嵌入式系统常用接口规范

一、引言

嵌入式系统的硬件除了核心的微处理器之外就是外围器件和接口。接口技术在嵌入式系统设计处于如此重要的位置，是嵌入式系统设计师硬件部分的重要考试范围。目前嵌入式系统中的接口五花百门，每个接口都可以写成一本厚厚的书。面对内容如此之多，范围如此之广的考试部分，应该怎么样去复习呢?我的指导思想是，把握好每种接口技术的最基本概念，理解透每个接口的最基本工作原理。

二、接口技术汇总

1. Flash存储器

(1)Flash存储器是一种非易失性存储器，根据结构的不同可以将其分为NOR Flash和NAND Flash两种。

(3)NOR Flash的特点：应用程序可以直接在闪存内运行，不需要再把代码读到系统RAM中运行。NOR Flash的传输效率很高，在1MB~4MB的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。

(4)NAND Flash的特点：能够提高极高的密度单元，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度也很快，这也是为何所有的U盘都使用NAND Flash作为存储介质的原因。应用NAND Flash的困难在于闪存需要特殊的系统接口。

(5)NOR Flash与NAND Flash的区别：

A、NOR Flash的读速度比NAND Flash稍快一些。

B、NAND Flash的擦除和写入速度比NOR Flash快很多。

C、NAND Flash的随机读取能力差，适合大量数据的连续读取。

D、NOR Flash带有SRAM接口，有足够的地址引进来寻址，可以很容易地存取其内部的每一个字节。NAND Flash的地址、数据和命令共用8位总线(有写公司的产品使用16位)，每次读写都要使用复杂的I/O接口串行地存取数据。

E、NOR Flash的容量一般较小，通常在1MB~8MB之间;NAND Flash只用在8MB以上的产品中。因此，NOR Flash只要应用在代码存储介质中，NAND Flash适用于资料存储。

4、GPIO原理与结构

GPIO是I/O的最基本形式，它是一组输入引脚或输出引脚。有些GPIO引脚能够加以编程改变工作方向，通常有两个控制寄存器：数据寄存器和数据方向寄存器。数据方向寄存器设置端口的方向。如果将引脚设置为输出，那么数据寄存器将控制着该引脚状态。若将引脚设置为输入，则此输入引脚的状态由引脚上的逻辑电路层来实现对它的控制。

5、A/D接口

(1)A/D转换器是把电模拟量转换为数字量的电路。实现A/D转换的方法有很多，常用的方法有计数法、双积分法和逐次逼进法。

(5)A/D转换的重要指标

A、分辨率：反映A/D转换器对输入微小变化响应的能力，通常用数字输出最低位(LSB)所对应的模拟电压的电平值表示。n位A/D转换器能反映1/2n满量程的模拟输入电平。

B、量程：所能转换的模拟输入电压范围，分为单极性和双极性两种类型。

C、转换时间：完成一次A/D转换所需要的时间，其倒数为转换速率。

D、精度：精度与分辨率是两个不同的概念，即使分辨率很高，也可能由于温漂、线性度等原因使其精度不够高。精度有绝对精度和相对精度两种表示方法。通常用数字量的最低有效位LSB的分数值来表示绝对精度，用其模拟电压满量程的百分比来表示相对精度。

例如，满量程10V，10位A/D芯片，若其绝对精度为±1/2LSB，则其最小有效位LSB的量化单位为：10/1024=9.77mv，其绝对精度为9.77mv/2=4.88mv，相对精度为：0.048%。

6、D/A接口基本

(1)D/A转换器使将数字量转换为模拟量。

(2)在集成电路中，通常采用T型网络实现将数字量转换为模拟电流，再由运算放大器将模拟电路转换为模拟电压。进行D/A转换实际上需要上面的两个环节。关于T型电阻解码网络和D/A转换具体原理参考《教程》的159页。

(3)D/A转换器的分类：

A、电压输出型：常作为高速D/A转换器。

B、电流输出型：一般外接运算放大器使用。

C、乘算型：可用作调制器和使输入信号数字化地衰减。

(4)D/A转换器的主要指标：分辨率、建立时间、线性度、转换精度、温度系数。

7、键盘接口

(1)键盘的两种形式：线性键盘和矩阵键盘。

(2)识别键盘上的闭合键通常有两种方法：行扫描法和行反转法。

(3)行扫描法是矩阵键盘按键常用的识别方法，此方法分为两步进行：

A、识别键盘哪一列的键被按下：让所有行线均为低电平，查询各列线电平是否为低，如果有列线为低，则说明该列有按键被按下，否则说明无按键按下。

B、如果某列有按键按下，识别键盘是哪一行按下：逐行置低电平，并置其余各行为高电平，查询各列的变化，如果列电平变为低电平，则可确定此行此列交叉点处按键被按下。

8、显示接口

(1)LCD的基本原理是，通过给不同的液晶单元供电，控制其光线的通过与否，从而达到显示的目的。

(2)LCD的光源提供方式有两种：投射式和反射式。笔记本电脑的LCD显示器为投射式，屏的背后有一个光源，因此外界环境可以不需要光源。一般微控制器上使用的LCD为反射式，需要外界提供电源，靠反射光来工作。电致发光(EL)是液晶屏提供光源的一种方式。

(3)按照液晶驱动方式分类，常见的LCD可以分为三类：扭转向列类(TN)、超扭曲向列型(STN)和薄膜晶体管型(TFT)。

(4)市面上出售的LCD有两种类型：带有驱动电路的LCD显示模块，只要总线方式驱动;没有驱动电路的LCD显示器，使用控制器扫描方式。

(5)通常，LCD控制器工作的时候，通过DMA请求总线，直接通过SDRAM控制器读取SDRAM中指定地址(显示缓冲区)的数据，此数据经过LCD控制器转换成液晶屏扫描数据格式，直接驱动液晶显示器。

(6)VGA接口本质上是一个模拟接口，一般都采用统一的15引脚接口，包括2个NC信号、3根显示器数据总线、5个GND信号、3个RGB色彩分量、1个行同步信号和1个场同步信号。其色彩分量采用的电平标准为EIA定义的RS343标准。

9、触摸屏接口

(1)按工作原理分，触摸屏可以分为：表面声波屏、电容屏、电阻屏和红外屏几种。

(2)触摸屏的控制采用专业芯片，例如ADS7843。

10、音频接口

(1)基本原理：麦克风输入的数据经音频编解码器解码完成A/D转换，解码后的音频数据通过音频控制器送入DSP或CPU进行相应的处理，然后数据经音频控制器发送给音频编码器，经编码D/A转换后由扬声器输出。[!--empirenews.page--]

(2)数字音频的格式有多种，最常用的是下面三种：

A、采用数字音频(PCM)：是CD或DVD采用的数据格式。其采样频率为44.1kHz。精度为16位时，PCM音频数据速率为1.41Mb/s;精度为32位时为2.42 Mb/s。一张700MB的CD可以保存大约60分钟的16位PCM数据格式的音乐。

B、MPEG层3音频(MP3)：MP3播放器采用的音频格式。立体声MP3数据速率为112kb/s至128kb/s。

C、ATSC数字音频压缩标准(AC3)：数字TV、HDTV和电影数字音频编码标准，立体声AC3编码后的数据速率为192kb/s。

(3)IIS是音频数据的编码或解码常用的串行音频数字接口。IIS总线只处理声音数据，其他控制信号等则需要单独传输。IIS使用了3根串行总线：数据线SD、字段选择线WS、时钟信号线SCK。

11、串行接口

(1)串行通信是指，使数据一位一位地进行传输而实现的通信。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;缺点使速度慢。

(2)串行数据传送有3种基本的通信模式：单工、半双工、全双工。

(3)串行通信在信息格式上可以分为2种方式：同步通信和异步通信。

A、异步传输：把每个字符当作独立的信息来传输，并按照一固定且预定的时序传送，但在字符之间却取决于字符与字符的任意时序。异步通信时，字符是一帧一帧传送的，每帧字符的传送靠起始位来同步。一帧数据的各个代码间间隔是固定的，而相邻两帧数据其时间间隔是不固定的。

B、同步传输：同步方式不仅在字符之间是同步的，而且在字符与字符之间的时序仍然是同步的，即同步方式是将许多字符聚集成一字符块后，在每块信息之前要加上1～2个同步字符，字符块之后再加入适当的错误检测数据才传送出去。

(5)RS-232C的电气特性：负逻辑。

A、在TxD和RxD上：逻辑1为-3V～-15V，逻辑0为3V～15V。

(6)TTL标准与RS-232C标准之间的电平转换利用集成芯片RS232实现。

(7)RS-422串行通信接口

A、RS-422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范，传输速率可达10Mb/s。

B、RS-422采用差分传输方式，也称做平衡传输，使用一对双绞线。

C、RS-422需要一终端电阻，要求其阻值约等于传输电缆的特性阻抗。

12、并行接口

(1)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，所以又称打印口。

(2)并行接口可以分为SPP(标准并口)、EPP(增强型并口)和ECP(扩展型并口)。

(3)并行总线分为标准和非标准两类。常用的并行标准总线有IEEE 488总线和ANSI SCSI总线。MXI总线是一种高性能非标准的通用多用户并行总线。

13、PCI接口

(1)PCI总线是地址、数据多路复用的高性能32位和64位总线，是微处理器与外围控制部件、外围附加板之间的互连机构。

(2)从数据宽度上看，PCI定义了32位数据总线，且可扩展为64位。从总线速度上分，有33MHz和66MHz两种。

(3)与ISA总线相比，PCI总线的地址总线与数据总线分时复用，支持即插即用、中断共享等功能。

14、USB接口

(1)USB总线的主要特点：

A、使用简单，即插即用。

B、每个USB系统中都有主机，这个USB网络中最多可以连接127个设备。

C、应用范围广，支持多个设备同时操作。

D、低成本的电缆和连接器，使用统一的4引脚插头。

E、较强的纠错能力。

F、较低的协议开销带来了高的总线性能，且适合于低成本外设的开发。

G、支持主机与设备之间的多数据流和多消息流传输，且支持同步和异步传输类型。

H、总线供电，能为设备提供5V/100mA的供电。

(2)USB系统由3部分来描述：USB主机、USB设备和USB互连。

(3)USB总线支持的数据传输率有3种：高速信令位传输率为480Mb/s;全速信令位传输率为12Mb/s;全速信令位传输率为1.5Mb/s。

(4)USB总线电缆有4根线：一对双绞信号线和一对电源线。

(5)USB是一种查询总线，由主控制器启动所有的数据传输。USB上所挂接的外设通过由主机调度的、基于令牌的协议来共享USB带宽。

9)USB设备最大的特点是即插即用。

(10)工作原理：USB设备插入USB端点时，主机都通过默认地址0与设备的端点0进行通信。在这个过程中，主机发出一系列试图得到描述符的标准请求，通过这些请求，主机得到所有感兴趣的设备信息，从而知道了设备的情况以及该如何与设备通信。随后主机通过发出Set Address请求为设备设置一个唯一的地址。以后主机就通过为设备设置好的地址与设备通信，而不再使用默认地址0。

15、SPI接口

(1)SPI是一个同步协议接口，所有的传输都参照一个共同的时钟，这个同步时钟有主机产生，接收数据的外设使用时钟来对串行比特流的接收进行同步化。

(2)在多个设备连接到主机的同一个SPI接口时，主机通过从设备的片选引脚来选择。

(3)SPI主要使用4个信号：主机输出/从机输入(MOSI)，主机输入/从机输出(MISO)、串行时钟SCLK和外设片选CS。

(4)主机和外设都包含一个串行移位寄存器，主机通过向它的SPI串行寄存器写入一个字节来发起一次数据传输。寄存器通过MOSI信号线将字节传送给外设，外设也将自己移位寄存器中的内容通过MISO信号线返回给主机，这样，两个移位寄存器中的内容就被交换了。

(5)外设的写操作和读操作时同步完成的，因此SPI成为一个很有效的协议。

(6)如果只是进行写操作，主机只需忽略收到的字节;反过来，如果主机要读取外设的一个字节，就必须发送一个空字节来引发从机的传输。

16、IIC接口

(1)IIC总线是具备总线仲裁和高低速设备同步等功能的高性能多主机总线。

(2)IIC总线上需要两条线：串行数据线SDA和串行时钟线SCL。

(3)总线上的每个器件都有唯一的地址以供识别，而且各器件都可以作为一个发送器或者接收器(由器件的功能决定)。

(4)IIC总线有4种操作模式：主发送、主接收、从发送、从接收。

(5)IIC在传送数据过程中共有3种类型信号：

A、开始信号：SCL为低电平时，SDA由高向低跳变。[!--empirenews.page--]

B、结束信号：SCL为低电平时，SDA由低向高跳变。

C、应答信号：接收方在收到8位数据后，在第9个脉冲向发送方发出特点的低电平。

(6)主器件发送一个开始信号后，它还会立即送出一个从地址，来通知将与它进行数据通信的从器件。1个字节的地址包括7位地址信息和1位传输方向指示位，如果第7位为0，表示要进行一个写操作，如果为1，表示要进行一个读操作。

(9)IIC总线的工作过程：SDA和SCL都是双向的。空闲的时候，SDA和SCL都是高电平，只有SDA变为低电平，接着SCL再变为低电平，IIC 总线的数据传输才开始。SDA线上被传输的每一位在SCL的上升沿被采样，该位必须一直保持有效到SCL再次变为低电平，然后SDA就在SCL再次变为高电平之前传输下一个位。最后，SCL变回高电平，接着SDA也变为高电平，表示数据传输结束。

17、以太网接口

(1)最常用的以太网协议是IEEE802.3标准。

(2)传输编码：曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。

A、曼彻斯特编码：每位中间有一个电平跳变，从高到底的跳变表示“0”，从低到高的跳变表示为“1”。

B、差分曼彻斯特编码：每位中间有一个电平跳变，利用每个码元开始时有无跳变来表示“0”或“1”，有跳变为“0”，无跳变为“1”。(详见《教程》200页)。

(3)相比之下，曼彻斯特编码编码简单，差分曼彻斯特编码提供更好的噪声抑制性能。

(4)以太网数据传输特点：

A、所有数据位的传输由低位开始，传输的位流时用曼彻斯特编码。

B、以太网是基于冲突检测的总线复用方法，由硬件自动执行。

C、传输的数据长度，目的地址DA+源地址SA+类型字段TYPE+数据段DATA+填充位PAD，最小为60B，最大为1514B。

D、通常以太网卡可以接收3种地址的数据：广播地址、多播地址、自己的地址。

E、任何两个网卡的物理地址都不一样，是世界上唯一的，网卡地址由专门机构分配。

(5)嵌入式以太网接口有两种实现方法：

A、嵌入式处理器+网卡芯片(例如：RTL8019AS、CS8900等)

B、带有以太网接口的处理器。

18、CAN总线接口

(1)CAN(Control Area Network，控制器局域网)总线是一种多主方式的串行通信总线，是国际上应用最广泛的现场总线之一，最初被用于汽车环境中的电子控制网络。一个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，实际应用中节点数据受网络硬件的电气特性所限制。

(2)总线信号使用差分电压传送。两条信号线被称为CAN_H和CAN_L，静态是均为2.5V左右，此时状态表示逻辑1，也可以叫做“隐性”。用CAN_H比CAN_L高表示逻辑0，称为“显性”，此时，通常电压值为CAN_H=3.5V和CAN_L=1.5V。

(3)当“显性”和“隐性”位同时发送的时候，最后总线数值将为“显性”这种特性为CAN总线的仲裁奠定了基础。

(4)CAN总线的一个位时间可以分成4个部分：同步段、传播时间段、相位缓冲段1和相位缓冲段2。

(5)CAN总线的数据帧有两种格式：标准格式和扩展格式。包括：帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、ACK场和帧结束。

(6)CAN总线硬件接口包括：CAN总线控制器和CAN收发器。CAN控制器主要完成时序逻辑转换等工作，例如菲利普的SJA1000。CAN收发器是CAN总线的物理层芯片，实现TTL电平到CAN总线电平特性的转换，例如TJA1050。

19、xDSL接口

(1)xDSL(数字用户线路)技术是，在现有用户电话线两侧同时接入专用的DSL调制解调设备，在用户线上利用数字数字信号高频带宽较宽的特性直接采用数字信号传输，省去中间的A/D转换，突破了模拟信号传输极限速率为56KB/s的闲置。

(2)DSL技术主要分为对称和非对称两大类。

(3)对成xDSL更适合于企业点对点连接应用，例如文件传输、视频会议等收发数据量大致相同的工作。

(4)ASDL是近年发展的另一种宽带接入技术，是利用双绞铜线向用户提供两个方向上速率不对称的宽带信息业务。

(5)ADSL在一对电话线上同时传送一路高速下行数据、一路较低速率上行数据、一路模拟电话。各信号之间采用频分复用方式占用不同频带，低频段传送话音;中间窄频带传送上行信道数据及控制信息;其余高频段传送下行信道数据、图像或高速数据。

20、WLAN接口

(1)WLAN(Wireless Local Area Network)是利用无线通信技术在一定的局部范围内建立的，是计算机网络与无线通信技术相结合的产物，它以无线多址通道作为传输媒介，提供有线局域网的功能。

(2)WLAN的标准：主要是针对物理层和媒质访问控制层(MAC层)，涉及到所有使用的无线频率范围、控制接口通信协议等技术规范与技术标准。

A、IEEE 802.11：定义了物理层和MAC层规范，工作在2.4～2.4835GHz频段，最高速率为2Mb/s，是IEEE最初制定的一个无线局域网标准。

B、IEEE 802.11b：工作在2.4～2.4835GHz频段，最高速率为11Mb/s，传输距离50～150inch。采用点对点模式和基本模式两种运行模式。在数据传输速率方面可以根据实际情况在11Mb/s、5.5Mb/s、2 Mb/s、1 Mb/s的不同速率间自动切换。

C、IEEE 802.11a：工作在5.15～8.825GHz频段，最高速率为54Mb/s/72Mb/s，传输距离10～100m。

D、IEEE 802.11g：混合标准，拥有EEE 802.11a的传输速率，安全性较EEE 802.11b好，采用两种调制方式，做到与EEE 802.11a和EEE 802.11b兼容。

(3)WLAN有两种网络类型：对等网络和基础机构网络。

21、蓝牙接口

(1)蓝牙技术的目的：使特定的移动电话、便鞋式电脑以及各种便携通信设备的主机之间近距离内实现无缝的资源共享。

(2)蓝牙技术的实质内容是要建立通用的无线空中接口及其控制软件的公开标准。其工作频段为全球通用的2.4GHz ISM(即工业、科学、医学)频段，其数据传输速率为1Mb/s，采用时分双工方案来实现全双工传输，其理想的连接范围为10cm～10m。

(3)蓝牙基带协议是电路交换和分组交换的结合。

(4)蓝牙技术特点：

A、传输距离短，工作距离在10m以内。[!--empirenews.page--]

B、采用跳频扩频技术。

C、采用时分复用多路访问技术，有效地避免了“碰撞”和“隐藏终端”等问题。

D、网络技术。

E、语言支持。

F、纠错技术，其采用的是FEC(前向纠错)方案。

(5)蓝牙接口由3大单元组成：无线单元、基带单元、链路管理与控制单元。

22、1394接口

(1)1394作为一种标准总线，可以在不同的工业设备之间架起一座沟通的桥梁，在一条总线上可以接入63个设备。

(2)IEEE 1394的特点：

A、支持多种总线速度，适应不同应用要求。

B、即插即用，支持热插拔。

C、支持同步和异步两种传输方式。

D、支持点到点通信模式，IEEE 1394是多主总线。

E、遵循ANSI IEEE 1212控制及状态寄存器(CSR)标准，定义了64位的地址空间，可寻址1024条总线的63个节点，每个节点可包含256TB的内存空间。

F、支持较远距离的传输。

G、支持公平仲裁原则，为每一种传输方式保证足够的传输带宽。

H、六线电缆具有电源线，可传输8～40V的直流电压。

(3)IEEE 1394的协议栈由3层组成：物理层、链路层和事务层，例外还有一个管理层。物理层和链路层由硬件构成，而事务层主要由软件实现。

A、物理层提供IEEE 1394的电气和机械接口，功能是重组字节流并将它们发送到目的节点上去。

B、链路层提供了给事务层确认的数据服务，包括：寻址、数据组帧和数据校验。

C、事务层为应用提供服务。

D、管理层定义了一个管理节点所使用的所有协议、服务以及进程。

23、电源接口

(1)DC-DC转换器有三种类型：

A、线性稳压器：产生较输入电压低的电压。

B、开关稳压器：能升高电压、降低电压或翻转输入电压。

C、充电泵：可以升高、降低或翻转输入电压，但电流驱动能力有限。

(3)线性稳压器输入输出使用退耦电容来过滤，电容除了有助于平稳电压以外，还有利于去除电源中的瞬间短时脉冲波形干扰。

(4)电压与功耗之间的平方关系意味着理想高效的方法是在要求较低电压的较低时钟速率上执行代码，而不是先以最高的时钟速率执行代码然后再转为空闲休眠。

(5)电源通常被认为是整个系统的“心脏”，绝大多数电子设备50%～80%的节能潜力在于电源系统，研制开发新型开关电源是节能的主要举措之一。

(6)降低功耗的设计技术：

A、采用低功耗器件，例如选用CMOS电路芯片。

B、采用高集成度专用器件，外部设备的选择也要尽量支持低功耗设计。

C、动态调整处理器的时钟频率和电压，在允许的情况下尽量使用低频率器件。

D、利用“节电”工作方式。

E、合理处理器件空余引脚：

a、大多数数字电路的输出端在输出低电平时，其功耗远远大于输出高电平时的功耗，设计时应该注意控制低电平的输出时间，闲置时使其处于高电平输出状态。

b、多余的非门、与非门的输入端应接低电平，多余的与门、或门的输入端应接高电平。

c、ROM或RAM及其他有片选信号的器件，不要将“片选”引脚直接接地，避免器件长期被接通，而应该与“读/写”信号结合，只对其进行读写操作时才选通。

F、实现电源管理，设计外部器件电源控制电路，控制“耗电大户”的供电情况。