调试嵌入式系统设计中的低速串行总线

　　引言

　　今天，嵌入式系统几乎遍布在人类社会的每个角落。嵌入式系统可以简单定义为属于大型系统或机器一部分的一种专用计算机系统，其目的是为该系统或机器提供监测和控制服务。典型的嵌入式系统在开机时会开始运行某些专用应用，直到关闭时才会停止。当前设计和生产的几乎每个电子设备都是嵌入式系统。嵌入式系统实例包括：

　　– 电子闹表
　　- 自动柜员机
　　– 移动电话蜂窝手机
　　– 计算机打印机
　　– 防抱死刹车控制器
　　– 微波炉
　　– 导弹使用的惯性引导系统
　　– DVD播放机
　　– 个人数字助理(PDA)
　　– 工业自动化和监测使用的可编程程控逻辑控制器(PLC)
　　– 便携式音乐播放机
　　– 可能还包括烤面包机…

　　嵌入式系统可能包含许多不同类型的设备，包括微处理器、微控制器、DSP、RAM、EPROM、FPGA、模数转换器、数模转换器和I/O。这些设备在传统上一直使用宽并行总线相互通信及与外部世界通信。然而今天，嵌入式系统设计中使用的越来越多的构件将用串行总线代替宽并行总线，原因如下：

　　– 减少了要布线路由的信号数量，降低了要求的电路板空间
　　– 降低了成本
　　– 降低了功率要求
　　– 减少了封装上的针脚数量
　　– 嵌入式时钟
　　– 差分信令，改善抗噪声能力
　　– 采用标准串行接口的器件大量供应

　　尽管串行总线提供了大量的优势，但它们也给嵌入式系统设计人员带来了某些重大挑战，因为它以串行方式传送信息，而不是以并行方式传送信息。本应用指南讨论了嵌入式系统设计人员的常用挑战，及怎样使用泰克新推出的DPO4000系列示波器中提供的功能迎接这些挑战。

　　并行与串行比较

　　在并行结构中，总线的每个组件都有自己的信号路径。可能有16条地址线、16条数据线、一条时钟线和各种其它控制信号。通过总线发送的地址或数据值会通过所有并行线路同时传送。因此，使用大多数示波器和逻辑分析仪中的状态触发或码型触发功能触发感兴趣的事件相对简便。同时，可以简便地一目了然地了解在示波器或逻辑分析仪显示屏上捕获的数据。例如，在图1中，我们使用逻辑分析仪从微控制器中采集时钟线、地址线、数据线和控制线。通过使用状态触发，我们隔离了我们查找的总线。为“解码”总线上发生的情况，我们需要查看每条地址线、数据线和控制线的逻辑状态。

　　在串行总线中，所有这些信息都必须以串行方式在相同的少数导线(有时是一条)上发送。这意味着一个信号可能包括地址信息、控制信息、数据信息和时钟信息。例如，看一下图2中所示的控制器区域网(CAN)串行信号。

　　这条消息包含帧头、标识符(地址)、数据长度代码、数据、CRC和帧尾及少量其它控制位。时钟嵌入在数据中，使用位填充位要保证接收设备拥有数量充足的边沿锁定时钟，这使情况变得进一步复杂化。即使是经过训练的眼睛序列眼图，也很难迅速了解这一消息的内容。现在想象一下这是一条有问题的消息，一天只发生一次，您需要触发采集这条消息。传统示波器和逻辑分析仪不能有效处理这类信号。

　　即使是比较简单的串行标准，如I2C，与并行协议相比，观察总线上传输的内容仍要明显困难得多。I2C 采用分开的时钟线和数据线，因此至少在本例中，您可以使用时钟作为参考点。但是，您仍需要找到消息开头(数据变低，时钟为高)，手动检查和记下每个时钟上升沿上的数据值，然后把各bit位整理成消息结构。在长采集中解码一条消息就会需要几分钟时间，而您不知道这是不是实际要找的消息。如果不是，您需要在下一条消息上重新开始这一麻烦的、容易出错的过程。最好只触发查找的消息内容，但多年来示波器的逻辑分析仪上使用的状态触发和码型触发并不能发挥作用。它们是为了考察多条通道中同时发生的问题设计的。为处理串行总线，其触发引擎深度必需有几千种状态(每个bit位一个状态)。即使存在这种触发功能，但为所有这些bit位逐个状态编程也不是件好玩的事。必须找到一种更好的方式！

　　DPO4000系列提供了一种更好的方式。下面几节重点介绍了可以怎样在嵌入式系统设计最常用的低速串行标准中采用DPO4000系列。

　　I2C

　　背景知识

I2C或“I squared C”是指集成电路间总线。它最初是飞利浦公司在20世纪80年代研制的，为把控制器连接到电视机上的外设芯片提供了一种低成本方式，但之后其已经发展成为嵌入式系统设备之间通信的一项全球标准。它采用简单的两线设计，广泛用于领先芯片制造商生产的各种芯片中，如I/O、模数转换器、数模转换器、温度传感器、微控制器和微处理器，芯片制造商则包括：Analog Devices, Atm