隨著通信與計(jì)算機(jī)整合時(shí)代的到來，數(shù)字化、寬帶化和智能化已成為未來通信發(fā)展的方向，人類社會對電信業(yè)務(wù)從質(zhì)量到業(yè)務(wù)種類都提出越來越高的要求，而接入網(wǎng)作為電信網(wǎng)的重要組成部分，連接本地交換機(jī)與用戶，是整個(gè)電信網(wǎng)的毛細(xì)血管和瓶頸，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、寬帶化和業(yè)務(wù)綜合化的關(guān)鍵。 嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心的硬件設(shè)計(jì)和面向應(yīng)用的軟件產(chǎn)品開發(fā)為基礎(chǔ)的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于制造工業(yè)、過程控制、通信、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、消費(fèi)產(chǎn)品等領(lǐng)域。

在嵌入式系統(tǒng)中，板上通信接口是指用于將各種集成電路與其他外圍設(shè)備交互連接的通信通路或總線。下面將逐一說明常用的板上通信接口。

隨著通信與計(jì)算機(jī)整合時(shí)代的到來，數(shù)字化、寬帶化和智能化已成為未來通信發(fā)展的方向，人類社會對電信業(yè)務(wù)從質(zhì)量到業(yè)務(wù)種類都提出越來越高的要求，而接入網(wǎng)作為電信網(wǎng)的重要組成部分，連接本地交換機(jī)與用戶，是整個(gè)電信網(wǎng)的毛細(xì)血管和瓶頸，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、寬帶化和業(yè)務(wù)綜合化的關(guān)鍵。 嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心的硬件設(shè)計(jì)和面向應(yīng)用的軟件產(chǎn)品開發(fā)為基礎(chǔ)的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于制造工業(yè)、過程控制、通信、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、消費(fèi)產(chǎn)品等領(lǐng)域。

在嵌入式系統(tǒng)中，板上通信接口是指用于將各種集成電路與其他外圍設(shè)備交互連接的通信通路或總線。下面將逐一說明常用的板上通信接口。

1.I2C總線

I2C (Inter-Integrated Circuit)：由PHILIPS公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。

I2C總線用兩條線(SDA和SCL)在總線和裝置之間傳遞信息，在微控制器和外部設(shè)備之間進(jìn)行串行通訊或在主設(shè)備和從設(shè)備之間的雙向數(shù)據(jù)傳送。I2C是OD輸出的，大部分I2C都是2線的(時(shí)鐘和數(shù)據(jù))，一般用來傳輸控制信號。

I2C是多主控總線，所以任何一個(gè)設(shè)備都能像主控器一樣工作，并控制總線?？偩€上每一個(gè)設(shè)備都有一個(gè)獨(dú)一無二的地址，根據(jù)設(shè)備它們自己的能力，它們可以作為發(fā)射器或接收器工作。多路微控制器能在同一個(gè)I2C總線上共存。

I2C總線支持三種不同的數(shù)據(jù)速率：標(biāo)準(zhǔn)模式(數(shù)據(jù)速率為100kb/秒，即100kbps)、快速模式(數(shù)據(jù)速率為400kb/秒，即400kbps)、高速模式(數(shù)據(jù)速率為3.4Mb/秒，即3.4Mbps)。第一代I2C設(shè)備設(shè)計(jì)所支持的數(shù)據(jù)速率只有100kbps，新一代I2C設(shè)備則能夠以高達(dá)3.4Mbps的數(shù)據(jù)速率工作。

2. SPI總線

SPI (Serial Peripheral Interface)：MOTOROLA公司提出的同步串行總線方式。高速同步串行口。3～4線接口，收發(fā)獨(dú)立、可同步進(jìn)行。

因其硬件功能強(qiáng)大而被廣泛應(yīng)用。在單片機(jī)組成的智能儀器和測控系統(tǒng)中。如果對速度要求不高，采用SPI總線模式是個(gè)不錯(cuò)的選擇。它可以節(jié)省I/O端口,提高外設(shè)的數(shù)目和系統(tǒng)的性能。標(biāo)準(zhǔn)SPI總線由四根線組成：串行時(shí)鐘線(SCK)、主機(jī)輸入/從機(jī)輸出線(MISO)。主機(jī)輸出/從機(jī)輸入線(MOSI)和片選信號(CS)。有的SPI接口芯片帶有中斷信號線或沒有MOSI。

SPI總線由三條信號線組成：串行時(shí)鐘(SCLK)、串行數(shù)據(jù)輸出(SDO)、串行數(shù)據(jù)輸入(SDI)。SPI總線可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)SPI設(shè)備互相連接。提供SPI串行時(shí)鐘的SPI設(shè)備為SPI主機(jī)或主設(shè)備(Master)，其他設(shè)備為SPI從機(jī)或從設(shè)備(Slave)。主從設(shè)備間可以實(shí)現(xiàn)全雙工通信，當(dāng)有多個(gè)從設(shè)備時(shí)，還可以增加一條從設(shè)備選擇線。如果用通用IO口模擬SPI總線，必須要有一個(gè)輸出口(SDO)，一個(gè)輸入口(SDI)，另一個(gè)口則視實(shí)現(xiàn)的設(shè)備類型而定，如果要實(shí)現(xiàn)主從設(shè)備，則需輸入輸出口，若只實(shí)現(xiàn)主設(shè)備，則需輸出口即可，若只實(shí)現(xiàn)從設(shè)備，則只需輸入口即可。

與I2C總線相比，SPI總線更適于數(shù)據(jù)流傳輸。SPI的不足之處在于，SPI不支持?jǐn)?shù)據(jù)確認(rèn)機(jī)制。

3. UART

UART：通用異步串行口，按照標(biāo)準(zhǔn)波特率完成雙向通訊，速度慢。

UART總線是異步串口，因此一般比前兩種同步串口的結(jié)構(gòu)要復(fù)雜很多，一般由波特率產(chǎn)生器(產(chǎn)生的波特率等于傳輸波特率的16倍)、UART接收器、UART發(fā)送器組成，硬件上由兩根線，一根用于發(fā)送，一根用于接收。

UART是用于控制計(jì)算機(jī)與串行設(shè)備的芯片。有一點(diǎn)要注意的是，它提供了RS-232C數(shù)據(jù)終端設(shè)備接口，這樣計(jì)算機(jī)就可以和調(diào)制解調(diào)器或其它使用RS-232C接口的串行設(shè)備通信了。作為接口的一部分，UART還提供以下功能：

將由計(jì)算機(jī)內(nèi)部傳送過來的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為輸出的串行數(shù)據(jù)流。將計(jì)算機(jī)外部來的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字節(jié)，供計(jì)算機(jī)內(nèi)部使用并行數(shù)據(jù)的器件使用。在輸出的串行數(shù)據(jù)流中加入奇偶校驗(yàn)位，并對從外部接收的數(shù)據(jù)流進(jìn)行奇偶校驗(yàn)。在輸出數(shù)據(jù)流中加入啟停標(biāo)記，并從接收數(shù)據(jù)流中刪除啟停標(biāo)記。處理由鍵盤或鼠標(biāo)發(fā)出的中斷信號(鍵盤和鼠標(biāo)也是串行設(shè)備)。可以處理計(jì)算機(jī)與外部串行設(shè)備的同步管理問題。有一些比較高檔的UART還提供輸入輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，現(xiàn)在比較新的UART是16550，它可以在計(jì)算機(jī)需要處理數(shù)據(jù)前在其緩沖區(qū)內(nèi)存儲16字節(jié)數(shù)據(jù)，而通常的UART是8250。現(xiàn)在如果您購買一個(gè)內(nèi)置的調(diào)制解調(diào)器，此調(diào)制解調(diào)器內(nèi)部通常就會有16550 UART。

除了串行數(shù)據(jù)傳輸功能以外，UART還可以為控制串行數(shù)據(jù)流提供硬件握手信號支持。很多半導(dǎo)體廠商都提供了相應(yīng)的UART芯片。如今，大多數(shù)微處理器/控制器都集成有UART功能，并為串行數(shù)據(jù)傳輸與接收提供內(nèi)置式的指令支持。

4. 1-Wire接口

1-Wire接口是由Maxim Dallas半導(dǎo)體公司(首頁為http://www.maxim-ic.com)開發(fā)的異步半雙工通信協(xié)議，也稱為Dallas 1-Wire®協(xié)議。其中，按照主-從通信模型，只使用單條信號線DQ實(shí)現(xiàn)通信。1-Wire總線的一個(gè)重要特征在于，該總線允許在信號線上傳輸能量。I2C從設(shè)備在信號線上使用內(nèi)部電容器(其典型取值為800 pF)來驅(qū)動(dòng)設(shè)備。1-Wire接口支持在總線上連接單個(gè)主設(shè)備以及一個(gè)或多個(gè)從設(shè)備。

每臺1-Wire設(shè)備都具有全球唯一可識別的64位識別碼信息，存儲在設(shè)備內(nèi)部。對于多臺從設(shè)備連接到1-Wire總線上的情況，通過解讀唯一的識別碼，可以尋址總線上存在的各臺獨(dú)立設(shè)備。識別碼由以下三個(gè)部分組成：8位的類別碼、48位的序列號以及前56比特?cái)?shù)據(jù)的8位CRC校驗(yàn)結(jié)果。與1-Wire從設(shè)備通信的具體流程如下：

(1) 主設(shè)備將復(fù)位脈沖發(fā)送到1-Wire總線上。

(2) 總線上的從設(shè)備通過確認(rèn)脈沖予以回應(yīng)。

(3) 主設(shè)備發(fā)送ROM命令(網(wǎng)絡(luò)尋址命令，參數(shù)是設(shè)備的64位地址)，從而尋址到需要發(fā)起通信的從設(shè)備。

(4) 主設(shè)備發(fā)送讀/寫命令，對從設(shè)備的內(nèi)部存儲器或寄存器進(jìn)行讀/寫操作。

(5) 主設(shè)備將數(shù)據(jù)由從設(shè)備讀出，或者是將數(shù)據(jù)寫入從設(shè)備。

1-Wire總線上的所有通信都是由主設(shè)備發(fā)起的。其中，通信的最小間隔是時(shí)長為60微秒的時(shí)隙。復(fù)位脈沖占用8個(gè)時(shí)隙。在通信的開始階段，主設(shè)備將1-Wire總線拉低到低電平，并持續(xù)8個(gè)時(shí)隙(即480 μs)，從而發(fā)出復(fù)位脈沖。如果總線上存在從設(shè)備，而且已經(jīng)準(zhǔn)備好進(jìn)行通信，那么從設(shè)備將通過確認(rèn)脈沖來回應(yīng)主設(shè)備;也就是說，從設(shè)備將1-Wire總線拉低到低電平，并持續(xù)1個(gè)時(shí)隙(即60 μs)。為了在1-Wire總線上寫入位值1，需要總線主設(shè)備將總線拉低，其持續(xù)時(shí)間為1~15 μs，然后在該時(shí)隙的其余時(shí)間段釋放總線。為了在總線上寫入位值0，主設(shè)備需要將總線拉低，其持續(xù)時(shí)間至少為1個(gè)時(shí)隙(60 μs)，最多為2個(gè)時(shí)隙(120 μs)。為了由從設(shè)備讀出位值，主設(shè)備需要將總線拉低，并持續(xù)1~15 μs。為了響應(yīng)主設(shè)備的讀數(shù)據(jù)請求，如果從設(shè)備想要發(fā)送位值1，那么從設(shè)備只需要在該時(shí)隙的其余時(shí)間段釋放總線;如果從設(shè)備想要發(fā)送位值0，那么從設(shè)備需要在該時(shí)隙的其余時(shí)間段將總線拉低。

5. 并行接口

板上并行接口(parallel interface)通常用于系統(tǒng)與外圍設(shè)備之間的通信，其中，外圍設(shè)備通過存儲器映射到系統(tǒng)的主控端。只要嵌入式系統(tǒng)的主控處理器/控制器含有并行總線，支持并行總線的設(shè)備就可以直接連接到該總線系統(tǒng)上。外圍設(shè)備與主控端之間具有控制信號接口，可以控制并行總線上的數(shù)據(jù)通信。這里，通信的控制信號包括讀/寫信號和設(shè)備選擇信號。一般說來，外圍設(shè)備具有設(shè)備選擇線;只有當(dāng)主控處理器選通該線的時(shí)候，該設(shè)備才是有效的。數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蚩梢允菑闹骺囟说酵鈬O(shè)備，也可以是從外圍設(shè)備到主控端;這是通過讀和寫控制信號線進(jìn)行控制的。只有主控處理器能夠控制讀控制信號和寫控制信號。一般說來，外圍設(shè)備通過存儲器映射到主控處理器，從而可以訪問分配的地址范圍。此時(shí)，設(shè)備需要使用地址譯碼電路來產(chǎn)生芯片選擇信號。當(dāng)處理器選擇的地址位于設(shè)備指定范圍內(nèi)的時(shí)候，譯碼電路對芯片選擇線進(jìn)行觸發(fā)，從而激活設(shè)備。然后，處理器可以使能相應(yīng)的控制線(分別是RD\與WD\)，從而由設(shè)備讀出數(shù)據(jù)，或者是向設(shè)備寫入數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)并行通信，系統(tǒng)需要嚴(yán)格遵循時(shí)序規(guī)范。前面已經(jīng)提到過，并行通信是由主控處理器啟動(dòng)的。如果某外圍設(shè)備想要對通信進(jìn)行初始化，那么可以向處理器發(fā)出中斷，告知相關(guān)信息。為了實(shí)現(xiàn)上述功能，設(shè)備的中斷線需要連接到處理器的中斷線上，并且主控處理器需要觸發(fā)相應(yīng)的中斷。需要說明的是，主控處理器的數(shù)據(jù)總線寬度決定了并行接口的寬度，可以是4位、8位、16位、32位、64位等。設(shè)備支持的總線寬度應(yīng)該與主控處理器完全相同。并行數(shù)據(jù)通信為系統(tǒng)提供了高速數(shù)據(jù)傳輸能力。