總線與RS232分析課件

總線與異步串行接口總線與異步串行接口什么是總線？總線功能？總線組成？總線在多于兩個模塊（設備、子系統(tǒng)）之間傳送信息的公共通道信息共享和交換物理介質和管理信息傳輸的協(xié)議什么是總線？總線在多于兩個模塊（設備、子系統(tǒng)）之間傳送信息的主設備1、啟動一個總線周期-總線事務2、每次只能有一個主設備控制總線（CPUDMAC等等）從設備響應主設備請求同一時間里有一個或多個從設備響應主設備請求如（DMAC(DMAC未申請到總線時，作為從設備)UART控制器USB控制器I2C控制器SPI控制器等）總線設備類型主設備總線設備類型集中式仲裁如：AMBAPCI總線分布式仲裁如：CANI2C總線等總線仲裁集中式仲裁總線仲裁按傳輸關系分類主從結構（好處協(xié)議簡單）只有主設備才能啟動數據傳輸，協(xié)議簡單單主設備-USBRS485--無需仲裁多主設備-PCIAMBAWISHBONE集中式總線仲裁器I2CCAN分布式仲裁對等結構每個設備都可以啟動數據傳輸，協(xié)議復雜以太網-介質訪問控制方式-CSMA/CD令牌網RS485-令牌IEEE1394總線分類按傳輸關系分類總線分類機械規(guī)范（物理連接方式，包括插頭、形狀、大小、間距、排列方式等）電氣規(guī)范（信號電平的定義，建立時間、保持時間、轉換時間、直流特性、交流特性、負載能力等）引腳（名稱、定義、功能和邏輯關系）協(xié)議（如何協(xié)調、硬件握手、軟件握手）總線標準總線標準PCI(PedpherdComponentInterconnect,周邊元件擴展接口)1991年下半年，Intel公司首先提出了PCI的概念。Intel聯(lián)合IBM、Compaq、AST、HP、DEC等100多家公司成立了PCI集團，其英文全稱為：PeripheralComponentInterconnectSpecialInterestGroup(外圍部件互連專業(yè)組)，簡稱PCISIG。93年發(fā)布PCI2.0，32位，33MHz。5個以上PCI插槽AGP（圖形加速處理）90年代后期，PCI-X，64位/66MHzPCI(PedpherdComponentInterc3GIO-PCIExpressPCIVS.PCIExpressPCIPCIExpress3GIO-PCIExpressPCIVS.PCIExI2CPHILIPS開發(fā)了一種用于內部IC控制的簡單的雙向兩線串行總線I2C(Inter-IntegratedCircuit)最高速率100Kbps，25英尺，最多可支持40個設備數據線時鐘線I2CPHILIPS開發(fā)了一種用于內部IC控制的簡單的雙向CAN（ControllerAreaNetwork）80年代末，由德國Bosch公司最先提出被設計作為汽車環(huán)境中的微控制器通訊，在車載各電子控制裝置ECU之間交換信息，形成汽車電子控制網絡。40米以內，1Mbps；10Km，5Kbps；理論上可以支持無限多個設備抗電磁干擾性強

可根據報文的ID決定接收或屏蔽該報文可靠的錯誤處理和檢錯機制發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動重發(fā)節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動退出總線的功能CAN（ControllerAreaNetwork）80USB（UniversalSerialBus）IBM、Compaq、Nortel、NEC、 Intel以及Microsoft聯(lián)合距離<5米，Hub<30米樹拓撲結構，127個點，4線（2根電源線，2根數據線）低速USB1.1，1.5MbpsUSB2.0速率高達480Mbps支持熱插拔和即插即用USB（UniversalSerialBus）IBM、總線機制微處理器（CPU）是嵌入式系統(tǒng)硬件平臺的核心構件，但不是全部。按照馮·諾依曼體系結構思想，計算機的硬件是由CPU、存儲器和I/O設備三部分組成的?？偩€是把CPU與存儲器、I/O設備相連接的信息通道，但總線并不僅僅指的是一束信號線，而應包含相應的通信協(xié)議。按照使用場合的不同，總線分成芯片級總線（CPU總線）、板卡級總線（內總線）和系統(tǒng)級總線（外總線）?？偩€機制微處理器（CPU）是嵌入式系統(tǒng)硬件平臺的核心構件，但同步異步問題穩(wěn)態(tài)ReadWrite穩(wěn)態(tài)讀寫總線的時序圖同步異步問題穩(wěn)態(tài)ReadWrite穩(wěn)態(tài)讀寫總線的時序圖同步vs異步串行vs并行異步串行通訊簡介：在一條傳輸線上完成單向傳輸。將傳輸數據的字符一位接一位的傳送。接收方對于同一條線上的一連串連續(xù)數學信號，首先將其分割成位，再按位組成字符。每個字符需要確定起始位和結束位，字符與字符間還可能有長度不定的空閑時間，因此傳輸效率較低。同步vs異步串行vs并行異步串行通訊簡介：字符串行輸出格式發(fā)送前：線路處于空閑狀態(tài)，連續(xù)發(fā)送“1”開始發(fā)送：首先，發(fā)送一位起始位“0”

然后，發(fā)送連續(xù)的二進制位，數據位可以為5、6、7、8

隨后，緊跟一位奇偶校驗位（可選擇奇/偶/無校驗）最后，發(fā)送停止位“1”，可以有1位、1.5位或2位停止位字符串行輸出格式串行接口●波特率傳送數據位的速率稱為波特率，用位／秒（bit/s）來表示，稱之為波特。例如，數據傳送的速率為120字符／秒，每幀包括10個數據位，則傳送波特率為：10×120=1200b/s=1200波特每一位的傳送時間是波特的倒數，如1/1200=0.833ms。異步通信的波特率的數值通常為：150、300、600、1200、2400、4800、9600、14400、28800等，數值成倍數變化。●校驗位在一個有8位的字節(jié)（byte）中，其中必有奇數個或偶數個的“1”狀態(tài)位。對于偶校驗就是要使字符加上校驗位有偶數個“1”；奇校驗就是要使字符加上校驗位有奇數個“1”。例如數據“00010011”，共有奇數個“1”，所以當接收器要接收偶數個“1”時（即偶校驗時），則校驗位就置為“1”，反之，接收器要接收奇數個“1”時（即奇校驗時），則校驗位就置為“0”。串行接口●波特率串行接口一般校驗位的產生和檢查是由串行通信控制器內部自動產生，除了加上校驗位以外，通信控制器還自動加上停止位，用來指明欲傳送字符的結束。停止位通常取1、1.5或2個位。對接收器而言，若未能檢測到停止位則意味著傳送過程發(fā)生了錯誤。在異步通信方式中，在發(fā)送的數據中含有起始位和停止位這兩個與實際需要傳送的數據毫無相關的位。如果在傳送1個8位的字符時，其校驗位、起始位和停止位都為1個位，則相當于要傳送11個位信號，傳送效率只有約80%。（2）同步通信方式為了提高通信效率可以采用同步通信方式。同步傳輸采用字符塊的方式，減少每一個字符的控制和錯誤檢測數據位，因而可以具有較高的傳輸速率。串行接口一般校驗位的產生和檢查是由串行通信控制器內部自動產串行接口與異步方式不同的是，同步通信方式不僅在字符的本身之間是同步的，而且在字符與字符之間的時序仍然是同步的，即同步方式是將許多的字符聚集成一字符塊后，在每塊信息（常常稱之為信息幀）之前要加上1～2個同步字符，字符塊之后再加入適當的錯誤檢測數據才傳送出去。在同步通信時必須連續(xù)傳輸，不允許有間隙，在傳輸線上沒有字符傳輸時，要發(fā)送專用的”空閑”字符或同步字符。在同步方式中產生一種所謂“冗余”字符，防止錯誤傳送。假設欲傳送的數據位當作一被除數，而發(fā)送器本身產生一固定的除數，將前者除以后者所得的余數即為該“冗余”字符。當數據位和“冗余”字符位一起被傳送到接收器時，接收器產生和發(fā)送器相同的除數，如此即可檢查出數據在傳送過程中是否發(fā)生了錯誤。統(tǒng)計數據表明采用”冗余”字符方法錯誤防止率可達99%以上。串行接口與異步方式不同的是，同步通信方式不僅在字符的本身之能夠完成上述“串<-->并”轉換功能的電路，通常稱為“通用異步收發(fā)器”（UART：UniversalAsynchronousReceiverandTransmitter）,典型的芯片有：Intel8250/8251,16550。

串口通訊--接口電路能夠完成上述“串<-->并”轉換功能的電路，通常稱為“通用并行通信方式與外界的信息交換稱為通訊?；镜耐ㄓ嵎绞接胁⑿型ㄓ嵑痛型ㄓ崈煞N。一條信息的各位數據被同時傳送的通訊方式稱為并行通訊。并行通訊的特點是：各數據位同時傳送，傳送速度快、效率高，但有多少數據位就需多少根數據線，因此傳送成本高，且只適用于近距離（相距數米）的通訊。并行通信方式與外界的信息交換稱為通訊。數據傳輸方向--------><-------->-------->A-------BA--------BA-------B

<--------－－－－－－－－－單工半雙工全雙工數據傳輸方向--------><-------->-----數據傳輸方向1）單工通信

數據信息在通信線上始終向一個方向傳輸。如，廣播電視，收音機電視機只能分別接受來自電臺電視臺的信號，不能進行相反方向的信息傳輸。2）半雙工通信

數據信息可以雙向傳輸，但必須交替進行，同一時刻一個信道只允許單向傳送。半雙工通信要求AB端都有發(fā)送裝置和接受裝置。如對講機通信就是典型的半雙工通信方式，在一方講話的時候另一方不能講話，但通過開切換可以切換可以改變童話方式。3）全雙工通信

全雙工通信同時進行二個方向的通信，既二個信道，可同時進行雙向的數據傳輸。它相當于把二個相反方向的單工通信方式組合起來。全雙工通信效率高，控制容易，士與計算機間的通信，普通電話是一種典型的全雙工通信。數據傳輸方向1）單工通信UART簡介UART（UniversalAsynchronousReceiverandTransmitter，通用異步收發(fā)器）主要由數據線接口、控制邏輯、配置寄存器、波特率發(fā)生器、發(fā)送部分和接收部分組成，采用異步串行通信方式，采用RS-232C9芯接插件（DB-9）連接，是廣泛使用的串行數據傳輸方式，UART以字符為單位進行數據傳輸，每個字符的傳輸格式如圖6.1.4所示，包括線路空閑狀態(tài)（高電平）、起始位（低電平）、5～8位數據位、校驗位（可選）和停止位（位數可以是1、1.5或2位）。這種格式通過起始位和停止位來實現(xiàn)字符的同步。UART內部一般具有配置寄存器，通過該寄存器可以配置數據位數（5～8位）、是否有校驗位和校驗的類型以及停止位的位數（1位、1.5位或2位）等。圖UART的字符傳輸格式UART簡介圖UART的字符傳輸格式RS-232C總線是由美國電子工業(yè)協(xié)會EIA于1969年修定的一種通信接口標準，專門用于數據終端設備DTE和數據通信設備DCE之間的串行通信。數據終端設備DTE（DataTerminalEquipment）是數據的源點或歸宿，通常是指輸入、輸出設備和傳輸控制器或者計算機等數據處理裝置及其通信控制器。數據通信設備DCE(DataCommunicationEquipment)的任務是實現(xiàn)由源點到目的點的傳輸，通常是指自動呼叫應答設備、調制解調器以及其它一些中間裝置的集合。RS232串行通信接口RS-232C總線是由美國電子工業(yè)協(xié)會EIA于1969年修定RS232串行通信接口RS232串行通信接口機械特性標準的RS—232C接口定義了25個信號針，采用25針接插件DB-25，并規(guī)定DTE的接插件為凸形，DCE的接插件為凹形。對不需要25針的系統(tǒng)來說，常用9針的簡化接插件。機械特性標準的RS—232C接口定義了25個信號針，采用2（a）DB-25（b）DB-9圖25芯和9芯D型插接件引腳的定義和信號之間的對應關系（a）DB-25電氣特性EIA-RS-232C對電器特性、邏輯電平和各種信號線功能都作了規(guī)定。在TxD和RxD上：邏輯1(MARK)=-3V～-15V

邏輯0(SPACE)=+3～＋15V在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制線上：信號有效（接通，ON狀態(tài)，正電壓）＝+3V～+15V信號無效（斷開，OFF狀態(tài)，負電壓)=-3V～-15V電氣特性電氣特性由于RS-232C是早期為促進公用電話網絡進行數據通信而制定的標準。為了增加信號在線路上的傳輸距離和提高抗干擾能力，RS-232C采用了較高的傳輸電平，且為雙極性、公共地和負邏輯，即規(guī)定邏輯“1”狀態(tài)電平為-15~-5V，邏輯“0”狀態(tài)電平為+5~+15V，其中-5~+5V用作信號狀態(tài)的變遷區(qū)。而計算機均采用TTL邏輯電平。TTL電平規(guī)定低電平“0”在0~+0.8V之間，高電平“1”在+2.4~+5V之間，因此在TTL電路與RS-232C總線之間要進行電平的轉換及正反邏輯的轉換，否則將使TTL電路燒毀。電氣特性由于RS-232C是早期為促進公用電話網絡進行數據通TTLRS232轉換芯片TTLRS232轉換芯片常用的RS-232總線接口信號符號25針引腳9針引腳信號流向功能TxD23輸出發(fā)送數據RxD32輸入接收數據RTS47輸出請求發(fā)送CTS58輸入清除發(fā)送DSR66輸入數據裝置準備好GND75信號地DCD81輸入數據載體檢測DTR204輸出數據終端準備好RI229輸入振鈴指示常用的RS-232總線接口信號符號25針引腳9針引腳信號流向RS-232總線接口信號DB-9各引腳功能如下：●CD：載波檢測。主要用于Modem通知計算機其處于在線狀態(tài)，即Modem檢測到撥號音?！馬XD：接收數據線。用于接收外部設備送來的數據?！馮XD：發(fā)送數據線。用于將計算機的數據發(fā)送給外部設備?！馜TR：數據終端就緒。當此引腳高電平時，通知Modem可以進行數據傳輸，計算機已經準備好?！馭G：信號地?！馜SR：數據設備就緒。此引腳為高電平時，通知計算機Modem已經準備好，可以進行數據通信●RTS請求發(fā)送。此引腳由計算機來控制，用以通知Modem馬上傳送數據至計算機；否則，Modem將收到的數據暫時放人緩沖區(qū)中?！馛TS清除發(fā)送。此引腳由Modem控制，用以通知計算機將要傳送的數據送至Mo-dem。●RI：振鈴提示。Modem通知計算機有呼叫進來，是否接聽呼叫由計算機決定。RS-232總線接口信號DB-9各引腳功能如下：RS232-硬件握手協(xié)議--硬件握手1DTR:數據終端設備準備好。DTE加電后，并能正確實現(xiàn)通信時，向DCE發(fā)出DTR信號2DSR:數據通信設備準備好。MODEM加電后，并能正常執(zhí)行通信功能時，向DTE發(fā)出DSR信號3RTS:請求發(fā)送當DTE有數據需要向遠程DTE傳送時，DTE在檢測DSR有效時向本地MODEM發(fā)出RTS信號本地MODEM檢測到RTS有效，然后根據目的電話號碼向遠程MODEM發(fā)出呼叫遠程MODEM收到此呼叫，發(fā)出回答載波信號本地MODEM接收載波信號，向遠程MODEM發(fā)出原載波信號，同時向DTE發(fā)出數據載波信號DCDRS232-硬件握手協(xié)議--硬件握手DCD:數據載波檢測時MODEM發(fā)向DTE表示已檢測出對方載波信號CTS：允許發(fā)送當一個MODEM辨認出對方MODEM已準備好接收時，使用CTS信號通知自己的DTE，表示這個通信通道已為傳輸數據做好準備，允許DTE進行數據發(fā)送至此通信鏈路建立，可以通信RI：振鈴指示線如果MODEM具有自動應答能力，當對方呼叫傳來時，MODEM向DTE發(fā)出該信號，指示此呼叫在電話呼叫振鈴結束后，MODEM在DTE已準備好情況下（即DTR有效），立即向對方自動應答DTRDSR本地計算機MODEM準備好RTSCTS本地與遠程計算機準備好RS232-硬件握手DCD:數據載波檢測時MODEM發(fā)向DTE表示已檢測出對方載DTRDSRRTSCTSTXDRXDSGRIDCD

DTRDSR實際應用AB實際應用AB

無Modem的最簡連線

（3線制）把通信雙方都當作數據終端設備看待，雙方都可發(fā)也可收。在這種方式下，通信雙方的任何一方，只要請求發(fā)送RTS有效和數據終端準備好DTR有效就能開始發(fā)送和接收。（1）RTS與CTS互聯(lián)：只要請求發(fā)送，立即得到允許

（2）DTR與DSR互聯(lián)：只要本端準備好，認為本端立即可以接收（DSR、數傳機準備好）

無Modem的最簡連線

（3線制）把通信雙方都當作數據無Modem的標準聯(lián)線（7線制）（1）當甲方的DTE準備好，發(fā)出DTR信號，該信號直接聯(lián)至乙方的RI（振鈴信號）和DSR（數傳機準備好）。即只要