串行總線

串行總線簡介

　　串行總線（Universal Serial Bus， USB）是連接外部設(shè)備的一個(gè)串口總線標(biāo)準(zhǔn)，在計(jì)算機(jī)上使用廣泛，但也可以用在機(jī)頂盒和游戲機(jī)上，補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)（On-The-Go）使其能夠用于在便攜設(shè)備之間直接交換數(shù)據(jù)。

　　通用串行總線特點(diǎn)

　　USB最初是由英特爾與微軟公司倡導(dǎo)發(fā)起，其最大的特點(diǎn)是支持熱插拔（Hot plug）和即插即用 （Plug&Play）。當(dāng)設(shè)備插入時(shí)，主機(jī)枚舉（enumerate）此設(shè)備并加載所需的驅(qū)動(dòng)程序，因此使用遠(yuǎn)比PCI和ISA總線方便。

　　USB速度比平行埠并聯(lián)總線（Parellel Bus，例如EPP、LPT）與串聯(lián)埠總線（Serial Port，例如RS-232）等傳統(tǒng)電腦用標(biāo)準(zhǔn)總線快上許多。原標(biāo)準(zhǔn)中USB 1.1 的最大傳輸帶寬為 12Mbps，USB 2.0 的最大傳輸帶寬為 480Mbps。

串行總線百科

　　串行總線（Universal Serial Bus， USB）是連接外部設(shè)備的一個(gè)串口總線標(biāo)準(zhǔn)，在計(jì)算機(jī)上使用廣泛，但也可以用在機(jī)頂盒和游戲機(jī)上，補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)（On-The-Go）使其能夠用于在便攜設(shè)備之間直接交換數(shù)據(jù)。

　　通用串行總線特點(diǎn)

　　USB最初是由英特爾與微軟公司倡導(dǎo)發(fā)起，其最大的特點(diǎn)是支持熱插拔（Hot plug）和即插即用 （Plug&Play）。當(dāng)設(shè)備插入時(shí)，主機(jī)枚舉（enumerate）此設(shè)備并加載所需的驅(qū)動(dòng)程序，因此使用遠(yuǎn)比PCI和ISA總線方便。

　　USB速度比平行埠并聯(lián)總線（Parellel Bus，例如EPP、LPT）與串聯(lián)埠總線（Serial Port，例如RS-232）等傳統(tǒng)電腦用標(biāo)準(zhǔn)總線快上許多。原標(biāo)準(zhǔn)中USB 1.1 的最大傳輸帶寬為 12Mbps，USB 2.0 的最大傳輸帶寬為 480Mbps。

　　USB的設(shè)計(jì)為非對(duì)稱式的，它由一個(gè)主機(jī)（host）控制器和若干通過hub設(shè)備以樹形連接的設(shè)備組成。 一個(gè)控制器下最多可以有5級(jí)hub，包括Hub在內(nèi)，最多可以連接127個(gè)設(shè)備，而一臺(tái)計(jì)算機(jī)可以同時(shí)有多個(gè)控制器。 和SPI-SCSI等標(biāo)準(zhǔn)不同，USB hub不需要終結(jié)器。

　　USB可以連接的外設(shè)有鼠標(biāo)、鍵盤、gamepad、游戲桿、掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、打印機(jī)、硬盤和網(wǎng)絡(luò)部件。對(duì)數(shù)碼相機(jī)這樣的多媒體外設(shè)USB已經(jīng)是缺省接口；由于大大簡化了與計(jì)算機(jī)的連接，USB也逐步取代并口成為打印機(jī)的主流連接方式。2004年已經(jīng)有超過1億臺(tái)USB設(shè)備；到2005年顯示器和高清晰度數(shù)字視頻外設(shè)是僅有的USB未能染指的外設(shè)類別，因?yàn)樗麄冃枰叩膫鬏斔俾省?/p>

　　串行總線的選擇原則

　　本應(yīng)用筆記討論微控制器作為當(dāng)今各種先進(jìn)電子產(chǎn)品的核心，與一個(gè)或多個(gè)外設(shè)器件的通信技術(shù)。以前，微控制器的外設(shè)是以存儲(chǔ)器映射方式與數(shù)據(jù)和地址總線連接的。但是，由于較多的引腳數(shù)，增大了封裝尺寸，并提高了總體成本。要降低成本和縮小封裝尺寸，串行接口顯然是理想的替代方案，例如：1-Wire®、SPI、I²C、USB等，它們代表了不同的物理網(wǎng)絡(luò)尺寸、網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)器、電源、數(shù)據(jù)速率及功能選擇。不同類型的接口具有不同的優(yōu)勢，而1-Wire接口在串行通信中不失為一種創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

　　微控制器（µC）是當(dāng)今各種先進(jìn)電子產(chǎn)品的核心，它需要與一個(gè)或多個(gè)外設(shè)器件通信。以前，µC的外設(shè)是以存儲(chǔ)器映射方式與數(shù)據(jù)和地址總線連接的。對(duì)地址線譯碼以獲得片選信號(hào)，從而在有限的地址范圍內(nèi)為每個(gè)外設(shè)分配唯一的地址。這種接口類型所需的最少引腳數(shù)（除電源和地之外）為：8 （數(shù)據(jù)） + 1 （R//W） + 1 （/CS） + n條地址線［n = log2（內(nèi)部寄存器或存儲(chǔ)器字節(jié)的數(shù)目）］。例如，與一個(gè)16字節(jié)外設(shè)通信時(shí)，需要的引腳數(shù)為：8 +1 + 1 + 4 = 14。這種接口的訪問速度快，但較多的引腳數(shù)也同時(shí)帶來了封裝尺寸增大和總成本提高的問題。要降低成本和縮小封裝尺寸，串行接口顯然是理想的替代方案。

　　選擇串行總線并非易事。除需要考慮數(shù)據(jù)速率、數(shù)據(jù)位傳輸順序（先傳最高位或最低位）和電壓外，設(shè)計(jì)者還應(yīng)該考慮以下幾點(diǎn)：

　　通過何種方式選擇某個(gè)外設(shè)（通過硬件片選輸入或軟件協(xié)議）。 外設(shè)如何與µC保持同步（借助一條硬件時(shí)鐘線，或借助內(nèi)嵌于數(shù)據(jù)流中的時(shí)鐘信息）。 數(shù)據(jù)是在單根線上傳輸（在“高”和“低”之間轉(zhuǎn)換），還是在一對(duì)差分線上傳輸（兩根線按相反的方向同時(shí)轉(zhuǎn)換其電壓）。 通信線路的兩端均使用匹配電阻實(shí)現(xiàn)阻抗匹配（通常用于差分信號(hào)傳輸），還是不匹配或僅在一端匹配（通常用于單端總線）。

　　表1以矩陣的形式展示了各種通用總線系統(tǒng)之間的差異。16種可能組合中只有4種通用類型為大家所熟知。

　　除這些特性外，具體應(yīng)用還會(huì)提出更多要求，如供電方式、隔離、噪聲抑制、µC （主機(jī)）與外設(shè)（從機(jī)）間的最大傳輸距離、以及電纜連接方式（總線型、星型、可承受線路反接等）。提出類似要求的應(yīng)用包括樓宇自動(dòng)化、工業(yè)控制和抄表等，并且都已制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。1， 2

　　表1. 串行總線系統(tǒng)概括

　　電路板到背板的應(yīng)用需求

　　提供外設(shè)功能的串行總線系統(tǒng)不應(yīng)該給應(yīng)用系統(tǒng)增加任何沉重的負(fù)荷。尤其需要注意以下幾點(diǎn)：

　　互連布線一定要簡單（信號(hào)線越少越好）。 必須能夠輕松地通過軟件實(shí)現(xiàn)協(xié)議（或所選的µC/µP本身提供這種接口）。 需要提供功能廣泛的器件。 總線系統(tǒng)必須易于擴(kuò)展。

　　使用軟件協(xié)議完成尋址的單端、自同步系統(tǒng)需要的信號(hào)線最少。從表1可以看出，1-Wire、LIN總線和SensorPath能夠滿足這些條件。在這類總線系統(tǒng)中，還需要考慮其它因素（見表2）。

　　表2. 1-Wire、LIN總線和SensorPath總線系統(tǒng)的性能差異

　　物理網(wǎng)絡(luò)尺寸

　　只有SensorPath局限于電路板尺寸的應(yīng)用。一定條件下，使用恰當(dāng)?shù)挠布蛙浖W(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)器，可以極大地?cái)U(kuò)展1-Wire總線網(wǎng)絡(luò)的距離。

　　網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)器

　　對(duì)于基于協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)者需要軟件驅(qū)動(dòng)程序來產(chǎn)生通信波形（鏈路層），識(shí)別并尋址網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)絡(luò)層）的單個(gè)從器件/節(jié)點(diǎn)，并發(fā)送/接收數(shù)據(jù)（傳輸層）。軟件驅(qū)動(dòng)程序與特定操作系統(tǒng)和通信端口有關(guān)?？商峁┗诟黝惗丝诘?-Wire硬件驅(qū)動(dòng)芯片（主機(jī)）以及適配器，端口類型包括COM、LPT、USB和I²C。在未作匹配的大型網(wǎng)絡(luò)中，電纜末端、連接器和分支的反射會(huì)限制網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能。

　　電源

　　必須為網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)從器件供電，以實(shí)現(xiàn)正常工作。最具成本效益的方法是通過數(shù)據(jù)線遠(yuǎn)程供電。該方法也稱為“寄生供電”，這使得讀取系統(tǒng)診斷信息（比如在掉電模式下）成為可能。具體范例請參考應(yīng)用筆記178中的圖3和相關(guān)內(nèi)容：“利用1-Wire產(chǎn)品標(biāo)識(shí)印刷電路板”10。當(dāng)然由于必須為供電留出時(shí)間，寄生供電也降低了可用的數(shù)據(jù)速率。

　　數(shù)據(jù)速率

　　通常來說，數(shù)據(jù)速率越高，網(wǎng)絡(luò)傳輸距離越短，反之亦然。1-Wire系統(tǒng)具有電源傳輸功能，因此最大數(shù)據(jù)傳輸速率取決于網(wǎng)絡(luò)的從器件數(shù)目以及電纜總長度（電容）。

　　網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)查找功能

　　該特性允許主機(jī)識(shí)別網(wǎng)絡(luò)中從器件的數(shù)目、類型和地址。這一點(diǎn)對(duì)于節(jié)點(diǎn)數(shù)動(dòng)態(tài)（變化）的網(wǎng)絡(luò)來說必不可少。請參考Dallas工程期刊（第2期）11第22頁中的示例。

　　器件功能選擇

　　范圍如果不能提供應(yīng)用所需要的功能，即使再出色的總線也毫無用處。與LIN總線和SensorPath相比，1-Wire系統(tǒng)目前可以提供最豐富的功能。

　　I²C/SMBus與1-Wire總線

　　如果實(shí)際應(yīng)用可以提供時(shí)鐘線，則總線選擇范圍可擴(kuò)展到I²C12和SMBus13器件。根據(jù)SMBus的規(guī)范，它可以看作是100kbps I²C總線規(guī)范增加了超時(shí)特性后的派生總線類型。在某個(gè)節(jié)點(diǎn)與總線主機(jī)失去同步的情況下，超時(shí)特性可避免總線發(fā)生閉鎖，而I²C系統(tǒng)則需要經(jīng)過一次上電復(fù)位過程，才能從這種故障狀態(tài)恢復(fù)至正常工作狀態(tài)。在1-Wire系統(tǒng)中，復(fù)位/在線檢測周期可將通信接口復(fù)位至確定的啟動(dòng)條件下。

　　除了時(shí)鐘線外，I²C/SMBus還為總線上傳輸?shù)拿總€(gè)字節(jié)提供一個(gè)應(yīng)答位。這使得有效數(shù)據(jù)速率降低了12%。通信過程開始于一個(gè)啟動(dòng)條件，并跟隨從器件地址和一個(gè)數(shù)據(jù)方向位（讀/寫），最后結(jié)束于一個(gè)停止條件。對(duì)于1-Wire系統(tǒng)，首先需要滿足網(wǎng)絡(luò)層的要求（即選擇某個(gè)特定器件，執(zhí)行search ROM命令或者廣播）;接下來發(fā)送與特定器件相關(guān)的命令代碼，該代碼同時(shí)會(huì)影響數(shù)據(jù)的傳輸方向（讀/寫）。

　　原有I²C和SMBus總線系統(tǒng)的一個(gè)突出問題是其有限的7位地址空間。由于可提供超過127種不同器件類型，我們無法根據(jù)從器件地址推斷器件功能。此外，許多I²C器件還允許用戶隨意設(shè)置1個(gè)或多個(gè)地址位，以在總線上掛接多個(gè)相同器件。這種特性進(jìn)一步減少了可用的地址空間。解決地址沖突問題的標(biāo)準(zhǔn)做法是將總線系統(tǒng)劃分成若干段，某一時(shí)刻可在軟件控制下激活某個(gè)網(wǎng)絡(luò)段。該網(wǎng)絡(luò)段需要增加更多硬件，也使應(yīng)用固件更為復(fù)雜。I²C系統(tǒng)不具備網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)查找或枚舉功能，因此很難處理節(jié)點(diǎn)數(shù)動(dòng)態(tài)變化的系統(tǒng)。這一問題可借助SMBus Specification Version 2.013中的地址分辨率協(xié)議得以解決。但是，支持該特性的SMBus器件極為稀少。

　　SPI和MICROWIRE接口

　　SPI14和MICROWIRE15 （SPI的子集）均需要為每個(gè)從器件提供一條額外的片選線。由于具有片選信號(hào)，SPI協(xié)議只定義了針對(duì)存儲(chǔ)器地址和狀態(tài)寄存器的讀/寫命令。它不提供應(yīng)答功能。通常，SPI器件的數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出采用不同的引腳。鑒于數(shù)據(jù)輸出在除了讀操作外的任何情況下均為三態(tài)（禁止），因此可將兩個(gè)數(shù)據(jù)引腳接到一起以構(gòu)成單根雙向數(shù)據(jù)線。當(dāng)其它總線系統(tǒng)無法提供所需的功能或需要較高的數(shù)據(jù)傳輸速率時(shí)，可選用SPI總線，它可以支持2Mbps或更高的速率。SPI和MICROWIRE的不利因素在于產(chǎn)生CS信號(hào)的譯碼邏輯，以尋址某個(gè)特定器件。但是不會(huì)產(chǎn)生地址沖突問題。和I²C總線一樣，不提供節(jié)點(diǎn)查找功能。主機(jī)無法根據(jù)從器件的邏輯地址來推斷器件功能，因此很難管理節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)。

　　RS-485、LVDS、CAN、USB 2.0和FireWire

　　我們對(duì)這些標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行討論，以舉例說明差分傳輸?shù)奶攸c(diǎn)。這類總線系統(tǒng)中傳輸速率最快的兩種是FireWire16和USB 2.017，它們采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電氣連接。使用先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)或集線器，可以構(gòu)成樹狀拓?fù)涞奶摂M總線，數(shù)據(jù)包從源發(fā)送至端點(diǎn)（USB），或采用對(duì)等傳輸（FireWire），突發(fā)數(shù)據(jù)速率高達(dá)480Mbps （USB 2.0）或1600Mbps （FireWire）。尺寸有限的數(shù)據(jù)包以及接收/緩沖/重發(fā)通信機(jī)制增加了傳輸時(shí)間，反過來降低了有效的數(shù)據(jù)吞吐能力。USB的拓?fù)浜蛥f(xié)議允許最多連接126個(gè)節(jié)點(diǎn)，F(xiàn)ireWire允許最多63個(gè)節(jié)點(diǎn)，使用無源電纜時(shí)節(jié)點(diǎn)間的最大傳輸距離為4.5m。專為包括PC外設(shè)、多媒體、工業(yè)控制和航空（僅FireWire）應(yīng)用而設(shè)計(jì)，USB和FireWire器件可以帶電插入系統(tǒng)（熱插拔）。該特性允許網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)動(dòng)態(tài)變化。

　　LVDS18、RS-48519和CAN20可實(shí)現(xiàn)掛接主機(jī)和從機(jī)的總線型結(jié)構(gòu)，甚至可以連接多個(gè)主機(jī)。這些標(biāo)準(zhǔn)中低壓差分信號(hào)（LVDS）是速率最快的，如果總線長度不超過10m，可工作在100Mbps速率下?？捎玫臄?shù)據(jù)速率及吞吐可以更快或更慢，具體取決于網(wǎng)絡(luò)尺寸。LVDS電氣標(biāo)準(zhǔn)專為背板應(yīng)用而設(shè)計(jì)，支持熱插拔功能，但不包含任何協(xié)議。

　　RS-485也僅定義了電氣參數(shù)。RS-485定義了負(fù)載和每條總線的最大負(fù)載數(shù)目（32），而不是以節(jié)點(diǎn)的形式給出。一個(gè)電氣節(jié)點(diǎn)的負(fù)載可以小于1。12m網(wǎng)絡(luò)距離下的典型數(shù)據(jù)速率可高達(dá)35Mbps，1200m距離下數(shù)據(jù)速率可達(dá)100kbps，這些特性足以滿足數(shù)據(jù)采集和控制應(yīng)用。RS-485設(shè)備的協(xié)議通?；谠瓉碓O(shè)計(jì)用于RS-232的部分協(xié)議。

　　與此不同，控制器局域網(wǎng)（CAN）為分布式實(shí)時(shí)控制定義了通信協(xié)議，安全性非常高，專門面向汽車應(yīng)用和工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。數(shù)據(jù)速率從40m距離下的1Mbps到1000m距離下的50kbps。尋址方式是基于消息的，協(xié)議本身對(duì)節(jié)點(diǎn)數(shù)沒有任何限制。CAN節(jié)點(diǎn)支持熱插拔，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)可以動(dòng)態(tài)變化。

　　結(jié)語

　　在簡單、低成本總線系統(tǒng)中，與LIN總線和SensorPath相比，1-Wire系統(tǒng)的從器件可提供最廣泛的功能和網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)器。I²C和SMBus除了需要數(shù)據(jù)線和參考地之外，還需要時(shí)鐘線和VCC電源，當(dāng)然可供選擇的器件功能也非常多。SPI和MICROWIRE需要額外的片選線，但可以提供更高的數(shù)據(jù)速率。除支持寄生供電和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)查找功能外，1-Wire接口和協(xié)議還支持熱插拔，這一特性通常僅在使用差分信號(hào)的高速系統(tǒng)以及SMBus 2.0兼容產(chǎn)品中才提供。iButton®產(chǎn)品是使用極為廣泛的熱插拔1-Wire器件，熱插拔是這類器件的正常工作方式。事實(shí)已經(jīng)證明，1-Wire器件在下列應(yīng)用中極為有效：全球識(shí)別號(hào)21、電路板/配件標(biāo)識(shí)與認(rèn)證10、溫度檢測和執(zhí)行裝置等。另外一種非常成功的1-Wire產(chǎn)品是具有安全存儲(chǔ)器和質(zhì)詢-響應(yīng)機(jī)制的器件，它能以最低的成本實(shí)現(xiàn)雙向認(rèn)證和軟件代碼保護(hù)22， 23。