幾種常用的嵌入式板上通信接口詳解

隨著通信與計算機整合時代的到來，數(shù)字化、寬帶化和智能化已成為未來通信發(fā)展的方向，人類社會對電信業(yè)務(wù)從質(zhì)量到業(yè)務(wù)種類都提出越來越高的要求，而接入網(wǎng)作為電信網(wǎng)的重要組成部分，連接本地交換機與用戶，是整個電信網(wǎng)的毛細(xì)血管和瓶頸，實現(xiàn)數(shù)字化、寬帶化和業(yè)務(wù)綜合化的關(guān)鍵。 嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心的硬件設(shè)計和面向應(yīng)用的軟件產(chǎn)品開發(fā)為基礎(chǔ)的專用計算機系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于制造工業(yè)、過程控制、通信、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、消費產(chǎn)品等領(lǐng)域。

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。下面將逐一說明常用的板上通信接口。

1. 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刻，只有一個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)計目標(biāo)是為微處理器/微控制器系統(tǒng)與電視機外圍芯片之間的連接提供簡單的方法。I2C總線由兩條總線組成：串行時鐘線SCL和串行數(shù)據(jù)線SDA。SCL線負(fù)責(zé)產(chǎn)生同步時鐘脈沖，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，同步時鐘信號都只能由主設(shè)備產(chǎn)生。在相同的總線上，I2C支持多個主設(shè)備的同時存在。圖2-26顯示了I2C總線上主設(shè)備和從設(shè)備的連接關(guān)系。

基于輸入緩沖區(qū)和漏極開路晶體管（或者是集電極開路晶體管），可以構(gòu)建I2C總線接口。當(dāng)總線處于空閑狀態(tài)的時候，漏極開路晶體管（或者是集電極開路晶體管）處于懸空狀態(tài)，輸出導(dǎo)線（SDA和SCL）為高阻態(tài)。為了使總線正常工作，應(yīng)該使用上拉電阻，將兩條總線都上拉到供電電壓（TTL系列器件為+5V，CMOS系列器件為+3.3V）。上拉電阻通常取值為2.2K。使用上拉電阻，總線上輸出導(dǎo)線處于空閑狀態(tài)的時候，對應(yīng)于高電平。

通過將設(shè)備地址線硬件連接到所需的邏輯電平上，可以分配I2C設(shè)備的地址。在嵌入式設(shè)備中，當(dāng)設(shè)計嵌入式硬件的時候，需要分配各種I2C設(shè)備的地址并完成硬件連接。系統(tǒng)與I2C從設(shè)備通信的工作順序如下：

（1） 主設(shè)備將總線上的時鐘線（SCL）拉高到高電平。

（2） 當(dāng)SCL線處于高電平邏輯（這是數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯訔l件）的時候，主設(shè)備將數(shù)據(jù)線（SDA）拉低到低電平。

（3） 主設(shè)備通過SDA線，將從設(shè)備地址（具有7位或10位寬度）發(fā)送到通信目的地址。從設(shè)備會在SCL線上產(chǎn)生時鐘脈沖，用于同步位接收。需要說明的是，系統(tǒng)總是首先傳輸數(shù)據(jù)的MSB（最高位）。在時鐘信號處于高電平期間，總線中的數(shù)據(jù)是有效的。

（4） 根據(jù)需求，主設(shè)備發(fā)送讀位或?qū)懳唬ㄎ恢档扔?意味著讀操作，位值等于0意味著寫操作）。

（5） 主設(shè)備等待從設(shè)備發(fā)出確認(rèn)位。在發(fā)送讀/寫操作命令的同時，從設(shè)備的地址也會發(fā)送到總線上。對于連接到總線上的從設(shè)備，會將接收到的地址與分配的地址進(jìn)行比較。

（6） 如果從設(shè)備接收到來自主設(shè)備的指令并且地址正確，那么從設(shè)備通過SDA線發(fā)送確認(rèn)位（值為1）。

（7） 主設(shè)備接收到確認(rèn)位之后，如果操作指令是向設(shè)備寫入數(shù)據(jù)，就通過SDA線向從設(shè)備發(fā)送8位數(shù)據(jù)。如果操作指令是從設(shè)備讀出數(shù)據(jù)，從設(shè)備將通過SDA線將數(shù)據(jù)發(fā)送給主設(shè)備。

（8） 對于寫入操作，在字節(jié)傳輸結(jié)束之后，主設(shè)備等待從設(shè)備發(fā)送確認(rèn)位；對于讀出操作，在字節(jié)傳輸結(jié)束之后，主設(shè)備向從設(shè)備發(fā)送確認(rèn)位。

（9） 當(dāng)時鐘線SCL處于邏輯高電平（表示停止）的時候，通過將SDA線拉高到高電平，主設(shè)備可以終止數(shù)據(jù)傳輸。

I2C總線支持三種不同的數(shù)據(jù)速率：標(biāo)準(zhǔn)模式（數(shù)據(jù)速率為100kb/秒，即100kbps）、快速模式（數(shù)據(jù)速率為400kb/秒，即400kbps）、高速模式（數(shù)據(jù)速率為3.4Mb/秒，即3.4Mbps）。第一代I2C設(shè)備設(shè)計所支持的數(shù)據(jù)速率只有100kbps，新一代I2C設(shè)備則能夠以高達(dá)3.4Mbps的數(shù)據(jù)速率工作。

2. 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“單個主設(shè)備+多個從設(shè)備”構(gòu)成的系統(tǒng)。需要說明的是：在系統(tǒng)中，只要任意時刻只有一個主設(shè)備是處于激活狀態(tài)的，就可以存在多個SPI主設(shè)備。為了實現(xiàn)通信，SPI共有4條信號線，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)的信號線，也稱為從設(shè)備輸出（Slave Output/Slave Data Out，SO/SDO）。

（3）串行時鐘（Serial Clock，SCLK）：傳輸時鐘信號的信號線。

（4）從設(shè)備選擇（Slave Select，SS）：用于選擇從設(shè)備的信號線，低電平有效。

圖2-27顯示了SPI總線上主設(shè)備和從設(shè)備的連接關(guān)系圖。

主設(shè)備負(fù)責(zé)產(chǎn)生時鐘信號，并通過將相應(yīng)從設(shè)備的從設(shè)備選擇信號拉低為低電平，選通所需的從設(shè)備。在沒有選通的時候，所有從設(shè)備的數(shù)據(jù)輸出線MISO都懸空處于高阻態(tài)。

SPI總線上的串行數(shù)據(jù)傳輸是用戶可配置的。SPI設(shè)備包含特定的寄存器組，可以保存所需的配置。串行外圍設(shè)備的控制寄存器用于保存各種配置參數(shù)，比如器件的主/從選擇、通信波特率的選擇、時鐘信號控制等。狀態(tài)寄存器則用于保存各種通信條件的狀態(tài)，實現(xiàn)所需的數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)接收。

SPI的工作是基于移位寄存器的；為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸或數(shù)據(jù)接收，主設(shè)備和從設(shè)備包含了專用移位寄存器。移位寄存器的長度取決于具體設(shè)備，通常是8的整數(shù)倍。數(shù)據(jù)在從主設(shè)備傳輸?shù)綇脑O(shè)備的過程中，主設(shè)備移位寄存器中的數(shù)據(jù)從MOSI管腳移出，然后通過從設(shè)備的MOSI管腳，輸入到從設(shè)備的移位寄存器中。與此同時，由從設(shè)備移位寄存器移位出來的數(shù)據(jù)，通過MISO管腳，輸入到主設(shè)備的移位寄存器中。也就是說，主設(shè)備和從設(shè)備的移位寄存器構(gòu)成了一個循環(huán)緩沖區(qū)。對于特定類型的器件，可以通過配置寄存器（比如，對于Motorola公司生產(chǎn)的68HC12型控制器，需要配置SPI控制寄存器的LSBF位），決定最先發(fā)送的數(shù)據(jù)位是最高位還是最低位。

與I2C總線相比，SPI總線更適于數(shù)據(jù)流傳輸。SPI的不足之處在于，SPI不支持?jǐn)?shù)據(jù)確認(rèn)機制。

3. UART

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)傳輸不需要使用時鐘信號來同步傳輸?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、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)送一個字節(jié)數(shù)據(jù)的時候，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。

起始位用于告知接收設(shè)備：數(shù)據(jù)字節(jié)將要到達(dá)接收端。然后，接收設(shè)備按照設(shè)定的波特率，選中其數(shù)據(jù)接收線。如果波特率是x比特/秒，那么每個比特可用的時隙是1/x秒。接收設(shè)備會精確地在比特可用時隙一半的位置，定時選中數(shù)據(jù)接收線。如果通信使用了奇偶校驗功能，那么UART發(fā)送設(shè)備會在發(fā)送數(shù)據(jù)流中增加奇偶校驗位（取值為1，表示傳輸比特流中含有奇數(shù)個1；取值為0，則表示傳輸比特流中含有偶數(shù)個1）。UART接收設(shè)備計算接收到的數(shù)據(jù)位的奇偶校驗結(jié)果，并與接收到的奇偶校驗位進(jìn)行比較。UART接收設(shè)備丟棄掉接收比特流中的起始位、結(jié)束位、奇偶校驗位，并將接收到的串行比特數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成字（比如，考慮8比特對應(yīng)于1個字節(jié)的情況，接收到8比特，最先接收到的數(shù)據(jù)位是LSB，最后接收到的數(shù)據(jù)位是MSB）。

為了實現(xiàn)正確的通信，發(fā)送設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸線應(yīng)該連接到接收設(shè)備的數(shù)據(jù)接收線上。圖2-28顯示了UART的連接圖。

除了串行數(shù)據(jù)傳輸功能以外，UART還可以為控制串行數(shù)據(jù)流提供硬件握手信號支持。很多半導(dǎo)體廠商都提供了相應(yīng)的UART芯片。NaTIonal半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的8250 UART是具有標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置的UART，用于IBM PC的早期設(shè)計中。

如今，大多數(shù)微處理器/控制器都集成有UART功能，并為串行數(shù)據(jù)傳輸與接收提供內(nèi)置式的指令支持。

4. 1-Wire接口

1-Wire接口是由Maxim Dallas半導(dǎo)體公司（首頁為）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，只使用單條信號線DQ實現(xiàn)通信。1-Wire總線的一個重要特征在于，該總線允許在信號線上傳輸能量。I2C從設(shè)備在信號線上使用內(nèi)部電容器（其典型取值為800 pF）來驅(qū)動設(shè)備。1-Wire接口支持在總線上連接單個主設(shè)備以及一個或多個從設(shè)備。圖2-29顯示了1-Wire總線上主設(shè)備和從設(shè)備的連接關(guān)系圖。

每臺1-Wire設(shè)備都具有全球唯一可識別的64位識別碼信息，存儲在設(shè)備內(nèi)部。對于多臺從設(shè)備連接到1-Wire總線上的情況，通過解讀唯一的識別碼，可以尋址總線上存在的各***立設(shè)備。識別碼由以下三個部分組成：8位的類別碼、48位的序列號以及前56比特數(shù)據(jù)的8位CRC校驗結(jié)果。與1-Wire從設(shè)備通信的具體流程如下：

（1） 主設(shè)備將復(fù)位脈沖發(fā)送到1-Wire總線上。

（2） 總線上的從設(shè)備通過確認(rèn)脈沖予以回應(yīng)。

（3） 主設(shè)備發(fā)送ROM命令（網(wǎng)絡(luò)尋址命令，參數(shù)是設(shè)備的64位地址），從而尋址到需要發(fā)起通信的從設(shè)備。

（4） 主設(shè)備發(fā)送讀/寫命令，對從設(shè)備的內(nèi)部存儲器或寄存器進(jìn)行讀/寫操作。

（5） 主設(shè)備將數(shù)據(jù)由從設(shè)備讀出，或者是將數(shù)據(jù)寫入從設(shè)備。

1-Wire總線上的所有通信都是由主設(shè)備發(fā)起的。其中，通信的最小間隔是時長為60微秒的時隙。復(fù)位脈沖占用8個時隙。在通信的開始階段，主設(shè)備將1-Wire總線拉低到低電平，并持續(xù)8個時隙（即480 μs），從而發(fā)出復(fù)位脈沖。如果總線上存在從設(shè)備，而且已經(jīng)準(zhǔn)備好進(jìn)行通信，那么從設(shè)備將通過確認(rèn)脈沖來回應(yīng)主設(shè)備；也就是說，從設(shè)備將1-Wire總線拉低到低電平，并持續(xù)1個時隙（即60 μs）。為了在1-Wire總線上寫入位值1，需要總線主設(shè)備將總線拉低，其持續(xù)時間為1~15 μs，然后在該時隙的其余時間段釋放總線。為了在總線上寫入位值0，主設(shè)備需要將總線拉低，其持續(xù)時間至少為1個時隙（60 μs），最多為2個時隙（120 μs）。為了由從設(shè)備讀出位值，主設(shè)備需要將總線拉低，并持續(xù)1~15 μs。為了響應(yīng)主設(shè)備的讀數(shù)據(jù)請求，如果從設(shè)備想要發(fā)送位值1，那么從設(shè)備只需要在該時隙的其余時間段釋放總線；如果從設(shè)備想要發(fā)送位值0，那么從設(shè)備需要在該時隙的其余時間段將總線拉低。