UART/I2C/SPI/1-wire四大通信接口的神解釋

時(shí)間：2020-11-15 23:50:48

關(guān)鍵字： uart 通信技術(shù)

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[導(dǎo)讀]射雕英雄傳中的裘千丈說，UART就是我的輕功水上漂過河。想從河上過（通信），提前布暗樁，行走時(shí)步伐按樁距固定（波特率提前確定），步幅太大或太小都會(huì)落水。為了不被二弟裘千仞識破，可以安排侍衛(wèi)在對岸監(jiān)視通知，沒風(fēng)險(xiǎn)才開始表演（流控）。為了保證踩點(diǎn)準(zhǔn)確，隔一段距離定個(gè)特殊標(biāo)記的粗木樁。

1、裘千丈輕功水上漂之UART

射雕英雄傳中的裘千丈說，UART就是我的輕功水上漂過河。想從河上過（通信），提前布暗樁，行走時(shí)步伐按樁距固定（波特率提前確定），步幅太大或太小都會(huì)落水。為了不被二弟裘千仞識破，可以安排侍衛(wèi)在對岸監(jiān)視通知，沒風(fēng)險(xiǎn)才開始表演（流控）。為了保證踩點(diǎn)準(zhǔn)確，隔一段距離定個(gè)特殊標(biāo)記的粗木樁。UART 通用異步收發(fā)傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)，通信雙方接三根線，RX、TX和GND，TX用于發(fā)送數(shù)據(jù)，RX用于接受數(shù)據(jù)，雙方收發(fā)交叉對接，支持全雙工方式。

因?yàn)闆]有時(shí)鐘控制，什么時(shí)機(jī)開始發(fā)數(shù)據(jù)，且保證對方正確接收？如A發(fā)數(shù)據(jù)到B，平時(shí)空閑時(shí)A.TX 和 B.RX.保持1，當(dāng)A.TX先發(fā)0作為起始位，告訴B請注意，我要發(fā)數(shù)據(jù)了。然后就開始發(fā)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)位可配置，通常是5位，6位，7位，8位，一幀數(shù)據(jù)發(fā)完后，A.TX給個(gè)高電平告訴B.RX我發(fā)完了一幀。如果開啟校驗(yàn)位，在發(fā)停止位之前發(fā)送個(gè)校驗(yàn)位，一般都不需要校驗(yàn)位了，短距離有線傳輸出錯(cuò)的概率非常小。如果還有數(shù)據(jù)，則重復(fù)前面的操作。

一般軟件配置串口，有波特率，數(shù)據(jù)位、停止位、校驗(yàn)位、流控。分別表示傳輸速度，一幀數(shù)據(jù)的長度，以及發(fā)完告知停止，發(fā)完是否校驗(yàn)，是否進(jìn)行發(fā)送控制?？雌饋韰?shù)很多，針對個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，一般都是固定8位數(shù)據(jù)位，1位停止位、無校驗(yàn)、無流控，只是配置波特率。

UART沒有時(shí)鐘控制數(shù)據(jù)捕獲時(shí)機(jī)，依靠通信前就定義波特率，雙方按定義的頻率讀寫數(shù)據(jù)位，正如裘千丈的水上漂，一旦暗樁安裝固定，就得按固定的步長行走，否則就會(huì)出錯(cuò)落水。

UART在水上漂項(xiàng)目可以，但是傳輸效率有限，一般高到921600，如果再高可能出現(xiàn)誤碼，繼續(xù)加高，就是高空飛行，最后裘千丈就是期望在高空也行走自如，想攀上黃蓉乘坐的大雕逃命，不慎墜落，死于飛行事故。

2、叫你一聲你敢答應(yīng)嗎之I2C

作為太上老君看銀爐的童子，銀角大王最懂I2C，萬千人中我叫你一聲，你答應(yīng)了就倒霉（從機(jī)地址正確才能通信）。IIC（Inter Integrated Circuit）兩根線，一條時(shí)鐘線SCL和一條數(shù)據(jù)線SDA，所以是半雙工通信，主從模式，支持一對多，一個(gè)銀角大王可以對付一群猴子，每個(gè)猴子名字不同（從設(shè)備的I2C地址不同），點(diǎn)名叫到誰，誰就被紫金葫蘆帶走。假設(shè)主機(jī)A給從機(jī)B發(fā)數(shù)據(jù)（A.SCL接B.SCL，A.SDA接B.SDA），根據(jù)應(yīng)用，A可以同時(shí)接B,C,D?？臻e時(shí)SDA和SCL上的電平都為高電平。

起始和停止起始條件S：當(dāng)SCL高電平時(shí)，SDA由高電平向低電平轉(zhuǎn)換；停止條件P：當(dāng)SCL高電平時(shí)，SDA由低電平向高電平轉(zhuǎn)換。起始和停止條件一般由主機(jī)產(chǎn)生，總線在起始條件后處于busy的狀態(tài)，在停止條件的某段時(shí)間后，總線才再次處于空閑狀態(tài)。空閑時(shí)SDA和SCL上的電平都為高電平。A先把SDA拉低，等SDA變?yōu)榈碗娖胶笤侔裇CL拉低（以上兩個(gè)動(dòng)作構(gòu)成了I2C的起始位），此時(shí)SDA就可以發(fā)送數(shù)據(jù)了，與此同時(shí)，SCL發(fā)送一定周期的脈沖，SDA發(fā)送數(shù)據(jù)和SCL發(fā)送脈沖的要符合的關(guān)系是：SDA必須在SCL是高電平時(shí)保持有效，在SCL是低電平時(shí)發(fā)送下一位（SCL會(huì)在上升沿對SDA進(jìn)行采樣）。

傳輸與響應(yīng)一次傳8位數(shù)據(jù)，8位數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后A釋放SDA，SCL再發(fā)一個(gè)脈沖（這是第九個(gè)脈沖），觸發(fā)B將SDA置為低電平表示確認(rèn)（該低電平稱為ACK）。最后SCL先變?yōu)楦唠娖?，SDA再變?yōu)楦唠娖剑ㄒ陨蟽蓚€(gè)動(dòng)作稱為結(jié)束標(biāo)志），如果B沒有將SDA置為0 ，則A停止發(fā)送下一幀數(shù)據(jù).。

整體時(shí)序I2C總線上的每個(gè)設(shè)備都有唯一地址，數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)先發(fā)送地址位，接著才是數(shù)據(jù)。一個(gè)地址字節(jié)由7個(gè)地址位（可以掛128個(gè)設(shè)備）和1個(gè)指示位組成（7位尋址模式），0表示寫，1表示讀。一般芯片手冊I2C地址都是7位地址，有些與某個(gè)引腳的電平相關(guān)，主機(jī)控制最后讀寫位。

實(shí)際項(xiàng)目一般都是采用I2C庫，有的庫要求傳入的是8位的寫的地址，有的是7位，由接口函數(shù)再區(qū)分讀寫補(bǔ)位。當(dāng)然，最愚蠢的辦法是從0到255定時(shí)循環(huán)讀某個(gè)寄存器地址，讀到正確值時(shí)的地址就是正確的從機(jī)地址。一般情況下使用I2C庫，除了配置從機(jī)地址，其他的起始、結(jié)束等時(shí)序等其實(shí)不太關(guān)注，只需要配置時(shí)鐘頻率，一般看從機(jī)最大支持多少，以及主機(jī)的系統(tǒng)時(shí)鐘，太高會(huì)偶爾出現(xiàn)錯(cuò)誤，再?zèng)]有時(shí)間要求的情況下，時(shí)鐘越低越穩(wěn)定。

3、慕容復(fù)斗轉(zhuǎn)星移之SPI

天龍八部的慕容復(fù)：雖然我不如喬峰可以使出降龍十八掌，但是他對我出手，我也以彼之道還施彼身，對方輸出時(shí)也會(huì)被反噬，互相傷害，他停止時(shí)鐘我也無可奈何。正如SPI，主機(jī)開啟了時(shí)鐘發(fā)數(shù)據(jù)，從機(jī)也在同時(shí)輸出，時(shí)鐘停，大家都收手。SPI 串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface）主從模式，一種高速的，全雙工同步的通信總線。標(biāo)準(zhǔn)SPI是4條線。SDI(數(shù)據(jù)輸入)、SDO(數(shù)據(jù)輸出)、SCLK(時(shí)鐘)、CS(片選，有些也稱為SS)。SDO/MOSI – 主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸入，master output slave input；SDI/MISO – 主設(shè)備數(shù)據(jù)輸入，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸出，master input slave output；SCLK – 時(shí)鐘信號，由主設(shè)備產(chǎn)生；CS/SS – 從設(shè)備使能信號，由主設(shè)備控制。當(dāng)有多個(gè)從設(shè)備的時(shí)候，主設(shè)備通過片選引腳選擇其中一個(gè)從設(shè)備進(jìn)行通信。（I2C是通過軟件協(xié)議實(shí)現(xiàn)多選一，SPI是通過硬件實(shí)現(xiàn)）。

當(dāng)主機(jī)控制CS，開啟時(shí)鐘閘門，主從雙方就可以開始放數(shù)據(jù)位或者取數(shù)據(jù)位進(jìn)行交互了，但是在什么時(shí)機(jī)開始，就有標(biāo)準(zhǔn)了。根據(jù)外設(shè)工作要求，其輸出串行同步時(shí)鐘極性和相位可以進(jìn)行配置?！　?CPOL：時(shí)鐘極性選擇，為0時(shí)SPI總線空閑為低電平，為1時(shí)SPI總線空閑為高電平　　 CPHA：時(shí)鐘相位選擇，為0時(shí)在SCK第一個(gè)跳變沿采樣，為1時(shí)在SCK第二個(gè)跳變沿采樣

mode	CPOL	CPHA
0	0	0
1	0	1
2	1	0
3	1	1

這樣就有四種模式。以模式1為例，空閑時(shí)為低，第一次時(shí)鐘跳變采樣，也就是上升沿讀數(shù)采樣，對著下降沿放數(shù)據(jù)。如果實(shí)在分不清，還有愚蠢的辦法，四種模式全部嘗試一次，就可知道正確模式。

SPI傳輸數(shù)據(jù)沒有位數(shù)限制，只要定義收發(fā)高位在前還是低位在前，可以持續(xù)高速傳輸。

正如前面，若是喬峰收手，慕容復(fù)就沒法使出降龍十八掌的效果，但是他可以當(dāng)面罵喬峰是契丹狗，喬峰一怒之下就發(fā)功，慕容復(fù)就奸計(jì)得逞。這契丹狗三字翻譯為軟件術(shù)語就是觸發(fā)中斷，從機(jī)發(fā)中斷告知主機(jī)我有事來找我；主機(jī)定時(shí)查詢也可實(shí)現(xiàn)，只是使用情況更少。

4、裘千尺的吐棗核絕技與1-wire

裘千丈的三妹裘千尺被囚地下，她以口噴射棗核釘打在棗樹，樹的搖晃就會(huì)掉下棗子充饑。這棗核釘是單向操作，用力過猛，棗核透過棗樹，用力太輕或者射偏了，棗樹沒有反應(yīng)，這樣棗核用完了就悲劇了?？梢娺@絕技，看起來簡便，實(shí)則背后隱藏了精確控制，對時(shí)機(jī)、位置控制要完美，如1-wire通信，單線控制，時(shí)鐘精準(zhǔn)。1-wire總線接口簡單，一根線就可以，一般內(nèi)部開漏輸出，外部硬件上拉。1-wire使用一條線來傳送的四種信令組成，包括復(fù)位脈沖和在線應(yīng)答脈沖的復(fù)位序列、寫 0 時(shí)隙、寫 1 時(shí)隙、讀時(shí)隙。除在線應(yīng)答脈沖以外，所有其它信號都由總線主機(jī)發(fā)出，并且發(fā)送的所有數(shù)據(jù)和命令都是字節(jié)的低位在前。主機(jī)與從機(jī)的數(shù)據(jù)通信是通過時(shí)隙完成的，在每個(gè)時(shí)隙只能傳送一位數(shù)據(jù)。通過寫時(shí)隙可把數(shù)據(jù)從主機(jī)傳送給從機(jī)，通過讀時(shí)隙可把數(shù)據(jù)由從器件傳送給主機(jī)，將完成一位傳輸?shù)臅r(shí)間稱為一個(gè)時(shí)隙。

一般操作流程參考外設(shè)芯片手冊，主要是不同平臺的延時(shí)處理，需要軟件實(shí)現(xiàn)1us延時(shí)的接口，否則數(shù)據(jù)通信異常。

5、秘籍功法

四種接口，每個(gè)都有合適的應(yīng)用場景，對硬件端口的占用、對軟件的控制要求、通信效率也不相同。尤其前3種屬于常用協(xié)議，一般都支持硬件接口，廠家也一般提供hal庫，對軟件開發(fā)人員的要求逐漸降低。這也導(dǎo)致代碼應(yīng)用很溜，實(shí)際底層原理略微欠缺，一旦通信異?；蛘哂刑厥庑枨缶蜔o從下手。如使用GPIO模擬出UART，使用SPI實(shí)現(xiàn)AT功能。

武林人士一般都追求失傳的武林秘籍，正如軟件開發(fā)人員，有問題總是寄希望與其他人的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，或者廠家的技術(shù)支持或源碼，而不是創(chuàng)造新的功法。笑傲江湖的岳不群本是華山派掌門，精通紫霞神功，武功屬于一流，但是沒繼續(xù)專研自家內(nèi)功，為了辟邪劍譜自宮了，軟件開發(fā)人員想重蹈覆轍么？

不論劍宗、氣宗，先把功能跑通再反推代碼原理和實(shí)現(xiàn)流程，還是先理清時(shí)序和原理再編碼實(shí)現(xiàn)功能，短期內(nèi)劍宗效率高，加工資快；氣宗則可能被淘汰，尤其在勢利的小公司，不注重新人培養(yǎng)。如果合二為一，項(xiàng)目緊急則拿來就用，空閑時(shí)專研總結(jié)，取長補(bǔ)短，則是完美開發(fā)人員的素質(zhì)。

軟件開發(fā)沒有秘笈功法，全靠個(gè)人學(xué)習(xí)總結(jié)。