嵌入式总线技术详解

1. 总线概述

1.1 总线定义

  • 总线（Bus）是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线
  • 它是由导线组成的传输线束，按照计算机所传输的信息种类，计算机的总线可以划分为数据总线、地址总线和控制总线，分别用来传输数据、数据地址和控制信号
  • 总线是一种内部结构，它是 CPU、内存、输入、输出设备传递信息的公用通道，主机的各个部件通过总线相连接，外部设备通过相应的接口电路再与总线相连接，从而形成了计算机硬件系统
  • 在计算机系统中，各个部件之间传送信息的公共通路叫总线，微型计算机是以总线结构来连接各个功能部件的

1.2 总线发展与作用

  • 早期计算机冯氏架构（运算器为核心）是一种分散连接，效率不高
    在这里插入图片描述

  • 现代计算机架构（以存储器为核心）是一种总线连接，大大提高效率

    • 总线意义：便于部件和设备的扩充，尤其制定了统一的总线标准，容易使不同设备间实现互连
    • 总线占用问题：总线是复用的，某一时刻只允许一个部件进行访问
    • 设备阻塞问题：当 CPU 访问 I/O 设备时，存储器处于阻塞等待状态
      在这里插入图片描述

  • 多总线

    • 总线 1 用于高速的 CPU
    • 总线 2 用于速度要求不高的 I/O 设备
      在这里插入图片描述

1.3 总线设计思路

  • 一组线路
    • 共用一条总线
  • 接口电路
    • 硬件支持
    • 接口电路和协议标准是绑定在一起的
  • 协议标准
    • 软件协议
    • 比如 USB 有自己的总线标准

2. 总线类型

2.1 微机/计算机总线

2.1.1 内部总线
  • 内部各外围芯片与处理器之间的总线（芯片级）
  • 典型代表
    • I2C (Inter-IC)
      • 接口线少，控制方式简化，器件封装形式小，通信速率较高
    • SPI (Serial Peripheral Interface，串行外围设备接口)
    • SCI (Serial Communication Interface，串行通信接口)
      • 类似于 UART（通用异步通信接口）
2.1.2 系统总线
  • 各插件板与系统板之间的总线（插件板级）
  • 典型代表
    • 商用 PC 机
      • ISA (Industrial Standard Architecture)
      • EISA :在原来 ISA 总线的 98 条信号线上又增加了 98 条信号线
      • VESA (Video Electronics Standard Association)
      • PCI (Peripheral Component Interconnect)：最流行的总线之一，不兼容前面的总线，不受处理器型号限制
    • 工业
      • STD 总线、VME 总线、PC/104 总线
      • compact PCI 工业计算机标准
2.1.3 外部总线
  • 和外部设备之间进行信息与数据交换（设备级）
  • 通信总线
    • 串行：同步模式（I2C、SPI）、异步模式（UART）
    • 并行：不适用于小型化产品
  • 典型代表
    • RS-232-C
      • 由美国电子工业协会 EIA(Electronic Industry Association)制定
      • RS 是英文 “推荐标准” 的缩写，232 为标识号，C 表示修改次数
      • 25 条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道在多数情况下主要使用主通道
      • 对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如：一条发送线（TX）、一条接收线（RX）、及一条地线（GND），串口通信一般不接 VCC 正极
      • 属于单端信号传送（就数据线来说是单端的，TX 只能传向 TX，RX 只能传向 RX），存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于 20m 以内的通信
    • RS-485
      • 采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力，传输距离上千米
      • 总线收发器具有高灵敏度，能检测低至 200mV 的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复
      • 半双工，任何时候只能有一点（比如 A 点和 B 点之间传输信号，同一时刻只能 A 发给 B 或者 B 发个 A）处于发送状态，因此，发送电路需由使能信号加以控制
      • 以联网构成分布式系统，其允许最多并联 32 台驱动器和 32 台接收器
    • USB (Universal Serial Bus)
      • 它可为外设提供电源，而不像普通的使用串、并口的设备需要单独的供电系统
      • 最高传输率可达 12Mbps，比串口快 100 倍，比并口快近 10 倍，USB 还支持多媒体

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2.2 工业总线（现场总线）

  • 工业数据总线，是自动化领域中底层数据通信网络

    • 主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器执行机构等现场设备间的数字通信
    • 以及这些现场控制设备和高级控制系统间的信息传递
    • 物联网（民用家用）和工业总线是应用在不同领域的嵌入式通信技术
    • ARM 主要用于民用，工业控制器还是以 PLC 为主
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  • 定义

    • 用于现场仪表及控制室之间的一种全数字化、双向、多变量、多点多站的通信系统

  • 本质

    • 现场通信网络、现场设备互连、互操作性、分散功能模块和开放式互连网络

  • 趋势

    • 统一的现场总线国际标准
    • 走向工业控制网络
2.2.1 工业以太网技术

  • 离散制造控制

    • Modbus-IDA 工业以太网
    • Ethernet/IP 工业以太网
    • PROFInet 工业以太网

  • 过程控制系统

    • Foundation Fieldbus HSE 工业以太网
2.2.2 工业总线网络
  • 代表
    • 485 网络：RS485 端口 + Modbus 协议，实施简单，而且支持 RS485 的仪表多
    • HART 网络
    • FieldBus 现场总线网络：自动化领域热点技术之一
    • ProfiBus、CANbus（汽车电子）、CC-Link

3. 嵌入式通信系统

3.1 拓扑结构

  • 拓扑学中研究与大小、形状无关的点、线关系的方法，把网络中的计算机和通信设备抽象为一个点，把传输介质抽象为一条线
  • 总线型拓扑、星形拓扑、环形拓扑、树形拓扑（由总线型演变而来）以及它们的混合型

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3.2 系统架构

  • 总线型-主要针对有线通信

    • 总线两端连接的器件
      • 端结器 (末端阻抗匹配器、或终止器)，主要与总线进行阻抗匹配，最大限度地吸收传送端部的能量，避免信号反射回总线产生不必要的干扰
    • 目前使用最广泛的结构，也是最传统的一种主流网络结构，适合于信息管理系统、办公自动化系统领域的应用，数目相对较少的局域网络
    • 基于多点连接
      • 任何一个结点的信息都可以沿着总线向两个方向传输扩散，并且能被总线中任何一个结点所接收
      • 广播式
      • 总线有一定的负载能力，因此，总线长度有一定限制，一条总线也只能连接一定数量的结点
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  • 总线通信

    • 资源的共享与复用-响应与请求（仲裁）-分时
      • 集中式：排队请求、独立请求
      • 分布式：仲裁得出优先级
    • 数据传输
      • 同步通信：时钟控制
      • 异步通信：应答（握手）机制，不互锁、半互锁和全互锁，允许各模块速度的不一致性
      • 同步 + 异步：时钟线 + 等待（Wait）线
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