第8章 嵌入式系统总线接口要点
嵌入式系统原理与实践-第08章 通信外设
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UART
RS232简介--常用DB9引脚说明
9芯
信号方向来 缩写
描述
自
1
调制解调器 CD
载波检测
2
调制解调器 RXD
接收数据
3
PC
TXD
发送数据
4
PC
DTR
数据终端准
备好
5
GND
信号地
6
调制解调器 DSR
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UART
Universal Asynchronous Receiver and Transmitter
异步通信收发器
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UART
应用
串口是嵌入式系统与外界联系的重要手段，主要用于以 下两个方面：
UART直接和其他的控制器进行数据交换 UART和PC机通信：由于PC机串口是RS232电平，所以
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UART
RS232简介
RS232的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯 设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准”。 该标准规定采用一个25个脚的 DB25连接器，对连接器的 每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信 号的电平加 以规定。
接口的信号内容 实际上RS-232-C的25条引线中有许 多是很少使用的，在计算机与终端通讯中一般只使用3-9 条引线。
1位 一般可选为1位或2位
8位数据、无校验、一位停止位的工作示例图
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UART
使用UART通信
使用UART通信需要两个引脚（将在下面的示例中用 到），如下表：
嵌入式系统的软硬件接口设计要点
嵌入式系统的软硬件接口设计要点嵌入式系统是一种专门设计用于控制特定设备或系统的计算机系统。
软硬件接口是嵌入式系统中软件和硬件进行通信的关键部分。
一个良好设计的软硬件接口可以提高系统的可靠性、性能和可维护性。
以下是嵌入式系统软硬件接口设计的要点。
1. 规范化接口设计一个好的软硬件接口设计需要符合标准化的原则。
这包括使用标准的通信协议和接口标准，以便软件和硬件之间可以进行有效的通信和交互。
常见的接口标准包括UART、SPI、I2C和CAN等。
选择和应用标准接口可以提高系统的互操作性，方便硬件和软件的开发和维护。
2. 设计合理的接口传输速率嵌入式系统中的软硬件接口往往需要传输大量的数据，因此传输速率非常重要。
接口的传输速率应该与系统的需求相匹配，既不能过慢导致性能下降，也不能过快导致硬件资源的浪费。
在设计接口时，需要考虑传输速率的平衡，以确保数据传输的高效和稳定。
3. 硬件引脚的合理分配嵌入式系统的硬件接口通常需要使用多个引脚进行通信。
在设计接口时，需要合理分配硬件引脚，以便满足系统的需求。
引脚的数量和布局应该考虑到硬件资源的限制和尺寸的限制。
合理布局引脚可以提高系统的可靠性和可维护性。
4. 考虑功耗和电源管理功耗和电源管理是嵌入式系统中重要的考虑因素之一。
在设计软硬件接口时，需要考虑如何最大限度地减少功耗，并有效管理电源。
这可以通过设计低功耗的接口协议、优化硬件和软件的交互过程以及合理选择低功耗的硬件组件来实现。
5. 进行适当的错误处理嵌入式系统中的软硬件接口设计需要充分考虑错误处理机制。
在接口通信过程中，可能出现数据传输错误、通信中断等情况。
为了确保系统的稳定性和可靠性，需要设计适应错误处理机制。
这可以包括数据校验、错误检测和纠正、异常处理等。
适当的错误处理可以减少系统故障和数据损失的可能性。
6. 软硬件协同设计软硬件接口设计需要软硬件协同工作。
软件和硬件之间的接口应该清楚地定义，并有明确的规范和通信协议。
嵌入式系统总线技术概述
嵌入式系统总线技术概述嵌入式系统是一种专用的计算机系统，它是软件和硬件的综合体。
一般，嵌入式系统的构架可以分成四个部分：处理器、存储器、输入输出（I/O）和软件。
嵌入式系统中的各个部件之间是通过一条公共信息通路连接起来的，这条信息通路称为总线。
为了简化硬件电路设计、简化系统结构，常用一组线路，配置以适当的接口电路，与各部件和外围设备连接，即总线。
采用总线结构便于部件和设备的扩充，尤其制定了统一的总线标准则容易使不同设备间实现互连。
微机中总线一般有内部总线、系统总线和外部总线。
内部总线是微机内部各外围芯片与处理器之间的总线；而系统总线是微机中各插件板与系统板之间的总线；外部总线则是微机和外部设备之间的总线，微机通过该总线和其他设备进行信息与数据交换。
另外，处理器的通信方式有并行通信和串行通信，相应的通信总线被称为并行总线和串行总线。
并行通信速度快、实时性好，但由于占用的口线多，不适于小型化产品；而串行通信速率虽低，但在数据通信吞吐量不大的微处理电路中则显得更加简易、方便、灵活。
下面仅对微机各类总线中目前比较流行的总线技术分别加以介绍。
一、内部总线1、I2C总线I2C总线10多年前由PHILIPS公司推出，是近年来在微电子通信控制领域广泛采用的一种新型总线标准。
它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简化，器件封装形式小，通信速率较高等优点。
在主从通信中，可以有多个I2C总线器件同时接到I2C总线上，通过地址来识别通信对象。
2、SPI总线串行外围设备接口SPI总线技术是MOTOROLA公司推出的一种同步串行接口。
MOTOROLA公司生产的绝大多数MCU（微控制器）都配有SPI硬件接口，如68系列MCU。
SPI总线是一种三线同步总线，因其硬件功能很强，所以，与SPI有关的软件就相当简单，使CPU有更多的时间处理其他事务。
3、SCI总线串行通信接口SCI也是由MOTOROLA公司推出的。
它是一种通用异步通信接口UART，与MCS-51的异步通信功能基本相同。
嵌入式系统原理及接口技术
因此称微控制器。
嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有代表性的通
用系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、
C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300、数目众多ARM芯片
等。
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同等重要，甚至有时更为重要。
为了提高系统的实时性，实时操作系统的设计应尽量满足5个条件：
1）必须是多任务系统
2）内核应是可剥夺型
3）任务的切换时间应与系统中的任务数无关并可预知
4）系统提供所有服务所需时间应尽可能短并且可预知
5）中断延迟的时间可预知并尽可能短
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返
ARM处理器系列
◆ARM7（V4）
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目前，无论是嵌入式系统基础器件、开发手段，还是
应用对象，都有了很大变化。无论是未来从事8位、
16位、32位的嵌入式系统应用，都应该了解嵌入式系
统的技术前沿。这些技术前沿体现了嵌入式系统应用
的一些基本观念，它们是：
基于集成开发环境的应用开发、应用系统的用户SoC
设计、操作系统的普遍应用、普遍的网络接入、先进
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FFT（Fast Fourier Transform）快速傅氏变换，
是离散傅氏变换的快速算法，它是根据离散傅氏
变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅立叶变
换的算法进行改进获得的 。
一般用来计算信号的频谱、功率谱等。
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嵌入式微控制器又称单片机，嵌入式微控制器一般以某种微
嵌入式系统中常见的通信接口介绍与实践
嵌入式系统中常见的通信接口介绍与实践嵌入式系统是一种专门设计用于控制特定任务的计算机系统。
通信接口是嵌入式系统中非常重要的一个组成部分，它负责将系统与外部设备进行数据传输和通信。
在本文中，我们将介绍一些常见的嵌入式系统通信接口，并探讨它们的特点以及在实践中的应用。
串口是嵌入式系统中最简单且最常见的通信接口之一。
它通过一组电线来进行数据传输，包括一个传输数据线、一个接收数据线和一个用于控制信号的线。
串口通信速度相对较慢，但它在短距离通信和与其他设备（如传感器、显示器等）的数据传输中非常便捷。
I2C（Inter-Integrated Circuit）是另一个常见的嵌入式系统通信接口。
它通常用于连接多个芯片或传感器，使它们可以在同一总线上进行通信。
I2C接口只需两根传输数据的线（SDA和SCL），并且可以通过对设备进行编址来与不同的设备进行通信。
I2C通信速度相对较快，适合连接多个设备的应用场景。
SPI（Serial Peripheral Interface）是一种高速的串行通信接口，常用于连接嵌入式系统和外围设备（如存储器、显示器、模拟转换器等）。
SPI接口可以同时传输和接收数据，具备多主机和多从机的功能。
它通过四根线（SCK、MISO、MOSI、SS）来进行通信，其中SCK是时钟线，MISO是主机接收线，MOSI是主机传输线，SS是片选线。
SPI通信速度非常快，适用于对实时性要求较高的场景。
CAN（Controller Area Network）是一种用于实时通信的串行总线协议。
它一般用于汽车、工业控制和航空等领域。
CAN接口使用DLC（数据连接层）和物理层来实现通信。
它具有高可靠性和抗干扰性，并且能够在复杂的电磁环境下工作。
CAN通信速度较快，可以在多设备之间进行高效的数据传输和通信。
除了上述常见的嵌入式系统通信接口，还有许多其他的接口，如 Ethernet、USB、Bluetooth等，它们在不同的应用场景中具有各自的特点和优势。
关于嵌入式总线
七条被控总线： — 内部 Flash ICode 总线 — 内部 Flash DCode 总线 — 主要内部 SRAM1 (112 KB) — 辅助内部 SRAM2 (16 KB) — 辅助内部 SRAM3 (64 KB)（仅适用于 STM32F42xxx 和 STM32F43xxx 器件） — AHB1 外设（包括 AHB-APB 总线桥和 APB 外设） — AHB2 外设 — FSMC 注：AHB(Advanced High performance Bus）高级高性能总线，主要用于高性能模块 (如CPU、DMA和DSP等)之间的连接。 APB，是Advanced Peripheral Bus的缩写，这是一种外围总线。主要用于低带宽 的周边外设之间的连接，例如UART。 FSMC(Flexible Static Memory Controller）可变静态存储控制器。一种新型的存储 器扩展技术。在外部存储器扩展方面具有独特的优势，可根据系统的应用需要，方便地 进行不同类型大容量静态存储址总线 Address Bus
T/C
……
51单片机内部总线结构简单、规则、易于扩展
51单片机的内部结构如图所示，主要包括CPU，存储器和I/O口 时钟，定时器，中断以及串口。这些模块是通过地址总线、数据总 线、控制总线和CPU通信。
振荡器及定 时电路
4K/8K字节 程序存储器 内部总线
ARM总线矩阵
ARM总线框架
S0：I 总线 此总线用于将 Cortex™-M4F 内核的指令总线连接到总线矩阵。内核通过此总线获取指 令。 此总线访问的对象是包含代码的存储器（内部 Flash/SRAM 或通过 FSMC 的外部存 储器）。 S1：D 总线 此总线用于将 Cortex™-M4F 数据总线和 64 KB CCM 数据 RAM 连接到总线矩阵。 S2：S 总线 此总线用于将 Cortex™-M4F 内核的系统总线连接到总线矩阵。 S3、S4：DMA 存储器总线 此总线用于将 DMA 存储器总线主接口连接到总线矩阵 S5：DMA 外设总线 此总线用于将 DMA 外设主总线接口连接到总线矩阵。DMA 通过此总线访问 AHB 外设 或执 行存储器间的数据传输。 S6：以太网 DMA 总线 此总线用于将以太网 DMA 主接口连接到总线矩阵。以太网 DMA 通过此总线向存储器 存取 数据。
嵌入式系统基础教程第16讲第8章常用嵌入式存储器和嵌入式总线技术-PPT精品文档87页
D
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S FG
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源极VS接地
南京大学计算机系
源极VS接地
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典型的Nand Flash闪存芯片的存 储单元立体阵列结构
下面给出一个典型的Nand Flash闪存芯片的存储单元 立体阵列结构示意图。
每1个存储页呈平面形状，含512个字节存储空间。此 外在一个页面上还有16个字节的备用字节区，用阴影 线示出。备用字节区用于存放纠错码（ECC：Error Correcting Code）校验和其他信息，有时也被称为Out Of Bank区域，即OOB区。
南京大学计算机系
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ETOX位元结构
ETOX单元结构是由两个相互重叠的多晶硅栅组 成，浮栅（FG，Floating Gate）用来存储电荷， 以电荷记录所存储的数据；控制栅（CG，Control Gate）作为字选择栅极起控制与选择的作用。
通过控制栅字线的电平状态能够检测所存储的是 “0”还是“1”。
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南京大学计算机系
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Nand Flash记忆单元块的结构
核心结构是将8个晶体管的漏极和源极头尾相连接成 一组，最高端接位线，最低端与高电压的源极Vs相连 接。存储阵列的行线是字线，平时保持适合的电平状 态，使得这些晶体管通常是处于导通状态。读出数据 时，被选中的字线加高电平，未选中字线上的存储单 元不论存储的值是逻辑0还是逻辑1都是导通的。这样， 被选中的存储单元如果存“1”则导通，输出“1”，位 线为高电平；如果存“0”则截止，位线为低电平，输 出“0”。这个逻辑功能类似于NAND门（与非门）。
嵌入式系统的连接技术
嵌入式系统的连接技术嵌入式系统是一种专门用于控制、操作和监测设备或系统的计算机系统。
它通常被嵌入到其他设备中，用于提供特定功能和控制。
连接技术在嵌入式系统中起着至关重要的作用，它能够实现系统和外部设备之间的数据传输和通信。
本文将介绍嵌入式系统的常见连接技术以及它们的特点和应用。
一、串行连接技术串行连接技术是一种将数据比特依次顺序传输的通信方式。
它常用于连接嵌入式系统与外设设备之间。
串行连接技术有以下几种类型：1. RS-232RS-232是一种常用的串行连接技术，它是一种异步通信协议，可以在相对较短的距离内进行数据传输。
RS-232通常用于连接计算机和外部设备，例如打印机、调制解调器和终端等。
它具有广泛的应用领域和简单的接口设计。
2. SPI（Serial Peripheral Interface）SPI是一种同步串行连接技术，它常用于嵌入式系统和外设之间的通信。
SPI接口可以同时传输多个数据比特，并且支持全双工通信。
因此，SPI在需要高速数据传输和实时控制的应用中被广泛采用，如存储器芯片、传感器和显示设备等。
3. I2C（Inter-Integrated Circuit）I2C是一种双线制的串行连接技术，它通过一对信号线（数据线SDA和时钟线SCL）实现设备之间的通信。
I2C可以连接多个设备，并且支持多主机系统。
它的特点是通信速度较慢，但能够方便地在不同设备之间传输数据和控制信号。
因此，I2C在连接传感器、存储器和微控制器等方面得到广泛应用。
二、并行连接技术并行连接技术是一种同时传输多个数据比特的通信方式。
它通过并行传输多条数据线，可以实现高速数据传输和实时控制。
以下是几种常见的并行连接技术：1. ISA（Industry Standard Architecture）ISA是一种用于连接计算机系统的并行连接技术。
它通过多条数据线和控制线连接CPU和外部设备，可以传输多个数据比特和指令。
然而，随着技术的进步，ISA接口逐渐被更先进的总线接口所取代。
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8.1.1 串行接口基本原理与结构
一般校验位的产生和检查是由串行通信控制 器内部自动产生，除了加上校验位以外，通信控 制器还自动加上停止位，用来指明欲传送字符的 结束。停止位通常取1、1.5或2个位。对接收器 而言，若未能检测到停止位则意味着传送过程发 生了错误。
在异步通信方式中，在发送的数据中含有起 始位和停止位这两个与实际需要传送的数据毫无 相关的位。如果在传送1个8位的字符时，其校验 位、起始位和停止位都为1个位，则相当于要传 送11个位信号，传送效率只有约80%。
在同步方式中产生一种所谓“冗余”字符，防止错误传送。假 设欲传送的数据位当作一被除数，而发送器本身产生一固定的除数， 将前者除以后者所得的余数即为该“冗余”字符。当数据位和“冗 余”字符位一起被传送到接收器时，接收器产生和发送器相同的除 数，如此即可检查出数据在传送过程中是否发生了错误。统计数据 表明采用”冗余”字符方法错误防止率可达99%以上。
RS-232C DB-9各引脚功能如下： ① CD：载波检测。主要用于Modem通知计算机其处于在线状态，即Modem检测到 拨号音。 ② RXD：接收数据线。用于接收外部设备送来的数据。 ③ TXD：发送数据线。用于将计算机的数据发送给外部设备。 ④ DTR：数据终端就绪。当此引脚高电平时，通知Modem可以进行数据传输，计 算机已经准备好。 ⑤ SG：信号地。 ⑥ DSR：数据设备就绪。此引脚为高电平时，通知计算机Modem已经准备好，可 以进行数据通信。 ⑦ RTS请求发送。此引脚由计算机来控制，用以通知Modem马上传送数据至计算 机；否则，Modem将收到的数据暂时放人缓冲区中。 ⑧ CTS清除发送。此引脚由Modem控制，用以通知计算机将要传送的数据送至 Mo-dem。 ⑨ RI：振铃提示。Modem通知计算机有呼叫进来，是否接听呼叫由计算机决定。
EIA的所定的传送电气规格
状态 电压范围
逻辑 名称
L（低电平） -25V～-3V
1 SPACE
H（高电平） +3 V～+25V
0 MARK
8.1.1 串行接口基本原理与结构
（2）RS-232C接口信号 EIA制定的RS-232C接口与外界的相连采用25芯（DB-25）和9芯（DB-9）D型插接
件，实际应用中，并不是每只引脚信号都必须用到，25芯和9芯D型插接件引脚的定义， 与信号之间的对应关系如图。
第8章 嵌入式系统总线接口
本章主要介绍的内容： 嵌入式系统的串行接口、I2C接口、USB接
口、SPI接口、PCI接口、I2S总线接口的基本 原理、电路结构与编程方法。 重点内容：
嵌入式系统的串行接口、I2C接口和SPI接 口的基本原理、电路结构与编程方法。 目的和要求：
掌握嵌入式系统的串行接口、I2C接口和 SPI接口的基本原理、电路结构与编程方法。 了解USB接口、PCI接口、I2S总线接口的基本 原理、电路结构与编程方法。
低等优点，特别适合远距离传送。 ① 串行数据通信模式 串行数据通信模式有单工通信、半双工通信和全双工通信3种基
本的通信模式。 （1）单工通信：数据仅能从设备A到设备B进行单一方向的传输。 （2）半双工通信：数据可以从设备A到设备B进行传输，也可以
从设备B到设备A进行传输，但不能在同一时刻进行双向传输。 （3）全双工通信：数据可以在同一时刻从设备A传输到设备B，
或从设备B传输到设备A，即可以同时双向传输。
8.1.1 串行接口基本原理与结构
② 串行通信方式 串行通信在信息格式的约定上可以分为同步通信和异步通信两 种方式。 （1）异步通信方式 异步通信时数据是一帧一帧传送的，每帧数据包含有起始位 （“0”）、数据位、奇偶校验位和停止位（“1”） ，每帧数据的 传送靠起始位来同步。一帧数据的各位代码间的时间间隔是固定的， 而相邻两帧的数据其时间间隔是不固定的。在异步通信的数据传送 中，传输线上允许空字符。 异步通信对字符的格式、波特率、校验位有确定的要求。 （a）字符的格式 每个字符传送时，必须前面加一起始位，后面加上1、1.5或2位 停止位。例如ASCII码传送时，一帧数据的组成是：前面1个起始位共 10位。
8.1.1 串行接口基本原理与结构
（b）波特率 传送数据位的速率称为波特率，用位/秒（bit/s）来表示，称
之为波特。例如，数据传送的速率为120字符/秒，每帧包括10个数 据位，则传送波特率为：
10×120=1200b/s=1200波特 每一位的传送时间是波特的倒数，如1/1200=0.833ms。异步通 信的波特率的数值通常为：150、300、600、1200、2400、4800、 9600、14400、28800等，数值成倍数变化。 （c）校验位 在一个有8位的字节（byte）中，其中必有奇数个或偶数个的 “1”状态位。对于偶校验就是要使字符加上校验位有偶数个“1”； 奇 校 验 就 是 要 使 字 符 加 上 校 验 位 有 奇 数 个 “ 1” 。 例 如 数 据 “00010011”，共有奇数个“1”，所以当接收器要接收偶数个“1” 时（即偶校验时），则校验位就置为“1”，反之，接收器要接收奇 数个“1”时（即奇校验时），则校验位就置为“0”。
8.1 串行接口
8.1.1 串行接口基本原理与结构 1.串行通信概述 常用的数据通信方式有并行通信和串行通信两种。当两台数字
设备之间传输距离较远时，数据往往以串行方式传输。串行通信的 数据是一位一位地进行传输的，在传输中每一位数据都占据一个固
定的时间长度。与并行通信相比，如果n位并行接口传送n位数据需 时间T，则串行传送的时间最少为nT。串行通信具有传输线少、成本
8.1.1 串行接口基本原理与结构
（2）同步通信方式 为了提高通信效率可以采用同步通信方式。同步传输采用字符
块的方式，减少每一个字符的控制和错误检测数据位，因而可以具 有较高的传输速率。
与异步方式不同的是，同步通信方式不仅在字符的本身之间是 同步的，而且在字符与字符之间的时序仍然是同步的，即同步方式 是将许多的字符聚集成一字符块后，在每块信息（常常称之为信息 帧）之前要加上1～2个同步字符，字符块之后再加入适当的错误检 测数据才传送出去。在同步通信时必须连续传输，不允许有间隙， 在传输线上没有字符传输时，要发送专用的”空闲”字符或同步字 符。
8.1.1 串行接口基本原理与结构
2.RS-232C串行接口 RS-232C是美国电子工业协会EIA制定的一种串行通信接口标准。 （1）RS-232C接口规格 EIA所制定的传送电气规格如表。RS-232C通常以±12V的电压来 驱动信号线，TTL标准与RS-232C标准之间的电平转换电路通常采用集 成电路芯片实现，如MAX232等。