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1、第八章第八章 总线和数据通信技术总线和数据通信技术概述概述8.1内总线内总线8.2通用总线通用总线8.3串行通信接口串行通信接口8.4首页首页本章内容本章内容现场总线现场总线8.5蓝牙技术蓝牙技术8.6电力线载波通信电力线载波通信8.8工业以太网工业以太网8.71.1.内总线内总线3.3.现场总线现场总线 重点重点：2.2.通用、串行接口总线通用、串行接口总线 返 回4.4.蓝牙技术、以太网、电力线载波通信蓝牙技术、以太网、电力线载波通信主要有并行通信接口、串行通信主要有并行通信接口、串行通信接口、现场总线接口和以太网接接口、现场总线接口和以太网接口等。为方便各种仪器之间的通口等。为方便各种仪
2、器之间的通信，一般采用标准通信接口。信，一般采用标准通信接口。下 页上 页主要接口方式主要接口方式返 回在实际的测量和控制过程中，智能仪器和智在实际的测量和控制过程中，智能仪器和智能仪器之间、智能仪器与计算机之间需要进行各能仪器之间、智能仪器与计算机之间需要进行各种信息的交换和传输，这种信息的交换和传输通种信息的交换和传输，这种信息的交换和传输通过仪器的通信接口按照一定的协议实现。过仪器的通信接口按照一定的协议实现。是各仪器之间或仪器与计算机之间是各仪器之间或仪器与计算机之间进行信息交换和传输的联络装置进行信息交换和传输的联络装置 通信接口通信接口第八章第八章总线和数据通信技术总线和数据通信技
3、术下 页上 页返 回注意：本章介绍智能仪器较常用的标本章介绍智能仪器较常用的标准总线，主要有总线、准总线，主要有总线、GP-IB通用通用接口总线、接口总线、RS232C串行总线、串行总线、RS422/485串行总线、串行总线、USB通用串通用串行总线、行总线、CAN总线等总线等。下 页上 页返 回8.1 8.1 概述概述智能仪器中的公共数字传输通道称为智能仪器中的公共数字传输通道称为总线（总线（Bus）总线总线按连接范围按连接范围划分划分片内总线（局部总线）片内总线（局部总线）内部总线（系统总线）内部总线（系统总线）外部总线（通信总线）外部总线（通信总线）主要用于芯主要用于芯片级的互连片级的互
4、连 用以实现系统与用以实现系统与各种扩展插件板各种扩展插件板之间的相互连接之间的相互连接 主要用于仪主要用于仪器间的互连器间的互连 下 页上 页返 回一般由芯片制造厂商定义，对外提供的连线一般由芯片制造厂商定义，对外提供的连线均通过芯片的管脚实现，对智能仪器设计的影响均通过芯片的管脚实现，对智能仪器设计的影响不大。内部总线的种类相对较为统一，下节介绍不大。内部总线的种类相对较为统一，下节介绍的的总线是其中的典型代表总线是其中的典型代表。片内总线片内总线CI2外部总线的种类则比较广泛，由于涉及智能外部总线的种类则比较广泛，由于涉及智能仪器与智能仪器之间，智能仪器和通用计算机之仪器与智能仪器之间，
5、智能仪器和通用计算机之间通信的问题，根据通信性质、通信技术和通信间通信的问题，根据通信性质、通信技术和通信距离的不同，有多种多样的总线可供选择距离的不同，有多种多样的总线可供选择GP-IB通用并行总线、通用并行总线、RS-232C、RS-485和和USB(UniversalSerialBus)等串行总线、等串行总线、CAN现场总线。总线在多个领域应用广泛。现场总线。总线在多个领域应用广泛。举例：举例：下 页上 页返 回总线总线 按数据传输特点按数据传输特点划分划分并行总线并行总线 串行总线串行总线 指多个数据位同时传输或接收，可指多个数据位同时传输或接收，可分为不同位数（宽度）的并行总线（如分
6、为不同位数（宽度）的并行总线（如8位、位、16位等），当距离较近而且要求位等），当距离较近而且要求传输速率较高时通常采用此总线传输方传输速率较高时通常采用此总线传输方式式 数据逐位传输，发送或接收数据最多只需两根数据逐位传输，发送或接收数据最多只需两根导线，其一用于发送，另一用于接收；串行通信采导线，其一用于发送，另一用于接收；串行通信采用不同的工作方式，还可将发送和接收二线合一，用不同的工作方式，还可将发送和接收二线合一，具有经济实用的特点，当设备距离较远时通常采用具有经济实用的特点，当设备距离较远时通常采用串行总线方式。串行总线方式。下 页上 页返 回相同条件下：相同条件下：串行传输速度并
7、行传输速度串行传输速度并行传输速度注意：下 页上 页返 回上述的各种外部总线都有很多厂商推出了上述的各种外部总线都有很多厂商推出了相应的通信接口，有些接口已经直接在芯片级相应的通信接口，有些接口已经直接在芯片级予以实现，使用非常方便。除了这些标准总线予以实现，使用非常方便。除了这些标准总线接口之外，在无线通信领域，蓝牙技术正逐步接口之外，在无线通信领域，蓝牙技术正逐步为人们所采用；借助分布广阔的电力传输线进为人们所采用；借助分布广阔的电力传输线进行载波通信的方式仍在继续发展；借鉴通用计行载波通信的方式仍在继续发展；借鉴通用计算机构建局域网中占主导地位的以太网技术，算机构建局域网中占主导地位的以
8、太网技术，工业以太网也出于蓬勃发展阶段。随着新技术、工业以太网也出于蓬勃发展阶段。随着新技术、新的通信手段的发展，新的通信接口还会不断新的通信手段的发展，新的通信接口还会不断涌现。涌现。综述：综述：下 页上 页返 回.内总线内总线内总线内总线（SystemBus）又称局部总线，是系统内部又称局部总线，是系统内部各模块的公共信息通道各模块的公共信息通道 各模块的设计可通用化；各模块的设计可通用化；具有互换性，损坏一部分只须更换该部分即可；具有互换性，损坏一部分只须更换该部分即可；只要留有足够的插口，随时可扩展系统的功能；只要留有足够的插口，随时可扩展系统的功能；改变其中一些模块可以改变仪器的功能
9、改变其中一些模块可以改变仪器的功能采用内总线的优点：采用内总线的优点：目目前前常常用用的的内内总总线线S-100STD 是美国公司是美国公司1976年提出适应于年提出适应于Intel8080CPU系列的总线，共系列的总线，共100条，其中条，其中16条数据线；条数据线；24条地址线；条地址线；11条控制线；条控制线；8条条DMA线；线；8条状条状态线；态线；8条矢量中断线；条矢量中断线；9条电条电源线地线；源线地线；16条其他用途信号条其他用途信号线；主要缺陷是布线不太合理、线；主要缺陷是布线不太合理、时钟信号位于控制信号中间，时钟信号位于控制信号中间，容易产生干扰、地线少、引脚容易产生干扰、
10、地线少、引脚多、几何尺寸大、易变形，目多、几何尺寸大、易变形，目前已极少用。前已极少用。是美国是美国Pro-log公司公司1979年提年提出用于工业控制微型计算机的标出用于工业控制微型计算机的标准系统总线。按工业现场标准设准系统总线。按工业现场标准设计，具有较好的兼容性，电路板计，具有较好的兼容性，电路板采用小板结构，高度模块化，结采用小板结构，高度模块化，结构简单，品种齐全，价格低廉，构简单，品种齐全，价格低廉，性能良好。支持多微处理器系统。性能良好。支持多微处理器系统。共共56条线，其中条线，其中6条逻辑电源线；条逻辑电源线；8条数据线；条数据线；16条地址线；条地址线；22条条控制线；控
11、制线；4条辅助电源线。适合于条辅助电源线。适合于8位机，位机，80年代开始在我国流行，年代开始在我国流行，现在应用较少现在应用较少.广泛应用于系统内部模块或芯广泛应用于系统内部模块或芯片之间的内总线，在单片机系片之间的内总线，在单片机系统中应用广泛统中应用广泛下 页上 页返 回下 页上 页返 回总线概述总线概述 （InterIntegratedCircuit）总线是由）总线是由Philips公司于公司于80年代推出的二线串行通信总线，通过年代推出的二线串行通信总线，通过串行数据线串行数据线SDA（SerialData）和串行时钟线）和串行时钟线SCL（SerialClock）两根线将多个具有）
12、两根线将多个具有 总线接口的器件总线接口的器件连到总线上连到总线上,使信息在使信息在 器件之间传递。总线上数据器件之间传递。总线上数据 的传输速率在标准模式下可达的传输速率在标准模式下可达100kbit/s，在快速模式下，在快速模式下可达可达400kbit/s，在高速模式下可达，在高速模式下可达3.4Mbit/s。总线长。总线长度可达度可达25英尺，并且能支持英尺，并且能支持40个组件。由于接口嵌入组个组件。由于接口嵌入组件，所以占用空间小，减少了电路板的空间，降低了互件，所以占用空间小，减少了电路板的空间，降低了互联成本。联成本。下 页上 页返 回(1)二线制总线，通过二线制总线，通过SDA
13、及及SCL两线在连接到总线上两线在连接到总线上的器件之间传送信息，根据地址识别各器件。的器件之间传送信息，根据地址识别各器件。(2)无中心主机的多主机总线，可在主机和分机之间双无中心主机的多主机总线，可在主机和分机之间双向传送数据。各主机可任意同时发送而不破坏总线向传送数据。各主机可任意同时发送而不破坏总线上的数据。上的数据。(3)同步通信总线，同步时钟允许器件通过总线以不同同步通信总线，同步时钟允许器件通过总线以不同波特率通信，同时还可用作开始和停止串行口的应波特率通信，同时还可用作开始和停止串行口的应答信号。答信号。总线具有下述特点：总线具有下述特点：下 页上 页返 回(4)系统中所有外围
14、器件及模块采用器件地址及引脚系统中所有外围器件及模块采用器件地址及引脚地址的编址方式。地址的编址方式。(5)器件间总线简单，结构紧凑，总线上增加器件不器件间总线简单，结构紧凑，总线上增加器件不影响系统的正常工作，系统可修改和可扩展性影响系统的正常工作，系统可修改和可扩展性好。即使有不同时钟速度的器件连接到总线上，好。即使有不同时钟速度的器件连接到总线上，也能很方便地确定总线的时钟。也能很方便地确定总线的时钟。(6)支持支持NMOS、COMS、HCMOS等多种制造工等多种制造工艺，并可用于测试和错误诊断。艺，并可用于测试和错误诊断。下 页上 页返 回总线的术语总线的术语 构成构成 SDA（串行数
15、据线）（串行数据线）SCL（串行时钟线）（串行时钟线）注意：总线上可以接若干个单片微机和外围器总线上可以接若干个单片微机和外围器件，每个器件可由唯一的地址确定，件，每个器件可由唯一的地址确定，总线根据地址识别各器件。总线根据地址识别各器件。下 页上 页返 回发发送送&接接收收 当某个器件向总线上发送信息时，它是当某个器件向总线上发送信息时，它是发送器发送器，而当它从总线上接收信息时，又成为而当它从总线上接收信息时，又成为接收器接收器。工作于发送或接收方式。发送或接收可根据数据的工作于发送或接收方式。发送或接收可根据数据的传送方向而改变。传送方向而改变。总线根据器件的功能通过软件编程使器件总线根
16、据器件的功能通过软件编程使器件例如：例如：有些器件既可做接收器又可做发送器，如存储器有些器件既可做接收器又可做发送器，如存储器 有些器件只能做接收器，如有些器件只能做接收器，如LCD驱动器驱动器 下 页上 页返 回当某个器件在当某个器件在SCL上产生时钟脉冲，在上产生时钟脉冲，在SDA上产生寻址信号、开始条件、停止条件、上产生寻址信号、开始条件、停止条件、建立数据传输时，该器件为建立数据传输时，该器件为主器件（主机）主器件（主机），此时任何被寻址选中的器件为此时任何被寻址选中的器件为从器件（从机）从器件（从机）。主主机机&从从机机 单片微机在单片微机在 总线上既可做主器件总线上既可做主器件（主
17、发送或主接受），也可做从器件（从发送（主发送或主接受），也可做从器件（从发送或或从接受），外围器件一般只能做从器件。从接受），外围器件一般只能做从器件。注意：下 页上 页返 回表表8.1 总线术语的定义总线术语的定义 下 页上 页返 回 器件与器件与 总线的连接总线的连接器件之间通过器件之间通过SDA及及SCL两根线进行通信。连接两根线进行通信。连接到总线的器件的输出级必须是集电极或漏极开路，通到总线的器件的输出级必须是集电极或漏极开路，通过上拉电阻接正电源，以便完成过上拉电阻接正电源，以便完成“线与线与”功能。功能。图图8.1所示所示 器件与器件与 总线的连接总线的连接 SDA和和SCL均为
18、双向均为双向I/O线，当线，当总线空闲时，两条线均为高电平。总线空闲时，两条线均为高电平。注意：下 页上 页返 回8.2.4数据的传送数据的传送 在数据传送过程中，必须确认数据传送的在数据传送过程中，必须确认数据传送的开始开始（启动）（启动）和和结束（停止）结束（停止）。开始和结束信号由主。开始和结束信号由主器件产生。器件产生。开始信号以后，总线被认为处于忙态；结束开始信号以后，总线被认为处于忙态；结束信号以后，总线被认为处于闲态。信号以后，总线被认为处于闲态。下 页上 页返 回下 页上 页返 回当当SCL线为高电平、线为高电平、SDA线由低电平跳线由低电平跳变为高电平时为变为高电平时为“结束
19、结束”条件，如图条件，如图8.2所示所示下 页上 页返 回 总线上每次发送的数据字节数不受限制，总线上每次发送的数据字节数不受限制，但每个字节必须为但每个字节必须为8位，而且每个字节后面必须跟位，而且每个字节后面必须跟一个应答位（一个应答位（ACK）（第）（第9位），也叫认可位。位），也叫认可位。注意：下 页上 页返 回数据的传送过程数据的传送过程:数据传送时由主器件发出启动信号，即数据传送时由主器件发出启动信号，即SCL为高为高电平的状态下，数据线电平的状态下，数据线SDA发生由高电平到低电平的发生由高电平到低电平的跳变。然后主器件发送第一个字节数据用于选择从器跳变。然后主器件发送第一个字节
20、数据用于选择从器件的地址。件的地址。数据的传送过程如图数据的传送过程如图8.3所示。其中前所示。其中前7位为从器件的地位为从器件的地址，由固定和可编程两部分组成，固定部分为器件的名址，由固定和可编程两部分组成，固定部分为器件的名称，由生产公司规定；称，由生产公司规定；下 页上 页返 回可编程部分决定系统中最多可连接的此种器件的个数，可编程部分决定系统中最多可连接的此种器件的个数，假设某种器件的假设某种器件的7位地址中有位地址中有4位固定、位固定、3位可编程，位可编程，则同一个则同一个总线上最多可连接总线上最多可连接8个该种器件。个该种器件。第第8位位(R/W)为方向位，规定从器件的数据传送方向
21、。当方向位为为方向位，规定从器件的数据传送方向。当方向位为“0”时，表示发送（写），即主器件作为发送器，从器件作为接时，表示发送（写），即主器件作为发送器，从器件作为接收器，第一个字节之后主器件继续将数据发送到所选择的从器件；收器，第一个字节之后主器件继续将数据发送到所选择的从器件；当方向位为当方向位为“1”时，表示接收（读），此时，主器件由发送器变时，表示接收（读），此时，主器件由发送器变成接收器，从器件由接收器变成发送器，主器件将从选择的从器成接收器，从器件由接收器变成发送器，主器件将从选择的从器件读数据。件读数据。下 页上 页返 回主机发送地址后，系统中的其他器件都将自己的主机发送地址后
22、，系统中的其他器件都将自己的地址和主器件送到总线上的地址进行比较，如果与主地址和主器件送到总线上的地址进行比较，如果与主器件发送到总线上的地址一致，则该器件即为被主器器件发送到总线上的地址一致，则该器件即为被主器件寻址的器件。件寻址的器件。注意：下 页上 页返 回数据在数据在SDA上传送时，在上传送时，在SCL为高电平期间必须为高电平期间必须保持稳定，只有在保持稳定，只有在SCL线为低电平期间才允许改变，线为低电平期间才允许改变，如图如图8.4所示。所示。传送数据时，首先传输数据的最高有效位，主器传送数据时，首先传输数据的最高有效位，主器件在传送每个字节后（包括第一个地址字节）都传送件在传送每
23、个字节后（包括第一个地址字节）都传送一个应答位，通常接收器件在接收到每个字节后都会一个应答位，通常接收器件在接收到每个字节后都会做出响应，即释放串行时钟线做出响应，即释放串行时钟线SCL，使，使SCL线返回高线返回高电平，准备接收下一个数据字节。电平，准备接收下一个数据字节。下 页上 页返 回如果接收器件正在处理一个实时事件而不能接收如果接收器件正在处理一个实时事件而不能接收数据时，（例如正在处理一个内部中断，在这个数据时，（例如正在处理一个内部中断，在这个中断处理完之前就不能接收中断处理完之前就不能接收字节）将使字节）将使SCL保持低电平，迫使发送器件处于保持低电平，迫使发送器件处于等待状态
24、，如图等待状态，如图8.3所示。所示。总线上的数据总线上的数据当接收器件处理完毕，为下一个数据字节做好当接收器件处理完毕，为下一个数据字节做好准备时，释放准备时，释放SCL线，发送器件继续发送。线，发送器件继续发送。下 页上 页返 回当数据传送结束时，由主器件产生一个通信结束条当数据传送结束时，由主器件产生一个通信结束条件，即在件，即在SCL线为高电平时，线为高电平时，SDA产生正跳变。一次数产生正跳变。一次数据传送结束，释放总线，使总线处于空闲状态。主机只据传送结束，释放总线，使总线处于空闲状态。主机只能在总线空闲的时侯启动传输能在总线空闲的时侯启动传输。下 页上 页返 回例如：例如：总线上
25、的器件总线上的器件1（主器件）要与器件（主器件）要与器件2通信，包含下面几个步骤：通信，包含下面几个步骤：（1）器件等待总线处于）器件等待总线处于“闲态闲态”，即，即SDA和和SCL处处于高电平；于高电平；（2）器件）器件1发送开始信号，即发送开始信号，即SCL高电平期间，高电平期间，SDA发生由高电平到低电平的跳变，使总线发生由高电平到低电平的跳变，使总线处于忙态处于忙态;总线上的其他器件处于听的状态，总线上的其他器件处于听的状态，查看自己是否被寻址；查看自己是否被寻址；下 页上 页返 回(4)器件器件1发送方向位，告诉器件发送方向位，告诉器件2是发送还是接收是发送还是接收数据；数据；(5)
26、器件器件2发送应答位，表示其是否识别出地址，发送应答位，表示其是否识别出地址，是否准备好；是否准备好；(6)若器件若器件2准备好，器件准备好，器件1发送发送/接收数据；每发接收数据；每发送一个字节数据后，接收器件发送一个应答送一个字节数据后，接收器件发送一个应答位位,表示正常；表示正常；(7)当所有数据传送完成后，器件当所有数据传送完成后，器件1发出一位停止发出一位停止信号，即信号，即SCL线高电平、线高电平、SDA线由低电平跳变线由低电平跳变到高电平，释放总线。使总线再次处于空闲状到高电平，释放总线。使总线再次处于空闲状态。态。下 页上 页返 回总线的竞争总线的竞争:总线接有多个微处理器时，
27、多个微处理器可总线接有多个微处理器时，多个微处理器可能在起始条件的最小持续时间内同时产生起始条件，能在起始条件的最小持续时间内同时产生起始条件，致使总线上产生一个规定的起始条件，即在致使总线上产生一个规定的起始条件，即在SCL线高线高电平期间，有多个主器件在电平期间，有多个主器件在SDA线上发生由高到低的线上发生由高到低的跳变，使多个主机发生争用总线问题，多个微处理器跳变，使多个主机发生争用总线问题，多个微处理器可能会同时开始数据传输，发生竞争。可能会同时开始数据传输，发生竞争。下 页上 页返 回在在SCL为高电平期间，器件为高电平期间，器件1的的SDA1和器和器件件2的的SDA2都发生了高到
28、低的跳变，使总线的都发生了高到低的跳变，使总线的SDA发生高到低的跳变，满足启动条件，器件发生高到低的跳变，满足启动条件，器件1和器件和器件2可能同时开始数据传输，造成数据传输可能同时开始数据传输，造成数据传输混乱。混乱。下 页上 页返 回竞争裁决竞争裁决:发生竞争时，发生竞争时，SDA线上的信号由所有主器件产生线上的信号由所有主器件产生的数据信号进行的数据信号进行“线与线与”裁决。裁决。一个主机发送高电平而在另一个主机发送低一个主机发送高电平而在另一个主机发送低电平时，发送高电平的主机因为总线上的电平与自电平时，发送高电平的主机因为总线上的电平与自己的电平不相同，将断开它的数据输出级，发送低
29、己的电平不相同，将断开它的数据输出级，发送低电平的主机取胜。竞争可以持续多位。器件竞争首电平的主机取胜。竞争可以持续多位。器件竞争首先比较地址位。先比较地址位。多个主器件同时选中同一个从器件时，竞争多个主器件同时选中同一个从器件时，竞争继续比较数据位（如果主机是发送器），或者比较继续比较数据位（如果主机是发送器），或者比较响应位（如果主机是接收器）。响应位（如果主机是接收器）。当当当当下 页上 页返 回如图如图8.5中，主机中，主机1和主机和主机2在第一次出现不同电平在第一次出现不同电平时，主机时，主机1的的SDA1=1，主机，主机2的的SDA2=0，“线与线与”后，主机后，主机1的的DATA
30、1电平与总线的电平与总线的SDA状态不同，断状态不同，断开其数据输出级，使主机开其数据输出级，使主机1在竞争裁决中失去总线的在竞争裁决中失去总线的控制权，主机控制权，主机2取胜。取胜。下 页上 页返 回注意：总线的地址和数据信息由取胜的主机总线的地址和数据信息由取胜的主机决定，所以在竞争过程中地址和数据信息不决定，所以在竞争过程中地址和数据信息不会丢失。而且总线上的主器件既没有中心主会丢失。而且总线上的主器件既没有中心主机，也没有任何优先级别。机，也没有任何优先级别。下 页上 页返 回竞争时的同步时钟机制竞争时的同步时钟机制:器件器件1的时钟信号（的时钟信号（CLK1）由高电平变为低电平，将）
31、由高电平变为低电平，将使时钟线使时钟线SCL由高变低，由高变低，SCL线的电平变化会使连接在线的电平变化会使连接在其上的器件其上的器件2的时钟线（的时钟线（CLK2）发生由高到低的变化。当）发生由高到低的变化。当CLK1由低变高时，由低变高时，CLK2还处于低电平，还处于低电平，CLK1由低到由低到高的状态变化不改变高的状态变化不改变SCL的低电平状态。即低电平周期的低电平状态。即低电平周期短的器件的时钟由低至高的跳变不影响短的器件的时钟由低至高的跳变不影响SCL线的状态，线的状态，器件器件1将进入高电平等待状态。将进入高电平等待状态。下 页上 页返 回当当CLK2上跳为高电平时，上跳为高电平
32、时，SCL结束低电平期，被结束低电平期，被释放返回高电平。此时器件释放返回高电平。此时器件1和器件和器件2同时开始高电平同时开始高电平期。之后，第一个由高电平变为低电平的器件又将期。之后，第一个由高电平变为低电平的器件又将SCL线拉成低电平，重复前面的过程。多个器件与此线拉成低电平，重复前面的过程。多个器件与此类同。类同。下 页上 页返 回注意：所有能在所有能在 产生自己的时钟信号，并传送到时钟线产生自己的时钟信号，并传送到时钟线SCL上。上。总线上传输信息的主器件都能总线上传输信息的主器件都能上述连接方式能在上述连接方式能在SCL线上产生一个同步时钟，线上产生一个同步时钟，同步时钟低电平时间
33、由时钟低电平期最长的器件确同步时钟低电平时间由时钟低电平期最长的器件确定，而时钟高电平时间由时钟高电平期最短的器件定，而时钟高电平时间由时钟高电平期最短的器件确定。发生竞争时，确定。发生竞争时，SCL线上的时钟信号由所有主线上的时钟信号由所有主器件产生的时钟信号器件产生的时钟信号“线与线与”决定。决定。下 页上 页返 回通信中，通信中，CPU可对相关的特殊功能寄存器进行可对相关的特殊功能寄存器进行操作，通过指令将操作，通过指令将 总线，还可对其工作状况进行检测。总线，还可对其工作状况进行检测。接口电路挂靠或摘离接口电路挂靠或摘离硬件硬件接口电路可完成数据的移位、发送或接收及总线接口电路可完成数
34、据的移位、发送或接收及总线的盲、闲状态检测。对不带的盲、闲状态检测。对不带 接口的微处理器接口的微处理器 只得以每个时钟周期只得以每个时钟周期2次的速率对次的速率对SDA线采样，以线采样，以了解总线的忙、闲变化情况。了解总线的忙、闲变化情况。具有自动寻址，多主机时钟同步和仲裁等功能很强具有自动寻址，多主机时钟同步和仲裁等功能很强的总线，用带有的总线，用带有总线是各种总线中使用信号线最少，并总线是各种总线中使用信号线最少，并EEPROM、各种传感器、变送器及微处理器等设、各种传感器、变送器及微处理器等设计智能仪器系统十分方便、灵活，体积也小，在实计智能仪器系统十分方便、灵活，体积也小，在实际中得
35、到广泛应用。际中得到广泛应用。总线的器件如总线的器件如A/D、D/A、返 回上 页下 页通用串行总线（通用串行总线（USB）通用串行总线通用串行总线(UniversalSerialBus，USB)协协议是议是Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、NorthernTelecom等七大公司于等七大公司于1994年共同年共同制定并推出的串行接口总线标准，有多种规范的版制定并推出的串行接口总线标准，有多种规范的版本，目前使用较多的是本，目前使用较多的是1.1版本及版本及2.0版本。版本。USB2.0版于版于2000年年4月推出，新增了高速模式。月推出，新增了高速
36、模式。USB凭借其凭借其高速度和高通用性正在逐步取代串口、并口，成为高速度和高通用性正在逐步取代串口、并口，成为个人计算机与外围设备相连的标准接口。个人计算机与外围设备相连的标准接口。返 回上 页下 页1、USB总线协议特点总线协议特点（1）使用方便。允许设备）使用方便。允许设备“即插即用即插即用”（Plug&Play），即），即USB允许外设在主机和其他外设工作时进允许外设在主机和其他外设工作时进行连接配置、使用及移除。同时行连接配置、使用及移除。同时USB总线的应用可以总线的应用可以清除清除PC上过多的上过多的I/O端口而以一个串行通道取代，支持端口而以一个串行通道取代，支持动态接入和动态
37、配置，也称动态接入和动态配置，也称“热插拔热插拔”。使系统与外。使系统与外设之间的连接更容易。设之间的连接更容易。（2）速度快。）速度快。USB1.1协议支持全速协议支持全速12Mb/s和低速和低速1.5Mb/s的速率传输方式。的速率传输方式。USB2.0协议支持协议支持480Mb/s的高速传输方式。的高速传输方式。返 回上 页下 页（3）连接灵活。一个）连接灵活。一个USB接口理论上支持的接口理论上支持的“热热插拔插拔”设备可达设备可达127个，既可以串行连接，个，既可以串行连接，也也可以集线器连接。可以集线器连接。（4）供电方式灵活。可以采用自供电，也可以由）供电方式灵活。可以采用自供电，
38、也可以由总线供电，并具有电源保护功能。如果连续总线供电，并具有电源保护功能。如果连续3ms没有总线活动的话，没有总线活动的话，USB会自动进入挂会自动进入挂起状态，处于挂起状态的设备消耗的电流小起状态，处于挂起状态的设备消耗的电流小于于500A。（5）支持的最大电缆长度为）支持的最大电缆长度为5m，USB2.0标准下标准下通过通过USB-Hub级连可达级连可达30m。（6）成本低廉，易于扩展。）成本低廉，易于扩展。返 回上 页下 页（7）容错性能好。具有事务处理错误检测机制，）容错性能好。具有事务处理错误检测机制，可以对有缺陷的设备进行认定，对错误的数可以对有缺陷的设备进行认定，对错误的数据进
39、行恢复或报告。据进行恢复或报告。（8）支持多种传输类型，以满足不同设备的需）支持多种传输类型，以满足不同设备的需求。如等待传输方式（适用于音、视频等设求。如等待传输方式（适用于音、视频等设备，无备，无纠错）；块传输（适用于打印机、扫纠错）；块传输（适用于打印机、扫描仪、数码相机等）；中断传输（适用于键描仪、数码相机等）；中断传输（适用于键盘、鼠标、游戏杆等）以及控制传输。盘、鼠标、游戏杆等）以及控制传输。返 回上 页下 页2、USB总线系统结构总线系统结构一个一个USB系统由系统由USB主机（主机（USBHOST）、）、USB设备（设备（USBDEVICE）和）和USB互连三个基本部互连三个基
40、本部分组成。分组成。USB主机一般制作在主板上，包含主控制主机一般制作在主板上，包含主控制器和一个嵌入的集线器（称为根集线器）器和一个嵌入的集线器（称为根集线器）(Roothub)，根集线器连接在主控制器上。通过根集线器，根集线器连接在主控制器上。通过根集线器，主机可以提供一个或多个接入点（端口）（主机可以提供一个或多个接入点（端口）（port），），USB设备通过接入点与主机相连。设备通过接入点与主机相连。USB设备按照设备按照功能可分为集线器（功能可分为集线器（Hub）和功能设备，即集线器可）和功能设备，即集线器可接入下行集线器和功能设备。接入下行集线器和功能设备。返 回上 页下 页在一个
41、系统中，有且仅有一个在一个系统中，有且仅有一个USB主机，它在主机，它在USB系统中处于中心地位，对系统中处于中心地位，对USB接口及其连接的接口及其连接的设备进行管理、控制数据和信息的流动。集线器是设备进行管理、控制数据和信息的流动。集线器是USB系统的关键部件，集线器通过端口的电气变化系统的关键部件，集线器通过端口的电气变化可检测出连接在总线上的设备的插、拔操作，并可可检测出连接在总线上的设备的插、拔操作，并可通过响应通过响应USB主机的数据包将端口状态告知主机的数据包将端口状态告知USB主主机。功能设备是能够通过总线发送和接收机。功能设备是能够通过总线发送和接收USB数据、数据、并可实现
42、某种功能的设备。并可实现某种功能的设备。USB的互连是指的互连是指USB设设备与主机之间进行连接和通信的操作。备与主机之间进行连接和通信的操作。返 回上 页下 页一个一个USB系统为分层（系统为分层（Tier）星形拓扑结构，）星形拓扑结构，如图如图8.26所示，中心机是主机的根所示，中心机是主机的根Hub，可以连接下，可以连接下层层Hub和功能设备（图中的和功能设备（图中的Func），允许的最大层），允许的最大层数为数为7层（包括根层）。在主机与任何功能设备之间层（包括根层）。在主机与任何功能设备之间的一个通信通道中，支持最多的一个通信通道中，支持最多5个非根（个非根（non-root）Hub
43、。一个复合设备（有多个端口的设备）占。一个复合设备（有多个端口的设备）占两层，因此，第两层，因此，第7层只能出现功能设备，不能出现集层只能出现功能设备，不能出现集线器。一般而言，线器。一般而言，USB设备与设备与USBHub间的连线长间的连线长度不超过度不超过5m，通过根集线器连接的设备不超过，通过根集线器连接的设备不超过127个。个。返 回上 页下 页USB系统的拓扑结构系统的拓扑结构返 回上 页下 页3、USB总线的物理接口总线的物理接口 USB通通过过一个四一个四线电缆传输线电缆传输信号与信号与电电源，如源，如图图8.27所示，其中所示，其中D+和和D-是互相是互相缠绕缠绕的一的一对对数
44、据数据线线，用于，用于传传输输差分信号，而差分信号，而VBus和和GND分分别为电别为电源和地，可以源和地，可以给给外外设设提供提供5V、最大、最大500mA的的电电源，功率不大的外源，功率不大的外设设可以直接使用可以直接使用USB总线电总线电源供源供电电，不必外接，不必外接电电源。源。USB总线总线支持支持节约节约能源的挂机和能源的挂机和唤唤醒模式。醒模式。返 回上 页下 页对于不同的外设，对于不同的外设，USB2.0可根据速度要求可根据速度要求在电缆上采用在电缆上采用3种速率模式传输数据。种速率模式传输数据。（1）低速模式）低速模式(Lowspeed)，信号传输速率为，信号传输速率为101
45、00kbps，主要适用键盘、鼠标输入笔、游戏，主要适用键盘、鼠标输入笔、游戏杆等外设。具有费用低、易用、动态连接，动杆等外设。具有费用低、易用、动态连接，动态分离、可连接多个外设的特点。态分离、可连接多个外设的特点。（2）全速模式）全速模式(FullSpeed)，信号传输速率为，信号传输速率为500kbps10Mbps，主要适合像电话、压缩，主要适合像电话、压缩视频设备、宽带设备、音频设备、麦克风等一视频设备、宽带设备、音频设备、麦克风等一系列的中速外设传输设备，它除具备低速模式系列的中速外设传输设备，它除具备低速模式的特点外，还具有保障带宽和反应时间的优的特点外，还具有保障带宽和反应时间的优
46、点。点。返 回上 页下 页（3）高速模式）高速模式(Highspeed)，信号传输速率为，信号传输速率为25480Mbps，为视频设备、外部存储设，为视频设备、外部存储设备、图像设备、宽带设备，具有宽高速特征备、图像设备、宽带设备，具有宽高速特征的外设所选用。具有更高的带宽、更快的反的外设所选用。具有更高的带宽、更快的反应时间，是前面两种方式无法比拟的。应时间，是前面两种方式无法比拟的。USB信号线在高速模式下必须使用带有屏蔽的双绞线信号线在高速模式下必须使用带有屏蔽的双绞线而且最长不能超过而且最长不能超过5m，而在低速模式时，可以使用，而在低速模式时，可以使用不带屏蔽或不是双绞的线，但最长不
47、能超过不带屏蔽或不是双绞的线，但最长不能超过3m。返 回上 页下 页4、USB总线的数据格式和传输类型总线的数据格式和传输类型USB数据的最小单位是域，域构成包，包构成事务，数据的最小单位是域，域构成包，包构成事务，事务最后构成传输。传输是指一次完整的发出请求到事务最后构成传输。传输是指一次完整的发出请求到该请求被完整的处理结束的整个过程。事务是传输中该请求被完整的处理结束的整个过程。事务是传输中的一个基本元素，每一次传输由一个或多个事务组成。的一个基本元素，每一次传输由一个或多个事务组成。事务由包组成，包又由同步域、标识域事务由包组成，包又由同步域、标识域(PID)等域组成。等域组成。传输、
48、事务、包和域的关系如图所示。传输、事务、包和域的关系如图所示。返 回上 页下 页域：是域：是USB数据的最小单位，由若干位二进制数字组数据的最小单位，由若干位二进制数字组成，不同的域二进制位数不同，有七种域：成，不同的域二进制位数不同，有七种域：同步域（同步域（SYNC），），8位，值固定为位，值固定为00000001，用，用于本地时钟与输入同步。于本地时钟与输入同步。标识域（标识域（PID），由四位标识符和四位标识符反码），由四位标识符和四位标识符反码构成，构成，USB的标识码有的标识码有16种，表明包的类种，表明包的类型和格式。型和格式。地址域（地址域（ADDR），七位，表示设备在主机上的
49、地），七位，表示设备在主机上的地址，地址址，地址0000000被命名为零地址，是任被命名为零地址，是任何一个设备第一次连接到主机时，被主机何一个设备第一次连接到主机时，被主机配置、枚举前的默认地址。由此可知一个配置、枚举前的默认地址。由此可知一个USB主机只能寻址主机只能寻址127个设备。个设备。（1）域）域返 回上 页下 页端点域（端点域（ENDP），四位，由此可知一个），四位，由此可知一个USB设备端点设备端点数量最大为数量最大为16个。个。帧号域（帧号域（FRAM），），11位，每一个帧都有一个特定的位，每一个帧都有一个特定的帧号，帧号域最大容量帧号，帧号域最大容量0 x800。数据域（
50、数据域（DATA），长度为），长度为01023字节，不同传输字节，不同传输类型数据域的长度各不相同，但必须类型数据域的长度各不相同，但必须为字节的整数倍。为字节的整数倍。校验域（校验域（CRC），对令牌包和数据包中非），对令牌包和数据包中非PID域进行校域进行校验。验。返 回上 页下 页包：由域构成，是包：由域构成，是USB传输的基本单位，单向传送，传输的基本单位，单向传送，从主机发出或发回给主机。从主机发出或发回给主机。USB总线完成一次传输至总线完成一次传输至少需要少需要3个包。包有四种类型，分别是令牌包、数据个包。包有四种类型，分别是令牌包、数据包、握手包和特殊包。数据交换时，首先由主机