嵌入式系统程序猿应该了解的总线通信

前言

在工作中，经常接触到各种通信协议，其中总线通信是最底层的，写些总结吧。芯片内部，元器件之间，终端设备之间都需要数据交换，而进行数据交换最简单的方式就是利用“有线”的总线通信。让我们来看看，都有哪些代表性的总线通信方式。

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了解下基本概念

• 单工与双工

只能让A把数据传给B，就叫单工；自然，A和B都能把数据传给对方就叫双工。

• 半双工与全双工

在A把数据传给B的时候，B不能同时给A传数据，这就叫半双工；自然，A和B能同时把数据传给对方就叫全双工了哈。

• 同步与异步

A把数据传送给B时，利用一根或多根总线上的电平变化(时钟信号)来告诉B，数据马上要来了，B你快接，或者A告诉B赶紧把数据传给我！这就是同步总线通信；如果A每次都是直接把数据直接仍给B，B被动接受数据，那就是异步总线通信。

由于B在异步接受数据时，必须判断从哪起算是1个bit数据，自然比同步通信速度慢点；但同步通信也有缺点，你想，在一个同步时钟周期内，A必须等待B把数据接受完，距离如果太长，那速度就慢了，因此只适合通信距离较短的情况。

下面从串行总线开始吧...

单线式串行总线

单总线，用一条串行总线实现主从双工数据交换，比较少见，我碰到的一款电压检测芯片就这种。通常使用主从方式，主设备负责发起读、写时序，或重置总线，对时序要求很严。

双线式串行总线

I2C总线：半双工同步总线，PHILIPS公司发明，一条时钟线SCL,来同步通信双方的节奏，一条数据线SDA用来传递数据，同样是主设备负责时钟线SCL电平变化，在SCL驱动下，从设备接受命令或应答。速率最高只能到400Kbit/s。EEPROM存储芯片基本都是用I2C总线通信。

SMBus：Intel公司发明的，与I2C总线类似，时序有点差异，见于一些电池通信中。

CAN总线：Boshc公司1986年发明用在汽车上的，基本已经成为了工业现场总线的标准。物理简单，两根线差分传输，半双工异步传输。CAN总线的NB在于除了物理层的电气标准外，Boshc还定义了链路层协议。没有地址编码，总线上所有节点广播接收，自动CRC校验，发送时自动仲裁优先级，所有的链路层协议由接口芯片实现，程序员解放了:)，广泛应用于汽车、飞机、工厂等环境恶劣、可靠性要求高的场景！当然缺点也有，就是慢了点，最高1Mbps。

三线式串行总线

SPI总线，全双工同步总线，Motorola公司发明，一条时钟线SCLK，1条输出数据线SDO，1条输入数据线SDI，分别，同样是主设备负责时钟线SCLK电平变化，虽然可以全双工通信，但一般实际使用时只用半双工，即同时只有一方传输数据。速率比I2C高，可达到几M到几十Mbit/s，很多FLASH存储芯片用SPI接口通信。

异步串行总线

异步串行总线即常说的串口线，这里单独列出来讲。根据电平和信号线的不同，常见的异步串行总线有RS-232、RS-485、RS-422。

RS-232：全双工，至少使用二条信号线，一条负责发送数据“TX”，一条负责接受数据“RX”，异步总线，没有时钟同步线，双方统一数据发送传输的比特速率，通常有9600bit/s或者115200bit/s，最大传输速率20kb/s等。

RS-422：与RS-232相比，首先是信号电平不一样，再次，RS-422发送和接受各自有两条线，使用两线差分电平形式传输，抗干扰，因此比232传输距离更远，传输速率可达10Mb/s。

RS-485：在RS-422基础上发展起来的，都采用差分电平传输，但信号电平不一样；除了四线连接方式外，RS485还额外定义了奇葩的两线连接方式，即半双工通信，你发数据出去，自己还会同时收到，如果上层的通信协议定义不好就会让你哥有误判。

更多对比参考这里

现在一般的嵌入式处理器基本都封装好了异步串行总线通信的接口，程序猿基本不用管底层。见过用串口做多节点通信的，各节点分时传输，按字段区分发送源和目的，看起来很美，一旦某节点失效拉低电平，整个总线立马死掉，多节点通信的场景还是考虑CAN吧，不要自己发明轮子！

并行总线

并行总线通常包含三部分：数据总线、地址总线和控制总线，控制总线用于双方握手，表明数据传输（读或写）方向，基本都是半双工总线。与串行总线不同，并行总线的数据线数目通常就是数据宽度，如8条数据线能同时传输8bit位宽。另外，用于CPU与外设之间的并行总线，通常也称之为CPU总线或者Local Bus总线。

优点：速度更快，通信简单
缺点：硬件布线更多，并行总线对时序要求更高，导致传输距离受限，通常只用于板卡间的局部总线。

并行总线有两种主要的形式：Intel Bus和Motorola Bus，原因就在于这两家半导体大佬的处理器芯片架构不同（如Intel的C51单片机，Motorola的Power PC），进而导致其他小芯片厂家的产品只能跟随其一，或者不怕麻烦多点引脚兼容两种。

明显的区别：Intel Bus使用两根引脚的低电平信号（二者互斥）来指明读写R/W操作，而Motorola Bus则使用一根引脚高低电平来指明读写R/W操作。

同步与异步模式

根据有无同步时钟供发送方和接受方使用，并行总线也分同步和异步模式，如SDRAM等需要快速读写的就是使用同步模式，如NAND FLASH等就是使用异步模式。我们通常设计ARM和FPGA之间的Local Bus通信也是异步模式，无需同步时钟信号。

大端和小端

通常采用Intel Bus的芯片通常是使用小端模式，即低字节数据存放在低地址上，而Motorola Bus的芯片刚好相反。