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知识路径： > 嵌入式系统硬件基础知识 > 嵌入式系统总线及通信接口 > 嵌入式系统总线及通信接口 > USB、串口、红外、并口、SPI、IIC、1394、CAN等的基本原理和特点 >
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总体答错率：63%
知识难度系数： 
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相关知识点：21个
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通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）是由Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、Northern Telecom等7家世界著名的计算机和通信公司在1994年共同推出的一种新型接口标准。它基于通用连接技术，实现外设的简单快速连接，达到方便用户、降低成本、扩展PC连接外设范围的目的。它可以为外设提供电源，而不像普通的使用串、并口的设备需要单独的供电系统。另外，快速是USB技术的突出特点之一，USB 2.0的理论最大传输速率可达480Mb/s。USB还能支持多媒体，但是不能通过USB进行计算机的互连。从1994年11月11日发表了USB V0.7版本以后，USB版本经历了多年的发展，到现在已经发展为3.0版本。
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USB为所有的USB外设提供了单一的易于使用的标准的连接类型。这样一来就简化了USB外设的设计，同时也简化了用户在判断哪个插头对应哪个插槽时的任务，实现了单一的数据通用接口。
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整个USB的系统只有一个端口和一个中断节省了系统资源。
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USB支持热插拔和PNP（Plug-and-Play），也就是说在不关闭PC的情况下可以安全的插上和断开USB设备。计算机系统动态地检测外设的插拔，并且动态地加载驱动程序。其他普通的外围连接标准，如SCSI设备等必须在关掉主机的情况下才能插拔外围设备。
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USB在设备供电方面可以通过USB电缆供电；也可以通过电池或者其他的电力设备来供电；或使用两种供电方式的组合，并且支持节约能源的挂机和唤醒模式。
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为了适应各种不同类型外围设备的要求，USB提供了四种不同的数据传输类型：控制传输、数据传输、中断数据传输和同步数据传输。同步数据传输可为音频和视频等实时设备的实时数据传输提供固定带宽。
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USB提供全速12Mb/s的速率和低速1.5Mb/s的速率来适应各种不同类型的外设，USB 2.0还支持480Mb/s的高速传输速率。
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USB的端口具有很灵活的扩展性，一个USB端口串接上一个USB Hub就可以扩展为多个USB端口。
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所谓串行通信就是使数据一位一位地进行传输而实现的通信。当然，在实际传输中，如外部设备与CPU或计算机与计算机之间交换信息，是通过一对导线传送信息的。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，串行通信具有传输线少、成本低等优点，特别适合远距离传送，其缺点是速度慢，若并行传送n位数据需时间T，则串行传送的时间最少为nT。
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RS-232C是美国电子工业协会（Electronic Industry Association，EIA）制定的一种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数。
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RS-232C总线标准设有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、一条接收线及一条地线。
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RS-232C标准规定的数据传输速率为每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200比特。RS-232C标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制。例如，采用150pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15m；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送，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。
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嵌入式板卡上一般都配置有串口，并遵循RS-232总线标准。
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在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485串行总线标准。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。加上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。
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RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用RS-485可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。
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红外接口，英文简称为IrDA，是红外线数据标准协会（Infrared Data Association）的英文缩写。IrDA红外接口是一种红外线无线传输协议以及基于该协议的无线传输接口。支持IrDA接口的掌上电脑，可以无线地向支持IrDA的设备无线连接来实现信息资源的共享。
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红外接口可以在同样具备红外接口的设备间进行信息交流，由于需要对接才能传输信息，安全性较强。缺点是通信距离短，通信过程中不能移动，遇障碍物通信中断，功能单一，扩展性差。
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并行接口，简称并口，也就是LPT接口，是采用并行通信协议的扩展接口。并行接口的数据传输率比串行接口快8倍，标准并行接口的数据传输率为1Mb/s，一般用来连接打印机、扫描仪等。所以并口又被称为打印口。
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IEEE 488总线是并行总线接口标准。IEEE 488总线用来连接系统，如微计算机、数字电压表、数码显示器等设备及其他仪器仪表均可用IEEE 488总线装配起来。
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IEEE 488总线按照位并行、字节串行双向异步方式传输信号，连接方式为总线方式，仪器设备直接并联于总线上而不需中介单元，但总线上最多可连接15台设备。最大传输距离为20米，信号传输速度一般为500Kb/s，最大传输速度为1Mb/s。
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SCSI总线的原型是美国Shugart公司推出的，用于计算机与硬盘驱动器之间传输数据的SASI（Shugart Associates System Interface）总线，1986年成为美国国家标准ANSI X3.131，改名为SCSI总线（Small Computer System Interface）。其数据线为9位，速度可达5Mb/s，传输距离6m（加驱动器可达25m），经改进又陆续推出SCSI-2 Fast and Wide和SCSI-3（又称UItra SCSI）总线，原SCSI总线改称SCSI-1总线。该总线的传输速率很高，现已普遍用作计算机的高速外设总线，如连接高速硬盘驱动器。许多高速数据采集系统也用它与计算机互连，目前仍处在发展之中。
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多系统扩展接口总线（Multi-system eXtension Interface bus，MXI）是一种高性能非标准的通用多用户并行总线，具有很好的应用前景。它是NI（National Instruments）公司于1989年推出的32位高速并行互连总线，最高速度可达23Mb/s，传输距离20m。MXI总线通过电缆与多个器件连接，采用硬件映像通信设计，不需要高级软件，一根MXI电缆上可连接8个MXI器件。其电缆本身是相通的，MXI器件通过简单地读写相应的地址空间就可直接访问其他所有器件的资源而无需任何软件协议。目前，VXI总线的测控机箱大都用这种总线与计算机互连。它将成为VXI总线机箱与计算机互连的事实上的标准总线。
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串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。SPI有三个寄存器分别为：控制寄存器SPCR、状态寄存器SPSR、数据寄存器SPDR。外围设备包括FLASHRAM、网络控制器、LCD显示驱动器、A/D转换器和MCU等。
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SPI总线系统可直接与各个厂家生产的多种标准外围器件直接接口，该接口一般使用4条线：串行时钟线（SCLK）、主机输入／从机输出数据线MISO、主机输出／从机输入数据线MOSI和低电平有效的从机选择线NSS（有的SPI接口芯片带有中断信号线INT、有的SPI接口芯片没有主机输出／从机输入数据线MOSI）。
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.SCLK：时钟信号，由主器件产生，最大为fPCLK/2，从模式频率最大为fCPU/2；
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.NSS：从器件使能信号，由主器件控制，有的IC会标注为CS（Chip Select）。
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I2C（Inter-Integrated Circuit）总线是由飞利浦公司开发的两线式串行总线接口，用于连接微控制器及其外围设备。是微电子通信控制领域广泛采用的一种总线标准，如下图所示。它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简单，器件封装形式小，通信速率较高等优点。
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（1）I2C串行总线有两根信号线：一根是双向的数据线SDA；另一根是时钟线SCL。所有接到I2C总线上的设备的串行数据都接到总线的SDA线，各设备的时钟线SCL接到总线的SCL。
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（2）I2C总线上所有的外围器件都需要唯一的地址，地址由器件地址和引脚地址两部分构成，共7位。器件地址是I2C器件固有的地址编码，器件出厂时就已经给定，不可更改。引脚地址由I2C总线外围器件的地址引脚（A2，A1，A0）决定，根据其在电路中接电源正极，接地或悬空的不同，形成不同的地址代码。引脚地址数决定了同一种器件可接入总线的最大数目。R/W（—）是方向位，R/W（—）=0表示主器件向从器件发送数据，R/W（—）=1表示主器件读取从器件数据。
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（3）I2C规程运用主／从双向通信。I2C总线的运行（数据传输）由主机控制。所谓主机即启动数据的传送时（发出启动信号）发出时钟信号，传送结束时发出停止信号的设备，通常主机是微处理器。被主机寻访的设备都称为从机。主机和从机的数据传送，可以由主机发送数据到从机，凡是发送数据到总线的设备称为发送器，也可以是从机发到主机。从总线上接收数据的设备被称为接收器。
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总线上可能挂接有多个器件，有时会发生两个或多个主器件同时想占用总线的情况，这种情况叫做总线竞争。I2C总线具有多主控能力，可以对发生在SDA线上的总线竞争进行仲裁，其仲裁原则是这样的：当多个主器件同时想占用总线时，如果某个主器件发送高电平，而另一个主器件发送低电平，则发送电平与此时SDA总线电平不符的那个器件将自动关闭其输出级。总线竞争的仲裁是在两个层次上进行的。首先是地址位的比较，如果主器件寻址同一个从器件，则进入数据位的比较，从而确保了竞争仲裁的可靠性。由于是利用I2C总线上的信息进行仲裁，因此不会造成信息的丢失。
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IEEE 1394接口是苹果公司开发的串行标准，俗称火线接口（FireWire），完成于1987年，1995年被IEEE定为IEEE 1394-1995技术规范。IEEE 1394分为两种传输方式：Backplane模式和Cable模式。
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Backplane模式最小的速率也比USB 1.1最高速率高，分别为12.5Mb/s、25Mb/s、50Mb/s，可以用于多数的高带宽应用。
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Cable模式是速度非常快的模式，分为100 Mb/s、200 Mb/s和400 Mb/s几种。1394A理论上能支持最长的线长度为4.5m，标准正常传输速率为100Mb/s，并且支持多达63个设备。
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IEEE 1394接口的通信协议具有三层，分别为：事务层、物理层、链路数据层。其中，事务层只支持异步传输，同步传输是由链路层提供的。
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IEEE 1394接口有6针和4针两种类型，如下图所示。
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6角形的接口为6针，小型四角形接口则为4针。两种接口的区别在于能否通过连线向所连接的设备供电。6针接口中有4针是用于传输数据的信号线，另外2针是向所连接的设备供电的电源线。最早苹果公司开发的IEEE 1394接口是6针的，后来，SONY公司看中了它数据传输速率快的特点，将早期的6针接口进行改良，重新设计成为大家所常见的4针接口，并且命名为iLINK。这种连接器如果要与标准的6导线线缆连接的话，需要使用转换器。
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控制器局域网（Controller Area Network，CAN）总线是国际上应用最广泛的现场总线之一。最初，CAN总线被汽车环境中的微控制器通信，在车载各电子控制装置（Electric Control Unit，ECU）之间交换信息，形成汽车电子控制网络。例如：发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中均嵌入CAN总线控制装置。
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一个由CAN总线构成的单一网络中，理想情况下可以挂接任意多个节点，实际应用中节点数目受网络硬件的电气特性所限制。例如：当使用Philips P82C250作为CAN收发器时，同一网络中允许挂接110个节点。CAN可提供1Mb/s的数据传输速率，虽然相对于以太网并不算高速，但是，这足以使实时控制变得非常容易。而且，CAN总线是一种多主方式的串行通信总线。基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，并可以检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到10km时CAN总线仍可提供高达50kb/s的数据传输速率。由于CAN总线具有很高的实时性能。它已经在汽车工业、航空工业、工业控制、安全防护等领域中得到了广泛应用。
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