第9章-通信协议与应用接口技术解析课件.ppt

《第9章-通信协议与应用接口技术解析课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第9章-通信协议与应用接口技术解析课件.ppt（94页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、第9章 通信协议与应用接口技术,9.1 通信协议与标准概述 9.2 通信总线及接口基本概念9.3 常用内部串行通信总线及接口9.4 常用外部通信总线及接口,9.1 通信协议与标准概述,9.1.1通信协议的概念 就协议本身而言，是指在当前的市场经济环境中各种协会团体及经济组织及人与人之间的相互约定或共同签署的相互约束的有关文本或条例等。简单的说，是指当通信实体之间彼此通讯时,所共同遵守的通讯规则与标准。这里指的通信实体指存在数据通信的各种设备及芯片。,和其它通信方式一样，在通信系统中规定一个统一的通信标准，即通信的内容是什么、如何通信、何时通信，都必须在通信的实体之间达成大家都能接受的协定，这些

2、协定就被称为通信协议。也可将协议定义为监督和管理两个实体之间的数据交换的一整套规则。概括地说，通信协议是对数据传送方式的规定，包括数据格式定义及数据位定义等。从通信系统构成通信网这一逻辑解析为不同系统中实体之间实现的信息传递与交流，要使各实体间能够相互理解、共同遵守都能接受的规则（规定、标准），我们把这些规则的集合称之为通信协议。,9.1.2通信协议的主要内容通信协议的规则主要包括了通信的各实体间要完成的各种操作（语义）和信息交换的各种格式（语法）等。通信协议有以下三个要素：1语义即需要发出何种控制信息、完成何种协议以及做出何种应答，通俗地说“讲什么”；2语法即数据与控制信息的结构或格式等，即

3、“怎么讲”；3同步规定事件实现顺序的详细说明，即确定通信状态的变化和过程，如通信双方的应答关系，即“顺序速度控制”。,9.1.3通信标准化组织简介,通信标准与通信协议密切相关，在通信协议下会产生各种通信制式或标准。然而，这些通信协议、制式、标准又是由国际的、地区的或国家的相关组织来制定的。当前国际通信标准化组织主要有：国际电信联盟（ITU）、美国电器和电子工程协会（IEEE）、美国电子工业协会（EIA）、国际标准化组织（ISO）和国际电工委员会（IEC）等。,国际电信联盟(ITU)-International Telecommunications Union,ITU是世界各国政府的电信主管部门

4、之间协调电信事务方面的一个国际组织，成立于1865年5月17日。由电信标准部门（TSS）、无线电通信部门（RS）和电信发展部门（TDS）组成。其中TSS它主要由CCITT、CCIR中从事标准化工作的部门合并组成，其主要职责是完成电信联盟有关电信标准方面的目标，包括研究电信技术、操作和资费等问题，并就这类问题提出建议，以使全世界的电信标准化。,2.美国电器和电子工程协会（IEEE）-Institute of Electrical and Electronic Engineers,IEEE是一个非营利性科技学会，拥有全球近175个国家三十六万多名会员。透过多元化的会员，该组织在太空、计算机、电信、

5、生物医学、电力及消费性电子产品等领域中都是主要的权威。在电气及电子工程、计算机及控制技术领域中，IEEE 发表的文献占了全球将近百分之三十。IEEE每年也会主办或协办三百多项技术会议。它定制的标准有数百种之多，如IEEE 802.2、IEEE 802.3、IEEE 802.11。,3.美国电子工业协会（EIA）-Electronic Industries Association,EIA美国电子工业协会创建于1924年，当时名为无线电制造商协会（RMA Radio Manufacturers Association）EIA主要制定各种电子元器件的电气性能、规格尺寸、连接方法、测试方法等标准及制定

6、数据通信终端（DCE）连接接口标准，如EIA-3系列及EIA-4系列标准。以及电子设备的封装规范等数百个标准。,4.国际标准化组织（ISO）-International Organization for Standardization,ISO成立于1946年，是世界上最大的国际性标准化专门机构，是一个全球性的非政府组织，专门从事编制和宣传工业和贸易技术标准的组织。此标准化组织的工作领域很广，包括了农业、石油工业、矿业、环境保护、信息处理等。在通信技术方面它主要制定了开放系统互连标准，提出了一系列的信息处理标准、信息处理系统及数据通信的有关标准，以及ISO信息技术标准，以及信息交换、局域网及各种

7、互连业务的若干标准。,5国际电工委员会（IEC）-International Electrotechnical Commission,IEC成立于1906年，是世界上最早的国际性电工标准化机构，总部设在日内瓦。IEC负责有关电工、电子领域的国际标准化工作，其他领域则由ISO负责。IEC的宗旨是促进电工、电子领域中标准化及有关方面问题的国际合作，增进相互了解。工作领域包括了电力、电子、电信和原子能方面的电工技术。现已制订国际电工标准3000多个。,通信的标准很多，很复杂。通信协议包括软件协议和硬件协议，软件协议主要是通过协议栈来实现，硬件协议具体体现在通信设备接口和通信总线。各种通信设备间及设备

8、内外设间的通信，必须采用符合相应的通信协议或标准的接口或总线协议才能正常通信。因此本章就常用的一些工业控制、计算机通信等方面的总线协议及接口进行简单介绍,9.2 通信总线及接口基本概念,9.2.1通信总线接口概述一个设备中的微处理器要和外围芯片设备以及设备之间都存在通信，首先需确立通信协议，按照统一的电气标准，然后通过通信介质进行交互数据。为了简化硬件电路设计、简化系统结构，常用一组线路，配置以适当的接口电路，与各部件和外围设备连接，这组共用的连接线路被称为总线。通信总线和接口是各种电气设备通信的基础，因此，要实现不同设备之间的正常通信，必须有通信总线和接口。,通信方式按照连接方式可分为有线通

9、信和无线通信。按照数据传送方式可分为并行通信和串行通信，相应的通信总线被称为并行总线和串行总线。不管是按照什么方式来分其数据传输都是按并行或串行通信的方式来进行的。,9.2.2 并行通信,并行通信传输中有多个数据位，同时在两个设备之间传输。通信速度快，但用的通信线多、成本高。,图9.1 并行数据数据传输,9.2.3 串行通信,串行数据传输时，数据是一次一位地在通信线上传输的。,图9.2 串行数据数据传输,串行数据通信的方向性结构有三种，即单工、半双工和全双工。,图9.3 串行数据通信的方向性结构,串行通信可以分为同步通信和异步通信两类。同步通信是按照软件识别同步字符来实现数据的发送和接收，异步

10、通信是一种利用字符的再同步技术的通信方式。1同步通信同步通信是一种连续串行传送数据的通信方式，一次通信只传送一帧信息。这里的信息帧与异步通信中的字符帧不同，通常含有若干个数据字符。它们均由同步字符、数据字符和校验字符（CRC）组成。,2异步通信异步通信中，在异步通行中有两个比较重要的指标：字符帧格式和波特率。数据通常以字符或者字节为单位组成字符帧传送。发送端和接收端可以由各自的时钟来控制数据的发送和接收，这两个时钟源彼此独立，互不同步。,9.2.4 串行通信和并行通信的发展,从技术发展的情况来看，串行传输方式大有彻底取代并行传输方式的势头。1并行传输技术遭遇发展困境由于并行传送方式的前提是用同

11、一时序传播信号，用同一时序接收信号，而过分提升时钟频率将难以让数据传送的时序与时钟合拍，布线长度稍有差异，数据就会以与时钟不同的时序送达。提升时钟频率还容易引起信号线间的相互干扰。因此，并行方式难以实现高速化。,2差分信号技术的应用实现了信号串行高速传输随着总线频率的提高，所有信号传输都遇到了同样的问题：线路间的电磁干扰越厉害，数据传输失败的发生几率就越高，传统的单端信号传输技术无法适应高速总线的需要。差分信号技术就开始在各种高速总线中得到应用，在差动传输模式下，共模干扰被磁芯抵消，但不会产生额外的线路阻抗。,单端/差分信号传输比较,a）单端信号传输 b）差分信号传输,差分传输技术不仅突破了速

12、度瓶颈，而且使用小型连接可以节约空间。近年来，除了USB和FireWire（IEEE1394），还涌现出很多以差分信号传输为特点的串行连接标准，几乎覆盖了主板总线和外部I/O端口，呈现出从并行整体转移到新串行时代的大趋势。,9.3 常用内部串行通信总线及接口,为了尽量减少总线接口和布线，产生了一些专用于板级通信的串行总线，如SPI、I2C、UART等。这些串行通信总线及接口的共同特点有：通信协议标准化，接口具有较好的通用性；通信距离短，主要用于CPU外围芯片设备；通信速率低，一般低于10Mbps；占用CPU总线少，接口简单；连接方便，不需要特别电路，一般可通过芯片引脚直接连接。,9.3.1 S

13、PI总线及接口,1.SPI总线接口概述SPI(Serial Parallel Bus)总线是Motorola公司提出的一个同步串行外设接口，允许CPU 与各种外围接口器件以串行方式进行通信、交换信息。SPI接口主要用于中央处理器和外围低速器件之间进行同步串行数据传输，可以实现全双工通信，其数据出数速度总体来说要比I2C总线要快，速度可以达到几Mbps。,2.SPI硬件结构及总线特点SPI接口在主设备产生的从器件使能信号和移位时钟信号的同步作用下，按位传输。SPI总线接口包括以下4根信号线：SCLK串行时钟信号，由主控制器产生；MISO主设备输入/从设备输出线；MOSI主设备输出/从设备输入线；

14、/SS从设备低电平有效的使能信号线，由主设备产生。,SPI总线结构特点：(1)连线较少，简化电路设计。(2)器件统一编址，并与系统地址无关，操作SPI独立性好。(3)器件操作遵循统一的规范，使系统软硬件具有良好的通用性。,图9.7 SPI总线主从设备结构,3SPI总线通信协议SPI总线通信过程主要是在串行同步时钟SCK的控制下，两个双向移位寄存器进行数据交换。,图9.8 SPI总线四种工作方式,SPI 模块为了和外设进行数据交换，根据外设工作要求，其输出串行同步时钟极性和相位可以进行配置，时钟极性（CPOL）对传输协议没有重大的影响。,a）CPHA=0时SPI总线数据传输时序,如果CPHA=0

15、，在串行同步时钟的第一个跳变沿（上升或下降）数据被采样；,b）CPHA=1时SPI总线数据传输时序,如果CPHA=1，在串行同步时钟的第二个跳变沿（上升或下降）数据被采样。,4SPI总线主要应用SPI总线设备具有可以同时发出和接收串行数据、可以当作主设备或从设备工作、提供频率可编程时钟、发送结束中断标志、写冲突保护、总线竞争保护等特点，被广泛应用于微型计算机系统中连接不同的板上设备，如：EEPROM、A/D转换器、D/A转换器、TC(Real Time Clock)、LCD、多媒体卡、SD内存卡等。,9.3.2 I2C总线及接口,I2C(Inter-Integrated Circuit芯片间电

16、路接口)总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。,1I2C总线的特征 只要求两条总线线路一条串行数据线SDA，一条串行时钟线SCL；每个连接到总线的器件都可以通过唯一的地址和一直存在的简单的主机从机关系软件设定地址，主机可以作为主机发送器或主机接收器；它是一个真正的多主机总线，如果两个或更多主机同时初始化数据传输可以通过冲突检测和仲裁防止数据被破坏；串行的8位双向数据传输位速率在标准模式下可达100kb/s，快速模式下可达400kb/s，高速模式下可达3.4Mb/s；片上的滤波器可以滤去总线数据线上的毛刺波保证数据完整；连接到相同总线的IC数量只受到总

17、线的最大电容400pF限制。,2I2C总线硬件结构及数据传输,图9.10 I2C总线结构,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。所以每个电路和模块都有唯一的地址，CPU发出的控制信号分为地址码和控制量两部分,传输数据的过程如下a主器件要发送信息到从器件主器件寻址从器件主器件发送器发送数据到从器件接收器主器件终止传输b如果主器件想从器件接收信息主器件寻址从器件主器件接收器从器件发送器接收数据主器件终止传输,3.I2C总线通信协议I2C总线在传送数据过程中共有三种类型信号，它们分别是：开始信号、结束信号和应答信号。开始信号：SCL为高电平时

18、，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。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。,对于7位地址的数据传输合法的数据传输格式如图9.12所示，在I2C总线传输过程中，将两种特定的情况定义为开始和停止条件（如图9.11）：当SCL保持“高”，SDA由“高”变为“低”时为开始条件；SCL保持“高”，SDA由“低”变为“高”是为停止条件。,图9.12 I2C总线7位地址的数据传输格式,4.I2C总线的分类标准模式规定数据传输速率可高达100kb/s，快速模式位速率高达

19、400kb/s，快速模式器件向下兼容 高速模式Hs模式位速率高达3.4Mb/s，完全向下兼容快速模式或标准模式（F/S 模式）10 位寻址允许使用高达1024个额外的从机地址。10位寻址和7位寻址兼容，7位与10位的低至编码可以用在同一总线上，并可以任意应用于标准模式、快速模式以及高速模式中,5I2C总线的应用场合 使用I2C设计计算机系统十分方便、灵活、体积也小，在各类实际应用中得到广泛应用。许多IC芯片支持该总线接口：如EEPROMS、Flash、一些 RAM、实时时钟芯片、看门狗、微控制器。,9.3.3 UART异步串行通信接口,1异步串行通信概述异步串行通信被广泛应用于微计算机系统和嵌

20、入式设备中，主要采用UART（Universal Asynchronous Receiver and Transmitter，通用异步收发器）接口。异步串行通信包括了RS232、RS499、RS423、RS422和RS485等物理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异步串行通信协议异步串行通信协议包括起始位、数据位、奇偶校验位、停止位。常用的波特率为50，95，110，150，300，60

21、0，1200，2400，4800，9600，115200等。,图9.13 异步串行通信字符的传送格式,接收方按约定的格式接收数据，并进行检查，一般可以查出以下三种错误：1）奇偶错：在约定奇偶检查的情况下，接收到的字符奇偶状态和约定不符。2）帧格式错：一个字符从起始位到停止位的总位数不对。3）溢出错：若先接收的字符尚未被微机读取，后面的字符又传送过来，则产生溢出错。每一种错误都会给出相应的出错信息，提示用户处理。,3异步串行通信接口定义一般UART接口定义四根引脚，分别如下：1）RxD（Receive Data）数据接收引脚，用于串行通信数据接收；2）TxD（Transmit Data）数据发送

22、引脚，用于串行通信数据发送；3）RTS（Request to Send）请求数据发送引脚，用于标明接收设备有没有准备好接收数据，即当终端要发送数据时，使该信号有效；4）CTS（Clear to Send）允许数据发送引脚，用于CTS来起动和暂停来自计算机的数据流，用来表示从设备准备好接收主设备发来的数据，是对请求发送信号RTS的响应信号。,UART设备要进行正常的通信，必须将一个设备的TxD引脚和另一个设备的RxD引脚相连，如图9.14所示。,图9.14 UART通信接口连接示意图,4异步串行通信的应用由于异步串行通信具有接口统一、连接方便等优点，被广泛应用于计算机设备的模块扩展（如GPS模块

23、、蓝牙通信模块、GSM等）和通信（如调制解调器）。,9.4常用外部通信总线及接口,9.4.1异步串行总线及接口 RS-232C是由美国电子工业协会(EIA)正式分布的串行总线标准。为了提高数据传输率和通讯距离，EIA又分布了RS-449、RS-442/423/485串行总线接口标准。,1.RS-232C串行总线接口RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的种串行接口。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-C定义包括以下几个方面：接口的机械特性；电气信号特征；交换功能特性。,电气特性驱动器上的负载电容不超过2500pF。驱动器上的负载电阻在3000欧-

24、7000欧之间。在指定负载下，数据信号传输率(或波特率)低于2000bps。相对于信号地线，RS-232-C线的最高电压不超过15v驱动器能产生+5+15v(逻辑0)和-5-15v(逻辑1)的电压。输入端能接收+5+15v(逻辑0)和-5-15v(逻辑1)的信号。,（2）物理接口定义 连接器：由于RS-232C并未定义连接器的物理特性，因此，出现了DB-25、DB-15和DB-9各种类型的连接器，其引脚的定义也各不相同，现在常用DB-9连接器，其接口定义 见表9-1。,图9.15 RS-232C接口外形及信号线分配,2RS-422串行总线接口RS-422由RS-232发展而来。为改进RS-23

25、2通信距离短、速度低的缺点，RS-422定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到10Mbps，允许在一条平衡总线上连接最多10个接收器。RS-422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范。RS-422的数据信号采用差分传输方式，也称作做平衡传输。,它使用一对双绞线进行数据传输，将其中一线定义为A，另一线定义为B，如图9.16所示，驱动器能产生+2-+6v(逻辑0)和-2-6v(逻辑1)。,图9.16 RS-422电气特性,图9.17 a）是其DB9连接器引脚定义，图9.17 b）是典型的RS-422四线接口。实际上还有一根信号地线，共5根线。,a）RS-422 DB9连接器引脚定义 b）

26、RS-422四线接口电路图9.17 RS-422电气特性,RS-422的最大传输距离为4000英尺（约1219米），最大传输速率为10Mb/s。其平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能达到最大传输距离。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为1Mb/s。,3RS-485串行总线接口为扩展应用范围，EIA在RS-422的基础上制定了RS-485标准，增加了多点、双向通信能力，通常在要求通信距离为几十米至上千米时，广泛采用R5-485收发器。RS-485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

27、成差分信号输出；在接收端，接收器将差分信号变成TTL电平，因此具有抑制共模干扰的能力，加上接收器具有高的灵敏度，能检测低达200mV的电压，故数据传输可达千米以外。与RS-422一样只能实现点对多的通信，即只能有一个主(Master)设备，其余为从设备，但它比RS-422有所改进。无论四线还是二线连接方式总线上都可连接多达32个设备。,RS-485与RS-422的共模输出电压是不同的。RS-485共模输出电压在-7V至+12V之间，而RS-422在-7V至+7V之间，RS-485接收器最小输入阻抗为12千欧；RS-422是4千欧；RS-485满足所有RS-422的规范，所以RS-485的驱动器

28、可以在RS-422网络中应用，但RS-422的驱动器并不完全适用于RS-485网络。,9.4.2 USB接口,1USB概述USB是Universal Serial Bus 的缩写，由Intel公司提出，由 Compaq、Digital、IBM、Intel、Microsoft、NEC、Northern Telecom 联合推出，目标就是使不同厂家所生产的设备可以在一个开放的体系下广泛地使用。,USB的设计主要遵循以下几个准则：易于扩充多个外围设备；价格低廉，且支持480M比特率的数据传输；对声音音频和压缩视频等实时数据的充分支持；协议灵活，综合了同步和异步数据传输；兼容了不同设备的技术：综合了不

29、同PC机的结构和体系特点：提供一个标准接口，广泛接纳各种设备；赋予PC机新的功能，使之可以接纳许多新设备,2USB的电气特性USB传送信号和电源是通过一种四线的电缆，中的两根线是用于发送信号。,图9.18 USB电缆,USB有3种模式：低速、全速、高速。各种模式的特性及应用范围参见表9-2。,表9-2 USB的特性及应用范围,3USB的体系结构一个USB系统主要被定义为三个部分：USB的互连；USB的主机；USB的设备。,（1）USB互连 USB的互连是指USB设备与主机之间进行连接和通信的操作，主要包括以下几方面：总线的拓扑结构：USB设备与主机之间的各种连接方式；内部层次关系：根据性能叠置

30、，USB的任务被分配到系统的每一个层次；数据流模式；描述了数据在系统中通过USB从产生方到使用方的流动方式；USB的调度：USB提供了一个共享的连接。对可以使用的连接进行了调度以支持同步数,图9.19 USB的拓扑结构,（2）USB主机 在USB总线中只有一个主机。USB总线与计算机主机系统的接口部分就是主机控制器，它可被看做一个硬件、固件和软件的结合体。主机系统中集成了一个根hub来提供一个或多个连接点。USB的主机的主要作用：检测USB设备的安装和拆卸；管理在主机和USB设备之间的控制流；管理在主机和USB设备之间的数据流；收集状态和动作信息；提供能量给连接的USB设备。,（3）USB设备

31、USB设备可被分为两大类：hub类（提供附加USB接入点的设备）和功能设备类（为系统实现某些功能的设备，如ISDN适配器、数字游戏杆等）。按照功能，USB设备又可分为很多类，如：音频、人机交互、显示、通信、电源、打印机、海量存储、物理反馈等设备。每个USB设备都必须提供自鉴定信息和通用的设置。,4.USB的总线协议 USB总线属一种轮讯方式的总线，主机控制端口初始化所有的数据传输。每一总线最多传送三个数据包:令牌包(Token Packet)、数据包(Data Packet)和握手信号包(Handshake Packet)。按照传输前制定好的原则，在每次传送开始时，主机控制器发送一个描述传输运

32、作的种类、方向、USB设备地址（Device Address）和终端号（End Point）的USB数据包,图9.20 USB数据传输、帧和数据包的组成,5USB的数据流种类数据和控制信号在主机和USB设备间的交换存在两种通道，单向和双向。USB的数据传送是在主机和一个USB设备的指定端口之间。这种主机和USB设备的端口间的联系称作通道。USB的结构包含四种基本的数据传输类型（传输通道）：控制数据传送 批量数据传送中断数据的传送 同步数据的传送,（1）控制数据传送在设备连接时用釆对设备进行设置，还可对指定设备进行控制，如通道控制。当USB设各初次安装时，USB系统软件使用控制数据对设备进行设置

33、，设备驱动程序通过特定的方式使用控制数据来传送，数据传送是无损性的。如：在连接时配置设备，控制其它管道的状态以及完成一些设备自定的用途。,（2）批量数据传送大批量产生并使用的数据，在传输约束下，具有很广的动态范围。用于传输相对比较大的和突发性强的数据，一般这种传输的动态范围比较宽。数据传输的可靠性由硬件层错误检测来保证，对错误的数据可进行重复发送。块传输 是连续的，它的带宽占用依据其它USB设备的使用情况而不同。这种传输类型一般用于打印机、扫描仪等。,（3）中断数据的传送通常用于传输设备反馈回计算机的字符和坐标信息。中断数据是少量的，且其数据延迟时间也是在有限范围内的。这种数据可由设备在任何时

34、刻发送，并且以不促于设备指定的速度在USB上传送。数据量小，延迟短，通常用于传输设备反馈回计算机的字符和坐标信息，多用于人机交互设备，如鼠标，键盘、游戏杆等。（4）同步数据的传送由预先确定的传送延迟来填满预定的USB带宽。占用预先分配的带宽，实时传输。对于同步传输管道，带宽的要求与设备的采样率有关，时延的要求与每个节点的缓冲大小有关。,9.4.3以太网接口,1以太网接口的基本知识以太网协议是由一组IEEE 802.3标准定义的局域网协议集。在以太网标准中，有两种操作模式：半双工和全双工。以太网系统由三个基本单元组成：物理介质，用于传输计算机之间的以太网信号；介质访问控制规则，嵌入在每个以太网接

35、口处，从而使得计算机可以公平的使用共享以太网信道；以太帧，由一组标准比特位构成，用于传输数据。,当前定义在光纤和双绞线上的传输速率有四种：10 Mbps 10Base-T 以太网 100 Mbps 快速以太网 1000 Mbps 千兆位以太网（802.3z）10 千兆位以太网 IEEE 802.3ae,在所有 IEEE 802 协议中，ISO 数据链路层被划分为两个 IEEE802 子层，介质访问控制（MAC）子层和MAC 客户端子层。IEEE 802.3 物理层对应于ISO物理层。MAC 子层有两个基本职能：数据封装，包括传输之前的帧组合和接收中、接收后的帧解析/差错检测。质访问控制，包括帧

36、传输初始化和传输失败恢复。,2802.3 MAC层的帧PR：同步位。SD：分隔位。DA：目的地址，以太网的地址为48位地址。SA：源地址，48位，表明该帧的数据是哪个网卡发的,即发送端网卡地址。TYPE：类型字段，表明该帧的数据是什么类型。DATA：数据段，该段数据不能超过1500字节。PAD：填充位。FCS:32位CRC数据校验位。通常，PR、SD、PAD、FCS这几个数据段都是网卡（包括物理层和Mac层的处理）自动产生的，剩下的DA、SA、TYPE、DATA四个段端的内容是上层的软件控制的。,表9-3 以太网的物理传输帧,以太网的数据传输有如下特点：PR、SD、PAD、FCS这几个数据段是

37、由网卡自动产生的；只需要理解DA、SA、TYPE、DATA四个段的内容；所有数据位的传输由低位开始；以太网的冲突退避算法是由硬件自动执行的；DA+SA+TYPE+DATA+PAD最小为60字节，最大为1514字节；以太网卡可以接收三种地址的数据，一个是广播地位，一个是多播地址(在嵌入式的环境中一般不用)，一个是它自已的地址；任何两个网卡的物理地址都是不一样的，是世界上唯一的，网卡地址由专门机构分配。,4以太网物理接口以太网物理层定义了以太网传输的介质和电气特性。以太网的网卡上以及Hub上接口通常采用的10BASE-T接口规范，通信介质为4对双绞线，网线上插头的外观为 8 芯公插头(RJ45),

38、图9.21 RJ45插头,表9-4 10BASE-T接口引脚定义,9.4.4 PCMICA,1PCMCIA 简介PCMCIA（Personal Computer Memory Card International Association PC，个人计算机存储卡国际协会）是一个成立于1989年的国际性组织。这个国际性组织主要是建立一个省电、小体积的整合性电子卡片的标准，提高移动计算机的互换性。PCMCIA STANDARD由PCMCIA和JEIDA共同制定，它的注册拥有和解释权目前一个在美国，另一个在日本。,PCMCIA卡通常用于移动计算机和嵌入式系统的的通信和存储装置。1990年首先为存储器卡

39、定制标准，该标准定义外设卡和主系统插座之间68引脚接口。有三个标准：TypeI、II和III。作为标准的一部分也提供软件即插即用能力。后来随着PC 和PCCARD技术的发展，PC卡已经远远不局限于存储领域。,图9.22 常见的PCMCIA卡,2PCMCIA物理规范及接口物理规范定义了两种标准的卡：FULL SIZE PC CARD 和SMALL PC CARD；他们每种都有三种不同的厚度分别是TYPE、TYPE、TYPE。1)FULL SIZE PC CARD:TYPE的规格：面积为8.565.4cm，厚度则为3.3mm；适用于一般存储器扩充卡。TYPE的规格：面积为8.565.4cm，厚度则

40、为5mm；应用范围包括Modem卡、Network卡、视频会议卡等。TYPE 的规格：面积为8.565.4cm，厚度为10.5mm；应用范围为硬盘。,2)SMALL PC CARD:TYPE的规格：面积为4.54.28，厚度则为3.3mm；适用于一般存储器扩充卡。TYPE的规格：面积为4.54.28cm，厚度则为5mm；应用范围包括Modem卡、Network卡、视频会议卡等。TYPE 的规格：面积为4.54.28cm，厚度为10.5mm；应用范围为硬盘。,3PCMCIA总线的分类PCMCIA总线分为两类，一类为16位的PCMCIA，另一类为32位的CardBus。（1）PCMCIAPCMCI

41、A插槽是笔记本电脑上最重要的设备扩展接口，可以用来插入传真卡/网卡/存储卡/声霸卡等等，一些专业杂志甚至预测PCMCIA会成为今后台式电脑、汽车以及家用电器上的标准接口。PCMCIA的主要优势是可以带电插拔，配合适当软件后可以实现即插即用。16位的PCcard速度较慢，单就网卡来说，就算表明了是100M的网卡，实际使用速度只有25M左右。,（2）CardBus接口简介CardBus是一种用于笔记本计算机的新的高性能PC卡总线接口标准。该总线标准与原来的PC卡标准相比，具有以下的优势：第一，32位数据传输和33MHz操作。CardBus快速以太网PC卡的最大吞吐量接近90Mbps，而16位快速以

42、太网PC卡仅能达到20-30Mbps。第二，总线自主。使PC卡可以独立于主CPU，与计算机内存间直接交换数据，这样CPU就可以处理其它的任务。第三，3.3V供电，低功耗。提高了电池的寿命，降低了计算机内部的热扩散，增强了系统的可靠性。第四，后向兼容16位的PC卡。老式以太网和Modem设备的PC卡仍然可以插在CardBus插槽上使用。,4PCMCIA接口的应用PCMCIA接口除了插无线上网卡、电视卡外，还可以插调制解调器、小型硬盘、A/D转换器卡、蓝牙卡等多种PCMCIA设备。PCMCIA卡除了轻巧、方便携带外，它有个和USB(Universal Serial Bus)外设相同的特色，就是“热

43、插拔”(Hot Plugging)功能。,9.4.5 1394总线及接口,1IEEE 1394标准概述IEEE-1394总线最初是美国APPLE公司提出，后来由IEEE标准化组织于1995 年制定出的具有视频数据传输速度的高速、低成本串行接口标准，用于计算机和周边设备之间进行高速的串连输入/输出或者作为计算机底板总线(并行)的备份。IEEE-1394 总线标准定义了高速串行总线结构，数据传输协议，传输媒介，传输方式。该标准的IEEE-1394 总线A 规范可支持100、200、400Mbps 的速率。1394b支持800，1600，3200Mbps三种速率,总体上说，IEEE1394具有以下特

44、点：即时数据传输：IEEE 1394具有同步和异步两种数据传输模式，在同一总线下，同步及异步传输连线可能同时存在。驱动程序安装简易。内存映射的架构：所有IEEE 1394总线上的资源，皆可以映射到某段内存地址，并依此方式来存取数据。1394接线可提供电源：对无自用电源的设备而言，可以透过IEEE 1394 6-Pin的连接头来供给电源。通用I/O连接头：整合各种PC的连接头成为一种万用的连接头，使用者就不用花时间辨认不同外围设备要接到那个接头，同时也降低了系统的成本。,点对点的通讯架构：IEEE 1394外围设备间互传数据时，不须主机监控，因此不会增加主机的负载，CPU资源占用率低。最大400

45、Mbps的数据传输率：在相同的总线上可以有数种不同的数据传输速率100、200、或400Mbps。IEEE 1394是最理想的多媒体设备的接口：IEEE 1394支持同步传输模式，同步传输模式会确保某一连线的频宽。对于如数码摄录机这种记录容量大，又需要非常高精度的传输的设备，IEEE 1394就最适合了。支持热插拔：IEEE 1394可以自动侦测设备的加入与移出动作并对系统做重新整合，无须人工干预。,2IEEE1394接口IEEE1394接口有6针和4针两种类型。6角形的接口为6针，小型四角形接口则为4针。如图9.24所示。,图9.24 IEEE-1394 总线接口,3IEEE1394应用的发

46、展前景作为一种数据传输的开放式技术标准，IEEE-1394 总线被应用在众多的领域。目前，使用最广的是在多媒体领域，打印机和扫描仪产品，硬盘等存储设备，特别是循环冗余阵列（RAID）硬盘、数码照相机、摄像机等。在影像消费电子设备产业中，IEEE 1394已成为一种事实上的连接标准，可在越来越多的数字电视、机顶盒、PVR、DVD-R等电器上看到。,9.4.6 CAN总线及接口,1CAN总线简介控制器局域网CAN(Controller Area Network)是一种现场总线，CAN最初是由德国BOSCH公司为汽车监测和控制而设计的，CAN是由ISO定义的，最初应用在80年代末的汽车工业里。它具有

47、高位速率、高抗电磁干扰性、高可靠性而且能够检测到产生的任何错误。CAN在微控制器之间需要互相通信或微控制器和远程的外围器件要互相通信的情况下是一个理想的解决方法，被广泛应用于各种过程检测及控制系统。,CAN总线有以下特点：CAN可以是对等结构，即多主机工作方式。CAN网络上的节点可以分为不同的优先级，满足不同的实时需要。CAN 采用非破坏性总线仲裁技术。CAN可以点对点、点对多点、点对网络的方式发送和接收数据，通讯距离最远10 km(5 kb/s)，节点数目可达110个。CAN采用的是短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，传输事件段，受干扰概率低，具有CRC校验和其它检测措施，数据出错几率小。通

48、讯介质可采用双绞线、同轴电缆或光纤，用户接口无特殊要求，容易构成用户系统。,图9.25 CAN 总线典型应用系统,2CAN总线的技术规范CAN总线为串行通信协议，适合构建具有很高安全等级要求的分布式实时控制系统。为了保证设计的规范性和使用方便、有效，CAN总线被细分为3个不同的层次：CAN对象层（the object layer）CAN传输层（the transfer layer）物理层,CAN 总线的帧数据有两种格式：标准格式和扩展格式，如图9.26所示。,图9.26 CAN 总线的帧数据,3CAN 总线的电气特性CAN 能够使用多种物理介质进行传输，例如：双绞线、光纤等。最常用的就是双绞线。信号使用差分电压传送，两条信号线被称为CAN_H 和CAN_L，静态时均是2.5V 左右。4.CAN 总线的物理接口CAN总线的物理接口没统一规定，一般根据选用的传输介质选择已有的连接器作为连接接口。如双绞线可选用DB-9型连接器或者RJ11标准接口。,