現(xiàn)有的外設(shè)接口的優(yōu)缺點(diǎn)解析以及一種新型外設(shè)接口的構(gòu)想

現(xiàn)有的外設(shè)接口的優(yōu)缺點(diǎn)：

電路連接都是有VCC，GND兩根電源線的，后面不再贅述了。應(yīng)用的外設(shè)都局限在板載的一些低速低通信量芯片或模塊，高性能或特殊需求的外設(shè)接口和此文無(wú)關(guān)。

單線總線（1-wire）

如18B20，硬件鏈接只需一根數(shù)據(jù)線，非常簡(jiǎn)單，但在編程和CPU效率上卻很不理想，沒(méi)有中斷通知，通訊速率很低，而且在一個(gè)完整訪問(wèn)周期內(nèi)不允許被中斷。

I2C總線

I2C 接口的EEprom,只需要I2C兩根接線，cpu主動(dòng)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。

I2C 接口的 溫濕度傳感器芯片，只需要I2C兩根接線，需要cpu主動(dòng)查詢。

I2C 接口的多軸重力加速度傳感器，除了I2C兩根接線外還需要一根中斷線通知CPU狀態(tài)有變化。

I2C 接口的觸摸屏，除了I2C兩根接線外還需要一根中斷線，一根復(fù)位/喚醒線。

通信速率較低，可以掛接多個(gè)從設(shè)備?？偟膩?lái)講I2C接口還是比較簡(jiǎn)潔的，編程也不太復(fù)雜。

SPI總線

SPI接口的無(wú)線模塊，SPI 4根線，一根中斷線，一根復(fù)位/喚醒線，共計(jì)6根線。

SPI接口通信速率較高，但鏈接線數(shù)較多，尤其在掛接多個(gè)從設(shè)備時(shí)，每多一個(gè)設(shè)備都要多一條片選線和中斷線。另外SPI接口雖然是全雙工接口，可到目前為止我還從來(lái)沒(méi)見(jiàn)過(guò)使用全雙工的情況。

串口

Uart接口的從器件，自帶收發(fā)中斷，一般就收發(fā)兩根線，為異步通信，通信速率低距離較短，為兩主機(jī)對(duì)話模式，作為從機(jī)接口的話，編程相對(duì)復(fù)雜。

USB總線

差分兩線鏈接，硬件鏈接很簡(jiǎn)單，速率高，距離遠(yuǎn)，但芯片實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，軟件協(xié)議也很復(fù)雜，不適用于板載的低成本低功耗低復(fù)雜度從屬器件。

雖然I2C，SPI總線都是可掛接多個(gè)從設(shè)備，但實(shí)際開(kāi)發(fā)中大多數(shù)都是只掛一個(gè)從設(shè)備；即使真得要掛接多個(gè)從設(shè)備，在軟硬件設(shè)計(jì)上也要多加小心，系統(tǒng)魯棒性不是很好。另外實(shí)現(xiàn)中斷通知，復(fù)位喚醒還需要借助額外的gpio引腳連接和中斷響應(yīng)處理，不夠簡(jiǎn)潔。

而且有SPI，Uart還有多種硬件鏈接上的擴(kuò)展或變體，使得軟硬件設(shè)計(jì)不好統(tǒng)一處理。

基于以上情況，個(gè)人構(gòu)想（不著邊際，胡思亂想）這樣一種從設(shè)備總線，適用于通信量不是很大（幾字節(jié)到幾K字節(jié)），速率要求不高（100K~100Mbps），距離不是很遠(yuǎn)(1~100cm)，有中斷通知，休眠喚醒，硬件復(fù)位等操作需求的情況。主要是在I2C總線基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)，命名為

TWI（tow wire interface）

特性如下：

1. 只需兩根線，3.3V TTL電平，不需要額外擴(kuò)展硬件線路，鏈接簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)。簡(jiǎn)潔統(tǒng)一的電路接口，標(biāo)準(zhǔn)易擴(kuò)展的報(bào)文協(xié)議。

2. 只接一個(gè)從設(shè)備，免去了片選信號(hào)或地址字段，消除了總線競(jìng)爭(zhēng)會(huì)引發(fā)的各種異常，因而大幅簡(jiǎn)化了芯片和軟件復(fù)雜度。

3. 為同步傳輸方式，類似I2C總線，一根時(shí)鐘線，一根數(shù)據(jù)線。相比于異步傳輸抗干擾強(qiáng)，通信速率高。即便用gpio模擬該總線，在通信中因CPU中斷響應(yīng)而拉長(zhǎng)比特位也不影響傳輸準(zhǔn)確性。

4. 時(shí)鐘線由主機(jī)推挽輸出，從機(jī)為輸入端，空閑時(shí)為高電平，如果芯片處于休眠狀態(tài)，時(shí)鐘線置低能喚醒從機(jī)。

數(shù)據(jù)線為半雙工方式，主從都可為輸入模式，或開(kāi)漏輸出模式，需要外部電阻上拉，所以空閑時(shí)也為高電平。在空閑狀態(tài)下，如果從器件有消息通知主機(jī)，可以發(fā)送一個(gè)低電平脈沖，這時(shí)主機(jī)中斷響應(yīng)，待數(shù)據(jù)線被從機(jī)釋放恢復(fù)高電平后，主機(jī)方可發(fā)送數(shù)據(jù)。

在通信過(guò)程中如果從機(jī)出現(xiàn)忙碌，故障等問(wèn)題也可一直保持?jǐn)?shù)據(jù)線拉低，主機(jī)則一直等到從機(jī)釋放數(shù)據(jù)線后，才可繼續(xù)通信，查詢從機(jī)狀態(tài)。

5. 通信以字節(jié)為單位，每字節(jié)8位，高位先出。每次通信必須為一個(gè)完整報(bào)文，報(bào)文格式固定但長(zhǎng)度不定。

通信中每發(fā)一字節(jié)不需要有應(yīng)答過(guò)程，I2C每收發(fā)一字節(jié)都有一個(gè)應(yīng)答過(guò)程，這會(huì)使得芯片電路和軟件實(shí)現(xiàn)變得復(fù)雜，同時(shí)也影響通信速率。SPI就沒(méi)有校驗(yàn)位，校驗(yàn)可以在報(bào)文收發(fā)完成后整體校驗(yàn)。

6.每個(gè)從機(jī)都有一個(gè)最多128字節(jié)的寄存器組，報(bào)文通信就是讀取或改寫(xiě)這一組寄存器值。電路上通過(guò)移位寄存器便可以實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于一般的傳感器或控制器，這最大的128個(gè)字節(jié)足夠一個(gè)報(bào)文就傳輸足夠多的信息。對(duì)于加大數(shù)據(jù)訪問(wèn)量的芯片則需要通過(guò)寄存器間接訪問(wèn)了。如對(duì)于存儲(chǔ)類芯片則不夠，可以先一個(gè)短報(bào)文設(shè)定內(nèi)存訪問(wèn)地址，后一個(gè)起始地址設(shè)為127,讓首字節(jié)自后的數(shù)據(jù)訪問(wèn)內(nèi)存。SPI接口的無(wú)線模塊很多就是類似這樣的方式。

7.報(bào)文的首字節(jié)高7位為寄存器地址(0~127)，最低位為讀寫(xiě)控制位（0為寫(xiě)1為讀），表明第二字節(jié)從哪一個(gè)寄存器開(kāi)始讀寫(xiě)。

如果報(bào)文首字節(jié)為0，即表示要從0寄存器開(kāi)始寫(xiě)，從機(jī)要忽略后面的數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度大于等于4字節(jié)時(shí)，從機(jī)要進(jìn)行硬件復(fù)位，復(fù)位后處于接收模式，等待主機(jī)命令。所以從機(jī)的0號(hào)寄存器應(yīng)當(dāng)不分配其他功能位。

與I2C相比是

去掉了起始位，停止位處理

去掉應(yīng)答

去掉多主機(jī)多從機(jī)情況

去掉報(bào)文10位設(shè)備地址的情況

增加寄存器地址段

增加硬件喚醒復(fù)位功能

增加中斷觸發(fā)功能

與SPI相比是

去掉了片選信號(hào)

將收發(fā)兩線合并成一線

SPI的4種電平相位模式統(tǒng)一為一種

增加硬件喚醒復(fù)位功能

增加中斷觸發(fā)功能

可以看做是I2C與SPI總線的結(jié)合體變種，電路連接類似于I2C，而字節(jié)傳輸協(xié)議和芯片實(shí)現(xiàn)方式類似于SPI，但軟硬件實(shí)現(xiàn)起來(lái)都更簡(jiǎn)潔。