2019備考[嵌入式系統設計師]之“接口技術(下)”

11、串行接口

• （1）串行通信是指，使資料一位一位地進行傳輸而實作的通信。與并行通信相比，串行通信具有傳輸線少、成本低等優點，特别适合遠距離傳送；缺點是速度慢。
• （2）串行資料傳送有3種基本的通信模式：單工、半雙工、全雙工。

• （3）串行通信在資訊格式上可以分為2種方式：同步通信和異步通信。

  A、異步傳輸：把每個字元當作獨立的資訊來傳輸，并按照一固定且預定的時序傳送，但在字元之間卻取決于字元與字元的任意時序。異步通信時，字元是一幀一幀傳送的，每幀字元的傳送靠起始位來同步。一幀資料的各個代碼間間隔是固定的，而相鄰兩幀資料其時間間隔是不固定的。

  B、同步傳輸：同步方式不僅在字元之間是同步的，而且在字元與字元之間的時序仍然是同步的，即同步方式是将許多字元聚內建一字元塊後，在每塊資訊之前要加上1～2個同步字元，之後再加入适當的錯誤檢測資料才傳送出去。

• （4）異步通信必須遵循3項規定：

  A、字元格式：起始位＋資料＋校驗位＋停止位（檢驗位可無），低位先傳送。

  B、波特率：每秒傳送的位數。

  C、校驗位：奇偶檢驗。

  a、奇校驗：要使字元加上校驗位有奇數個“1”。

  b、偶檢驗：要使字元加上校驗位有偶數個“1”。

• （5）RS－232C的電氣特性：負邏輯。

  A、在TxD和RxD上：邏輯1為－3V～－15V，邏輯0為3V～15V。

  B、在TES、CTS、DTR、DCD等控制線上：

  信号有效（ON狀态）為3V～15V

  信号無效（OFF狀态）為－3V～－15V

• （6）TTL标準與RS-232C标準之間的電平轉換利用內建晶片RS232實作。（詳見《教程》182頁）

• （7）RS-422串行通信接口

  A、RS-422是一種單機發送、多機接收的單向、平衡傳輸規範，傳輸速率可達10Mb/s。

  B、RS-422采用差分傳輸方式，也稱做平衡傳輸，使用一對雙絞線。

  C、RS-422需要一終端電阻，要求其阻值約等于傳輸電纜的特性阻抗。

• （8）RS-485串行總線接口

  A、RS-485是在RS-422的基礎上建立的标準，增加了多點、雙向通信能力，通信距離可為幾十米到上千米。

  B、RS-485收發器采用平衡發送和差分接收，具有抑制共模幹擾的能力。

  C、RS-485需要兩個終端電阻。在近距離（300m以下）傳輸可不需要終端電阻。

12、并行接口

• （1）并行接口的資料傳輸率比串行接口快8倍，标準并行接口的資料傳輸率為1Mb/s，一般用來連接配接列印機、掃描器等，是以又稱列印口。
• （2）并行接口可以分為SPP（标準并口）、EPP（增強型并口）和ECP（擴充型并口）。
• （3）并行總線分為标準和非标準兩類。常用的并行标準總線有IEEE488總線和ANSI SCSI總線。MXI總線是一種高性能非标準的通用多使用者并行總線。

13、PCI總線接口

• （1）PCI總線是位址、資料多路複用的高性能32位和64位總線，是微處理器與外圍控制部件、外圍附加闆之間的互連機構。
• （2）從資料寬度上看，PCI定義了32位資料總線，且可擴充為64位。從總線速度上分，有33 MHz和66MHz兩種。
• （3）與ISA總線相比，PCI總線的位址總線與資料總線分時複用，支援即插即用、中斷共享等功能。

14、USB接口

• （1）USB總線的主要特點：

  A、使用簡單，即插即用。

  B、每個USB系統中都有主機，這個USB網絡中最多可以連接配接127個裝置。

  C、應用範圍廣，支援多個裝置同時操作。

  D、低成本的電纜和連接配接器，使用統一的4引腳插頭。

  E、較強的糾錯能力。

  F、較低的協定開銷帶來了高的總線性能，且适合于低成本外設的開發。

  G、支援主機與裝置之間的多資料流和多消息流傳輸，且支援同步和異步傳輸類型。

  H、總線供電，能為裝置提供5V/100mA的供電。

• （2）USB系統由3部分來描述：USB主機、USB裝置和USB互連。
• （3）USB總線支援的資料傳輸率有3種：高速信令位傳輸率為480Mb/s；全速信令位傳輸率為12Mb/s；低速信令位傳輸率為1.5Mb/s。
• （4）USB總線電纜有4根線：一對雙絞信号線和一對電源線。
• （5）USB是一種查詢總線，由主要制器啟動所有的資料傳輸。USB上所挂接的外設通過由主機排程的、基于令牌的協定來共享USB帶寬。

• （6）大部分總線事務涉及3個包的傳輸：

  A、令牌包：訓示總線上要執行什麼事務，欲尋址的USB裝置及資料傳送方向。

  B、資料包：傳輸資料或訓示它沒有資料要傳輸。

  C、握手包：訓示傳輸是否成功。

• （7）主機與裝置端點之間的USB資料傳輸模型被稱作管道。管道有兩種類型：流和消息。消息資料具有USB定義的結構，而資料流沒有。
• （8）事務排程表允許對某些流管道進行流量控制，在硬體級，通過使用NAK（否認）握手信号來調節資料傳輸率，以防止緩沖區上溢或下溢産生。
• （9）USB裝置最大的特點是即插即用。
• （10）工作原理：USB裝置插入USB端點時，主機都通過預設位址0與裝置的端點0進行通信。在這個過程中，主機發出一系列試圖得到描述符的标準請求，通過這些請求，主機得到所有感興趣的裝置資訊，進而知道了裝置的情況以及該如何與裝置通信。随後主機通過發出Set Address請求為裝置設定一個唯一的位址。以後主機就通過為裝置設定好的位址與裝置通信，而不再使用預設位址0。

15、SPI接口

• （1）SPI是一個同步協定接口，所有的傳輸都參照一個共同的時鐘，這個同步時鐘由主機産生，接收資料的外設使用時鐘來對串行比特流的接收進行同步化。
• （2）在多個裝置連接配接到主機的同一個SPI接口時，主機通過從裝置的片選引腳來選擇。
• （3）SPI主要使用4個信号：主機輸出/從機輸入（MOSI），主機輸入/從機輸出（MISO）、串行時鐘SCLK和外設片選CS。
• （4）主機和外設都包含一個串行移位寄存器，主機通過向它的SPI串行寄存器寫入一個位元組來發起一次資料傳輸。寄存器通過MOSI信号線将位元組傳送給外設，外設也将自己移位寄存器中的内容通過MISO信号線傳回給主機，這樣，兩個移位寄存器中的内容就被交換了。
• （5）外設的寫操作和讀操作是同步完成的，是以SPI成為一個很有效的協定。
• （6）如果隻是進行寫操作，主機隻需忽略收到的位元組；反過來，如果主機要讀取外設的一個位元組，就必須發送一個空位元組來引發從機的傳輸。

16、IIC接口

• （1）IIC總線是具備總線仲裁和高低速裝置同步等功能的高性能多主機總線。
• （2）IIC總線上需要兩條線：串行資料線SDA和串行時鐘線SCL。
• （3）總線上的每個器件都有唯一的位址以供識别，而且各器件都可以作為一個發送器或者接收器（由器件的功能決定）。
• （4）IIC總線有4種操作模式：主發送、主接收、從發送、從接收。

• （5）IIC在傳送資料過程中共有3種類型信号：

  A、開始信号：SCL為高電平時，SDA由高向低跳變。

  B、結束信号：SCL為高電平時，SDA由低向高跳變。

  C、應答信号：接收方在收到8位資料後，在第9個脈沖向發送方發出特定的低電平。

• （6）主器件發送一個開始信号後，它還會立即送出一個從位址，來通知将與它進行資料通信的從器件。1個位元組的位址包括7位位址資訊和1位傳輸方向訓示位，如果第7位為0，表示要進行一個寫操作，如果為1，表示要進行一個讀操作。
• （7）SDA線上傳輸的每個位元組長度都是8位，每次傳輸的位元組的數量沒有限制。在開始信号後面的第一個位元組是位址域，之後每個傳輸位元組後面都有一個應答位（ACK），傳輸中串行資料的MSB（位元組高位）首先發送。
• （8）如果資料接收方無法再接收更多的資料，它可以通過将SCL保持低電平來中斷傳輸，這樣可以迫使資料發送方等待，直到SCL被重新釋放。這樣可以達到高低速裝置同步。
• （9）IIC總線的工作過程：SDA和SCL都是雙向的。空閑的時候，SDA和SCL都是高電平，隻有SDA變為低電平，接着SCL再變為低電平，IIC總線的資料傳輸才開始。SDA線上被傳輸的每一位在SCL的上升沿被采樣，該位必須一直保持有效到SCL再次變為低電平，然後SDA就在SCL再次變為高電平之前傳輸下一個位。最後，SCL變回高電平，接着SDA也變為高電平，表示資料傳輸結束。

*17、以太網接口

• （1）最常用的以太網協定是IEEE802.3标準。

• （2）傳輸編碼（06和07年都有考題）：曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼。

  A、曼徹斯特編碼：每位中間有一個電平跳變，從高到低的跳變表示“0”，從低到高的跳變表示為“1”。

  B、差分曼徹斯特編碼：每位中間有一個電平跳變，利用每個碼元開始時有無跳變來表示0或1，有跳變為“0”，無跳變為“1”。（詳見《教程》200頁）。

• （3）相比之下，曼徹斯特編碼編碼簡單，差分曼徹斯特編碼提供更好的噪聲抑制性能。

• （4）以太網資料傳輸特點：

  A、所有資料位的傳輸由低位開始，傳輸的位使用曼徹斯特編碼。

  B、以太網是基于沖突檢測的總線複用方法，由硬體自動執行。

  C、傳輸的資料長度，目的位址DA＋源位址SA＋類型字段TYPE＋資料段DATA＋填充位PAD，最小為60B，最大為1514B。

  D、通常以太網卡可以接收3種位址的資料：廣播位址、多點傳播位址、自己的位址。

  E、任何兩個網卡的實體位址都不一樣，是世界上唯一的，網卡位址由專門機構配置設定。

• （5）嵌入式以太網接口有兩種實作方法：

  A、嵌入式處理器＋網卡晶片（例如：RTL8019AS、CS8900等）

  B、帶有以太網接口的處理器。

• （6）TCP/IP是一個分層協定，分為：實體層、資料鍊路層、網絡層、傳輸層和應用層。每層實作一個明确的功能，對應一個或幾個傳輸協定，每層相對于它的下層都作為一個獨立的資料包來實作。每層上的協定如下：

  A、應用層：BSD套接字。

  B、傳輸層：TCP、UDP。

  C、網絡層：IP、ARP、ICMP、IGMP

  D、資料鍊路層：IEEE802.3 Ethernet MAC

  E、實體層：二進制比特流。

• （7）ARP（位址解析協定）

  A、網絡層用32位的位址來辨別不同的主機（即IP位址），而鍊路層使用48位的實體位址（MAC）來辨別不同的以太網或令牌網接口。

  B、ARP功能：實作從IP位址到對應實體位址的轉換。

• （8）ICMP（網絡控制封包協定）

  A、IP層用它來與其他主機或路由器交換錯誤封包和其他重要控制資訊。

  B、ICMP封包是在IP資料包内被傳輸的。

  C、網絡診斷工具ping和traceroute其實就是ICMP協定。

• （9）IP（網際協定）

  A、IP工作在網絡層，是TCP/IP協定族中最為核心的協定。

  B、所有的TCP、UDP、ICMP及IGMP資料都以IP資料包格式傳輸。

  C、TTL（生存時間字段）：指定了IP資料包的生存時間（資料包可以經過的路由器數）。

  D、特點：IP提供不可靠、無連接配接的資料包傳送服務，高效、靈活。

a、不可靠：它不能保證資料包能成功到達目的地，任何要求的可靠性必須由上層來提供（如TCP）。如果發生某種錯誤，IP有一個簡單的錯誤處理算法－－丢棄該資料包，然後發送ICMP消息報給信源端。

b、無連接配接：IP不維護任何關于後續資料包的狀态資訊。每個資料包的處理都是互相獨立的。IP資料包可以不按順序接收。

• （10）TCP（傳輸控制協定）

  TCP協定是一個面向連接配接的可靠的傳輸層協定，它為兩台主機提供高可靠性的端到端資料通信。

• （11）UDP（使用者資料包協定）

  UDP協定是一種無連接配接不可靠的傳輸層協定，它不保證資料包能到達目的地，可靠性有應用層來提供。UDP協定開銷少，和TCP相比更适合于應用在低端的嵌入式領域中。

• （12）端口：TCP和UDP采用16位端口号來識别上層的使用者，即應用層協定，例如FTP服務的TCP端口号都是21，Telnet服務的TCP端口号都是23，TFTP服務的UDP端口号都是69。

18、CAN總線接口

• （1）CAN（Control Area Network，控制器區域網路）總線是一種多主方式的串行通信總線，是國際上應用最廣泛的現場總線之一，最初被用于汽車環境中的電子控制網絡。一個CAN總線構成的單一網絡中，理想情況下可以挂接任意多個節點，實際應用中節點資料受網絡硬體的電氣特性所限制。
• （2）總線信号使用差分電壓傳送。兩條信号線被稱為CAN_H和CAN_L，靜态是均為2.5V左右，此時狀态表示邏輯1，也可以叫做“隐性”。用CAN_H比CAN_L高表示邏輯0，稱為“顯性”，此時，通常電壓值為CAN_H＝3.5V和CAN_L=1.5V。
• （3）當“顯性”和“隐性”位同時發送的時候，最後總線數值将為“顯性”，這種特性為CAN總線的仲裁奠定了基礎。
• （4）CAN總線的一個位時間可以分成4個部分：同步段、傳播時間段、相位緩沖段1和相位緩沖段2。（詳見《教程》205頁）
• （5）CAN總線的資料幀有兩種格式：标準格式和擴充格式。包括：幀起始、仲裁場、控制場、資料場、CRC場、ACK場和幀結束。
• （6）CAN總線硬體接口包括：CAN總線控制器和CAN收發器。CAN控制器主要完成時序邏輯轉換等工作，例如菲利普的SJA1000。CAN收發器是CAN總線的實體層晶片，實作TTL電平到CAN總線電平特性的轉換，例如TJA1050。

19、xDSL接口

• （1）xDSL（數位用戶線路）技術是，在現有使用者電話線兩側同時接入專用的DSL調制解調裝置，在使用者線上利用數字信号高頻帶寬較寬的特性直接采用數字信号傳輸，省去中間的A/D轉換，突破了模拟信号傳輸極限速率為56KB/s的限制。
• （2）DSL技術主要分為對稱和非對稱兩大類。
• （3）對稱xDSL更适合于企業點對點連接配接應用，例如檔案傳輸、視訊會議等收發資料量大緻相同的工作。
• （4）ASDL是近年發展的另一種寬帶接入技術，是利用雙絞銅線向使用者提供兩個方向上速率不對稱的寬帶資訊業務。
• （5）ADSL在一對電話線上同時傳送一路高速下行資料、一路較低速率上行資料、一路模拟電話。各信号之間采用頻分複用方式占用不同頻帶，低頻段傳送話音；中間窄頻帶傳送上行信道資料及控制資訊；其餘高頻段傳送下行信道資料、圖像或高速資料。

20、WLAN接口

• （1）WLAN（WirelessLocalAreaNetwork）是利用無線通信技術在一定的局部範圍内建立的，是計算機網絡與無線通信技術相結合的産物，它以無線多址通道作為傳輸媒介，提供有線區域網路的功能。

• （2）WLAN的标準：主要是針對實體層和媒介通路控制層（MAC層），涉及到所有使用的無線頻率範圍、控制接口通信協定等技術規範與技術标準。

  A、IEEE802.11：定義了實體層和MAC層規範，工作在2.4～2.4835GHz頻段，最高速率為2Mb/s，是IEEE最初制定的一個無線區域網路标準。

  B、IEEE802.11b：工作在2.4～2.4835GHz頻段，最高速率為11Mb/s，傳輸距離50-150inch。采用點對點模式和基本模式兩種運作模式。在資料傳輸速率方面可以根據實際情況在11Mb/s、5.5Mb/s、2Mb/s、1Mb/s的不同速率間自動切換。

  C、IEEE802.11a：工作在5.15～8.825GHz頻段，最高速率為54Mb/s - /72Mb/s，傳輸距離10～100m。

  D、IEEE802.11g：混合标準，擁有EEE802.11a的傳輸速率，安全性較EEE802.11b好，采用兩種調制方式，做到與EEE802.11a和EEE802.11b相容。

• （3）WLAN有兩種網絡類型：對等網絡和基礎機構網絡。

21、藍牙接口

• （1）藍牙技術的目的：使特定的行動電話、便攜式電腦以及各種便攜通信裝置的主機之間近距離内實作無縫的資源共享。
• （2）藍牙技術的實質内容是要建立通用的無線空中接口及其控制軟體的公開标準。其工作頻段為全球通用的2.4GHz ISM（即工業、科學、醫學）頻段，其資料傳輸速率為1Mb/s，采用時分雙工方案來實作全雙工傳輸，其理想的連接配接範圍為10cm～10m。
• （3）藍牙基帶協定是電路交換和分組交換的結合。

• （4）藍牙技術特點：

  A、傳輸距離短，工作距離在10m以内。

  B、采用跳頻擴頻技術。

  C、采用時分複用多路通路技術，有效地避免了“碰撞”和“隐藏終端”等問題。

  D、網絡技術。

  E、語言支援。

  F、糾錯技術，其采用的是FEC（前向糾錯）方案。

• （5）藍牙接口由3大單元組成：無線單元、基帶單元、鍊路管理與控制單元。

22、1394接口

• （1）1394作為一種标準總線，可以在不同的工業裝置之間架起一座溝通的橋梁，在一條總線上可以接入63個裝置。

• （2）IEEE1394的特點：

  A、支援多種總線速度，适應不同應用要求。

  B、即插即用，支援熱插拔。

  C、支援同步和異步兩種傳輸方式。

  D、支援點到點通信模式，IEEE1394是多主總線。

  E、遵循ANSI IEEE1212控制及狀态寄存器（CSR）标準，定義了64位的位址空間，可尋址1024條總線的63個節點，每個節點可包含256TB的記憶體空間。

  F、支援較遠距離的傳輸。

  G、支援公平仲裁原則，為每一種傳輸方式保證足夠的傳輸帶寬。

  H、六線電纜具有電源線，可傳輸8～40V的直流電壓。

• （3）IEEE1394的協定棧由3層組成：實體層、鍊路層和事務層，例外還有一個管理層。實體層和鍊路層由硬體構成，而事務層主要由軟體實作。

23、電源接口

• （1）DC-DC轉換器有三種類型：

  A、線性穩壓器：産生較輸入電壓低的電壓。

  B、開關穩壓器：能升高電壓、降低電壓或翻轉輸入電壓。

  C、充電泵：可以升高、降低或翻轉輸入電壓，但電流驅動能力有限。

• （2）任何變壓器的轉換過程都不具有100％的效率，穩壓器本省也使用電流（靜态電流），這個電流來自輸入電流。靜态電流越大，穩壓器功耗越大。
• （3）線性穩壓器輸入輸出使用退耦電容來過濾，電容除了有助于平穩電壓以外，還有利于去除電源中的瞬間短時脈沖波形幹擾。
• （4）電壓與功耗之間的平方關系意味着理想高效的方法是在要求較低電壓的較低時鐘速率上執行代碼，而不是先以最高的時鐘速率執行代碼然後再轉為空閑休眠。
• （5）電源通常被認為是整個系統的“心髒”，絕大多數電子裝置50％～80％的節能潛力在于電源系統，研制開發新型開關電源是節能的主要舉措之一。

• （6）降低功耗的設計技術：

  A、采用低功耗器件，例如選用CMOS電路晶片。

  B、采用高內建度專用器件，外部裝置的選擇也要盡量支援低功耗設計。

  C、動态調整處理器的時鐘頻率和電壓，在允許的情況下盡量使用低頻率器件。

  D、利用“節電”工作方式。

  E、合理處理器件空餘引腳：