總線(xiàn)技術(shù)淺析

引言

如果一座只能容一個(gè)人來(lái)往的獨(dú)木橋，兩端的人都想要過(guò)橋，為了不擁擠、阻塞，那我們就得采取有效的辦法。比如規(guī)定某段時(shí)間哪端的人過(guò)橋，另一端的人就等著該他過(guò)橋的時(shí)間段的到來(lái)，同時(shí)也還可以規(guī)定人多時(shí)要按先來(lái)后到或年齡長(zhǎng)幼的次序過(guò)橋。在這不經(jīng)意間，我們就體會(huì)到了現(xiàn)代電子信息數(shù)據(jù)通過(guò)總線(xiàn)按時(shí)分系統(tǒng)傳輸?shù)淖钤嫉乃枷搿?br />
現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)信息的發(fā)展，特別是對(duì)于成本和空間而言，總線(xiàn)傳輸替代點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸是目前發(fā)展的熱點(diǎn)，它的出現(xiàn)將給信息傳輸上提供了最大的方便和最有效的技術(shù)解決方案。假如一個(gè)微處理器與它的部件和外圍設(shè)備都分別用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的線(xiàn)路來(lái)連接通訊，則所有連線(xiàn)將會(huì)錯(cuò)綜復(fù)雜，甚至難以實(shí)現(xiàn)。

目前與我們生活習(xí)習(xí)相關(guān)的一系列活動(dòng)都無(wú)不牽涉到總線(xiàn)技術(shù)的應(yīng)用，如我們上英特網(wǎng)、給親戚朋友打電話(huà)、用U盤(pán)來(lái)存儲(chǔ)信息等。雖然流行的總線(xiàn)所采取的形式不同，但他們主要的原則性思想無(wú)非就是時(shí)分系統(tǒng)、頻分系統(tǒng)、相分系統(tǒng)和碼分系統(tǒng)等。常言道“兵來(lái)將擋，水來(lái)土淹”，面對(duì)種類(lèi)繁多的總線(xiàn)，我們只有從基本原理出發(fā)，從骨子里去了解它的實(shí)質(zhì)，而不要被它形式多樣的外表所迷惑，才能熟練掌握和靈活運(yùn)用眼下正在或?qū)⒁玫降母鞣N總線(xiàn)技術(shù)。

1 總線(xiàn)的定義及分類(lèi)

1.1定義
總線(xiàn)，英文叫作“BUS”,即我們中文的“公共車(chē)”，這是非常形象的比如，公共車(chē)走的路線(xiàn)是一定的，我們?nèi)魏稳硕伎梢宰曹?chē)去該條公共車(chē)路線(xiàn)的任意一個(gè)站點(diǎn)。如果把我們?nèi)吮茸魇请娮有盘?hào)，這就是為什么英文叫它為“BUS”而不是“CAR”的真正用意。當(dāng)然，從專(zhuān)業(yè)上來(lái)說(shuō)，總線(xiàn)是一種描述電子信號(hào)傳輸線(xiàn)路的結(jié)構(gòu)形式，是一類(lèi)信號(hào)線(xiàn)的集合，是子系統(tǒng)間傳輸信息的公共通道[1]。通過(guò)總線(xiàn)能使整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)各部件之間的信息進(jìn)行傳輸、交換、共享和邏輯控制等功能。如在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，它是CPU、內(nèi)存、輸入、輸出設(shè)備傳遞信息的公用通道，主機(jī)的各個(gè)部件通過(guò)主機(jī)相連接，外部設(shè)備通過(guò)相應(yīng)的接口電路再于總線(xiàn)相連接。

1.2分類(lèi)
總線(xiàn)分類(lèi)的方式有很多，如被分為外部和內(nèi)部總線(xiàn)、系統(tǒng)總線(xiàn)和非系統(tǒng)總線(xiàn)等等，下面是幾種最常用的分類(lèi)方法[2]。

1.2.1按功能分
最常見(jiàn)的是從功能上來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)總線(xiàn)進(jìn)行劃分，可以分為地址總線(xiàn)（address bus）、數(shù)據(jù)總線(xiàn)（data bus）和控制總線(xiàn)（control bus）。在有的系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)總線(xiàn)和地址總線(xiàn)可以在地址鎖存器控制下被共享，也即復(fù)用。

地址總線(xiàn)是專(zhuān)門(mén)用來(lái)傳送地址的。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，見(jiàn)得最多的應(yīng)該是從CPU地址總線(xiàn)來(lái)選用外部存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)地址。地址總線(xiàn)的位數(shù)往往決定了存儲(chǔ)器存儲(chǔ)空間的大小，比如地址總線(xiàn)為16位，則其最大可存儲(chǔ)空間為216（64KB）。

數(shù)據(jù)總線(xiàn)是用于傳送數(shù)據(jù)信息，它又有單向傳輸和雙向傳輸數(shù)據(jù)總線(xiàn)之分，雙向傳輸數(shù)據(jù)總線(xiàn)通常采用雙向三態(tài)形式的總線(xiàn)。數(shù)據(jù)總線(xiàn)的位數(shù)通常與微處理的字長(zhǎng)相一致。例如Intel 8086微處理器字長(zhǎng)16位，其數(shù)據(jù)總線(xiàn)寬度也是16位。在實(shí)際工作中，數(shù)據(jù)總線(xiàn)上傳送的并不一定是完全意義上的數(shù)據(jù)。

控制總線(xiàn)是用于傳送控制信號(hào)和時(shí)序信號(hào)。如有時(shí)微處理器對(duì)外部存儲(chǔ)器進(jìn)行操作時(shí)要先通過(guò)控制總線(xiàn)發(fā)出讀/寫(xiě)信號(hào)、片選信號(hào)和讀入中斷響應(yīng)信號(hào)等?？刂瓶偩€(xiàn)一般是雙向的，其傳送方向由具體控制信號(hào)而定，其位數(shù)也要根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際控制需要而定。

1.2.2按時(shí)鐘信號(hào)方式分
按照時(shí)鐘信號(hào)是否獨(dú)立，可以分為同步總線(xiàn)和異步總線(xiàn)。同步總線(xiàn)的時(shí)鐘信號(hào)獨(dú)立于數(shù)據(jù)，也就是說(shuō)要用一根單獨(dú)的線(xiàn)來(lái)作為時(shí)鐘信號(hào)線(xiàn)；而異步總線(xiàn)的時(shí)鐘信號(hào)是從數(shù)據(jù)中提取出來(lái)的，通常利用數(shù)據(jù)信號(hào)的邊沿來(lái)作為時(shí)鐘同步信號(hào)。

1.2.3按傳輸方式分
按照數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞絼澐?，總線(xiàn)可以被分為串行總線(xiàn)和并行總線(xiàn)。從原理來(lái)看，并行傳輸方式其實(shí)優(yōu)于串行傳輸方式，但其成本上會(huì)有所增加。通俗地講，并行傳輸?shù)耐藩q如一條多車(chē)道公路，而串行傳輸則是只允許一輛汽車(chē)通過(guò)單線(xiàn)公路。目前常見(jiàn)的串行總線(xiàn)有SPI、I2C、USB、IEEE1394、RS232、CAN等；而并行總線(xiàn)相對(duì)來(lái)說(shuō)種類(lèi)要少，常見(jiàn)的如IEEE1284、ISA、PCI等。

2 總線(xiàn)傳輸基本原理

依據(jù)前面對(duì)總線(xiàn)的定義可知總線(xiàn)的基本作用就是用來(lái)傳輸信號(hào)，為了各子系統(tǒng)的信息能有效及時(shí)的被傳送，為了不至于彼此間的信號(hào)相互干擾和避免物理空間上過(guò)于擁擠，其最好的辦法就是采用多路復(fù)用技術(shù)[3]，也就是說(shuō)總線(xiàn)傳輸?shù)幕驹砭褪嵌嗦窂?fù)用技術(shù)。所謂多路復(fù)用就是指多個(gè)用戶(hù)共享公用信道的一種機(jī)制，目前最常見(jiàn)的主要有時(shí)分多路復(fù)用、頻分多路復(fù)用和碼分多路復(fù)用等。

2.1時(shí)分多路復(fù)用（TDMA）
時(shí)分復(fù)用是將信道按時(shí)間加以分割成多個(gè)時(shí)間段，不同來(lái)源的信號(hào)會(huì)要求在不同的時(shí)間段內(nèi)得到響應(yīng)，彼此信號(hào)的傳輸時(shí)間在時(shí)間坐標(biāo)軸上是不會(huì)重疊。

2.2頻分多路復(fù)用（FDMA）
頻分復(fù)用就是把信道的可用頻帶劃分成若干互不交疊的頻段，每路信號(hào)經(jīng)過(guò)頻率調(diào)制后的頻譜占用其中的一個(gè)頻段，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)多路不同頻率的信號(hào)在同一信道中傳輸。而當(dāng)接收端接收到信號(hào)后將采用適當(dāng)?shù)膸V波器和頻率解調(diào)器等來(lái)恢復(fù)原來(lái)的信號(hào)。

2.3碼分多路復(fù)用（CDMA）
碼分多路復(fù)用是所被傳輸?shù)男盘?hào)都會(huì)有各自特定的標(biāo)識(shí)碼或地址碼，接收端將會(huì)根據(jù)不同的標(biāo)識(shí)碼或地址碼來(lái)區(qū)分公共信道上的傳輸信息，只有標(biāo)識(shí)碼或地址碼完全一致的情況下傳輸信息才會(huì)被接收。

3 總線(xiàn)的通信協(xié)議

對(duì)于總線(xiàn)的學(xué)習(xí)，了解其通訊協(xié)議是整個(gè)過(guò)程中最關(guān)鍵的一步，所有介紹總線(xiàn)技術(shù)的資料都會(huì)花很大的篇幅來(lái)描述其協(xié)議，特別是ISO/OSI的那七層定義。其實(shí)要了解一種總線(xiàn)的協(xié)議，最主要的就是去了解總線(xiàn)的幀數(shù)據(jù)每一位所代表的特性和意義，總線(xiàn)各節(jié)點(diǎn)間有效數(shù)據(jù)的收發(fā)都是通過(guò)各節(jié)點(diǎn)對(duì)幀數(shù)據(jù)位或段的判斷和確信來(lái)得以實(shí)現(xiàn)。

常見(jiàn)的I2C總線(xiàn)上傳輸?shù)囊蛔止?jié)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)幀，其總線(xiàn)形式是由數(shù)據(jù)線(xiàn)SDA和時(shí)鐘SCL構(gòu)成的雙線(xiàn)制串行總線(xiàn)，并接在總線(xiàn)上的電路模塊即可作為發(fā)送器（主機(jī)）又可作為接收器（從機(jī)）。幀數(shù)據(jù)中除了控制碼（包括從機(jī)標(biāo)識(shí)碼和訪(fǎng)問(wèn)地址碼）與數(shù)據(jù)碼外還包括起始信號(hào)、結(jié)束信號(hào)和應(yīng)答信號(hào)[4]。

起始信號(hào)：SCL為高電平時(shí)，SDA由高電平向低電平跳變，開(kāi)始傳送數(shù)據(jù)。
控制碼：用來(lái)選澤操作目標(biāo)與對(duì)象，即接通需要控制的電路，確定控制的種類(lèi)對(duì)象。在讀期間，也即SCL時(shí)鐘線(xiàn)處于時(shí)鐘脈沖高電平時(shí)，SDA上的數(shù)據(jù)位不會(huì)跳變。
數(shù)據(jù)碼：是主機(jī)向從機(jī)發(fā)送的具體的有用的數(shù)據(jù)（如對(duì)比度、亮度等）和信息。在讀期間，SDA上的數(shù)據(jù)位不會(huì)跳變。
應(yīng)答信號(hào)：接收方收到8bit數(shù)據(jù)后，向發(fā)送方發(fā)出特定的低電平。讀/寫(xiě)的方向與其它數(shù)據(jù)位正好相反，也即是由從機(jī)寫(xiě)出該低電平，主機(jī)來(lái)讀取該低電平。
結(jié)束信號(hào)：SCL為高電平時(shí)，SDA由低電平向高電平跳變表示數(shù)據(jù)幀傳輸結(jié)束。

當(dāng)然不同的總線(xiàn)其數(shù)據(jù)位或段的定義肯定不同，但依據(jù)同樣的原理可以更快的去了解它的協(xié)議的特性和特點(diǎn)。雖然其信息幀的大小不一，但具體的某一數(shù)據(jù)位或數(shù)據(jù)段都類(lèi)似于本文所提及的I2C總線(xiàn)，會(huì)依據(jù)它的協(xié)議的要求來(lái)定義它所達(dá)標(biāo)的意義和功能。

4 主要技術(shù)指標(biāo)

評(píng)價(jià)總線(xiàn)的主要技術(shù)指標(biāo)是總線(xiàn)的帶寬（即傳輸速率）、數(shù)據(jù)位的寬度（位寬）、工作頻率和傳輸數(shù)據(jù)的可靠性、穩(wěn)定性等。

4.1帶寬（傳輸速率）、位寬和工作頻率
總線(xiàn)的帶寬指的是單位時(shí)間內(nèi)總線(xiàn)上傳送的數(shù)據(jù)量，即每鈔傳送MB的最大數(shù)據(jù)傳輸率?？偩€(xiàn)的位寬指的是總線(xiàn)能同時(shí)傳送的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)，或數(shù)據(jù)總線(xiàn)的位數(shù)，即32位、64位等總線(xiàn)寬度的概念；總線(xiàn)的位寬越寬，數(shù)據(jù)傳輸速率越大，總線(xiàn)的帶寬就越寬。總線(xiàn)的工作時(shí)鐘頻率以MHz為單位，它與傳輸?shù)慕橘|(zhì)、信號(hào)的幅度大小和傳輸距離有關(guān)。在同樣硬件條件下，我們采用差分信號(hào)傳輸時(shí)的頻率常常會(huì)比單邊信號(hào)高得多，這是因?yàn)椴罘中盘?hào)的的幅度只有單邊信號(hào)的一半而已。

4.2傳輸數(shù)據(jù)的可靠性
可靠性是評(píng)定總線(xiàn)最關(guān)鍵的參數(shù)，沒(méi)有可靠性，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都是錯(cuò)誤的信息，便就失去了總線(xiàn)的實(shí)際意義。為了提高總線(xiàn)的可靠性，通常采用的措施有：
采用數(shù)據(jù)幀發(fā)送前發(fā)送器對(duì)總線(xiàn)進(jìn)行偵聽(tīng)，只有偵聽(tīng)到總線(xiàn)處于空閑狀態(tài)下時(shí)才可向總線(xiàn)傳送數(shù)據(jù)幀，這樣避免了不同節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)沖突。
采用雙絞線(xiàn)差分信號(hào)來(lái)傳送數(shù)據(jù)，以降低單線(xiàn)的電壓升降幅度，減小信號(hào)的邊沿產(chǎn)生的高次諧波。
適當(dāng)?shù)淖寯?shù)據(jù)的邊沿具有一定的斜坡。
增加匹配電阻和電容等來(lái)減少總線(xiàn)上信號(hào)的發(fā)射和平衡總線(xiàn)上的分布電容等。
采用合適的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和屏蔽技術(shù)等來(lái)減少受其他信號(hào)的干擾。
還有就是在軟件上通過(guò)數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)校驗(yàn)糾錯(cuò)等措施來(lái)提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?br />
5 結(jié)束語(yǔ)

學(xué)習(xí)是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程，對(duì)總線(xiàn)技術(shù)的學(xué)習(xí)和理解也是隨著其技術(shù)的不斷發(fā)展而不斷更新的過(guò)程。子曰“工欲善其事，必先利其器。”只有從最基本的原理出發(fā)，打好基礎(chǔ)，才能在今后的學(xué)習(xí)中融會(huì)貫通，前仆后繼，更進(jìn)一步深入該知識(shí)點(diǎn)和拓寬知識(shí)面。