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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

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