一文搞明白各類總線

總線是什么

總線是計算機各種功能部件之間傳送信息的公共通信干線，它是由導(dǎo)線組成的傳輸線束。

其實，總線就是一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)，它是CPU、內(nèi)存、輸入、輸出設(shè)備傳遞信息的公用通道。工程師為了簡化硬件電路設(shè)計、簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，常用一組線路，配置以適當(dāng)?shù)?a target="_blank">接口電路，與各部件和外圍設(shè)備連接，這組共用的連接線路被稱為總線。另外就是采用總線結(jié)構(gòu)便于部件和設(shè)備的擴充，尤其制定了統(tǒng)一的總線標(biāo)準(zhǔn)則容易使不同設(shè)備間實現(xiàn)互連。

總線的分類

總線按功能和規(guī)范可分為五大類型：數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線、擴展總線及局部總線。

數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線也統(tǒng)稱為系統(tǒng)總線，即通常意義上所說的總線。常見的數(shù)據(jù)總線為ISA、EISA、VESA、PCI等。

地址總線：是專門用來傳送地址的，由于地址只能從CPU傳向外部存儲器或I/O端口，所以地址總線總是單向三態(tài)的，這與數(shù)據(jù)總線不同，地址總線的位數(shù)決定了CPU可直接尋址的內(nèi)存空間大小。

控制總線：用來傳送控制信號和時序信號?？刂菩盘栔?，有的是微處理器送往存儲器和I/O接口電路的；也有是其它部件反饋給CPU的，比如：中斷申請信號、復(fù)位信號、總線請求信號、設(shè)備就緒信號等。

按照傳輸數(shù)據(jù)的方式劃分，可以分為串行總線和并行總線。串行總線中，二進(jìn)制數(shù)據(jù)逐位通過一根數(shù)據(jù)線發(fā)送到目的器件；并行總線的數(shù)據(jù)線通常超過2根。常見的串行總線有SPI、I2C、USB及RS232等。

按照時鐘信號是否獨立，可以分為同步總線和異步總線。同步總線的時鐘信號獨立于數(shù)據(jù)，而異步總線的時鐘信號是從數(shù)據(jù)中提取出來的。SPI、I2C是同步串行總線，RS232采用異步串行總線。

微機中總線一般有內(nèi)部總線、系統(tǒng)總線和外部總線。內(nèi)部總線是微機內(nèi)部各外圍芯片與處理器之間的總線，用于芯片一級的互連；而系統(tǒng)總線是微機中各插件板與系統(tǒng)板之間的總線，用于插件板一級的互連；外部總線則是微機和外部設(shè)備之間的總線，微機作為一種設(shè)備，通過該總線和其他設(shè)備進(jìn)行信息與數(shù)據(jù)交換，它用于設(shè)備一級的互連。

那么多分類，筆者也只能選擇一種介紹了，就選擇內(nèi)部總線、系統(tǒng)總線和外部總線咯。

內(nèi)部總線

I2C總線：I2C（Inter-IC）總線10多年前由Philips公司推出，是近年來在微電子通信控制領(lǐng)域廣泛采用的一種新型總線標(biāo)準(zhǔn)。它是同步通信的一種特殊形式，具有接口線少，控制方式簡化，器件封裝形式小，通信速率較高等優(yōu)點。在主從通信中，可以有多個I2C總線器件同時接到I2C總線上，通過地址來識別通信對象。

SCI總線：串行通信接口SCI也是由Motorola公司推出的。它是一種通用異步通信接口UART，與MCS-51的異步通信功能基本相同。

IIS：I2S（Inter-IC Sound Bus）是飛利浦公司為數(shù)字音頻設(shè)備之間的音頻數(shù)據(jù)傳輸而制定的一種總線標(biāo)準(zhǔn)。I2S有3個主要信號：1.串行時鐘SCLK，也叫位時鐘，即對應(yīng)數(shù)字音頻的每一位數(shù)據(jù)，SCLK有1個脈沖。

2.幀時鐘LRCK，用于切換左右聲道的數(shù)據(jù)。LRCK為“1”表示正在傳輸?shù)氖亲舐暤赖臄?shù)據(jù)，為“0”則表示正在傳輸?shù)氖怯衣暤赖臄?shù)據(jù)。3.串行數(shù)據(jù)SDATA，就是用二進(jìn)制補碼表示的音頻數(shù)據(jù)。有時為了使系統(tǒng)間能夠更好地同步，還需要另外傳輸一個信號MCLK，稱為主時鐘，也叫系統(tǒng)時鐘（Sys Clock）。

SPI：SPI（Serial Peripheral Interface：串行外設(shè)接口）;SPI是Motorola首先在其MC68HCXX系列處理器上定義的。SPI接口主要應(yīng)用在EEPROM，F(xiàn)LASH，實時時鐘，AD轉(zhuǎn)換器，還有數(shù)字信號處理器和數(shù)字信號解碼器之間。SPI接口是以主從方式工作的，這種模式通常有一個主器件和一個或多個從器件，其接口包括以下四種信號：（1）MOSI – 主器件數(shù)據(jù)輸出，從器件數(shù)據(jù)輸入 （2）MISO – 主器件數(shù)據(jù)輸入，從器件數(shù)據(jù)輸出 （3）SCLK – 時鐘信號，由主器件產(chǎn)生（4）/SS – 從器件使能信號，由主器件控制。

UART：UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter：通用異步收發(fā)器）。將由計算機內(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。將計算機外部來的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字節(jié)，供計算機內(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)流中加入奇偶校驗位，并對從外部接收的數(shù)據(jù)流進(jìn)行奇偶校驗。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）。可以處理計算機與外部串行設(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)。常用TXD，RXD，/RTS，/CTS。

JTAG：JTAG （Joint Test Action Group 聯(lián)合測試行動小組）是一種國際標(biāo)準(zhǔn)測試協(xié)議（IEEE1149.1兼容），主要用于芯片內(nèi)部測試。標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口是4線：TMS、TCK、TDI、TDO，分別為模式選擇、時鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出線。

測試復(fù)位信號（TRST，一般以低電平有效）一般作為可選的第五個端口信號。一個含有JTAGDebug接口模塊的CPU，只要時鐘正常，就可以通過JTAG接口訪問CPU的內(nèi)部寄存器和掛在CPU總線上的設(shè)備，如FLASH，RAM，內(nèi)置模塊的寄存器，像UART，Timers，GPIO等等的寄存器。

CAN：CAN全稱為“Controller Area Network”，即控制器局域網(wǎng)，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。最初，CAN被設(shè)計作為汽車環(huán)境中的微控制器通訊，在車載各電子控制裝置ECU之 間交換信息，形成汽車電子控制網(wǎng)絡(luò)。

比如：發(fā)動機管理系統(tǒng)、變速箱控制器、儀表裝備、電子主干系統(tǒng)中，均嵌入CAN控制裝置。一個由CAN總線構(gòu)成的單一網(wǎng)絡(luò)中，理論上可以掛接無數(shù)個節(jié)點。

實際應(yīng)用中，節(jié)點數(shù)目受網(wǎng)絡(luò)硬件的電氣特性所限制。例如，當(dāng)使用Philips P82C250作為CAN收發(fā)器時，同一網(wǎng)絡(luò)中允許掛接110個節(jié)點。CAN 可提供高達(dá)1Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，這使實時控制變得非常容易。另外，硬件的錯誤檢定特性也增強了CAN的抗電磁干擾能力。

SDIO：SDIO是SD型的擴展接口，除了可以接SD卡外，還可以接支持SDIO接口的設(shè)備，插口的用途不止是插存儲卡。支持 SDIO接口的PDA，筆記本電腦等都可以連接像GPS接收器，Wi-Fi或藍(lán)牙適配器，調(diào)制解調(diào)器，局域網(wǎng)適配器，條型碼讀取器，F(xiàn)M無線電，電視接收 器，射頻身份認(rèn)證讀取器，或者數(shù)碼相機等等采用SD標(biāo)準(zhǔn)接口的設(shè)備。

GPIO：GPIO （General Purpose Input Output 通用輸入/輸出）或總線擴展器利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)I2C、SMBus?或SPI?接口簡化了I/O口的擴展。當(dāng)微控制器或芯片組沒有足夠的I/O端口，或當(dāng)系統(tǒng) 需要采用遠(yuǎn)端串行通信或控制時，GPIO產(chǎn)品能夠提供額外的控制和監(jiān)視功能。

系統(tǒng)總線

ISA總線：IBM公司1984年為推出PC/AT機而建立的系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)，所以也叫AT總線。它是對XT總線的擴展，以適應(yīng)8/16位數(shù)據(jù)總線要求。它在80286至80486時代應(yīng)用非常廣泛，以至于現(xiàn)在奔騰機中還保留有ISA總線插槽。ISA總線有98只引腳。

EISA總線：EISA總線是1988年由Compaq等9家公司聯(lián)合推出的總線標(biāo)準(zhǔn)。它是在ISA總線的基礎(chǔ)上使用雙層插座，在原來ISA總線的98條信號線上又增加了98條信號線，也就是在兩條ISA信號線之間添加一條EISA信號線。在實用中，EISA總線完全兼容ISA總線信號。

VESA總線：1992年由60家附件卡制造商聯(lián)合推出的一種局部總線，簡稱為VL（VESAlocalbus）總線。它的推出為微機系統(tǒng)總線體系結(jié)構(gòu)的革新奠定了基礎(chǔ)。

該總線系統(tǒng)考慮到CPU與主存和Cache的直接相連，通常把這部分總線稱為CPU總線或主總線，其他設(shè)備通過VL總線與CPU總線相連，所以VL總線被稱為局部總線。

它定義了32位數(shù)據(jù)線，且可通過擴展槽擴展到64位，使用33MHz時鐘頻率，最大傳輸率達(dá)132MB/s，可與CPU同步工作。是一種高速、高效的局部總線，可支持386SX、386DX、486SX、486DX及奔騰微處理器。

PCI總線：當(dāng)前最流行的總線之一，它是由Intel公司推出的一種局部總線。它定義了32位數(shù)據(jù)總線，且可擴展為64位。PCI總線主板插槽的體積比原ISA總線插槽還小，其功能比VESA、ISA有極大的改善，支持突發(fā)讀寫操作，最大傳輸速率可達(dá)132MB/s，可同時支持多組外圍設(shè)備。PCI局部總線不能兼容現(xiàn)有的ISA、EISA、MCA（microchannelarchitecture）總線，但它不受制于處理器，是基于奔騰等新一代微處理器而發(fā)展的總線。

外部總線

RS-232-C總線：RS-232-C是美國電子工業(yè)協(xié)會EIA制定的一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)。RS是英文“推薦標(biāo)準(zhǔn)”的縮寫，232為標(biāo)識號，C表示修改次數(shù)。RS-232-C總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)有25條信號線，包括一個主通道和一個輔助通道，在多數(shù)情況下主要使用主通道，對于一般雙工通信，僅需幾條信號線就可實現(xiàn)，如一條發(fā)送線、一條接收線及一條地線。RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸速率為每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。

RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，驅(qū)動器允許有2500pF的電容負(fù)載，通信距離將受此電容限制，例如，采用150pF/m的通信電纜時，最大通信距離為15m；若每米電纜的電容量減小，通信距離可以增加。傳輸距離短的另一原因是RS-232屬單端信號傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題，因此一般用于20m以內(nèi)的通信。

RS-485總線：在要求通信距離為幾十米到上千米時，廣泛采用RS-485串行總線標(biāo)準(zhǔn)。RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測低至200mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復(fù)。

RS-485采用半雙工工作方式，任何時候只能有一點處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號加以控制。RS-485用于多點互連時非常方便，可以省掉許多信號線。應(yīng)用RS-485可以聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)，其允許最多并聯(lián)32臺驅(qū)動器和32臺接收器。

IEEE-488總線：IEEE-488總線用來連接系統(tǒng)，如微計算機、數(shù)字電壓表、數(shù)碼顯示器等設(shè)備及其他儀器儀表均可用IEEE-488總線裝配起來。它按照位并行、字節(jié)串行雙向異步方式傳輸信號，連接方式為總線方式，儀器設(shè)備直接并聯(lián)于總線上而不需中介單元，但總線上最多可連接15臺設(shè)備。最大傳輸距離為20米，信號傳輸速度一般為500KB/s，最大傳輸速度為1MB/s。

USB總線：通用串行總線USB是由Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、NorthernTelecom等7家世界著名的計算機和通信公司共同推出的一種新型接口標(biāo)準(zhǔn)。它基于通用連接技術(shù)，實現(xiàn)外設(shè)的簡單快速連接，達(dá)到方便用戶、降低成本、擴展PC連接外設(shè)范圍的目的。它可以為外設(shè)提供電源，而不像普通的使用串、并口的設(shè)備需要單獨的供電系統(tǒng)。

另外，汽車電子最近這么火，筆者想談一下汽車網(wǎng)絡(luò)中的LIN與CAN總線：

早在1983年，博世公司開始開發(fā)控制器局域網(wǎng)（CAN）總線，并且在1986年正式發(fā)布相關(guān)協(xié)議。目前有多種不同汽車總線標(biāo)準(zhǔn)，但是CAN仍然是最流行的標(biāo)準(zhǔn)。在CAN網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點（源于不同的ECU）都擔(dān)當(dāng)主節(jié)點（即，不存在主從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)），而且并不分配具體地址。而是由消息攜帶標(biāo)識符。

在給定時間，多個節(jié)點可以同時向CAN總線發(fā)送數(shù)據(jù)。然后由消息標(biāo)識符幫助確定消息的優(yōu)先級。最高優(yōu)先級的消息會使CAN總線進(jìn)入顯性狀態(tài)，而所有其他節(jié)點會停止發(fā)送。這些節(jié)點實際上是收發(fā)器，除發(fā)送消息之外，其可以根據(jù)特定功能從總線查找特定消息。因此，CAN總線所連接的不同節(jié)點之間會出現(xiàn)信息流。

由于CAN會進(jìn)行填充錯誤、誤碼、校驗和錯誤、誤幀以及應(yīng)答錯誤等多項錯誤檢查， 因此具有高可靠性。CAN支持高達(dá)1Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，從而成為連接汽車關(guān)鍵功能ECU（如：變速箱、溫度傳感器等）的默認(rèn)選擇。

LIN與CAN的區(qū)別

汽車電子的作用并非僅僅局限于這些關(guān)鍵單元。車身電子市場多年來一直在增長。典型車身控制應(yīng)用包括座椅、車窗、智能雨刷以及汽車空調(diào)傳感器等。對車身電子的關(guān)鍵要求是確保汽車更舒適、更安全。盡管這些系統(tǒng)可能不要求像關(guān)鍵ECU那樣的高安全性，但是它們?nèi)匀恍枰欢ǖ钠嚲W(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)。

LIN與CAN對比，實現(xiàn)CAN比實現(xiàn)LIN的成本高。導(dǎo)致CAN成本更高的因素包括：

• CAN網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都需要時鐘發(fā)生器或晶體；
• CAN的芯片級實現(xiàn)起來更復(fù)雜；
• 采用雙線傳輸。

以上就是各類總線大全了，希望對工程師們有些幫助。