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文檔簡介
1、9.1 通信協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn)概述 9.1.1通信協(xié)議的概念 就協(xié)議本身而言,是指在當(dāng)前的市場經(jīng)濟(jì)環(huán)境中各種協(xié)會團(tuán)體及經(jīng)濟(jì)組織及人與人之間的相互約定或共同簽署的相互約束的有關(guān)文本或條例等。 簡單的說,是指當(dāng)通信實(shí)體之間彼此通訊時(shí),所共同遵守的通訊規(guī)則與標(biāo)準(zhǔn)。這里指的通信實(shí)體指存在數(shù)據(jù)通信的各種設(shè)備及芯片。和其它通信方式一樣,在通信系統(tǒng)中規(guī)定一個(gè)統(tǒng)一的通信標(biāo)準(zhǔn),即通信的內(nèi)容是什么、如何通信、何時(shí)通信,都必須在通信的實(shí)體之間達(dá)成大家都能接受的協(xié)定,這些協(xié)定就被稱為通信協(xié)議。也可將協(xié)議定義為監(jiān)督和管理兩個(gè)實(shí)體之間的數(shù)據(jù)交換的一整套規(guī)則。概括地說,通信協(xié)議是對數(shù)據(jù)傳送方式的規(guī)定,包括數(shù)據(jù)格式定義及數(shù)據(jù)位定義等
2、。 從通信系統(tǒng)構(gòu)成通信網(wǎng)這一邏輯解析為不同系統(tǒng)中實(shí)體之間實(shí)現(xiàn)的信息傳遞與交流,要使各實(shí)體間能夠相互理解、共同遵守都能接受的規(guī)則(規(guī)定、標(biāo)準(zhǔn)),我們把這些規(guī)則的集合稱之為通信協(xié)議。 9.1.2通信協(xié)議的主要內(nèi)容通信協(xié)議的規(guī)則主要包括了通信的各實(shí)體間要完成的各種操作(語義)和信息交換的各種格式(語法)等。通信協(xié)議有以下三個(gè)要素:1語義即需要發(fā)出何種控制信息、完成何種協(xié)議以及做出何種應(yīng)答,通俗地說“講什么”;2語法即數(shù)據(jù)與控制信息的結(jié)構(gòu)或格式等,即“怎么講”;3同步規(guī)定事件實(shí)現(xiàn)順序的詳細(xì)說明,即確定通信狀態(tài)的變化和過程,如通信雙方的應(yīng)答關(guān)系,即“順序速度控制”。9.1.3通信標(biāo)準(zhǔn)化組織簡介通信標(biāo)準(zhǔn)與
3、通信協(xié)議密切相關(guān),在通信協(xié)議下會產(chǎn)生各種通信制式或標(biāo)準(zhǔn)。然而,這些通信協(xié)議、制式、標(biāo)準(zhǔn)又是由國際的、地區(qū)的或國家的相關(guān)組織來制定的。當(dāng)前國際通信標(biāo)準(zhǔn)化組織主要有:國際電信聯(lián)盟(ITU)、美國電器和電子工程協(xié)會(IEEE)、美國電子工業(yè)協(xié)會(EIA)、國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)和國際電工委員會(IEC)等。 國際電信聯(lián)盟(ITU)- International Telecommunications UnionITU是世界各國政府的電信主管部門之間協(xié)調(diào)電信事務(wù)方面的一個(gè)國際組織,成立于1865年5月17日。由電信標(biāo)準(zhǔn)部門(TSS)、無線電通信部門(RS)和電信發(fā)展部門(TDS)組成。其中TSS它主要
4、由CCITT、CCIR中從事標(biāo)準(zhǔn)化工作的部門合并組成,其主要職責(zé)是完成電信聯(lián)盟有關(guān)電信標(biāo)準(zhǔn)方面的目標(biāo),包括研究電信技術(shù)、操作和資費(fèi)等問題,并就這類問題提出建議,以使全世界的電信標(biāo)準(zhǔn)化。 2. 美國電器和電子工程協(xié)會(IEEE)- Institute of Electrical and Electronic Engineers IEEE是一個(gè)非營利性科技學(xué)會,擁有全球近175個(gè)國家三十六萬多名會員。透過多元化的會員,該組織在太空、計(jì)算機(jī)、電信、生物醫(yī)學(xué)、電力及消費(fèi)性電子產(chǎn)品等領(lǐng)域中都是主要的權(quán)威。在電氣及電子工程、計(jì)算機(jī)及控制技術(shù)領(lǐng)域中,IEEE 發(fā)表的文獻(xiàn)占了全球?qū)⒔俜种EEE每年也
5、會主辦或協(xié)辦三百多項(xiàng)技術(shù)會議。它定制的標(biāo)準(zhǔn)有數(shù)百種之多,如IEEE 802.2、IEEE 802.3、IEEE 802.11。 3. 美國電子工業(yè)協(xié)會(EIA ) - Electronic Industries AssociationEIA美國電子工業(yè)協(xié)會創(chuàng)建于1924年,當(dāng)時(shí)名為無線電制造商協(xié)會( RMA Radio Manufacturers Association) EIA主要制定各種電子元器件的電氣性能、規(guī)格尺寸、連接方法、測試方法等標(biāo)準(zhǔn)及制定數(shù)據(jù)通信終端(DCE)連接接口標(biāo)準(zhǔn),如EIA-3系列及EIA-4系列標(biāo)準(zhǔn)。以及電子設(shè)備的封裝規(guī)范等數(shù)百個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。 4. 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)
6、- International Organization for StandardizationISO成立于1946年,是世界上最大的國際性標(biāo)準(zhǔn)化專門機(jī)構(gòu),是一個(gè)全球性的非政府組織,專門從事編制和宣傳工業(yè)和貿(mào)易技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的組織。 此標(biāo)準(zhǔn)化組織的工作領(lǐng)域很廣,包括了農(nóng)業(yè)、石油工業(yè)、礦業(yè)、環(huán)境保護(hù)、信息處理等。在通信技術(shù)方面它主要制定了開放系統(tǒng)互連標(biāo)準(zhǔn),提出了一系列的信息處理標(biāo)準(zhǔn)、信息處理系統(tǒng)及數(shù)據(jù)通信的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn),以及ISO信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),以及信息交換、局域網(wǎng)及各種互連業(yè)務(wù)的若干標(biāo)準(zhǔn)。5國際電工委員會(IEC) - International Electrotechnical CommissionIE
7、C成立于1906年,是世界上最早的國際性電工標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu),總部設(shè)在日內(nèi)瓦。 IEC負(fù)責(zé)有關(guān)電工、電子領(lǐng)域的國際標(biāo)準(zhǔn)化工作,其他領(lǐng)域則由ISO負(fù)責(zé)。IEC的宗旨是促進(jìn)電工、電子領(lǐng)域中標(biāo)準(zhǔn)化及有關(guān)方面問題的國際合作,增進(jìn)相互了解。工作領(lǐng)域包括了電力、電子、電信和原子能方面的電工技術(shù)。現(xiàn)已制訂國際電工標(biāo)準(zhǔn)3000多個(gè)。 通信的標(biāo)準(zhǔn)很多,很復(fù)雜。通信協(xié)議包括軟件協(xié)議和硬件協(xié)議,軟件協(xié)議主要是通過協(xié)議棧來實(shí)現(xiàn),硬件協(xié)議具體體現(xiàn)在通信設(shè)備接口和通信總線。各種通信設(shè)備間及設(shè)備內(nèi)外設(shè)間的通信,必須采用符合相應(yīng)的通信協(xié)議或標(biāo)準(zhǔn)的接口或總線協(xié)議才能正常通信。因此本章就常用的一些工業(yè)控制、計(jì)算機(jī)通信等方面的總線協(xié)議及
8、接口進(jìn)行簡單介紹 9.2 通信總線及接口基本概念9.2.1通信總線接口概述一個(gè)設(shè)備中的微處理器要和外圍芯片設(shè)備以及設(shè)備之間都存在通信,首先需確立通信協(xié)議,按照統(tǒng)一的電氣標(biāo)準(zhǔn),然后通過通信介質(zhì)進(jìn)行交互數(shù)據(jù)。 為了簡化硬件電路設(shè)計(jì)、簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu),常用一組線路,配置以適當(dāng)?shù)慕涌陔娐罚c各部件和外圍設(shè)備連接,這組共用的連接線路被稱為總線。 通信總線和接口是各種電氣設(shè)備通信的基礎(chǔ),因此,要實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備之間的正常通信,必須有通信總線和接口。通信方式按照連接方式可分為有線通信和無線通信。按照數(shù)據(jù)傳送方式可分為并行通信和串行通信,相應(yīng)的通信總線被稱為并行總線和串行總線。不管是按照什么方式來分其數(shù)據(jù)傳輸都是按并
9、行或串行通信的方式來進(jìn)行的。 9.2.2 并行通信 并行通信傳輸中有多個(gè)數(shù)據(jù)位,同時(shí)在兩個(gè)設(shè)備之間傳輸。通信速度快,但用的通信線多、成本高 。圖9.1 并行數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)傳輸9.2.3 串行通信串行數(shù)據(jù)傳輸時(shí),數(shù)據(jù)是一次一位地在通信線上傳輸?shù)摹?圖9.2 串行數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)傳輸 串行數(shù)據(jù)通信的方向性結(jié)構(gòu)有三種,即單工、半雙工和全雙工。 圖9.3 串行數(shù)據(jù)通信的方向性結(jié)構(gòu) 串行通信可以分為同步通信和異步通信兩類。同步通信是按照軟件識別同步字符來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收,異步通信是一種利用字符的再同步技術(shù)的通信方式。 1同步通信同步通信是一種連續(xù)串行傳送數(shù)據(jù)的通信方式,一次通信只傳送一幀信息。這里的信息幀與異步通
10、信中的字符幀不同,通常含有若干個(gè)數(shù)據(jù)字符。它們均由同步字符、數(shù)據(jù)字符和校驗(yàn)字符(CRC)組成。 2異步通信異步通信中,在異步通行中有兩個(gè)比較重要的指標(biāo):字符幀格式和波特率。數(shù)據(jù)通常以字符或者字節(jié)為單位組成字符幀傳送。發(fā)送端和接收端可以由各自的時(shí)鐘來控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收,這兩個(gè)時(shí)鐘源彼此獨(dú)立,互不同步。9.2.4 串行通信和并行通信的發(fā)展 從技術(shù)發(fā)展的情況來看,串行傳輸方式大有徹底取代并行傳輸方式的勢頭。 1并行傳輸技術(shù)遭遇發(fā)展困境由于并行傳送方式的前提是用同一時(shí)序傳播信號,用同一時(shí)序接收信號,而過分提升時(shí)鐘頻率將難以讓數(shù)據(jù)傳送的時(shí)序與時(shí)鐘合拍,布線長度稍有差異,數(shù)據(jù)就會以與時(shí)鐘不同的時(shí)序送達(dá)。
11、提升時(shí)鐘頻率還容易引起信號線間的相互干擾。因此,并行方式難以實(shí)現(xiàn)高速化。2差分信號技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了信號串行高速傳輸隨著總線頻率的提高,所有信號傳輸都遇到了同樣的問題:線路間的電磁干擾越厲害,數(shù)據(jù)傳輸失敗的發(fā)生幾率就越高,傳統(tǒng)的單端信號傳輸技術(shù)無法適應(yīng)高速總線的需要。 差分信號技術(shù)就開始在各種高速總線中得到應(yīng)用,在差動(dòng)傳輸模式下,共模干擾被磁芯抵消,但不會產(chǎn)生額外的線路阻抗。 單端/差分信號傳輸比較 a)單端信號傳輸 b)差分信號傳輸差分傳輸技術(shù)不僅突破了速度瓶頸,而且使用小型連接可以節(jié)約空間。近年來,除了USB和FireWire(IEEE1394),還涌現(xiàn)出很多以差分信號傳輸為特點(diǎn)的串行連接標(biāo)
12、準(zhǔn),幾乎覆蓋了主板總線和外部I/O端口,呈現(xiàn)出從并行整體轉(zhuǎn)移到新串行時(shí)代的大趨勢。 9.3 常用內(nèi)部串行通信總線及接口為了盡量減少總線接口和布線,產(chǎn)生了一些專用于板級通信的串行總線,如SPI、I2C、UART等。 這些串行通信總線及接口的共同特點(diǎn)有:通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化,接口具有較好的通用性;通信距離短,主要用于CPU外圍芯片設(shè)備;通信速率低,一般低于10Mbps;占用CPU總線少,接口簡單;連接方便,不需要特別電路,一般可通過芯片引腳直接連接。9.3.1 SPI總線及接口1. SPI總線接口概述SPI(Serial Parallel Bus)總線是Motorola公司提出的一個(gè)同步串行外設(shè)接口,允
13、許CPU 與各種外圍接口器件以串行方式進(jìn)行通信、交換信息。SPI接口主要用于中央處理器和外圍低速器件之間進(jìn)行同步串行數(shù)據(jù)傳輸,可以實(shí)現(xiàn)全雙工通信,其數(shù)據(jù)出數(shù)速度總體來說要比I2C總線要快,速度可以達(dá)到幾Mbps。2. SPI硬件結(jié)構(gòu)及總線特點(diǎn)SPI接口在主設(shè)備產(chǎn)生的從器件使能信號和移位時(shí)鐘信號的同步作用下,按位傳輸。SPI總線接口包括以下4根信號線:SCLK串行時(shí)鐘信號,由主控制器產(chǎn)生;MISO主設(shè)備輸入/從設(shè)備輸出線;MOSI主設(shè)備輸出/從設(shè)備輸入線;/SS從設(shè)備低電平有效的使能信號線,由主設(shè)備產(chǎn)生。SPI總線結(jié)構(gòu)特點(diǎn):(1)連線較少,簡化電路設(shè)計(jì)。 (2)器件統(tǒng)一編址,并與系統(tǒng)地址無關(guān),操
14、作SPI獨(dú)立性好。(3)器件操作遵循統(tǒng)一的規(guī)范,使系統(tǒng)軟硬件具有良好的通用性。圖9.7 SPI總線主從設(shè)備結(jié)構(gòu) 3SPI總線通信協(xié)議SPI總線通信過程主要是在串行同步時(shí)鐘SCK的控制下,兩個(gè)雙向移位寄存器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。 圖9.8 SPI總線四種工作方式SPI 模塊為了和外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,根據(jù)外設(shè)工作要求,其輸出串行同步時(shí)鐘極性和相位可以進(jìn)行配置,時(shí)鐘極性(CPOL)對傳輸協(xié)議沒有重大的影響。 a)CPHA=0時(shí)SPI總線數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序 如果CPHA=0, 在串行同步時(shí)鐘的第一個(gè)跳變沿(上升或下降)數(shù)據(jù)被采樣; b)CPHA=1時(shí)SPI總線數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序 如果CPHA=1,在串行同步時(shí)鐘的第二個(gè)跳變
15、沿(上升或下降)數(shù)據(jù)被采樣。 4SPI總線主要應(yīng)用SPI總線設(shè)備具有可以同時(shí)發(fā)出和接收串行數(shù)據(jù)、可以當(dāng)作主設(shè)備或從設(shè)備工作、提供頻率可編程時(shí)鐘、發(fā)送結(jié)束中斷標(biāo)志、寫沖突保護(hù)、總線競爭保護(hù)等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中連接不同的板上設(shè)備,如:EEPROM、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器 、TC (Real Time Clock)、LCD、多媒體卡、SD內(nèi)存卡等。9.3.2 I2C總線及接口I2C (Inter-Integrated Circuit芯片間電路接口)總線是一種由PHILIPS公司開發(fā)的兩線式串行總線,用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。 1I2C總線的特征 只要求兩條總線線路一條串行數(shù)據(jù)
16、線SDA,一條串行時(shí)鐘線SCL; 每個(gè)連接到總線的器件都可以通過唯一的地址和一直存在的簡單的主機(jī)從機(jī)關(guān)系軟件設(shè)定地址,主機(jī)可以作為主機(jī)發(fā)送器或主機(jī)接收器; 它是一個(gè)真正的多主機(jī)總線,如果兩個(gè)或更多主機(jī)同時(shí)初始化數(shù)據(jù)傳輸可以通過沖突檢測和仲裁防止數(shù)據(jù)被破壞; 串行的8位雙向數(shù)據(jù)傳輸位速率在標(biāo)準(zhǔn)模式下可達(dá)100kb/s,快速模式下可達(dá)400kb/s ,高速模式下可達(dá)3.4Mb/s; 片上的濾波器可以濾去總線數(shù)據(jù)線上的毛刺波保證數(shù)據(jù)完整; 連接到相同總線的IC數(shù)量只受到總線的最大電容400pF限制。 2I2C總線硬件結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)傳輸SCLSDA微控制器(master)EEPROM(servant)溫度
17、傳感器(servant)LCD控制器(servant) 400 pFAddr=0 x01 Addr=0 x02 Addr=0 x03圖9.10 I2C總線結(jié)構(gòu) 所有接到I2C總線上的設(shè)備的串行數(shù)據(jù)都接到總線的SDA線,各設(shè)備的時(shí)鐘線SCL接到總線的SCL。所以每個(gè)電路和模塊都有唯一的地址,CPU發(fā)出的控制信號分為地址碼和控制量兩部分傳輸數(shù)據(jù)的過程如下a主器件要發(fā)送信息到從器件主器件尋址從器件主器件發(fā)送器發(fā)送數(shù)據(jù)到從器件接收器主器件終止傳輸b如果主器件想從器件接收信息主器件尋址從器件主器件接收器從器件發(fā)送器接收數(shù)據(jù)主器件終止傳輸3. I2C總線通信協(xié)議I2C總線在傳送數(shù)據(jù)過程中共有三種類型信號,
18、 它們分別是:開始信號、結(jié)束信號和應(yīng)答信號。開始信號:SCL為高電平時(shí),SDA由高電平向低電平跳變,開始傳送數(shù)據(jù)。結(jié)束信號:SCL為低電平時(shí),SDA由低電平向高電平跳變,結(jié)束傳送數(shù)據(jù)。應(yīng)答信號:接收數(shù)據(jù)的IC在接收到8bit數(shù)據(jù)后,向發(fā)送數(shù)據(jù)的IC發(fā)出特定的低電平脈沖,表示已收到數(shù)據(jù)。 對于7位地址的數(shù)據(jù)傳輸合法的數(shù)據(jù)傳輸格式如圖9.12所示,在I2C總線傳輸過程中,將兩種特定的情況定義為開始和停止條件(如圖9.11):當(dāng)SCL保持“高”,SDA由“高”變?yōu)椤暗汀睍r(shí)為開始條件;SCL保持“高”,SDA由“低”變?yōu)椤案摺笔菫橥V箺l件。 P8位DATAAR/W7位地址域S讀寫控制位起始位應(yīng)答位停止
19、位圖9.12 I2C總線7位地址的數(shù)據(jù)傳輸格式 4. I2C總線的分類標(biāo)準(zhǔn)模式規(guī)定數(shù)據(jù)傳輸速率可高達(dá)100kb/s, 快速模式位速率高達(dá)400kb/s,快速模式器件向下兼容 高速模式Hs模式位速率高達(dá)3.4Mb/s,完全向下兼容快速模式或標(biāo)準(zhǔn)模式(F/S 模式) 10 位尋址允許使用高達(dá)1024個(gè)額外的從機(jī)地址。10位尋址和7位尋址兼容,7位與10位的低至編碼可以用在同一總線上,并可以任意應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)模式、快速模式以及高速模式中 5I2C總線的應(yīng)用場合 使用I2C設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)十分方便、靈活、體積也小,在各類實(shí)際應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用。許多IC芯片支持該總線接口:如EEPROMS、Flash、一些
20、RAM、實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片、看門狗、微控制器。 9.3.3 UART異步串行通信接口1異步串行通信概述異步串行通信被廣泛應(yīng)用于微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和嵌入式設(shè)備中,主要采用UART(Universal Asynchronous Receiver and Transmitter,通用異步收發(fā)器)接口。異步串行通信包括了RS232、RS499、RS423、RS422和RS485等物理接口標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和總線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,即UART是異步串行通信口的總稱。而RS232、RS499、RS423、RS422和RS485等,是對應(yīng)各種異步串行通信口的接口標(biāo)準(zhǔn)和總線標(biāo)準(zhǔn),它規(guī)定了通信口的電氣特性、傳輸速率、連接特性和接口的機(jī)械特性等
21、內(nèi)容。 2異步串行通信協(xié)議異步串行通信協(xié)議包括起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位、停止位。 常用的波特率為50,95,110,150,300,600,1200,2400,4800,9600,115200等。1111/01/01/01/01/01/01/01/01100D0D0D0D3D4D5D6第n個(gè)字符空閑位空閑位空閑位停止位奇偶位起始位數(shù)據(jù)位圖9.13 異步串行通信字符的傳送格式接收方按約定的格式接收數(shù)據(jù),并進(jìn)行檢查,一般可以查出以下三種錯(cuò)誤:1)奇偶錯(cuò):在約定奇偶檢查的情況下,接收到的字符奇偶狀態(tài)和約定不符。2)幀格式錯(cuò):一個(gè)字符從起始位到停止位的總位數(shù)不對。3)溢出錯(cuò):若先接收的字符尚未被微機(jī)
22、讀取,后面的字符又傳送過來,則產(chǎn)生溢出錯(cuò)。每一種錯(cuò)誤都會給出相應(yīng)的出錯(cuò)信息,提示用戶處理。 3異步串行通信接口定義一般UART接口定義四根引腳,分別如下:1)RxD( Receive Data )數(shù)據(jù)接收引腳,用于串行通信數(shù)據(jù)接收;2)TxD( Transmit Data )數(shù)據(jù)發(fā)送引腳,用于串行通信數(shù)據(jù)發(fā)送;3)RTS(Request to Send)請求數(shù)據(jù)發(fā)送引腳,用于標(biāo)明接收設(shè)備有沒有準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù),即當(dāng)終端要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),使該信號有效;4)CTS(Clear to Send)允許數(shù)據(jù)發(fā)送引腳,用于CTS來起動(dòng)和暫停來自計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)流,用來表示從設(shè)備準(zhǔn)備好接收主設(shè)備發(fā)來的數(shù)據(jù),是對請求發(fā)
23、送信號RTS的響應(yīng)信號。UART設(shè)備要進(jìn)行正常的通信,必須將一個(gè)設(shè)備的TxD引腳和另一個(gè)設(shè)備的RxD引腳相連,如圖9.14所示。 UART AUART BTxDRxDCTSRTSTxDRxDCTSRTS圖9.14 UART通信接口連接示意圖4異步串行通信的應(yīng)用由于異步串行通信具有接口統(tǒng)一、連接方便等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)設(shè)備的模塊擴(kuò)展(如GPS模塊、藍(lán)牙通信模塊、GSM等)和通信(如調(diào)制解調(diào)器)。 9.4常用外部通信總線及接口9.4.1異步串行總線及接口 RS-232C是由美國電子工業(yè)協(xié)會(EIA)正式分布的串行總線標(biāo)準(zhǔn)。 為了提高數(shù)據(jù)傳輸率和通訊距離,EIA又分布了RS-449、RS-44
24、2/423/485串行總線接口標(biāo)準(zhǔn)。 1.RS-232C串行總線接口RS-232是PC機(jī)與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的種串行接口。RS-232被定義為一種在低速率串行通信中增加通信距離的單端標(biāo)準(zhǔn)。RS-232-C定義包括以下幾個(gè)方面:接口的機(jī)械特性;電氣信號特征;交換功能特性。 電氣特性驅(qū)動(dòng)器上的負(fù)載電容不超過2500pF。驅(qū)動(dòng)器上的負(fù)載電阻在3000歐-7000歐之間。在指定負(fù)載下,數(shù)據(jù)信號傳輸率(或波特率)低于2000bps。相對于信號地線,RS-232-C線的最高電壓不超過15v驅(qū)動(dòng)器能產(chǎn)生+5+15v(邏輯0)和-5-15v(邏輯1)的電壓。輸入端能接收+5+15v(邏輯0)和-5-15v(
25、邏輯1)的信號。(2)物理接口定義 連接器:由于RS-232C并未定義連接器的物理特性,因此,出現(xiàn)了DB-25、DB-15和DB-9各種類型的連接器,其引腳的定義也各不相同,現(xiàn)在常用DB-9連接器,其接口定義 見表9-1。圖9.15 RS-232C接口外形及信號線分配2RS-422串行總線接口RS-422由RS-232發(fā)展而來。為改進(jìn)RS-232通信距離短、速度低的缺點(diǎn),RS-422定義了一種平衡通信接口,將傳輸速率提高到10Mbps,允許在一條平衡總線上連接最多10個(gè)接收器。RS-422是一種單機(jī)發(fā)送、多機(jī)接收的單向、平衡傳輸規(guī)范。RS-422的數(shù)據(jù)信號采用差分傳輸方式,也稱作做平衡傳輸。
26、它使用一對雙絞線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,將其中一線定義為A,另一線定義為B,如圖9.16所示,驅(qū)動(dòng)器能產(chǎn)生+2- +6v(邏輯0)和-2- -6v(邏輯1)。 圖9.16 RS-422電氣特性圖9.17 a)是其DB9連接器引腳定義,圖9.17 b)是典型的RS-422四線接口。實(shí)際上還有一根信號地線,共5根線。 a)RS-422 DB9連接器引腳定義 b)RS-422四線接口電路圖9.17 RS-422電氣特性RS-422的最大傳輸距離為4000英尺(約1219米),最大傳輸速率為10Mb/s。其平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比,在100kb/s速率以下,才可能達(dá)到最大傳輸距離。只有在很短的距離下才能
27、獲得最高速率傳輸。一般100米長的雙絞線上所能獲得的最大傳輸速率僅為1Mb/s。 3RS-485串行總線接口為擴(kuò)展應(yīng)用范圍,EIA在RS-422的基礎(chǔ)上制定了RS-485標(biāo)準(zhǔn),增加了多點(diǎn)、雙向通信能力,通常在要求通信距離為幾十米至上千米時(shí),廣泛采用R5-485收發(fā)器。RS-485收發(fā)器采用平衡發(fā)送和差分接收,即在發(fā)送端,驅(qū)動(dòng)器將TTL電平信號轉(zhuǎn)換成差分信號輸出;在接收端,接收器將差分信號變成TTL電平,因此具有抑制共模干擾的能力,加上接收器具有高的靈敏度,能檢測低達(dá)200mV的電壓,故數(shù)據(jù)傳輸可達(dá)千米以外。與RS-422一樣只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對多的通信,即只能有一個(gè)主(Master)設(shè)備,其余為從設(shè)備
28、,但它比RS-422有所改進(jìn)。無論四線還是二線連接方式總線上都可連接多達(dá)32個(gè)設(shè)備。 RS-485與RS-422的共模輸出電壓是不同的。RS-485共模輸出電壓在-7V至+12V之間,而RS-422在-7V至+7V之間,RS-485接收器最小輸入阻抗為12千歐;RS-422是4千歐;RS-485滿足所有RS-422的規(guī)范,所以RS-485的驅(qū)動(dòng)器可以在RS-422網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用,但RS-422的驅(qū)動(dòng)器并不完全適用于RS-485網(wǎng)絡(luò)。9.4.2 USB接口1USB概述USB是Universal Serial Bus 的縮寫,由Intel公司提出,由 Compaq、 Digital、IBM、Intel
29、、Microsoft、NEC、Northern Telecom 聯(lián)合推出,目標(biāo)就是使不同廠家所生產(chǎn)的設(shè)備可以在一個(gè)開放的體系下廣泛地使用。USB的設(shè)計(jì)主要遵循以下幾個(gè)準(zhǔn)則:易于擴(kuò)充多個(gè)外圍設(shè)備;價(jià)格低廉,且支持480M比特率的數(shù)據(jù)傳輸;對聲音音頻和壓縮視頻等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的充分支持;協(xié)議靈活,綜合了同步和異步數(shù)據(jù)傳輸;兼容了不同設(shè)備的技術(shù):綜合了不同PC機(jī)的結(jié)構(gòu)和體系特點(diǎn):提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口,廣泛接納各種設(shè)備;賦予PC機(jī)新的功能,使之可以接納許多新設(shè)備2USB的電氣特性USB傳送信號和電源是通過一種四線的電纜,中的兩根線是用于發(fā)送信號。 圖9.18 USB電纜 USB有3種模式:低速、全速、高速。各種
30、模式的特性及應(yīng)用范圍參見表9-2。 性 能應(yīng) 用特 性低速交互設(shè)備10-20Kbps鍵盤、鼠標(biāo)、游戲棒低價(jià)格、熱插拔、易用性全速電話、音頻、壓縮視頻500Kbps12MbpsISBN,PBX,POTS低價(jià)格、易用性、動(dòng)態(tài)插拔、限定帶寬和延遲高速音頻、磁盤25480Mbps音頻、磁盤高帶寬、限定延遲、易用性表9-2 USB的特性及應(yīng)用范圍3USB的體系結(jié)構(gòu)一個(gè)USB系統(tǒng)主要被定義為三個(gè)部分:USB的互連;USB的主機(jī);USB的設(shè)備。(1)USB互連 USB的互連是指USB設(shè)備與主機(jī)之間進(jìn)行連接和通信的操作,主要包括以下幾方面:總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):USB設(shè)備與主機(jī)之間的各種連接方式;內(nèi)部層次關(guān)系:根據(jù)
31、性能疊置,USB的任務(wù)被分配到系統(tǒng)的每一個(gè)層次;數(shù)據(jù)流模式;描述了數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中通過USB從產(chǎn)生方到使用方的流動(dòng)方式;USB的調(diào)度:USB提供了一個(gè)共享的連接。對可以使用的連接進(jìn)行了調(diào)度以支持同步數(shù) 圖9.19 USB的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) (2)USB主機(jī) 在USB總線中只有一個(gè)主機(jī)。USB總線與計(jì)算機(jī)主機(jī)系統(tǒng)的接口部分就是主機(jī)控制器,它可被看做一個(gè)硬件、固件和軟件的結(jié)合體。主機(jī)系統(tǒng)中集成了一個(gè)根hub來提供一個(gè)或多個(gè)連接點(diǎn)。 USB的主機(jī)的主要作用:檢測USB設(shè)備的安裝和拆卸;管理在主機(jī)和USB設(shè)備之間的控制流;管理在主機(jī)和USB設(shè)備之間的數(shù)據(jù)流;收集狀態(tài)和動(dòng)作信息;提供能量給連接的USB設(shè)備。(3)U
32、SB設(shè)備USB設(shè)備可被分為兩大類:hub類(提供附加USB接入點(diǎn)的設(shè)備)和功能設(shè)備類(為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)某些功能的設(shè)備,如ISDN適配器、數(shù)字游戲桿等)。按照功能,USB設(shè)備又可分為很多類,如:音頻、人機(jī)交互、顯示、通信、電源、打印機(jī)、海量存儲、物理反饋等設(shè)備。每個(gè)USB設(shè)備都必須提供自鑒定信息和通用的設(shè)置。4. USB的總線協(xié)議 USB總線屬一種輪訊方式的總線,主機(jī)控制端口初始化所有的數(shù)據(jù)傳輸。每一總線最多傳送三個(gè)數(shù)據(jù)包: 令牌包 (Token Packet)、數(shù)據(jù)包 (Data Packet)和握手信號包 (Handshake Packet)。 按照傳輸前制定好的原則,在每次傳送開始時(shí),主機(jī)控制器
33、發(fā)送一個(gè)描述傳輸運(yùn)作的種類、方向、USB設(shè)備地址(Device Address)和終端號(End Point)的USB數(shù)據(jù)包 圖9.20 USB數(shù)據(jù)傳輸、幀和數(shù)據(jù)包的組成5USB的數(shù)據(jù)流種類數(shù)據(jù)和控制信號在主機(jī)和USB設(shè)備間的交換存在兩種通道,單向和雙向。USB的數(shù)據(jù)傳送是在主機(jī)和一個(gè)USB設(shè)備的指定端口之間。這種主機(jī)和USB設(shè)備的端口間的聯(lián)系稱作通道。 USB的結(jié)構(gòu)包含四種基本的數(shù)據(jù)傳輸類型(傳輸通道):控制數(shù)據(jù)傳送 批量數(shù)據(jù)傳送中斷數(shù)據(jù)的傳送 同步數(shù)據(jù)的傳送 (1)控制數(shù)據(jù)傳送在設(shè)備連接時(shí)用釆對設(shè)備進(jìn)行設(shè)置,還可對指定設(shè)備進(jìn)行控制,如通道控制。當(dāng)USB設(shè)各初次安裝時(shí),USB系統(tǒng)軟件使用控制
34、數(shù)據(jù)對設(shè)備進(jìn)行設(shè)置,設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通過特定的方式使用控制數(shù)據(jù)來傳送,數(shù)據(jù)傳送是無損性的。如:在連接時(shí)配置設(shè)備,控制其它管道的狀態(tài)以及完成一些設(shè)備自定的用途。 (2)批量數(shù)據(jù)傳送大批量產(chǎn)生并使用的數(shù)據(jù),在傳輸約束下,具有很廣的動(dòng)態(tài)范圍。用于傳輸相對比較大的和突發(fā)性強(qiáng)的數(shù)據(jù),一般這種傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)范圍比較寬。數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃杂捎布渝e(cuò)誤檢測來保證,對錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)可進(jìn)行重復(fù)發(fā)送。塊傳輸 是連續(xù)的,它的帶寬占用依據(jù)其它USB設(shè)備的使用情況而不同。這種傳輸類型一般用于打印機(jī)、掃描儀等。 (3)中斷數(shù)據(jù)的傳送通常用于傳輸設(shè)備反饋回計(jì)算機(jī)的字符和坐標(biāo)信息。中斷數(shù)據(jù)是少量的,且其數(shù)據(jù)延遲時(shí)間也是在有限范圍內(nèi)的。這種數(shù)
35、據(jù)可由設(shè)備在任何時(shí)刻發(fā)送,并且以不促于設(shè)備指定的速度在USB上傳送。數(shù)據(jù)量小,延遲短,通常用于傳輸設(shè)備反饋回計(jì)算機(jī)的字符和坐標(biāo)信息,多用于人機(jī)交互設(shè)備,如鼠標(biāo),鍵盤、游戲桿等。(4)同步數(shù)據(jù)的傳送由預(yù)先確定的傳送延遲來填滿預(yù)定的USB帶寬。占用預(yù)先分配的帶寬,實(shí)時(shí)傳輸。對于同步傳輸管道,帶寬的要求與設(shè)備的采樣率有關(guān),時(shí)延的要求與每個(gè)節(jié)點(diǎn)的緩沖大小有關(guān)。9.4.3以太網(wǎng)接口1以太網(wǎng)接口的基本知識以太網(wǎng)協(xié)議是由一組IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)定義的局域網(wǎng)協(xié)議集。在以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中,有兩種操作模式:半雙工和全雙工。 以太網(wǎng)系統(tǒng)由三個(gè)基本單元組成: 物理介質(zhì),用于傳輸計(jì)算機(jī)之間的以太網(wǎng)信號;介質(zhì)訪問控制規(guī)則,
36、嵌入在每個(gè)以太網(wǎng)接口處,從而使得計(jì)算機(jī)可以公平的使用共享以太網(wǎng)信道;以太幀,由一組標(biāo)準(zhǔn)比特位構(gòu)成,用于傳輸數(shù)據(jù)。 當(dāng)前定義在光纖和雙絞線上的傳輸速率有四種: 10 Mbps 10Base-T 以太網(wǎng) 100 Mbps 快速以太網(wǎng) 1000 Mbps 千兆位以太網(wǎng)(802.3z) 10 千兆位以太網(wǎng) IEEE 802.3ae 在所有 IEEE 802 協(xié)議中,ISO 數(shù)據(jù)鏈路層被劃分為兩個(gè) IEEE802 子層,介質(zhì)訪問控制(MAC)子層和MAC 客戶端子層。IEEE 802.3 物理層對應(yīng)于ISO物理層。 MAC 子層有兩個(gè)基本職能: 數(shù)據(jù)封裝,包括傳輸之前的幀組合和接收中、接收后的幀解析/差
37、錯(cuò)檢測。 質(zhì)訪問控制,包括幀傳輸初始化和傳輸失敗恢復(fù)。 2802.3 MAC層的幀PR:同步位。SD:分隔位。DA:目的地址,以太網(wǎng)的地址為48位地址。SA:源地址,48位,表明該幀的數(shù)據(jù)是哪個(gè)網(wǎng)卡發(fā)的,即發(fā)送端網(wǎng)卡地址。TYPE:類型字段,表明該幀的數(shù)據(jù)是什么類型。DATA:數(shù)據(jù)段,該段數(shù)據(jù)不能超過1500字節(jié)。PAD: 填充位。FCS: 32位CRC數(shù)據(jù)校驗(yàn)位。通常,PR、SD、PAD、FCS這幾個(gè)數(shù)據(jù)段都是網(wǎng)卡(包括物理層和Mac層的處理)自動(dòng)產(chǎn)生的,剩下的DA、SA、TYPE、DATA四個(gè)段端的內(nèi)容是上層的軟件控制的。表9-3 以太網(wǎng)的物理傳輸幀PRSDDASATYPEDATAPADF
38、CS56位8位48位48位16位不超過1500字節(jié)可選32位以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸有如下特點(diǎn):PR、SD、PAD、FCS這幾個(gè)數(shù)據(jù)段是由網(wǎng)卡自動(dòng)產(chǎn)生的;只需要理解DA、SA、TYPE、DATA四個(gè)段的內(nèi)容;所有數(shù)據(jù)位的傳輸由低位開始;以太網(wǎng)的沖突退避算法是由硬件自動(dòng)執(zhí)行的;DA+SA+TYPE+DATA+PAD最小為60字節(jié),最大為1514字節(jié);以太網(wǎng)卡可以接收三種地址的數(shù)據(jù),一個(gè)是廣播地位,一個(gè)是多播地址(在嵌入式的環(huán)境中一般不用),一個(gè)是它自已的地址;任何兩個(gè)網(wǎng)卡的物理地址都是不一樣的,是世界上唯一的,網(wǎng)卡地址由專門機(jī)構(gòu)分配。4以太網(wǎng)物理接口以太網(wǎng)物理層定義了以太網(wǎng)傳輸?shù)慕橘|(zhì)和電氣特性。以太網(wǎng)的
39、網(wǎng)卡上以及Hub上接口通常采用的10BASE-T接口規(guī)范,通信介質(zhì)為4對雙絞線, 網(wǎng)線上插頭的外觀為 8 芯公插頭 (RJ45) 圖9.21 RJ45插頭表9-4 10BASE-T接口引腳定義PinNameDescription1TX+Tranceive Data+ (發(fā)信號+)2TX-Tranceive Data- (發(fā)信號-)3RX+Receive Data+ (收信號+)4n/cNot connected (空腳)5n/cNot connected (空腳)6RX-Receive Data- (收信號-)7n/cNot connected (空腳)8n/cNot connected (空
40、腳)9.4.4 PCMICA1PCMCIA 簡介PCMCIA(Personal Computer Memory Card International Association PC,個(gè)人計(jì)算機(jī)存儲卡國際協(xié)會)是一個(gè)成立于1989年的國際性組織。這個(gè)國際性組織主要是建立一個(gè)省電、小體積的整合性電子卡片的標(biāo)準(zhǔn),提高移動(dòng)計(jì)算機(jī)的互換性。PCMCIA STANDARD由PCMCIA和JEIDA共同制定,它的注冊擁有和解釋權(quán)目前一個(gè)在美國,另一個(gè)在日本。 PCMCIA卡通常用于移動(dòng)計(jì)算機(jī)和嵌入式系統(tǒng)的的通信和存儲裝置。1990年首先為存儲器卡定制標(biāo)準(zhǔn),該標(biāo)準(zhǔn)定義外設(shè)卡和主系統(tǒng)插座之間68引腳接口。有三個(gè)標(biāo)
41、準(zhǔn):TypeI、II和III。作為標(biāo)準(zhǔn)的一部分也提供軟件即插即用能力。后來隨著PC 和PCCARD技術(shù)的發(fā)展,PC卡已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不局限于存儲領(lǐng)域。圖9.22 常見的PCMCIA卡2PCMCIA物理規(guī)范及接口物理規(guī)范定義了兩種標(biāo)準(zhǔn)的卡:FULL SIZE PC CARD 和SMALL PC CARD;他們每種都有三種不同的厚度分別是TYPE、TYPE、TYPE。 1) FULL SIZE PC CARD:TYPE的規(guī)格:面積為8.565.4cm,厚度則為3.3mm;適用于一般存儲器擴(kuò)充卡。TYPE的規(guī)格:面積為8.565.4cm,厚度則為5mm; 應(yīng)用范圍包括Modem卡、Network卡、視頻會議
42、卡等。TYPE 的規(guī)格:面積為8.565.4cm,厚度為10.5mm;應(yīng)用范圍為硬盤。 2) SMALL PC CARD:TYPE的規(guī)格:面積為4.54.28,厚度則為3.3mm;適用于一般存儲器擴(kuò)充卡。TYPE的規(guī)格:面積為4.54.28cm,厚度則為5mm; 應(yīng)用范圍包括Modem卡、Network卡、視頻會議卡等。TYPE 的規(guī)格:面積為4.54.28cm,厚度為10.5mm;應(yīng)用范圍為硬盤。3PCMCIA總線的分類PCMCIA總線分為兩類,一類為16位的PCMCIA,另一類為32位的CardBus。(1)PCMCIAPCMCIA插槽是筆記本電腦上最重要的設(shè)備擴(kuò)展接口,可以用來插入傳真卡
43、/網(wǎng)卡/存儲卡/聲霸卡等等,一些專業(yè)雜志甚至預(yù)測PCMCIA會成為今后臺式電腦、汽車以及家用電器上的標(biāo)準(zhǔn)接口。PCMCIA的主要優(yōu)勢是可以帶電插拔,配合適當(dāng)軟件后可以實(shí)現(xiàn)即插即用。16位的PCcard速度較慢,單就網(wǎng)卡來說,就算表明了是100M的網(wǎng)卡,實(shí)際使用速度只有25M左右。 (2)CardBus接口簡介CardBus是一種用于筆記本計(jì)算機(jī)的新的高性能PC卡總線接口標(biāo)準(zhǔn)。該總線標(biāo)準(zhǔn)與原來的PC卡標(biāo)準(zhǔn)相比,具有以下的優(yōu)勢:第一,32位數(shù)據(jù)傳輸和33MHz操作。CardBus快速以太網(wǎng)PC卡的最大吞吐量接近90Mbps,而16位快速以太網(wǎng)PC卡僅能達(dá)到20-30Mbps。第二,總線自主。使PC
44、卡可以獨(dú)立于主CPU,與計(jì)算機(jī)內(nèi)存間直接交換數(shù)據(jù),這樣CPU就可以處理其它的任務(wù)。第三,3.3V供電,低功耗。提高了電池的壽命,降低了計(jì)算機(jī)內(nèi)部的熱擴(kuò)散,增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。第四,后向兼容16位的PC卡。老式以太網(wǎng)和Modem設(shè)備的PC卡仍然可以插在CardBus插槽上使用。4PCMCIA接口的應(yīng)用PCMCIA接口除了插無線上網(wǎng)卡、電視卡外,還可以插調(diào)制解調(diào)器、小型硬盤、A/D轉(zhuǎn)換器卡、藍(lán)牙卡等多種PCMCIA設(shè)備。PCMCIA卡除了輕巧、方便攜帶外,它有個(gè)和USB (Universal Serial Bus)外設(shè)相同的特色,就是“熱插拔”(Hot Plugging)功能。9.4.5 1394總線及接口1IEEE 1394標(biāo)準(zhǔn)概述IEEE-1394總線最初是美國APPLE公司提出,后來由IEEE標(biāo)準(zhǔn)化組織于1995 年制定出的具有視頻數(shù)據(jù)傳輸速度的高速、低成本串行接口標(biāo)準(zhǔn),用于計(jì)算機(jī)和周邊設(shè)備之間進(jìn)行高速的串連輸入/輸出或者作為計(jì)算機(jī)底板總線(并行)的備份。 IEEE-1394 總線標(biāo)準(zhǔn)定義了高速串行總線結(jié)構(gòu),數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議,傳輸媒介,傳輸方式。該標(biāo)準(zhǔn)的IEEE-1394 總線A 規(guī)范可支持100、200、400Mbps 的速
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