小柴冲刺软考中级嵌入式系统设计师系列二、嵌入式系统硬件基础知识（6）嵌入式系统总线及通信接口

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小柴冲刺软考中级嵌入式系统设计师系列总目录

一、PCI、PCI-E 等接口基本原理与结构

1、PCI

(1)高速性。

(2)即插即用性。

(3)可靠性。

(4)复杂性。

(5)自动配置。

(6)共享中断。

(7)扩展性好。

(8)多路复用。

(9)严格规范。

2、PCI-E

3、EISA

4、VME

5、CPCI

6、PCMCIA

二、USB、串口等基本原理与结构

1、USB

2、串口

RS-232C串口

RS-485 串口

3、红外

4、并口

IEEE 488

SCSI

MXI

5、SPI

6、IIC

7、IEEE 1394

8、CAN

三、以太网、WLAN 等基本原理与结构

1、以太网

2、WLAN

3、蓝牙

4、ZigBee

5、WiFi

6、GPRS

7、3G

8、AFDX

9、FC

四、Rapid IO 等基本原理与结构

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一、PCI、PCI-E 等接口基本原理与结构

1、PCI

外设部件互连标准(Peripheral Component Interconnect，PCI)总线是当前最流行的总线之一，它是由 Intel 公司 1992 年推出的一种总线标准。它定义了 32 位数据总线，且可扩展为 64 位。

(1)高速性。

PCI局部总线以 33MHz 的时钟频率操作，采用 32 位数据总线，数据传输速率可高达 132Mb/s，远超过以往各种总线。而早在 1995 年6月推出的 PCI 总线规范 2。PCI总线的主设备可与微机内存直接交换数据，而不必经过微机 CPU 中转，也提高了数据传送的效率。

(2)即插即用性。

在使用 ISA 板卡时，有两个问题需要解决:

一是在同一台微机上使用多个不同厂家、不同型号的板卡时，板卡之间可能会有硬件资源上的冲突;
二是板卡所占用的硬件资源可能会与系统硬件资源(如声卡、网卡等)相冲突。

而 PCI板卡的硬件资源则是由微机根据其各自的要求统一分配，绝不会有任何的冲突问题。因此，作为 PCI板卡的设计者，不必关心微机的哪些资源可用，哪些资源不可用，也不必关心板卡之间是否会有冲突。因此，即使不考虑PCI总线的高速性，单凭其即插即用性，就比ISA 总线优越了许多。

(3)可靠性。

PCI独立于处理器的结构，形成一种独特的中间缓冲器设计方式，将中央处理器子系统与外围设备分开。这样用户可以随意增添外围设备，以扩充电脑系统而不必担心在不同时钟频率下会导致性能的下降。与原先微机常用的 ISA 总线相比，PCI总线增加了奇偶校验错、系统错、从设备结束等控制信号及超时处理等可靠性措施，使数据传输的可靠性大为增加。

(4)复杂性。

PCI总线强大的功能大大增加了硬件设计和软件开发的实现难度。硬件上要采用大容量、高速度的复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device,CPLD)或 FPGA 芯片来实现 PCI总线复杂的功能。软件上则要根据所用的操作系统，用软件工具编制支持即插即用功能的设备驱动程序。

(5)自动配置。

PCI总线规范规定 PCI插卡可以自动配置。

PCI定义了3种地址空间:

存储器空间
输入/输出空间
配置空间

每个 PC设备中都有 256 字节的配置空间用来存放自动配置信息，当PCI插卡插入系统，BIOS(BasicImnput Output System)将根据读到的有关该卡的信息，结合系统的实际情况为插卡分配存储地址、中断和某些定时信息

(6)共享中断。

PCI总线是采用低电平有效方式，多个中断可以共享一条中断线，而 ISA 总线是边沿触发方式。

(7)扩展性好。

如果需要把许多设备连接到 PCI总线上，而总线驱动能力不足时可以采用多级 PCI总线，这些总线上均可以并发工作，每个总线上均可挂接若于设备因此 PCI总线结构的扩展性是非常好。由于PCI的设计是要辅助现有的扩展总线标准，因此与 ISA、EISA 及 MCA 总线完全兼容。

(8)多路复用。

在PCI总线中为了优化设计采用了地址线和数据线共用一组物理线路，即多路复用。PCI接插件尺寸小，又采用了多路复用技术，减少了元器件和管脚个数，提高了效率。

(9)严格规范。

PCI总线对协议、时序、电气性能、机械性能等指标都有严格的规定，保证了 PCI的可靠性和兼容性。由于 PCI总线规范十分复杂，其接口的实现就有较高的技术难度。

2、PCI-E

自从 IBM 兼容 PC 问世以来，PC 上已经先后出现过多种总线类型了，每种接口使用的电压都不同，并不能兼容，要解决这种情况，就只能推出一个大一统的新标准取代这些杂乱的总线标准。

英特尔公司联合众多 PC 公司成立了 PCI-SIG 组织，在: 2000 年前后陆续推出 PCIExpress(PCI-E)总线标准。PCI-Express 的原名为 3GIO(The 3rd Generation Input Output)，是出 Intel 首先提出的，顾名思义，Intel 当初提出时就是要将它作为第三代 IO 接口标准(第一代 IO 接口标准是 ISA，第二代 IO 接口标准是 PCI)，后来，Imntel将 3GI0 标准转交给 PCL-SIG(PCI总线特殊兴趣小组)，名字被改为“PCI-Express”，并进行了标准化。

PCI-Express 总线的基本架构包括

根组件(Root Complex)
根组件可以集成在北桥芯片中，用于处理器和内存子系统与 IO之间的连接
交换器(Switch)
交换器的功能通常以软件的形式提供，包括多个逻辑 PCI到 PCI的桥连接以及与传统 PCI设备的兼容性，在 PCI-Express 架构中出现的新设备是交换器，主要用来为 IO 总线提供输出端，它也支持在不同终端设备间进行对等数据传输
各种终端设备(Endpoint)

3、EISA

EISA 总线是 1988年由 Compaq等9家公司联合推出的总线标准。它是在 ISA 总线的基础上使用双层插座，在原来 ISA 总线的 98 条信号线上又增加了 98 条信号线，也就是在两条 ISA 信号线之间添加一条 EISA 信号线。在实用中，EISA 总线完全兼容 ISA 总线信号。

4、VME

VME 总线是一种通用的计算机总线，结合了Motorola 公司 Versa 总线的电气标准和在欧洲建立的 Eurocard 标准的机械形状因子。它定义了一个在紧密耦合(closely coupled)硬件构架中可进行互连数据处理、数据存储和连接外围控制器件的系统。经过多年的改造升级，VME 系统已经发展的非常完善，围绕其开发的产品遍及了工业控制、军用系统、航空航天、交通运输和医疗等领域。

VME 的数据传输机制是异步的，有多个总线周期，地址的宽度是16、24、32、40或 64 位，数据线路的宽度是 8、16、24、32、64 位，系统可以动态的选择它们。它的数据传输方式为异步方式，因此只受制于信号交换协议，而不依赖于系统时钟:其数据传输速率为 0~500Mb/s;此外，还有 Unaligned Data 传输能力，误差纠正能力和自我诊断能力，用户可以定义 IO 端口;其配有 21 个插卡插槽和多个背板，在军事应用中可以使用传导冷却模块。

5、CPCI

Compact PCI(Compact Peripheral Component Interconnect,CPC)，是国际工业计算机制造者联合会(PCI Industrial Computer Manufacturer’s Group，PICMG)于 1994 年提出来的一种总线接口标准，是以 PCI电气规范为标准的高性能工业用总线。为了将 PCISIG 的 PCI总线规范用在工业控制计算机系统,1995年11月PCI工业计算机制造者联合会(PICMG)颁布了 CPCI 规范 1.0 版，以后相继推出了 PCI-PCIBridge 规范、ComputerTelephony TDM 规范和 User-defined //O pin assignment 规范。

在电气特性上，CPCI总线以 PCI电气规范为基础，解决了 VE等总线技术与PCI总线不兼容的问题，使得基于 PC 的 x86 架构、硬盘存储等技术能在工业领域使用。同时由于在接口等地方做了重大改进，使得采用 CPCI 技术的服务器、工控电脑等拥有了高可靠性、高密度的优点。在机械结构上，CPCI总线结构使用了欧卡连接器和标准 3U、6U板卡尺寸。此外，CPCI总线具有很好的抗震性和通风性，而且还可以从前面板拔插板卡，使更换和维修板卡极为方便。

6、PCMCIA

PCMCIA 是英文 Personal Computer Memory Card InternationaL Association 的缩写,PCMCIA 是专门用在笔记本或PDA、数码相机等便携设备上的一种接口规范(总线结构)PCMCIA 定义了三种不同形式的卡，它们的长宽都是 85.6mmx54mm，只是在厚度方面有所不同。

Type I是最早的 PC 卡，厚 3.3mm，主要用于 RAM 和 ROM;
Type II将厚度增至 5.5mm，适用范围也大大扩展包括了大多数的 Modem(调制解调器)和 FaxModem(传真调制解调器)，LAN 适配器和其他电气设备;
Type III 则进一步增大厚度到 10.5mm这种 PC 卡主要用于旋转式的存储设备(例如硬盘)。

PCMCIA 总线分为两类，一类为16 位的 PCMCIA;另一类为 32 位的 CardBus。CardBus 是一种用于笔记本计算机的新的高性能 PC 卡总线接口标准，就像广泛地应用在台式计算机中的 PCI总线一样。该总线标准与原来的 PC 卡标准相比，具有以下的优势:

32 位数据传输和 33MHz 操作。CardBus 快速以太网 PC 卡的最大吞吐量接近90 Mb/s，而 16 位快速以太网 PC 卡仅能达到 20~30 Mb/s。
总线自主。使 PC 卡可以独立于主 CPU,与计算机内存间直接交换数据,这样 CPU就可以处理其他的任务。
3.3V 供电，低功耗。提高了电池的寿命，降低了计算机内部的热扩散，增强了系统的可靠性。
后向兼容 16 位的 PC卡。老式以太网和 Modem 设备的 PC卡仍然可以插在 CardBus插槽上使用。

二、USB、串口等基本原理与结构

1、USB

通用串行总线(Universal Serial Bus,USB)是由 Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft.NEC、Northem Telecom 等7家世界著名的计算机和通信公司在 1994年共同推出的一种新型接口标准。它基于通用连接技术，实现外设的简单快速连接，达到方便用户、降低成本、扩展 PC 连接外设范围的目的。它可以为外设提供电源，而不像普通的使用串、并口的设备需要单独的供电系统。另外，快速是 USB 技术的突出特点之一，USB 2.0的理论最大传输速率可达 480Mb/s。USB 还能支持多媒体，但是不能通过 USB 进行计算机的互连。从 1994年 11月 11 日发表了 USB VO.7 版本以后，USB 版本经历了多年的发展,到现在已经发展为 3.0 版本。

USB 为所有的 USB 外设提供了单一的易于使用的标准的连接类型。这样一来就简化了 USB 外设的设计，同时也简化了用户在判断哪个插头对应哪个插槽时的任务，实现了单一的数据通用接口。

整个 USB 的系统只有一个端口和一个中断节省了系统资源。

USB 支持热插拔和 PNP(Plug-and-Play)，也就是说在不关闭 PC 的情况下可以安全的插上和断开 USB 设备。计算机系统动态地检测外设的插拔,并且动态地加载驱动程序。其他普通的外围连接标准，如 SCSI设备等必须在关掉主机的情况下才能插拔外围设备。USB 在设备供电方面可以通过 USB 电缆供电;也可以通过电池或者其他的电力设备来供电;或使用两种供电方式的组合，并且支持节约能源的挂机和唤醒式。为了适应各种不同类型外围设备的要求，USB 提供了四种不同的数据传输类型:控制传输、数据传输、中断数据传输和同步数据传输。同步数据传输可为音频和视频等实时设备的实时数据传输提供固定带宽。

USB 提供全速 12Mb/s 的速率和低速 1.5Mb/s 的速率来适应各种不同类型的外设，USB 2.0 还文持 480Mb/s 的高速传输速率。

USB 的端口具有很灵活的扩展性，一个 USB 端口串接上一个 USB Hub 就可以扩展为多个 USB 端口。

2、串口

所谓串行通信就是使数据一位一位地进行传输而实现的通信。当然，在实际传输中，如外部设备与 CPU 或计算机与计算机之间交换信息，是通过一对导线传送信息的。在传输中每一位数据都占据一个固定的时间长度。与并行通信相比，串行通信具有传输线少成本低等优点，特别适合远距离传送，其缺点是速度慢，若并行传送n位数据需时间T,则串行传送的时间最少为 nT。

RS-232C串口

RS-232C 是美国电子工业协会(Electronic IndustryAssociation，EIA)制定的一种串行物理接口标准。RS 是英文“推荐标准”的缩写，232 为标识号，C表示修改次数。
RS-232C 总线标准设有 25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道，在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、条接收线及一条地线。
RS-232C 标准规定的数据传输速率为每秒 50、75、100、150、300、600、1200、24004800、9600、19200 比特。RS-232C 标准规定，驱动器允许有 2500pF 的电容负载，通信距离将受此电容限制。例如，采用 150pF/ 的通信电缆时，最大通信距离为 15m;若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是 RS-232 属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于 20m 以内的通信。
嵌入式板卡上一般都配置有串口，并遵循 RS-232 总线标准。

RS-485 串口

在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用 RS-485 串行总线标准。RS-485 采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至 200my 的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。
RS-485 采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。RS-485 用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用RS-485 可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32 台驱动器和 32 台接收器。

3、红外

红外接口，英文简称为 IDA，是红外线数据标准协会(InftaredDataAssociation)的英文缩写。IDA 红外接口是一种红外线无线传输协议以及基于该协议的无线传输接口。支持 IDA 接口的掌上电脑，可以无线地向支持 IDA 的设备无线连接来实现信息资源的共享。

红外接口可以在同样具备红外接口的设备间进行信息交流，由于需要对接才能传输信息，安全性较强。缺点是通信距离短，通信过程中不能移动，遇障碍物通信中断，功能单一，扩展性差。

4、并口

并行接口，简称并口，也就是LPT接口，是采用并行通信协议的扩展接口。并行接口的数据传输率比串行接口快 8倍，标准并行接口的数据传输率为 1Mb/s，一般用来连接打印机、扫描仪等。所以并口又被称为打印口。

IEEE 488

IEEE 488 总线是并行总线接口标准。IEEE488总线用来连接系统，如微计算机、数字电压表、数码显示器等设备及其他仪器仪表均可用 EEE 488 总线装配起来。
IEEE 488 总线按照位并行、字节串行双向异步方式传输信号，连接方式为总线方式，仪器设备直接并联于总线上而不需中介单元，但总线上最多可连接15 台设备。最大传输距离为 20 米，信号传输速度一般为 500Kb/s，最大传输速度为 1Mb/s。

SCSI

SCSI 总线的原型是美国 Shugart 公司推出的，用于计算机与硬盘驱动器之间传输数据的 SASI(Shugart Associates System Interface)总线，1986 年成为美国国家标准 ANSIX3.131，改名为 SCSI 总线(Small Computer System Interface)。
其数据线为9位，速度可达 5Mb/s，传输距离 6m(加驱动器可达 25m)，经改进又陆续推出 SCSI-2 Fast and Wide和 SCSI-3(又称 UItra SCSI)总线，原 SCSI 总线改称 SCSI-1 总线。
该总线的传输速率很高，现已普遍用作计算机的高速外设总线，如连接高速硬盘驱动器。许多高速数据采集系统也用它与计算机互连，目前仍处在发展之中。

MXI

多系统扩展接口总线(Multi-system eXtension Interface bus，MXI)是一种高性能非标准的通用多用户并行总线，具有很好的应用前景。它是(National Instruments)公司于 1989 年推出的 32 位高速并行互连总线，最高速度可达 23Mb/s，传输距离 20m。MXI总线通过电缆与多个器件连接，采用硬件映像通信设计，不需要高级软件，一根 MXI电缆上可连接8个 MXI器件。
其电缆本身是相通的，MXI器件通过简单地读写相应的地址空间就可直接访问其他所有器件的资源而无需任何软件协议。目前，VXI总线的测控机箱大都用这种总线与计算机互连。它将成为 VXI总线机箱与计算机互连的事实上的标准总线。

5、SPI

串行外设接口(Serial PeripheralInterface，SPI)总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使 MCU 与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。SPI有三个寄存器分别为:控制寄存器 SPCR、状态寄存器 SPSR、数据寄存器 SPDR。外围设备包括 FLASHRAM、网络控制器、LCD 显示驱动器、A/D 转换器和 MCU 等。
SPI总线系统可直接与各个厂家生产的多种标准外围器件直接接口,该接口一般使用4 条线:串行时钟线(SCLK)、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线 MOSI 和低电平有效的从机选择线 NSS(有的 SPI接口芯片带有中断信号线 INT、有的 SPI接口芯片没有主机输出/从机输入数据线 MOSI。
接口信号特点:
MOSI:主器件数据输出，从器件数据输入;
MISO:主器件数据输入，从器件数据输出;
SCLK:时钟信号，由主器件产生，最大为PCLK/2，从模式频率最大为ICPU/2;
NSS:从器件使能信号，由主器件控制，有的IC会标注为CS(Chip Select)。

6、IIC

IIC(Inter-Integrated Circuit)总线是由飞利浦公司开发的两线式串行总线接口，用于连接微控制器及其外围设备。是微电子通信控制领域广泛采用的一种总线标准,如图 2-17所示。它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简单，器件封装形式小，通信速率较高等优点。

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IIC 接口特点:

IIC串行总线有两根信号线:
一根是双向的数据线 SDA;
另一根是时钟线 SCL。
所有接到 IIC 总线上的设备的串行数据都接到总线的 SDA 线,各设备的时钟线 SCL 接到总线的 SCL。
IIC总线上所有的外围器件都需要唯一的地址，地址由器件地址和引脚地址两部分构成，共7位。器件地址是 IIC器件固有的地址编码，器件出厂时就已经给定，不可更改。引脚地址由IIC总线外围器件的地址引脚(A2，A1，A0)决定，根据其在电路中接电源正极，接地或悬空的不同，形成不同的地址代码。引脚地址数决定了同一种器件可接入总线的最大数目。R/W(-)是方向位，R/W(-)-0表示主器件向从器件发送数据，R/W(-)-1 表示主器件读取从器件数据。
IIC规程运用主/从双向通信。IIC 总线的运行(数据传输)由主机控制。所谓主机即启动数据的传送时(发出启动信号)发出时钟信号，传送结束时发出停止信号的设备，通常主机是微处理器。被主机寻访的设备都称为从机。主机和从机的数据传送，可以由主机发送数据到从机，凡是发送数据到总线的设备称为发送器，也可以是从机发到主机。从总线上接收数据的设备被称为接收器。
总线上可能挂接有多个器件,有时会发生两个或多个主器件同时想占用总线的情况，这种情况叫做总线竞争。IIC 总线具有多主控能力，可以对发生在 SDA 线上的总线竞争进行仲裁，其仲裁原则是这样的:当多个主器件同时想占用总线时，如果某个主器件发送高电平，而另一个主器件发送低电平，则发送电平与此时 SDA 总线电平不符的那个器件将自动关闭其输出级。
总线竞争的仲裁是在两个层次上进行的。首先是地址位的比较如果主器件寻址同一个从器件，则进入数据位的比较，从而确保了竞争仲裁的可靠性。由于是利用IIC 总线上的信息进行仲裁，因此不会造成信息的丢失。

7、IEEE 1394

IEEE 1394 接口模式
IEEE 1394 接口是苹果公司开发的串行标准,俗称火线接口(FireWire)，完成于 1987年，1995 年被 IEEE 定为 IEEE 1394-1995 技术规范。IEEE 1394 分为两种传输方式:Backplane 模式和 Cable 模式。
Backplane 模式最小的速率也比 USB 1.1 最高速率高，分别为 12.5Mb/s、25Mb/s、50Mb/s，可以用于多数的高带宽应用。
Cable 模式是速度非常快的模式，分为 100 Mb/s、200 Mb/s 和 400 Mb/s 几种。1394A理论上能支持最长的线长度为 4.5m，标准正常传输速率为 100Mb/s，并且支持多达 63 个设备。
IEEE 1394 接口的通信协议具有三层，分别为:事务层、物理层、链路数据层。其中，事务层只支持异步传输，同步传输是由链路层提供的。
IEEE 1394 接口类型
IEEE 1394 接口有6 针和 4 针两种类型，如图 2-18 所示。
6 角形的接口为6针，小型四角形接口则为4针。两种接口的区别在于能否通过连线向所连接的设备供电。6针接口中有 4针是用于传输数据的信号线，另外2针是向所连接的设备供电的电源线。最早苹果公司开发的IEEE1394接口是6针的，后来，SONY 公司看中了它数据传输速率快的特点，将早期的6针接口进行改良，重新设计成为大家所常见的 4针接口，并且命名为iLINK。这种连接器如果要与标准的6导线线缆连接的话，需要使用转换器

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8、CAN

控制器局域网(Controller Area Network，CAN)总线是国际上应用最广泛的现场总线之一。最初，CAN 总线被汽车环境中的微控制器通信,在车载各电子控制装置(ElectricControl Unit，ECU)之间交换信息，形成汽车电子控制网络。

例如:发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中均嵌入 CAN 总线控制装置。

一个由 CAN 总线构成的单一网络中，理想情况下可以挂接任意多个节点，实际应用中节点数目受网络硬件的电气特性所限制。

例如:当使用Philips P82C250 作为 CAN 收发器时，同一网络中允许挂接 110 个节点。

CAN 可提供 1Mb/s的数据传输速率，虽然相对于以太网并不算高速，但是，这足以使实时控制变得非常容易。而且，CAN 总线是一种多主方式的串行通信总线。基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，并可以检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到 10km 时 CAN 总线仍可提供高达 50kb/s的数据传输速率。

由于 CAN 总线具有很高的实时性能。它已经在汽车工业、航空工业、工业控制、安全防护等领域中得到了广泛应用。

三、以太网、WLAN 等基本原理与结构

1、以太网

以太网接口一般分为十兆、百兆、千兆以太网接口,

(1)传统以太网接口符合 10Base-T物理层规范，工作速率为 10Mb/s，有全双工和半双工两种工作方式。

(2)快速以太网接口符合 100Base-TX 物理层规范，兼容 10Base-T 物理层规范，可以在 10Mb/s、100Mb/s 两种速率下工作，有半双工和全双工两种工作方式。它具有自动协商模式，可以与其他网络设备协商确定工作方式和速率，自动选择最合适的工作方式和速率，从而可以大大简化系统的配置和管理。传统以太网接口的配置与快速以太网接口的配置基本相同，但前者配置简单，配置项较少。

(3)千兆以太网技术作为最新的高速以太网技术，给用户带来了提高核心网络的有效解决方案，这种解决方案的最大优点是继承了传统以太技术价格便宜的优点。千兆技术仍然是以太技术，它采用了与 10Mb/s 以太网相同的帧格式、帧结构、网络协议、全/半双工工作方式、流控模式以及布线系统。

千兆以太网技术有两个标准:IEEE 802.3z和 IEEE 802.3ab。

IEEE 802.3z 工作组负责制定光纤(单模或多模)和同轴电缆的全双工链路标准。IEEE802.3z 定义了基于光纤和短距离铜缆的 1000Base-x，采用 8B/10B 编码技术，信道传输速度为 1.25Gb/s，去耦后实现 1000Mb/s 传输速度。
IEEE 802.3ab 工作组负责制定基于半双工链路的千兆以太网标准,产生 IEEE 802.3ab标准及协议。

以太网卡可以工作在两种模式下:半双工和全双工。

半双工:半双工传输模式实现以太网载波监听多路访问冲突检测。传统的共享LAN是在半双工下工作的，在同一时间只能传输单一方向的数据。当两个方向的数据同时传输时，就会产生冲突，这会降低以太网的效率。

全双工:全双工传输是采用点对点连接，这种安排没有冲突，因为它们使用双绞线中两个独立的线路，这等于没有安装新的介质就提高了带宽。在全双工模式下，冲突检测电路不可用，因此每个全双工连接只用一个端口，用于点对点连接。标准以太网的传输效率可达到 50%~60%的带宽，全双工在两个方向上都提供 100%的效率。

2、WLAN

WLAN(Wireless Local Area Network)是利用无线通信技术在一定的局部范围内建立的，是计算机网络与无线通信技术相结合的产物，它以无线多址信道作为传输媒介，提供传统有线局域网的功能。

WLAN 的覆盖范围一般在100m 以内，通过桥接可以达到更大的覆盖范围。传输介质为红外线或射频 RF 波段，以后者使用居多。

由于 WLAN 是基于计算机网络与无线通信技术的，在计算机网络结构中，逻辑链路控制(Logic Link Contros，LLC)层及其之上的应用层对不同物理层的要求可以是相同的，也可以是不同的，因此，WLAN 标准主要是针对物理层和媒质访问控制层(MediaAccess Control，MAC)，涉及到所使用的无线频率范围、空中接口通信协议等技术规范与技术标准。

(1)IEEE 802.11。1990年 IEEE 802 标准化委员会成立 IEEE 802.11WLAN 标准工作组。IEEE 802.11(又称 Wi-Fi，Wireless Fidelity，无线保真)是在 1997年6月由大量的局域网及计算机专家审定通过的标准，该标准定义了物理层和媒体访问控制(MAC)规范。物理层定义了数据传输的信号特征和调制，定义了两个 RF 传输方法和一个红外线传输方法，RF 传输标准是跳频扩频和直接序列扩频，工作在 2.4000~2.4835GHz频段。

(2)IEEE 802.11b。1999年9月 IEEE 802.11b 被正式批准，该标准规定 WAN 工作频段在 2.4~2.4835GHz，数据传输速率达到 11Mb/s，传输距离控制在 50~150 英寸。该标准是对 IEEE 802.11 的一个补充，采用补偿编码键控调制方式，采用点对点模式和基本模式两种运行模式。在数据传输速率方面可以根据实际情况在 11Mb/s、5.5Mb/s、2Mb/s、1Mbs 的不同速率间自动切换，它改变了 WLAN 设计状况，扩大了 WLAN 的应用领域。

(3)IEEE 802.11a。1999年，IEEE 802.1la标准制定完成，该标准规定 WLAN 工作频段在 5.15~8.825GHz，数据传输速率达到 54Mb/s或 72Mb/s(Turbo)，传输距离控制在 10~100m。该标准也是 IEEE 802.11 的一个补充，扩充了标准的物理层，采用正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Modulation，OFDM)的独特扩频技术，可提供25Mb/s 的无线 ATM 接口和 10Mbs 的以太网无线帧结构接口，支持多种业务，如话音、数据和图像等，一个扇区可以接入多个用户，每个用户可带多个用户终端。

(4)IEEE 802.11g。目前，IEEE 推出了最新版本 IEEE 802.11g认证标准，该标准提出拥有 IEEE 802.11a的传输速率,安全性较 IEEE 802.11b好,采用两种调制方式,含 IEEE802.1la 中采用的 OFDM 与 IEEE 802.11b 中采用的 CCK，做到与 IEEE 802.11a 和 IEEE802.11b 兼容。

3、蓝牙

蓝牙(Bluetooth)技术是由世界著名的5家大公司--Ericsson(爱立信)、Nokia(诺基亚)、Toshiba(东芝)、IBM(国际商用机器公司)和Intel(英特尔)，于1998年5月联合宣布的一种无线通信新技术。蓝牙技术的目的是使特定的移动电话、便携式电脑及各种便携式通信设备的主机之间在近距离内实现无缝的资源共享。

蓝牙技术的特点:

(1)传输距离短。目前蓝牙技术工作距离是 10m 以内，经过增加射频功率后可达到100m。该工作范围使得蓝牙技术可以保证较高的数据传输速率，同时可降低与其他电子产品和无线电技术的干扰。

(2)采用跳频扩频技术。将 2.4GHz~2.4835GHz 之间划分出 79 个频点，采用快速跳频，根据由主机和外设所构成的所谓 Piconet(微网)主单元确定的跳频次数为每秒钟1600 次。跳频技术的采用使蓝牙的无线链路自身具备了更高的安全性和抗干扰能力。最大的跳频速率为 1600 跳/s。

(3)采用时分复用多路访问技术。蓝牙的基带符号速率为 1Mbs，它采用数据包的形式按时隙传送，每时隙 0.625ms，不排除将来采用更高的符号速率。每个蓝牙设备均在自己的时隙中发送数据，这在一定程度上有效地避免了无线通信中的“碰撞”和“隐藏终端”等问题。

(4)网络技术。几个 Piconet 可以被连接在一起，并依靠跳频顺序识别每个 Piconet。同- Piconet 的所有用户都与这个跳频顺序同步，其拓扑结构可以被描述为多 Piconet 结构。在一个由 10 个独立的全负载 Piconet 组成的多 Piconet 结构中，全双工数据速率可超过 6MMb/s.

(5)语音支持。语音信道采用CVSD(连续可变斜率增量调制)语音编码方案，且从不重发语音数据包。CVSD 编码擅长处理丢失和被损坏的语音采样，即使错误率达到4%，经过 CVSD 编码处理的语音同样可以被识别。

(6)纠错技术。蓝牙技术采用的是 FEC(前向纠错)方案，其目的是为了减少数据重发的次数，降低数据传输负载。但是，要实现数据的无差错传输，FEC就必然要生成些不必要的开销比特而降低数据的传送效率。这是因为，数据包对于是否使用 FEC是弹性定义的。报头总有占 1/3 比例的 FEC 码起保护作用，其中包含了有用的链路信息。在无编号的 ARO 方案中，一个时隙中传送的数据必须在下一个时隙得到确认。只有数据在接收端通过了报头错误检测和循环几余检测后认为无错，才向发送端返回确认消息,否则将返回一个错误消息。

4、ZigBee

ZigBee 这个名字来源于蜂群的通信方式:蜜蜂之间通过跳 Zigzag 形状的舞蹈来交互消息，以便共享食物源的方向、位置和距离等信息。借此意义 ZigBee 作为新一代无线通信技术的命名。ZigBee 是基于 IEEE802.15.4 标准的低功耗局域网协议。根据国际标准规定，ZigBee 技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。

ZigBee 是一种高可靠的无线数传网络，类似于 CDMA 和 GSM 网络。ZigBee 数传模块类似于移动网络基站。ZigBee 是一个由可多到 65 000个无线数传模块组成的一个无线网络平台，在整个网络范围内，每一个网络模块之间可以相互通信，每个网络结点间的距离可以从标准的 75 米无限扩展。通信距离从标准的 75 米到几百米、几千米，并且支持无限扩展(依靠结点数增加)。与移动通信的 CDMA 网或 GSM 网不同的是，ZigBee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因而，它必须具有简单，使用方便，工作可靠，价格低的特点;而移动通信网主要是为语音通信而建立，每个基站价值一般都在几十万甚至上百万元人民币，而每个 ZigBee 网络“基站”(结点)却不到 1000 元人民币。

5、WiFi

WiFi 全称 Wireless Fidelity，又称 802.11b 标准，它的最大优点就是传输速度较高，可以达到 11Mb/s;另外它的有效距离也很长，同时也与已有的各种 802.11 DSSS 设备兼容。

WiFi第一个版本发表于 1997 年，其中定义了介质访问接入控制层(MAC层)和物理层。物理层定义了工作在 2.4GHz 的 ISM 频段上的两种无线调频方式和一种红外传输的方式，总数据传输速率设计为 2Mbs。两个设备之间的通信可以自由直接(ad hoc)的方式进行，也可以在基站 BS(Base Station)或访问点 AP(Access Point)的协调下进行

1999 年增加了两个补充版本:802.11a定义了在 5GHz的 ISM 频段上的数据传输速率可达 54 Mb/s 的物理层;802.11b 定义了在 2.4GHz的 ISM 频段上但数据传输速率高达 11 Mb/s 的物理层。2.4GHz 的 ISM 频段为世界上绝大多数国家通用，因此 802.11b 得到了最为广泛的应用。

WiFi 技术的突出优势在于:

(1)较广的局域网覆盖范围:WiFi的覆盖半径可达 100m 左右，相比于蓝牙技术覆盖范围较广，可以覆盖整栋办公大楼。

(2)传输速度快:WiFi技术传输速度非常快,可以达到 11Mb/s(802.11b)或者 54Mb/s(802.1la)，适合高速数据传输的业务。

(3)无须布线:WFi主要的优势在于不需要布线，可以不受布线条件的限制，因此非常适合移动办公用户的需要。在机场、车站、咖啡店、图书馆等人员较密集的地方设置“热点”，并通过高速线路将因特网接入上述场所。

(4)健康安全:IEEE 802.11 规定的发射功率不可超过 100mW,实际发射功率约 60~70mW，而手机的发射功率约 200mW~1W 间，手持式对讲机高达 5W。与后者相比，WiFi 产品的辐射更小。

6、GPRS

GPRS 中文是通用分组无线业务(General Packet Radio Service，GPRS)是 GSM 移动电话用户可用的一种移动数据业务。它经常被描述成“2.5G”，也就是说这项技术位于第二代(2G)和第三代(3G)移动通信技术之间。它通过利用 GSM 网络中未使用的 TDMA信道，提供中速的数据传递。最初有人想通过扩展 GPRS 来覆盖其他标准，只是这些网络都正在转而使用 GSM 标准，这样 GSM 就成了 GPRS 唯一能够使用的网络。GPRS 在Release 97 之后被集成进 GSM 标准,起先它是由 ETSI标准化的,但是当前已经移交 3GPP负责。

GPRS 区别于旧的电路交换(CSD)连接，连接在Release97之前(GSM 电话功能还没怎么开发)就已经包含进 GSM 标准中。在旧有系统中一个数据连接要创建并保持个电路连接，在整个连接过程中这条电路被独占直到连接被拆除。GPRS 基于分组交换也就是说多个用户可以共享一个相同的传输信道，每个用户只有在传输数据的时候才会占用信道。这就意味着所有的可用带宽可以立即分配给当前发送数据的用户，这样更多的间隙发送或者接受数据的用户可以共享带宽。Web 浏览、收发电子邮件和即时消息都是共享带宽的间歇传输数据的服务。

7、3G

3G 全称第三代移动通信技术，相对 1995 年问世的第一代模拟制式手机(1G)和1996-1997 年出现的第二代 GSM、CDMA 等数字手机(2G)，第三代手机一般是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统。

第三代手机能够处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。为了提供这种服务，无线网络必须能够支持不同的数据传输速度，也就是说，在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少2MB/S、384KB/s 以及 144KB/s 的传输速度。

国际上 3G 手机有三种制式标准:欧洲的 WCDMA 标准、美国的 CDMA2000 标准和由中国科学家提出的 TD-SCDMA 标准。

WCDMA
WCDMA，全称为 Wideband CDMA，也称为 CDMA Direct Spread，意为宽频分码多重存取，这是基于 GSM 网发展出来的 3G 技术规范，是欧洲提出的宽带 CDMA 技术,它与日本提出的宽带 CDMA 技术基本相同，目前正在进一步融合。WCDMA 的支持者主要是以 GSM 系统为主的欧洲厂商，包括欧美的爱立信、阿尔卡特、诺基亚、朗讯、北电，以及日本的 NTT、富士通、夏普等厂商。该标准提出了 GSM(2G)-GPRS-EDGE-WCDMA(3G)的演进策略。这套系统能够架设在现有的GSM 网络上，对于系统提供商而言可以较轻易地过渡。因此 WCDMA 具有先天的市场优势。WCDMA 已是当前世界上采用的国家及地区最广泛的，终端种类最丰富的一种 3G 标准，占据全球 80%以上市场份额。
CDMA2000
CDMA2000 是由窄带CDMA(CDMA IS95)技术发展而来的宽带 CDMA 技术，也称为 CDMA Multi-Carrier，它是由美国高通北美公司为主导提出，摩托罗拉、Lucent 和后来加入的韩国三星都有参与,韩国成为该标准的主导者。这套系统是从窄频 CDMAOne数字标准衍生出来的，可以从原有的 CDMAOne 结构直接升级到 3G，建设成本低廉。但使用 CDMA 的地区只有日、韩和北美，所以 CDMA2000 的支持者不如 W-CDMA 多。不过 CDMA2000的研发技术却是目前各标准中进度最快的，许多3G 手机已经率先面世。该标准提出了从 CDMAIS95(2G)-CDMA20001x-CDMA20003x(3G)的演进策略CDMA20001x被称为 2.5 代移动通信技术。CDMA20003x与 CDMA20001x 的主要区别在于应用了多路载波技术，通过采用三载波使带宽提高。中国电信正在采用这一方案向3G 过渡，并已建成了 CDMAIS95 网络。
TD-SCDMA
全称为 Time Division-Synchronous CDMA(时分同步 CDMA)，该标准是由中国大陆独自制定的 3G 标准，1999年6月29日，中国原邮电部电信科学技术研究院(大唐电信)向 ITU 提出，但技术发明始于西门子公司，TD-SCDMA 具有辐射低的特点，被誉为绿色3G。该标准将智能无线、同步 CDMA 和软件无线电等当今国际领先技术融于其中，在频谱利用率、对业务支持具有灵活性、频率灵活性及成本等方面的独特优势。另外，由于中国内地庞大的市场，该标准受到各大主要电信设备厂商的重视，全球一半以上的设备厂商都官布可以支持 TD-SCDMA 标准。该标准提出不经过 2.5 代的中间环节,直接向 3G过渡，非常适用于 GSM 系统向 3G 升级。军用通信网也是 TD-SCDMA 的核心任务。相对于另两个主要 3G 标准 CDMA2000 和 WCDMA，它的起步较晚，技术不够成熟。

8、AFDX

针对大型客机飞行关键项目和乘客娱乐等设施的复杂航空电子系统的不断增加，需要大量增加飞机上的航空总线的带宽并提高服务质量，产生了一种采用航空电子全双工通信以太网交换(AFDX)的解决方案。该方案是基于商业以太网标准，采用目前已被广泛接受的 IEEE 802.3/IP/UDP 协议，并增加了特殊的功能来保证带宽和服务质量，实现了低成本的快速开发。该方案还可以简化布线，减轻飞机重量，易于航空电子子系统的维护升级等。

AFDX 总线主要包含了 End System(终端)、Switch(交换机)、Link(链路)。它是基于一种网络概念而不是通常所说的总线形式，在这个网络上有交换机和终端两种设备终端之间的数据信息交换是通过 V(虚拟链路)进行的，, 起到了从一个唯一的源端到一个或多个目的端逻辑上的单向链接，且任意一个虚拟链路只能有一个源端。整个 AFDX 协议栈主要作用是有效、及时地封装处理接口端的发送和接收数据AFDX 的信息流程包含在链路层中。当在 AFDX 端口间传送信息时，牵涉到发送端口、AFDX 交换机和接收端口的协同工作，并配置合理的地址，使信息到达需要到达的端口。

9、FC

Fiber Channel(FC)是由美国标准化委员会(ANSI)的 X3T11 小组于 1988 年提出的高速串行传输总线，解决了并行总线 SCSI遇到的技术瓶颈。FC 总线技术由于具备高速率的数据传输特性、较高可靠性、可扩展性强等特点被认为是未来航空总线发展的主要数据总线之一。目前支持 1x、2x、4x和8x 的带宽连接速率，随着技术的不断发展该带宽还在不断进行扩展，以满足更高带宽数据传输的技术性能要求。

光纤通道具有如下特点:

(1)高带宽、多媒介、长距离传输:串行传输速率已由最初的 1Gb/s 提高到 4Gb/s,并且正在向更高速率、更大数据吞吐量发展，适用于不同模块间大规模应用数据(如音频、视频数据流)交换:以光纤、铜缆或屏蔽双绞线为传输介质，低成本的铜缆传输距离为 25m，多模光纤传输距离为0.5km，单模光纤传输距离为10km。

(2)可靠性与实时性:多种错误处理策略，32位 CRC校验，利用优先级不同适应不同报文要求，并解决媒介访问控制时的冲突，传输误码率低于10~12，端到端的传输延迟小于 10us，支持非应答方式与传感器数据传输。

(3)统一性与可扩展性:可以方便的增加和减少结点以满足不同应用需求，拓扑结构灵活，支持多层次系统互连，利用高层协议映射提高兼容和适应能力。可以把SCSI、IP、ATM 等协议映射到光纤通道上，以有效地减少物理器件与附加设备的种类并降低经济成本。

(4)开放式互连，遵循统一的国际标准。光纤通道(FC)是高吞吐量、低延时、包交换及面向连接的网络技术。整个标准系列还在不断的发展，其中用于航空领域-航空电子系统环境工程(FC-AE)的协议规范已经定制了5种，分别是:无签名的匿名消息传输(FC-AE-ASM)、MIL-STD-1553 高层协议(FC-AE-1553)、虚拟接口(FC-AE-VI)、FC 轻量协议(FC-AE-FCLP)、远程直接存储器访问协议(FC-AE-RDMA)。

四、Rapid IO 等基本原理与结构

Rapid IO 技术最初是由 Freescale 和 Mercury 共同研发的一项互连技术，其研发初衷是作为处理器的前端总线,用于处理器之间的互连。1999 年完成第一个标准的制定,2003年5月，Mercury Computer Systems 公司首次推出使用 Rapid IO 技术的多处理器系统[mpactRT 3100,表明 Rapid IO 已由一个标准制定阶段进展到产品阶段。到目前为止,Rapid IO 已经成为电信、通信以及嵌入式系统内芯片与芯片之间、板与板之间的背板互连技术的生力军。

Rapid IO 是针对嵌入式系统的独特互连需求而提出的。嵌入式系统需要的是一种标准化的互连设计，要满足以下几个基本的特点:高效率、低系统成本，点对点或是点对多点的通信，支持 DMA 操作，支持消息传递模式交换数据，支持分散处理和多主控系统，支持多种拓扑结构;另外，高稳定性和QOS也是选择嵌入式系统总线的基本原则。而这些恰是 Rapid IO 期望满足的方向。所以 Rapid IO 在制定之初即确定了以下几个基本原则:

(1)轻量型的传输协议，使协议尽量简单。

(2)对软件的制约要少，层次结构清晰。

(3)专注于机箱内部芯片与芯片之间，板与板之间的互连