数据面

嵌入式系统中的设备种类繁多，从简单的传感器到复杂的网络控制器，每种设备都有其特定的通信方式。理解设备的物理链路是驱动开发和系统调试的基础，设备如何与 CPU 交换数据、如何触发中断、如何被操作系统管理，这些问题都归结到物理链路的设计。

物理层三层模型

在底层硬件开发中，我们将物理层进一步细分为协议层、电气层和介质层，以实现软硬件解耦。

协议层 (Protocol Layer)

物理层中最靠上的逻辑部分，负责比特流（Bitstream）的组织。不同的总线协议使用不同的组织方式，并且在研究不同的总线协议的时候，内部还会区分更多的逻辑分层。还有不使用总线协议的设备，在 linux 系统中统一划到平台设备总线上处理。

功能：

编码转换：如 8b/10b (PCIe Gen1/2), 128b/130b (PCIe Gen3+)。

数据处理：加扰（Scrambling）、成帧（Framing）、CRC 校验。

实例：PCIe 协议在此定义 Gen3/Gen4 等版本。无论物理接口是 M.2 还是 PCIe x16，其协议层逻辑是一致的。

电气层 (Electrical Layer)

关注信号的物理模拟特性，将上层的比特流转化成物理介质能够传播的形式。

功能：

信号类型：差分信号（Differential Signaling）、单端信号。

物理指标：电压摆幅、频率（如 PCIe 的 100MHz 参考时钟）、时钟恢复 (CDR)。

对比：PCIe 与 M.2 在电气层高度通用；而以太网（RJ45）则完全不同，需经过 PAM4/PAM16 调制，电压标准不兼容。

介质层 (Medium/Connector Layer)

即“介质依赖子层 (PMD)”，决定了接口的物理长相。主要包括线缆的材质和插头的形状。

常见实例：

PCIe 金手指：机箱内大功率、多通道接口。

M.2 (NGFF)：紧凑空间设计，引脚密，走 PCIe 协议。

RJ45：带变压器隔离，专为长距离铜缆设计。

USB: type A/B/C

平台设备通信

平台设备是那些无法通过标准总线协议自动发现的设备，它们通常通过内存映射 I/O (MMIO) 或 GPIO 与 CPU 通信。平台设备的通信链路直接、简单，但缺乏标准化。

总线设备通信

总线设备通过标准总线协议与 CPU 通信，如 I2C、SPI、PCIe、USB 等。总线设备的通信链路复杂、层次分明，但具有标准化的接口。

平台设备与总线设备的区别

从内核管理的角度看，平台设备和总线设备有本质区别。平台设备在系统启动时通过设备树或 ACPI 静态注册，总线设备通过总线枚举动态发现。平台设备直接挂载在平台总线上，总线设备挂载在各自的总线类型上。

从通信方式看，平台设备使用 MMIO 或 GPIO 直接通信，总线设备通过总线控制器间接通信。平台设备的地址空间固定，总线设备通过总线地址寻址。平台设备不支持热插拔，总线设备通常支持热插拔。

从驱动开发看，平台设备驱动需要知道设备的寄存器布局和配置细节，总线设备驱动可以使用通用的总线接口。平台设备驱动通常由芯片厂商或板卡厂商提供，总线设备驱动可以跨平台使用。

从性能角度看，平台设备的通信延迟通常低于总线设备，因为没有总线协议的开销。但总线设备的带宽和扩展性更好，适合高速数据传输和多设备场景。

在实际系统中，总线控制器本身就是平台设备。SPI 控制器通过 MMIO 配置，但它管理的 SPI 设备通过 SPI 总线通信。这种分层架构既保证了平台的灵活性，又保持了总线的标准化。