Понимание истинной природы GPIO, I2C, СПИ, УАРТ, ИСПОЛЬЗОВАТЬ, и USB-интерфейсы связи

Вы, должно быть, видели различные интерфейсы на многих электронных платах устройств, такие как GPIO, I2C, СПИ, УАРТ, ИСПОЛЬЗОВАТЬ, USB, и т. д.. Вам должно быть любопытно о принципах работы, цели, и различия между этими интерфейсами на платах. Сегодня, Наш редактор посетил коллег из технического отделения компании UGPCB, чтобы объяснить их “Истинная природа.”

Простые различия

1) GPIO (Входной вывод общего назначения) это вход/вывод общего назначения, Общий порт, Экстрадатель шины, который упрощает расширение ввода -вывода с использованием промышленного стандарта i2c, SMBUS™, или SPI™ интерфейсы. Когда у микроконтроллеров или чипсетов не хватает портов ввода -вывода., или когда системы требуют удаленной последовательной связи или контроля, Продукты GPIO могут обеспечить дополнительные функции управления и мониторинга.

2) СПИ (Серийный периферийный интерфейс) это стандартная четырехпроводная синхронная двунаправленная серийная шина. Интерфейс SPI в основном используется в EEPROM, ВСПЫШКА, Часы в реальном времени, Рекламные преобразователи, и между цифровыми процессорами сигнала и цифровыми сигнальными декодерами. SPI-это высокоскоростная, Полнодуплекс, Синхронная коммуникационная шина, которая занимает только четыре булавки на чипе, Сохранение количества штифтов и пространства макета печатной платы. Из-за его простых и простых в использовании характеристик, Все больше и больше чипов интегрируют этот протокол связи.

3) я²В (Международный автобус) это двухпроводная серийная автобус, разработанный Philips для соединения микроконтроллеров и их периферийных устройств. Это широко принятый стандарт шины в области микроэлектронного контроля связи. У него есть преимущества меньшего количества линий интерфейса, Простые методы управления, Формы упаковки маленького устройства, и более высокие показатели связи.

4) УАРТ (Универсальный асинхронный передатчик приемника) является универсальным асинхронным приемником/передатчиком.

5) USART Universal Synchronous Asynchronous Presiver Redmitter;

6) USB Universal Serial Bus (Универсальный серийный автобус)

7) Can Fieldbus

Состав линий передачи передачи

Автобус SPI состоит из трех сигнальных линий последовательных часов (SCLK), Вывод последовательных данных (SDO), и ввод последовательных данных (SDI). Шина SPI может подключить несколько устройств SPI. Устройство SPI, обеспечивающее часы SPI, является главным или основным устройством (Владелец), в то время как другие устройства являются рабов или рабов (Раб). Мастер и подчиненные устройства могут достичь полномулуплексной связи. Когда есть несколько рабов, Дополнительная линия выбора рабов может быть добавлена.

При моделировании автобуса SPI с общими портами IO, необходимо иметь один выходной порт (SDO), один входной порт (SDI), и в зависимости от типа реализованного устройства, Другой порт, если внедрить Master и Slave Devices, Требование как входных, так и выходных портов; Если только внедрить основные устройства, выходной порт достаточно; Если только внедрить рабовладельческие устройства, Входной порт необходим.

Автобус I2C-двусторонний, двухпроводной (SCL, SDA), сериал, Стандарт интерфейса с несколькими мастерами с арбитражным механизмом шины, сделать его очень подходящим для близкого расстояния, Нечастого передачи данных между устройствами. В своей системе протокола, При передаче данных, Адрес назначения устройства включен, Включение устройств сетей.

При моделировании автобуса I2C с общими портами IO для двунаправленной передачи, один входной/выходной порт (SDA) необходим, и еще один выходной порт (SCL) требуется. (Обратите внимание, что мое понимание i2c относительно ограничено, Так что это описание может быть неполным.)

Автобус UART является асинхронным последовательным портом, Таким образом, он обычно имеет гораздо более сложную структуру, чем предыдущие два синхронных последовательных порта (как представлено в книгах микроконтроллеров, хотя это не считается сложным). Как правило, состоит из генератора скорости бод (сгенерированная скорость передачи 16 Время скорости передачи), приемник UART, и передатчик UART, с двумя проводами в оборудовании, один для отправки и один для получения.

Четко, При моделировании автобуса UART с помощью общих портов IO, Требуется один входной порт и один выходной порт.

С второго пункта, Очевидно, что SPI и UART могут достичь полного дуплекса, Но i2c не может.

Различия протокола связи

СПИ

 

SPI - это протокол, который позволяет основному устройству инициировать синхронную связь с подчиненным устройством, тем самым завершая обмен данными. Этот метод связи имеет преимущество в том, чтобы занять меньше портов; в целом, Четыре достаточно для базового общения. В то же время, Скорость передачи также очень высока. В целом, требует, чтобы мастер -устройство имело контроллер SPI (но это также можно смоделировать) общаться с чипсами на основе SPI.

Принцип связи SPI очень прост; требуется как минимум четыре провода, Но троих тоже может быть достаточно. Они являются общими для всех устройств на основе SPI SDI (ввод данных), SDO (Вывод данных), SCK (часы), CS (Чип выберите). CS контролирует, выбран ли чип, Значение операций на этом чипе эффективна только тогда, когда сигнал выбора чипа находится в заранее определенном сигнале включения (высокий уровень или низкий уровень). Это позволяет подключать несколько устройств SPI на одной шине.

Далее следуют три строки, ответственные за связь. Коммуникация завершается посредством обмена данными. Здесь, Важно знать, что SPI - это протокол последовательной связи, Значение данных передается битом. Вот почему существует линия часов SCK. SCK обеспечивает импульсы часов, и SDI, SDO полная передача данных на основе этих импульсов. Вывод данных происходит через линию SDO; Изменения данных на растущем краю или падении часов и читаются сразу же после падения или повышения. Один бит передачи данных завершен таким образом. Ввод следует тому же принципу. Таким образом, не менее восьми изменений в тактовом сигнале (Один цикл вверх и вниз представляет собой одно изменение) разрешать передачу 8 биты данных.

Следует отметить, что линия сигналов SCK управляется только главным устройством, и подчиненные устройства не могут контролировать линию сигнала. Сходным образом, в устройстве на основе SPI, Должен быть хотя бы одно главное устройство.

Эта характеристика передачи имеет преимущество перед типичной последовательной коммуникацией в отличие от обычной последовательной связи, который передает хотя бы 8 биты данных непрерывно, SPI позволяет передавать данные битом, и даже разрешает паузу, потому что строка часов SCK контролируется главным устройством. Когда нет перехода часов, Устройство рабов не собирает и не передает данные. Другими словами, Главное устройство может управлять связью посредством управления часовой линией SCK.

SPI также является протоколом обмена данными, так как ввод данных SPI и выходные линии являются независимыми, Они разрешают одновременное завершение ввода и вывода данных.

Разные устройства SPI имеют разные реализации, в основном с точки зрения того, когда данные меняются и собираются, с различными определениями для сбора на растущем краю или падении тактового сигнала. Для конкретных деталей, Пожалуйста, обратитесь к документации соответствующих устройств.

я²В

Требуются только две линии шины. SDA Serial Data Line и одна серийная часовая линия SCL.

Каждое устройство, подключенное к шине, может быть решено с помощью уникального адреса и простых отношений с мастером-рабов, установленными программным обеспечением. Хозяин может выступить в качестве главного передатчика или приемника.

Это настоящий многомастерный автобус; Если два или более мастера одновременно инициируют передачу данных, Обнаружение конфликтов и арбитраж предотвращают коррупцию данных.

Серийные 8-битные двунаправленные скорости передачи данных могут достигать 100 кбит/с в стандартном режиме, 400кбит/с в быстром режиме, и 3,4 Мбит/с в высокоскоростном режиме.

Фильтры в чипе Удалите глюки из линии данных шины, чтобы обеспечить целостность данных.

Количество IC, подключенных к одной и той же автобусе, ограничено только максимальной емкостью шины 400pf.

УАРТ

Автобус UART является асинхронным последовательным портом, Таким образом, его структура, как правило, гораздо сложнее, чем предыдущие два синхронных последовательных порта. Обычно он состоит из генератора скорости бода (который генерирует скорость передачи 16 Время скорости передачи), приемник UART, и передатчик UART, с двумя проводами в оборудовании, один для отправки и один для получения.

UART обычно используется для управления компьютерными чипами для последовательных устройств. Одним из пунктов следует отметить, что он предоставляет интерфейс оборудования терминала Data RS-232C, Разрешение компьютеров общаться с модемами или другими последовательными устройствами, используя интерфейс RS-232C.

UART означает универсальный асинхронный приемник/передатчик (асинхронный порт последовательной связи). Он включает в себя стандарты и спецификации для интерфейсов, таких как RS232, RS499, RS423, RS422, и RS485, Сделать UART общим термином для асинхронных портов последовательной связи. RS232, RS499, RS423, RS422, и RS485 являются стандартами интерфейса и спецификациями для различных асинхронных портов последовательной связи, Определение электрических характеристик, скорости передачи, Характеристики соединения, и механические свойства интерфейсов. Они принадлежат к физическому слою (самый низкий слой) Концепция в сети связи и не связана с протоколами связи. Протоколы связи принадлежат слою ссылки на данные (Следующий более высокий слой) концепция в сети связи. COM -порт является аббревиатурой для асинхронного порта последовательной связи на ПК (персональный компьютер). По историческим причинам, Внешний интерфейс IBM был настроен как RS232, Стать де -факто стандартом в индустрии ПК. Таким образом, COM -порты на современных ПК - все RS232. Если доступны несколько асинхронных портов последовательной связи, Они называются com1, Com2, и т. д..

Понятно, что и SPI, и UART могут достичь полномулуплексной связи, Но i2c не может.

Универсальный синхронный асинхронный приемник USART и передатчик. (Разница от UART очевидна.)

UART Universal Asynchronous Presiver и Transmatter;

Универсальный синхронный асинхронный приемник USART и передатчик. В целом, в микроконтроллерах, Интерфейсы с именем UART используются только для асинхронной последовательной связи, В то время как эти названные USART можно использовать как для синхронной, так и для асинхронной серийной связи.

USB

USB означает универсальный серийный автобус, Внешний стандарт шины для подключения и общения между компьютером и внешними устройствами, применяется в домене ПК. USB поддерживает функции Plug-and-Play и Hot Swap. USB была предложена коалицией, включая Intel, Compaq, IBM, и Microsoft в конце 1994.

Электрические характеристики и характеристики передачи USB включают высокоскоростные USB-приемопередатчики, такие как Philips’ 82C251, Ti SN65/75LBC031, Bosch's CF150, C250, и Intersil's UC5350; Низкоскоростные USB-приемопередатчики включают Philips 82C252, TJA1053, Siemens TLE 6252G; Однопроводные USB-приемопередатчики включают Philips AU5790, Infineon tle 6255, Delphi DK166153.

МОЖЕТ

Когда автобус простаивает, Любой узел может запустить передачу данных. Если два или более узлов начинают передачу одновременно, Арбитраж на основе идентификатора решает конфликты доступа. CAN-это шина типа вещания, где все узлы получают данные с шины, и механизм аппаратной фильтрации определяет, предоставлено ли сообщение в узле.

Существует четыре типа кадров данных сообщений, Отдаленная кадр, Ошибка кадра, и перегружать кадр.

Базовые контроллеры банки являются экономически эффективными с ограниченными буферами сообщений для отправки/получения и базовых механизмов фильтрации сообщений.. Полные контроллеры банки предлагают более высокую стоимость и производительность с буферами, способными обрабатывать 8 или больше сообщений для отправки и получения. Стандартные контроллеры CAN обрабатывают сообщения с 11-битными идентификаторами, В то время как расширенные контроллеры CAN обрабатывают как 11-битные, так и 29-битные сообщения идентификатора. Время, запускаемое (Ttcan) Расписание контроллеров CAN CAN MESSTARDS в зависимости от времени и событий, повышение общей производительности и предсказуемости поведения сети CAN.

Байты данных передаются, начиная с наиболее значимого бита. 8-битный байт данных может быть передан за одну операцию отправки, с максимальной скоростью шины банки 1 Мбит / с.

Большинство могут микроконтроллеры для подключения к внешнему трансиверу для подключения к физической шине. Рынок предлагает высокоскоростные приемопередатчики, такие как Philips’ 82C251, Ti SN65/75LBC031, Bosch's CF150, C250, и Intersil's UC5350; и низкоскоростные приемопередатчики, такие как Philips 82C252, TJA1053, и Siemens TLE 6252G.

Выбор серийного автобуса

Микроконтроллеры (µc) в основе современных передовых электронных продуктов, Требование связи с одним или несколькими периферийными устройствами. Традиционно, Периферийные устройства µc подключали с помощью данных, отображаемых на память и адресных шин. Этот тип интерфейса требует минимального количества булавок (За исключением энергии и земли) 8 (данные) + 1 (R // w) + 1 (/CS) + n адреса адреса [n = log2(Внутренний реестр или количество байтов памяти)]. Например, общение с 16-байтовым периферийным устройством требует 8 + 1 + 1 + 4 = 14 булавки. Этот интерфейс предлагает быстрый доступ, но увеличивает размер пакета и общую стоимость из -за большего количества булавок. Чтобы снизить затраты и размеры упаковки, Серийные интерфейсы являются идеальными альтернативами.

Выбрать серийный автобус нелегко. Помимо рассмотрения ставок данных, Заказ о передаче битов данных (самый значительный бит первым или последним), и напряжение, Дизайнеры должны рассмотреть, как выбрать периферийную (через аппаратный чип выберите входы или программный протокол), Как синхронизируются периферийные устройства с µc (Использование аппаратной часовой линии или встроенной информации о часах в потоке данных), передаются ли данные на одной строке (переключение между “высокий” и “низкий”) или в дифференциальной паре (Две линии переключаются в противоположных направлениях одновременно), и используют ли линии связи соответствующее сопротивление на обоих концах (Обычно для дифференциальной передачи сигналов), бесподобный, или совпадает на одном конце (общий для односторонних автобусов). Стол 1 показывает различия между различными общими автобусными системами в форме матрицы. Только четыре из 16 Возможные комбинации хорошо известны.

Помимо этих характеристик, Конкретные приложения могут иметь дополнительные требования, такие как методы питания, изоляция, подавление шума, Максимум μc (хозяин) к периферическому (раб) Расстояние передачи, и методы подключения кабеля (Тип автобуса, звездный тип, Защита обратной полярности, и т. д.). Приложения, такие как автоматизация здания, промышленный контроль, Чтение счетчика, и т. д., установили стандарты для таких требований.

I²C/SMBUS VS. 1-Проволочная шина

Если приложение может предоставить линию часов, Выбор шины может распространяться на устройства I²C/SMBUS. Согласно спецификации SMBUS, Это можно рассматривать как производную спецификации шины 100 кбит / с I²C с добавленными функциями тайм -аута. В тех случаях, когда узел теряет синхронизацию с мастером автобуса, Функция тайм -аута предотвращает блокировку шины, Принимая во внимание, что система I²C требует сброса включения для восстановления от таких условий неисправности. 1-проводная система сбрасывает/обнаруживает присутствие на этапе инициализации интерфейса связи.

Помимо линии часов, I²C/SMBU предоставляет бит подтверждения для каждого байта, передаваемого на автобусе, снижение эффективных ставок передачи данных 12%. Процесс связи начинается с начала условия, за которым следует адрес подчиненного устройства и бит направления данных (Читать/написать), Закончив условием остановки. Для 1-проводной системы, Требования к сетевым уровням должны быть выполнены в первую очередь (то есть, Выбор конкретного устройства с помощью команд поиска ПЗУ или вещания), Затем отправка командных кодов, связанных с конкретными устройствами, влияющими на направление передачи данных (Читать/написать).

Примечательной проблемой с оригинальными системами IFC и SMBUS является их ограниченное 7-битное адресное пространство. С большим, чем 127 Доступны различные типы устройств, невозможно вывести функциональность устройства только из подчиненного адреса. Кроме того, Многие устройства I²C позволяют пользователям произвольно устанавливать один или несколько адресов адреса для прикрепления нескольких идентичных устройств на шине, Дальнейшее сокращение доступного адресного пространства. Управление разрешения конфликтов включает в себя сегментирование системы шины на несколько сегментов, которые могут быть активированы под контролем программного обеспечения в любой момент времени. Это требует дополнительного оборудования и усложняет прошивку приложений. Системам I²C не хватает возможности обнаружения сетевых узлов или перечисления, Сделать сложное управление сети с динамически изменяющимся количеством узлов. Эта проблема решается с помощью протокола разрешения адреса в версии спецификации SMBUS 2.013, Хотя поддерживаемые устройства SMBUS редки.

Интерфейс SPI и Microwires

SPI и Microwire (подмножество SPI) Требовать дополнительную линию выбора чипа для каждого рабовладельческого устройства. Из -за сигнала выбора чипа, Протокол SPI определяет только команды чтения/записи для адресов памяти и регистров статуса без предоставления функций подтверждения. Обычно, Устройства SPI используют отдельные контакты для ввода и вывода данных. Поскольку выходные данные являются Tri-State, за исключением во время операций чтения, Два контакта данных могут быть соединены вместе, чтобы сформировать единую двунаправленную линию данных. Автобусы SPI выбираются, когда другие автобусные системы не предоставляют необходимые функциональные возможности или когда необходимы более высокие показатели передачи данных, Поддержка до 2 Мбит / с или более высоких ставок. Однако, Создание сигналов CS для устранения конкретных устройств является недостатком SPI и микроволнов. Как i²C, Они не поддерживают обнаружение узла. Хост не может вывести функциональность устройства по логическим подчиненным адресам, Затруднение управления сети с динамически изменяющимися узлами.

RS-485, LVDS, МОЖЕТ, USB 2.0, и FireWire

Эти стандарты иллюстрируют дифференциальные характеристики передачи. Самым быстрым среди этих автобусных систем являются FireWire и USB 2.0, которые используют электрические соединения точки-точки. С усовершенствованными узлами или концентраторами, Они могут сформировать виртуальные автобусы с топологиями деревьев, Отправка пакетов данных из источника в конечную точку (USB) или одноранговая (FireWire), с скоростями данных взрыва до 480 Мбит / с (USB 2.0) или 1600 Мбит / с (FireWire). Пакеты данных с ограниченным размером и механизмы связи/буфер/буферизированные механизмы увеличивают время передачи, тем самым снижая эффективную пропускную способность данных. Топология и протокол USB позволяют до 126 узлы, Пока FireWire поддерживает 63 узлы с максимальным расстоянием узел-узла 4,5 м с использованием пассивных кабелей. Разработан для периферийных устройств ПК, мультимедиа, промышленный контроль, и авиационные приложения (Только FireWire), Устройства USB и FireS. Эта функция позволяет динамические изменения в количестве сетевых узлов.

LVDS, RS-485, и может реализовать топологии шины, соединяющие несколько хостов. Передача сигналов низкого напряжения (LVDS) предлагает самую высокую скорость среди этих стандартов, Способен работать на уровне 100 Мбит / с на расстояниях до 10 млн.. Фактическая скорость передачи данных и пропускная способность зависят от размера сети. Электрический стандарт LVDS предназначен для применений на задней плане и поддерживает горячую шлюза, но не включает в себя протокол.

RS-485 также определяет только электрические параметры, Указание грузоподъемности и максимальные нагрузки на линию шины (32), не с точки зрения узлов. Нагрузка электрического узла может быть меньше, чем 1. Типичные скорости передачи данных могут достигать 35 Мбит / с на расстояниях 12 млн., и 100 кбит / с на расстояниях 1200 м, Достаточно для приложений для сбора данных и управления. Протоколы устройств RS-485 часто основаны на протоколах, первоначально предназначенных для RS-232.

В отличие, Сеть зоны контроллера (МОЖЕТ) Определяет протокол связи для распределенного контроля в режиме реального времени с очень высокой безопасностью, специально предназначены для приложений автомобильной и промышленной автоматизации. Скорости передачи данных варьируются от 1 Мбит / с на расстояниях до 40 млн. До 50 Кбит / с на расстояниях до 1000 м. Метод адресации основан на сообщениях, и сам протокол не ограничивает количество узлов. Узлы могут поддержать горячую шлепа, разрешение динамических изменений в количестве сетевых узлов.

Заключение

В простом, Низкие автобусные системы по сравнению с шинами LIN и Sensorpath, 1-Проволочные системы предлагают самый широкий спектр функций и сетевых драйверов для рабов. I²C и SMBU требуют линий данных и оснований для передачи данных, а также часовых линий и источников питания VCC, но предлагают много функциональных возможностей устройства. SPI и микропроводы требуют дополнительных линий выбора чипа, но обеспечивают более высокие скорости передачи данных. Помимо поддержки паразитического источника питания и обнаружения сетевых узлов, 1-проводная интерфейс и поддержка протокола горячих, обычно встречается только в высокоскоростных системах с использованием дифференциальной сигнализации и SMBU 2.0 совместимые продукты. ibutton® Продукты широко используются в качестве однопрокатируемых 1-проводных устройств; Горячая подводка-это их обычный режим работы. Эти устройства оказались очень эффективными в приложениях, таких как глобальные идентификационные номера, Окружная плата/идентификация компонентов и сертификация, ощущение температуры, и приборные устройства. Еще одно успешное применение 1-проводной технологии включает в себя безопасные механизмы хранения и задачи ответа для достижения недорогой аутентификации и защиты программного кода.