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1、嵌入式系统第十一讲嵌入式系统外部总线及网络接口1西安电子科技大学计算机学院本节内容RS232USBSPII2CEthernetCAN2西安电子科技大学计算机学院通信方式与外界的信息交换称为通讯。基本的通讯方式有并行通讯和串行通讯两种。 一条信息的各位数据被同时传送的通讯方式称为并行通 讯。并行通讯的特点是：各数据位同时传送，传送速度快、 效率高，但有多少数据位就需多少根数据线，因此传送 成本高，且只适用于近距离（相距数米）的通讯。3西安电子科技大学计算机学院串行通讯的概念串行通讯：一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通 讯方式称为串行通讯。串行通讯的特点是：数据位传送，按位顺序进行，最少 只需
2、一根传输线即可完成，成本低但传送速度慢。串行通讯的距离可以从几米到几千米。根据信息的传送方向，串行通讯可以进一步分为单工、 半双工和全双工三种。4西安电子科技大学计算机学院能够完成上述“串并”转换功能的电路，通常称为“通用异步收发器” （UART：Universal Asynchronous Receiver and Transmitter）, 典型的芯片有：Intel 8250/8251,16550。 串口通讯-接口电路5西安电子科技大学计算机学院电气特性EIA-RS-232C对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了 规定。在TxD和RxD上：q逻辑1(MARK) =-3V-15Vq逻辑0
3、(SPACE)=+315V在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上：q信号有效（接通，ON状态，正电压）+3V+15Vq信号无效（断开，OFF状态，负电压) = -3V-15V6西安电子科技大学计算机学院TTLRS232转换芯片7西安电子科技大学计算机学院TTLRS232转换芯片8西安电子科技大学计算机学院连接器的机械特性 9西安电子科技大学计算机学院串口通信基本接线方法9针串口（DB9） 25针串口（DB25） 针号功能说明缩写针号功能说明缩写1数据载波检测DCD8数据载波检测DCD2接收数据RXD3接收数据RXD3发送数据TXD2发送数据TXD4数据终端准备DTR20数据终端准备
4、DTR5信号地GND7信号地GND6数据设备准备好DSR6数据准备好DSR7请求发送RTS4请求发送RTS8清除发送CTS5清除发送CTS9振铃指示DELL22振铃指示DELL10西安电子科技大学计算机学院RS-232C的接口信号DSR DTRRS-232C规定标准接口有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，它们是：（1）联络控制信号线：q数据装置准备好（Data set ready-DSR)有效 时（ON）状态，表明通信装置处于可以使用的状态 。q数据终端准备好(Data set ready-DTR)有效时 （ON）状态，表明数据终端可以使用
5、。 这两个信号有时连到电源上，一上电就立即有 效。这两个设备状态信号有效，只表示设备本 身可用，并不说明通信链路可以开始进行通信 了，能否开始进行通信要由下面的控制信号决 定。11西安电子科技大学计算机学院RS-232C的接口信号RTS CTS请求发送(Request to send-RTS)用来表示DTE请求 DCE发送数据，即当终端要发送数据时，使该信号有效 （ON状态），向MODEM请求发送。它用来控制MODEM是否 要进入发送状态。允许发送（Clear to send-CTS）用来表示DCE准备 好接收DTE发来的数据，是对请求发送信号RTS的响应信 号。当MODEM已准备好接收终端传
6、来的数据，并向前发 送时，使该信号有效，通知终端开始沿发送数据线TxD 发送数据。这对RTS/CTS请求应答联络信号是用于半双工MODEM系统 中发送方式和接收方式之间的切换。在全双工系统中作 发送方式和接收方式之间的切换。在全双工系统中，因 配置双向通道，故不需要RTS/CTS联络信号，使其变高 。12西安电子科技大学计算机学院RS-232C的接口信号DCD RI接收线信号检出(Received Line detection- RLSD)用来表示DCE已接通通信链路，告知 DTE准备接收数据。当本地的MODEM收到由通信 链路另一端（远地）的MODEM送来的载波信号 时，使RLSD信号有效，
7、通知终端准备接收，并 且由MODEM将接收下来的载波信号解调成数字 量数据后，沿接收数据线RxD送到终端。此线 也叫做数据载波检出(Data Carrier dectection-DCD）线。振铃指示(Ringing-RI)当MODEM收到交换 台送来的振铃呼叫信号时，使该信号有效（ON 状态），通知终端，已被呼叫。13西安电子科技大学计算机学院RS-232C的接口信号 -TxD RxD（2）数据发送与接收线：q发送数据(Transmitted data-TxD)通过TxD终端将串行数据 发送到MODEM，(DTEDCE)。q接收数据(Received data-RxD)通过RxD线终端接收从
8、MODEM 发来的串行数据，(DCEDTE)。（3）地线q有两根线SG、FG信号地和保护地信号线，无方向。14西安电子科技大学计算机学院实际应用AB15西安电子科技大学计算机学院24NULL MORDEM 的标准接法143216西安电子科技大学计算机学院5NULL MORDEM 的标准接法17西安电子科技大学计算机学院计算机串口通信常用连接最简连接简单连接完全连接18西安电子科技大学计算机学院其它串口通信RS-422q由RS-232发展而来q将传输速率提高到10Mbpsq单发多收，最多可连接10个接收器RS-485q在RS-422的基础上定制了RS-485q具有多点、双向通信能力，最多可接32
9、个接收 器q通信距离长，可达千米以外19西安电子科技大学计算机学院USB通用串行总线（Universal Serial Bus）q由Intel等厂商制定的连接计算机与具有USB接 口的多种外设之间通信的串行总线。目前最为流行的计算机外设接口总线形式越来越多的嵌入式系统采用20西安电子科技大学计算机学院主要性能特点使用简单，支持热插拔节省系统资源，整个的USB的系统只有一个端口和 一个中断。连接方便，采用“级联”方式可连接多个外部设备 （最多可达7层，127个）。应用范围广，支持三种传输速率，设备带宽可从几 Kbps到几Mbps，可适应不同速率的设备为了适应各种不同类型外围设备的要求USB提供了
10、 四种不同的数据传输类型。总线供电，USB总线可为连接在其上的设备提供电 压，设备也可以自供电。21西安电子科技大学计算机学院22西安电子科技大学计算机学院传输速率低速q1.5Mbps全速q12Mbps高速q480MbpsUSB1.1实现了低速和全速USB2.0在1.1的基础上实现了高速传输23西安电子科技大学计算机学院UAB系统USB主机q任一USB系统中只有一个主机，它负责管理整个 USB系统包括USB Device 的连接与删除Host 与 USB Device 的通信总路线的控制等等。USB设备qHub（集线器）：提供到USB的附加连接点qFunction（功能）：为主机系统提供附加性
11、能USB互联qUSB设备与主机的连接和通信方式，包括总线拓 扑结构、内层关系、数据流模型和USB调度表24西安电子科技大学计算机学院USB传输方式控制传输q控制传输是双向传输，数据量通常较小。qUSB系统软件用来主要进行查询、配置和给USB设备发送通用的命令。同步传输q同步传输提供了确定的带宽和间隔时间（latency)。q它被用于时间严格并具有较强容错性的流数据传输，或者用于要求恒 定的数据传输率的即时应用中。中断传输q中断方式传输主要用于定时查询设备是否有中断数据要传输。q设备的端点模式器的结构决定了它的查询频率，从1到255ms之间。q这种传输方式典型的应用在少量的、分散的、不可预测数据
12、的传输。块传输q块传输主要应用在数据大量传输和接受数据上，同时又没有带宽和间 隔时间要求的情况下保证传输。25西安电子科技大学计算机学院26西安电子科技大学计算机学院SPI串行外围设备接口（Serial Peripheral Interface）q由Motorola公司开发q是一种高速的，全双工，同步的串行通信总线 q用来在微控制器和外围芯片之间提供一个低成 本、易使用的接口。不同于标准的串行接口，SPI是同步协议接 口27西安电子科技大学计算机学院SPI接口是以主从方式工作的,这种模式通 常有一个主器件和一个或多个从器件,其接 口包括以下四种信号：q（1）MOSI 主器件数据输出,从器件数据
13、输 入q（2）MISO 主器件数据输入,从器件数据输 出q（3）SCLK 时钟信号,由主器件产生q（4）/SS 从器件使能信号,由主器件控制28西安电子科技大学计算机学院在点对点的通信中,SPI接口不需要进行寻 址操作,且为全双工通信,显得简单高效。 29西安电子科技大学计算机学院在多个从器件的系统中,每个从器件需要独立的 使能信号 30西安电子科技大学计算机学院SPI接口在内部硬件实际上是两个简单的移位寄存器 ,传输的数据为8位,在主器件产生的从器件使能信号 和移位脉冲下,按位传输,高位在前,低位在后。 31西安电子科技大学计算机学院例32西安电子科技大学计算机学院I2CI2C(InterI
14、ntegrated Circuit)总线q由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连 接微控制器及其外围设备。I2C总线特点 q简单的2线，占用空间小q能够以10Kbps的最大传输速率支持40个组件 q支持多主控(multimastering)， 其中任何能够 进行发送和接收的设备都可以成为主总线 ，但 在任何时间点上只能有一个主控 。q双向传输，与公共时钟同步q两根线都是开漏的（open-drain），连接方便33西安电子科技大学计算机学院I2C总线工作原理 I2C总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串 行总线，可发送和接收数据。 在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向 传送
15、，最高传送速率100kbps。各种被控制电路均并联在这条总线上 ，每 个电路和模块都有唯一的地址。34西安电子科技大学计算机学院I2C总线传送的信号类型 开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平 跳变，开始传送数据。结束信号：SCL为低电平时，SDA由低电平向高电平 跳变，结束传送数据。 应答信号：接收数据的IC在接收到8bit数据后，向 发送数据的IC发出特定的低电平脉冲，表示已收到 数据。qCPU向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个 应答信号，CPU接收到应答信号后，根据实际情况作出是 否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，由判断为 受控单元出现故障。 35西安电子科
16、技大学计算机学院例36西安电子科技大学计算机学院以太网以太网（Ethernet）协议已经非常广泛地 应用于各种计算机网络。嵌入式Internet的应用越来越得到人们的 重视。以太网是嵌入式接入Internet最简便的方 式37西安电子科技大学计算机学院嵌入式以太网接口的实现嵌入式处理器网卡芯片q只需把特定的以太网芯片连接到嵌入式处理器 的总线上q通用性强，不受处理器的限制。q速度慢，可靠性不够高，电路板走线复杂带有以太网接口的嵌入式处理器q要求嵌入式处理器有通用的网络接口（MII接口 ）q这种处理器通常是面向网络应用设计的q处理器和网络数据的交换通过内部总线，速度 较快38西安电子科技大学计算机学院TCP/IP协议应用层qBSD套接字传输层qTCP、UDP网络层qIP、ARP、ICMP、IGMP数据链路层qIEEE802.3 Ethernet
