常用的幾種通信接口解析

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。

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(guò)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行初始化/終止化，來(lái)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(lái)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(wú)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，下圖顯示了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(kāi)始條件，然后發(fā)送從機(jī)地址和讀寫(xiě)控制位，接下來(lái)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(kāi)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(kāi)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(xiě)控制位，1 表示讀操作，0 表示寫(xiě)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，寫(xiě)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(kāi)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(méi)有限制。

重復(fù)開(kāi)始條件：

在一次通信過(guò)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(xiě)操作時(shí)，主機(jī)可以再發(fā)送一個(gè)開(kāi)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，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(shuō)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：

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）。

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）。

串行時(shí)鐘

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

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(guò)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(guò)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和CPHA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(kāi)發(fā)過(guò)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(lái)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(lái)說(shuō)，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(guò)在數(shù)據(jù)流中插入特定的比特序列，可以指示通信的開(kāi)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(kāi)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_(kāi)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(lái)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(lái)表示，其單位為每秒比特?cái)?shù)bit/s(bps)，常見(jiàn)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)體公司開(kāi)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(guò)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(xiě)信號(hào)和設(shè)備選擇信號(hào)。

一般說(shuō)來(lái)，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(guò)讀和寫(xiě)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(xiě)控制信號(hào)。

一般說(shuō)來(lái)，外圍設(shè)備通過(guò)存儲(chǔ)器映射到主控處理器，從而可以訪問(wèn)分配的地址范圍，此時(shí)，設(shè)備需要使用地址譯碼電路來(lái)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(xiě)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(guò)，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(shuō)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。