总线、UART、IIC、SPI

一图流

总线

概念

        连接多个部件的信息传输线，是各部件共享的传输介质

类型

• 片内总线：连接处理器内核和外设的总线，在芯片内部

• 片外总线：连接芯片和其他芯片或者模块的总线

总线的通信

总线通信的方式

串行通信

• 数据按位顺序传输，同一时刻只能收或发1bit位信息，因此只用1根信号线

• 优点:占用引脚资源少

• 缺点:速度相对较慢

并行通信

• 数据各个位同时传输，同一时刻可以收或发多个bit位的信息，因此需要多根信号线

• 优点:速度快

• 缺点:占用引脚资源多

通信的类型

• 单工：只能收或者只能发，只有一条单向管道

• 半双工：可以收，也可以发，但不能同时收发，只有一条双向管道

• 全双工：同一时刻既接收，又发送，有两条相反的管道

同步通信和异步通信

• 同步通信

  • 一般情况下，同步通信指的是通信双方根据同步信号进行通信的方式。比如通信双方会存在一个时钟线用于传输时钟信号，大家根据时钟信号的变化进行通信

• 异步通信

  • 指数据传输速度匹配依赖于通信双方自己独立的系统 时钟，大家约定好通信的速度。异步通信不需要同步信号，但是并不是说通信的过程不同步

不同种类的串口有不同的通信类型

• UART属于串行全双工异步通信

• IIC串行半双工同步通信

• SPI串行全双工同步通信

UART

概念

• UART(Universal asynchronous receiver/transmitter)：通用异步接收发送器

• 串口用于两个模块之间进行异步全双工串行通信

特点

• 两个芯片各有一个RXD、一个TXD、一个GND接口，一个芯片的RXD连接另一个芯片的TXD

  • RXD：数据接收引脚

  • TXD：数据发送引脚

  • GND：接地引脚

• 这抗干扰能力弱，旁边有干扰源就会对收发的电平数据造成干扰，进而导致数据失真

• 一般适用于一块板子上面的两个芯片之间进行数据传输

由于数异步通信，所以需要再发送数据前先约定传输速度——波特率（bit/s）

串口数据帧格式

        由于双方时钟不一样，就算提前约定好了波特率，随着传输数据量的增加，双方数据收发就会累计一定的误差，为了规避这个误差，我们需要对传输收发的数据进行约定，规范好收发的格式来消除误差

数据帧

• 空闲位：当不进行数据收发时，数据线处于高电平状态

• 起始位：1bit 低电平 一帧数据传输的开始

• 数据位：5-8位数据位，进行传输的数据

• 校验位：1bit 可有可无

  • 奇校验：一帧数据传输后保证数据位和校验位1的个数是一个奇数

    • X51->0101 0001 此时校验位为0

    • 0X53->0101 0011 此时校验位为1

  • 偶校验：一帧数据传输后保证数据位和校验位1的个数是一个偶数

    • 0X51->0101 0001 此时校验位为1

    • 0X53->0101 0011 此时校验位为0

• 停止位：1-2bit 高电平，一帧数据传输结束的标志，在停止位器件重新校准时钟，清除累计的误差

• 一般数据格式常设置为8N1：8bit数据位，没有校验位，1bit停止位

IIC

概念

• I2C总线是PHLIPS公司在八十年代初推出的一种串行的半双工总线，主要用于连接整体电路

• I2C总线为两线制，只有两根双向信号线。一根是数据线SDA，另一根是 时钟线SCL

• IIC支持多主机多从机通信和一主机多从机通信

硬件连线

• SCL:时钟线，用于传输时钟信号

• SDA：数据线,用于传输数据

寻找从机

• 每一个设备都会有一个自己的从机地址，这个从机地址就是设备的ID号

• 主机在起始信号后必须传送一个从机的地址（7位），第8位是数据的传送方向位（R/W），用“0”表示主机发送数据（W），“1”表示主机接收数据（R）

• 总线上的每个从机都将这7位地址码与自己的地址进行比较，如果相同，则认为自己被主机寻址，根据R/W位将自己定为发送器或接收器

信号

概念

        iic总线是一种同步通信总线，也就表示通信双方的通信过程要在各种时钟信号的作用下实现：起始信号、终止信号、应答信号、非应答信号、数据接收和发送信号

起始信号

时钟线为高电平时，数据线由高电平变成低电平

终止信号

时钟线为高电平时，数据线由低电平变成高电平

数据接收和发送

• 时钟信号为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定

• 只有在时钟线上的信号为低电平期间，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化

• 一个时钟周期，接收方和发送发完成了一位数据的接收和发送

应答和非应答

• 发送方在发送完数据，接收方都会反馈一个反馈信号，这个信号就是应答信号和非应答信号

• 应答信号：接收方收到数据，继续进行下一个8bit数据的接收

• 非应答信号：接收方接收到数据，不进行下一次数据的接收

IIC主机和从机通信过程

主机给从机发送多个字节的数据

• 主机发送起始信号

• 主机发送7bit从机地址+1bit写标志

• 从机回应应答

• 主机发送8bit从机寄存器地址

• 从机回应应答

• 主机发送8bit数据

• 从机应答

• 主机再次发送8bit数据

• 从机应答

• 。。。。

• 主机发送终止信号

主机读取从机多个字节的数据

• 主机发送起始信号

• 主机发送7bit从机地址+1bit写标志

• 从机回应应答

• 主机发送8bit从机寄存器地址

• 从机回应应答

• 主机发起重复起始信号

• 主机发送7bit从机地址+1bit读标志

• 从机回应应答信号

• 从机发送8bit数据

• 主机回应应答信号

• 从机发送8bit数据

• 主机回应应答

• 。。。。

• 主机回应非应答信号

• 主机发起终止信号

iic总线通信的速率

• 100K

• 400K

• 1M

• 3.4M

SPI

概念

• SPI（Serial Peripheral interface）串行外围设备接口

• 是一种高速的，全双工，同步的通信总线

• 在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，为PCB的布局上节省空间，提供方便

• SPI接口主要应用在 EEPROM，FLASH，实时时钟，AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间，OLED 数码管、LCD

• SPI总线支持一主机多从机通信

接线方式

基本接线方式

• MISO：数据输入/输出引脚，用于从模式发送数据，主模式接收数据

• MOSI：数据输入/输出引脚，用于主模式发送数据，从模式接收数据

• SCK：串口时钟，作为主设备的输出，从设备的输入

• CSN：从设备选择，用来选择主/从设备

四线制

• 一主机多从机时会使用CSN来选择从机

三线制

• 一主机一从机时可以去掉CSN

时序分析

时钟极性

• 时钟极性为1：空闲状态下时钟线保持高电平

• 时钟极性为0：空闲状态下时钟线保持低电平

时钟相位

• 以时钟极性为起始标记的每一个周期内，在第一次变化的为0，第二次变化的为1

• 时钟相位为1：在时钟后沿进行数据采样，时钟前沿进行数据输出

• 时钟相位为0：在时钟前沿进行数据采样，时钟后沿进行数据输出