細說(shuō)標準接口的基本技術(shù)知識

對于設計人員而言，根據應用的性能、電源、存儲器以及接口要求尋找特定的嵌入式處理器是一項令人生畏的艱巨任務(wù)，因為即便是相似的系統也存在著(zhù)顯著(zhù)的差異。盡管ARM?處理器提供十幾種選擇，系統設計人員卻很難找到“完美的搭配”。

本文將重點(diǎn)介紹各種標準接口，并揭示它們對不同嵌入式芯片廠(chǎng)商的區別所在。了解基本接口可幫助設計人員優(yōu)先考慮哪些接口應為片上。另外，雖然標準接口具有很高的使用價(jià)值，但為了提供額外的片上資源，也需要可定制化的片上接口。本文將介紹兩種這樣的外設塊。

USB

通用串行總線(xiàn) (USB) 接口最初的開(kāi)發(fā)目的是用來(lái)連接個(gè)人計算機與外設。隨著(zhù)時(shí)間的推移，它已經(jīng)成為工業(yè)與基礎設施應用的常用接口。諸如鍵盤(pán)、鼠標以及示波器等人機接口設備 (HID) 一般都采用 USB 接口，這就意味著(zhù)它必須得到系統嵌入式處理器的支持。實(shí)現這一目標的最有效方法是采用片上外設。

除 HID 之外，工業(yè)與基礎設施應用還使用另外兩種設備。USB 通信設備類(lèi) (CDC) 不但適用于調制解調器與傳真機，而且還可通過(guò)提供用于以太網(wǎng)數據包傳輸的接口來(lái)支持簡(jiǎn)單的聯(lián)網(wǎng)。同樣，USB 大容量存儲設備 (MSD) 主要用于硬盤(pán)驅動(dòng)器及其它存儲介質(zhì)。

USB 2.0 規范要求主機初始化所有向內及向外的傳輸。此外，該規范還定義了三種基本設備：主機控制器、集線(xiàn)器以及外設。

USB 2.0 的物理互連是一種在每個(gè)星型中心使用一個(gè)集線(xiàn)器的分層星型拓撲結構。每條線(xiàn)段都是一個(gè)主機與集線(xiàn)器或功能之間的點(diǎn)對點(diǎn)連接，或者是一個(gè)連接至另一個(gè)集線(xiàn)器或功能的集線(xiàn)器。

USB 2.0 系統中用于設備的尋址方案可實(shí)現單個(gè)主機連接多達 127 個(gè)設備。這 127 個(gè)設備可以是集線(xiàn)器或外設的任何組合。復合或組合設備可以是這 127 個(gè)設備中兩個(gè)或兩個(gè)以上的設備。

雖然 USB 2.0 很可能是工業(yè)和許多基礎設施應用的首選，但外設設備需要在沒(méi)有主機參與的情況下彼此通信時(shí)，還需要部署移動(dòng) USB ( USB OTG)。為了實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)通信，USB OTG 引入了一種新的設備，這類(lèi)設備包含可為兩個(gè)外設實(shí)現數據共享的限制主機功能。

OTG 補充方案定義了一套新的、稱(chēng)之為主機協(xié)商協(xié)議 (HNP) 的握手方式。使用 HNP，能夠作為默認外設連接的設備可請求成為主機。這有助于現有 USB 2.0 主機設備范例提供點(diǎn)對點(diǎn)通信。另外還定義了會(huì )話(huà)請求協(xié)議 (SRP)。

USB 具有可靠標準的普及性與極高地位，可向嵌入式處理器廠(chǎng)商提供專(zhuān)門(mén)針對 USB 功能的軟件庫，從而可大幅縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。系統設計人員不必編寫(xiě)自己的代碼，只需進(jìn)行功能調用，便可實(shí)施接口。

這些庫應通過(guò)認證，證明已通過(guò)了 USB 實(shí)施人員論壇實(shí)施的 USB 設備及嵌入式主機合規性測試。德州儀器 (TI) 等一些廠(chǎng)商可為其嵌入式處理器提供廣泛的 USB 庫。

2007 年，旨在創(chuàng )建一種更快 USB 類(lèi)型的 USB3.0 推廣團隊 (the USB 3.0 Promoter Group)得以成立，這種 USB 類(lèi)型不但向后兼容以前的 USB 標準，而且還可提供比 USB2.0 快 10 倍的數據速率。USB 3.0 采用新的信號發(fā)送方案，并通過(guò)保留 USB 2.0 雙線(xiàn)接口實(shí)現了向后兼容性。然而這種更快的版本還處于部署初期，USB 2.0 今后數年仍將是最常用的 USB 類(lèi)型，其具有高速 (480Mbps)、低速 (1.5Mbps) 以及全速 (12Mbps) 三種速度選項。

EMAC

雖然符合IEEE 802.3以太網(wǎng)標準的接口一般會(huì )被誤稱(chēng)為以太網(wǎng)介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制器 (EMAC)，但完整的 EMAC 子系統接口實(shí)際上包括三個(gè)模塊，這三個(gè)模塊可能會(huì )集成在片上，也可能不會(huì )：

1.物理層接口 (PHY);

2.以太網(wǎng) MAC，其可實(shí)施協(xié)議的 EMAC 層;

3.定制接口一般稱(chēng)為 MAC 控制模塊。

EMAC 模塊可控制系統到 PHY 的包數據流。MDIO 模塊可執行 PHY 的配置以及狀態(tài)監控。兩個(gè)模塊都可通過(guò) MAC 控制模塊訪(fǎng)問(wèn)系統核心，從而還可優(yōu)化數據流。在 TI 嵌入式處理器等完全集成型解決方案中，定制接口被視為 EMAC/MDIO 外設不可或缺的組成部分。

完整的 EMAC 子系統如圖 1 所示。

圖 1：EMAC 子系統

EMAC 控制模塊不但可控制設備中斷，而且還整合了一個(gè)用于保持 EMAC 緩存器描述符的 8K 字節內部隨機訪(fǎng)問(wèn)存儲器 (RAM)。該 MDIO 模塊采用 802.3 串行管理接口來(lái)詢(xún)問(wèn)和控制多達 32 個(gè)采用共享雙線(xiàn)總線(xiàn)連接至設備的以太網(wǎng) PHY。

主機軟件使用 MDIO 模塊來(lái)配置連接至 EMAC 的每個(gè) PHY的自動(dòng)協(xié)商參數，恢復協(xié)商結果，并在 EMAC 模塊中配置所需的參數，以實(shí)現正確的操作。該模塊可為 MDIO 接口實(shí)現近乎透明的操作，基本不需要核心處理器的維護。

EMAC 模塊可在網(wǎng)絡(luò )與處理器之間提供一個(gè)高效率的接口。EMAC 模塊通?？商峁?10Base-T(10Mbit/秒)與 100Base TX(100Mbit/秒)、半雙工與全雙工模式，以及硬件流控制與服務(wù)質(zhì)量 (QoS) 支持。此外，部分處理器現在還支持可實(shí)現 1000 Mbit/秒數據速率的千兆位 EMAC 容量。

由于以太網(wǎng)的廣泛使用，嵌入式處理器一般都在芯片上集成了一個(gè)或多個(gè) EMAC 接口。不同的廠(chǎng)商在實(shí)施上述完整的 EMAC 子系統時(shí)采用的方法也稍有不同。實(shí)施以太網(wǎng)接口所需的軟件支持與庫的質(zhì)量和范圍是選擇嵌入式處理器廠(chǎng)商時(shí)需要考慮的另一個(gè)問(wèn)題。

路由器或交換機等應用所需的 EMAC 有時(shí)不止一個(gè)。這些應用通過(guò)使用多個(gè) EMAC，能夠在創(chuàng )建同步過(guò)程通信的同時(shí)，與眾多設備通信。

SATA

串行 ATA (SATA) 可將主機總線(xiàn)適配器與諸如硬盤(pán)驅動(dòng)器與光盤(pán)驅動(dòng)器等大容量存儲設備相連。它已基本取代了之前的并行 ATA (PATA)。PATA 要求 40/80 線(xiàn)并行線(xiàn)纜，長(cháng)度不超過(guò) 18 英寸。PATA 的最大數據傳輸速率為 133Mbit/秒，而 SATA 串行數據格式則使用兩個(gè)差分對來(lái)支持連接數據存儲設備的接口，線(xiàn)路速率為 1.5Gbit/秒(SATA 版本 1)、3.0Gbit/秒(SATA 版本 2)與 6.0Gbit/秒(SATA 版本 3)。SATA 1 和 SATA 2 現已面市，SATA 3 將在近期推出。

此外，SATA 控制器需要的線(xiàn)纜較細，而且可以長(cháng)達 3 英尺。較細的線(xiàn)纜更加靈活，一方面可實(shí)現更便捷的布線(xiàn)，另一方面更有利于大容量存儲設備外殼內的空氣流通。

串行鏈路可獲得高性能的部分原因是采用高級系統存儲器結構來(lái)容納高速串行數據。這種高級主機控制器接口 (AHCI) 存儲器結構可為控制、狀態(tài)以及命令列表數據表提供一個(gè)通用域。命令列表的每條記錄都包含用于編程 SATA 設備的信息以及一個(gè)用于在系統存儲器與設備之間傳輸數據、指向描述符表的指針。

大多數 SATA 控制器不但支持熱插拔，而且還采用端口多路器來(lái)增加可連接至單個(gè) HBA 端口的設備數量。SATA 標準有一個(gè)很長(cháng)的特性列表，但幾乎沒(méi)有 SATA 控制器可支持所有這些特性。常見(jiàn)特性包括：

· 支持AHCI 控制器規范1.1版;

· 集成SERDES PHY;

· 集成Rx與Tx數據緩存器;

· 支持SATA 電源管理特性;

· 每端口配備內部 DMA 引擎;

· 多達 32 條記錄的硬件輔助原生命令排序 (NCQ);

· 32 位尋址;

· 支持端口乘法器;

· 支持 LED 工作;

· 機械控制開(kāi)關(guān) (mechanical presence switch)。

由于 SATA 能夠存儲可延伸至太字節范圍的大量數據，因此應用非常廣泛，其中包括上網(wǎng)本、膝上型電腦、臺式機、多媒體設備以及便攜式數據終端等。此外，SATA 還可用于可能需要傳感器或系統監控器存儲大量數據以待后續分析的工業(yè)應用。

DDR2/移動(dòng)DDR

DDR2 是雙陪數據速率 (DDR) SDRAM規范的后繼標準，這兩個(gè)標準互不兼容。DDR2 在總線(xiàn)時(shí)鐘信號的上升沿與下降沿傳輸數據，并能夠以更高的總線(xiàn)速度運行，從而可實(shí)現每個(gè)內部時(shí)鐘周期四次的數據傳輸。

簡(jiǎn)化型 DDR2 控制器包括以下設計塊：

· 存儲器控制;

· 讀取接口;

· 寫(xiě)入接口;

· 以及 IO 塊。

這些塊以及它們與 DDR2 存儲器芯片及核心邏輯的關(guān)系見(jiàn)圖 2 所示。

圖 2：簡(jiǎn)化型 DDR2 控制器的實(shí)施

存儲器控制塊發(fā)出存儲器對專(zhuān)用核心邏輯的訪(fǎng)問(wèn)，反過(guò)來(lái)也是如此。讀取物理塊負責處理在各個(gè)讀取周期中采集數據的外部信號時(shí)序，而寫(xiě)入物理塊則使用適當的外部信號時(shí)序管理時(shí)鐘與數據的發(fā)出。

字節寬度雙向數據選通 (DQS) 隨數據 (DQ) 通過(guò)外部方式傳輸，用于采集目的。DQS 在讀取存儲器時(shí)由控制器通過(guò)邊緣對齊的方式傳輸，而在寫(xiě)入存儲器時(shí)則采用中心對齊的方式。片上延遲鎖相環(huán) (DLL) 用于鎖住 DQS 及相應的 DQ。這可在電壓及溫度發(fā)生變化時(shí)確保它們能夠彼此跟蹤。

DDR2 SRAM具有差分時(shí)鐘輸入，可降低時(shí)鐘輸入占空比變化時(shí)的影響。此外，DDR2 SRAM 還支持數據掩碼信號，可在各個(gè)寫(xiě)入周期中為數據位添加掩碼。

移動(dòng) DDR (MDDR) 也稱(chēng)低功耗雙倍數據傳輸速率存儲器 (LPDDR)，因為其工作電壓為 1.8 V，而傳統存儲器工作電壓為 2.5 V 或 3.3 V，通常用于便攜式電子產(chǎn)品。此外，移動(dòng) DDR 存儲器還支持傳統 DDR2 存儲器不具備的低功耗狀態(tài)。與所有 DDR 存儲器一樣，雙倍數據傳輸速率是通過(guò)器件時(shí)鐘上下沿同時(shí)傳輸數據實(shí)現的。

uPP

由于片上外設的數量受成本或其它限制條件的約束，系統設計人員往往想找出數據片上與片外傳輸的新方法。一種策略是利用未使用視頻端口的資源，實(shí)際上是利用它來(lái)高速發(fā)送和接收非視頻數據。這種方法的缺點(diǎn)之一就是數據必須被格式化成視頻幀，這在工作中需要部分處理器 MIPS的支持，而在設計周期中則需要寶貴的編程時(shí)間。

其它的方法存在類(lèi)似的困難，而且大多數標準片上數據接口是串行端口，不能執行高速數據傳輸。

最終許多系統設計人員認識到將某種不符合特定接口標準，但能夠以多種方式配置的高靈活高速外設專(zhuān)門(mén)用于數據傳輸會(huì )帶來(lái)顯著(zhù)的優(yōu)勢。如果系統處理器必須與高速 DAC、ADC、DSP 乃至 FPGA 連接，實(shí)現 250MB/秒的高速數據傳輸，則這種思路就非常有價(jià)值了。

這種外設的基本架構很容易描述。它要有多個(gè)具有單獨并行總線(xiàn)的通道，經(jīng)配置后可以容納超過(guò)一個(gè)字的長(cháng)度。此外，它還要有內部 DMA 塊，這樣其工作就無(wú)需占用內核的 MIPS 預算。單、雙倍數據速率以及多種數據打包格式也是可以使用的。

TI 各種嵌入式處理器都提供通用并行端口 (uPP)，包括Sitara? ARM9 AM1808與AM1806微處理器 (MPU) 以及集成TMS320C674x 內核與ARM9 內核的OMAP-L138處理器。與 SPI 及 UART 等串行外設不同，uPP 可為設計人員提供并行數據總線(xiàn)優(yōu)勢，每通道數據寬度為 8 位和 16 位。

uPP 在以 75MHz 的最高時(shí)鐘速率運行時(shí)，能夠以遠超串行端口外設的速度傳輸數據。例如，單個(gè)運行在 75MHz 速率下的 16 位 uPP 通道能夠比運行在 50MHz 速率下的 SPI 外設快 24 倍。

簡(jiǎn)化的方框圖見(jiàn)圖 3。

圖 3：uPP 的簡(jiǎn)化方框圖

uPP 最重要的特性包括：

· 具有單獨數據總線(xiàn)的兩個(gè)獨立通道;

o 兩個(gè)通道可同時(shí)以相同或相反方向運行

· I/O 速度高達 75MHz，每通道數據位寬為 8 ~ 16 位;

· 內部DMA —可釋放CPU EDMA;

· 具有極少控制引腳的簡(jiǎn)單協(xié)議(可配置：每通道 2 ~ 4 個(gè));

· 單倍及雙倍數據速率(使用時(shí)鐘信號的單沿或雙沿);

o 雙倍數據速率要求 37.5MHz 的最高時(shí)鐘速率;

· 支持 9 ~ 15 位數據位寬的多種數據打包格式;

· 數據交錯模式(限單通道)。

uPP 與另一種專(zhuān)用于可配置數據處理的 TI 外設—主機端口接口 (HPI) 有某種相似之處。HPI 是一種可幫助外部主機直接訪(fǎng)問(wèn)處理器內部存儲器的并行接口。然而與 HPI 不同，uPP 不允許外部設備直接訪(fǎng)問(wèn)存儲器，它需要設備軟件對 I/O 傳輸進(jìn)行排隊。其最大差異可能在于 uPP 比 HPI 速度快得多，而且協(xié)議也簡(jiǎn)單得多。

uPP 主要用于如 FPGA 或 DSP 等需要片外實(shí)時(shí)處理的應用，可為醫療領(lǐng)域等需要即時(shí)數據的市場(chǎng)帶來(lái)極大的優(yōu)勢。通過(guò)使用uPP，決策處理器能夠憑借最新信息做出結論。

PRU

可編程實(shí)時(shí)單元 (PRU) 是一種小型 32 位處理引擎，可為片上實(shí)時(shí)處理提供更多的資源。PRU 專(zhuān)門(mén)用于A(yíng)M1x MPU與OMPAP-L138解決方案中的 TI 嵌入式處理器，可為系統設計人員提供具有高靈活性的額外措施，通?？山档徒M件成本。

PRU 的四總線(xiàn)架構有助于指令隨數據傳輸同步傳輸和執行。此外，還可提供一個(gè)輸入寄存器，讓外部狀態(tài)信息反映在內部處理器的狀態(tài)寄存器內。

PRU 設計的一個(gè)重要目的就是盡可能地創(chuàng )建靈活性，以便執行各種功能。PRU 的高靈活性可幫助開(kāi)發(fā)人員在其終端產(chǎn)品(不管是觸摸屏、集成型顯示屏還是存儲功能)中整合更多的接口，以進(jìn)一步擴展產(chǎn)品功能或者其自己的專(zhuān)有接口功能。該目標主要是通過(guò)提供包括所有系統存儲器、I/O 以及中斷在內的 PRU 全面系統可視性實(shí)現的。

雖然 PRU 能夠全面訪(fǎng)問(wèn)系統資源，但其內部資源相對來(lái)說(shuō)比較普通。它具有 4K 字節的指令存儲器和 512 字節的數據存儲器。此外，PRU 還具有自己的GPIO，時(shí)延僅為數納秒。

PRU 可通過(guò)使用簡(jiǎn)單的匯編語(yǔ)言代碼編程來(lái)實(shí)施定制邏輯。該指令集可分為四大類(lèi)：

· 將數據移入或移出處理器內部寄存器;

· 執行算術(shù)運算;

· 執行邏輯運算;

· 控制程序流。

在工業(yè)應用中，通常將 PRU 配置為 IO 塊，用來(lái)頂替處理器未能提供的 IO。例如，它可以用在需要 UART 塊組合的便攜式數據終端中，用來(lái)連接 GSM、GPS 與藍牙 (Bluetooth)、小鍵盤(pán)、打印機、LED 組以及 RS232 端口。然而，雖然該處理器系列中的最佳選擇只集成了三個(gè) UART，但 PRU 可提供更多的 UART 接口，可充分滿(mǎn)足不斷發(fā)展的終端設備對處理各種功能的需求。

圖 4：采用 PRU 擴展現有設備外設的功能

除了用來(lái)頂替 IO，PRU 經(jīng)編程后還可執行各種控制、監控或其它片上沒(méi)有提供的功能。這種靈活性對于一些應用而言特別有幫助，這些應用包含的控制要求與任何標準處理器配置提供的控制要求不匹配。

ARM子系統與外設集成

在評估 ARM 處理器中的外設接口時(shí)，理解外設與 ARM 子系統的集成方式非常重要。

ARM 處理器適合復雜、多任務(wù)的通用控制任務(wù)。它不但可為大型程序提供存儲器空間，而且還具有良好的環(huán)境切換功能，適合運行實(shí)時(shí)操作系統 (RTOS) 和精細的高級操作系統。ARM 負責系統配置與控制，其任務(wù)包括外設配置及控制、時(shí)鐘控制、存儲器初始化、中斷處理以及電源管理等。ARM 子系統包含 ARM 處理器以及作為整體處理器系統主控制器工作所必須的其它組件。

典型 ARM 子系統包括下列組件組合：

· ARM內核 (例如：ARM926EJ-S或ARM Cortex-A8?)

o 協(xié)處理器15 (CP15)

o MMU

o 寫(xiě)入緩沖器

o 指令高速緩存

o 數據高速緩存

o Java加速器

o Neon單指令、多數據 (SIMD) 協(xié)處理器

o 矢量浮點(diǎn)協(xié)處理器 (VFP)

· ARM內部存儲器

o RAM

o ROM (ARM引導加載程序)

· 總線(xiàn)判優(yōu)器

o 用于訪(fǎng)問(wèn)內部存儲器的總線(xiàn)判優(yōu)器

o 用于訪(fǎng)問(wèn)系統及外設控制寄存器的總線(xiàn)判優(yōu)器

o 用于訪(fǎng)問(wèn)外部存儲器的總線(xiàn)判優(yōu)器

· 調試、跟蹤以及仿真模塊

o JTAG

o ICECrusher?

o 嵌入式跟蹤宏單元 (ETM)

· 系統控制外設

o ARM中斷控制模塊

o 鎖相環(huán) (PLL) 及時(shí)鐘控制模塊

o 電源管理模塊

o 系統控制模塊

可參考圖 5，了解典型 ARM9 ARM 子系統的方框圖。

圖 5：ARM 子系統方框圖

對于 USB、EMAC、SATA、uPP 以及 PRU 等外設而言，ARM 子系統可訪(fǎng)問(wèn)外設的控制與配置寄存器、時(shí)鐘以及電源管理控制。

結論

雖然標準接口在系統設計過(guò)程中發(fā)揮著(zhù)重要的作用，可為設計實(shí)現互操作性與低成本，并減少設計所需的時(shí)間，但對需要實(shí)現產(chǎn)品差異化的設計團隊而言，其實(shí)用用性仍然很有限。設計人員還應依賴(lài)芯片廠(chǎng)商為其提供各種多組合標準接口。對芯片廠(chǎng)商而言，可幫助高效實(shí)施接口的高質(zhì)量軟件庫是實(shí)現差異化的其它因素。提供更高級別的靈活性也非常有幫助，能夠通過(guò) TI PRU 與 uPP 等可配置接口獲得。系統設計人員利用其工具套件中的這些選項，既可發(fā)揮創(chuàng )造性，同時(shí)又能保持組件的低成本。