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[導(dǎo)讀]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。

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(jiǎn)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?;赨ART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?,波特率?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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