ทำความเข้าใจธรรมชาติที่แท้จริงของ GPIO, ไอทูซี, เอสพีไอ, ยูอาร์ที, ใช้, และอินเทอร์เฟซการสื่อสาร USB

คุณต้องเคยเห็นอินเทอร์เฟซต่าง ๆ บนแผงวงจรอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จำนวนมาก, เช่น GPIO, ไอทูซี, เอสพีไอ, ยูอาร์ที, ใช้, USB, ฯลฯ. คุณต้องสงสัยเกี่ยวกับหลักการทำงาน, วัตถุประสงค์, และความแตกต่างระหว่างอินเทอร์เฟซเหล่านี้บนแผงวงจร. วันนี้, บรรณาธิการของเราไปเยี่ยมเพื่อนร่วมงานจากแผนกเทคนิคของบริษัท UGPCB เพื่ออธิบายเกี่ยวกับพวกเขา “ธรรมชาติที่แท้จริง”

ความแตกต่างง่ายๆ

1) GPIO (อินพุตเอาต์พุตวัตถุประสงค์ทั่วไป) เป็นอินพุต/เอาต์พุตอเนกประสงค์, พอร์ตทั่วไป, ตัวขยายบัสที่ทำให้การขยาย I/O ง่ายขึ้นโดยใช้ I2C มาตรฐานอุตสาหกรรม, เอสเอ็มบัส™, หรือเอสพีไอ™ อินเทอร์เฟซ. เมื่อไมโครคอนโทรลเลอร์หรือชิปเซ็ตขาดพอร์ต I/O เพียงพอ, หรือเมื่อระบบต้องการการสื่อสารหรือการควบคุมแบบอนุกรมระยะไกล, ผลิตภัณฑ์ GPIO สามารถให้ฟังก์ชันการควบคุมและการตรวจสอบเพิ่มเติมได้.

2) เอสพีไอ (อินเทอร์เฟซอุปกรณ์ต่อพ่วงแบบอนุกรม) เป็นบัสอนุกรมแบบสองทิศทางแบบซิงโครนัสสี่สายมาตรฐาน. อินเทอร์เฟซ SPI ส่วนใหญ่จะใช้ใน EEPROM, แฟลช, นาฬิกาเรียลไทม์, ตัวแปลง AD, และระหว่างโปรเซสเซอร์สัญญาณดิจิทัลกับตัวถอดรหัสสัญญาณดิจิทัล. SPI เป็นความเร็วสูง, ฟูลดูเพล็กซ์, บัสสื่อสารแบบซิงโครนัสที่ใช้เพียงสี่พินบนชิป, ประหยัดจำนวนพินและพื้นที่เค้าโครง PCB. เนื่องจากมีลักษณะที่เรียบง่ายและใช้งานง่าย, ชิปจำนวนมากขึ้นเรื่อยๆ กำลังรวมโปรโตคอลการสื่อสารนี้ไว้.

3) ฉัน²C (อินเตอร์ไอซีบัส) เป็นบัสอนุกรมแบบสองสายที่พัฒนาโดย PHILIPS สำหรับเชื่อมต่อไมโครคอนโทรลเลอร์และอุปกรณ์ต่อพ่วง. เป็นมาตรฐานบัสที่นำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านการควบคุมการสื่อสารไมโครอิเล็กทรอนิกส์. มีข้อดีคือมีเส้นอินเทอร์เฟซน้อยกว่า, วิธีการควบคุมง่ายๆ, แบบฟอร์มบรรจุภัณฑ์อุปกรณ์ขนาดเล็ก, และอัตราการสื่อสารที่สูงขึ้น.

4) ยูอาร์ที (เครื่องส่งสัญญาณตัวรับสัญญาณแบบอะซิงโครนัสสากล) เป็นอุปกรณ์รับ/ส่งสัญญาณแบบอะซิงโครนัสสากล.

5) USART Universal Synchronous Asynchronous Receiver เครื่องส่ง;

6) USB ยูนิเวอร์แซลบัสอนุกรม (ยูนิเวอร์แซลอนุกรมบัส)

7) CAN ฟิลด์บัส

องค์ประกอบของสายส่งข้อมูล

บัส SPI ประกอบด้วยสายสัญญาณสามสายนาฬิกาอนุกรม (เอสซีแอลเค), เอาท์พุทข้อมูลแบบอนุกรม (สดีโอ), และการป้อนข้อมูลแบบอนุกรม (เอสดีไอ). บัส SPI สามารถเชื่อมต่ออุปกรณ์ SPI ได้หลายตัว. อุปกรณ์ SPI ที่ให้นาฬิกา SPI เป็นอุปกรณ์หลักหรืออุปกรณ์หลัก (ผู้เชี่ยวชาญ), ในขณะที่อุปกรณ์อื่นเป็นทาสหรืออุปกรณ์ทาส (ทาส). อุปกรณ์หลักและอุปกรณ์รองสามารถบรรลุการสื่อสารแบบฟูลดูเพล็กซ์. เมื่อมีอุปกรณ์ทาสหลายตัว, สามารถเพิ่มบรรทัดเลือกทาสเพิ่มเติมได้.

หากจำลองบัส SPI ด้วยพอร์ต IO ทั่วไป, จำเป็นต้องมีพอร์ตเอาต์พุตหนึ่งพอร์ต (สดีโอ), พอร์ตอินพุตหนึ่งพอร์ต (เอสดีไอ), และขึ้นอยู่กับประเภทของอุปกรณ์ที่ใช้งาน, พอร์ตอื่นหากใช้อุปกรณ์หลักและทาส, ต้องการทั้งพอร์ตอินพุตและเอาต์พุต; หากใช้เฉพาะอุปกรณ์หลักเท่านั้น, พอร์ตเอาท์พุตก็เพียงพอแล้ว; หากใช้เฉพาะอุปกรณ์ทาสเท่านั้น, จำเป็นต้องมีพอร์ตอินพุต.

บัส I2C เป็นแบบสองทาง, สองสาย (เอสซีแอล, สดีเอ), อนุกรม, มาตรฐานอินเทอร์เฟซหลายต้นแบบพร้อมกลไกอนุญาโตตุลาการบัส, ทำให้เหมาะมากสำหรับการยิงระยะใกล้, การสื่อสารข้อมูลระหว่างอุปกรณ์ไม่บ่อยนัก. ในระบบโปรโตคอลของมัน, เมื่อส่งข้อมูล, รวมถึงที่อยู่ของอุปกรณ์ปลายทางด้วย, เปิดใช้งานเครือข่ายอุปกรณ์.

หากจำลองบัส I2C ด้วยพอร์ต IO ทั่วไปสำหรับการส่งสัญญาณแบบสองทิศทาง, พอร์ตอินพุต/เอาท์พุตหนึ่งพอร์ต (สดีเอ) เป็นสิ่งจำเป็น, และพอร์ตเอาต์พุตอื่น (เอสซีแอล) เป็นสิ่งจำเป็น. (หมายเหตุ ความเข้าใจของฉันเกี่ยวกับ I2C ค่อนข้างจำกัด, ดังนั้นคำอธิบายนี้อาจไม่สมบูรณ์)

บัส UART เป็นพอร์ตอนุกรมแบบอะซิงโครนัส, ดังนั้นโดยทั่วไปจึงมีโครงสร้างที่ซับซ้อนกว่าพอร์ตอนุกรมแบบซิงโครนัสสองพอร์ตก่อนหน้านี้มาก (ตามที่แนะนำในหนังสือไมโครคอนโทรลเลอร์, แม้ว่าจะไม่ถือว่าซับซ้อนก็ตาม). โดยทั่วไปจะประกอบด้วยเครื่องกำเนิดอัตรารับส่งข้อมูล (อัตรารับส่งข้อมูลที่สร้างขึ้นจะเท่ากับ 16 คูณด้วยอัตรารับส่งข้อมูล), เครื่องรับ UART, และเครื่องส่งสัญญาณ UART, ด้วยสายไฟสองเส้นในฮาร์ดแวร์, อันหนึ่งสำหรับส่งและอีกอันสำหรับรับ.

ชัดเจน, หากจำลองบัส UART ด้วยพอร์ต IO ทั่วไป, จำเป็นต้องมีพอร์ตอินพุตหนึ่งพอร์ตและพอร์ตเอาต์พุตหนึ่งพอร์ต.

จากจุดที่สอง, เห็นได้ชัดว่า SPI และ UART สามารถบรรลุฟูลดูเพล็กซ์ได้, แต่ I2C ทำไม่ได้.

ความแตกต่างของโปรโตคอลการสื่อสาร

เอสพีไอ

 

SPI เป็นโปรโตคอลที่อนุญาตให้อุปกรณ์หลักเริ่มต้นการสื่อสารแบบซิงโครนัสกับอุปกรณ์สลาฟ, จึงทำให้การแลกเปลี่ยนข้อมูลเสร็จสมบูรณ์. วิธีการสื่อสารนี้มีข้อดีคือใช้พอร์ตน้อยลง; โดยทั่วไป, สี่อันก็เพียงพอสำหรับการสื่อสารขั้นพื้นฐาน. ในเวลาเดียวกัน, ความเร็วในการส่งข้อมูลก็สูงมากเช่นกัน. โดยทั่วไป, กำหนดให้อุปกรณ์หลักต้องมีตัวควบคุม SPI (แต่ก็สามารถจำลองได้เช่นกัน) เพื่อสื่อสารกับชิปที่ใช้ SPI.

หลักการสื่อสารของ SPI นั้นง่ายมาก; ต้องใช้สายไฟอย่างน้อยสี่เส้น, แต่สามอย่างก็เพียงพอแล้ว. เป็นเรื่องปกติสำหรับอุปกรณ์ SDI ที่ใช้ SPI ทั้งหมด (การป้อนข้อมูล), สดีโอ (เอาท์พุทข้อมูล), เอสซีเค (นาฬิกา), ซีเอส (เลือกชิป). CS จะควบคุมว่าจะเลือกชิปหรือไม่, หมายความว่าการทำงานบนชิปนี้จะมีผลเฉพาะเมื่อสัญญาณเลือกชิปอยู่ที่สัญญาณเปิดใช้งานที่กำหนดไว้ล่วงหน้าเท่านั้น (ระดับสูงหรือระดับต่ำ). ช่วยให้สามารถเชื่อมต่ออุปกรณ์ SPI หลายตัวบนบัสเดียวกันได้.

ถัดไปคือสามบรรทัดที่รับผิดชอบในการสื่อสาร. การสื่อสารเสร็จสิ้นผ่านการแลกเปลี่ยนข้อมูล. ที่นี่, สิ่งสำคัญคือต้องรู้ว่า SPI เป็นโปรโตคอลการสื่อสารแบบอนุกรม, หมายถึงข้อมูลถูกส่งทีละบิต. นี่คือสาเหตุว่าทำไมสายนาฬิกา SCK จึงมีอยู่. SCK ให้พัลส์นาฬิกา, และเอสดีไอ, การส่งข้อมูลที่สมบูรณ์ของ SDO ขึ้นอยู่กับพัลส์เหล่านี้. เอาต์พุตข้อมูลเกิดขึ้นผ่านสาย SDO; ข้อมูลเปลี่ยนแปลงบนขอบขาขึ้นหรือขอบขาลงของนาฬิกา และจะถูกอ่านที่ขอบขาขึ้นหรือขาขึ้นถัดไปทันที. การส่งข้อมูลหนึ่งบิตเสร็จสิ้นในลักษณะนี้. ข้อมูลเข้าเป็นไปตามหลักการเดียวกัน. ดังนั้น, การเปลี่ยนแปลงสัญญาณนาฬิกาอย่างน้อยแปดครั้ง (วงจรขึ้นและลงหนึ่งรอบถือเป็นการเปลี่ยนแปลงครั้งเดียว) ขออนุญาติถ่ายทอด. 8 บิตของข้อมูล.

ควรสังเกตว่าสายสัญญาณ SCK ถูกควบคุมโดยอุปกรณ์หลักเท่านั้น, และอุปกรณ์สเลฟไม่สามารถควบคุมสายสัญญาณได้. ในทำนองเดียวกัน, ในอุปกรณ์ที่ใช้ SPI, ต้องมีอุปกรณ์หลักอย่างน้อยหนึ่งเครื่อง.

คุณลักษณะการส่งข้อมูลนี้มีข้อได้เปรียบเหนือการสื่อสารแบบอนุกรมทั่วไป ซึ่งต่างจากการสื่อสารแบบอนุกรมทั่วไป, ซึ่งส่งผ่านเป็นอย่างน้อย 8 บิตของข้อมูลอย่างต่อเนื่อง, SPI อนุญาตให้ส่งข้อมูลทีละบิต, และอนุญาตให้หยุดชั่วคราวได้เนื่องจากสายนาฬิกา SCK ถูกควบคุมโดยอุปกรณ์หลัก. เมื่อนาฬิกาไม่มีการเปลี่ยนแปลง, อุปกรณ์ทาสไม่รวบรวมหรือส่งข้อมูล. กล่าวอีกนัยหนึ่ง, อุปกรณ์หลักสามารถควบคุมการสื่อสารผ่านการควบคุมสายนาฬิกา SCK.

SPI ยังเป็นโปรโตคอลการแลกเปลี่ยนข้อมูลเนื่องจากบรรทัดอินพุตและเอาต์พุตข้อมูล SPI มีความเป็นอิสระ, ช่วยให้สามารถป้อนข้อมูลและส่งออกข้อมูลได้พร้อมกัน.

อุปกรณ์ SPI ที่แตกต่างกันมีการใช้งานที่แตกต่างกัน, ส่วนใหญ่ในแง่ของเวลาที่ข้อมูลเปลี่ยนแปลงและถูกรวบรวม, โดยมีคำจำกัดความที่แตกต่างกันสำหรับการรวบรวมบนขอบขาขึ้นหรือขอบขาลงของสัญญาณนาฬิกา. สำหรับรายละเอียดเฉพาะ, โปรดดูเอกสารประกอบของอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้อง.

ฉัน²C

ต้องใช้บัสสองบรรทัดเท่านั้นหนึ่งบรรทัดข้อมูลอนุกรม SDA และหนึ่งบรรทัดนาฬิกาอนุกรม SCL.

อุปกรณ์ทุกชิ้นที่เชื่อมต่อกับบัสสามารถแก้ไขได้ด้วยที่อยู่เฉพาะและความสัมพันธ์แบบมาสเตอร์-สเลฟที่เรียบง่ายซึ่งกำหนดโดยซอฟต์แวร์. โฮสต์สามารถทำหน้าที่เป็นเครื่องส่งหรือเครื่องรับหลักได้.

มันเป็นบัสหลายมาสเตอร์ที่แท้จริง; หากต้นแบบตั้งแต่สองคนขึ้นไปเริ่มการถ่ายโอนข้อมูลพร้อมกัน, การตรวจจับข้อขัดแย้งและอนุญาโตตุลาการป้องกันความเสียหายของข้อมูล.

อัตราการถ่ายโอนข้อมูลแบบสองทิศทางแบบอนุกรม 8 บิตสามารถเข้าถึงได้สูงสุด 100kbit/s ในโหมดมาตรฐาน, 400kbit/s ในโหมดเร็ว, และ 3.4Mbit/s ในโหมดความเร็วสูง.

ตัวกรองบนชิปจะขจัดข้อบกพร่องออกจากสายข้อมูลบัสเพื่อให้แน่ใจว่าข้อมูลมีความสมบูรณ์.

จำนวนไอซีที่เชื่อมต่อกับบัสเดียวกันถูกจำกัดด้วยความจุบัสสูงสุดที่ 400pF เท่านั้น.

ยูอาร์ที

บัส UART เป็นพอร์ตอนุกรมแบบอะซิงโครนัส, ดังนั้นโครงสร้างโดยทั่วไปจึงซับซ้อนกว่าพอร์ตอนุกรมแบบซิงโครนัสสองพอร์ตก่อนหน้านี้มาก. โดยทั่วไปจะประกอบด้วยเครื่องกำเนิดอัตรารับส่งข้อมูล (ซึ่งสร้างอัตรารับส่งข้อมูลเท่ากับ 16 คูณด้วยอัตรารับส่งข้อมูล), เครื่องรับ UART, และเครื่องส่งสัญญาณ UART, ด้วยสายไฟสองเส้นในฮาร์ดแวร์, อันหนึ่งสำหรับส่งและอีกอันสำหรับรับ.

UART มักใช้สำหรับควบคุมชิปคอมพิวเตอร์สำหรับอุปกรณ์อนุกรม. ประเด็นหนึ่งที่ควรทราบก็คือ มีอินเทอร์เฟซอุปกรณ์เทอร์มินัลข้อมูล RS-232C, ช่วยให้คอมพิวเตอร์สื่อสารกับโมเด็มหรืออุปกรณ์อนุกรมอื่น ๆ โดยใช้อินเทอร์เฟซ RS-232C.

UART ย่อมาจาก Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (พอร์ตการสื่อสารแบบอนุกรมแบบอะซิงโครนัส). ประกอบด้วยมาตรฐานและข้อกำหนดสำหรับอินเทอร์เฟซ เช่น RS232, ฿499, RS423, RS422, และ RS485, ทำให้ UART เป็นคำทั่วไปสำหรับพอร์ตการสื่อสารแบบอนุกรมแบบอะซิงโครนัส. RS232, ฿499, RS423, RS422, และ RS485 เป็นมาตรฐานอินเทอร์เฟซและข้อกำหนดสำหรับพอร์ตการสื่อสารแบบอนุกรมแบบอะซิงโครนัสต่างๆ, การกำหนดลักษณะทางไฟฟ้า, อัตราการส่งข้อมูล, ลักษณะการเชื่อมต่อ, และคุณสมบัติทางกลของอินเทอร์เฟซ. พวกมันอยู่ในชั้นทางกายภาพ (ชั้นต่ำสุด) แนวคิดในเครือข่ายการสื่อสารและไม่เกี่ยวข้องโดยตรงกับโปรโตคอลการสื่อสาร. โปรโตคอลการสื่อสารเป็นของดาต้าลิงค์เลเยอร์ (ชั้นที่สูงขึ้นถัดไป) แนวคิดในเครือข่ายการสื่อสาร. พอร์ต COM เป็นตัวย่อสำหรับพอร์ตการสื่อสารแบบอนุกรมแบบอะซิงโครนัสบนพีซี (คอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล). เนื่องจากเหตุผลทางประวัติศาสตร์, อินเทอร์เฟซภายนอกพีซีของ IBM ได้รับการกำหนดค่าเป็น RS232, กลายเป็นมาตรฐานโดยพฤตินัยในอุตสาหกรรมพีซี. ดังนั้น, พอร์ต COM บนพีซีสมัยใหม่นั้นเป็น RS232 ทั้งหมด. หากมีพอร์ตการสื่อสารแบบอนุกรมแบบอะซิงโครนัสหลายพอร์ต, พวกเขาชื่อ COM1, คอม2, ฯลฯ.

เป็นที่ชัดเจนว่าทั้ง SPI และ UART สามารถบรรลุการสื่อสารแบบฟูลดูเพล็กซ์ได้, แต่ I2C ทำไม่ได้.

USART เครื่องรับและส่งสัญญาณอะซิงโครนัสซิงโครนัสสากล. (ความแตกต่างจาก UART นั้นชัดเจน)

UART เครื่องรับและส่งสัญญาณแบบอะซิงโครนัสสากล;

USART เครื่องรับและส่งสัญญาณอะซิงโครนัสซิงโครนัสสากล. โดยทั่วไป, ในไมโครคอนโทรลเลอร์, อินเทอร์เฟซชื่อ UART ใช้สำหรับการสื่อสารแบบอนุกรมแบบอะซิงโครนัสเท่านั้น, ในขณะที่ชื่อ USART สามารถใช้สำหรับการสื่อสารแบบอนุกรมทั้งแบบซิงโครนัสและแบบอะซิงโครนัส.

USB

USB ย่อมาจาก Universal Serial Bus, มาตรฐานบัสภายนอกสำหรับการเชื่อมต่อและสื่อสารระหว่างคอมพิวเตอร์และอุปกรณ์ภายนอก, นำไปใช้ในโดเมนพีซี. USB รองรับฟังก์ชัน Plug-and-Play และ Hot-swap. USB ได้รับการเสนอโดยกลุ่มพันธมิตรรวมทั้ง Intel, คอมแพค, ไอบีเอ็ม, และไมโครซอฟต์ในตอนท้าย 1994.

ลักษณะทางไฟฟ้าและลักษณะการส่งสัญญาณของ USB ประกอบด้วยตัวรับส่งสัญญาณ USB ความเร็วสูงเช่น Philips’ 82C251, SN65/75LBC031 ของ TI, CF150 ของ Bosch, C250, และ UC5350 ของ Intersil; ตัวรับส่งสัญญาณ USB ความเร็วต่ำ ได้แก่ Philips 82C252, TJA1053, ซีเมนส์ TLE 6252G; ตัวรับส่งสัญญาณ USB แบบสายเดี่ยวประกอบด้วย Philips AU5790, อินฟิเนียน TLE 6255, เดลฟี DK166153.

สามารถ

เมื่อรถบัสว่าง, โหนด CAN ใด ๆ ก็สามารถเริ่มการส่งข้อมูลได้. หากตั้งแต่สองโหนดขึ้นไปเริ่มส่งสัญญาณพร้อมกัน, การอนุญาโตตุลาการแบบบิตต่อบิตที่ใช้ตัวระบุช่วยแก้ไขข้อขัดแย้งในการเข้าถึง. CAN เป็นบัสประเภทบรอดคาสต์ที่โหนดทั้งหมดรับข้อมูลจากบัส, และกลไกการกรองฮาร์ดแวร์จะกำหนดว่าข้อความนั้นถูกส่งไปยังโหนดหรือไม่.

กรอบข้อความมี 4 ประเภท คือ Data Frame, กรอบระยะไกล, กรอบข้อผิดพลาด, และเฟรมโอเวอร์โหลด.

ตัวควบคุม CAN พื้นฐานมีความคุ้มค่าด้วยบัฟเฟอร์ข้อความที่จำกัดสำหรับการส่ง/รับ และกลไกการกรองข้อความ CAN พื้นฐาน. ตัวควบคุม CAN เต็มรูปแบบมีราคาและประสิทธิภาพที่สูงกว่าพร้อมบัฟเฟอร์ที่สามารถจัดการได้ 8 หรือข้อความเพิ่มเติมสำหรับการส่งและรับ. คอนโทรลเลอร์ CAN มาตรฐานจัดการข้อความด้วยตัวระบุ 11 บิต, ในขณะที่ตัวควบคุม CAN แบบขยายจะจัดการข้อความระบุทั้ง 11 บิตและ 29 บิต. CAN ที่ทริกเกอร์ตามเวลา (ทีทีแคน) ตัวควบคุมกำหนดเวลาข้อความ CAN ตามเวลาและเหตุการณ์, เพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมและความสามารถในการคาดการณ์พฤติกรรมของเครือข่าย CAN.

ไบต์ข้อมูลจะถูกส่งโดยเริ่มจากบิตที่สำคัญที่สุด. ไบต์ข้อมูล 8 บิตสามารถส่งได้ในการดำเนินการส่งครั้งเดียว, โดยความเร็วสูงสุด CAN บัสคือ 1Mbps.

ไมโครคอนโทรลเลอร์ CAN ส่วนใหญ่ต้องใช้ตัวรับส่งสัญญาณภายนอกเพื่อเชื่อมต่อกับฟิสิคัลบัส. ตลาดมีเครื่องรับส่งสัญญาณความเร็วสูงเช่น Philips’ 82C251, SN65/75LBC031 ของ TI, CF150 ของ Bosch, C250, และ UC5350 ของ Intersil; และเครื่องรับส่งสัญญาณความเร็วต่ำเช่น Philips 82C252, TJA1053, และซีเมนส์ TLE 6252G.

การเลือกบัสอนุกรม

ไมโครคอนโทรลเลอร์ (ไมโครซี) ถือเป็นหัวใจสำคัญของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ขั้นสูงในปัจจุบัน, ต้องการการสื่อสารกับอุปกรณ์ต่อพ่วงตั้งแต่หนึ่งเครื่องขึ้นไป. ตามเนื้อผ้า, อุปกรณ์ต่อพ่วง µC เชื่อมต่อผ่านข้อมูลที่แมปหน่วยความจำและแอดเดรสบัส. อินเทอร์เฟซประเภทนี้ต้องใช้จำนวนพินขั้นต่ำ (ไม่รวมไฟฟ้าและสายดิน) 8 (ข้อมูล) + 1 (ร//ว) + 1 (/ซีเอส) + n บรรทัดที่อยู่ [n = ล็อก2(การลงทะเบียนภายในหรือจำนวนไบต์ของหน่วยความจำ)]. ตัวอย่างเช่น, การสื่อสารกับอุปกรณ์ต่อพ่วงขนาด 16 ไบต์ต้องใช้ 8 + 1 + 1 + 4 - 14 หมุด. อินเทอร์เฟซนี้ให้การเข้าถึงที่รวดเร็ว แต่เพิ่มขนาดแพ็คเกจและต้นทุนทั้งหมดเนื่องจากมีพินจำนวนมากขึ้น. เพื่อลดต้นทุนและขนาดบรรจุภัณฑ์, อินเทอร์เฟซแบบอนุกรมเป็นทางเลือกในอุดมคติ.

การเลือกบัสอนุกรมไม่ใช่เรื่องง่าย. นอกจากการพิจารณาอัตราข้อมูลแล้ว, ลำดับการส่งบิตข้อมูล (บิตที่สำคัญที่สุดก่อนหรือหลัง), และแรงดันไฟฟ้า, นักออกแบบควรคำนึงถึงวิธีการเลือกอุปกรณ์ต่อพ่วง (ผ่านอินพุตเลือกชิปฮาร์ดแวร์หรือโปรโตคอลซอฟต์แวร์), อุปกรณ์ต่อพ่วงซิงโครไนซ์กับ µC อย่างไร (การใช้สายสัญญาณนาฬิกาของฮาร์ดแวร์หรือข้อมูลนาฬิกาที่ฝังอยู่ในสตรีมข้อมูล), ไม่ว่าข้อมูลจะถูกส่งไปในบรรทัดเดียวหรือไม่ (สลับไปมาระหว่าง “สูง” และ “ต่ำ”) หรือบนคู่ที่แตกต่างกัน (เส้นสองเส้นสลับไปในทิศทางตรงกันข้ามพร้อมกัน), และสายสื่อสารใช้ความต้านทานที่ตรงกันที่ปลายทั้งสองข้างหรือไม่ (โดยปกติสำหรับการส่งสัญญาณที่แตกต่างกัน), ไม่ตรงกัน, หรือจับคู่ที่ปลายด้านหนึ่ง (ทั่วไปสำหรับรถเมล์ปลายเดียว). โต๊ะ 1 แสดงความแตกต่างระหว่างระบบบัสทั่วไปต่างๆ ในรูปแบบเมทริกซ์. เพียงสี่เท่านั้น 16 ชุดค่าผสมที่เป็นไปได้เป็นที่รู้จักกันดี.

นอกจากลักษณะเหล่านี้แล้ว, การใช้งานเฉพาะอาจมีข้อกำหนดเพิ่มเติม เช่น วิธีการจ่ายไฟ, การแยกตัว, การปราบปรามเสียง, สูงสุด µC (เจ้าภาพ) ไปยังอุปกรณ์ต่อพ่วง (ทาส) ระยะการส่งข้อมูล, และวิธีการเชื่อมต่อสายเคเบิล (ประเภทรถบัส, ประเภทดาว, การป้องกันขั้วย้อนกลับ, ฯลฯ). แอปพลิเคชันเช่นระบบอัตโนมัติในอาคาร, การควบคุมอุตสาหกรรม, อ่านมิเตอร์, ฯลฯ, ได้กำหนดมาตรฐานสำหรับข้อกำหนดดังกล่าว.

I²C/SMBus เทียบกับ. 1-ไวร์บัส

หากแอปพลิเคชันสามารถจัดหาสายนาฬิกาได้, การเลือกบัสสามารถขยายไปยังอุปกรณ์I²C/SMBus. ตามข้อกำหนด SMBus, สามารถมองเห็นได้ว่าเป็นอนุพันธ์ของข้อกำหนดบัส I²C 100kbps พร้อมคุณสมบัติการหมดเวลาเพิ่มเติม. ในกรณีที่โหนดสูญเสียการซิงโครไนซ์กับบัสมาสเตอร์, คุณลักษณะการหมดเวลาป้องกันการล็อกบัส, ในขณะที่ระบบ I²C จำเป็นต้องรีเซ็ตการเปิดเครื่องเพื่อกู้คืนจากสภาวะข้อผิดพลาดดังกล่าว. ระบบ 1-Wire จะรีเซ็ต/ตรวจจับการมีอยู่ในระหว่างเฟสการเริ่มต้นอินเทอร์เฟซการสื่อสาร.

นอกจากสายนาฬิกาแล้ว, I²C/SMBus จัดเตรียมบิตการตอบรับสำหรับทุกไบต์ที่ส่งบนบัส, ลดอัตราข้อมูลที่มีประสิทธิภาพโดย 12%. กระบวนการสื่อสารเริ่มต้นด้วยเงื่อนไขการเริ่มต้นตามด้วยที่อยู่อุปกรณ์สลาฟและบิตทิศทางข้อมูล (อ่าน/เขียน), ลงท้ายด้วยเงื่อนไขการหยุด. สำหรับระบบ 1-Wire, ต้องเป็นไปตามข้อกำหนดเลเยอร์เครือข่ายก่อน (เช่น., การเลือกอุปกรณ์เฉพาะผ่านคำสั่งค้นหา ROM หรือการออกอากาศ), แล้วส่งรหัสคำสั่งที่เกี่ยวข้องกับอุปกรณ์เฉพาะที่ส่งผลต่อทิศทางการรับส่งข้อมูล (อ่าน/เขียน).

ปัญหาที่น่าสังเกตเกี่ยวกับระบบบัส I²C และ SMBus ดั้งเดิมคือพื้นที่ที่อยู่ 7 บิตที่จำกัด. ที่มีมากกว่า 127 มีอุปกรณ์ประเภทต่างๆ, เป็นไปไม่ได้ที่จะอนุมานฟังก์ชันการทำงานของอุปกรณ์จากที่อยู่ทาสเพียงอย่างเดียว. นอกจากนี้, อุปกรณ์ I²C จำนวนมากอนุญาตให้ผู้ใช้ตั้งค่าบิตที่อยู่อย่างน้อยหนึ่งบิตโดยพลการเพื่อแนบอุปกรณ์ที่เหมือนกันหลายตัวบนบัส, ลดพื้นที่ที่อยู่ที่มีอยู่เพิ่มเติม. การแก้ไขข้อขัดแย้งเกี่ยวข้องกับการแบ่งส่วนระบบบัสออกเป็นหลายส่วนซึ่งสามารถเปิดใช้งานภายใต้การควบคุมซอฟต์แวร์ในเวลาใดก็ได้. ต้องใช้ฮาร์ดแวร์เพิ่มเติมและทำให้เฟิร์มแวร์ของแอปพลิเคชันซับซ้อน. ระบบ I²C ขาดความสามารถในการค้นหาโหนดเครือข่ายหรือการแจงนับ, ทำให้การจัดการเครือข่ายด้วยจำนวนโหนดที่เปลี่ยนแปลงแบบไดนามิกเป็นเรื่องท้าทาย. ปัญหานี้แก้ไขได้ด้วยโปรโตคอลการแก้ไขที่อยู่ในเวอร์ชันข้อกำหนด SMBus 2.013, แม้ว่าอุปกรณ์ SMBus ที่รองรับจะหายากก็ตาม.

อินเทอร์เฟซ SPI และ MICROWIRE

SPI และไมโครไวร์ (เซตย่อยของ SPI) ต้องมีสายเลือกชิปเพิ่มเติมสำหรับอุปกรณ์ทาสแต่ละตัว. เนื่องจากสัญญาณเลือกชิป, โปรโตคอล SPI กำหนดเฉพาะคำสั่งอ่าน/เขียนสำหรับที่อยู่หน่วยความจำและการลงทะเบียนสถานะโดยไม่มีฟังก์ชันการตอบรับ. โดยทั่วไป, อุปกรณ์ SPI ใช้พินแยกกันสำหรับการป้อนข้อมูลและเอาท์พุท. เนื่องจากข้อมูลเอาต์พุตเป็นแบบไตรสเตต ยกเว้นระหว่างการดำเนินการอ่าน, พินข้อมูลทั้งสองสามารถเชื่อมต่อเข้าด้วยกันเพื่อสร้างสายข้อมูลสองทิศทางเดียว. บัส SPI จะถูกเลือกเมื่อระบบบัสอื่นไม่มีฟังก์ชันที่จำเป็น หรือเมื่อต้องการอัตราการถ่ายโอนข้อมูลที่สูงกว่า, รองรับอัตราสูงสุด 2Mbps หรือสูงกว่า. อย่างไรก็ตาม, การสร้างสัญญาณ CS เพื่อระบุอุปกรณ์เฉพาะถือเป็นข้อเสียของ SPI และ MICROWIRE. เช่นเดียวกับI²C, ไม่รองรับการค้นพบโหนด. โฮสต์ไม่สามารถอนุมานฟังก์ชันการทำงานของอุปกรณ์จากที่อยู่ทาสแบบลอจิคัลได้, ทำให้ยากต่อการจัดการเครือข่ายที่มีการเปลี่ยนแปลงโหนดแบบไดนามิก.

RS-485, LVDS, สามารถ, USB 2.0, และไฟร์ไวร์

มาตรฐานเหล่านี้แสดงให้เห็นถึงลักษณะเฉพาะของระบบส่งกำลังแบบดิฟเฟอเรนเชียล. เร็วที่สุดในบรรดาระบบบัสเหล่านี้คือ FireWire และ USB 2.0, ซึ่งใช้การเชื่อมต่อไฟฟ้าแบบจุดต่อจุด. ด้วยโหนดหรือฮับขั้นสูง, พวกมันสามารถสร้างบัสเสมือนที่มีโทโพโลยีแบบต้นไม้ได้, การส่งแพ็กเก็ตข้อมูลจากต้นทางไปยังปลายทาง (USB) หรือแบบเพียร์ทูเพียร์ (ไฟร์ไวร์), ด้วยอัตราการส่งข้อมูลสูงสุด 480Mbps (USB 2.0) หรือ 1600Mbps (ไฟร์ไวร์). แพ็กเก็ตข้อมูลที่มีขนาดจำกัดและกลไกการสื่อสารการรับ/บัฟเฟอร์/ส่งซ้ำจะทำให้เวลาในการส่งข้อมูลเพิ่มขึ้น, จึงช่วยลดปริมาณข้อมูลที่มีประสิทธิภาพ. โทโพโลยีและโปรโตคอลของ USB อนุญาตสูงสุด 126 โหนด, ในขณะที่ FireWire รองรับได้ถึง 63 โหนดที่มีระยะห่างระหว่างโหนดต่อโหนดสูงสุด 4.5 ม. โดยใช้สายเคเบิลแบบพาสซีฟ. ออกแบบมาสำหรับอุปกรณ์ต่อพ่วงพีซี, มัลติมีเดีย, การควบคุมอุตสาหกรรม, และการใช้งานด้านการบิน (ไฟร์ไวร์เท่านั้น), อุปกรณ์ USB และ FireWire รองรับการเสียบปลั๊ก. คุณลักษณะนี้ช่วยให้สามารถเปลี่ยนแปลงจำนวนโหนดเครือข่ายแบบไดนามิกได้.

LVDS, RS-485, และสามารถใช้โทโพโลยีบัสที่เชื่อมต่อหลายโฮสต์ได้. การส่งสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลแรงดันต่ำ (LVDS) ให้ความเร็วสูงสุดเหนือมาตรฐานเหล่านี้, สามารถทำงานที่ความเร็ว 100Mbps ในระยะทางสูงสุด 10 เมตร. อัตราข้อมูลและปริมาณงานจริงขึ้นอยู่กับขนาดเครือข่าย. มาตรฐานไฟฟ้า LVDS ได้รับการออกแบบสำหรับการใช้งานแบ็คเพลน และรองรับการเสียบปลั๊กแบบ hot-plug แต่ไม่มีโปรโตคอลใดๆ.

RS-485 ยังกำหนดเฉพาะพารามิเตอร์ทางไฟฟ้าเท่านั้น, การระบุความสามารถในการรับน้ำหนักและการรับน้ำหนักสูงสุดต่อสายบัส (32), ไม่ใช่ในแง่ของโหนด. โหลดของโหนดไฟฟ้าสามารถน้อยกว่าได้ 1. อัตราข้อมูลทั่วไปสามารถเข้าถึงได้สูงสุด 35Mbps ในระยะทาง 12 เมตร, และ 100kbps ในระยะทาง 1,200 ม, เพียงพอสำหรับการรับข้อมูลและการควบคุมแอปพลิเคชัน. โปรโตคอลอุปกรณ์ RS-485 มักอิงตามโปรโตคอลที่เดิมออกแบบมาสำหรับ RS-232.

ในทางตรงกันข้าม, เครือข่ายพื้นที่ควบคุม (สามารถ) กำหนดโปรโตคอลการสื่อสารสำหรับการควบคุมแบบเรียลไทม์แบบกระจายพร้อมความปลอดภัยที่สูงมาก, มุ่งเป้าไปที่การใช้งานระบบอัตโนมัติในยานยนต์และอุตสาหกรรมโดยเฉพาะ. อัตราข้อมูลมีตั้งแต่ 1Mbps ในระยะทางสูงสุด 40 ม. ถึง 50kbps ในระยะทางสูงสุด 1,000 ม.. วิธีการระบุที่อยู่จะขึ้นอยู่กับข้อความ, และโปรโตคอลเองก็ไม่จำกัดจำนวนโหนด. โหนด CAN รองรับการเสียบปลั๊กร้อน, อนุญาตให้มีการเปลี่ยนแปลงจำนวนโหนดเครือข่ายแบบไดนามิก.

บทสรุป

ในความเรียบง่าย, ระบบบัสราคาประหยัดเมื่อเปรียบเทียบกับบัส LIN และ SensorPath, 1-ระบบสายมีฟังก์ชันและไดรเวอร์เครือข่ายที่หลากหลายที่สุดสำหรับอุปกรณ์สลาฟ. I²C และ SMBus ต้องการสายข้อมูลและกราวด์ รวมถึงสายสัญญาณนาฬิกาและแหล่งจ่ายไฟ VCC แต่มีฟังก์ชันการทำงานของอุปกรณ์มากมาย. SPI และ MICROWIRE ต้องการสายการเลือกชิปเพิ่มเติมแต่ให้อัตราข้อมูลที่สูงกว่า. นอกจากสนับสนุนแหล่งจ่ายไฟปรสิตและการค้นพบโหนดเครือข่ายแล้ว, อินเทอร์เฟซและโปรโตคอล 1 สายรองรับการเสียบปลั๊ก, มักพบเฉพาะในระบบความเร็วสูงที่ใช้การส่งสัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียลและ SMBus 2.0 ผลิตภัณฑ์ที่เข้ากันได้. iButton® ผลิตภัณฑ์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นอุปกรณ์ 1 สายแบบเสียบปลั๊กร้อนได้; การเสียบปลั๊กเป็นโหมดการทำงานปกติ. อุปกรณ์เหล่านี้ได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีประสิทธิภาพสูงในการใช้งาน เช่น หมายเลขประจำตัวทั่วโลก, circuit board/component identification and certification, temperature sensing, and actuation devices. Another successful application of 1-Wire technology includes secure storage and challenge-response mechanisms for achieving low-cost authentication and software code protection.