嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的多種串行總線特性及比較

　　由于在消費(fèi)類電子產(chǎn)品、計算機(jī)外設(shè)、汽車和工業(yè)應(yīng)用中增加了嵌入式功能，對低成本、高速和高可靠通信介質(zhì)的要求也不斷增長以滿足這些應(yīng)用，其結(jié)果是越來越多的處理器和控制器用不同類型的總線集成在一起，實(shí)現(xiàn)與PC軟件、開發(fā)系統(tǒng)(如仿真器)或網(wǎng)絡(luò)中的其它設(shè)備進(jìn)行通信。目前流行的通信一般采用串行或并行模式，而串行模式應(yīng)用更廣泛。

　　微處理器中常用的集成串行總線是通用異步接收器傳輸總線、串行通信接口、同步外設(shè)接口(SPI)、內(nèi)部集成電路(I2C)和通用串行總線，以及車用串行總線，包括控制器區(qū)域網(wǎng)(CAN)和本地互連網(wǎng)(LIN)。這些總線在速度、物理接口要求和通信方法學(xué)上都有所不同。本文將對嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的串行總線、驅(qū)動器和物理接口這些要求提供一個總體介紹，為選擇最優(yōu)總線提供指導(dǎo)并給出一個比較圖表(表1)。為了說明方便起見，本文的闡述是基于微處理器的設(shè)計。

串行與并行相比

　　串行相比于并行的主要優(yōu)點(diǎn)是要求的線數(shù)較少。例如，用在汽車工業(yè)中的LIN串行總線只需要一根線來與從屬器件進(jìn)行通信，Dallas公司的1-Wire總線只使用一根線來輸送信號和電源。較少的線意味著所需要的控制器引腳較少。集成在一個微控制器中的并行總線一般需要8條或更多的線，線數(shù)的多少取決于設(shè)計中地址和數(shù)據(jù)的寬度，所以集成一個并行總線的芯片至少需要8個引腳來與外部器件接口，這增加了芯片的總體尺寸。相反地，使用串行總線可以將同樣的芯片集成在一個較小的封裝中。

　　另外，在PCB板設(shè)計中并行總線需要更多的線來與其它外設(shè)接口，使PCB板面積更大、更復(fù)雜，從而增加了硬件成本。此外，工程師還可以很容易地將一個新器件加到一個串行網(wǎng)絡(luò)中去，而且不會影響網(wǎng)絡(luò)中的其它器件。例如，可以很容易地去掉總線上舊器件并用新的來替代。

　　串行總線的故障自診斷和調(diào)試也非常簡單，可以很容易地跟蹤網(wǎng)絡(luò)中一個有故障的器件并用新器件替換而不會干擾網(wǎng)絡(luò)。但另一方面，并行總線比串行速度快。例如，Rambus公司的“Redwood”總線速度可高達(dá)6.4GHz，而最高的串行速度不會超過幾個兆赫。

在工業(yè)和汽車應(yīng)用中常用的串行協(xié)議

1. UART

　　UART是一種通用串行數(shù)據(jù)總線，用于異步通信。該總線雙向通信，可以實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸和接收。在嵌入式設(shè)計中，UART用來與PC進(jìn)行通信，包括與監(jiān)控調(diào)試器和其它器件，如EEPROM通信。

a. UART通信

　　UART首先將接收到的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)來傳輸。消息幀從一個低位起始位開始，后面是7個或8個數(shù)據(jù)位，一個可用的奇偶位和一個或幾個高位停止位。接收器發(fā)現(xiàn)開始位時它就知道數(shù)據(jù)準(zhǔn)備發(fā)送，并嘗試與發(fā)送器時鐘頻率同步。如果選擇了奇偶，UART就在數(shù)據(jù)位后面加上奇偶位。奇偶位可用來幫助錯誤校驗(yàn)。

　　在接收過程中，UART從消息幀中去掉起始位和結(jié)束位，對進(jìn)來的字節(jié)進(jìn)行奇偶校驗(yàn)，并將數(shù)據(jù)字節(jié)從串行轉(zhuǎn)換成并行。UART也產(chǎn)生額外的信號來指示發(fā)送和接收的狀態(tài)。例如，如果產(chǎn)生一個奇偶錯誤，UART就置位奇偶標(biāo)志。

b. 數(shù)據(jù)方向和通信速度

　　數(shù)據(jù)傳輸可以首先從最低有效位(LSB)開始。然而，有些UART允許靈活選擇先發(fā)送最低有效位或最高有效位(MSB)。

　　微控制器中的UART傳送數(shù)據(jù)的速度范圍為每秒幾百位到1.5Mb。例如，嵌入在ElanSC520微控制器中的高速UART通信的速度可以高達(dá)1.1152Mbps。UART波特率還受發(fā)送和接收線對距離(線長度)的影響。

　　目前，市場上有只支持異步通信和同時支持異步與同步通信的兩種硬件可用于UART。前者就是UART名字本身的含義，在摩托羅拉微控制器中被稱為串行通信接口(SCI)；Microchip微控制器中的通用同步異步收發(fā)器(USART)和在富士通微控制器中的UART是后者的兩個典型例子。

c. 計算機(jī)中的UART

　　UART是計算機(jī)中串行通信端口的關(guān)鍵部分。在計算機(jī)中，UART相連于產(chǎn)生兼容RS232規(guī)范信號的電路。RS232標(biāo)準(zhǔn)定義邏輯“1”信號相對于地為3到25伏，而邏輯“0”相對于地為-3到-25伏。所以，當(dāng)一個微控制器中的UART相連于PC時，它需要一個RS232驅(qū)動器來轉(zhuǎn)換電平。

2. 同步外設(shè)接口

　　同步外設(shè)接口(SPI)是由摩托羅拉公司開發(fā)的全雙工同步串行總線，該總線大量用在與EEPROM、ADC、FRAM和顯示驅(qū)動器之類的慢速外設(shè)器件通信。

a. SPI通信

　　該總線通信基于主-從配置。它有以下4個信號：

MOSI:主出/從入

MISO:主入/從出

SCK:串行時鐘

SS:從屬選擇

芯片上“從屬選擇”(slave-select)的引腳數(shù)決定了可連到總線上的器件數(shù)量。

　　在SPI傳輸中，數(shù)據(jù)是同步進(jìn)行發(fā)送和接收的。數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r鐘基于來自主處理器的時鐘脈沖，摩托羅拉沒有定義任何通用SPI的時鐘規(guī)范。然而，最常用的時鐘設(shè)置基于時鐘極性(CPOL)和時鐘相位(CPHA)兩個參數(shù)，CPOL定義SPI串行時鐘的活動狀態(tài)，而CPHA定義相對于SO-數(shù)據(jù)位的時鐘相位。CPOL和CPHA的設(shè)置決定了數(shù)據(jù)取樣的時鐘沿。

b. 數(shù)據(jù)方向和通信速度

　　SPI傳輸串行數(shù)據(jù)時首先傳輸最高位。波特率可以高達(dá)5Mbps，具體速度大小取決于SPI硬件。例如，Xicor公司的SPI串行器件傳輸速度能達(dá)到5MHz。

c. SPI與UART比較

　　SPI通信快于UART通信，兩者都可以用在中等速度外設(shè)的通信中，例如非易失性EEPROM存儲器。然而，SPI更常用于EEPROM或數(shù)模變換器的通信中。

有些UART能支持SPI通信，在這種情況下，會用一個通用IO作為從屬選擇引腳。

3. I2C總線

　　I2C是由飛利浦公司開發(fā)的雙線同步總線。像SPI一樣，該總線可用來與EEPROM、ADC、DAC和LCD這類慢速器件進(jìn)行通信。

a. I2C通信

　　I2C是一個半雙工、多主總線，該總線網(wǎng)絡(luò)有一個或幾個主控器件和很多個從器件。信息由兩條串行線傳輸：串行數(shù)據(jù)線(SDA)和串行時鐘線(SCL)。圖1顯示了使用兩個主控和三個從器件相連接的例子。

　　網(wǎng)絡(luò)中的每一個器件都預(yù)指定一個7位或10位的地址。飛利浦會給器件制造商分配地址，也有一個特定的地址用于高速通信，以及一個通用呼叫地址用于與網(wǎng)絡(luò)中所有器件的通信。10位尋址的優(yōu)點(diǎn)是允許更多的器件(高達(dá)1024個)布置在網(wǎng)絡(luò)中。然而，總線中器件的數(shù)目取決于總線的電容量，必須限制在400pF以內(nèi)。

　　主控器件發(fā)起數(shù)據(jù)傳送，并提供用于通信的時鐘信號。通信開始于SCL為高電平時SDA由高到低的轉(zhuǎn)換，緊接著是一個7位或10位的從地址，一個數(shù)據(jù)方向位(R/W)，一個應(yīng)答位和停止?fàn)顟B(tài)。停止?fàn)顟B(tài)定義為在時鐘信號為高時數(shù)據(jù)線電平由低到高的轉(zhuǎn)換。每一個數(shù)據(jù)字節(jié)長度為8位，單次傳送的字節(jié)數(shù)并沒有限制。

　　由于I2C是一個多主總線，因此可能有兩個或更多的主控器件同時試圖訪問總線，在時鐘信號為高電平時在總線上置“1”的主控器件贏得總線仲裁。

　　I2C有三種不同的運(yùn)行模式：標(biāo)準(zhǔn)、快速和高速模式。在使用快速和高速模式時，可能某個從屬器件不能像主控器件那么快地處理數(shù)據(jù)。此時，從屬器件會將SCL線拉至低電平來保持總線，這迫使主控器件進(jìn)入等待狀態(tài)，直至從屬器件準(zhǔn)備就緒。

b. 數(shù)據(jù)方向和通信速度

數(shù)據(jù)傳輸首先從最高位開始。I2C總線設(shè)計用于三種數(shù)據(jù)傳輸速度，每個都向下兼容性：

低速，數(shù)據(jù)傳輸率為0到100kbps；

快速，數(shù)據(jù)傳輸率可以高達(dá)400kbps；

高速，數(shù)據(jù)傳輸率可以高達(dá)3.4Mbps。

c. I2C與SPI比較

　　I2C和SPI都能用于低速器件的通信,而SPI的數(shù)據(jù)傳輸速率高于I2C。此外，SPI具有一個內(nèi)在地址功能，不需要設(shè)計一個額外的寄存器來測試地址，從而減少軟件和硬件的設(shè)計開銷。

4. 控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)

　　控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(CAN)是一個多主異步串行總線。由于它具有優(yōu)良的錯誤處理機(jī)制及可靠的數(shù)據(jù)傳送性能，該總線在汽車工業(yè)中非常普遍，在高安全系數(shù)要求的醫(yī)療行業(yè)中也正在得到普及。

　　CAN最初由德國的Robert Bosch公司開發(fā)，提供給汽車電子系統(tǒng)所用的低成本通信總線，現(xiàn)在已經(jīng)成為國際標(biāo)準(zhǔn)，被采用為高速應(yīng)用的ISO11898標(biāo)準(zhǔn)和用于低速應(yīng)用的ISO11519標(biāo)準(zhǔn)。

a. CAN通信

　　當(dāng)總線空閑時，任何CAN節(jié)點(diǎn)都可以開始數(shù)據(jù)發(fā)送。如果兩個或更多的節(jié)點(diǎn)同時開始發(fā)送，就使用標(biāo)識符來進(jìn)行按位仲裁以解決訪問沖突。CAN是一個廣播類型的總線，所有節(jié)點(diǎn)都接收總線上的數(shù)據(jù)，硬件上的過濾機(jī)制決定消息是否提供給該接點(diǎn)用。

b. 四種消息幀的類型

數(shù)據(jù)幀：該幀從一個發(fā)送器承載數(shù)據(jù)到一個接收器。根據(jù)CAN規(guī)范有兩種數(shù)據(jù)幀格式，它們的唯一本質(zhì)區(qū)別在于標(biāo)識符的長度：CAN標(biāo)準(zhǔn)幀，也稱為CAN2.0A，支持11位長度的標(biāo)識符；另一個是CAN擴(kuò)展幀，也稱為CAN2.0B，支持29位長度的標(biāo)識符。圖2顯示了兩種規(guī)范的CAN數(shù)據(jù)幀。

遠(yuǎn)程幀：此幀由一個接收CAN節(jié)點(diǎn)發(fā)送，用來請求帶有遠(yuǎn)程幀中規(guī)定的標(biāo)識符的數(shù)據(jù)幀。

錯誤幀：此幀將任何總線錯誤通知其它單元，在接收到這個幀時發(fā)送器會自動進(jìn)行消息重發(fā)。

超載幀：超載幀由一個忙的CAN節(jié)點(diǎn)送出，以請求在前后數(shù)據(jù)幀之間增加一個額外的延遲。

c. CAN硬件術(shù)語

　　基本CAN(Basic CAN)控制器：這是一種廉價的CAN控制器，具有有限的發(fā)送/接收消息緩沖器，以及有限的CAN消息過濾機(jī)制。

　　完全CAN(Full CAN)控制器：完全CAN是一個高成本、高性能的CAN控制器，具有能緩沖8個或更多消息的緩沖器用于接收和發(fā)送。例如，富士通的集成CAN微控制器能提供16個消息緩沖器用于接收和發(fā)送。此外，富士通的MB90443微控制器能靈活地將兩個CAN控制器的消息緩沖器組合在一個中，以形成能緩沖32個消息的緩沖器。

標(biāo)準(zhǔn)CAN控制器：該CAN控制器能夠處理僅有11位標(biāo)識符的消息。

擴(kuò)展CAN控制器：該控制器能夠處理含有11位和29位標(biāo)識符的消息。

時間觸發(fā)CAN(TTCAN)控制器：該CAN控制器根據(jù)時間和事件的觸發(fā)來安排CAN消息，增強(qiáng)了CAN網(wǎng)絡(luò)的總體性能和行為的確定性。

d. 數(shù)據(jù)方向和通信速度

　　數(shù)據(jù)字節(jié)的傳輸首先從最高位開始。一個8位的數(shù)據(jù)字節(jié)能在一次發(fā)送中進(jìn)行傳輸，最大的CAN總線速度是1Mbps。

e. CAN在汽車中的應(yīng)用

圖3的例子顯示了CAN網(wǎng)絡(luò)是如何通過富士通的16位CAN微控制器在汽車中應(yīng)用。

f. 物理接口

大多數(shù)CAN微控制器需要一個外部收發(fā)器來連接物理總線。目前市場上提供以下一些收發(fā)器：

高速CAN收發(fā)器有飛利浦的82C251，TI的SN65/75LBC031，Bosch的CF150,C250，Unitrode的UC5350；

低速CAN收發(fā)器有飛利浦82C252、TJA1053，西門子TLE 6252G；

單線CAN收發(fā)器有飛利浦AU5790，英飛凌TLE 6255，Delphi DK166153。

5.本地互連網(wǎng)絡(luò)

　　本地互連網(wǎng)絡(luò)(LIN)是一個低成本、單線串行總線，能執(zhí)行全雙工串行通信。LIN用在汽車的分布式電子系統(tǒng)中，例如與智能傳感器和傳動器的通信。LIN協(xié)議能采用低成本的UART/SCI接口來實(shí)現(xiàn)，幾乎所有的微控制器都提供這些接口。

a. LIN通信

　　LIN網(wǎng)絡(luò)由一個主控和多個從器件組成，主控器件發(fā)起所有的通信。

　　所有節(jié)點(diǎn)執(zhí)行包括發(fā)送和接收任務(wù)在內(nèi)的從屬通信任務(wù)。此外，主節(jié)點(diǎn)執(zhí)行主控發(fā)送任務(wù)，主控任務(wù)能決定什么時候、哪一個幀將在總線上傳輸。在該方式中，沒有總線仲裁，并且在最壞情況下每個消息的時間很容易計算。當(dāng)一個消息幀發(fā)送時，在接收和過濾標(biāo)識符后，僅有一個從器件得到激活。

　　總線上的所有消息以幀的形式發(fā)送，幀由一個幀頭和響應(yīng)字段(response field)組成。主控器件始終在總線上發(fā)送幀頭，幀頭至少由一個13位字段、一個同步字節(jié)和一個6位標(biāo)識符組成，該標(biāo)識符的范圍為0到63。響應(yīng)字段由兩個、四個和八個數(shù)據(jù)字節(jié)和具有倒置8位和的校驗(yàn)和字段，以及所有的數(shù)據(jù)字節(jié)和標(biāo)識符組成。

圖4顯示了在一個消息幀上所有字段的排列順序。

b. 數(shù)據(jù)方向和通信速度

數(shù)據(jù)字節(jié)的傳送首先從LSB開始，LIN總線的最大速度是20kbps。

c. 物理接口

　　只有很少微控制器集成有專用的LIN硬件，大多數(shù)供應(yīng)商用SCI或UART來提供支持。因?yàn)長IN物理層是一個從汽車自診斷用ISO9141標(biāo)準(zhǔn)引出的單線12V總線，所以需要一個外部LIN收發(fā)器來轉(zhuǎn)換電平。例如當(dāng)前市場上已有供貨的摩托羅拉IMC33689 LIN和英飛凌公司的TLE6259-2G收發(fā)器。

d. CAN與LIN的比較

　　CAN和LIN兩者都使用在汽車工業(yè)中。CAN用于汽車中的高速和低速網(wǎng)絡(luò)，而LIN僅用于低速網(wǎng)絡(luò)，如門控制單元。在很多方面，CAN比LIN更貴也更可靠，必需在可靠性和為設(shè)計硬件與軟件支付額外成本之間進(jìn)行權(quán)衡。由于LIN的成本較低且容易在UART中實(shí)現(xiàn)，故在低速網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方面LIN有望替代CAN。

6. 其它通用串行總線

　　用在微控制器工業(yè)中的其它總線有RS422、RS485、USB和Microwire.

　　RS422和RS485通信可以用一個UART來執(zhí)行。因此，在用于這些總線時微控制器中不需要增加另外的硬件。

　　USB總線的普及性極大地鼓舞了微控制器制造商把USB控制器集成到他們的微控制器中。將外圍器件加到USB總線中是很容易的，并不需要重自舉系統(tǒng)。Cypress半導(dǎo)體公司和其它業(yè)界主導(dǎo)廠商都提供各種系列USB芯片來滿足市場的需要。

　　國家半導(dǎo)體公司(NSC)開發(fā)的單線總線Microwire用在許多微控制器和像EEPROM這類非易失性存儲器，以及ADC中。該總線能像SPI一樣提供同步通信，可用在使用SPI的地方。有些微控制器供應(yīng)商通過使用UART來支持Microwire總線。

　　FlexRay是一種在汽車工業(yè)中即將推出的新型總線，可用在使用CAN總線的地方，該總線的速度是CAN總線的10倍，可以達(dá)到10Mbps。目前微控制器制造商正在努力開發(fā)具有FlexRay總線的器件。

總線選擇準(zhǔn)則

　　不同的應(yīng)用在選擇總線的標(biāo)準(zhǔn)方面并不同，下面是一些進(jìn)行總線選擇的通用參考準(zhǔn)則：

1. 評估使用不同串行總線在網(wǎng)絡(luò)上連接各種器件的系統(tǒng)成本。例如，在汽車應(yīng)用中，一個只需要控制功能的系統(tǒng)可以用像LIN這類低成本的串行總線來管理。

2. 在效率、速度和可靠性方面確定對你最重要的性能。例如，對于一個安全關(guān)鍵系統(tǒng)來講，可靠性是極為重要的，故而CAN是較好的選擇。

3. 確定在網(wǎng)絡(luò)上將連接多少器件，以及總線將可能具有的電容量。有些串行總線對連在網(wǎng)絡(luò)上的器件數(shù)目有限制。

4. 注意器件間的距離，有些串行總線只支持短距離通信。

5. 如果用在汽車中，CAN或LIN是較好的選擇。由于它們具有很強(qiáng)的魯棒性，因此具有較強(qiáng)的容故障能力和傳輸可靠性。