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不要害怕失败,因为每一次跌倒都是站起来的前奏;不要畏惧未知,因为在探索的过程中你会发现未曾预见的美好。你的每一步努力都在为未来的成功铺路,即使现在看不到成果,但请相信积累的力量。那些看似平凡的努力,终将在某一刻绽放出惊人的光芒。

记住,你是独一无二的存在,拥有着别人无法复制的独特价值。你的思想、你的创造力以及你的热情都是这个世界所需要的光亮。在这个广阔的世界里,总有属于你的一席之地,一个你可以尽情展现自我、实现梦想的舞台。

所以,请勇敢地追求你的梦想,无惧任何阻碍。让内心的火焰持续燃烧,照亮前行的道路。当你感到迷茫或疲惫时,不妨停下来回顾一下走过的路程,你会发现自己已经走了那么远,已经克服了那么多的困难。这份认知将成为你继续前进的动力。

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目录

7.4 总线通信

7.4.1 同步通信

7.4.2 异步通信

7.4.3 总线数据传送模式

7.5 总线标准

总结与对比


7.4 总线通信

总线是计算机系统中各部件(如CPU、内存、外设)之间传输数据的公共通道。总线通信的核心是协调不同设备的数据传输,确保高效和准确。以下是总线通信的关键知识点:

7.4.1 同步通信

定义:数据传输在统一的时钟信号控制下进行,所有操作由时钟边沿(上升沿或下降沿)触发。
工作原理

  • 主设备(如CPU)生成时钟信号,所有从设备(如内存)根据此时钟同步操作。

  • 数据在固定时间窗口内传输,发送方和接收方必须严格遵循时钟频率。

特点与优缺点

  • 优点:时序简单、传输速度快(适用于短距离高速传输)。

  • 缺点:时钟信号需严格同步;长距离传输时时钟偏移(Skew)可能导致错误。

  • 应用场景:CPU与高速缓存(Cache)、内存(DDR SDRAM)之间的通信。

示例

  • PCI总线:早期PC中使用的同步总线,时钟频率33/66 MHz。

  • DDR内存接口:每个时钟周期传输两次数据(双倍数据速率)。

详细解析
同步通信的核心是依赖全局时钟信号协调所有操作。以下是对比表格和案例:

特性同步通信异步通信
时钟依赖必须全局同步时钟无全局时钟,通过握手协议
传输速率高(固定频率)低(动态调整)
适用场景短距离、高速(CPU-内存)长距离、多设备(UART、USB)
复杂度简单(时序固定)复杂(需要握手信号)

案例:SPI总线同步通信
SPI(Serial Peripheral Interface)是典型的同步总线协议,常用于微控制器与传感器/存储器通信。

  • 引脚定义

    • SCLK:同步时钟(主设备生成)

    • MOSI:主设备输出,从设备输入

    • MISO:主设备输入,从设备输出

    • SS:从设备片选信号

  • 时序图


    数据在时钟上升沿或下降沿传输,由主设备控制时序。

代码示例(Arduino SPI通信)

cpp

#include <SPI.h>
void setup() {SPI.begin(); // 初始化SPIdigitalWrite(SS, HIGH); // 默认不选中从设备
}
void loop() {digitalWrite(SS, LOW); // 选中从设备byte received = SPI.transfer(0x55); // 发送0x55,同时接收数据digitalWrite(SS, HIGH); delay(1000);
}

7.4.2 异步通信

定义:数据传输无需全局时钟,而是通过握手协议(Handshaking)或控制信号协调。
工作原理

  • 发送方和接收方通过“请求”(Request)和“应答”(Acknowledge)信号交互。

  • 数据传输速率可动态调整,适应不同速度的设备。

特点与优缺点

  • 优点:适应性强(支持不同速度设备)、抗干扰能力好(适合长距离传输)。

  • 缺点:额外控制信号增加复杂度;传输效率较低(需多次握手)。

  • 应用场景:外设连接(如UART串口)、网络通信(如以太网)。

示例

  • UART(通用异步收发器):通过起始位、数据位、停止位实现异步通信(如RS-232)。

  • USB(低速模式):通过握手协议协调主机与设备的数据传输。

详细解析
异步通信通过握手协议(如UART的起始/停止位)协调传输,无需全局时钟。

UART数据帧结构

字段长度描述
起始位1 bit低电平,标志传输开始
数据位5-9 bits实际数据(通常8位)
校验位1 bit奇偶校验(可选)
停止位1-2 bits高电平,标志传输结束

案例:UART在GPS模块中的应用
GPS模块通过UART向微控制器发送NMEA格式数据:

$GPGGA,123519,4807.038,N,01131.000,E,1,08,0.9,545.4,M,46.9,M,,*47
  • 波特率:9600 bps

  • 帧格式:1起始位、8数据位、无校验、1停止位(8N1)。

代码示例(Python串口读取)

python

import serial
ser = serial.Serial('/dev/ttyUSB0', 9600, timeout=1)  # 打开串口
while True:data = ser.readline()  # 读取一行数据if data:print(data.decode('utf-8'))  # 打印GPS数据

7.4.3 总线数据传送模式

总线支持多种数据传送方式,具体模式取决于应用需求:

  1. 按传输方向分类

    • 单工(Simplex):单向传输(如广播)。

    • 半双工(Half-Duplex):双向交替传输(如I2C总线)。

    • 全双工(Full-Duplex):双向同时传输(如PCI Express)。

  2. 按传输规模分类

    • 单次传输:每次操作传输一个字(如CPU读取内存单个指令)。

    • 突发传输(Burst):连续传输多个数据块(如内存读取缓存行)。

  3. 按操作类型分类

    • 读操作:主设备从从设备读取数据。

    • 写操作:主设备向从设备写入数据。

    • 原子操作:不可中断的传输(如总线锁定)。

  4. 高级传输模式

    • 流水线传输:重叠多个传输周期以提高效率(如现代内存控制器)。

    • DMA(直接内存访问):外设直接与内存交换数据,无需CPU介入。

详细对比与案例

  1. 传输方向分类

    模式描述案例
    单工单向传输(仅发送/接收)温度传感器→显示器
    半双工双向交替传输I2C总线(主从切换)
    全双工双向同时传输电话通话、PCI Express
  2. 突发传输(Burst)案例
    DDR内存一次传输64字节的缓存行(Cache Line),减少寻址开销。

  3. DMA传输案例
    硬盘通过DMA直接向内存写入数据,无需CPU参与:

    c

    // 伪代码:启动DMA传输
    dma_config.src_addr = HDD_BUFFER;
    dma_config.dst_addr = MEMORY_ADDR;
    dma_config.size = 4096;  // 传输4KB数据
    start_dma(&dma_config);

7.5 总线标准

总线标准定义了机械结构、电气特性、协议规范等,确保设备兼容性。以下是常见总线标准:

  1. 内部总线(系统总线)

    • PCI(Peripheral Component Interconnect)

      • 特点:并行总线,支持即插即用,带宽133 MB/s(32位@33 MHz)。

      • 应用:早期PC扩展卡(显卡、网卡)。

    • PCI Express(PCIe)

      • 特点:串行点对点传输,分通道(Lane)设计,带宽可扩展(如PCIe 4.0单通道2 GB/s)。

      • 应用:现代显卡、NVMe SSD。

  2. 外部总线(设备总线)

    • USB(Universal Serial Bus)

      • 特点:支持热插拔、树形拓扑,最新版本USB4(40 Gbps)。

      • 应用:外置存储、输入设备、手机充电。

    • SATA(Serial ATA)

      • 特点:串行传输,支持热插拔,带宽6 Gbps(SATA III)。

      • 应用:硬盘、光驱连接。

  3. 嵌入式/专用总线

    • I2C(Inter-Integrated Circuit)

      • 特点:两线制(SCL时钟线、SDA数据线),支持多主多从,低速(100 kHz~5 MHz)。

      • 应用:传感器、EEPROM。

    • SPI(Serial Peripheral Interface)

      • 特点:四线制(SCK、MOSI、MISO、CS),全双工,高速(可达100 MHz)。

      • 应用:Flash存储器、显示屏驱动。

    • CAN(Controller Area Network)

      • 特点:抗干扰强,支持多主通信,实时性高(1 Mbps)。

      • 应用:汽车电子、工业控制。

  4. 历史总线

    • ISA(Industry Standard Architecture)

      • 特点:16位带宽,8 MHz,已被PCI取代。

    • AGP(Accelerated Graphics Port)

      • 特点:专为显卡设计,带宽2.1 GB/s(AGP 8x)。

详细对比与案例

总线标准类型带宽拓扑结构应用场景
PCIe 4.0内部串行总线16 GT/s per Lane点对点显卡、NVMe SSD
USB 3.2外部串行总线20 Gbps树形外置硬盘、高速外设
I2C嵌入式总线100 kHz-5 MHz多主多从传感器、EEPROM
CAN工业总线1 Mbps总线型汽车电子、工业控制

案例:USB协议栈
USB数据传输分为四层:

  1. 物理层:定义电气特性(如USB 2.0使用差分信号)。

  2. 协议层:定义数据包格式(令牌包、数据包、握手包)。

  3. 逻辑层:处理设备枚举、端点配置。

  4. 应用层:驱动程序和设备交互。

代码示例(STM32配置USB CDC设备)

c

// 使用STM32CubeMX生成的USB CDC代码
int main(void) {HAL_Init();MX_USB_DEVICE_Init(); // 初始化USBwhile (1) {CDC_Transmit_FS((uint8_t*)"Hello World\n", 12); // 通过USB发送数据HAL_Delay(1000);}
}

总结与对比

  1. 同步 vs. 异步

    • 同步:时钟严格,速度快(如DDR内存)。

    • 异步:灵活,抗干扰(如工业现场总线)。

  2. 总线标准选择

    • 高速内部连接:PCIe(点对点全双工)。

    • 低速多设备:I2C(半双工多从机)。

    • 通用外设:USB(热插拔、树形拓扑)。

  3. 实际开发建议

    • 使用示波器或逻辑分析仪抓取总线信号(如SPI时钟波形)。

    • 优先选择成熟协议栈(如STM32的HAL库、Linux内核驱动)。

http://www.hrbkazy.com/news/5940.html

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