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1、通信接口与通信协议,Bob Bi,OSI: Open System Interconnection,通信接口与通信协议,并行通信与串行通信,Parallel bus, ISA,PCI,AXI SPI IIC RS232 RS485/RS422 CAN USB Network MODBUS JTAG,常用名词,通信介质 双绞线，同轴电缆，光纤等。 总线 两个或多个通信主体共享的一组通信线路。 通信协议 描述了各通信主体在总线上的通信规则。时序图是描述硬件协议的常用方法。 通信主体 指参与通信的操作设备，如处理器，存储器等。一般分为主操作设备（master）和从操作设备（slave）。 带宽，数据
2、传输速率，波特率,Communication terms,数据方向 表示待传输的数据在通信主体间的移动方向。可以用接收/发送来表示。 单工，全双工，半双工 数据只能单向传送为单工；信息能双向传送但不能同时双向传送称为半双工；信息能够同时双向传送则称为全双工。 地址 表示待传输数据的来源或目的地。也可理解为通信主体在总线上的ID。 同步通信，异步通信 同步通信要求接收端时钟频率和发送端时钟频率一致，发送端发送连续的比特流。异步通信时不要求接收端时钟和发送端时钟同步。发送端发送完一个字节后，可经过任意长的时间间隔再发送下一个字节。,并行通信,处理器,存储器 （从设备）,data,addr,enab
3、le,r/w,enable,addr,data,fsetup,fread,fsetup,fwrite,r/w,int,ISA 总线,SPI 总线概述,Serial Peripheral Interface 串行外围设备接口，是Motorola公司推出的一种同步串行接口技术。 SPI 主要应用在 EEPROM, Flash, 实时时钟(RTC), 数模转换器(ADC), 数字信号处理器(DSP) 以及数字信号解码器之间. 它在芯片中只占用四根管脚 (Pin) 用来控制以及数据传输, 节约了芯片的 pin 数目, 同时为 PCB 在布局上节省了空间. 正是出于这种简单易用的特性, 现在越来越多的芯
4、片上都集成了 SPI技术. 采用主-从模式(Master-Slave) 控制方式，SS信号进行对从设备的片选。 采用同步方式(Synchronous)传输数据，主设备提供SCLK信号给从设备。,SPI总线连接,SPI连接方式 SPI有4种工作方式，由CPOL和CPHL两位来决定。当CPOL为0时，CLK的空闲状态为低电平。当CPOL为1时，CLK的空闲状态为高电平。当CPHL为0时，在CLK的第1个跳变沿数据被采样。当CPHL为1时，在CLK的第2个跳变沿数据被采样。,SPI时序图：CPHL=1,SPI时序图：CPHL=0,SPI时钟配置,在主设备这边配置SPI接口时钟的时候一定要弄清楚从设备
5、的时钟要求。因为主设备这边的时钟极性和相位都是以从设备为基准的。因此在时钟极性的配置上一定要搞清楚从设备是在时钟的上升沿还是下降沿接收数据是在时钟的下降沿还是上升沿输出数据。但要注意的是由于主设备的SDO连接从设备的SDI从设备的SDO连接主设备的SDI从设备SDI接收的数据是主设备的SDO发送过来的主设备SDI接收的数据是从设备SDO发送过来的所以主设备这边SPI时钟极性的配置即SDO的配置跟从设备的SDI接收数据的极性是相反的跟从设备SDO发送数据的极性是相同的。,IIC总线概述,I2C总线是Philips公司开发的一种二线串行总线，可以使嵌入式系统中的外部设备和CPU 以及外设之间进行进
6、行通信。 SDA:串行数据总线 (Serial DAta) SCL:串行时钟信号（Serial CLock） 支持多主通信，是多主机总线。 技术指标： 传输速率：100kbps 3.4Mbps 寻址位数：7位 10位,IIC总线连接方式,IIC总线接口电平,SDA和SCL在空闲状态都是高电平。所有设备的SDA和SCL线与连接。 SCL 线是高电平时，SDA 线从高电平向低电平切换表示起始条件。 当SCL 是高电平时，SDA 线由低电平向高电平切换表示停止条件。 正常通信时，SDA在SCL为高时保持稳定，当SCL为低时数据变化。,IIC总线时序图,IIC总线有很多工作模式，下面是最简单的一个模式
7、的数据传输时序。,串行同步通信协议,面向比特的同步协议。,串行异步通信协议,起止式异步协议的特点是一个字符一个字符传输，并且传送一个字符总是以起始位开始，以停止位结束，字符之间没有固定的时间间隔要求。 每一个字符的前面都有一位起始位，为低电平，字符本身有5-7位数据位组成，接着字符后面是一位校验位，也可以没有校验位。最后是一位，或二位停止位，停止位后面是不定长度的空闲位。停止位和空闲位都规定为高电平，这样就保证起始位开始处一定有一个下跳沿。,RS-232概述,RS-232C 标准（协议）的全称是 EIA-RS-232C 标准，其中EIA (Electronic Industry Associa
8、tion）代表美国电子工业协会，RS（recommended standard）代表推荐标准，232是标识号，C代表RS232的最新一次修改（1969），在这之前，有RS232B、RS232A。它规定连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。常用物理标准还有有EIARS-422A、EIA RS-423A、EIARS-485。 它适合于数据传输速率在020kb/s范围内的通信。 在通信速率低于20kb/s时，RS-232C 所直接连接的最大物理距离为15m（50英尺）。 EIA-RS-232C 的电气特性(在TxD和RxD上) 逻辑1(MARK)=-3V-15V 逻辑0(SPACE)=+3+
9、15V,RS-232C连接,RS-232C规标准接口有25条线，4条数据线、11条控制线、3条定时线、7条备用和未定义线，常用的只有9根。一般用3根。,RS-422,在RS-232的基础上，为了增强驱动能力和抗干扰能力，产生了RS-422。RS-422有两对差分信号传输线，一对发送，一对接收。 RS-422的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+(26)V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-(26)V表示。 RS-422最大的通信距离约为1219m，最大传输速率为10Mb/S，传输速率与传输距离成反比，在100Kb/S的传输速率下，才可以达到最大的通信距离。,RS-422,由于接收器采用高输
10、入阻抗和发送驱动器比RS232更强的驱动能力，故允许在相同传输线上连接多个接收节点，最多可接10个节点。即一个主设备（Master），其余为从设备（Salve），从设备之间不能通信，所以RS-422支持点对多的全双工通信。,RS-485,RS-485的电气特性和RS-422一样。 RS-485，在RS-422后推出，绝大部分继承了422，主要的差别是RS-485可以是半双工的，而且一个驱动器的驱动能力至少可以驱动32个接收器（即接收器为1/32单位负载），当使用阻抗更高的接收器时可以驱动更多的接收器。所以现在大多数全双工485驱动/接收器对都是标：RS422/485的，因为全双工RS485的驱
11、动/接收器对一定可以用在RS422网络。 RS-485总线一般最大支持32个节点，如果使用特制的485芯片，可以达到128个或者256个节点，最大的可以支持到400个节点。 RS-485组成半双工网络，一般是两线制，多采用屏蔽双绞线传输。 RS-485网络中只能有一个主设备，其余为从设备。,RS-485 总线网络,RS485网络拓扑采用终端匹配的总线结构。构建时需注意： 1.采用一条双绞线电缆作总线，将各个节点串接起来，从总线到每个节点的引出线长度应尽量短，以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。 2.应注意总线特性阻抗的连续性，在阻抗不连续点就会发生信号的反射。 3.终端负载电阻问题，
12、需在总线电缆的开始和末端都并接终端电阻，阻值一般为120，因为一般双绞线的特性阻抗为100120 .,CAN bus,控制器局域网CAN（Controller Area Network），最初是由德国Bosch公司设计的，应用于汽车的监测和控制。 1991年9月，Philips制定并发布CAN技术规范：CAN 2.0 A/B。1993年11月，ISO组织正式颁布CAN国际标准 ISO11898。 CAN-bus是唯一成为国际标准的现场总线，也是国际上应用最广泛的现场总线之一。 CAN总线协议包括对CAN控制器和收发器的规定。即包括物理层和数据链路层。,CAN bus,通讯距离与波特率有关，最大
13、通讯距离可达10km，最大通讯波持率可达1Mbps。 CAN总线采用了多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点。 CAN总线上最大地址数可达256，实际收发器一般支持120个。 显性（逻辑0）：CAN_H对地为3.5V(3V)，CAN_L为1.5V(1V) 隐性（逻辑1）：CAN_H对地为2.5V(2.3V)，CAN_L为2.5V(2.3V) CAN2.0A ：CAN标准报文格式 CAN2.0B ：CAN标准报文格式和扩展报文格式 具有11位标识符的CAN帧称为：标准帧 具有29位标识符的CAN帧称为：扩展帧,CAN bus,CAN总线收发器 CAN总线网络连接
14、和匹配电阻的设计可参考RS-485总线匹配电阻设计。原理相同。,CAN bus 帧格式,数据桢：从发送节点向其它节点发送数据 远程帧：向其它节点请求发送具有同一识别符的数据桢 错误帧：指明已检测到总线错误 过载帧：用以在数据桢（或远程帧）之间提供一份附加的延时,CAN bus 标准数据桢结构,CAN bus 扩展数据桢结构,CAN bus 总线仲裁,总线上显性电平支配隐性电平。 逻辑0为显性电平，逻辑1为隐性电平。 总线空闲时，任何节点可以发送报文。 总线上每条报文都具有惟一的11位或者29位标识符。 报文标识符的值越小，具有越高的优先权。 多个节点同时发送时，总线在”仲裁场”逐位仲裁，高优先
15、权的报文赢得仲裁，继续发送报文。 失去仲裁权的报文在总线空闲时重新发送。,CAN bus 仲裁,USB概述,USB（Universal Serial BUS，通用串行总线）是在1994年底由英特尔、康柏、IBM、Microsoft等多家公司联合提出的。 USB的显著特点就是支持即插即用和热插拔功能。 目前主要使用的协议版本为USB1.1，USB2.0和USB3.0，各协议向下兼容。USB1.1支持12Mbps和1.5Mbps的数据传输率。USB2.0支持高达480Mbps的数据传输率。USB3.0支持5Gbps。 USB标准接口为4针插头（USB3.0为9针）。,USB网络,USB网络采用阶梯
16、式星形拓扑结构。一个USB网络中只能有一个主机。主机内设置了一个根集线器，提供了主机上的初始附属点。USB协议规定最多允许5级集线器进行级联。,USB主设备和从设备,USB系统中包括主机，集线器和从设备。主机中还集成了一个根集线器。主机定时对集线器的状态进行查询，当一个新设备接入集线器时，主机会检测到集线器状态改变，主机发出一个命令使该端口有效并对其进行设置。位于这个端口上的设备进行响应，主机收到关于设备的信息，主机的操作系统确定对这个设备使用那种驱动程序，接着设备被分配一个唯一标识的地址，范围从0127，其中0为所有的设备在没有分配惟一地址时使用的默认地址。主机向它发出内部设置请求。当一个设备从总线上移走时，主机就从其可用资源列表中将这个设备删除。,USB主机,USB的所有数据通信（不论是上行通信还是下行通信）都由USB主机启动，所以USB主机在整个数据传输过程中占据着主导地位。在USB系统中只允许有一个主机。从开发人员的角度看，USB主机可分为三个不同的功能
