嵌入式硬件体系中的接口设计
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1. UART串口概述
A.
B.
C.
UART，即通用异步接收器/发送器（Universal Asychronous Receiver/Transmitter）能完成异步通信 USRT （Universal Sychronous Receiver/Transmitter） 能完成同步通信 USART（Universal Sychronous Asychronous Receiver/Transmitter）既能完成异步又能完成同步通 信
EMCU 子系统
E2PROM
数字传感器
I2C总线的应用例子
例：X24C04与MCS-51单片机软硬件的实现
X24C04是 XICOR公司的CMOS 4096位串行EEPROM，内部组织 成512×8位，16字节页面写。
VCC
X24C04 1 2 3 4 A0 A1 A2 VSS Vwenku.baidu.comC /WC SCL SDA
R1 6 5
R2 P3.2 P3.3
X24C04与MCS-51单片机接口
由于SDA是漏极开路输出，且可以与任何数目的漏极 开路或集电极 开路输出“线或”连接。
2.3
SPI总线
1 . SPI总线概述
SPI（serial peripheral interface，串行外围设备接 口）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，用于CPU与各种外围 器件进行全双工、同步串行通讯。SPI可同时发出和 接收串行数据。 SPI总线只需四条线就可以完成MCU 与各种外围器件的通讯（其中时钟、数据输入和输出 三根线为共享数据线）。
USB PLUS接口：-中国爱国者
高速的ESATA2.0(3Gbps)与低速的USB2.0(480Mbps)的 结合方法，不兼容USB1.1,USB2.0。
2. USB的性能特点
传输速度快 连接简单快捷 通用连接器 无须外接电源
扩充外设能力强
（1）传输速度快
嵌入式硬件体系中的接口设计
浙江理工大学-机械与自动控制学院 彭来湖
1.嵌入式系统接口概述
嵌入式系统的接口是其核心微控制器与外部设备进行 连接和数据交换的必经通道。
1.1嵌入式系统接口的类型划分
近距离通信接口
有线通信接口
远距离通信通信接口（现场总线接口）
嵌入式系统接口
GSM/CDMA通信接口 无线通信接口 红外通信IrDA接口
（2） RS-232串行总线接口
目前RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种 串行接口。RS-232被定义为一种在低速率串行通信 中增加通信距离的单端标准。RS-232采取不平衡传 输方式，即所谓单端通信。
典型的RS-232信号在正负电平之间摆动
在发送数据时，发送端驱动器输出正电平在+5～+15V， 负电平在-5～-15V电平。 当无数据传输时，线上为TTL，从开始传送数据到结束， 线上电平从TTL电平到RS-232电平再返回TTL电平。 接收器典型的工作电平在+3～+12V与-3～-12V。
（1）RS-232、RS-422与RS-485的由来
RS-232、RS-422与RS-485都是串行数据接口标准， 最初都是由电子工业协会（EIA）制订并发布的， RS-232在1962年发布，命名为EIA-232-E，作为工 业标准，以保证不同厂家产品之间的兼容。
RS-422是为弥补RS-232通信距离短、速率低的缺 点而提出的。RS-485标准。EIA于1983年在RS-422 基础上制定的。
图13-2 I2C总线信息传送图 开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。 结束信号：SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。 开始信号和结束信号之间传送的是信息，信息的字节数没有限制，但每个 字节必须为8位，高位在前，低位在后。数据线SDA上每一位信息状态的 改变只能发生在时钟线SCL为低电平的期间
max232是美信（Maxim）公司生产电压转换芯片， 将TTL电平转换成可以和PC机的RS-232标准串口匹配 的电压，max232使用+5v单电源供电。
2.2
内部集成（I2C）总线
1. I2C总线简介 I2C(Inter－Integrated Circuit)总线是一种由 PHILIPS公司开发的两线式串行总线。 I2C总线产生于20世纪80年代，最初为音频和视频设 备开发，目前大多数的嵌入式处理器都集成了I2C总 线接口，许多的I/O芯片具有I2C总线接口，如 E2PROM存储器，温度传感器等。
3. 直接存储器存取DMA传送方式 在机子内部有一个DMA芯片，代替CPU对数据传输 进行控制的功能来管理数据的传输，数据直接从接 口送到存储器中，不经过CPU。 优点：CPU效率最高，数据传输速度快 缺点：由于是硬件实现，较复杂，且成本较前两 者高。
2 常用串行接口及其应用设计
2.1 UART串行接口及其连接
设计中断和DMA
接口与系统及设备的连接
与系统总线相连
实现与CPU的启动、选中 接口等控制信号的配合， 提供传输数据信息的I/O 端口。
接 口
与设备相连
随接口类型的不同而异， 其电路结构与设备传输数 据的要求以及数据格式紧 密相关。
1.3 嵌入式系统接口的控制方式
1. 程序查询方式
通过编程，用CPU直接控制I/O接口的数据传输。 优点：较硬件实现简单，成本低 缺点：CPU用来控制I/O,则它的总体利用率不高，效 率低
卫星通信接口
无线网络接口
串行通信接口
UART接口 SPI接口 JATA接口 1-wire接口 SPP打印接口 EPP打印接口
IIC/SCCB接口 USB接口 1394接口
并行通信接口 近距离通信接口 有线通信接口 人机通信接口
键盘输入接口 LED显示接口 LCD显示接口
ISA/PC104总线接口 PCI/CPCI总线接口
2.4
USB总线
1. USB总线简介
USB（Universal Serial Bus，通用串行总线)，是 由Conpaq，DEC，IBM，Inter，Microsoft，NEC和 Northen Telecom等7家公司联合开发的一种流行的外设 接口标准 1996年2月公布了USB 1.0版本，传输速率有低速 1.5Mbps和高速12Mbps两种模式。 2000年4月27日发布USB 2.0标准，USB 2.0兼容所有 USB 1.0外部设备及电缆线等，传输速率达480Mbps。 USB 2.0不仅使USB大大提速，而且使更多的设备可以经 USB连接到PC。
2.4
USB总线
USB 3.0：
由Intel、微软、惠普、德州仪器、NEC、ST、NXP等业界巨头 组成的USB 3.0 Promoter Group 2008-11-18 宣布，新一代USB 3.0 标准已经正式完成并公开发布。新规范提供了十倍于USB 2.0的传输 速度和更高的节能效率，最大传输带宽高达5.0Gbps。 USB 2.0基于半双工二线制总线，只能提供单向数据流传输，而 USB 3.0采用了对偶单纯形四线制差分信号线，故而支持双向并发数 据流传输，这也是新规范速度猛增的关键原因。
I2C总线广泛的应用于嵌入式系统的主板上的各个部 件之间的连接与通信。
I2C总线系统结构图
23
①
2. I2C总线的优点：
结构简单，占用的空间小，减少了电路板的空间和芯片
管脚的数量。
②
标准模式下的传输速率为0~100kbps，在高速模式下的 传输速率是0~400kbps。
③
总线的长度可高达25英尺并且以10Kbps的最大传输速 率支持40个组件。
2.1 UART串行接口及其连接
UART包括了RS232、RS499、RS423、RS422 和RS485等接口标准规范和总线标准规范，即 UART是异步串行通信口的总称。 而RS232、RS499、RS423、RS422和RS485等 ，是对应各种异步串行通信口的接口标准和总线标 准，它规定了通信口的电气特性、传输速率、连接 特性和接口的机械特性等内容。
2.1 UART串行接口及其连接
UART是通用异步收发器（异步串行通信口）的英 文（Universal Asychronous Receiver/Transmitter）缩写是一种通用串行数据 总线，用于异步通信。该总线双向通信，可以实现 全双工传输和接收。
在嵌入式设计中，UART用来与PC进行通信，包括 与监控调试器和其它器件，如EEPROM通信。
RS-422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传 输规范。
（3）RS-485串行总线接口
收发器采用平衡发送和差分接收（即在发送端，驱动器
将TTL电平信号转换成差分信号输出；在接收端，接收 器将差分信号变成TTL电平）
具有抑制共模干扰的能力， 数据传输可达千米以外。
2. 数字UART接口与RS-232接口的互连
RS-232是为点对点通信而设计的具有以下特点
其驱动器负载为3～7kΩ。
共模抑制能力差 传送距离最大为约15米
最高速率为20kb/s。
所以RS-232适合本地设备之间的通信。
（3）RS-422串行总线接口
是一种平衡通信接口 其传输速率提高可达10Mbit/s
并允许在一条平衡总线上连接最多10个接收器。
过程中，I2C总线上并接的每一模块电路既是主控器（或
被控器），又是发送器（或接收器）。
I2C总线的信号类型 I2C总线在传送数据过程中共有三种类型信号， 分别 是开始信号、结束信号和应答信号。
②
开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳 变，开始传送数据。 结束信号：SCL为低电平时，SDA由低电平向高电平跳 变，结束传送数据。
器件地址码格式
D7
D6
D5
D4
D3
片选
D2
D1
D0
R/W
器件类型码
I2C总线器件AT24CXX系列器件的地址为1010 4. I2C总线读、写操作 （1）当前地址读
（2）指定单元读
（3）指定单元写
目前有很多半导体集成电路上都集成了I2C接口。带 有I2C接口的单片机有：CYGNAL的 C8051F0XX系列， PHILIPSP87LPC7XX系列，MICROCHIP的 PIC16C6XX系列等。很多外围器件如存储器、监控芯 片等也提供I2C接口。
④
I2C总线支持多主控，一个主机可以寻址127个从机。
3. I2C总线的构成及信号类型
①
I2C总线的构成 I2C总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，
可发送和接收数据。在CPU与被控IC之间、IC与IC之间 进行双向传送，最高传送速率100kbps。
各种被控制电路均并联在这条总线上，在信息的传输
应答信号：接收数据的IC在接收到8bit数据后，向发送 数据的IC发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。CPU向 受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号， CPU接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信 号的判断。若未收到应答信号，由判断为受控单元出现故障。
3. I 2 C总线信息传送
2.1 UART串行接口及其连接
COM口是PC机上异步串行通信口的简写。
由于历史原因，IBM的PC机外部接口配置为RS232， 成为实际上的PC机界默认标准。所以，现在PC机的 COM口均为RS232。若配有多个异步串行通信口，则分 别称为COM1、COM2... 。
2. 串行通信接口RS-232、RS-422和RS-485
工业板卡通信接口
远距离通信通信 接口（现场总线 接口）
RS-485总线接口 CAN总线接口 仪表总线接口 EMAC总线接口 LonWorks总线接口 PRODIBUS总线接口
1.2 接口的功能
数据缓冲功能
信息的格式的转换 协调信息的类型和信号电平的差异
接 口 的 功 能
协调时序差异
地址译码和设备选择功能
1.3 嵌入式系统接口的控制方式
2.中断处理方式
外设准备就绪→提出服务请求→若微控制器响应该 请求→暂停止当前程序→执行与该请求对应的服务程序 →完成后→继续执行原来被中断的程序。 优点：比程序查询方式CPU利用率高，同时成本不高 缺点：CPU利用率还是不如DMA方式高。
1.3 嵌入式系统接口的控制方式
A.
B.
C.
UART，即通用异步接收器/发送器（Universal Asychronous Receiver/Transmitter）能完成异步通信 USRT （Universal Sychronous Receiver/Transmitter） 能完成同步通信 USART（Universal Sychronous Asychronous Receiver/Transmitter）既能完成异步又能完成同步通 信
EMCU 子系统
E2PROM
数字传感器
I2C总线的应用例子
例：X24C04与MCS-51单片机软硬件的实现
X24C04是 XICOR公司的CMOS 4096位串行EEPROM，内部组织 成512×8位，16字节页面写。
VCC
X24C04 1 2 3 4 A0 A1 A2 VSS Vwenku.baidu.comC /WC SCL SDA
R1 6 5
R2 P3.2 P3.3
X24C04与MCS-51单片机接口
由于SDA是漏极开路输出，且可以与任何数目的漏极 开路或集电极 开路输出“线或”连接。
2.3
SPI总线
1 . SPI总线概述
SPI（serial peripheral interface，串行外围设备接 口）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，用于CPU与各种外围 器件进行全双工、同步串行通讯。SPI可同时发出和 接收串行数据。 SPI总线只需四条线就可以完成MCU 与各种外围器件的通讯（其中时钟、数据输入和输出 三根线为共享数据线）。
USB PLUS接口：-中国爱国者
高速的ESATA2.0(3Gbps)与低速的USB2.0(480Mbps)的 结合方法，不兼容USB1.1,USB2.0。
2. USB的性能特点
传输速度快 连接简单快捷 通用连接器 无须外接电源
扩充外设能力强
（1）传输速度快
嵌入式硬件体系中的接口设计
浙江理工大学-机械与自动控制学院 彭来湖
1.嵌入式系统接口概述
嵌入式系统的接口是其核心微控制器与外部设备进行 连接和数据交换的必经通道。
1.1嵌入式系统接口的类型划分
近距离通信接口
有线通信接口
远距离通信通信接口（现场总线接口）
嵌入式系统接口
GSM/CDMA通信接口 无线通信接口 红外通信IrDA接口
（2） RS-232串行总线接口
目前RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种 串行接口。RS-232被定义为一种在低速率串行通信 中增加通信距离的单端标准。RS-232采取不平衡传 输方式，即所谓单端通信。
典型的RS-232信号在正负电平之间摆动
在发送数据时，发送端驱动器输出正电平在+5～+15V， 负电平在-5～-15V电平。 当无数据传输时，线上为TTL，从开始传送数据到结束， 线上电平从TTL电平到RS-232电平再返回TTL电平。 接收器典型的工作电平在+3～+12V与-3～-12V。
（1）RS-232、RS-422与RS-485的由来
RS-232、RS-422与RS-485都是串行数据接口标准， 最初都是由电子工业协会（EIA）制订并发布的， RS-232在1962年发布，命名为EIA-232-E，作为工 业标准，以保证不同厂家产品之间的兼容。
RS-422是为弥补RS-232通信距离短、速率低的缺 点而提出的。RS-485标准。EIA于1983年在RS-422 基础上制定的。
图13-2 I2C总线信息传送图 开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。 结束信号：SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。 开始信号和结束信号之间传送的是信息，信息的字节数没有限制，但每个 字节必须为8位，高位在前，低位在后。数据线SDA上每一位信息状态的 改变只能发生在时钟线SCL为低电平的期间
max232是美信（Maxim）公司生产电压转换芯片， 将TTL电平转换成可以和PC机的RS-232标准串口匹配 的电压，max232使用+5v单电源供电。
2.2
内部集成（I2C）总线
1. I2C总线简介 I2C(Inter－Integrated Circuit)总线是一种由 PHILIPS公司开发的两线式串行总线。 I2C总线产生于20世纪80年代，最初为音频和视频设 备开发，目前大多数的嵌入式处理器都集成了I2C总 线接口，许多的I/O芯片具有I2C总线接口，如 E2PROM存储器，温度传感器等。
3. 直接存储器存取DMA传送方式 在机子内部有一个DMA芯片，代替CPU对数据传输 进行控制的功能来管理数据的传输，数据直接从接 口送到存储器中，不经过CPU。 优点：CPU效率最高，数据传输速度快 缺点：由于是硬件实现，较复杂，且成本较前两 者高。
2 常用串行接口及其应用设计
2.1 UART串行接口及其连接
设计中断和DMA
接口与系统及设备的连接
与系统总线相连
实现与CPU的启动、选中 接口等控制信号的配合， 提供传输数据信息的I/O 端口。
接 口
与设备相连
随接口类型的不同而异， 其电路结构与设备传输数 据的要求以及数据格式紧 密相关。
1.3 嵌入式系统接口的控制方式
1. 程序查询方式
通过编程，用CPU直接控制I/O接口的数据传输。 优点：较硬件实现简单，成本低 缺点：CPU用来控制I/O,则它的总体利用率不高，效 率低
卫星通信接口
无线网络接口
串行通信接口
UART接口 SPI接口 JATA接口 1-wire接口 SPP打印接口 EPP打印接口
IIC/SCCB接口 USB接口 1394接口
并行通信接口 近距离通信接口 有线通信接口 人机通信接口
键盘输入接口 LED显示接口 LCD显示接口
ISA/PC104总线接口 PCI/CPCI总线接口
2.4
USB总线
1. USB总线简介
USB（Universal Serial Bus，通用串行总线)，是 由Conpaq，DEC，IBM，Inter，Microsoft，NEC和 Northen Telecom等7家公司联合开发的一种流行的外设 接口标准 1996年2月公布了USB 1.0版本，传输速率有低速 1.5Mbps和高速12Mbps两种模式。 2000年4月27日发布USB 2.0标准，USB 2.0兼容所有 USB 1.0外部设备及电缆线等，传输速率达480Mbps。 USB 2.0不仅使USB大大提速，而且使更多的设备可以经 USB连接到PC。
2.4
USB总线
USB 3.0：
由Intel、微软、惠普、德州仪器、NEC、ST、NXP等业界巨头 组成的USB 3.0 Promoter Group 2008-11-18 宣布，新一代USB 3.0 标准已经正式完成并公开发布。新规范提供了十倍于USB 2.0的传输 速度和更高的节能效率，最大传输带宽高达5.0Gbps。 USB 2.0基于半双工二线制总线，只能提供单向数据流传输，而 USB 3.0采用了对偶单纯形四线制差分信号线，故而支持双向并发数 据流传输，这也是新规范速度猛增的关键原因。
I2C总线广泛的应用于嵌入式系统的主板上的各个部 件之间的连接与通信。
I2C总线系统结构图
23
①
2. I2C总线的优点：
结构简单，占用的空间小，减少了电路板的空间和芯片
管脚的数量。
②
标准模式下的传输速率为0~100kbps，在高速模式下的 传输速率是0~400kbps。
③
总线的长度可高达25英尺并且以10Kbps的最大传输速 率支持40个组件。
2.1 UART串行接口及其连接
UART包括了RS232、RS499、RS423、RS422 和RS485等接口标准规范和总线标准规范，即 UART是异步串行通信口的总称。 而RS232、RS499、RS423、RS422和RS485等 ，是对应各种异步串行通信口的接口标准和总线标 准，它规定了通信口的电气特性、传输速率、连接 特性和接口的机械特性等内容。
2.1 UART串行接口及其连接
UART是通用异步收发器（异步串行通信口）的英 文（Universal Asychronous Receiver/Transmitter）缩写是一种通用串行数据 总线，用于异步通信。该总线双向通信，可以实现 全双工传输和接收。
在嵌入式设计中，UART用来与PC进行通信，包括 与监控调试器和其它器件，如EEPROM通信。
RS-422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传 输规范。
（3）RS-485串行总线接口
收发器采用平衡发送和差分接收（即在发送端，驱动器
将TTL电平信号转换成差分信号输出；在接收端，接收 器将差分信号变成TTL电平）
具有抑制共模干扰的能力， 数据传输可达千米以外。
2. 数字UART接口与RS-232接口的互连
RS-232是为点对点通信而设计的具有以下特点
其驱动器负载为3～7kΩ。
共模抑制能力差 传送距离最大为约15米
最高速率为20kb/s。
所以RS-232适合本地设备之间的通信。
（3）RS-422串行总线接口
是一种平衡通信接口 其传输速率提高可达10Mbit/s
并允许在一条平衡总线上连接最多10个接收器。
过程中，I2C总线上并接的每一模块电路既是主控器（或
被控器），又是发送器（或接收器）。
I2C总线的信号类型 I2C总线在传送数据过程中共有三种类型信号， 分别 是开始信号、结束信号和应答信号。
②
开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳 变，开始传送数据。 结束信号：SCL为低电平时，SDA由低电平向高电平跳 变，结束传送数据。
器件地址码格式
D7
D6
D5
D4
D3
片选
D2
D1
D0
R/W
器件类型码
I2C总线器件AT24CXX系列器件的地址为1010 4. I2C总线读、写操作 （1）当前地址读
（2）指定单元读
（3）指定单元写
目前有很多半导体集成电路上都集成了I2C接口。带 有I2C接口的单片机有：CYGNAL的 C8051F0XX系列， PHILIPSP87LPC7XX系列，MICROCHIP的 PIC16C6XX系列等。很多外围器件如存储器、监控芯 片等也提供I2C接口。
④
I2C总线支持多主控，一个主机可以寻址127个从机。
3. I2C总线的构成及信号类型
①
I2C总线的构成 I2C总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，
可发送和接收数据。在CPU与被控IC之间、IC与IC之间 进行双向传送，最高传送速率100kbps。
各种被控制电路均并联在这条总线上，在信息的传输
应答信号：接收数据的IC在接收到8bit数据后，向发送 数据的IC发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。CPU向 受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号， CPU接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信 号的判断。若未收到应答信号，由判断为受控单元出现故障。
3. I 2 C总线信息传送
2.1 UART串行接口及其连接
COM口是PC机上异步串行通信口的简写。
由于历史原因，IBM的PC机外部接口配置为RS232， 成为实际上的PC机界默认标准。所以，现在PC机的 COM口均为RS232。若配有多个异步串行通信口，则分 别称为COM1、COM2... 。
2. 串行通信接口RS-232、RS-422和RS-485
工业板卡通信接口
远距离通信通信 接口（现场总线 接口）
RS-485总线接口 CAN总线接口 仪表总线接口 EMAC总线接口 LonWorks总线接口 PRODIBUS总线接口
1.2 接口的功能
数据缓冲功能
信息的格式的转换 协调信息的类型和信号电平的差异
接 口 的 功 能
协调时序差异
地址译码和设备选择功能
1.3 嵌入式系统接口的控制方式
2.中断处理方式
外设准备就绪→提出服务请求→若微控制器响应该 请求→暂停止当前程序→执行与该请求对应的服务程序 →完成后→继续执行原来被中断的程序。 优点：比程序查询方式CPU利用率高，同时成本不高 缺点：CPU利用率还是不如DMA方式高。
1.3 嵌入式系统接口的控制方式