【嵌入式系统设计师（软考中级）】第二章：嵌入式系统硬件基础知识——④定时器计数器和系统总线及通信接口

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🚀 本文说明了嵌入式系统中的定时器/计数器工作原理及各类通信接口技术：包括定时器的自动重载模式和计数器的事件统计功能；从传统板级总线（如PCI、EISA）到现代高速接口（如PCIe、RapidIO）的演进；各类设备互连技术（USB、I2C、SPI、CAN）的特性差异；网络通信协议（以太网、WLAN、5G）的技术要点；最后针对不同应用场景提出了选型建议。

🔥对于软考而言，需要重点掌握定时器参数计算、各类总线的拓扑结构与带宽特性（特别是PCIe版本演进）、通信协议的仲裁机制（如CAN的非破坏性仲裁）以及典型应用场景的匹配选择。

5. 定时器与计数器

5.1 定时器（Timer）

定时器用于时间管理，如延时、周期性任务调度、PWM信号生成等。

工作原理：

• 时钟源：由CPU时钟或外部晶振提供基准频率（如1MHz）。
• 计数寄存器：递增或递减计数，达到设定值后触发中断或输出信号。
• 工作模式：
  • 单次模式（One-shot）：计数到设定值后停止，需手动重启。
  • 自动重载模式（Auto-reload）：计数到设定值后自动重置，实现周期性触发。

示例：

• 在STM32中，配置定时器实现1ms延时：
  • 时钟源=72MHz，分频后1MHz → 计数值=1000（1ms）。

5.2 计数器（Counter）

计数器用于统计外部事件（如脉冲信号、传感器触发）。

工作原理：

• 外部输入信号：通过GPIO或专用引脚接入（如编码器输出）。
• 计数方式：
  • 上升沿/下降沿计数：每检测到一个边沿，计数值+1。
  • 方向计数：支持加减计数（如正交编码器）。

示例：

• 工业流水线上用计数器统计产品数量（光电传感器触发）。

5.3 定时器与计数器的关系

• 定时器本质是计数器：但时钟源固定（内部时钟）。

• 计数器可作定时器：若外部信号频率已知（如1Hz方波）。

• 定时器计数值计算：

  • 已知时钟频率$f_{clk}$和分频系数$PSC$，定时时间$T$为：
    $$T=\frac{(ARR+1)\times (PSC+1)}{f_{clk}}$$
    • $ARR$：自动重载值（设定计数值）。
    • $PSC$：预分频系数（降低计数频率）。

上面公式要“+1”是因为ARR和PSC都是从0开始算的。

6. 嵌入式系统总线及通信接口技术

6.1 板级与板间总线技术

6.1.1 PCI (Peripheral Component Interconnect)

基本原理：PCI总线是一种同步的32位或64位并行总线，采用主从架构，工作频率为33MHz或66MHz。它使用地址/数据复用技术，通过集中式仲裁机制管理总线访问。

特点：

• 带宽：32位/33MHz配置下理论带宽为133MB/s
• 拓扑结构：支持总线型拓扑，最多可连接10个电气负载
• 即插即用：支持自动配置（通过PCI配置空间）
• 中断共享：允许多个设备共享中断线
• 优势：低延迟、高可靠性，广泛用于PC和嵌入式系统
• 局限：并行总线受时钟偏斜影响，频率提升受限

典型应用：早期的显卡、网卡、声卡等扩展卡

实际上严格来说32位/33MHz配置下理论带宽为132MB/s，但是行业通用133MB/s表示。

6.1.2 PCI Express (PCIe)

基本原理：PCIe采用点对点串行连接，使用差分信号传输，基于数据包进行通信。采用分层架构（事务层、数据链路层和物理层），支持多通道绑定。

特点：

• 带宽：单通道(x1)v1.0为250MB/s，v4.0 x16可达32GB/s
• 拓扑结构：星型拓扑，通过Switch扩展连接
• 差分信号：使用LVDS技术，抗干扰能力强
• 高级特性：支持热插拔、QoS、虚拟化等
• 能效比：相比PCI功耗更低，带宽更高

版本演进：

版本	发布时间	单通道速率	编码效率	x16带宽
1.0	2003	2.5GT/s	8b/10b	4GB/s
2.0	2007	5GT/s	8b/10b	8GB/s
3.0	2010	8GT/s	128b/130b	16GB/s
4.0	2017	16GT/s	128b/130b	32GB/s
5.0	2019	32GT/s	128b/130b	64GB/s

典型应用：现代显卡、NVMe SSD、高速网卡等

PCIe的详细介绍可以参考此前文章：【自动驾驶汽车通讯协议】深入理解PCI Express（PCIe）技术

6.1.3 EISA (Extended Industry Standard Architecture)

基本原理：EISA是ISA总线的32位扩展，保持向后兼容，使用更深的插槽设计。采用同步总线协议，时钟频率8MHz。

特点：

• 带宽：32位带宽，理论传输率33MB/s
• 总线仲裁：支持多主控总线仲裁
• 配置机制：通过特定端口和配置文件进行手动配置
• 局限：已被PCI取代，复杂性高但性能提升有限

典型应用：早期的服务器和高性能工作站

6.1.4 VME (VersaModule Eurocard)

基本原理：VME总线采用Eurocard机械标准，定义多级并行总线架构（数据传输总线、仲裁总线、中断总线等）。支持多主控架构，采用异步协议。

特点：

• 带宽：32位版本理论带宽40MB/s，VME64x可达160MB/s
• 机械结构：坚固的Eurocard结构，适合工业环境
• 实时性：确定性的总线仲裁机制
• 扩展性：支持多达21个插槽的背板系统
• 标准体系：IEEE 1014标准，长期稳定支持

典型应用：军事、航空航天、工业控制系统

6.1.5 CompactPCI (CPCI)

基本原理：CPCI将PCI电气标准与Eurocard机械结构相结合，使用2mm高密度连接器，支持热插拔。

特点：

• 带宽：与PCI相同，32位/33MHz为133MB/s
• 连接器：J1/J2用于PCI总线，J3-J5用于用户定义I/O
• 可靠性：符合IEC-1101抗震标准
• 热插拔：支持带电插拔（需特殊设计）
• 衍生产品：CompactPCI Serial（改用PCIe协议）

典型应用：电信设备、工业控制系统、军用电子

6.1.6 PCMCIA (PC Card)

基本原理：PCMCIA标准定义了68针的紧凑型扩展接口，最初用于内存扩展，后发展为通用I/O接口。

类型：

• Type I：3.3mm厚，主要用于内存
• Type II：5mm厚，通用I/O设备
• Type III：10.5mm厚，大容量存储

后续发展：ExpressCard标准取代了PCMCIA，采用PCIe和USB接口

典型应用：早期的笔记本网卡、调制解调器、存储卡

6.2 设备互连接口技术

6.2.1 USB (Universal Serial Bus)

这个不用上图了吧……

版本演进：

版本	发布时间	速率	电流	特性
USB1.0	1996	1.5Mbps	100mA	低速设备支持
USB1.1	1998	12Mbps	500mA	全速规范
USB2.0	2000	480Mbps	500mA	高速模式，广泛普及
USB3.0	2008	5Gbps	900mA	SuperSpeed，全双工
USB3.1	2013	10Gbps	2A	SuperSpeed+，Type-C接口
USB3.2	2017	20Gbps		多通道操作
USB4	2019	40Gbps		基于Thunderbolt 3，PCIe隧道

拓扑结构：树形拓扑，最多支持127个设备，通过Hub扩展

关键特性：

• 热插拔：支持即插即用和热插拔
• 供电能力：USB PD规范可提供高达100W功率
• 协议栈：包含物理层、链路层、协议层和应用层
• Type-C：可逆插接，支持Alternate Mode（DP、Thunderbolt等）

典型应用：外设连接、移动设备充电、数据存储

6.2.2 串口 (UART/RS-232/RS-485)

UART基础：

• 帧格式：起始位(1)+数据位(5-8)+校验位(可选)+停止位(1-2)
• 波特率：常见300-115200bps，最高可达数Mbps（取决于硬件）
• 全双工：独立收发通道

RS-232：

• 电平标准：±3V至±15V（负逻辑）
• 距离：理论最大15米（115200bps时实际<5米）
• 连接器：DB9或DB25

RS-485：

• 差分传输：抗干扰能力强
• 多点通信：支持32个驱动器/接收器
• 距离：可达1200米（低速时）
• 半双工：需要方向控制

典型应用：工业设备控制、传感器接口、调试终端

UART的详细介绍请见此前文章：【自动驾驶汽车通讯协议】UART通信详解：理解串行数据传输的基石

6.2.3 红外通信 (IrDA)

基本原理：使用红外LED进行近距离无线通信，基于异步串行协议

版本：

• SIR：最高115.2kbps（兼容UART）
• MIR：1.152Mbps
• FIR：4Mbps
• VFIR：16Mbps

特点：

• 距离：通常<1米，定向通信
• 安全：不易被窃听（需视线范围内）
• 功耗：低于RF技术
• 局限：易受环境光干扰，需对准

典型应用：旧式手机数据传输、遥控器、医疗设备

6.2.4 并口 (IEEE 1284)

模式：

• SPP：标准模式，单向输出
• EPP：增强型，双向500KB/s
• ECP：扩展能力端口，使用DMA，2MB/s

连接器：DB25或36针Centronics

现状：已被USB取代，但在某些工业设备中仍有使用

6.2.5 SPI (Serial Peripheral Interface)

四线制：

• SCLK：时钟（主设备产生）
• MOSI：主出从入
• MISO：主入从出
• SS：片选（低有效）

特点：

• 全双工：同时收发
• 速度：可达50MHz（短距离）
• 无寻址：依赖硬件片选
• 模式：通过CPOL/CPHA配置时钟极性相位

变种：

• Dual SPI：使用MOSI/MISO进行双工传输
• Quad SPI：新增DATA2/DATA3线提升带宽

典型应用：Flash存储器、传感器、显示屏

SPI详细介绍请见此前文章：【自动驾驶汽车通讯协议】SPI通讯：深入理解与应用

6.2.6 I²C (Inter-Integrated Circuit)

两线制：

• SCL：串行时钟
• SDA：串行数据（开漏输出）

特性：

• 多主控：支持总线仲裁
• 寻址：7位或10位地址模式
• 速度：
  • 标准模式：100kbps
  • 快速模式：400kbps
  • 高速模式：3.4Mbps
  • 超快模式：5Mbps
• 上拉电阻：典型值1kΩ-10kΩ（取决于总线电容）

协议帧：

起始位 | 地址字节(R/W) | ACK | 数据字节 | ACK/NACK | ... | 停止位

典型应用：EEPROM、温度传感器、RTC芯片

I²C的详细介绍请见此前文章：【自动驾驶汽车通讯协议】I2C（IIC）总线通讯技术详解

6.2.7 IEEE 1394 (FireWire)

版本：

• 1394a：400Mbps，电缆长度4.5米
• 1394b：800Mbps，电缆长度100米（光纤）

特点：

• 对等网络：支持设备间直接通信
• 等时传输：保障带宽，适合音视频
• 供电：通过电缆提供45W功率
• 拓扑：最多63节点，支持树形和菊花链

与USB对比：

• 更低CPU占用
• 更确定的延迟
• 更复杂的协议栈

典型应用：专业视频设备、音频接口

6.2.8 CAN (Controller Area Network)

帧类型：

• 数据帧：携带实际数据
• 远程帧：请求数据
• 错误帧：指示错误状态
• 过载帧：请求延迟

仲裁机制：基于标识符的非破坏性逐位仲裁（低ID优先级高）

版本：

• CAN2.0A：11位标识符
• CAN2.0B：29位标识符
• CAN FD：灵活数据速率，最高5Mbps

物理层：

• 差分电压：CAN_H 2.5-3.5V，CAN_L 1.5-2.5V
• 终端电阻：120Ω（两端各一个）

典型应用：汽车电子、工业控制、医疗设备

6.3 网络通信技术

6.3.1 以太网 (Ethernet)

标准演进：

标准	速率	介质	编码	最大距离
10BASE-T	10Mbps	双绞线Cat3	Manchester	100m
100BASE-TX	100Mbps	双绞线Cat5	4B5B	100m
1000BASE-T	1Gbps	双绞线Cat5e	PAM-5	100m
10GBASE-T	10Gbps	双绞线Cat6a	128-DSQ	100m
40GBASE-SR4	40Gbps	多模光纤	NRZ	100m
100GBASE-LR4	100Gbps	单模光纤	PAM4	10km

MAC协议：CSMA/CD（传统以太网），全双工模式下无需冲突检测

帧结构：

前导码(7B) | SFD(1B) | 目的MAC(6B) | 源MAC(6B) | 类型/长度(2B) | 数据(46-1500B) | FCS(4B)

工业变种：

• EtherCAT：实时以太网，从站处理帧"on the fly"
• PROFINET：支持IRT（等时实时）通信
• Power over Ethernet：IEEE 802.3af/at/bt，最高90W供电

6.3.2 WLAN (IEEE 802.11)

标准对比：

标准	频段	最大速率	调制方式	MIMO	特点
802.11a	5GHz	54Mbps	OFDM	-	早期标准，干扰少
802.11b	2.4GHz	11Mbps	DSSS	-	普及广，干扰多
802.11g	2.4GHz	54Mbps	OFDM/DSSS	-	兼容b，性能提升
802.11n	2.4/5GHz	600Mbps	OFDM	4×4	引入MIMO，帧聚合
802.11ac	5GHz	6.93Gbps	OFDM	8×8	更宽信道(160MHz)，256QAM
802.11ax	2.4/5/6GHz	9.6Gbps	OFDMA	8×8	WiFi6，高效频谱利用

安全协议：

• WEP：已被破解，不安全
• WPA：TKIP加密
• WPA2：强制AES-CCMP
• WPA3：SAE握手，192位加密

嵌入式考虑：

• 低功耗模式（PS-Poll）
• 简化协议栈（LWIP）
• 天线设计（PCB天线 vs 外接天线）

6.3.3 蓝牙 (Bluetooth)

版本演进：

版本	关键特性	最大速率	距离
1.x	基础速率，易受干扰	1Mbps	10m
2.x+EDR	增强数据速率	3Mbps	30m
3.0+HS	802.11作为传输层	24Mbps	与WiFi同
4.x LE	低功耗，蓝牙智能	1Mbps	100m(理论)
5.0	2Mbps PHY，长距离，广播扩展	2Mbps	300m

协议栈：

• 控制器：PHY+LL（硬件实现）
• 主机：L2CAP、ATT、GATT、GAP等
• 配置文件：基于GATT的服务定义（如HID、A2DP）

Mesh网络：基于广播的泛洪网络，支持多跳通信

6.3.4 Zigbee (IEEE 802.15.4)

ZigBee是一种基于IEEE 802.15.4标准的低功耗、低速率的无线通信技术，主要面向物联网和嵌入式设备组网，典型传输距离10-100米。

ZigBee支持星型、树型和网状网络拓扑，单个网络可容纳超过6.5万个节点，具有自组网和自修复能力。其协议栈包含物理层、MAC层、网络层和应用层，采用AES-128加密保障安全。

由于极低的功耗特性（终端设备电池可工作数年），ZigBee广泛应用于智能家居（如灯光控制、安防传感器）、工业自动化（无线传感器网络）、智能电表和医疗监护等领域。相比Wi-Fi和蓝牙，ZigBee以更低的成本和功耗实现设备间可靠的中低速数据传输。

网络拓扑：

• 星型：协调器为中心
• 树型：带路由功能
• 网状：多跳自组织

协议栈：

• PHY：2.4GHz(全球)、915MHz(美洲)、868MHz(欧洲)
• MAC：CSMA-CA，保障时隙(GTS)
• NWK：路由管理
• APS：端点管理
• ZDO：设备管理

特点：

• 低功耗：终端设备可电池供电数年
• 低速率：250kbps(2.4GHz)
• 高节点数：支持65000+节点
• 安全：AES-128加密

6.3.5 AFDX (Avionics Full-Duplex Switched Ethernet)

航空电子特性：

• 确定性延迟：通过虚拟链路(VL)保障
• 冗余管理：双冗余网络
• 流量管制：带宽分配间隙(BAG)控制
• 帧格式：基于标准以太网，但增加序列号等字段

参数配置：

• BAG：典型值1ms-128ms
• Smax：最大帧大小（通常1024字节）
• Jitter：严格控制在几十微秒内

6.3.6 FC (Fibre Channel)

拓扑结构：

• 点对点：简单连接
• 仲裁环：FC-AL，最多126节点
• 交换结构：Fabric，数千节点

协议层：

• FC-0：物理层（光纤/铜缆）
• FC-1：编码/解码（8b/10b）
• FC-2：帧协议
• FC-3：公共服务
• FC-4：上层协议映射（如SCSI）

速率：1GFC至128GFC（当前主流16G/32G）

应用：存储区域网络(SAN)、航空电子

6.4 高速串行通信接口

6.4.1 Serial RapidIO (sRIO)

协议分层：

• 物理层：1x/4x链路，2.5/3.125/5/6.25Gbaud
• 传输层：包路由（8/16位设备ID）
• 逻辑层：直接IO/DMA/消息传递

包结构：

• 控制符号：链路维护
• 数据包：最大256字节有效载荷

特点：

• 低延迟：亚微秒级
• 高可靠：CRC校验，链路级重传
• 拓扑：支持星型、网状、树型
• 应用：无线基站、雷达、高性能计算

6.4.2 Select IO

Xilinx FPGA技术：

• 电压标准：支持LVCMOS、LVDS、HSTL等
• 阻抗匹配：可编程驱动强度与终端
• Bank划分：不同Bank可配置不同电压
• 高速接口：
  • HP Bank：最高1.8Gbps
  • HR Bank：最高950Mbps

设计考虑：

• 信号完整性分析
• IBIS模型仿真
• 时序约束管理

6.5 移动通信接口

6.5.1 3G (UMTS/WCDMA)

关键技术：

• 宽带扩频：5MHz信道
• 功率控制：1500Hz快速功控
• 核心网：分组交换与电路交换并存

演进路线：

• HSDPA：下行14.4Mbps
• HSUPA：上行5.76Mbps
• HSPA+：64QAM，MIMO，84Mbps

6.5.2 4G (LTE/LTE-Advanced)

核心技术：

• OFDMA：下行，抗多径干扰
• SC-FDMA：上行，低峰均比
• MIMO：最多8×8配置
• 全IP：无电路交换回退

载波聚合：

• Intra-band：同频段连续/非连续
• Inter-band：跨频段聚合
• 最大带宽：100MHz(5CA)

性能指标：

• 延迟：用户面<5ms
• 速率：理论下行3Gbps(4×4 MIMO+256QAM+5CA)

6.5.3 5G (NR)

创新技术：

• 毫米波：24GHz以上频段
• Massive MIMO：64/128天线阵列
• 波束赋形：动态波束跟踪
• 灵活 numerology：可配置子载波间隔
• 网络切片：逻辑专网

三大场景：

• eMBB：增强移动宽带（20Gbps峰值）
• URLLC：超可靠低延迟（1ms延迟）
• mMTC：大规模机器通信（百万/km²连接）

嵌入式应用：

• C-V2X车联网
• 工业物联网
• AR/VR实时传输

总结与选型建议

总线/接口选择矩阵：

需求	推荐技术
板内高速互连	PCIe、RapidIO
低功耗传感器网络	I2C、SPI、Zigbee
工业控制	CAN、PROFINET、EtherCAT
移动设备连接	USB-C、Bluetooth 5
高可靠航空电子	AFDX、FC
无线宽带	5G NR、802.11ax
长距离有线通信	RS-485、工业以太网