，PCI總線被應用于多種平臺和體系結構中。PCI總線的組件、擴展板接口與處理器無關，在多處理器系統(tǒng)結構中，數(shù)據(jù)能夠高效地在多個處理器之間傳輸。與處理器無關的特性，使PCI總線具有很好的I/O性能，最大限度地使用各類CPU/RAM的局部總線操作系統(tǒng)、各類高檔圖形設備和各類高速外部設備，如SCSI、HDTV、3D等。7/22/202334PCI總線結構

7/22/202335PCIExpress和PCI不同的是實現(xiàn)了傳輸方式從并行到串行的轉變。PCIExpress是采用點對點的串行連接方式，這個和以前的并行通道大為不同，允許和每個設備建立獨立的數(shù)據(jù)傳輸通道。不用再向整個系統(tǒng)請求帶寬，這樣也就輕松地到達了高帶寬要求。PCI-E（PCIExpress）總線7/22/202336PCI-E總線結構

7/22/202337串行的點對點互連差分信號傳送采用交換開關互連多臺設備PCIExpress事務與包PCIExpress的事務分成兩類：非轉發(fā)事務，即請求者發(fā)送請求包給完成者，完成者返回完成包給請求者，如存儲器讀事務；轉發(fā)事務，即只有請求者給完成者發(fā)送請求包，而完成者不用返回完成包給請求者，如存儲器寫事務具有更高的數(shù)據(jù)傳輸率PCI-E總線主要特點7/22/202338PCIExpress設備采用層次結構采用層次結構的優(yōu)勢分散關注松散耦合邏輯復用標準定義7/22/202339錯誤處理具有優(yōu)先級的傳送兩種中斷方式一種是類似PCI-X的MSI協(xié)議，PCIExpress設備啟動一個寫存儲器包，向根復合體發(fā)送一個中斷向量，根復合體再中斷CPU。另一種是使用中斷消息事務向根復合體傳送傳統(tǒng)PCI總線上的INTx＃信號的跳變情況，這種中斷方式只對具有傳統(tǒng)功能的端點設備和PCIExpress-PCI橋的系統(tǒng)有用。支持熱插拔（即帶電插拔，允許用戶在不關閉系統(tǒng)，不切斷電源的情況下取出設備）7/22/2023403外部總線外部總線又稱為通信總線，用于計算機之間，計算機與遠程終端，計算機與外部設備以及計算機與測量儀器儀表之間的通信。該類總線不是計算機系統(tǒng)已有的總線，而是利用電子工業(yè)或其他領域已有的總線標準。外部總線又分為并行總線和串行總線.

7/22/202341IEEE-488總線RS-232-C總線RS-422和RS-485總線通用串行總線（USB）本節(jié)主要內(nèi)容7/22/202342IEEE-488總線是一種并行外部總線，專門用于計算機與測量儀器、輸入輸出設備，以及這些儀器設備之間的并行通信。IEEE-488是1970年由美國惠普公司開發(fā)的并行通訊總線,總線上連接的設備有三種，工作方式也有三種:3.1IEEE-488總線控者（“控制”方式）：每時只能有一個聽者（“受話”方式）：同時可有多個講者（“送話”方式）：每時只能有一個7/22/202343IEEE-488總線的連接示意圖DIO1～

DIO8DAVNRFDNDAC

EOI

IFC

ATNSRQREN

設備A

控者講者聽者

計算機

設備B

講者聽者

電壓表1

設備C

講者聽者

設備D

聽者

數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)控制線接口管理線電壓表2打印機7/22/202344接口管理總線接口清除線IFC、服務請求線SQR、注意線ATN、結束或識別線EQI、遠程允許RENIEEE-488總線的信號分配IEEE-488共定義了24根線（其中8根地線）數(shù)據(jù)總線D1-D8數(shù)據(jù)傳送控制線數(shù)據(jù)有效線DAV、未準備好接受數(shù)據(jù)線NRFD、未接受好數(shù)據(jù)線NDAC7/22/202345數(shù)據(jù)傳輸率不得超過每秒1M字節(jié)總線上的設備數(shù)不得多于15個電纜總長度不超過20m，兩設備間不超過2m采用負邏輯使用IEEE-488的約定7/22/202346采用異步方式，利用三條控制線進行握手聯(lián)絡，實現(xiàn)三線握手的數(shù)據(jù)傳輸IEEE-488總線數(shù)據(jù)傳送時序7/22/202347RS-232-C總線是一種串行外部總線，專門用于數(shù)據(jù)終端設備DTE（DataTerminalEquipment）和數(shù)據(jù)通信設備DCE（DataCommunicationEquipment）之間的串行通信。3.2RS-232-C總線

是1969年由美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）從CCITT遠程通信標準中導出的一個標準。

7/22/202348RS-232-C總線的接口連接器采用DB-25插頭和插座，其中陽性插頭（DB-25-P）與DTE相連，陰性插座（DB-25-S）與DCE相連。

RS-232-C總線的機械特性RS-232-C25個引腳只定義了22個。通常使用的RS-232-C接口信號只有9根引腳，其插頭插座在RS-232-C的機械特性中都有規(guī)定。最基本的三根線是發(fā)送數(shù)據(jù)線2、接收數(shù)據(jù)線3和信號地線77/22/202349MODEM控制和狀態(tài)引腳分為兩組一組為DTR和RTS，負責從計算機通過RS-232C接口送給MODEM另一組為DSR、CTS、DCD和RI，負責從MODEM通過RS-232C接口送給計算機的狀態(tài)信息常用的9根引腳分為兩類：另一類是用于調(diào)制解調(diào)器（MODEM）的控制和反 映其狀態(tài)的引腳?；緮?shù)據(jù)傳送引腳包括：TXD、RXD和GND一類是基本的數(shù)據(jù)傳送引腳7/22/202350RS-232C總線的電氣特性電氣連接方式：TTL電平：+5V為邏輯“1”，0V為邏輯“0”；EIA電平：3~15V為邏輯“1”，-3~-15V為邏輯“0”

主要特點：非平衡的連接方式采用點對點通信公用地線7/22/202351最高通信速率為115200bpsRS-232C標準規(guī)定通信距離應小于15m。電氣參數(shù)

引線信號狀態(tài)

RS-232C標準引線狀態(tài)必須是以下三種之一，即SPACE/MARK(空號/傳號)、或ON/OFF(通/斷)、或邏輯0/邏輯1。引線邏輯電平用-3～-15V表示邏輯1用+3～+15V表示邏輯0

短路抑制性能RS-232C的驅動電路必須能承受電纜中任何導線短路

通信速率

7/22/202352具有MODEM設備的遠距離通信線路

RS-232-C總線的通信結構7/22/202353不用MODEM的直接通信線路最簡單的RS-232C數(shù)據(jù)通信7/22/2023543.3RS-422和RS-485總線

RS-422A標準接口

RS-422由RS-232C發(fā)展而來

RS-422是一種單機發(fā)送、多機接收的單向、平衡傳輸?shù)目偩€標準

RS-422標準規(guī)定了雙端電氣接口型式，使用雙端線傳送信號。它通過傳輸線驅動器，把邏輯電平變換成電位差，完成始端的信息傳送；通過傳輸線接收器，把電位差轉變成邏輯電平，實現(xiàn)終端的信息接收7/22/202355RS-422的數(shù)據(jù)信號采用差分傳輸方式傳輸。RS-422有4根信號線，兩根發(fā)送、兩根接收，RS-422的收與發(fā)是分開的，支持全雙工的通訊方式。RS-422的最大傳輸距離為1200m，最大傳輸速率為10Mbps。RS-422A接口電路7/22/202356RS-485標準接口RS-485是一種多發(fā)送器的電路標準，它是RS-422A性能的擴展，是真正意義上的總線標準。允許在二根導線(總線)上掛接32臺RS--485負載設備。負載設備可以是發(fā)送器、被動發(fā)送器、接收器或組合收發(fā)器（發(fā)送器和接收器的組合）

7/22/202357RS485具有以下特點：RS-485的電氣特性：邏輯“1”以兩線間的電壓差為+2V~+6V表示；邏輯“0”以兩線間的電壓差為-2V~-6V表示。RS-485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10MbpsRS-485接口是采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強。RS-485接口的最大傳輸距離為1200m，在總線上是允許連接多達128個收發(fā)器,即具有多站能力和多機通信功能。7/22/202358RS-485與RS-422的區(qū)別在于：硬件線路上，RS-422至少需要4根通信線，而RS-485僅需2根；RS-422不能采用總線方式通信，但可以采用環(huán)路方式通信，而RS-485兩者均可。通信方式上，RS-422可以全雙工，而RS-485只能半雙工。7/22/202359串行總線協(xié)議轉換器7/22/202360USB設備的主要特點采用USB接口的設備支持熱拔插USB接口可以同時連接127臺USB設備。速度方面，USB1.1總線規(guī)范定義了12Mb/s的帶寬，而USB2.0可提供480Mb/s的傳輸速度，USB3.0傳輸速度為4.8Gb/s。USB總線能夠提供500mA的電流，USB3.0為900mA。3.4USB通用串行總線USB(UniversalSerialBus)協(xié)議標準

USB1.0、USB1.1、USB2.0、USBOn-The-Go（OTG）、USB3.0總線標準

7/22/202361USB傳輸速率及其適用范圍7/22/202362USB總線系統(tǒng)中的設備可以分為三個類型USB主機USB集線器（HUB）USB總線的設備，又稱USB功能外設。USB設備及其體系結構7/22/202363USB的傳輸方式控制(Control)傳輸方式設備控制指令、狀態(tài)查詢及確認命令中斷(Interrupt)傳輸方式數(shù)據(jù)量小、需及時處理的數(shù)據(jù)，如鍵盤、鼠標同步(Isochronous)傳輸方式對數(shù)據(jù)正確性要求不高、對時間敏感的外部設備，如麥克風、喇叭批(Bulk)傳輸方式正確無誤的大批量數(shù)據(jù)，如移動硬盤、打印機、掃描儀和數(shù)碼相機7/22/202364所有USB外設都有一個上行的連接，上行連接采用A型接口，而下行連接一般則采用B型接口。USB設備的電氣連接USB連接分為上行連接和下行連接。USB電纜中有四根導線，VBUS為電源，+5V7/22/202365USB連接設備和主機的連接方法USB集線器和設備的電阻連接7/22/202366USB連接設備和主機的連接方法USB集線器通過監(jiān)視差分數(shù)據(jù)線來檢測設備是否已連接到集線器的端口上.當沒有設備連接到USB端口時，D+和D-通過下拉電阻Rpd電平是近地的。USB設備必須至少在D+和D-線的任意一條上有一個上拉電阻Rpu

由于Rpu=1.5KΩ,Rpd=15KΩ,所以數(shù)據(jù)線上會有90%的Vcc電壓集線器通過檢測不同的數(shù)據(jù)線電壓接近Vcc來判別是哪一類USB設備連接到其端口上如D+電平接近Vcc，D-近地，則所連設備為全速設備如D-電平接近Vcc，D+近地，則所連設備為低速設備當D+和D-的電壓都降到0.8V以下，并持續(xù)2.5微秒以上的話，就認為該設備斷開連接了。7/22/202367其他幾種常見的串行總線I2C總線SPI總線7/22/202368串行通信串行通信：使用串口通信時，發(fā)送和接收到的每一個字符實際上都是一次一位的傳送的，每一位為1或者為0采用串行總線技術可以使系統(tǒng)的硬件設計大大簡化、系統(tǒng)的體積減小、可靠性提高。同時，系統(tǒng)的更改和擴充極為容易可分為同步通信和異步通信兩類同步通信：發(fā)送時鐘和接收時鐘保持嚴格的同步，如：I2C，SPI異步通信：發(fā)送端和接收端可以由各自的時鐘來控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，這兩個時鐘源彼此獨立，互不同步。每個字符都有開始位和停止位，一次同步一個字符，在開始位進行同步。如：UART（RS232）7/22/202369I2C總線（IIC、I2C）I2C（InterICBus）總線是Philips公司開發(fā)的一種雙向兩線串行總線，以實現(xiàn)集成電路之間的有效控制。目前，Philips及其它半導體廠商提供了大量的含有I2C總線的外圍接口芯片，I2C總線已成為廣泛應用的工業(yè)標準之一I2C總線傳輸率標準模式下，基本的I2C總線規(guī)范的規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸速率為100kb/s快速模式下，數(shù)據(jù)傳輸速率為400KB/s高速模式下，數(shù)據(jù)傳輸速率為3.4Mb/s7/22/202370I2C總線采用二線制傳輸，一根是數(shù)據(jù)線SDA（SerialDataLine），另一根是時鐘線SCL（SerialClockLine），所有I2C器件都連接在SDA和SCL上，每一個器件具有一個唯一的地址I2C總線是一個多主機總線，總線上可以有一個或多個主機（或稱主控制器件），總線運行由主機控制主機是指啟動數(shù)據(jù)的傳送（發(fā)起始信號）、發(fā)出時鐘信號、發(fā)出終止信號的器件。通常，主機由單片機或其它微處理器擔任被主機訪問的器件叫從機（或稱從器件），它可以是其它單片機，或者其他外圍芯片，如：A/D、D/A、LED或LCD驅動串行存儲器芯片7/22/202371I2C總線支持多主（multi-mastering）和主從（master-slave）兩種工作方式多主方式下，I2C總線上可以有多個主機。I2C總線需通過硬件和軟件仲裁來確定主機對總線的控制權主從工作方式時，系統(tǒng)中只有一個主機，總線上的其它器件均為從機（具有I2C總線接口），只有主機能對從機進行讀寫訪問，因此，不存在總線的競爭等問題。在主從方式下，I2C總線的時序可以模擬，I2C總線的使用不受主機是否具有I2C總線接口的制約在嵌入式系統(tǒng)的串行總線擴展中，經(jīng)常遇到的是以MCU為主機，其它接口器件為從機的單主機情況7/22/2023727/22/202373采用I2C總線設計系統(tǒng)的優(yōu)點功能框圖中的功能模塊與實際的外圍器件對應，可以使系統(tǒng)設計直接由功能框圖快速地過渡到系統(tǒng)樣機外圍器件直接“掛在”I2C總線上，不需設計總線接口；增加和刪減系統(tǒng)中的外圍器件，不會影響總線和其他器件的工作，便于系統(tǒng)功能的改進和升級集成在器件中的尋址和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議可以使系統(tǒng)完全由軟件來定義7/22/202374I2C總線的數(shù)據(jù)傳輸I2C總線通過上拉電阻接正電源。當總線空閑時，兩根線均為高電平。連到總線上的任一器件輸出的低電平，都將使總線的信號變低，即各器件的SDA及SCL都是線“與”關系7/22/2023751、數(shù)據(jù)位的有效性I2C總線進行數(shù)據(jù)傳送時，時鐘信號為高電平期間，數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定只有在時鐘線上的信號為低電平期間，數(shù)據(jù)線上的高電平或低電平狀態(tài)才允許變化7/22/2023762、起始和終止信號SCL線為高電平期間，SDA線由高電平向低電平的變化表示起始信號SCL線為高電平期間，SDA線由低電平向高電平的變化表示終止信號7/22/202377起始和終止信號都是由主機發(fā)出的，在起始信號產(chǎn)生后，總線就處于被占用的狀態(tài)；在終止信號產(chǎn)生后，總線就處于空閑狀態(tài)連接到I2C總線上的器件，若具有I2C總線的硬件接口，則很容易檢測到起始和終止信號接收器件若無法立刻接收下一個字節(jié)，可以將SCL線拉成低電平，從而使主機處于等待狀態(tài)。直到接收器件準備好接收下一個字節(jié)時，再釋放SCL線使之為高電平，從而使數(shù)據(jù)傳送可以繼續(xù)進行7/22/2023783、數(shù)據(jù)傳輸格式（1）字節(jié)傳送與應答每一個字節(jié)必須保證是8位長度。數(shù)據(jù)傳送時，先傳送最高位（MSB），每一個被傳送的字節(jié)后面都必須跟隨一位應答位（即一幀共有9位）7/22/202379由于某種原因從機不對主機尋址信號應答時（如從機正在進行實時性的處理工作而無法接收總線上的數(shù)據(jù)），它必須將數(shù)據(jù)線置于高電平，而由主機產(chǎn)生一個終止信號以結束總線的數(shù)據(jù)傳送如果從機對主機進行了應答，但在數(shù)據(jù)傳送一段時間后無法繼續(xù)接收更多的數(shù)據(jù)時，從機可以通過對無法接收的第一個數(shù)據(jù)字節(jié)的“非應答”通知主機，主機則應發(fā)出終止信號以結束數(shù)據(jù)的繼續(xù)傳送當主機接收數(shù)據(jù)時，它收到最后一個數(shù)據(jù)字節(jié)后，必須向從機發(fā)出一個結束傳送的信號。這個信號是由對從機的“非應答”來實現(xiàn)的。然后，從機釋放SDA線，以允許主機產(chǎn)生終止信號7/22/202380（2）數(shù)據(jù)幀格式I2C總線上傳送的數(shù)據(jù)信號是廣義的，既包括地址信號，又包括真正的數(shù)據(jù)信號在起始信號后必須傳送一個從機的地址（7位），第8位是數(shù)據(jù)的傳送方向位（R/T），用“0”表示主機發(fā)送數(shù)據(jù)（T），“1”表示主機接收數(shù)據(jù)（R）。每次數(shù)據(jù)傳送總是由主機產(chǎn)生的終止信號結束。但是，若主機希望繼續(xù)占用總線進行新的數(shù)據(jù)傳送，則可以不產(chǎn)生終止信號，馬上再次發(fā)出起始信號對另一從機進行尋址在總線的一次數(shù)據(jù)傳送過程中，可以有以下幾種組合方式：7/22/202381a）主機向從機發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳送方向在整個傳送過程中不變：注：陰影部分表示數(shù)據(jù)由主機向從機傳送，無陰影部分則表示數(shù)據(jù)由從機向主機傳送A表示應答，A非表示非應答（高電平）S表示起始信號，P表示終止信號。

7/22/202382b）主機在第一個字節(jié)后，立即從從機讀數(shù)據(jù)：c）在傳送過程中，當需要改變傳送方向時，起始信號和從機地址都被重復產(chǎn)生一次，但兩次讀/寫方向位正好反相7/22/202383I2C總線的尋址I2C總線協(xié)議有明確的規(guī)定：采用7位的尋址字節(jié)（尋址字節(jié)是起始信號后的第一個字節(jié)）D7～D1位組成從機的地址。D0位是數(shù)據(jù)傳送方向位，為“0”時表示主機向從機寫數(shù)據(jù)，為“1”時表示主機由從機讀數(shù)據(jù)7/22/202384主機發(fā)送地址時，總線上的每個從機都將這7位地址碼與自己的地址進行比較，如果相同，則認為自己正被主機尋址，根據(jù)R/T位將自己確定為發(fā)送器或接收器從機的地址由固定部分和可編程部分組成。從機地址中可編程部分決定了可接入總線該類器件的最大數(shù)目。如一個從機的7位尋址位有4位是固定位，3位是可編程位，這時僅能尋址8個同樣的器件，即可以有8個同樣的器件接入到該I2C總線系統(tǒng)中7/22/202385SPI總線SPI（SerialPeripheralInterface）總線是Motorola公司提出的一種同步串行外設接口，它可以使微控制器（MCU）與各種外圍設備以串行方式進行通信以交換信息。外圍設備包括FLASHRAM、網(wǎng)絡控制器、LCD顯示驅動器A/D轉換器和微控制器等SPI總線使用同步協(xié)議傳送數(shù)據(jù)，接收或發(fā)送數(shù)據(jù)時由主機產(chǎn)生的時鐘信號控制。SPI接口可以連接多個SPI芯片或裝置，主機通過選擇它們的片選來分時訪問不同的芯片7/22/202386SPI總線的構成MOSI（MasterOutSlaveIn）：主機發(fā)送從機接收。MISO（MasterInSlaveOut