嵌入式系統原理與設計

第七章通信接口設計本章簡介計算機與外界的信息交換稱為通信。基本的通信方式有兩種，即并行通信和串行通信。并行通信是指數據的各位同時進行傳送（發送或接收）的通信方式。串行通信指數據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，都是通過一對導線或通信來傳遞信息，這時數據時一位一位進行傳輸的，每一位都占據一個規定長度的時間間隔，這樣數據一位位順序傳遞的通信方式稱為串行通信。

完成串行通信任務的接口稱為串行通信接口。本節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計方法。１．數據傳送方式串行通信時，數據在兩個站(或設備)A與B之間傳送，按數據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)方式只允許數據按一個固定的方向傳送。采用這種方式時，就已經確定了通信雙方中的一方為接收端，另一方為發送端。這種確定方式是不可以改變的。如圖7.1(a)現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)通信是指信息的發送和接收要同時公用一條線，在半雙工方式中，數據可在兩個設備之間任一個方向傳輸，但兩個設備之間只有一根傳輸線，故同一時間內只能在一個方向上傳輸數據，不能同時收發，故在通信換向時接口部分要靠電路轉換，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送的信息用不同的通道供信息的發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用技術主要有時分復用TDM和頻分復用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，在數據線上要保持連續的字符，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間隙。特點：傳送信息量大，數度高，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，一個字傳輸的結束要用間隔位進行字間隔。通常一組數據由多個字符組成，而字符是若干數碼位的集合。特點：靈活性好，便于處理實時性強的串行數據；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備傳輸數據快慢，傳輸速率定義為每秒鐘傳輸的字符幀數（2）波特率串行中每秒鐘傳送二進制數碼的位數稱為波特率。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的數據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據中0或1位數的奇偶性，來判斷數據在傳送過程中是否出錯。累加和校驗:如果要對有n個字節的數據塊進行校驗，則可以采用累加和校驗方法。CRC循環冗余校驗:將一個數據塊看成一個很長的二進制數。在重要數據傳送時經常采用較為復雜的CRC循環冗余校驗。表７.１ＲＩＡ制定的傳送電氣規格5．電氣特性RS-232C是由美國電子工業協會EIA于1969年制定并采用的一種串行通信接口標準，后來被廣泛采用，發展成為一種國際通用的串行通信接口標準。表7.1即為RIA制定的傳送電氣規格。狀態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標準采用的接口是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數據載波檢測2RXD數據接收3TXD數據發送4DTR數據終端準備好5GND地6DSR數據設備準備好7RTS請求發送8CTS清除發送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串行接口設計實例由于RS-232C標準所定義的高、低電平信號與S3C4510B系統的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過信號電平的轉換，目前常使用的電平轉換電路為MAX232，其引腳分布如圖7.2。圖7.2MAX232引腳分布7.1.2串行接口設計實例圖7.3為MAX232的常見應用電路圖，C1、C2、C3、C4用于電平轉換，其典型值為0.1uF。圖7.3MAX232的常見應用電路

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送與接收1～2個停止位5、6、7或8個數據位奇偶校驗

7.1.2串行接口設計實例7.2.1接口概述

總線是嵌入式系統中常用的網絡接口，它常用于將微控制器連接到系統的總線。1.I2C總線數據傳送格式在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總線技術規范中，開始和結束信號（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

當時鐘線SCL為高電平時，數據線SDA由高電平跳變為低電平，定義為“開始”信號。當SCL線為高電平時，SDA線發生低電平到高電平的跳變，定義為“結束”信號。開始和結束信號都是由主器件產生的。

圖7.4開始和結束信號的定義2.I2C總線數據傳送過程I2C總線傳送數據時，每次都是先傳送最高位，通常從器件在接收到每個字節后都會做出響應，即釋放SCL線返回高電平，準備接收下一個數據字節，主器件可繼續傳送。如果從器件正在處理一個實時事件而不能接收數據時，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，此時主器件產生1個結束信號，使傳送異常結束，迫使主器件處于等待狀態。當從器件處理完畢時將釋放SCL線，主器件繼續傳送。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，有時會發生兩個或多個主器件同時想占用總線的情況。當多個主器件同時想占用總線時，如果某個主器件發送高電平，而另一個主器件發送低電平，則發送電平與此時SDA總線電平不符的那個器件將自動關閉其輸出級。7.2.1接口概述

7.2.2接口設計實例圖7.5AT24C01應用電路

本實例介紹一種常見的存儲器AT24C01在S3C4510嵌入式系統的設計和應用編程方法。7.2.2接口設計實例S3C4510B片內的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、串行數據傳輸。（4）連接到I2C總線的器件數目僅受到最大總線電容

（400PF）的限制。7.2.2接口設計實例

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接口設計實例S3C4510B的I2C總線控制器為一個串行I2C總線主控器。可通過設置預分頻寄存器（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×（預分頻寄存器的值＋1）＋3）寫數據的操作：先設置控制狀態寄存器的BF位，然后寫入數據到移位緩沖寄存器。移位緩沖寄存器無論是被讀還是寫，BF位均會自動清零。若要進行連續的讀/寫操作，必須設置控制狀態寄存器的ACK位。讀數據的操作：在設置控制狀態寄存器的BF位以后，可以進行讀數據的操作，當讀/寫完最后一個字節時，可對ACK位進行復位，通知發送器/接收器讀數據操作的結束。7.3Ethernet以太網接口

隨著網絡技術的發展以及嵌入式系統的廣泛應用,傳統基于總線的控制技術也將朝著網絡化的方向發展。為使嵌入式系統可以接入Internet就必須做好兩個方面的準備：（1）在硬件上，要給嵌入式系統設計一個以太網接口電路；（2）在軟件上，要提供相應的通信協議。7.3.1Ethernet接口概述1．以太網工作原理以太網/IEEE802.3通常使用專門的網絡接口卡或通過系統主電路板上的電路實現。以太網采用廣播機制，所有與網絡連接的工作站都可以看到網絡上傳遞的數據。以太網采用CSMA/CD介質訪問技術，任何工作站都可以在任何時間訪問網絡。作為一種基于競爭機制的網絡環境，以太網允許任何一臺網絡設備在網絡空閑時發送信息。7.3.1Ethernet接口概述2．以太網的傳輸編碼以太網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數字編碼7.3.1Ethernet接口概述3．以太網幀格式以太網（特指10Mbps的以太網）協議有兩種。一種是IEEE802.2/IEEE802.3，另一種是以太網幀的封裝格式，以太網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/長度數據段填充位FCS長度56848481646~1500X327.3.2以太網控制器RTL80197.3.2以太網控制器RTL8019RTL8019是高度集成的以太網控制器，為即插即用式NE2000兼容網絡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以太網控制器RTL801905NCRTBCR0PAR4CONFIG2CONFIG206FIFOTBCR1PAR5CONFIG3CONFIG307ISRISRCURRTEST08CRDA0RSAR0MAR0CSNSAV09CRDA1RSAR1MAR1HLTCLK0x0A8019ID0RBCR0MAR20x0B8019ID1RBCR1MAR3INTR0x0CRSRRSRMAR4RCRFMWP0x0DCNTR0TCRMAR5TCR0x0ECNTR1DCRMAR6DCR0x0FCNTR2IMRMAR7IMR[0x10:0x17]DMA端口[0x18:0x1F]復位端口7.3.2以太網控制器RTL80191．RTL8019的復位RTL8019的復位引腳RSTDRV是高電平有效的復位信號，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，以確保完全復位。18h～1Fh的8個地址，為復位端口，對該端口的偶數地址讀或寫入任何數，都會引起以太網控制器的復位，這種方式稱為熱復位。

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

要對網卡的物理地址進行設置，就必須知道網卡的物理地址是多少。RAM地址中的0x0000～0x000B的12字節是網卡的物理地址。

7.3.3Ethernet接口設計實例

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

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

7.4USB接口由于USB接口技術在最近幾年已成為計算機領域發展最快的技術之一，幾乎所有的外設都可以借助USB接口輕易地與PC機相連。許多嵌入式系統生產廠商都嘗試在自己的平臺上應用USB接口技術。因此，掌握USB接口技術的概念、原理以及應用對嵌入式系統設計者來說就是必要的。7.4.1USB接口概述一個USB系統由USB主機、USB設備和USB互連構成。（1）USB設備USB設備分為Hub（集線器）和Function（功能）兩大類。USB設備應具有標準的USB接口。（2）USB主機在任一個USB系統中只有一個主機，到主計算機系統的USB接口被稱作主控制器。（3）USB互連USB互連指的是USB設備與主機的連接和通信方式，它包括總線拓撲結構、內層關系、數據模型和USB調度表。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，圖7.9中的兩根線用于信號發送。存在兩種數據傳輸率：圖7.9USB的電纜電纜中包括VBUS、GND兩條線，向設備提供電源。VBUS使用+5V電源。

7.4.1USB接口概述2．USB的數據傳輸類型

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

（1）控制數據傳送當USB設備初次安裝時，USB系統軟件使用控制數據對設備進行設置，設備驅動程序通過特定的方式使用控制數據來傳送，數據傳送是無損性的。7.4.1USB接口概述（2）批量數據傳送批量數據是由大量的數據組成，如使用打印機和掃描儀時，批量數據是連續的。（3）中斷數據傳輸中斷數據是少量的，且其數據延遲時間也是在有限范圍內的。（4）同步傳輸同步數據的建立、傳送和使用是連續且實時的，同步數據是以穩定的速率發送和接收實時的信息，同步數據要使接收者與發送者保持相同的時間安排。7.4.1USB接口概述3．USB的數據傳輸原理

USB主控制器使用間隔為1ms的幀來實現數據傳輸。USB設備最大的特點就是即插即用，之所以能夠這樣，是因為USB協議規定在主機啟動或是USB設備插入系統的時候都要對設備進行配置。4．USB總線協議

USB是一種查詢（Polling）總線，由主控制器啟動所有的數據傳輸。USB上所掛連的外設通過由主機調度的（Host-Scheduled）、基于令牌的（Token-Based）協議來共享USB帶寬。7.4.1USB接口概述5.USB設備開發

USB設備開發的一般步驟如下：（1）根據所要開發的設備的功能需要，進行電路設計。（2）編寫固件程序。（3）根據所用設備是否為標準USB設備，來決定是否另外編寫驅動，還是使用操作系統自帶的驅動程序來訪問USB設備。（4）把編寫好的固件程序載入USB設備，并將USB設備插入主機總線。（5）按需要調試和重復以上步驟。7.4.2USB接口設計實例

以Philips公司生產的USB接口芯片PDIUSBD12設計S3C4510B的USB接口為實例，介紹USB的工作原理和設計方法。

1．PDIUSBD12的主要特性（1）符合通用串行總線USB1.1版規范；（2）高性能USB接口器件集成了SIEFIFO存儲器、收發器以及電壓調整器；（3）符合大多數器件的分類規格；7.4.2USB接口設計實例（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）完全自治的直接內存取DMA操作；（6）集成320字節多結構FIFO存儲器；（7）主端點的雙緩沖配置增加了數據吞吐量并輕松實現實時數據傳送；（8）在批量模式和同步模式下均可實現1MB/s的數據傳送速率；7.4.2USB接口設計實例（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接口設計實例（14）符合ACPI、OnNOW和USB電源管理的要求；（15）內部上電復位和低電壓復位；（16）工業級操作溫度-40℃～+85℃；（17）具有高錯誤恢復率（>99%）的全掃描設計確保了高品質；（18）雙電源操作3.30.3V或擴展的5V電源，范圍為3.6～5.5V；（19）多中斷模式實現批量和同步傳輸。7.4.2USB接口設計實例圖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接口設計實例管腳符號類型描述1DATA<0>IO2雙向數據位02DATA<1>IO2雙向數據位13DATA<2>IO2雙向數據位24DATA<3>IO2雙向數據位35GND