常用通信协议TTL、RS232/RS485/RS422、CAN、IIC、SPI、USB整理

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1. 前言

  最近在进行项目方案设计时,涉及到常用通信接口的选型,包括TTL、RS232、RS485、RS422、CAN、IIC、SPI等常用通信协议,这里对常见的通信协议进行一个整理,在需要的时候可以进行回顾,这里参考几个优秀博文并进行整理,大家也可以去看看。

2. 串行通信和并行通信

2.1. 串行通信

  串行通信接口(cluster communication port)简称串口,即常说的COM接口,是采用串行通信方式的扩展接口。串行接口是指数据一位一位地顺序传送,串口可以算是一个泛称,一般指代的是串口时序标准。UART、RS232、RS485、TTL都遵循着类似的通信时序协议,因此都被通称为串口。
  串行通信(serial communication)是指计算机主机与外设之间以及主机系统与主机系统之间数据的串行传送。使用一条数据线,将数据一位一位地依次传输,每一位数据占据一个固定的时间长度。其只需要少数几条线就可以在系统间交换信息,特别适用于计算机与计算机、计算机与外设之间的远距离通信。串行通信按照发送时钟源和接收时钟源是否需要保持一致,又可分为同步通信和异步通信两种。

2.2. 并行通信

并行通信(Parallel communication)就是指数据的每一位同时在多根数据线上发送或者接收。可以以字或字节为单位并行进行。并行通信速度快,但用的通信线多、成本高,故不宜进行远距离通信。计算机或PLC各种内部总线就是以并行方式传送数据的。

  • 6080并行接口
  • 8080并行接口

2.3. 总结

串行通信是一种概念,是指一个bit一个bit的收发数据,相对于并行通信可一次性可以同时收发n个bit而言。包括普通的串口通信,包括IIC,包括SPI等等。串口通信是一种通信手段/方式,是相对于以太网方式、红外方式、蓝牙方式、usb方式(usb广义也算串行通信)等而言,是一种比较低级的通信手段。

3. 常用通信协议

3.1. UART/USART外设(串口)

  UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter),意为通用异步收发传输器,该总线双向通信,可以实现全双工传输和接收。UART包含TTL电平的串口和RS-232电平的串口,使用UART通信的双方设备都需要遵从UART协议。
  UART是串行通信的一种,重点是异步,和同步相对应,意思是不需要同步的时钟,通信两端预先约定bit的传输速率(每秒传多少bit),而不是由时钟触发的。
  在嵌入式设计中,UART用于主机与辅助设备通信。UART是实现串口收发的逻辑电路(硬件形式),这部分可以独立成芯片,也可以作为模块嵌入到其他芯片里,单片机、SOC、PC里都会有UART模块,例如STM32单片机里有两种UART模块,USART和UART,前者可以同步通信,而后者只能异步通信。一般电脑是没有uart接口的(TTL电平),我们可以通过电脑的USB接口和单片机通信,只需一个USB转串口模块插到USB接口上,装上驱动,另一边接单片机即可。有很多可以USB协议转为串口协议的芯片,如ch340,cp2102,pl2303等。

  • TX 数据发送接口
  • RX 数据接受接口

两个设备间将TX与RX相连,RX与TX相连即可正常工作。

  • 一般需要用到 复用推挽输出,根据寄存器数据主动输出电压

3.1.1. TTL电平

  TTL是Transistor-Transistor Logic的简写,是一种电平逻辑,晶体管-晶体管逻辑。通常我们采用二进制来表示数据,为了表示二进制,需要用高低电平表示这些二进制数,3.3V/5V等价于逻辑“1”,0V等价于逻辑“0”。UART特指单片机的UART端口,使用的就是TTL电平。

  1. 标准TTL电平逻辑
    (1)输出电路:电压大于等于(≥)2.4V为逻辑1;电压小于等于(≤)0.8V为逻辑0;
    (2)输入电路:电压大于等于(≥)2.0V为逻辑1;电压小于等于(≤)1.2V为逻辑0;

  2. CMOS电平
    (1)输出电路:电压大于等于(≥)0.9×Vcc为逻辑1;电压小于等于(≤)0.1×Vcc为逻辑0;
    (2)输入电路:电压大于等于(≥)0.7×Vcc为逻辑1;电压小于等于(≤)0.3×Vcc为逻辑0;

  嵌入式里面说的串口,一般是指UART口,而TTL、RS-232、RS-485是指的电平标准(电信号)。

3.2. RS232

  RS-232接口符合美国电子工业联盟(EIA)制定的串行数据通信的接口标准,全双工,其中 RS 为英文 “Recomend Standard” 的缩写,中文翻译为“推荐标准”,232为标识号。原始编号全称是EIA-RS-232(简称232,RS232)。它被广泛用于计算机串行接口外设连接,连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程,其输出的电平称为 RS232 电平。

3.2.1. RS-232电平逻辑

  RS-232不同于TTL的电平逻辑,为负逻辑,最简单的RS232通信由三条数据线组成,即 TxD、RxD 和GND。负12V代表高电平,即-15V ~ -3V为逻辑1,正12V代表低电平,即+3V ~ +15V为逻辑0,电压也有标准范围。这里的电平,是TXD线(或者RXD线)相对于 GND 的电压。
  根据设备供电电源的不同,+-5、+-10、+-12和+-15这样的电平都是可能的。


3.2.2. RS-232标准的不足

  经过许多年来RS-232 器件以及通信技术的改进,RS-232 的通信距离已经大大增加。由于RS-232 接口标准出现较早,难免有不足之处,主要有以下四点:

接口的信号电平值较高,易损坏接口电路的芯片,又因为与TTL 电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL 电路连接。
传输速率较低,在异步传输时,波特率为20Kbps。现在由于采用新的UART 芯片16C550 等,波特率达到115.2Kbps。
接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式, 这种共地传输容易产生共模干扰,所以抗噪声干扰性弱。
传输距离有限,最大传输距离标准值为50 米,实际上也只能用在15米左右。

3.3. RS-485

  RS-485和RS-232一样,都是串行通信标准,现在的标准名称是TIA/EIA-485-A,习惯称为RS-485标准,半双工,使用该标准的数字通信网络能在远距离条件下以及电子噪声大的环境下有效传输信号。RS-485使得廉价本地网络以及多支路通信链路的配置成为可能,而且增加了联网功能。
  针对RS-232串口标准的局限性,RS-485/422采用平衡发送和差分接收方式实现通信:发送端将串行口的TTL电平信号转换成差分信号A、B两路输出,经过线缆传输之后在接收端将差分信号还原成TTL电平信号。
  由于传输线通常使用双绞线,又是差分传输,所以又极强的抗共模干扰的能力,总线收发器灵敏度很高,可以检测到低至200mV电压,故传输信号在千米之外都是可以恢复。
  RS-485/422总线一般最大支持32个节点,如果使用特制的485芯片,可以达到128个或者256个节点,最大的可以支持到400个节点。

3.3.1. RS-485电平逻辑

  RS-485和RS-232单端传输不一样,是差分传输,使用一对双绞线,其中一根线定义为A,另一个定义为B,一般收发器内部是一个发送器加一个收发器组成。对于使能信号,字母上面加一横的为低电平有效,不加的为高电平有效。
逻辑“1”以两线间的电压差为+(2 ~ 6)V表示;逻辑“0”以两线间的电压差为-(2 ~ 6)V表示,使能端起作用和其他状态时为高阻态。

3.3.2. RS-232与RS-485对比

抗干扰性:RS485 接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合,抗噪声干扰性好。RS232 接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式,这种共地传输容易产生共模干扰。
传输距离:RS485 接口的最大传输距离标准值为 1200 米(9600bps 时),实际上可达 3000 米。RS232 传输距离有限,最大传输距离标准值为 50 米,实际上也只能用在 15 米左右。
通信能力:RS-485 接口在总线上是允许连接多达128个收发器,用户可以利用单一的 RS-485 接口方便地建立起设备网络。RS-232只允许一对一通信。
传输速率:RS-232传输速率较低,在异步传输时,波特率为 20Kbps。RS-485 的数据最高传输速率为 10Mbps 。
信号线:RS485 接口组成的半双工网络,一般只需二根信号线。RS-232 口一般只使用 RXD、TXD、GND 三条线 。
电气电平值:RS-485的逻辑"1"以两线间的电压差为+(2~6) V 表示;逻辑"0"以两线间的电压差为-(2~6)V 表 示 。在 RS-232-C 中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即:逻辑"1",-5~-15V;逻辑"0 " +5~+15V 。

3.4. RS-422

RS-422 的电气性能与RS-485近似一样。主要的区别在于:

RS-485 有2 根信号线:发送和接收都是A 和B。由于RS-485 的收与发是共用两根线,所以不能够同时收和发(半双工)。
RS-422 有4 根信号线:两根发送(Y、Z)、两根接收(A、B)。由于RS-422 的收与发是分开的,所以可以同时收和发(全双工)。
支持多机通信的RS-422将Y-A 短接作为RS-485 的A、将RS-422 的Z-B 短接作为RS-485 的B可以这样简单转换为RS-485。
注:
RS422 针脚定义:
1.英式标识为 TDA(-) 、TDB(+) 、RDA(-) 、RDB(+)、GND
2.美式标识为 Y 、Z 、 A 、 B 、 GND
3.中式标识为 TXD(+)/A 、TXD(-)/B 、RXD(-) 、RXD(+)、GND
具体的需要查看422芯片手册,并和对端确认好。

  很多人往往都误认为RS-422串行接口是RS-485串行接口的全双工版本,实际上,它们在电器特性上存在着不少差异,共模电压范围和接收器输入电阻不同使得该两个标准适用于不同的应用领域。
  RS-485串行接口的驱动器可用于RS-422串行接口的应用中,因为RS-485串行接口满足所有的RS-422串行接口性能参数,反之则不能成立。对于RS-485串行接口的驱动器,共模电压的输出范围是-7V和+12V之间;对于RS-422串行接口的驱动器,该项性能指标仅有±7V。RS-422串行接口接收器的最小输入电阻是4KΩ;而RS-485串行接口接收器的最小输入电阻则是12KΩ。

3.5. 串口、 COM 口、 TTL、RS-232、RS-485 区别

3.5.1. 主要区别

  1. 串口、COM口是指的物理接口形式(硬件)。而 TTL、RS-232、RS-485 是指的电平标准(电信号)。
  2. TTL 标准是低电平为 O ,高电平为 1 (+5V 电平)。 RS-232 标准是正电平为 0 ,负电平为 1 (+-15V 电平)。
  3. RS-485 与 RS-232 类似,但是采用差分信号负逻辑。这里略过不讲。
  4. 接设备的时候,一般只接 GNO/RX/TX 。不会接 VCC 或者+3.3V 的电源线,避免与目标设备上的供电冲突。
  5. PL2303、CP2102 芯片是 USB 转 TTL 串口 的芯片,用 USB 来扩展串口(TTL 电平)。
  6. MAX232 芯片是 TTL 电平与 RS232 电平的专用双向转换芯片,可以 TTL 转 RS-232 ,也可以 RS-232 转 TTL 。

3.5.2. 串口、COM 口

COM 口即串行通讯端口,简称串口。这里区别于 USB 的“通用串行总线”和硬盘的“ SATA ”。
一般我们见到的是两种物理标准。 D型 9 针插头,和 4 针杜邦头两种。
这是常见的 4 针串口,在电路板上常见,经常上边还带有杜邦插针。还有时候有第五根针,3.3V 电源端。由于是预留在电路板上的,协议可以有很多种,要看具体设备。

3.6. USB

  USB是Universal Serial Bus(通用串行总线)的缩写,是一个外部总线标准,用于规范电脑与外部设备的连接和通讯,是应用在PC领域的接口技术,USB接口的特点是传输速度快,支持热插拔,可连接多个设备。
  一条USB传输线分别由地线、电源线、D+和D-四条线构成,D+和D-是差分输入线,它使用的是3.3V的电压(与CMOS的5V电平不同),而电源线和地线可向设备提供5V电压,最大电流为500mA(可以在编程中设置)。USB设备可以直接和HOST通信,或者通过Hub和Host通信。一个USB系统中仅有一个USB 主机,设备包括USB功能设备和USB HUB,最多支持127个设备。物理连接指的是USB传输线。在USB 2.0系统中要求使用屏蔽双绞线。

3.6.1. USB 速率

USB1.0:低速模式(low speed):传输速率为1.5Mbps;
USB1.1:全速模式(full speed):传输速率为12Mbps;
USB2.0:向下兼容,高速模式(high speed):25~480Mbps;
USB3.0:向下兼容,(super speed):理论上最高达5Gbps,实际中,也就是high speed 的10倍左右;
USB3.1:Gen2 超高速(SuperSpeed+)传输速率为 10Gbps。

3.6.2. USB接口定义

Pin Name 颜色
1 VBUS/+5V 红色
2 D-/DM 白色
3 D+/DP 绿色
4 GND 黑色

  USB是普遍使用的一种高速通信接口,和串口完全是两个概念。虽然也是串行方式通信,但由于USB的通信时序和逻辑电平标准都和串口完全不同,因此和串口无关。USB是高速的通信接口,用于PC连接各种外设,U盘、键鼠、移动硬盘、当然也包括“USB转串口”的模块。参考链接:USB协议基本知识_u010142953的博客-CSDN博客_usb协议栈

3.7. CAN总线

  CAN总线涉及的东西比较多,我之前也用过一些,这里简单分享一下,这里可以具体查看小麦大叔的博客CAN总线简易入门教程,比较全面。
  CAN(Controller Area Network)是一种功能丰富的串行总线标准,支持多主机,多从机的优点,广泛应用在汽车领域,一辆车所有控制器,传感器,电子设备直接的通信只需要两条线就够了,大大优化了整车的布线。

3.7.1. CAN电平逻辑

  CAN是串行异步通讯,只有CAN_HIGH和CAN_LOW两条差分信号线,数据通过差分信号的方式进行通讯,其优点就是可以增加信号的抗干扰能力,抑制共模信号的干扰;以下图片引自小麦大叔CAN总线简易入门教程。
  我们可以简单地理解一下,当CAN_HIGH减去CAN_LOW大于某个阈值的时候,可以把它当做逻辑高,反之,当小于某一个阈值时,就变成逻辑低。

3.7.2. CAN连接方式

  CAN总线支持多个节点挂载在总线上,比较类似I2C总线,可以在SCL和SDA上挂载多个从机,具体如下图所示;

  不过CAN总线其实没有主从的概念,每个设备都是一个节点(Node),节点直接可以相互通讯,相较于I2C总线,CAN总线设置了终端电阻,常见的一种闭环连接模式,相对的还有开环的连接模式。

  这里仅对CAN做简单介绍,具体可以参考小麦大叔博客~

3.8. IIC外设接口

3.8.1. 什么是IIC

IIC 即Inter-Integrated Circuit(集成电路总线),这种总线类型是由飞利浦半导体公司在八十年代初设计出来的一种简单、双向、二线制、同步串行总线,主要是用来连接整体电路(ICS) ,IIC是一种多向控制总线,也就是说多个芯片可以连接到同一总线结构下,同时每个芯片都可以作为实时数据传输的控制源。这种方式简化了信号传输总线接口。

I2C总线是由Philips公司开发的一种简单、半双工、双向二线制同步串行总线。它只需要两根线(SDA、SCL)即可在连接于总线上的器件之间传送信息。同一时刻可以单主机多从机或单主机单从机,I2C总线上的任意设备都可以当主机,一般主机是MCU,当有多个主机时,会通过总线仲裁的方式选出一个主机,其他退出作从机。

IIC一共有只有两个总线: 一条是双向的串行数据线SDA,一条是串行时钟线SCL

SDA(Serial data)是数据线,D代表Data也就是数据,Send Data 也就是用来传输数据的
SCL(Serial clock line)是时钟线,C代表Clock 也就是时钟 也就是控制数据发送的时序的

  • 一般需要用到 复用开漏输出,外部提供电源,例如检测电源电压等

3.8.2. IIC简介

I2C,即一种总线结构。例如:内存中的SPD信息,通过IIC,与BX芯片组联系,IIC 存在于英特尔PIIX4结构体系中。

随着大规模集成电路技术的发展,把CPU和一个单独工作系统所必需的ROM、RAM、I/O端口、A/D、D/A等外围电路集成在一个单片内而制成的单片机或微控制器愈来愈方便。目前,世界上许多公司生产单片机,品种很多。其中包括各种字长的CPU,各种容量的ROM、RAM以及功能各异的I/O接口电路等等,但是,单片机的品种规格仍然有限,所以只能选用某种单片机来进行扩展。扩展的方法有两种:一种是并行总线,另一种是串行总线。由于串行总线的连线少,结构简单,往往不用专门的母板和插座而直接用导线连接各个设备。因此,采用串行线可大大简化系统的硬件设计。PHILIPS公司早在十几年前就推出了I2C串行总线,利用该总线可实现多主机系统所需的裁决和高低速设备同步等功能。因此,这是一种高性能的串行总线。
飞利浦电子公司日前推出新型二选一I2C主选择器,可以使两个I2C主设备中的任何一个与共享资源连接,广泛适用于从MP3播放器到服务器等计算、通信和网络应用领域,从而使制造商和终端用户从中获益。PCA9541可以使两个I2C主设备在互不连接的情况下与同一个从设备相连接,从而简化了设计的复杂性。此外,新产品以单器件替代了I2C多个主设备应用中的多个芯片,有效节省了系统成本。

3.9. SPI(串行外设接口4线/3线)

  SPI是串行外设接口(Serial Peripheral Interface)的缩写,意为串行外围接口,是摩托罗拉首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的,SPI是一种高速的,全双工,同步的通信总线,并且在芯片的管脚上只占用四根线,节约了芯片的管脚,同时为PCB的布局上节省空间,提供方便,正是出于这种简单易用的特性,如今越来越多的芯片集成了这种通信协议,比如AT91RM9200。SPI的速率比I2C高,一般可以到几十Mbps,不同的器件当主机和当作从机的速率一般不同。SPI最典型的应用是单主机单从机,下图是接线方式,当然也可以多从机。

3.9.1. SPI协议概括

SPI的通信原理很简单,它以主从方式工作,这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备,需要至少4根线,事实上3根也可以(单向传输时)。也是所有基于SPI的设备共有的,它们是SDI(数据输入)、SDO(数据输出)、SCLK(时钟)、CS(片选)。

(1)SDI – SerialData In,串行数据输入;
(2)SDO – SerialDataOut,串行数据输出;
(3)SCLK – Serial Clock,时钟信号,由主设备产生;
(4)CS – 从设备使能信号,由主设备控制。

其中,CS是从芯片是否被主芯片选中的控制信号,也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时(高电位或低电位),主芯片对此从芯片的操作才有效。这就使在同一条总线上连接多个SPI设备成为可能。

接下来就负责通讯的3根线了。通讯是通过数据交换完成的,这里先要知道SPI是串行通讯协议,也就是说数据是一位一位的传输的。这就是SCLK时钟线存在的原因,由SCLK提供时钟脉冲,SDI,SDO则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过 SDO线,数据在时钟上升沿或下降沿时改变,在紧接着的下降沿或上升沿被读取。完成一位数据传输,输入也使用同样原理。因此,至少需要8次时钟信号的改变(上沿和下沿为一次),才能完成8位数据的传输。

SCLK信号线只由主设备控制,从设备不能控制信号线。同样,在一个基于SPI的设备中,至少有一个主控设备。这样传输的特点:这样的传输方式有一个优点,与普通的串行通讯不同,普通的串行通讯一次连续传送至少8位数据,而SPI允许数据一位一位的传送,甚至允许暂停,因为SCLK时钟线由主控设备控制,当没有时钟跳变时,从设备不采集或传送数据。也就是说,主设备通过对SCLK时钟线的控制可以完成对通讯的控制。SPI还是一个数据交换协议:因为SPI的数据输入和输出线独立,所以允许同时完成数据的输入和输出。不同的SPI设备的实现方式不尽相同,主要是数据改变和采集的时间不同,在时钟信号上沿或下沿采集有不同定义,具体请参考相关器件的文档。
缺点:没有指定的流控制,没有应答机制确认是否接收到数据。

SPI的片选可以扩充选择16个外设,这时PCS输出=NPCS,说NPCS0~3接4-16译码器,这个译码器是需要外接4-16译码器,译码器的输入为NPCS0~3,输出用于16个外设的选择。

3.9.2. SPI,IIC总线的区别

IIC的数据输入输出用的是一根线,SPI则分为data IN和 data OUT。由于这个原因,采用IIC时CPU的端口占用少,SPI多一根。但是由于IIC的数据线是双向的,所以隔离比较复杂,SPI则比较容易。 所以系统内部通信可用IIC,若要与外部通信则最好用SPI带隔离(可以提高抗干扰能力)。但是IIC和SPI都不适合长距离传输。

第一:SPI(Serial Peripheral Interface:串行外设接口);IIC(INTER IC BUS)

第二,区别在电气信号线上:

SPI总线由三条信号线组成:串行时钟(SCLK)、串行数据输出(SDO)、串行数据输入(SDI)。SPI总线可以实现多个SPI设备互相连接。提供 SPI串行时钟的SPI设备为SPI主机或主设备(Master),其他设备为SPI从机或从设备(Slave)。主从设备间可以实现全双工通信,当有多 个从设备时,还可以增加一条从设备选择线。

IIC总线是双向、两线(SCL、SDA)、串行、多主控(multi-master)接口标准,具有总线仲裁机制,非常适合在器件之间进行近距离、非经 常性的数据通信。在它的协议体系中,传输数据时都会带上目的设备的设备地址,因此可以实现设备组网。

I2C线更少,我觉得比UART、SPI更为强大,但是技术上也更加麻烦些,因为I2C需要有双向IO的支持,而且使用上拉电阻,我觉得抗干扰能力较弱, 一般用于同一板卡上芯片之间的通信,较少用于远距离通信。SPI实现要简单一些,UART需要固定的波特率,就是说两位数据的间隔要相等,而SPI则无所 谓,因为它是有时钟的协议。

I2C的速度比SPI慢一点,协议比SPI复杂一点,但是连线也比标准的SPI要少。

SPI总线系统是一种同步串行外设接口,它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行

通信以交换信息。外围设置FLASHRAM、网络控制器、LCD显示驱动器、A/D转换器和MCU等。SPI总线系统可直接与各个厂家生产的多种标准外围器件直接接口,该接口一般使用4条线:串行时钟线(SCK)、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MOST和低电平有效的从机选择线SS(有的SPI接口芯片带有中断信号线INT或INT、有的SPI接口芯片没有主机输出/从机输入数据线MOSI)。

SPI的通信原理很简单,它以主从方式工作,这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备,需要至少4根线,事实上3根也可以(单向传输时)。也是所有基于SPI的设备共有的,它们是SDI(数据输入),SDO(数据输出),SCK(时钟),CS(片选)。

  1. SDO – 主设备数据输出,从设备数据输入
  2. SDI – 主设备数据输入,从设备数据输出
  3. SCLK – 时钟信号,由主设备产生
  4. CS – 从设备使能信号,由主设备控制

其中CS是控制芯片是否被选中的,也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时(高电位或低电位),对此芯片的操作才有效。这就允许在同一总线上连接多个SPI设备成为可能。

接下来就负责通讯的3根线了。通讯是通过数据交换完成的,这里先要知道SPI是串行通讯协议,也就是说数据是一位一位的传输的。这就是SCK时钟线存在的原因,由SCK提供时钟脉冲,SDI,SDO则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过 SDO线,数据在时钟上升沿或下降沿时改变,在紧接着的下降沿或上升沿被读取。完成一位数据传输,输入也使用同样原理。这样,在至少8次时钟信号的改变(上沿和下沿为一次),就可以完成8位数据的传输。

要注意的是,SCK信号线只由主设备控制,从设备不能控制信号线。同样,在一个基于SPI的设备中,至少有一个主控设备。这样传输的特点:这样的传输方式有一个优点,与普通的串行通讯不同,普通的串行通讯一次连续传送至少8位数据,而SPI允许数据一位一位的传送,甚至允许暂停,因为SCK时钟线由主控设备控制,当没有时钟跳变时,从设备不采集或传送数据。也就是说,主设备通过对SCK时钟线的控制可以完成对通讯的控制。SPI还是一个数据交换协议:因为SPI的数据输入和输出线独立,所以允许同时完成数据的输入和输出。不同的SPI设备的实现方式不尽相同,主要是数据改变和采集的时间不同,在时钟信号上沿或下沿采集有不同定义,具体请参考相关器件的文档。

在点对点的通信中,SPI接口不需要进行寻址操作,且为全双工通信,显得简单高效。在多个从设备的系统中,每个从设备需要独立的使能信号,硬件上比I2C系统要稍微复杂一些。

最后,SPI接口的一个缺点:没有指定的流控制,没有应答机制确认是否接收到数据。

AT91RM9200的SPI接口主要由4个引脚构成:SPICLK、MOSI、MISO及 /SS,其中SPICLK是整个SPI总线的公用时钟,MOSI、MISO作为主机,从机的输入输出的标志,MOSI是主机的输出,从机的输入,MISO 是主机的输入,从机的输出。/SS是从机的标志管脚,在互相通信的两个SPI总线的器件,/SS管脚的电平低的是从机,相反/SS管脚的电平高的是主机。在一个SPI通信系统中,必须有主机。SPI总线可以配置成单主单从,单主多从,互为主从。

SPI的片选可以扩充选择16个外设,这时PCS输出=NPCS,说NPCS0~3接4-16译码器,这个译码器是需要外接4-16译码器,译码器的输入为NPCS0~3,输出用于16个外设的选择。

3.9.3. SPI协议举例

SPI是一个环形总线结构,由ss(cs)、sck、sdi、sdo构成,其时序其实很简单,主要是在sck的控制下,两个双向移位寄存器进行数据交换。

假设下面的8位寄存器装的是待发送的数据10101010,上升沿发送、下降沿接收、高位先发送。

那么第一个上升沿来的时候 数据将会是sdo=1;寄存器=0101010x。下降沿到来的时候,sdi上的电平将所存到寄存器中去,那么这时寄存器=0101010sdi,这样在 8个时钟脉冲以后,两个寄存器的内容互相交换一次。这样就完成里一个spi时序。

  • 举例:

假设主机和从机初始化就绪:并且主机的sbuff=0xaa,从机的sbuff=0x55,下面将分步对spi的8个时钟周期的数据情况演示一遍:假设上升沿发送数据
这样就完成了两个寄存器8位的交换,,sdi、sdo相对于主机而言的。其中ss引脚作为主机的时候,从机可以把它拉底被动选为从机,作为从机的是时候,可以作为片选脚用。根据以上分析,一个完整的传送周期是16位,即两个字节,因为,首先主机要发送命令过去,然后从机根据主机的命令准备数据,主机在下一个8位时钟周期才把数据读回来。 SPI 总线是Motorola公司推出的三线同步接口,同步串行3线方式进行通信:一条时钟线SCK,一条数据输入线OSI,一条数据输出线MISO;用于CPU与各种外围器件进行全双工、同步串行通讯。SPI主要特点有:可以同时发出和接收串行数据;可以当作主机或从机工作;提供频率可编程时钟;发送结束 中断标志;写冲突保护;总线竞争保护等。下图示出SPI总线工作的四种方式,其中使用的最为广泛的是SPI0和SPI3方式 (实线表示):

SPI总线四种工作方式 SPI 模块为了和外设进行数据交换,根据外设工作要求,其输出串行同步时钟极性和相位可以进行配置,时钟极性(CPOL)对传输协议没有重大的影响。如果 CPOL=0,串行同步时钟

的空闲状态为低电平;如果CPOL=1,串行同步时钟的空闲状态为高电平。时钟相位(CPHA)能够配置用于选择两种不同的传输协议之一进行数据传输。如果CPHA=0,在串行同步时钟的第一个跳变沿(上升或下降)数据被采样;如果CPHA=1,在串行同步时钟的第二个跳变沿(上升或下降)数据被采样。SPI主模块和与之通信的外设备时钟相位和极性应该一致。

SPI总线包括1根串行同步时钟信号线以及2根数据线。

SPI模块为了和外设进行数据交换,根据外设工作要求,其输出串行同步时钟极性和相位可以进行配置,时钟极性(CPOL)对传输协议没有重大的影响。如果CPOL=0,串行同步时钟的空闲状态为低电平;如果CPOL=1,串行同步时钟的空闲状态为高电平。时钟相位(CPHA)能够配置用于选择两种不同的传输协议之一进行数据传输。如果CPHA=0,在串行同步时钟的第一个跳变沿(上升或下降)数据被采样;如果CPHA=1,在串行同步时钟的第二个跳变沿(上升或下降)数据被采样。SPI主模块和与之通信的外设音时钟相位和极性应该一致。

补充:

上文中最后一句话:SPI主模块和与之通信的外设备时钟相位和极性应该一致。个人理解这句话有2层意思:其一,主设备SPI时钟和极性的配置应该由外设来决定;其二,二者的配置应该保持一致,即主设备的SDO同从设备的SDO配置一致,主设备的SDI同从设备的SDI配置一致。因为主从设备是在SCLK的控制下,同时发送和接收数据,并通过2个双向移位寄存器来交换数据。

上升沿主机SDO发送数据1,同时从设备SDO发送数据0;紧接着在SCLK的下降沿的时候从设备的SDI接收到了主机发送过来的数据1,同时主机也接收到了从设备发送过来的数据0.

3.9.4. SPI协议心得

//-----------------OLED端口定义----------------                        
#define OLED_CS     PBout(7)      //DCMI_VSYNC,PB7
#define OLED_RST  PGout(15)     //DCMI_RESET,PG15, RESET  复位- 高电平 2.2V~5.5V (SPI 4口)
#define OLED_RS     PDout(6)        //DCMI_SCL,PD6, DC  数据 / 命令 高电平 2.2V~5.5V  (SPI 4口)
#define OLED_WR     PAout(4)        //DCMI_HREF,?:PA4
#define OLED_RD     PDout(7)    //DCMI_SDA,?:PD7

//使用4线串行接口时使用 
#define OLED_SCLK   PCout(6)    //DCMI_D0 SCL(D0):CLK 时钟 (高电平 2.2V~5.5V)  (SPI 4口)
#define OLED_SDIN   PCout(7)    //DCMI_D1 SDA(D1):MOSI 数据(高电平 2.2V~5.5V)   (SPI 4口)  

SPI接口时钟配置心得:

在主设备这边配置SPI接口时钟的时候一定要弄清楚从设备的时钟要求,因为主设备这边的时钟极性和相位都是以从设备为基准的。因此在时钟极性的配置上一定要搞清楚从设备是在时钟的上升沿还是下降沿接收数据,是在时钟的下降沿还是上升沿输出数据。但要注意的是,由于主设备的SDO连接从设备的SDI,从设备的SDO连接主设备的SDI,从设备SDI接收的数据是主设备的SDO发送过来的,主设备SDI接收的数据是从设备SDO发送过来的,所以主设备这边SPI时钟极性的配置(即SDO的配置)跟从设备的SDI接收数据的极性是相反的,跟从设备SDO发送数据的极性是相同的。下面这段话是Sychip Wlan8100 Module Spec上说的,充分说明了时钟极性是如何配置的:

The 81xx module will always input data bits at the rising edge of the clock, and the host will always output data bits on the falling edge of the clock.

意思是:主设备在时钟的下降沿发送数据,从设备在时钟的上升沿接收数据。因此主设备这边SPI时钟极性应该配置为下降沿有效。

又如,下面这段话是摘自LCD Driver IC SSD1289:

SDI is shifted into 8-bit shift register on every rising edge of SCK in the order of data bit 7, data bit 6 …… data bit 0.

意思是:从设备SSD1289在时钟的上升沿接收数据,而且是按照从高位到地位的顺序接收数据的。因此主设备的SPI时钟极性同样应该配置为下降沿有效。

时钟极性和相位配置正确后,数据才能够被准确的发送和接收。因此应该对照从设备的SPI接口时序或者Spec文档说明来正确配置主设备的时钟。

软件过程改进

SPI: Software Process Improvement. 软件过程改进。是软件企业项目过程质量的改进,CMM,ISO9000-3说的就是这个。

4. 参考

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原文链接:https://blog.csdn.net/qq_43418269/article/details/125836656

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