Kuinka UART-, SPI- ja I2C-sarjaliikenne toimivat ja miksi käytämme niitä edelleen

Olipa kyseessä tietokoneiden oheislaitteet, älylaitteet, esineiden internet (IoT) -laitteet tai elektroniikka mittaustyökaluja, ne kaikki käyttävät sarjaliikenneprotokollia eri elektronisten komponenttien yhdistämiseen yhdessä.

Nämä komponentit koostuvat yleensä mikro-ohjaimesta ja orjamoduuleista, kuten sormenjälkitunnistimesta, ESP8266:sta (Wi-Fi-moduuli), servoista ja sarjanäytöistä.

Nämä laitteet käyttävät erilaisia ​​viestintäprotokollia. Alla opit joistakin suosituimmista sarjaliikenneprotokollista, miten ne toimivat, niiden edut ja miksi ne ovat edelleen käytössä.

Mitä on sarjaviestintä?

Sarjaliikenneprotokollat ​​ovat olleet täällä Morse-koodin keksimisestä vuonna 1838 lähtien. Nykyään nykyaikaiset sarjaliikenneprotokollat ​​käyttävät samoja periaatteita. Signaalit luodaan ja lähetetään yhdellä johdolla oikosulkemalla toistuvasti kaksi johdinta yhteen. Tämä lyhyt toimii kuin kytkin; se kytkeytyy päälle (korkea) ja sammuu (matala) ja antaa binäärisignaaleja. Kuinka tämä signaali lähetetään ja vastaanotetaan, riippuu käytetyn sarjaliikenneprotokollan tyypistä.

Transistorin keksinnöllä ja sitä seuranneilla innovaatioilla insinöörit ja muuntajat tekivät prosessointiyksiköistä ja muistista pienempiä, nopeampia ja energiatehokkaampia. Nämä muutokset vaativat väyläviestintäprotokollien olevan teknisesti yhtä edistyneitä kuin kytkettävät komponentit. Näin ollen sarjaprotokollien, kuten UART, I2C ja SPI, keksintö. Vaikka nämä sarjaprotokollat ​​ovat useita vuosikymmeniä vanhoja, niitä suositaan edelleen mikro-ohjaimissa ja paljasmetalliohjelmoinnissa.

UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter)

UART-protokolla on yksi vanhimmista mutta luotettavimmista sarjaliikenneprotokollista, jota käytämme edelleen. Tämä protokolla käyttää kahta johtoa, jotka tunnetaan nimellä Tx (lähetys) ja Rx (vastaanotto), molempien komponenttien kommunikointiin.

Datan lähettämiseksi sekä lähettimen että vastaanottimen on sopia viisi yleistä konfiguraatiota, nämä ovat:

• Tiedon nopeus: Lähetysnopeus sen mukaan, kuinka nopeasti dataa siirretään.
• Datan pituus: Sovittu määrä bittejä, jotka vastaanotin tallentaa rekistereihinsä.
• Aloitusbitti: Matala signaali, joka ilmoittaa vastaanottimelle, kun tietoja on siirretty.
• Pysäytysbitti: Korkea signaali, joka antaa vastaanottimelle tietää, milloin viimeinen bitti (merkittävin bitti) on lähetetty.
• Pariteettibitti: Joko korkea tai matala signaali, jota käytetään sen tarkistamiseen, olivatko lähetetyt tiedot oikein tai viallisia.

Koska UART on asynkroninen protokolla, sillä ei ole omaa kelloa, joka säätelee tiedonsiirtonopeutta. Vaihtoehtoisesti se käyttää siirtonopeutta ajoitukseen, kun bittiä lähetetään. UART: n tavallinen siirtonopeus on 9600 baudia, mikä tarkoittaa 9600 bittiä sekunnissa.

Jos teemme laskelman ja jaamme yhden bitin 9600 baudilla, voimme laskea kuinka nopeasti yksi bitti dataa siirtyy vastaanottimeen.

1/9600 =104 mikrosekuntia

Tämä tarkoittaa, että UART-laitteemme alkavat laskea 104 mikrosekuntia tietääkseen, milloin seuraava bitti lähettää.

Kun UART-laitteet on kytketty, oletussignaali nostetaan aina korkeaksi. Kun vastaanotin havaitsee matalataajuisen signaalin, se alkaa laskea 104 mikrosekuntia plus vielä 52 mikrosekuntia ennen kuin se alkaa tallentaa bittejä rekistereihinsä (muistiin).

Koska oli jo sovittu, että kahdeksan bittiä on datapituus, niin kahdeksan bitin datan tallentamisen jälkeen se alkaa tarkistaa pariteettia tarkistaakseen, onko data pariton vai parillinen. Pariteettitarkistuksen jälkeen pysäytysbitti nostaa korkean signaalin ilmoittaakseen laitteille, että kaikki kahdeksan databittiä on lähetetty vastaanottimeen onnistuneesti.

Koska UART on minimalistisin sarjaprotokolla, joka käyttää vain kahta johtoa, sitä käytetään nykyään yleisesti älykorteissa, SIM-korteissa ja autoissa.

Aiheeseen liittyvä: Mikä on SIM-kortti? Asiat, jotka sinun on tiedettävä

SPI (Serial Peripheral Interface)

SPI on toinen suosittu sarjaprotokolla, jota käytetään nopeampiin noin 20 Mbps: n tiedonsiirtonopeuksiin. Se käyttää yhteensä neljää johtoa, nimittäin SCK (Serial Clock Line), MISO (Master Out Slave In), MOSI (Master In Slave Out) ja SS/CS (Chip Select). Toisin kuin UART, SPI käyttää master-to-slave -muotoa ohjaamaan useita orjalaitteita vain yhdellä isännällä.

MISO ja MOSI toimivat kuten UART: n Tx ja Rx, joita käytetään tiedon lähettämiseen ja vastaanottamiseen. Chip Selectiä käytetään valitsemaan, minkä orjan kanssa isäntä haluaa kommunikoida.

Koska SPI on synkroninen protokolla, se käyttää isäntälaitteen sisäänrakennettua kelloa varmistaakseen, että sekä isäntä- että orjalaitteet toimivat samalla taajuudella. Tämä tarkoittaa, että näiden kahden laitteen ei enää tarvitse neuvotella baudinopeudesta.

Protokolla alkaa siitä, että isäntä valitsee orjalaitteen alentamalla signaaliaan tiettyyn orjalaitteeseen kytkettyyn SS/CK: hen. Kun orja vastaanottaa matalan signaalin, se alkaa kuunnella sekä SCK: ta että MOSI: ta. Isäntä lähettää sitten aloitusbitin ennen dataa sisältävien bittien lähettämistä.

Sekä MOSI että MISO ovat kaksisuuntaisia, mikä tarkoittaa, että ne voivat lähettää ja vastaanottaa dataa samanaikaisesti.

Sen kyky yhdistää useisiin orjiin, kaksisuuntainen tiedonsiirto ja pienempi virrankulutus kuin muilla synkronisia protokollia, kuten I2C, SPI, käytetään muistilaitteissa, digitaalisissa muistikorteissa, ADC-DAC-muuntimissa ja kristallissa muistinäytöt.

I2C (Inter-Integrated Circuit)

I2C on vielä yksi synkroninen sarjaprotokolla, kuten SPI, mutta sillä on useita etuja siihen verrattuna. Näitä ovat mahdollisuus käyttää useita isäntiä ja orjia, yksinkertainen osoitus (ei tarvita Chipiä Valitse), joka toimii eri jännitteillä ja käyttää vain kahta johtoa, jotka on kytketty kahteen vetoon vastukset.

I2C: tä käytetään usein monissa IoT-laitteissa, teollisuuslaitteissa ja kulutuselektroniikassa.

I2C-protokollan kaksi nastaa ovat SDA (Serial Data Line), joka lähettää ja vastaanottaa dataa, ja SCL (Serial Clock Line) -nasta, joka toimii kellona.

1. Protokolla alkaa siten, että isäntä lähettää aloitusbitin (low) SDA-nastastaan, jota seuraa seitsemän bitin osoite, joka valitsee orjan, ja yksi bitti osoitteeseen luku- tai kirjoitusvalintaa varten.
2. Vastaanotettuaan aloitusbitin ja osoitteen, orja lähettää kuittausbitin isännälle ja alkaa kuunnella SCL: ää ja SDA: ta saapuvia lähetyksiä varten.
3. Kun isäntä vastaanottaa tämän, se tietää, että yhteys on muodostettu oikeaan orjaan. Isäntä valitsee nyt, mitä tiettyä rekisteriä (muistia) orjasta se haluaa käyttää. Se tekee sen lähettämällä vielä kahdeksan bittiä, jotka määrittävät käytettävää rekisteriä.
4. Vastaanotettuaan osoitteen orja lukee nyt valintarekisterin ennen kuin lähettää toisen kuittauksen isännälle.
5. Valittuaan mitä tiettyä orjaa ja mitä sen rekistereistä käyttää, isäntä lähettää lopulta databitin orjalle.
6. Kun tiedot on lähetetty, viimeinen kuittausbitti lähetetään isännälle ennen kuin isäntä lopettaa stop-bitin (high).

Aiheeseen liittyvä: Parhaat Arduino IoT -projektit

Miksi sarjaviestintä on jäädäkseen

Rinnakkaisten ja monien langattomien protokollien lisääntyessä sarjaviestinnän suosio ei ole koskaan laskenut. Yleensä käytetään vain kahdesta neljään johtoa tiedon lähettämiseen ja vastaanottamiseen, ja sarjaprotokollat ​​ovat olennainen viestintätapa elektroniikalle, jolla on vain muutama portti vapaana.

Toinen syy on sen yksinkertaisuus, joka tarkoittaa luotettavuutta. Vain muutama johto lähettää dataa kerran kerrallaan, joten sarja on osoittanut luotettavuutensa lähettää täydelliset datapaketit ilman menetyksiä tai korruptiota lähetettäessä. Jopa korkeilla taajuuksilla ja pidemmän kantaman tiedonsiirrolla, sarjaprotokollat ​​päihittävät monet nykyaikaiset rinnakkaiset viestintäprotokollat, jotka ovat saatavilla nykyään.

Vaikka monet saattavat ajatella, että sarjaviestinnöillä, kuten UART, SPI ja I2C, on haittapuoli Koska ne ovat vanhoja ja vanhentuneita, ne ovat todistaneet luotettavuutensa useilla vuosikymmeniä. Protokollat ​​ovat näin vanhoja ilman todellista korvaamista, mikä vain viittaa siihen, että ne ovat itse asiassa välttämättömiä ja että niitä käytetään edelleen elektroniikassa lähitulevaisuudessa.

Raspberry Pi, Pico, Arduino ja muut yhden levyn tietokoneet ja mikro-ohjaimet

Oletko hämmentynyt SBC: iden, kuten Raspberry Pi, ja mikro-ohjainten, kuten Arduino ja Raspberry Pi Pico, välillä? Tässä on mitä sinun on tiedettävä.

Lue Seuraava

Kirjailijasta