單片機(jī)常用的幾種通信接口，I2C、SPI、UART等

嵌入式資訊精選 2020-12-26 00:00

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文章直接來源：嵌入式大雜燴

在嵌入式系統(tǒng)中，板上通信接口是指用于將各種集成電路與其他外圍設(shè)備交互連接的通信通路或總線。以下內(nèi)容為常用板上通信接口：包括I2C、SPI、UART、1-Wire：

I2C總線

I2C總線是一種 同步、雙向、半雙工的兩線式串行接口總線 。這里，半雙工的含義是指在任意給定的時(shí)刻，只有一個(gè)方向上是可以通信的。

I2C總線最早由Philips半導(dǎo)體公司于20世紀(jì)80年代研發(fā)面市。I2C最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)是為微處理器/微控制器系統(tǒng)與電視機(jī)外圍芯片之間的連接提供簡單的方法。

I2C總線由兩條總線組成：串行時(shí)鐘線SCL和串行數(shù)據(jù)線SDA。

SCL線——負(fù)責(zé)產(chǎn)生同步時(shí)鐘脈沖。

SDA線——負(fù)責(zé)在設(shè)備間傳輸串行數(shù)據(jù)。

I2C總線是共享的總線系統(tǒng)，因此可以將多個(gè)I2C設(shè)備連接到該系統(tǒng)上。連接到I2C總線上的設(shè)備既可以用作主設(shè)備，也可以用作從設(shè)備。

主設(shè)備負(fù)責(zé)控制通信，通過對(duì)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行初始化/終止化，來發(fā)送數(shù)據(jù)并產(chǎn)生所需的同步時(shí)鐘脈沖。

從設(shè)備則是等待來自主設(shè)備的命令，并響應(yīng)命令接收。主設(shè)備和從設(shè)備都可以作為發(fā)送設(shè)備或接收設(shè)備。無論主設(shè)備是作為發(fā)送設(shè)備還是接收設(shè)備，同步時(shí)鐘信號(hào)都只能由主設(shè)備產(chǎn)生。

在相同的總線上，I2C支持多個(gè)主設(shè)備的同時(shí)存在。圖1-1顯示了I2C總線上主設(shè)備和從設(shè)備的連接關(guān)系。

當(dāng)總線空閑時(shí)，SDA 和SCL 都處于高電平狀態(tài)，當(dāng)主機(jī)要和某個(gè)從機(jī)通訊時(shí)，會(huì)先發(fā)送一個(gè)開始條件，然后發(fā)送從機(jī)地址和讀寫控制位，接下來傳輸數(shù)據(jù)（主機(jī)發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)），數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時(shí)主機(jī)會(huì)發(fā)送停止條件。傳輸?shù)拿總€(gè)字節(jié)為8 位，高位在前，低位在后。

開始條件：SCL 為高電平時(shí)，主機(jī)將SDA 拉低，表示數(shù)據(jù)傳輸即將開始。
從機(jī)地址：主機(jī)發(fā)送的第一個(gè)字節(jié)為從機(jī)地址，高7 位為地址，最低位為R/W 讀寫控制位，1 表示讀操作，0 表示寫操作。

一般從機(jī)地址有7 位地址模式和10 位地址模式兩種，如果是10 位地址模式，第一個(gè)字節(jié)的頭7 位是11110XX 的組合，其中最后兩位（XX）是10 位地址的兩個(gè)最高位，第二個(gè)字節(jié)為10 位從機(jī)地址的剩下8 位，如下圖所示：

應(yīng)答信號(hào)：每傳輸完成一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，接收方就需要回復(fù)一個(gè)ACK（acknowledge）。寫數(shù)據(jù)時(shí)由從機(jī)發(fā)送ACK，讀數(shù)據(jù)時(shí)由主機(jī)發(fā)送ACK。當(dāng)主機(jī)讀到最后一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)時(shí)，可發(fā)送NACK（Notacknowledge）然后跟停止條件。
數(shù)據(jù)：從機(jī)地址發(fā)送完后可能會(huì)發(fā)送一些指令，依從機(jī)而定，然后開始傳輸數(shù)據(jù)，由主機(jī)或者從機(jī)發(fā)送，每個(gè)數(shù)據(jù)為8 位，數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)沒有限制。
重復(fù)開始條件：在一次通信過程中，主機(jī)可能需要和不同的從機(jī)傳輸數(shù)據(jù)或者需要切換讀寫操作時(shí)，主機(jī)可以再發(fā)送一個(gè)開始條件。
停止條件：在SDA 為低電平時(shí)，主機(jī)將SCL 拉高并保持高電平，然后在將SDA 拉高，表示傳輸結(jié)束。

SPI總線

SPI總線是 同步、雙向、全雙工的4線式串行接口總線 ，最早由Motorola公司提出。SPI是由“單個(gè)主設(shè)備+多個(gè)從設(shè)備”構(gòu)成的系統(tǒng)。需要說明的是：在系統(tǒng)中，只要任意時(shí)刻只有一個(gè)主設(shè)備是處于激活狀態(tài)的，就可以存在多個(gè)SPI主設(shè)備。常運(yùn)用于EEPROM、FLASH、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、AD轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號(hào)處理器和數(shù)字信號(hào)解碼器之間實(shí)現(xiàn)通信。

為了實(shí)現(xiàn)通信，SPI共有4條信號(hào)線，分別是：

（1）主設(shè)備出、從設(shè)備入（Master Out Slave In，MOSI）：由主設(shè)備向從設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的信號(hào)線，也稱為從設(shè)備輸入（Slave Input/Slave Data In，SI/SDI）。

（2）主設(shè)備入、從設(shè)備出（Master In Slave Out，MISO）：由從設(shè)備向主設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的信號(hào)線，也稱為從設(shè)備輸出（Slave Output/Slave Data Out，SO/SDO）。

（3）串行時(shí)鐘（Serial Clock，SCLK）：傳輸時(shí)鐘信號(hào)的信號(hào)線。

（4）從設(shè)備選擇（Slave Select，SS）：用于選擇從設(shè)備的信號(hào)線，低電平有效。

SPI使用方法：

上圖所示芯片有2 個(gè)SPI 控制器，SPI 控制器對(duì)應(yīng)SPI 主設(shè)備，每個(gè)SPI 控制器可以連接多個(gè)SPI從設(shè)備。掛載在同一個(gè)SPI 控制器上的從設(shè)備共享3 個(gè)信號(hào)引腳：SCK、MISO、MOSI，但每個(gè)從設(shè)備的CS 引腳是獨(dú)立的.

主設(shè)備通過控制CS 引腳對(duì)從設(shè)備進(jìn)行片選，一般為低電平有效。任何時(shí)刻，一個(gè)SPI 主設(shè)備上只有一個(gè)CS 引腳處于有效狀態(tài)，與該有效CS 引腳連接的從設(shè)備此時(shí)可以與主設(shè)備通信。

所以，SPI通信方式可以使用“一主多從”的結(jié)構(gòu)進(jìn)行通信。每個(gè)連接到總線上的器件都有唯一的地址，主設(shè)備啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸并產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，從設(shè)備被主設(shè)備尋址，同一時(shí)刻只允許有一個(gè)主設(shè)備。

從設(shè)備的時(shí)鐘由主設(shè)備通過SCLK 提供，MOSI、MISO 則基于此脈沖完成數(shù)據(jù)傳輸。SPI 的工作時(shí)序模式由CPOL（Clock Polarity，時(shí)鐘極性）和CPHA（Clock Phase，時(shí)鐘相位）之間的相位關(guān)系決定，CPOL 表示時(shí)鐘信號(hào)的初始電平的狀態(tài)，CPOL 為0 表示時(shí)鐘信號(hào)初始狀態(tài)為低電平，為1 表示時(shí)鐘信號(hào)的初始電平是高電平。CPHA 表示在哪個(gè)時(shí)鐘沿采樣數(shù)據(jù)，CPHA 為0 表示在首個(gè)時(shí)鐘變化沿采樣數(shù)據(jù)，而CPHA 為1 則表示在第二個(gè)時(shí)鐘變化沿采樣數(shù)據(jù)。

根據(jù)CPOL 和CPHA 的不同組合共有4 種工作時(shí)序模式：CPOL=0，CPHA=0、CPOL=0，CPHA=1、CPOL=1，CPHA=0、CPOL=1，CPHA=1

UART

UART—— 通用異步收發(fā)傳輸器 ，UART 作為異步串口通信協(xié)議的一種，工作原理是將傳輸數(shù)據(jù)的每個(gè)字符一位接一位地傳輸。在應(yīng)用程序開發(fā)過程中使用頻率較高的數(shù)據(jù)總線。

基于UART的數(shù)據(jù)傳輸是異步形式的串行數(shù)據(jù)傳輸。基于UART的串行數(shù)據(jù)傳輸不需要使用時(shí)鐘信號(hào)來同步傳輸?shù)陌l(fā)送端和接收端，而是依賴于發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備之間預(yù)定義的配置。

對(duì)于發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備來說，兩者的串行通信配置（波特率、單位字的位數(shù)、奇偶校驗(yàn)、起始位數(shù)與結(jié)束位、流量控制）應(yīng)該設(shè)置為完全相同。通過在數(shù)據(jù)流中插入特定的比特序列，可以指示通信的開始與結(jié)束。當(dāng)發(fā)送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的時(shí)候，需要在比特流的開頭加上起始位，并在比特流的末尾加上結(jié)束位。數(shù)據(jù)字節(jié)的最低位緊接在起始位之后。

UART 串口的特點(diǎn)是將數(shù)據(jù)一位一位地順序傳送，只要2 根傳輸線就可以實(shí)現(xiàn)雙向通信，一根線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)用另一根線接收數(shù)據(jù)。

UART 串口通信有幾個(gè)重要的參數(shù)，分別是波特率、起始位、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶檢驗(yàn)位，對(duì)于兩個(gè)使用UART 串口通信的端口，這些參數(shù)必須匹配，否則通

起始位：表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始，電平邏輯為“0” 。
數(shù)據(jù)位：可能值有5、6、7、8、9，表示傳輸這幾個(gè)bit 位數(shù)據(jù)。一般取值為8，因?yàn)橐粋€(gè)ASCII 字符值為8 位。
奇偶校驗(yàn)位：用于接收方對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)“1” 的位數(shù)為偶數(shù)(偶校驗(yàn)) 或奇數(shù)(奇校驗(yàn))，以此來校驗(yàn)數(shù)據(jù)傳送的正確性，使用時(shí)不需要此位也可以。
停止位：表示一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束。電平邏輯為“1”。
波特率：串口通信時(shí)的速率，它用單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)亩M(jìn)制代碼的有效位(bit) 數(shù)來表示，其單位為每秒比特?cái)?shù)bit/s(bps)。常見的波特率值有4800、9600、14400、38400、115200 等，數(shù)值越大數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑娇欤ㄌ芈蕿?15200 表示每秒鐘傳輸115200 位數(shù)據(jù)。

1-Wire接口

1-Wire接口是由Maxim Dallas半導(dǎo)體公司（首頁為http://www.maxim-ic.com）開發(fā)的 異步半雙工通信協(xié)議 ，也稱為Dallas 1-Wire?協(xié)議。其中，按照主-從通信模型，只使用單條信號(hào)線DQ實(shí)現(xiàn)通信。

1-Wire總線的一個(gè)重要特征在于，該總線允許在信號(hào)線上傳輸能量。1-Wire接口支持在總線上連接單個(gè)主設(shè)備以及一個(gè)或多個(gè)從設(shè)備。

并行接口

板上并行接口（parallel interface）通常用于系統(tǒng)與外圍設(shè)備之間的通信，其中，外圍設(shè)備通過存儲(chǔ)器映射到系統(tǒng)的主控端。只要嵌入式系統(tǒng)的主控處理器/控制器含有并行總線，支持并行總線的設(shè)備就可以直接連接到該總線系統(tǒng)上。外圍設(shè)備與主控端之間具有控制信號(hào)接口，可以控制并行總線上的數(shù)據(jù)通信。這里，通信的控制信號(hào)包括讀/寫信號(hào)和設(shè)備選擇信號(hào)。一般說來，外圍設(shè)備具有設(shè)備選擇線；只有當(dāng)主控處理器選通該線的時(shí)候，該設(shè)備才是有效的。

數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蚩梢允菑闹骺囟说酵鈬O(shè)備，也可以是從外圍設(shè)備到主控端；這是通過讀和寫控制信號(hào)線進(jìn)行控制的。只有主控處理器能夠控制讀控制信號(hào)和寫控制信號(hào)。一般說來，外圍設(shè)備通過存儲(chǔ)器映射到主控處理器，從而可以訪問分配的地址范圍。此時(shí)，設(shè)備需要使用地址譯碼電路來產(chǎn)生芯片選擇信號(hào)。

當(dāng)處理器選擇的地址位于設(shè)備指定范圍內(nèi)的時(shí)候，譯碼電路對(duì)芯片選擇線進(jìn)行觸發(fā)，從而激活設(shè)備。然后，處理器可以使能相應(yīng)的控制線（分別是RD\與WD\），從而由設(shè)備讀出數(shù)據(jù)，或者是向設(shè)備寫入數(shù)據(jù)。

為了實(shí)現(xiàn)并行通信，系統(tǒng)需要嚴(yán)格遵循時(shí)序規(guī)范。前面已經(jīng)提到過，并行通信是由主控處理器啟動(dòng)的。如果某外圍設(shè)備想要對(duì)通信進(jìn)行初始化，那么可以向處理器發(fā)出中斷，告知相關(guān)信息。為了實(shí)現(xiàn)上述功能，設(shè)備的中斷線需要連接到處理器的中斷線上，并且主控處理器需要觸發(fā)相應(yīng)的中斷。需要說明的是，主控處理器的數(shù)據(jù)總線寬度決定了并行接口的寬度，可以是4位、8位、16位、32位、64位等。設(shè)備支持的總線寬度應(yīng)該與主控處理器完全相同。

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