标准接口的基本技术知识

对于设计人员而言，根据应用的性能、电源、存储器以及接口要求寻找特定的嵌入式处理器是一项令人生畏的艰巨任务，因为即便是相似的系统也存在着显着的差异。尽管ARM?处理器提供十几种选择，系统设计人员却很难找到“完美的搭配”.
　　本文将重点介绍各种标准接口，并揭示它们对不同嵌入式芯片厂商的区别所在。了解基本接口可帮助设计人员优先考虑哪些接口应为片上。另外，虽然标准接口具有很高的使用价值，但为了提供额外的片上资源，也需要可定制化的片上接口。本文将介绍两种这样的外设块。
　　USB
　　通用串行总线 （USB） 接口最初的开发目的是用来连接个人计算机与外设。随着时间的推移，它已经成为工业与基础设施应用的常用接口。诸如键盘、鼠标以及示波器等人机接口设备 （HID） 一般都采用 USB 接口，这就意味着它必须得到系统嵌入式处理器的支持。实现这一目标的最有效方法是采用片上外设。
　　除 HID 之外，工业与基础设施应用还使用另外两种设备。USB 通信设备类 （CDC） 不但适用于调制解调器与传真机，而且还可通过提供用于以太网数据包传输的接口来支持简单的联网。同样，USB 大容量存储设备 （MSD） 主要用于硬盘驱动器及其它存储介质。
　　USB 2.0 规范要求主机初始化所有向内及向外的传输。此外，该规范还定义了三种基本设备：主机控制器、集线器以及外设。
　　USB 2.0 的物理互连是一种在每个星型中心使用一个集线器的分层星型拓扑结构。每条线段都是一个主机与集线器或功能之间的点对点连接，或者是一个连接至另一个集线器或功能的集线器。
　　USB 2.0 系统中用于设备的寻址方案可实现单个主机连接多达 127 个设备。这 127 个设备可以是集线器或外设的任何组合。复合或组合设备可以是这 127 个设备中两个或两个以上的设备。
　　虽然 USB 2.0 很可能是工业和许多基础设施应用的首选，但外设设备需要在没有主机参与的情况下彼此通信时，还需要部署移动 USB （ USB OTG）。为了实现点对点通信，USB OTG 引入了一种新的设备，这类设备包含可为两个外设实现数据共享的限制主机功能。
　　OTG 补充方案定义了一套新的、称之为主机协商协议 （HNP） 的握手方式。使用 HNP,能够作为默认外设连接的设备可请求成为主机。这有助于现有 USB 2.0 主机设备范例提供点对点通信。另外还定义了会话请求协议 （SRP）。
　　USB 具有可靠标准的普及性与极高地位，可向嵌入式处理器厂商提供专门针对 USB 功能的软件库，从而可大幅缩短开发时间。系统设计人员不必编写自己的代码，只需进行功能调用，便可实施接口。
　　这些库应通过认证，证明已通过了 USB 实施人员论坛实施的 USB 设备及嵌入式主机合规性测试。德州仪器 （TI） 等一些厂商可为其嵌入式处理器提供广泛的 USB 库。
　　2007 年，旨在创建一种更快 USB 类型的 USB3.0 推广团队 （the USB 3.0 Promoter Group）得以成立，这种 USB 类型不但向后兼容以前的 USB 标准，而且还可提供比 USB2.0 快 10 倍的数据速率。USB 3.0 采用新的信号发送方案，并通过保留 USB 2.0 双线接口实现了向后兼容性。然而这种更快的版本还处于部署初期，USB 2.0 今后数年仍将是最常用的 USB 类型，其具有高速 （480Mbps）、低速 （1.5Mbps） 以及全速 （12Mbps） 三种速度选项。
　　EMAC
　　虽然符合IEEE 802.3以太网标准的接口一般会被误称为以太网介质访问控制器 （EMAC），但完整的 EMAC 子系统接口实际上包括三个模块，这三个模块可能会集成在片上，也可能不会：
　　1.物理层接口 （PHY）；
　　2.以太网 MAC,其可实施协议的 EMAC 层；
　　3.定制接口一般称为 MAC 控制模块。
　　EMAC 模块可控制系统到 PHY 的包数据流。MDIO 模块可执行 PHY 的配置以及状态监控。两个模块都可通过 MAC 控制模块访问系统核心，从而还可优化数据流。在 TI 嵌入式处理器等完全集成型解决方案中，定制接口被视为 EMAC/MDIO 外设不可或缺的组成部分。
　　完整的 EMAC 子系统如图 1 所示。

图 1:EMAC 子系统
　　EMAC 控制模块不但可控制设备中断，而且还整合了一个用于保持 EMAC 缓存器描述符的 8K 字节内部随机访问存储器 （RAM）。该 MDIO 模块采用 802.3 串行管理接口来询问和控制多达 32 个采用共享双线总线连接至设备的以太网 PHY.
　　主机软件使用 MDIO 模块来配置连接至 EMAC 的每个 PHY的自动协商参数，恢复协商结果，并在 EMAC 模块中配置所需的参数，以实现正确的操作。该模块可为 MDIO 接口实现近乎透明的操作，基本不需要核心处理器的维护。
　　EMAC 模块可在网络与处理器之间提供一个高效率的接口。EMAC 模块通常可提供 10Base-T（10Mbit/秒）与 100Base TX（100Mbit/秒）、半双工与全双工模式，以及硬件流控制与服务质量 （QoS） 支持。此外，部分处理器现在还支持可实现 1000 Mbit/秒数据速率的千兆位 EMAC 容量。
　　由于以太网的广泛使用，嵌入式处理器一般都在芯片上集成了一个或多个 EMAC 接口。不同的厂商在实施上述完整的 EMAC 子系统时采用的方法也稍有不同。实施以太网接口所需的软件支持与库的质量和范围是选择嵌入式处理器厂商时需要考虑的另一个问题。
　　路由器或交换机等应用所需的 EMAC 有时不止一个。这些应用通过使用多个 EMAC,能够在创建同步过程通信的同时，与众多设备通信。
　　SATA
　　串行 ATA （SATA） 可将主机总线适配器与诸如硬盘驱动器与光盘驱动器等大容量存储设备相连。它已基本取代了之前的并行 ATA （PATA）。PATA 要求 40/80 线并行线缆，长度不超过 18 英寸。PATA 的最大数据传输速率为 133Mbit/秒，而 SATA 串行数据格式则使用两个差分对来支持连接数据存储设备的接口，线路速率为 1.5Gbit/秒（SATA 版本 1）、3.0Gbit/秒（SATA 版本 2）与 6.0Gbit/秒（SATA 版本 3）。SATA 1 和 SATA 2 现已面市，SATA 3 将在近期推出。
　　此外，SATA 控制器需要的线缆较细，而且可以长达 3 英尺。较细的线缆更加灵活，一方面可实现更便捷的布线，另一方面更有利于大容量存储设备外壳内的空气流通。