標準接口的基本技術知識

　　本文將重點介紹各種標準接口，并揭示它們對不同嵌入式芯片廠商的區(qū)別所在。了解基本接口可幫助設計人員優(yōu)先考慮哪些接口應為片上。另外，雖然標準接口具有很高的使用價值，但為了提供額外的片上資源，也需要可定制化的片上接口。本文將介紹兩種這樣的外設塊。

　　USB

　　通用串行總線 （USB） 接口最初的開發(fā)目的是用來連接個人計算機與外設。隨著時間的推移，它已經(jīng)成為工業(yè)與基礎設施應用的常用接口。諸如鍵盤、鼠標以及示波器等人機接口設備 （HID） 一般都采用 USB 接口，這就意味著它必須得到系統(tǒng)嵌入式處理器的支持。實現(xiàn)這一目標的最有效方法是采用片上外設。

　　除 HID 之外，工業(yè)與基礎設施應用還使用另外兩種設備。USB 通信設備類 （CDC） 不但適用于調(diào)制解調(diào)器與傳真機，而且還可通過提供用于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包傳輸?shù)慕涌趤碇С趾唵蔚穆?lián)網(wǎng)。同樣，USB 大容量存儲設備 （MSD） 主要用于硬盤驅動器及其它存儲介質(zhì)。

　　USB 2.0 規(guī)范要求主機初始化所有向內(nèi)及向外的傳輸。此外，該規(guī)范還定義了三種基本設備：主機控制器、集線器以及外設。

　　USB 2.0 的物理互連是一種在每個星型中心使用一個集線器的分層星型拓撲結構。每條線段都是一個主機與集線器或功能之間的點對點連接，或者是一個連接至另一個集線器或功能的集線器。

　　USB 2.0 系統(tǒng)中用于設備的尋址方案可實現(xiàn)單個主機連接多達 127 個設備。這 127 個設備可以是集線器或外設的任何組合。復合或組合設備可以是這 127 個設備中兩個或兩個以上的設備。

　　雖然 USB 2.0 很可能是工業(yè)和許多基礎設施應用的首選，但外設設備需要在沒有主機參與的情況下彼此通信時，還需要部署移動 USB （ USB OTG）。為了實現(xiàn)點對點通信，USB OTG 引入了一種新的設備，這類設備包含可為兩個外設實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的限制主機功能。

　　OTG 補充方案定義了一套新的、稱之為主機協(xié)商協(xié)議 （HNP） 的握手方式。使用 HNP,能夠作為默認外設連接的設備可請求成為主機。這有助于現(xiàn)有 USB 2.0 主機設備范例提供點對點通信。另外還定義了會話請求協(xié)議 （SRP）。

　　USB 具有可靠標準的普及性與極高地位，可向嵌入式處理器廠商提供專門針對 USB 功能的軟件庫，從而可大幅縮短開發(fā)時間。系統(tǒng)設計人員不必編寫自己的代碼，只需進行功能調(diào)用，便可實施接口。

　　這些庫應通過認證，證明已通過了 USB 實施人員論壇實施的 USB 設備及嵌入式主機合規(guī)性測試。德州儀器 （TI） 等一些廠商可為其嵌入式處理器提供廣泛的 USB 庫。

　　2007 年，旨在創(chuàng)建一種更快 USB 類型的 USB3.0 推廣團隊 （the USB 3.0 Promoter Group）得以成立，這種 USB 類型不但向后兼容以前的 USB 標準，而且還可提供比 USB2.0 快 10 倍的數(shù)據(jù)速率。USB 3.0 采用新的信號發(fā)送方案，并通過保留 USB 2.0 雙線接口實現(xiàn)了向后兼容性。然而這種更快的版本還處于部署初期，USB 2.0 今后數(shù)年仍將是最常用的 USB 類型，其具有高速 （480Mbps）、低速 （1.5Mbps） 以及全速 （12Mbps） 三種速度選項。

　　EMAC

　　雖然符合IEEE 802.3以太網(wǎng)標準的接口一般會被誤稱為以太網(wǎng)介質(zhì)訪問控制器 （EMAC），但完整的 EMAC 子系統(tǒng)接口實際上包括三個模塊，這三個模塊可能會集成在片上，也可能不會：

　　1.物理層接口 （PHY）；

　　2.以太網(wǎng) MAC,其可實施協(xié)議的 EMAC 層；

　　3.定制接口一般稱為 MAC 控制模塊。

　　EMAC 模塊可控制系統(tǒng)到 PHY 的包數(shù)據(jù)流。MDIO 模塊可執(zhí)行 PHY 的配置以及狀態(tài)監(jiān)控。兩個模塊都可通過 MAC 控制模塊訪問系統(tǒng)核心，從而還可優(yōu)化數(shù)據(jù)流。在 TI 嵌入式處理器等完全集成型解決方案中，定制接口被視為 EMAC/MDIO 外設不可或缺的組成部分。

　　完整的 EMAC 子系統(tǒng)如圖 1 所示。

圖 1:EMAC 子系統(tǒng)

　　EMAC 控制模塊不但可控制設備中斷，而且還整合了一個用于保持 EMAC 緩存器描述符的 8K 字節(jié)內(nèi)部隨機訪問存儲器 （RAM）。該 MDIO 模塊采用 802.3 串行管理接口來詢問和控制多達 32 個采用共享雙線總線連接至設備的以太網(wǎng) PHY.

　　主機軟件使用 MDIO 模塊來配置連接至 EMAC 的每個 PHY的自動協(xié)商參數(shù)，恢復協(xié)商結果，并在 EMAC 模塊中配置所需的參數(shù)，以實現(xiàn)正確的操作。該模塊可為 MDIO 接口實現(xiàn)近乎透明的操作，基本不需要核心處理器的維護。

　　EMAC 模塊可在網(wǎng)絡與處理器之間提供一個高效率的接口。EMAC 模塊通?？商峁?10Base-T（10Mbit/秒）與 100Base TX（100Mbit/秒）、半雙工與全雙工模式，以及硬件流控制與服務質(zhì)量 （QoS） 支持。此外，部分處理器現(xiàn)在還支持可實現(xiàn) 1000 Mbit/秒數(shù)據(jù)速率的千兆位 EMAC 容量。

　　由于以太網(wǎng)的廣泛使用，嵌入式處理器一般都在芯片上集成了一個或多個 EMAC 接口。不同的廠商在實施上述完整的 EMAC 子系統(tǒng)時采用的方法也稍有不同。實施以太網(wǎng)接口所需的軟件支持與庫的質(zhì)量和范圍是選擇嵌入式處理器廠商時需要考慮的另一個問題。

　　路由器或交換機等應用所需的 EMAC 有時不止一個。這些應用通過使用多個 EMAC,能夠在創(chuàng)建同步過程通信的同時，與眾多設備通信。

　　SATA

　　串行 ATA （SATA） 可將主機總線適配器與諸如硬盤驅動器與光盤驅動器等大容量存儲設備相連。它已基本取代了之前的并行 ATA （PATA）。PATA 要求 40/80 線并行線纜，長度不超過 18 英寸。PATA 的最大數(shù)據(jù)傳輸速率為 133Mbit/秒，而 SATA 串行數(shù)據(jù)格式則使用兩個差分對來支持連接數(shù)據(jù)存儲設備的接口，線路速率為 1.5Gbit/秒（SATA 版本 1）、3.0Gbit/秒（SATA 版本 2）與 6.0Gbit/秒（SATA 版本 3）。SATA 1 和 SATA 2 現(xiàn)已面市，SATA 3 將在近期推出。

　　此外，SATA 控制器需要的線纜較細，而且可以長達 3 英尺。較細的線纜更加靈活，一方面可實現(xiàn)更便捷的布線，另一方面更有利于大容量存儲設備外殼內(nèi)的空氣流通。

　　串行鏈路可獲得高性能的部分原因是采用高級系統(tǒng)存儲器結構來容納高速串行數(shù)據(jù)。這種高級主機控制器接口 （AHCI） 存儲器結構可為控制、狀態(tài)以及命令列表數(shù)據(jù)表提供一個通用域。命令列表的每條記錄都包含用于編程 SATA 設備的信息以及一個用于在系統(tǒng)存儲器與設備之間傳輸數(shù)據(jù)、指向描述符表的指針。

　　大多數(shù) SATA 控制器不但支持熱插拔，而且還采用端口多路器來增加可連接至單個 HBA 端口的設備數(shù)量。SATA 標準有一個很長的特性列表，但幾乎沒有 SATA 控制器可支持所有這些特性。常見特性包括：

　　· 支持AHCI 控制器規(guī)范1.1版；

　　· 集成SERDES PHY;

　　· 集成Rx與Tx數(shù)據(jù)緩存器；

　　· 支持SATA 電源管理特性；

　　· 每端口配備內(nèi)部 DMA 引擎；

　　· 多達 32 條記錄的硬件輔助原生命令排序 （NCQ）；

　　· 32 位尋址；

　　· 支持端口乘法器；

　　· 支持 LED 工作；

　　· 機械控制開關 （mechanical presence switch）。

　　由于 SATA 能夠存儲可延伸至太字節(jié)范圍的大量數(shù)據(jù)，因此應用非常廣泛，其中包括上網(wǎng)本、膝上型電腦、臺式機、多媒體設備以及便攜式數(shù)據(jù)終端等。此外，SATA 還可用于可能需要傳感器或系統(tǒng)監(jiān)控器存儲大量數(shù)據(jù)以待后續(xù)分析的工業(yè)應用。